往复活塞式内燃机的结构和原理课件

汽车工程系,第一节：往复活塞式内燃机的基本结构和工作原理,主要内容：,发动机基本工作原理、编号规则和总体构造,发动机的基本结构、作用和常用术语,发动机主要性能指标定义和作用,一、发动机分类：,发动机是汽车的动力源，是将某一种形式的能量转化成机械能的机器。,1,、热机：将热能转化为机械能的发动机称为热力发动机，又热机。,3,、内燃机的特点：结构紧凑、体积小、质量轻容易起动。,内燃机,:,直接以燃料燃烧所生成的燃烧物为工质的热机。,外燃机：是指燃料在机器外部燃烧，通过介质将热能转化成机械能。,2,、热机类型：,4,、汽车发动机（指活塞式内燃机）分类：,根据冲程数分：,二冲程发动机,四冲程发动机,按冷却方式不同：,风冷发动机,水冷发动机,按气缸数和排列形式分：,单缸发动机,多缸发动机,直列式发动机,V,型布置发动机,水平对置式发动机,按使用的燃料不同：,汽油发动机,柴油发动机,单列式,型,对置式,二、往复活塞式内燃机的基本结构,:,1,、总体结构：,发动机是由两大机构五大系统,组成。,两大机构,曲柄连杆机构,配气机构,五大系统,冷却系,润滑系,起动系,点火系,供给系,2,、常用术语：,工作循环：是指活塞在气缸内往复运动完成进气、压缩、做功和排气四个工作过程称,为一个工作循环。,上止点：是指活塞离曲轴回转中心最远处，即活塞的最高位置。,下止点：是指活塞离曲轴回转中心最近处，即活塞的最低位置。,活塞行程,(S),：是指活塞在上、下两止点之间的距离。,曲柄半径,(R):,是指与连杆大端相连接的曲柄销的中心线到曲轴,回转中心线的距离。,S=2R,气缸工作容积（,V,h,）：是指活塞从上止点到下止点所扫过的容积。,D:,气缸直径（,mm,）,S,：活塞行程（,mm,）,发动机工作容积（,V,L,）：是指发动机所有气缸工作容积的总和，即发动机排量。,:,为发动机缸数,燃烧室容积,(V,C,):,是指活塞在上止点时，活塞顶部与缸盖构成的空间容积。,气缸总容积（,Va,）,:,是指活塞在上止点时，活塞顶部与缸盖构成的空间容积。,压缩比（,）：是指气缸总容积与燃烧室容积之比值。,工况：是指内燃机在某一时刻的运行状况，通常用该时刻内燃机对外输出,有效功率和转速表示。,负荷率：是指内燃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。,发动机排量是一个非常重要的特征参数，轿车就是以发动机排量大小来进行分级。,微型：,VL1.0,；普通级：,VL,1.0,1.6,；中级：,VL,1.6,2.5,；,中高级：,VL,2.5,4.0,；高级：,VL,4.0.,发 动 机 常 用 术 语,活塞处于上止点,活塞处于下止点,动 画 演 示,三、四冲程发动机工作原理：,1,、工作循环：发动机一个工作循环包括,进气过程、压缩过程、做,功过程和排气过程。,3,、具体过程,：,进气过程,压缩过程,做功过程,排气过程,动 画 演 示,2,、一个工作循环曲轴转两圈，完成一次做功。,4,、汽油发动机工作过程分析：,A,、进气行程：活塞由上止点往下止点运动，曲轴转过,180,度。,B,、压缩行程：活塞由下止点往上止点运动，,曲轴转过,180,度。,C,、作功行程：,活塞由上止点往下止点运动，曲轴转过,180,度。,D,、排气行程：,活塞由下止点往上止点运动，曲轴转过,180,度,。,进气行程,活塞由曲轴带动,从上止点向下止点,运动，此时，,进气门开启，排气门关闭,。在活塞向下移动的过程中，,气缸内容积逐渐增大,，形成一定真空度，于是,空气和燃油的可燃混合气,通过进气门被吸入气缸，直至活塞到达下止点时，进气门关闭，停止进气。,由于进气系统存在进气阻力，进气终了时气缸内气体的压力低于大气压力，约为,0.075MPa,0.09MPa,。由于气缸壁、活塞等高温件及上一循环留下的高温残余废气的加热，气体温度升高到,370K,400K,。,A,、进气行程：,排气门关闭,进气门开启,活,塞,下,行,P,示功图,：,表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。