汽车发动机原理构造及电控 -第一章 汽车发动机的工作原理与总体构造

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,汽车发动机原理构造及电控,瓦特实现人类快速的梦想,=,1886,年，德国人,卡尔,本茨,和戴姆勒发明了 世界上第一辆汽车,如何实现人类梦想，美梦成真,发动机的类型,基本工作原理,总体构造,性能指标,发动机特性,理论,维修常用工具,维修常用量具,总成拆装,实操,内燃机产品名称,和型号编制规则,拓展,汽车发动机的工作原理与总体构造,第一章,汽车发动机的工作原理与总体构造,本章教学要求,1.,掌握汽油机、柴油机一般构造及其组成，汽油机、,柴油机的工作情况；,2.,熟悉发动机常用术语，掌握发动机的类型；,3.,掌握发动机型号编制规则，正确识读内燃机型号；,4.,理解二、四冲程汽油、柴油机的工作原理，掌,握它们各自的特点；,5.,了解发动机的性能指标：指示性指标、动力性指标,和经济性指标；,6.,了解发动机速度特性、负荷特性、即发动机的工作,状况。,理论知识,发动机的类型,发动机的基本工作原理,发动机的总体构造,发动机的性能指标,发动机特性,发动机的类型,1.,按着火方式分类,2.,按使用燃料种类分类,3.,按冷却方式分类,4.,按进气状态分类,5.,按冲程数分类,6.,按汽缸数分类,7.,按布置方式分类,1.,按着火方式分类,分为压燃式发动机和点燃式发动机。,压燃式发动机为压缩式汽缸内的空气或可燃,混合气，产生高温，引起燃料自然的内燃机；,点燃式发动机是将压缩汽缸内的可燃混合气用点火器点燃的内燃机。,2.,按使用燃料种类分类,汽油机,柴油机,气体燃料发动机,煤气机,液化石油气发动机,多种燃料发动机,3.,按冷却方式分类,分为水冷式发动机和风冷式发动机。,以水或为冷却液为冷却介质的称作水冷式发动机；,空气为冷却介质的称作风冷式发动机。,4.,按进气状态分类,分为非增压发动机和增压发动机。,非增压发动机是指进入汽缸前的空气或可燃,混合气未经气机压缩的发动机。仅带扫气泵而,不带增压器的二冲程发动机亦属此类；,增压发动机是指进入汽缸前的空气或可燃混,合气已经在压气机内压缩，从而增大进气充量,密度的发动机。,5.,按冲程数分类,分为二冲程发动机和四冲程发动机。,在发动机内，每一次将热能转变为机械能，都必须经,过吸入新鲜充量（空气或可燃混合气）、压缩（当新鲜充,量为空气时还要输入燃料），使之着火燃烧而膨胀做功，,然后将生成的废气（已燃气体）排出汽缸这样一系列连续,过程，成为一个工作循环。对于往复活塞式发动机，可以,根据每一工作循环所需活塞行程数来分类。,凡活塞往复四个单程（或曲轴旋转两转）完成一个工作循环的称为四冲程发动机；,活塞往复两个单程（或曲轴旋转一转）完成一个工作循环的称为二冲程发动机。,6.,按汽缸数分类,仅有一个汽缸的称为单缸发动机，有两个以上汽缸的称为多缸发动机。,7.,按布置方式分类,多缸发动机根据汽缸间的排列方式可划分为直列式,（汽缸呈一列布置）、对置式（汽缸呈两列布置、且,两列汽缸之间的中心线呈,180,）和,V,型（汽缸呈两列,布置，且两列汽缸之间夹角为,V,型）等发动机。,直列式,V,型,对置式,本讲小结,本讲我们讲述了发动机的类型，包括：,按着火方式分类,按使用燃料种类分类,按冷却方式分类,按进气状态分类,按冲程数分类,按汽缸数分类,按布置方式分类,发动机还可按用途分类，如：汽车用、机车用、拖垃机用、船用、坦克用、发电用、农用、工程机械用等。,发动机的基本术语,1.,上止点（,TDCTop Dead Center,）,活塞往复运动时，其顶点从一个方向转为相反方向的转变点位置为止点。,2.,下止点,（,BDCBottom Dead Center,）,活塞运动的上、下两个止点之间的距离,S,称为,活塞行程。,3.,活塞行程,/,插入一段视频（介绍上止点和下止点）,剪辑时间：,07:0708:06,曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的垂直,距离称为曲柄半径。