内燃机的基本工作原理和总体构造

本章主要内容：本章主要内容：1、有关汽车发动机的名词术语、有关汽车发动机的名词术语2、四冲程内燃机的工作原理、四冲程内燃机的工作原理3、二冲程内燃机的工作原理、二冲程内燃机的工作原理4、汽车发动机的总体构造、汽车发动机的总体构造一、内燃机的基本名词术语一、内燃机的基本名词术语1、上止点（下止点）、上止点（下止点）定义：定义：活塞顶离曲轴旋转中心最远（近活塞顶离曲轴旋转中心最远（近)处。处。即活塞的最高（低）位置。即活塞的最高（低）位置。2、活塞冲程、活塞冲程S定义：定义：活塞上、下止点之间的距离。活塞上、下止点之间的距离。若曲柄半径为若曲柄半径为R，则：，则：S2R3、气缸工作容积（气缸排量）、气缸工作容积（气缸排量）Vs定义：定义：活塞从上止点到下止点所扫过的容积。活塞从上止点到下止点所扫过的容积。定义式：定义式：Vs=（/4）D2S常作为表征内燃机尺寸大小及动力性能的主要结常作为表征内燃机尺寸大小及动力性能的主要结构参数之一。构参数之一。4、发动机排量（发动机工作容积）、发动机排量（发动机工作容积）VL定义：定义：发动机各气缸工作容积的总和。发动机各气缸工作容积的总和。定义式：定义式：VL Vs*i i:发动机气缸数。发动机气缸数。5、燃烧室容积、燃烧室容积Vc定义：定义：活塞在上止点时，活塞顶以上的空间容积活塞在上止点时，活塞顶以上的空间容积。6、气缸总容积气缸总容积Va定义：定义：活塞在下止点时，活塞顶以上的空间容活塞在下止点时，活塞顶以上的空间容积。积。定义式：定义式：VaVsVc7、压缩比、压缩比c定义：定义：压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比。的最小容积之比。定义式：定义式：cVa/Vc物理意义：物理意义：表示气缸内气体被压缩的倍数或燃表示气缸内气体被压缩的倍数或燃气燃烧后膨胀的倍数。是发动机的重要性能参数。气燃烧后膨胀的倍数。是发动机的重要性能参数。柴油机柴油机c：1422汽油机汽油机c：69（轿车有的达到（轿车有的达到911）二、单缸四冲程汽油机的工作原理二、单缸四冲程汽油机的工作原理1、进气冲程进气冲程活塞：活塞：从上止点移动到下止点从上止点移动到下止点气门：气门：进气门打开，排气门关闭进气门打开，排气门关闭曲轴：曲轴：旋转从旋转从 0A180A进气终了压力：进气终了压力：pde0.0750.09 Mpa 进气终了温度：进气终了温度：Tde370400 K 2、压缩冲程压缩冲程活塞：活塞：从下止点移动到上止点从下止点移动到上止点气门：气门：进气门关闭，排气门关闭进气门关闭，排气门关闭曲轴：曲轴：旋转从旋转从180A360A压缩终了压力：压缩终了压力：pco0.82.0 Mpa压缩终了温度：压缩终了温度：Tco600700 K爆燃：爆燃：由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。种不正常燃烧。后果：后果：轻微爆燃，发动机功率有所升高；但过度，轻微爆燃，发动机功率有所升高；但过度，则会使发动机过热，功率下降，经济性变差，零则会使发动机过热，功率下降，经济性变差，零件寿命下降等。件寿命下降等。现象：现象：发生爆燃时，有尖锐的金属敲击声传出。发生爆燃时，有尖锐的金属敲击声传出。表面点火：表面点火：由燃烧室内炽热表面（如排气门头、火由燃烧室内炽热表面（如排气门头、火花塞电极、积碳）点燃混合气产生的另一种不正花塞电极、积碳）点燃混合气产生的另一种不正常燃烧。