汽车发动机及机构

1汽车发动机的工作原理及总体构造n第一节 内燃机基本结构n第二节 内燃机基本术语n第三节 四冲程内燃机工作原理n第四节 二冲程内燃机工作原理n第五节 发动机的总体构造n第六节 发动机的性能指标2第一节 内燃机基本结构3返回45第二节 内燃机的基本术语n工作循环(working cycle)n上、下止点(TDC,BDC)n活塞行程(stroke)n气缸工作容积n内燃机排量n燃烧室容积n气缸总容积n压缩比n工况及负荷率返回6上、下止点n活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点(TDC)；n活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点(BDC)。n在上、下止点处，活塞的运动速度为零。返回7活塞行程(stroke)n上、下止点间的距离 S 称为活塞行程。n曲轴的回转半径R 称为曲柄半径。n曲轴每回转一周，活塞移动两个活塞行程。n对于气缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机:S2R。返回8气缸工作容积(swept volume)n定义：上、下止点间所包容的气缸容积式中：D-气缸直径mm S-活塞行程mm返回9内燃机排量(displacement)n定义：内燃机所有气缸工作容积的总和式中：i-气缸数 VS-气缸工作容积，L10n多段式排气量调节系统，D-C公司特有技术，05款大切诺基：5.7升V8 HEMI发动机nMDS系统使发动机工作汽缸在V8-V6-V4 之间切换，提高了发动机的燃油经济性 MDS（Multi Displacement system）11nVCM可变汽缸系统 n雅阁3.5L VCM发动机，采取“六缸/四缸/三缸”等不同的运转模式，达到兼顾动力输出或节能的不同需求。返回12燃烧室容积(clearance)n活塞位于上止点时，活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室，其容积称为燃烧室容积，符号：VC返回13气缸总容积(all)n活塞位于下止点时，活塞顶部与气缸盖之间的容积称为气缸总容积，符号：Van气缸总容积等于气缸工作容积与燃烧室容积之和返回14压缩比(compression ratio)n定义：气缸总容积与燃烧室容积之比(气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比)n压缩比表示气体的压缩程度，是发动机中一个非常重要的概念。n通常汽油机:710，柴油机:1622。n绅宝（绅宝（Saab）的）的SVC发动机：缸体与缸盖之间安装楔型发动机：缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的容积。顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的容积。其压缩其压缩比范围可从比范围可从8至至14之间变化。小负荷时用高压缩比以节之间变化。小负荷时用高压缩比以节约燃油；大负荷时采用低压缩比，并辅以机械增压器以约燃油；大负荷时采用低压缩比，并辅以机械增压器以实现大功率和高扭矩输出。实现大功率和高扭矩输出。返回15工况及负荷率n工况：内燃机在某一时刻的运行状况。以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为发动机转速。n负荷率：发动机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率，以百分数表示。负荷率通常简称负荷。返回16第三节 四冲程内燃机工作原理n进气冲程n压缩冲程n作功冲程n排气冲程n工作原理n工作过程n柴油机返回n四冲程往复活塞式内燃机在四个活塞行程内完成进行、压缩、作功（燃烧和膨胀）和排气等四个过程。n每一个活塞行程内只进行一个过程。17进气行程(Intake)n排气门关，进气门开；n活塞:TDC-BDC；n活塞移动过程中，Va增大，气缸内形成一定的真空度。油气混合物被吸入气缸，进一步混合形成可燃混合气。n终了时，内压力约0.080.09 MPa，温度达320380 K。返回18压缩行程(Compression)n进、排气门关，气缸封闭；n活塞:BDC-TDC；n混合气压缩，压力温度不断升高n终了时，压力达0.81.5 MPa，温度达600750 Kn采用大压缩比，可提高压缩终了时气缸内的压力和温度，从而加快燃烧速度，提高发动机热效率。但太大容易引起“爆震”。返回19作功行程(Power/Expansion)n压缩行程结束时，火花塞产生电火花，点燃可燃混合气，火焰迅速传遍整个燃烧室，并放出大量热能；n燃烧气体体积膨胀，气缸内气体温度和压力急剧升高，推动活塞从上止点运行到下止点，并通过连杆推动曲轴旋转作功。此时，进排气门仍然关闭。n燃烧最高压力可达36.5 MPa，最高温度可达22002800 K。n终了时，气体压力降低到0.350.5 MPa，气体温度降低到12001500K。返回20排气行程(exhaust)n进气门关，排气门开；n活塞：BDC-TDC；n废气靠自身的残余压力和活塞推动，经排气门排出气缸。n排气行程结束后，残留在燃烧室内的少量废气称为残余废气。残余废气压力约为0.1050.12 MPa，温度约为9001100 K。返回21四冲程汽油机工作原理22示功图(indicator diagram)n气缸内气体压力随气缸容积或曲轴转角的变化关系称作示功图n 图n 图n示功图是研究内燃机工作过程的重要试验数据。