第三章 汽车构造1-2

第三章 汽车构造第一节 发动机基本知识一、发动机的分类汽车使用的发动机种类繁多，大多数汽车采用水冷式四缸发动机。汽车发动机的主要类型如下：1汽油机和柴油机发动机按所使用的燃料进行分类，可以分为汽油机和柴油机（图3-1）。燃用汽油的为汽油机，燃用柴油的为柴油机，汽油和柴油都是石油精炼时所得到的产品，化学成份十分相似。汽油沸点低、容易气化和点燃、点燃温度比柴油低。（a）汽油机 （b）柴油机图3-1 汽油机与柴油机汽油机是利用电火花点火，使空气和汽油蒸气所组成的混合气燃烧（图3-2a）。而柴油的点燃温度高，且需要较强的点火能量，否则很难点燃。大家都知道，空气被压缩之后温度将升高，使用自行车打气筒给轮胎充气时，打气筒会变热就是这个道理。出于同样道理，柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自然温度，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧（图3-2b）。（a）汽油机 （b）柴油机图3-2 汽油机与柴油机的点火方式德国人狄塞尔想出了这个办法并取得了专利权，所以柴油机又叫狄塞尔发动机。和汽油机相比，柴油机的优点是柴油经济性好，但柴油机缺点也较多。例如由于工作压力过大。所以要求各有关零件有较高的结构强度和刚度。使柴油机和同等水平的汽油机相比重量重、尺寸大。为了把燃料强力地喷入到高压空气中去，需要装用高精密的高压喷射油泵，这将增加柴油机的制造成本。此外柴油机工作粗暴、振动和品噪声大。由于上述原因，目前小轿车主要装用汽油机。此外也有人按点火方式把发动机分为二大类，即把汽油机叫火花点火式发动机，把柴油机叫做压燃点火发动机。2转子发动机汽油机是一种往复运动式发动机。工作时活塞在气缸里做往复直线运动，为了使活塞的直线运动转化为旋转运动，必须使用曲轴。转子发动机则不同，它不使用曲轴，直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩（图3-3）。图3-3 转子发动机和往复式发动机相比，转子发动机取消了无用的直线往复运动，因而同样功率的转子发动机尺寸较小，重量轻，而且振动和噪声低，具有较大的优势。但是转子发动机在技术上有其独特的困难。转子发动机工作时其转子前端沿壳体壁面滑动，受燃烧气体冲刷使润滑油的消耗量较大，此外尚有其他一些技术问题尚待解决。3二冲程发动机往复式发动机按其工作循环分类可分可二冲程发动机和四冲程发动机（图3-4）。当曲轴每转一圈时，发动机能同时完成进气、压缩、燃烧和排气工作过程的为二冲程发动机。四冲程发动机在曲轴转一圈时只完成进气和压缩工作行程，在曲轴转第二圈时才完成燃烧和排气工作行程。和四冲程发动机相比，二冲程发动机机构简单、重量轻、成本低，同时单位重量功率（通常比功率）大。二冲程汽油机排气的时候也正是新鲜混合气吸入的时候，这使废气和可燃气互相混杂，结果导致一部分新鲜混合气白白地排出了发动机之外。由于上述缺点，二冲程汽油机排量都不大，一般多用于摩托车或小型机动船上。在中大型船舶上使用的都是二冲程柴油机。（a）四冲程发动机 （b）二冲程发动机图3-4 四冲程发动机与二冲程发动机二、发动机的基本组成 发动机由曲轴连杆机构、配气机构、燃料供给系、点火系、冷却系、润滑系及起动系等主要部分组成（图3-5和图3-6）。图3-5 汽油发动机的组成图3-6 发动机的外形三、基本术语在图3-7中，活塞置于气缸中，活塞可在气缸内作往复直线运动，活塞通过连杆和曲轴相连，曲轴可绕其轴线旋转。图3-7 发动机基本术语1上止点 活塞离曲轴回转中心最远处，通常指活塞上行到最高位置。2下止点 活塞离曲轴回转中心最近处，通常指活塞下行到最低位置。3活塞行程 上、下两止点间的距离。4曲柄半径 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距离。显然，曲轴每转一转，活塞移动两个行程。5气缸工作容积 活塞从上止点到下止点所让出的空间容积。6发动机排量 发动机所有气缸工作容积之和。7燃烧室容积 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。8气缸容积 活塞在下止点时，活塞上方的容积称为气缸总容积。它等于气缸工作容积与燃烧室容积之和。9压缩比 气缸总容积与燃烧室容积的比值。压缩比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610，柴油机的压缩比为1522。10发动机的工作循环 在气缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转化为机械能的一系列连续（进气、压缩、作功和排气）称发动机的工作循环。11二冲程发动机 活塞往复两个行程完成一个工作循环的称为二冲程发动机。12四冲程发动机 活塞往复四个行程完成一个工作循环的称为四冲程发动机。四、汽车发动机的工作原理1四冲程汽油机工作原理四冲程汽油机是由进气、压缩、作功和排气完成一个工作循环的，图3-8为单缸四冲程汽油机工作原理示意图。（a）进气 （b）压缩 （c）作功 （d）排气图3-8 单缸四冲程汽油机的工作原理（1）进气行程活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动。此时，进气门开启，排气门关闭。由于活塞下移，活塞上腔容积增大，形成一定真空度，在真空吸力的作用下，经过滤清的空气与化油器供给的汽油形成混合气，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）压缩行程进气行程结束时，活塞在曲轴的带动下，从下止点向止点运动。此时，进、排气门均关闭，随着活塞上移、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。