常燃烧。后果：后果：发动机的性能下降，零部件寿命降低。发动机的性能下降，零部件寿命降低。现象：现象：发生表面点火时，有沉闷的敲击声传出。发生表面点火时，有沉闷的敲击声传出。3、做功冲程做功冲程活塞：活塞：从上止点移动到下止点从上止点移动到下止点气门：气门：进气门关闭，排气门关闭进气门关闭，排气门关闭曲轴：曲轴：旋转从旋转从360A540A最高压力：最高压力：pmax3.06.5 Mpa最高温度：最高温度：Tmax22002800 K膨胀终了压力：膨胀终了压力：pex0.30.6 Mpa膨胀终了温度膨胀终了温度：Tex12001500 K4、排气冲程排气冲程活塞：活塞：从下止点移动到上止点从下止点移动到上止点气门：气门：进气门关闭，排气门开启进气门关闭，排气门开启曲轴：曲轴：旋转从旋转从540A720A排气终了气体压力（残余废气压力）：排气终了气体压力（残余废气压力）：pr0.1050.115 Mpa排气终了气体温度（残余废气温度）：排气终了气体温度（残余废气温度）：Tr9001100 K二、单缸四冲程二、单缸四冲程柴油机柴油机的工作原理的工作原理1、进气冲程、进气冲程与汽油机主要区别：与汽油机主要区别：进入气缸的是纯空气进入气缸的是纯空气。进气终了压力：进气终了压力：pde0.080.09Mpa进气终了温度：进气终了温度：Tde340380K2、压缩冲程、压缩冲程与汽油机的主要区别：压缩比高于汽油机；在压缩过程快要结束的时候，喷油器向气缸内喷入柴油。当油与空气混合后在高压下达到其自燃点就开始着火燃烧。压缩终了压力：压缩终了压力：pco3.05.0 Mpa压缩终了温度：压缩终了温度：Tco7501000K3、做功冲程、做功冲程柴油机由于是边喷油、边混合、边燃烧，柴油机由于是边喷油、边混合、边燃烧，所以，所以最开始虽然活塞有所下行，所以，所以最开始虽然活塞有所下行，但气缸内的压力基本不变。但气缸内的压力基本不变。最高压力：最高压力：pmax4.59Mpa最高温度：最高温度：Tmax18002500K膨胀终了压力膨胀终了压力：pex0.20.5Mpa膨胀终了温度：膨胀终了温度：Tex10001200K4、排气冲程、排气冲程排气终了气体压力：排气终了气体压力：pr0.1050.12Mpa排气终了气体温度排气终了气体温度：Tr700900K四冲程汽油机、柴油机缸内压力、温度比较四冲程汽油机、柴油机缸内压力、温度比较（p：Mpa ；T：K）汽油机柴油机 进 气pde0.0750.090.080.09Tde370400340380 压 缩pco0.61.23.05.0Tco6007007501000 做 功pmax3.06.54.59Tmax2200280018002500pex0.30.60.20.5Tex1200150010001200 排 气 pr0.1050.1150.1050.12 Tr9001100700900三、四冲程汽油机、柴油机特点比较三、四冲程汽油机、柴油机特点比较1、由于柴油机压缩比较高，燃料燃烧非常完全，由于柴油机压缩比较高，燃料燃烧非常完全，所以柴油机的有效热效率好，经济性好。所以柴油机的有效热效率好，经济性好。汽油机：汽油机：be=270325 g/(kw.h)柴油机柴油机:be=214285 g/(kw.h)2、柴油机无点火系，所以故障少些，易保养。柴油机无点火系，所以故障少些，易保养。