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第1章 汽车发动机总论学习目标学习目标 1.能正确描述发动机的基本结构、作用和发动机的常用术语定义；2.能简单叙述发动机基本工作原理；3.能够正确描述发动机的总体构造。什么是发动机？什么是发动机？l发动机（Engine）是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器，包括如发动机（汽油发动机等）、外燃机（斯特林发动机、蒸汽机等）、电动机等。如发动机通常是把化学能转化为机械能。发动机既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器（如：汽油发动机、航空发动机）。发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。一、汽车发动机的类型一、汽车发动机的类型 汽车发动机的分类方法很多，按照不同的分类方法可汽车发动机的分类方法很多，按照不同的分类方法可以把汽车发动机分成不同的类型。以把汽车发动机分成不同的类型。(1)(1)按照行程分类按照行程分类汽车发动机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为汽车发动机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程四行程和和二行程二行程发动机发动机。把曲轴转两圈。把曲轴转两圈(720(720)，活塞在，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的发气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的发动机称为四行程发动机；而把曲轴转一圈动机称为四行程发动机；而把曲轴转一圈(360(360)，活塞，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内发动称为二行程发动机。汽车发动机广泛使用四行程内发动称为二行程发动机。汽车发动机广泛使用四行程发动机。发动机。(2)(2)按照冷却方式分类按照冷却方式分类 发动机按照冷却方式不同可以分为发动机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风水冷发动机和风冷发动机冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。发动机。发动机冷却水循坏方式动感视图(3)(3)按照气缸数目分类按照气缸数目分类发动机按照气缸数目不同可以分为发动机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发单缸发动机和多缸发动机动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。六缸发动机工作示意图六缸发动机工作示意图(4)(4)按照气缸排列方式分类按照气缸排列方式分类发动机按照气缸排列方式不同可以分为发动机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式单列式和双列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角180180(一一般为般为9090)称为称为V V型发动机型发动机，若两列之间的夹角，若两列之间的夹角=180=180称为称为对置式发动机对置式发动机。L L型发动机型发动机1V V型发动机型发动机2H H型发动机型发动机3W W发动机发动机4转子发动机转子发动机56水平对置发动机水平对置发动机7转子发动机转子发动机什么是什么是L L型发动机呢？型发动机呢？l又称“直列”(LineEngine)发动机，是指汽缸是按直线排列的，它所有的汽缸均按同一角度并排成一个平面。“直列”一般用L代表，后面加上汽缸数就是发动机代号。l思考L3、L4、L5、L6代表的含义？lL3：表示直列3缸发动机。lL4：表示直列4缸发动机。lL5：表示直列5缸发动机。lL6：表示直列6缸发动机。L4L4型发动机工作示意图型发动机工作示意图四冲程发动机做功过程四冲程发动机做功过程直列发动机做工过程图直列发动机做工过程图请思考直列发动机的优缺点？请思考直列发动机的优缺点？l优优点点：成本低，结构简单，运转平衡性好，体积小稳定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗少，尺寸紧凑，应用比较广泛。