将它与所积累的试验数据进行分析比较，可以对整个工作过程或工作过程的不同阶段进展的完善程度作出正确的判断。n示功图上曲线围成的面积表示气体在单个气缸内所作的功232425四冲程汽油机的工作原理小结（1）n四冲程汽油机在四个活塞行程内完成进气、压缩、作功和排气等过程，即在一个活塞行程内只进行一个过程。n一个工作循环内发动机曲轴转两周，即每一个行程有180度的曲轴转角。n在一个循环中，只有一个行程作功。将燃料的化学能转化为曲轴的动能。26四冲程汽油机的工作原理小结（2）n实际进气过程中，进气门、排气门早开晚关。n为增加进入气缸内的混合气量和减少进气过程所消耗的功，进气门在上止点之前开启，在下止点之后关闭；n为减少气缸内的残余废气量和排气过程所消耗的功，排气门在下止点之前开启，在上止点之后关闭。n进、排气过程所占曲轴转角都超过180CA。返回27汽油机工作过程演示返回28四冲程柴油机(compression ignition engine)工作原理n四行程柴油机的工作循环同样包括进气、压缩、作功和排气四个行程。n进气行程：被吸入气缸的是纯空气n压缩行程：柴油机压缩比较大n作功行程：压缩终了时喷油器将柴油喷入燃烧室，柴油自行燃烧。n排气行程：与汽油机相同返回29四冲程柴油机工作循环-工作原理30四冲程柴油机工作原理3132汽油机柴油机相同点工作行程每个工作循环均包含进气、压缩、燃烧做功和排气四个行程。特点四个活塞行程中都只有一个做功行程，其余均为耗功行程。机构运动在各个活塞行程中进、排气门的开闭，曲柄连杆机构的运动相同。不同点混合气的形成方式缸外混合，在压缩行程进一步混合，压缩行程终了时形成，时间较长缸内混合，在压缩行程终了时燃油直接喷射进入气缸进行雾化混合，时间短着火方式电火花点火自燃（压燃）供油方式化油器（供可燃混合气）/直喷喷油器（油、气单独供）工作状态柔和平稳较为粗暴进气阻力大小压缩比小：7-10高：16-22动力性低高返回33第四节 二冲程内燃机工作原理 n第一行程n第二行程n工作过程返回34第一行程：第一行程：活塞上行活塞上行，上方压缩 下方-吸气 35第二行程：第二行程：活塞下行活塞下行(上半程上半程):上方作功 下方-预压 36第二行程：第二行程：活塞下行活塞下行(下半程下半程):上方换气 下方-预压 3738二冲程柴油机工作原理 返回带扫气泵的气门-气孔式直流扫气二冲程柴油机39四冲程二冲程相同点工作过程都包含进气、压缩、燃烧作功排气过程作功情况每个工作循环作功一次不同点工作循环每个工作循环曲轴旋转两周，且角速度不均匀每个工作循环曲轴旋转一周，且角速度较为均匀进排气系统有专门的进排气门设有进气孔、排气孔和扫气孔排气过程利用废气自身剩余压力和活塞的推动排气利用废气自身剩余压力和新气扫除，活塞推动排气，分成先期排气、扫气和额外排气压缩过程在压缩行程中一次压缩完成分为预压缩和再次压缩振动较大较小平稳性较差较好经济性较好较差40附:转子发动机工作原理n现代汪克尔转子发动机缸体内部空间总是被分成三个工作室，转子转动这些工作室也在运动，依次在摆线型缸体内的不同位置完成进气、压缩、作功和排气四个过程。n转子自转速度与公转速度之比为1:3。4142434445转子发动机工作原理46转子发动机工作原理47第五节 发动机的总体构造 返回484950515253机体组54机体组n作用：发动机的骨架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体。55曲柄连杆机构n功用：将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动汽车车轮转动动画56配气机构n组成：气门组、气门传动组n功用：按工作循环和发火次序的要求，定时开、闭进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出动画57进排气系统n进气系统n功用：尽可能多、尽可能均匀地向各缸供给可燃混合气或纯空气 n组成：空气滤清器、进气歧管n排气系统n功用：尽可能多的把燃烧后的废气排出气缸。n组成：排气歧管、消声器等58进排气系统返回59燃油供给系统n功用：根据发动机运转工况的需要，向发动机供给一定数量的、清洁的、雾化良好的燃油，以便与一定数量的空气混合形成可燃混合气；储存相当数量的燃油，以保证汽车有相当远的续驶里程。60化油器式汽油机燃油供给61电子控制汽油喷射系统62柴油机燃油供给n柴油箱8输油泵5柴油滤清器3喷油泵6喷油器12高压油管13低压油管回油管1063冷却系统n功用：使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内64润滑系统n功用：连续不断把数量足够、温度适当的洁净机油输送到传动件的摩擦表面，形成油膜，从而减小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻机件磨损。656667点火系统n功用：在发动机各种工况和使用条件下，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，使发动机作功。68起动系统n功用：在正常使用条件下，通过起动机将蓄电池储存的电能转变为机械能，带动发动机以足够高的转速运转，以顺利起运发动机。