但柴油机有高精度零件如喷油泵、喷油器等，但柴油机有高精度零件如喷油泵、喷油器等，其成本较高，并且加工较难。其成本较高，并且加工较难。3、柴油机最高爆发压力高，所以对发动机的零柴油机最高爆发压力高，所以对发动机的零部件强度要求高，这样导致柴油机笨重。部件强度要求高，这样导致柴油机笨重。4、柴油机转速低于汽油机柴油机转速低于汽油机原因：原因：1）由于柴油机的压缩比高，所以其）由于柴油机的压缩比高，所以其受到的机械负荷较大，故其零部件的质受到的机械负荷较大，故其零部件的质量需较大，导致运动时惯性力较大。量需较大，导致运动时惯性力较大。2）汽油机可燃混合气的混合时间和）汽油机可燃混合气的混合时间和质量优于柴油机。质量优于柴油机。5、柴油机运转噪音高，但有害气体的排柴油机运转噪音高，但有害气体的排放优于汽油机，而微粒排放较高。放优于汽油机，而微粒排放较高。6、柴油机启动困难，汽油机易启动。柴油机启动困难，汽油机易启动。二冲程内燃机：二冲程内燃机：一、结构介绍一、结构介绍1、换气机构（气孔、气阀）换气机构（气孔、气阀）2、曲轴箱扫气、扫气泵扫气曲轴箱扫气、扫气泵扫气3、活塞顶部为凸顶，以引导气流扫气活塞顶部为凸顶，以引导气流扫气4、活塞裙部较长，有缺口等活塞裙部较长，有缺口等二、二冲程汽油机的工作原理二、二冲程汽油机的工作原理（一）（一）结构介绍结构介绍（二）工作原理（二）工作原理1、第一冲程、第一冲程活塞：活塞：从下止点到上止点从下止点到上止点活塞上方：活塞上方：换气；三孔关闭后，压缩可燃混换气；三孔关闭后，压缩可燃混合气合气活塞下方：活塞下方：新鲜混合气由进气口进入曲轴箱新鲜混合气由进气口进入曲轴箱曲轴：曲轴：旋转从旋转从0A180A2、第二冲程、第二冲程活塞：活塞：从上止点到下止点从上止点到下止点活塞上方：活塞上方：可燃混合气燃烧膨胀做功；排气可燃混合气燃烧膨胀做功；排气口露出后排气；扫气口露出后开始扫气。口露出后排气；扫气口露出后开始扫气。活塞下方：活塞下方：进气口被下移地活塞关闭后新鲜进气口被下移地活塞关闭后新鲜混合气被下移的活塞预压缩，扫气口露出混合气被下移的活塞预压缩，扫气口露出后，被预压缩的新鲜气体经过扫气口进入后，被预压缩的新鲜气体经过扫气口进入活塞上方的气缸内。活塞上方的气缸内。曲轴：曲轴：旋转从旋转从180A360A示功图示功图：三、二冲程柴油机的工作原理三、二冲程柴油机的工作原理（一）（一）结构介绍结构介绍 1、有排气阀，无排气口。有排气阀，无排气口。2、进气口设置在气缸上部，进气口和进气口设置在气缸上部，进气口和扫气口为同一气口。扫气口为同一气口。3、通过扫气泵扫气。通过扫气泵扫气。（二）工作原理（二）工作原理第一冲程：第一冲程：活塞从下止点到上止点。活塞从下止点到上止点。最开始，通过扫气泵换气；当进气口被关闭最开始，通过扫气泵换气；当进气口被关闭后，对进入到气缸内的空气进行压缩；快后，对进入到气缸内的空气进行压缩；快到上止点时喷油器喷油入燃烧室，油气混到上止点时喷油器喷油入燃烧室，油气混合自燃起来。合自燃起来。第二冲程：第二冲程：活塞从上止点到下止点。活塞从上止点到下止点。气缸内的燃气燃烧膨胀做功；活塞下移排气气缸内的燃气燃烧膨胀做功；活塞下移排气阀打开排气；露出扫气孔后开始利用扫气阀打开排气；露出扫气孔后开始利用扫气泵将新鲜空气扫入气缸进行扫气。泵将新鲜空气扫入气缸进行扫气。