一般用,R,表示，活塞行程,为曲柄半径的两倍，即,S=2R,。,4.,曲轴半径,一个汽缸中活塞运动一个行程所扫过的容积称,为汽缸工作容积，可用符号表示，单位为,L,。,即,式中：,D,汽缸直径（,mm,）；,S,活塞行程（,mm,）；,5.,汽缸工作容积,/,插入一段视频（介绍上止点和下止点）,剪辑时间：,08:0608:21,燃烧室容积：活塞在上止点时，活塞顶部与汽缸盖之间的容积称为燃烧室容积。一般用表示，单位为,L,。,6.,燃烧室容积,/,插入一段视频（介绍上止点和下止点）,剪辑时间：,08:2108:42,活塞在下止点时，活塞顶上方的容积称为汽缸总容积一般用表示，单位为,L,。显然，汽缸总容积是汽缸工作容积与燃烧室容积之和，即,式中：,燃烧室容积（,L,）,汽缸工作容积（,L,）。,7.,汽缸总容积,/,插入一段视频（介绍上止点和下止点）,剪辑时间：,08:4209:03,多缸发动几个汽缸工作容积的总和称为发动机排量，一般用 表示，单位为,L,。即,式中：,汽缸工作容积（,L,）,汽缸数目。,8.,发动机排量,汽缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，一般用,表示。即,式中：,汽缸总容积（,L,）；,燃烧室容积（,L,）；,汽缸工作容积（,L,）。,9.,压缩比,压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时，汽缸内的气体被压缩的程度。,压缩比越大，压缩终了时汽缸内气体的压力和温度越高。,目前，一般汽油机的压缩比约为,612,，柴油机的压缩比一般约为,1222,。,在汽缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转变成机械能的一些列连续过程（进气、压缩、做功、排气）称发动机的一个工作循环。,10.,工作循环,本讲小结,本讲我们介绍了发动机常用术语：,上止点、下止点,活塞行程,曲轴半径,汽缸工作容积,燃烧室容积,汽缸总容积,发动机排量,压缩比,工作循环,四冲程发动机的工作原理,1.,四冲程汽油机的工作原理,汽缸内装有活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。,活塞在汽缸内做往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜充量和排除废气，设有进、排气系统。,四冲程汽油机的工作循环包括四个活塞行程，即进气行程、压缩行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程。,进气行程,压缩行程,做功行程,排气行程,由于在此期间汽缸中气体的压力随汽缸容积的改变而不断地变化，因此采用气体压力,“,随气缸容积,V,变化的示功图来表示。,(1),进气行程,汽油机将空气与燃料先在汽缸外部的化油器中,(,化油器,),、节气门体处,(,单点喷射,),或进气道内,(,进气道多点喷射,),进行混合，形成可燃混合气后被吸入气缸。进气行程中，进气门开启，排气门关闭。,四冲程汽油机的工作循环,在示功图上，进气行程用曲线,ra,表示。曲线,ra,的大部分位于大气压力线下面，这部分与大气压力线纵坐标之差即表示气缸内的真空度。,在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程，称为压缩行程。,（,2,）压缩行程,在示功图上，压缩行程用曲线,ac,表示。可燃混合气压力,Pc,升高到,0.61.2MPa,，温度可达,600700k,。现代汽油发动机的压缩比一般为,811,。如一汽大众宝来轿车,1.6L,发动机的压缩比为,10.3,。,在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当,活塞接近上止点时，火花塞发出电火花，,点燃被压缩的可燃混合气，燃烧放出大量,的热能，产生的高温、高压燃气推动活塞,上下运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机,械能。