n组成：蓄电池、起动机69演示70发动机的装配过程返回71第六节 发动机的性能指标 性能指标动力性指标经济性指标 其他指标有效转矩有效功率发动机转速平均有效压力有效热效率有效燃油消耗率返回72有效转矩(efficient Torque)n定义：发动机对外输出的转矩n符号：Ten单位：N.mn有效功：有效转矩与曲轴角位移的乘积即为发动机对外输出的有效功返回73有效功率(efficient Power)n定义：发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率n符号：Pen单位：kWn大小：有效转矩与曲轴角速度的乘积n公式：-标定功率74标定功率n定义：发动机出厂时产品标牌上标明的有效功率n分类:n15分钟功率：发动机允许连续运转15分钟的最大有效功率。汽车爬坡功率和军用车辆及快艇的追击功率。n1小时功率：发动机允许连续运转1小时的最大有效功率。船用主机，工程机械和机动车的最大使用功率。n12小时功率：发动机允许连续运转12小时的最大有效功率。可作为工程机械，机车和拖拉机正常使用功率。n持续功率：发动机允许长期运转的最大有效功率。可作为长期连续运转的远洋船舶，发电站，和农林排灌内燃机的持续使用功率。返回75发动机转速n发动机转速：发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速n表示符号：nn单位：r/minn标定转速：发动机产品标牌上标明的转速称为标定转速7677返回78平均有效压力（brake mean efficient pressure）n平均有效压力：单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力。单位：MPan公式：n可以看作是假想的大小不变的压力，使活塞移动一个行程所作的功，等于每循环所作的有效功。返回79有效热效率n有效热效率：燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数称为有效热效率n符号：en评价方法：为了获得一定数量的有效功所消耗的热量越少，有效热效率越高，发动机的经济性越好。返回80有效燃油消耗率n有效燃油消耗率：发动机每输出1kW.h的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率n表示符号：be n单位：g/(kW.h)n公式：B发动机在单位时间内的耗油量Pe发动机的有效功率返回81其它性能指标（1）n强化指标：发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标:*升功率：标定工况下，单位发动机排量输出的有效功率称为升功率:*强化系数：平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数.下一页82其它性能指标（2）n紧凑性指标：表征发动机总体结构紧凑程度的指标 *比容积：发动机外廓体积与其标定功率的比值 *比质量：发动机的干质量与其标定功率的比值 *单位体积功率下一页83其它性能指标（3）n环境指标：发动机排气品质和噪声水平n可靠性指标：发动机在规定的使用条件下，正常持续工作能力的指标n耐久性指标：发动机主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间n工艺性指标：评价发动机制造工艺性和维修工艺性好坏的指标下一页84其它性能指标（4）n发动机特性：指发动机性能指标随调整状况及运行工况而变化的关系。n速度特性:是指发动机在油量调节机构保持不变的情况下，主要性能指标（功率、转矩、燃油消耗率、排温、烟度等）随发动机转速的变化规律。n负荷特性：是指当转速不变时，发动机的性能指标随负荷而变化的关系。返回85返回86n发动机外特性：油量控制机构在标定位置时，测得的速度特性为外特性，也称全负荷速度特性或总功率特性87n工况 a 负荷为零(空转工况)；n工况 b 负荷20/4510044.4；n工况 c 负荷32/45 10071.1；n工况 d 负荷45/45100100(全负荷)。88负荷特性：横坐标：有效功率、有效转矩、平均有效压力之一。纵坐标：燃油消耗率、燃油消耗量、排温、烟度、机械效率等。891NZ-FE/2NZ-FE EnginenEngine OverallnEngine SpecificationEngine1NZ-FE2NZ-FENo.of Cylinders and Arrangement4-cylinder,In-lineValve Mechanism16-valve,DOHC,Chain DriveDisplacement cm31497 1299Bore x Stroke mm 75.0 x 84.775.0 x 73.5Compression Ratio10.5:1Maximum Output kW/rpm80/6,00063/6,000Maximum Torque Nm/rpm142/4,200122/4,400Valve TimingIntakeOpen-7 33 BTDCClose52 12 ABDCExhaustOpen42 BBDC34 BBDCClose2 ATDCResearch Octane Number(RON)-R:92 or more,-T,-M:91 or moreOil Viscosity5W-30 Oil GradeAPI SL-EC or ILSAC GF-390思考题n四冲程往复活塞式发动机通常有哪些机构和系统组成？n四冲程汽油机和柴油机在基本工作原理上有何异同？二冲程发动机和四冲程发动机在工作原理上有何异同？n发动机的性能指标有哪些？nCA488汽油机，活塞行程92mm，压缩比为8，试计算其气缸工作容积、燃烧室容积和发动机排量。91