l缺缺点点：当排气量和汽缸数增加时，发动机的长度将大大增加。l直列4缸发动机，一般广泛运用于2.2升排量以下的发动机中。l直列6缸发动机，目前的佼佼者就是着名的BMW，BMW直列6缸发动机凝聚了当今量产发动机的顶尖技术，堪称直列6缸的巅峰之作。V V型发动机型发动机l将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定的夹角布置在一起，使两组汽缸形成两个有一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形，故称V型发动机。V V型发动机的工作示意图型发动机的工作示意图lV型发动机的高度和长度尺寸小，在汽车上布置起来较为方便。尤其是现代汽车比较重视空气动力学，要求汽车的迎风面越小越好，也就是要求发动机盖越低越好。l常见的V型发动机有V6、V8、V10、V12。还有V3、V5以及V16。l顾名思义，V代表发动机气缸成V型排列，一般是60度，这样可以抵消运转时的震动，更加稳定。也有75度和72度的。雷诺赛车甚至用了超过90度的广角V10引擎。思考思考V V型发动机的优缺点？型发动机的优缺点？l优优点点：运转稳定（针对V6、V8、V12）、节省空间、有利于降低车身的风阻系数。l缺缺点点：结构比较复杂，不利于保养和维修，并且造价较高。同时，V3、V5包括V10都由于其结构或排量的原因，并不非常稳定，尤其是作为F1发动机的V10 3L引擎，更是需要投入大量的精力和经费用于保证其稳定性。l代代表表车车型型：奥迪的A6、法拉利360、保时捷carrear GT、奔驰S600。分别使用V6,V8,V10,V12发动机。而V3主要是出现在一些摩托车上，V5据说在上一代大众高尔夫上有使用。而V16则在一些豪华的老爷车上可以找到。什么是什么是H H型发动机？型发动机？lH型发动机及水平对置发动机，这也是V型发动机的一种，只不过V的夹角变成了180度了，一般为4缸或6缸。水平对置发动机的优缺点？水平对置发动机的优缺点？l优点：低重心，产生的横向震动容易被支架吸收、平顺性好，有效将全车较重的发动机重心降低，更容易达到整体平衡.低振动：活塞运动的平衡良好（180度左右抵消）。相比直列式，在曲轴方面所需的平衡重减少，有助转速提升。它能保持650转的低转速，并保证发动机平稳的工作。同样相比其它发动机行驶油耗最低。l缺点：造价高，发动机太宽，结构较为复杂，养护成本高。l目前世界上只有“保时捷”和“斯巴鲁”两家汽车制造商生产水平对置发动机。水平对置发动机的工作示意图水平对置发动机的工作示意图W W发动机发动机lW型发动机，W型发动机是德国大众专属发动机技术。将V型发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开（如帕萨特W8的小角度为15度），就成了W型发动机。或者说W型发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形。严格说来W型发动机还应属V型发动机的变种。大众系列大众系列W W型发动机的特性？型发动机的特性？l优点：结构更紧凑，可以容纳更多的汽缸数，有更大的排量。l缺点：结构太复杂，运转平衡性也不好。l由于专利的原因，这种发动机只在大众和奥迪，布加迪等少量车上可以见到，在欧版大众高尔夫、欧版大众帕萨特以及奥迪A8上，分别装备着W6,W8和W12发动机。转子发动机转子发动机l转子发动机全称为三角活塞转子发动机。l它是一种特殊的活塞式发动机。转子活塞为一个凸弧边三角形，当转子在近似椭圆的外旋轮线缸体内旋转时，弧边三角形的三个顶点与缸壁保持接触，从而使转子弧面同缸壁之间形成三个相互分隔的工作室。这三个工作室的容积大小随转子的转动而周期性变化，转子每旋转一周，各个工作室都能完成一次四个冲程的过程，这四个冲程同活塞往复式发动机的四个冲程相对应，从而形成完整的工作循环。转子发动机的优缺点？转子发动机的优缺点？l优优点点：升功率高，适合高转速，括体积较小、重量轻、低重心、震动小等。l缺点缺点：费油，污染环境，还有机器的寿命比较短。l目前只有马自达公司将转子发动机运用在汽车之上，其典型的就是马自达RX-7 RX-8等车型l潜艇使用的斯特林发动机潜艇使用的斯特林发动机潜艇使用的斯特林发动机飞机的星型发动机飞机的星型发动机喷气式发动机喷气式发动机(5)(5)按照所用燃料分类按照所用燃料分类 分为分为汽油机和柴油机汽油机和柴油机。汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。都比汽油机好。