用于发动机本身运转和对外作功。,（,3,）作功行程,示功图上曲线,zb,表示活塞向下移动时，气缸内容积增加，气体压力和温度都降低，在作功行程终了的,b,点，压力降至,0.30.5Mpa,，温度则降为,13001600K,。,可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个工作循环。当膨胀接近终了侧，排气门开启，靠废弃的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。,（,4,）排气行程,在示功图上用曲线,br,表示。在排气行程中，气缸内压力稍高于大气压力，约为,0.1050.115Mpa,。排气终了时，废气温度约为,9001200K,。,2.,四冲程柴油机的工作原理,现代柴油发动机的,构造如图所示。,四冲程柴油机的每,个工作循环也经历,了进气、压缩、作,功、排气四个行程,四冲程柴油机的工作循环,但由于柴油机的燃料是柴油，其粘度比汽油,大，而其自燃温度却较汽油低，故可燃混合气,的形成及着火方式都与汽油机不同。,柴油机在进气行程吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油机喷油泵将油压提高到,10MPa,以上，将柴油通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。,由于柴油机的压缩比高,(,一般为,1622),，所以压缩终了时气缸内的空气压力可达,3.5-4.5MPa,，同时温度高达,7501000K,，大大超过柴油的自燃温度。因此，柴油喷入汽缸后，在很短时间内与空气混合便立即发火燃烧。汽缸内气压急剧上升到,6-9MPa,，温度也升到,20002500K,。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功。废气同样经排气管排入大气中。,本讲小结,综上所述，四冲程发动机经过进气、压缩、燃,烧作功、排气四个行程，完成一个工作循环。,这期间活塞在上、下止点间往复移动了四个行,程，曲轴旋转了两周。,二冲程发动机的工作原理,1.,二冲程汽油机的工作原理,二冲程发动机的工作循环是在两个活塞行程内，即曲轴旋转一周的时间内完成的。,/,仿真平台,总体构造,二冲程汽油机工作循环，只抓取动画部分,活塞由曲轴带动从下止点向上止点移动，当活塞上行至关闭换气孔和排气孔时，已进入气缸的新鲜混合气被压缩，活塞继续上移至上止点时，压缩结束；与此同时，活塞上行时，其下方曲轴箱内形成一定真空度，当活塞上行到一定位置时，进气孔开启，新鲜的混合气被吸入曲轴箱。,(1),第一行程,/,仿真平台,总体构造,二冲程汽油机第一行程，只抓取动画部分,活塞接近上止点时，火花塞产生电火花，点燃被压缩混合气，燃烧行程的高温、高压气体推动活塞下行作功，当活塞下行到关闭进气孔后，曲轴箱内的混合气被预压，活塞继续下行至排气孔开启时，燃烧后废气靠自身压力经排气孔排出；紧接着，换气孔开启，曲轴箱内经预压的混合气进入气缸，并排除气缸内残余废气，这一过程称换气过程，它将一直延续到下一冲程活塞再上行关闭换气孔和排气孔时为止。活塞下行到下止点时，第二行程结束。,(2),第二行程,/,仿真平台,总体构造,二冲程汽油机第二行程，只抓取动画部分,二冲程汽油机的具体工作过程,、平均指示压力、指示功率、指示热效率、指示燃油消耗率。,循环指示功,在气缸内完成一个工作循环，工质对活塞所做的功，称为循环指示功，用表示。,平均指示压力,平均指示压力（,MPa,）是指一个循环所做的指示功与汽缸工作容积之比。,大致范围,汽油机,0.8,1.5,（,MPa,）,柴油机,0.7,1.1,（,MPa,）,指示功率,指示功率是指发动机单位时间所作的指示功。,指示热效率,指示热效率是实际循环指示功与所消耗的燃料,热量之比。