四、二冲程汽油机的优缺点（同四冲程汽油四、二冲程汽油机的优缺点（同四冲程汽油机相比较）机相比较）（一）优点：（一）优点：1、从工作原理上来讲，在发动机排量和转速从工作原理上来讲，在发动机排量和转速相同的前提下，二冲程发动机的功率理论上相同的前提下，二冲程发动机的功率理论上是四冲程发动机的是四冲程发动机的2倍。倍。2、由于二冲程发动机的做功频率比较高，所由于二冲程发动机的做功频率比较高，所以发动机运转比较平稳。以发动机运转比较平稳。3、无专门的换气机构，所以结构简单，质量无专门的换气机构，所以结构简单，质量小。小。4、由于附属机构少，所以使用、维护很方便。由于附属机构少，所以使用、维护很方便。所以摩托车上多用。所以摩托车上多用。（二）缺点：（二）缺点：1、废气不易排除干净。废气不易排除干净。2、换气时减少了有效工作行程。换气时减少了有效工作行程。3、部分新鲜可燃混合气随废气排出，部分新鲜可燃混合气随废气排出，使能源浪费，经济性下降。使能源浪费，经济性下降。4、同时造成环境污染。同时造成环境污染。一、主要性能指标一、主要性能指标（一）动力性指标（一）动力性指标1、有效转矩、有效转矩Ttq（N.M）定义：定义：发动机通过飞轮对外输出的转矩。发动机通过飞轮对外输出的转矩。由测功机测得。其值与发动机曲轴所受到的阻力由测功机测得。其值与发动机曲轴所受到的阻力矩相等。矩相等。2、发动机转速、发动机转速n（r/min）由转速表直接读取。由转速表直接读取。3、有效功率、有效功率Pe（KW）定义：定义：发动机通过飞轮对外输出的功率。发动机通过飞轮对外输出的功率。计算式：计算式：PeTtq*2n/60*10-3Ttq*n/9550（二）经济性指标（二）经济性指标1、有效燃油消耗率、有效燃油消耗率be定义：定义：发动机每发出发动机每发出1KW有效功率，在有效功率，在1h内所消耗内所消耗的燃油质量（以的燃油质量（以g为单位）。为单位）。定义式：定义式：beB/Pe*103 （g/KW.h）其中其中 B：发动机在单位时间内的耗油量（：发动机在单位时间内的耗油量（kg/h）,可在实验中测得。可在实验中测得。（三）发动机的运转性能指标（三）发动机的运转性能指标1、排气品质、排气品质2、噪声、噪声3、启动性、启动性二、发动机的速度特性二、发动机的速度特性（一）定义（一）定义1、发动机特性：、发动机特性：发动机的性能是随着许多因素发动机的性能是随着许多因素而变化的，其变化规律称为发动机的特性。而变化的，其变化规律称为发动机的特性。2、发动机的速度特性：、发动机的速度特性：发动机油门开度不变，发动机油门开度不变，发动机的性能指标（如发动机的功率、转矩、发动机的性能指标（如发动机的功率、转矩、有效燃油消耗率等）随着曲轴转速变化的规有效燃油消耗率等）随着曲轴转速变化的规律。律。3、发动机的外特性：、发动机的外特性：发动机油门全开，发动机发动机油门全开，发动机的性能指标（如发动机的功率、转矩、有效的性能指标（如发动机的功率、转矩、有效燃油消耗率等）随着曲轴转速变化的规律。燃油消耗率等）随着曲轴转速变化的规律。又称为发动机的总功率特性。又称为发动机的总功率特性。（二）速度特性制取步骤（汽油机为例）（二）速度特性制取步骤（汽油机为例）1）发动机预热，将点火提前角、水温（发动机预热，将点火提前角、水温（8095）、）、油温（油温（80左右）保持最佳。左右）保持最佳。2）将油门固定在某一位置后，先将发动机满负荷稳定将油门固定在某一位置后，先将发动机满负荷稳定运转在最低转速处，此时即为试验的起点。