,a,上止点,下止点,大气压力线,V,r,示功图,进气终了时气缸内,压力,为,0.074,0.093Mpa,，,温度,上升至,353,403K,压缩行程,为使可燃混合气迅速燃烧，达到改善发动机动力性和经济性的目的，必须在燃烧前对可燃混合气进行压缩，以提高可燃混合气的温度和压力。因此，在进气行程结束时立即进入压缩行程，,活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动，由于进、排气门均关闭，气缸内容积逐渐减小，可燃混合气压力、温度逐渐升高。,压缩终了时，气缸内的压力约为,0.6MPa,1.2MPa,，温度约为,600K,700K,。,B,、压缩过程：,进气门关闭,排气门关闭,活,塞,上,行,压缩终了时气缸内,压力,上升至,0.6,1.5Mpa,，,温度,继续上升至,600,700K,。,示功图,：,表示活塞在不同位置时气缸,内气体压力的变化情况。,P,V,r,a,示功图,大气压力线,上止点,下止点,做功行程,在压缩行程末，,火花塞产生电火花点燃混合气,并迅速燃烧，使气体的温度、压力迅速升高而膨胀，从而推动,活塞从上止点向下止点运动,，通过连杆使曲轴旋转作功，至活塞到达下止点时作功结束。,在作功行程中，,开始阶段气缸内气体压力、温度急剧上升，瞬间压力可达,3MPa,5MPa,，瞬时温度可达,2200K,2800K,。,随着活塞下行，,气缸容积增大，气缸内压力、温度逐渐下降，作功终了时，压力约为,0.3,0.5MPa,，温度约为,1300K,1600K,。,C,、做功过程：,进气门关闭,排气门关闭,活,塞,下,行,作功中气缸内,最高压力,可达,3,5Mpa,，,最高温度,可达,2200,2800K,；作功终了时气缸内,压力,下降至,0.3,0.5Mpa,，,温度,下降至,1300,1600K,。,P,V,r,a,示功图,大气压力线,Z,b,上止点,下止点,示功图,：,表示活塞在不同位置时气缸,内气体压力的变化情况。,排气行程,为使循环能够连续进行，须将燃烧产生的废气排出。在作功行程终了时，,排气门打开，进气门关闭，,曲轴通过连杆推动,活塞从下止点向上止点,运动，废气在自身剩余压力和活塞推动下，被排出气缸，至活塞到达上止点时，排气门关闭，排气结束。,排气行程终了时，由于燃烧室容积的存在，气缸内还存有少量废气，气体压力也因排气系统存在排气阻力而略高于大气压力。此时，,压力约为,0,105MPa,0,115MPa,，温度约为,900K,1200K,。,D,、排气过程：,进气门关闭,排气门打开,残余废气,活,塞,上,行,排气终了时气缸内,压强,下降至,0.102,0.120Mpa,，,温度,下降至,900,1200K,P,V,r,示功图,大气压力线,c,Z,上止点,下止点,a,示功图,：,表示活塞在不同位置时气缸,内气体压力的变化情况。,五、四冲程柴油机结构和工作过程：,与汽油机工作原理相比，只有一个行程即作功行程中，柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸发，且自然温度又较汽油低，所以采用的是压燃式点火。,喷油器,喷油泵,1,、结构：,汽油机和柴油机的结构,汽油机结构,柴油机结构,2,、四冲程柴油机工作原理,四冲程柴油机和四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、作功和排气四个行程组成。由于所使用燃料的性质不同，在可燃混合气的形成和着火方式上与汽油机有很大区别。单缸四冲程柴油机工作循环示意图如图所,示,工作过程,进气过程：,活塞由上止点往下止点运动，曲轴转过,180,度,进入气缸的是空气。,压缩过程：,活塞由下止点往上止点运动，曲轴转过,180,度。,做功过程：,活塞由上止点往下止点运动，曲轴转过,180,度，混合气着火。,排气过程,:,活塞由下止点往上止点运动，曲轴转过,180,度。,进气行程,进气行程,活塞由上止点往下止点运动，曲轴转过,180,度，,不同于汽油机的是进入气缸的不是可燃混合气，而是,纯空气,。