,指示燃油消耗率,指示燃油消耗率（简称指示比油耗）是指单位,指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的耗油量,表示，单位是,g/(kwh,),。,式中，,3.6,10,3,为,1kWh,热功当量，即,1kWh,3.6,10,3,kj,；,H,U,为燃料的低热值，,kJ/kg,。,汽油机,0.3,0.4,205,320,柴油机,0.4,0.5,170,205,这时指示热效率为：,2.,有效性能指标,有效性能指标是表示内燃机整体的工作能力，即对外作功的能力。它不仅表示了气缸内气体的工作效果，而且也反映了内燃机本身的机械损耗。,有效功率总是低于指示功率，即,动力性能指标,经济性能指标,P,m,为机械损失功率,动力性能指标,(1),有效转矩,(2),有效功率,(3),发动机转速,n,(4),平均有效压力,(1),有效转矩,发动机通过飞轮对外输出的平均转矩称为有效转矩，,以 表示。有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的,阻力矩相平衡。,(2),有效功率,发动机通过飞轮对外输出的功率称为有效功,率，以 表示。它等于有效转矩与曲轴角速度,的乘积。发动机的有效功率可以用台架试验的,方法测定，也可用测功器测定有效转矩和曲轴,转速，然后用下式计算发动机的有效功率，即,式中，,为有效转矩,(,N,m,),；,n,为曲轴转速,(r,min),。,(3),发动机转速,n,发动机转速是指发动机曲轴每分钟的转数，单,位为,r/min,。发动机产品铭牌上标明的功率及,相应转速称为额定功率和额定转速。按照汽车,发动机可靠性试验方法的规定汽车发动机应能,在额度工况下连续运行,3001000h,。,(4),平均有效压力,平均有效压力 （,MPa,）是发动机单位汽缸工作,容积输出的有效功。,值大，说明单位汽缸工作容积对外输出的功,多，做功能力强。它是评定发动机动力性的重,要指标。,经济性能指标,(1),有效燃油消耗率,(2),有效热效率,(3),机械效率,(1),有效燃油消耗率,有效燃油消耗率 是单位有效功的耗油量（简称耗油率），通常以每千瓦小时的耗油量表示。,(2),有效热效率,有效热效率,是发动机的有效功 （,J,）与所消耗燃料热量 之比。,(3),机械效率,机械效率,是有效功率和指示功率之比,机械效率,的大致范围是：,汽油机,0.7,0.9,柴油机,0.7,0.85,3.,升功率,升功率,（,KW/L,）是发动机每升工作容积所发出的有效功率，它用来衡量发动机容积的利用率。,升功率是从发动机有效功率的角度对其汽缸工作容积的利用率作总的评价，它与平均有效压力和转速的乘积成正比，升功率越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。升功率是评定一台发动机力性能和强化程度的重要指标之一。,4.,紧凑性指标,(1),比质量,(2),单位体积功率,紧凑性指标是指内燃机的比质量和单位体积功率。,(1),比质量,比质量,（,kg/,kw,）是发动机的总质量,m,与所给出的,标定功率,P,e,之比。它表征质量利用程度、结构紧凑性、制造技术和材料利用程度等综合参数的指标。,比质量 的,大致范围：,3.58.16,（,kg/,kw,）,(2),单位体积功率,单位体积功率,是指内燃机的标定功率,P,e,与其外廓体积,V,之比。外廓体积是指内燃机外廓尺寸长、宽、高的乘积。,发动机的结构紧凑性对整车布置、车身外形设计有一定的影响。若要提高发动机的结构紧凑性，必须提高发动机的比容积。,5.,运转性能指标,发动机的运转性能指标主要指排气品质、噪声、起动性能等。,(1),排放指标,(2),噪声,(3),起动性能,(1),排放指标,汽车发动机对环境的污染主要来自排气产物，主要污染物是,CO,、,HC,和,NOx,，柴油机的排放产物中还有微粒和碳烟，下表为我国轻型汽车污染物排放限值。