(6)6)按照进气系统是否采用增压方式分类按照进气系统是否采用增压方式分类发动机按照进气系统是否采用增压方式可以分为发动机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气自然吸气(非增压非增压)式发动机和式发动机和强制进气强制进气(增压式增压式)发动机。汽油机常发动机。汽油机常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。（7 7）：按照是否电喷分类）：按照是否电喷分类（8 8）：按照喷油位置的分类）：按照喷油位置的分类 （9 9）：按气门的多少分：）：按气门的多少分：二、发动机的基本结构及基本术语二、发动机的基本结构及基本术语1.发动机能量和运动转换机构的基本结构及运动特点：发动机的工作过程是周期性地将燃料燃烧的热能转变为机械能的过程。l经过进气、压缩、作功、排气，每进行一次称为一个工作循环。l曲轴旋转两周，活塞往复运动四次完成一个工作循环，称为四冲程发动机。l 曲轴旋转一周，活塞往复运动二次完成一个工作循环，称为二冲程发动机。单缸发动机基本结构单缸发动机基本结构n1-机油泵；n2-曲轴正时齿轮；n3-凸轮轴正时齿轮；n4-凸轮轴；n6-排气歧管；n7-进气歧管；n8-进气门；n9-排气门；n10-化油器；n11-火花塞；n12-气缸盖；n14-气缸；n15-活塞；n18-活塞销；n21-飞轮；n22-曲轴；n24-油底壳四冲程汽油机基本结构动感视图字母字母名称名称A进气门及摇杆和弹簧，由凸轮轴控制打开，弹簧复位。B气门室盖。C进气口，在进气门打开时，油气混合物由此进入汽缸。D汽缸盖E冷却水F曲轴箱（机体、缸体、中缸）G油底壳，盛放机油用，平时发动机不工作时，机油就回流到这里。H机油。I凸轮轴，极为重要的部件，控制进气和排气门的开启和关闭时间。J排气门及摇杆和弹簧，由凸轮轴控制打开，弹簧复位。K火花塞或喷油器。L排气口，在排气门打开时，燃烧废气由此排出汽缸。M活塞，在爆发压力和曲轴惯性的作用下产生上下往复运动。N连杆，连接曲轴，是活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动的过渡元件。O连杆轴承。P曲轴，被活塞及连杆驱动后带动飞轮旋转，是发动机动力输出的关键部件。发动机汽缸工作术语动感视图 2.发动机基本术语 1.上止点 活塞离曲轴回转中心最远处，一般指活塞上行到最高位置，一般用英文缩 写 词 TDC表 示。2.下止点 活塞离曲轴回转中心最近处，一般指活塞下行到最低位置，一般用英文缩写词BDC表示。3.活塞行程（S）上、下止点间的距离。4.曲柄半径（R）与连杆下端（即连杆大头）相连的曲柄销中心到曲轴回转中心的距离（mm）。显然，S=2R。曲轴每转一周，活塞移动两个行程。5.气缸工作容积(Vh)活塞从上止点到下止点所让出的空间容积(L)。Vh=D 2s/4106 式中 D气缸直径,mm。S活塞行程,mm。V气缸工作容积,L。VhVh 6.燃烧室容积(Vc)活塞在上止点时，活塞上方的空间叫燃烧室，它的容积叫燃烧室容积(L)。7.发动机排量(VL)：发动机所有气缸工作容积之和（L）。设发动机的气缸数为i，则 VL =Vh i 8.气 缸 总 容 积(Va)活塞在下止点时，活塞上方的容积称为气缸总容积（L）。它等于气缸工作容积与燃烧室容 积 之 和，即 Va=Vh+Vc 9.压缩比（）气缸总容积与燃烧室容积的比值，即 =Va/Vc=1+Vh/Vc 它表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。一般车用汽油机的压缩比为710，柴油机的压缩比为1522。三、发动机的工作原理三、发动机的工作原理1.四冲程汽油机工作原理四冲程发动机的简单工作原理活塞活塞活塞活塞进气行程进气行程 压缩行程压缩行程 作功行程作功行程 排气行程排气行程 四冲程汽油机工作原理 1.进气行程 活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动。进气门打开，排气门关闭。活塞上腔容积增大，在真空吸力的作用下，经过滤清的空气与汽油形成混合气，经进气门被吸入气缸，至活塞运动到下止点时，进气门关闭，停止进气，进气行程结束。2.压缩行程 活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动。进、排气门均关闭，活塞上腔容积不断减小，混合气被压缩，至活塞到达上止点时，压缩行程结束。气体压力和温度同时升高，混合气进一步混合，形成可燃混合气。此时，气缸内压力为6001500kPa,温度600800K,远高于汽油的点燃温度,很容易点燃。