由于进气阻力比汽油机小，上一行程残留的废气温度也比汽油机低，进气行程终了的,压力约为,0.075MPa,0.095MPa,，温度约为,320K,350K,。,压缩行程,压缩行程,活塞由下止点往上止点运动，曲轴转过,180,度,，,不同于汽油机的是压缩纯空气，由于柴油的压缩比大，压缩终了的温度和压力都比汽油机高，,压力可达,3MPa,5MPa,，温度可达,800K,1000K,。,做功行程,排气行程,作功行程,活塞由上止点往下止点运动，曲轴转过,180,度,，,此行程与汽油机有很大差异，,压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸内的高温高压空气中，被迅速汽化并与空气形成混合气，,由于此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度（约,500K,左右），柴油混合气便立即,自行着火燃烧,，且此后一段时间内边喷油边燃烧，气缸内压力和温度急剧升高，推动活塞下行作功。,作功行程中，瞬时压力可达,5MPa,10MPa,，瞬时温度可达,1800K,2200K,，作功行程终了时压力约为,0.2MPa,0.4MPa,，温度约为,1200K,1500K,。,排气行程,活塞由下止点往上止点运动，曲轴转过,180,度,，,此行程与汽油机基本相同。,排气行程终了时的气缸压力约为,0.105MPa,0.125MPa,，温度约为,800K,1000K,。,四冲程汽油机与柴油机工作原理的比较,由上述四冲程汽油机和柴油机的工作循环可知，两种发动机的工作循环既有,共同点，又有差别，归纳如下：,（,1,）两种发动机中，每完成一个工作循环，曲轴转两周（,720,度），每完成一个行程曲轴转半周（,180,度），进气行程是进气门开启，排气行程是排气门开启，其余两个行程进、排气门均关闭。,（,2,）无论是汽油机还是柴油机，在四个行程中，只有作功行程产生动力，其余三个行程是为作功行程作准备的辅助行程，都要消耗一部分能量。,（,3,）两种发动机运转的第一循环，都必须靠外力使曲轴旋转完成进气和压缩行程，作功行程开始后，作功能量储存在飞轮内，以维持循环继续进行。,（,4,）汽油机的混合气是在气缸外部形成的，进气行程中吸入气缸的是可燃混合气；柴油机的混合气是在气缸内部形成的，进气行程中吸入气缸的是纯空气。,（,5,）汽油机在压缩终了时，靠火花塞强制点火燃烧，而柴油机则靠混合气自燃着火燃烧。,1,、相同点：,每个工作循环曲轴转两周,;,每一行程曲轴转半周,;,只有作功行程产生动力。,2,、不同点：,进 气,点火方式,点火系统,化油器,混合气形成,汽油机,汽油与空气混合气,电火花塞点火,有点火系,有化油器（传统）,缸内或缸外,柴油机,纯空气,压燃式点火,无点火系,无化油器,缸内,六、二冲程发动机工作原理：,二冲程发动机是指曲轴转一圈（,360,度），活塞往复运动二次完成一个工作循环的发动机，其工作循环也包括进气、压缩、作功和排气四个过程，下面以二冲程汽油机为例介绍其简单工作原理。,1,、二冲程汽油机的简单工作原理,二冲程汽油机在结构上与四冲程汽油机的不同之处在于没有了进、排气门，取而代之的是进气孔、排气孔和换气孔。上图单缸二冲程汽油机的工作循环示意图，其工作原理如下：,（,1,）第一行程,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，直至上止点时，压缩结束；与此同时，随着活塞上行，其下方曲轴箱内形成一定真空度，当活塞上行到进气孔开启时，新鲜混合气被吸入曲轴箱。,（,2,）第二行程,活塞接近上止点时，火花塞产生电火花，点燃被压缩的可燃混合气，燃烧形成的高温、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缩，活塞继续下行至排气孔开启时，燃烧后的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，这一过程称为换气过程，它将一直延续到下一行程活塞再上行关闭换气孔和排气孔时为止。,由上述工作原理可知，第一行程时，活塞上方进行换气、压缩，活塞下方进行进