,(2),噪声,汽车是城市中主要的噪声源之一，发动机又是汽车的主要噪声源,(,见下表,),，故必须给予控制。下表是各部件噪声所占比例。,(3),起动性能,发动机起动性能的好坏除与发动机结构有关外，还与发动机工作过程相联系，它直接影响汽车机动性、操作者的安全和劳动强度。,我国标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机在,-10,、柴油机在,-5,以下的气温条件下起动发动机时，,15s,以内发动机要能自行运转。,6.,可靠性指标,可靠性是指发动机在规定的运转条件下，具有持续工作，不至因为故障而影响正常运转的能力。,衡量指标为：保证期内的不停车故障数、停车故障数、更换主要零件和重要零件数。,7.,耐久性指标,耐久性是指发动机在规定的运转条件下，长期工作而不大修的性能。,衡量指标一般一发动机从开始使用到第一次大修前累计运转的时间表示。,8.,工艺性指标,工艺性指标是指评价发动机制造工艺性和维修工艺性好坏的指标。,发动机结构工艺性好，则便于制造，便于维修，就可以降低生产成本和维修费用。,本讲小结,发动机性能的好坏通常以性能指标来描述，本讲讲述了发动机的,指示性能指标,、,有效性能指,、,标强化指标,、,紧凑性指标,、,运转性能指标,、,紧凑性指标,、,可靠性指标,、,耐久性指标,和,工艺性指标,等。,发动机特性,发动机特性,发动机特性与特性曲线,发动机速度特性,发动机负荷特性,1.,发动机特性与特性曲线,发动机特性：发动机性能指标随调整情况及运转工况而变化的关系。,特性用曲线表示称为特性曲线，它是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。,2.,发动机速度特性,发动机速度特性是指发动机油门位置不变（汽油机节气门开度或柴油机供油拉杆）时，主要性能指标（功率、扭矩、燃油消耗率等）随转速的变化关系。速度特性分全负荷速度特性和部分负荷速度特性，全负荷速度特性称为外特性，表示发动机的最高使用性能。,以曲线表示，则成为速度特性曲线；,(1),速度特性曲线,(2),转矩储备系数及转矩适应系数,(3),转速适应系数,(4),柴油机与汽油机外特性的比较,(1),速度特性曲线,发动机速度特性：是指发动机在油量调节机构（油量调,节齿条，拉杆或节气门开度）保持不变的情况下，主要,性能指标（转矩，油耗，功率，排气温度，烟度等）随,发动机转速的变化规律。,(2),转矩储备系数及转矩适应系数,为了充分表明发动机的动力性能，引入转矩储备系数,和转,矩适应系数,K,的概念：,T,tqmax,外特性曲线上的最大转矩（,Nm,）；,T,tq,标定工况（或最大功率）时的转矩（,Nm,）；,(3),转速适应系数,发动机转速适应系数,( ),是发动机最大功率时相应转,速,( ),和最大扭矩时的相应转速,( ),之比，即,过于接近 ，则会使直接档最低稳定车速偏高，,使车在通过交叉路口时换档次数变多。 值不宜,小于,1.4,，一般为,1.42.0,。,(4),柴油机与汽油机外特性的比较,外特性表明了发动机在各转速下能够发也的最大功率和转矩，代表了发动机使用中的最高性能，直接关系到汽车、拖拉机的动力性。,柴油机与汽油机外特性的比较,(1,),柴油机在各种负荷下速度特性的转矩曲线较汽油机的平坦，在中小负荷区，转矩随速度增高而增大。,(2),汽油机的转矩曲线的总趋势是随转矩升高而转矩减小。,(3),柴油机的燃油消耗率曲线在各种负荷的速度特性下都比,较平坦，仅在两端略有翘起，最经济的转速范围很宽。,汽油机则不同，其油耗曲线的翘曲度随节气门开度减小而,剧烈增大，相应最经济取得转速范围越来越窄。,3.,发动机负荷特性,负荷特性是指当发动机转速一定时，经济性指标的有效比燃油消耗量随发动机负荷的变化关系。,负荷特性的意义,本讲小结,本讲我们讲述了发动机特性与特性曲线、发动机速度特性和发动机负荷特性。在使用中，当发动机的负荷、速度、汽车道路状态等发生变化时，其性能指标参数也将随之变化，以适应外界的需求。发动机性能特性曲线对正确选用及使用发动机具有指导意义。,