记录耗运转在最低转速处，此时即为试验的起点。记录耗一定量燃油所需要的时间、测功器读数、转速。一定量燃油所需要的时间、测功器读数、转速。3）依次减少发动机负荷，使其转速增加，根据发动机依次减少发动机负荷，使其转速增加，根据发动机所选择的转速间隔，使发动机稳定工作在某一转速所选择的转速间隔，使发动机稳定工作在某一转速处，再进行此时数据记录。如此试验几个点，到发处，再进行此时数据记录。如此试验几个点，到发动机功率开始下降为止。动机功率开始下降为止。4）在坐标上描点。（横坐标发动机曲轴转速，纵坐标在坐标上描点。（横坐标发动机曲轴转速，纵坐标为发动机的功率、转矩、有效燃油消耗率等）为发动机的功率、转矩、有效燃油消耗率等）（三）发动机外特性（三）发动机外特性曲线曲线。分析：分析：此特性代表了发动机所具有的最高动力此特性代表了发动机所具有的最高动力性能。性能。1、可以从此曲线上找出发动机所能发出的最可以从此曲线上找出发动机所能发出的最高功率和最高转矩及其相应转速。高功率和最高转矩及其相应转速。2、最高转矩和最高功率所对应的转速不同最高转矩和最高功率所对应的转速不同3、发动机的最低燃油消耗率并不是出现在最发动机的最低燃油消耗率并不是出现在最高功率或最高转矩对应的转速下，此说明发高功率或最高转矩对应的转速下，此说明发动机的最高动力性与最好经济性不能兼得。动机的最高动力性与最好经济性不能兼得。最低燃油消耗率所对应的转速介于最高功率最低燃油消耗率所对应的转速介于最高功率和转矩对应的转速之间。和转矩对应的转速之间。（四）发动机工作状况（四）发动机工作状况发动机工作状况发动机工作状况(简称发动机工况简称发动机工况):一般用发一般用发动机的功率与曲轴转速来表示；有时也用负动机的功率与曲轴转速来表示；有时也用负荷与发动机曲轴转速来表示。荷与发动机曲轴转速来表示。发动机在某一转速下的发动机在某一转速下的负荷负荷：就是当时发动就是当时发动机发出的功率与同一转速下所可能发出的最机发出的功率与同一转速下所可能发出的最大功率之比。以百分数表示。大功率之比。以百分数表示。注意：注意：负荷与功率不是同一概念。负荷与功率不是同一概念。CA488Q为例（传统的化油器式汽油机）：为例（传统的化油器式汽油机）：一、机体组一、机体组 作用：作用：组成：气缸盖、气缸体、油底壳等组成：气缸盖、气缸体、油底壳等二、曲柄连杆机构二、曲柄连杆机构 作用：作用：组成：活塞、连杆、曲轴、飞轮等组成：活塞、连杆、曲轴、飞轮等三、配气机构三、配气机构 作用：作用：组成：进（排）气门、摇臂、凸轮轴等组成：进（排）气门、摇臂、凸轮轴等四、供给系四、供给系 作用：作用：组成：汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器等组成：汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器等五、点火系五、点火系 作用：作用：组成：蓄电池、发电机、火花塞、分电器等组成：蓄电池、发电机、火花塞、分电器等六、冷却系六、冷却系 作用：作用：组成：水泵、水箱、风扇、节温器等组成：水泵、水箱、风扇、节温器等七、润滑系七、润滑系 作用：作用：组成：机油泵、机油滤清器、润滑油道等组成：机油泵、机油滤清器、润滑油道等八、起动系八、起动系 作用：作用：组成：起动机及其附属组成：起动机及其附属装置装置按照按照GB72591制定制定