但汽油机的但汽油机的压缩比过高压缩比过高会引起会引起爆燃爆燃和和表面点火表面点火等不等不正常的燃烧现象，一般在正常的燃烧现象，一般在69之间之间，现代轿车汽油机，现代轿车汽油机的的 在在911之间之间。四冲程汽油机工作原理（a）爆燃：爆燃：由于压缩比过高导致压缩终了时气体压力和温度过高，在由于压缩比过高导致压缩终了时气体压力和温度过高，在火花塞点火之后火花塞点火之后燃烧室内离点燃中心较远处的燃烧室内离点燃中心较远处的末端末端可燃混合气可燃混合气自燃自燃而造成的一种不正常燃烧现象，称为爆燃。而造成的一种不正常燃烧现象，称为爆燃。爆燃现象爆燃现象：爆燃时，火焰以极高的速率传播，温度和压力急剧升高，爆燃时，火焰以极高的速率传播，温度和压力急剧升高，形成压力波，以声速推进，当这种压力波撞击燃烧室壁时就发形成压力波，以声速推进，当这种压力波撞击燃烧室壁时就发出出尖锐的敲缸声尖锐的敲缸声。同时还会引起。同时还会引起发动机过热发动机过热、功率下降功率下降、燃油燃油消耗率增加消耗率增加等一系列不良后果，严重爆燃时甚至造成等一系列不良后果，严重爆燃时甚至造成排气门烧排气门烧废废、轴瓦破裂轴瓦破裂、活塞顶熔穿活塞顶熔穿、火花塞绝缘体被击穿火花塞绝缘体被击穿等机件损坏等机件损坏现象。现象。（b）表面点火表面点火：在在火花塞点火之前火花塞点火之前，由于燃烧室内灼热表面（如排气门头由于燃烧室内灼热表面（如排气门头部、火花塞电极处、积碳处）点燃可燃混合气而产生的另一种部、火花塞电极处、积碳处）点燃可燃混合气而产生的另一种不正常燃烧现象，称为表面点火。不正常燃烧现象，称为表面点火。表面点火表面点火现象现象：表面点火发生时，也伴有强烈的表面点火发生时，也伴有强烈的敲缸声（较沉闷）敲缸声（较沉闷），产生，产生的高压会使发动机机件机械负荷增加，寿命降低。的高压会使发动机机件机械负荷增加，寿命降低。（c）汽油机压缩比的选择：汽油机压缩比的选择：应在避免引起应在避免引起爆燃爆燃和和表面点火表面点火的前提下的前提下尽可能提高压缩比尽可能提高压缩比，以提高发动机以提高发动机功率功率，改善，改善燃油经济性燃油经济性。3.作功行程 压缩行程末，火花塞产生电火花,点燃气缸内的可燃混合气，并迅速着火燃烧，气体产生高温、高压，推动活塞由上止点向下止点运动，再通过连杆驱动曲轴旋转向外输出作功。四冲程汽油机工作原理四冲程汽油机工作原理 4.排气行程 在作功行程终了时，排气门被打开，活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动。废气在自身的剩余压力和活塞的驱赶作用下，自排气门排出气缸，至活塞运动到上止点时，排气门关闭，排气行程结束。小 结1.发动机自行运转之前需要外力完成进气和压缩两个冲程，通常用人力、电动机等带动发动机曲轴和运转。2.在四个冲程中只有作功冲程是活塞带动曲轴转动，其他三个冲程都是曲轴带动活塞运动。3.在整个循环过程中，进气门、排气门各开启一次。一个工作循环曲轴旋转720（2圈）；活塞上、下运动四次（4个行程）。小 结4.发动机着火的基本条件是 油：有油，混合气浓度合适。电：能产生足够的火花,点燃可燃混合气。气：气缸有足够压力。点火正时：压缩冲程上止点前点火。配气正时：定时将进、排气门开关。四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理示意图 1.进气行程 曲轴带动活塞从上止点向下止点运动，进气门开启，排气门关闭，气缸内活塞上腔容积逐渐增大，形成真空 度，在真空吸力作用下，新鲜空气被吸入气缸。2.压缩行程 曲轴带动活塞从上止点向下止点运动，进气门开启，排气门关闭，气缸内活塞上腔容积逐渐减小，空气被压 缩，压力、温度升高。四冲程柴油机工作原理 3.作功行程 压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器喷入气缸内 的高压空气中，迅速汽化并与空气形成可燃混合气，柴油 自行着火燃烧，气缸内压力、温度急剧升高，推动活塞由 上止点向下止点运动，带动曲轴旋转作功。4.排气行程 在作功终了时，排气门被打开，曲轴带动活塞由下止 点向上止点运动，废气在自身的剩余压力和活塞的驱赶作 用下，自排气门排出气缸。四冲程柴油机工作原理不同点不同点 汽油机汽油机柴油机柴油机汽油与空气缸外混合，进汽油与空气缸外混合，进入可燃混合气入可燃混合气进入气缸的是纯空气进入气缸的是纯空气电火花点燃混合气电火花点燃混合气高温气体加热柴油燃烧高温气体加热柴油燃烧有有点火系点火系无无点火系点火系无无喷油器喷油器有有喷油器喷油器
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