（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，在气体压力的作用下，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，至活塞运动到下止点时，作功行程结束。（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，至活塞运动到期上止点时，排气门关闭，排气行程结束。排气行程结束后，进气门再次开启，又开始了下一个工作循环，如此周而复始，发动机就自行运转。2四冲程柴油机的工作原理四冲程柴油机和四冲程汽油机工作原理一样，每个工作循环也是由进气、压缩、作功和排气四个行程所组成。但柴油和汽油性质不同，柴油机在可燃混合气的形成、着火方式等到与汽油机有较大区别。图3-9为单缸四冲程柴油机工作原理示意图。（a）进气行程 （b）压缩行程 （c）作功行程 （d）排气行程图3-9 单缸四冲程柴油机的工作原理（1）进气行程 不同于汽油机的是进入气缸的不是混合气，而是纯空气。（2）压缩行程 不同于汽油机的是压缩的是纯空气，且由于柴油机压缩比大，压缩终了的温度和压力都比汽油机高。（3）作功行程 此行程与汽油机有很大不同，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空气中，迅速汽化并与空气形成可燃混合气。因为此时气缸的温度远高于柴油的自燃温度（约500左右），柴油自行着火燃烧，且以后的一段时间内边喷边燃烧，气缸内的温度、压力急剧升高，推动活塞下行作功。（4）排气行程 与汽油机排气行程基本相同。3四冲程汽油机与四冲程柴油机的区别由上述四冲程汽油机和柴油机的工作原理可知：（1）两种发动机工作循环的基本内容相似，其共同特点是：每个工作循环曲轴转两转（720度）每一行程曲轴转半转（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。四个行程中，只有作功行程产生动力，其它三个行程是为作功行程做准备工作的辅助行程，虽然作功行程是主要行程，但其它三个行程也不可缺少。发动机运转的第一个循环，必须有外力使曲轴旋转完成进气、压缩行程，着火后，完成作功行程，依靠曲轴和飞轮贮存的能量便可自行完成以后的行程，以后的工作循环发动机无需外力就可自行完成。（2）两种发动机工作循环的主要不同之处是：汽油机的汽油和空气在气缸外混合，进气行程进入气缸的是可燃混合气。而柴油机进气行程进入气缸的是纯空气，柴油是在作功行程开始阶段喷入气缸，在气缸内与空气混合，即混合形成方式不同。汽油机用电火花点燃混合气，而柴油机是用高压将柴油喷入气缸内，靠高温气体加热自行着火燃烧，即着火方式不同。所以汽油机有点火系，而柴油机则无点火系。 4二冲程发动机的工作原理二冲程发动机是在曲轴旋转一周（360）活塞上下两个行程内完成工作循环的。发动机气缸上有三个孔，即进气孔、排气孔和换气孔，如图3-10所示。这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭。进气孔与化油器相通，可燃混合气经过进气孔流入曲轴箱，继而从换气孔进入气缸；而废气则从排气孔排出。图3-10 二冲程发动机的工作原理（1）第一行程活塞自下止点向上移动，三个气孔被关闭后，已进入气缸的混合气被压缩；活塞下方的曲轴箱因容积增大，形成一定的真空度，在进气孔露出时，可燃混合气自化油器经进气孔流入曲轴箱内（2）第二行程活塞行到上止点时，火花塞跳火点燃可燃混合气，高温高压的燃气膨胀，推动活塞下移而作功。活塞下移作功时进气关闭，密封的曲轴箱内可燃混合气被压缩，当活塞接近下止点时，排气孔开启，废气冲出，随后换气孔开启，受予压的可烯燃混合气冲入气缸，驱除废气。进行换气过程。此过程一直进行到下一行程活塞上移，三个气孔关闭为止。简而言之，活塞上行时进行换气、压缩、曲轴箱进气；活塞下行时进行作功、压缩，曲轴箱混合气、换气。5二行程发动机的特点与四冲程发动机相比有如下优点：（1）曲轴每旋转一周（360）就有一个作功行程，理论上讲二行程发动机功率等于四行程发动机的两倍。（2）作功频率大，发动机运转均匀平稳。（3）结构简单，维修方便。缺点是燃烧不完全，经济性差，故一般被用在摩托车及微型汽车上。第二节 曲柄连杆机构与配气机构一、曲柄连杆机构1功用曲柄连杆机构的功用是将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。2组成曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组等三部分组成。（1）机体组机体组主要包括气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖和气缸垫等不动件（图3-11）。 图3-11 机体组气缸体是气缸的壳体，曲轴箱是支承曲轴作旋转运动的壳体，二者组成了发动机的机体。其结构型式有整体式和分体式两种。（2）活塞连杆组活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销和连杆等主要机件组成（图3-12）。图3-12 活塞连杆组活塞的功用是与气缸壁等共同组成燃烧室，承受气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。活塞环可分为气环和油环两大类（图3-13）。图3-13 活塞环气环也叫压缩环，用来密封活塞与气缸壁的间隙，防止气缸内的气体窜入油底壳，以及将活塞头部的热量传给气缸壁，再由冷却水或空气带走。另外还起到刮油、布油的辅助作用。一般发动机的每个活塞装有23道气环。油环用来刮气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上涂一层均匀的机油膜，这样可以防止机油窜入燃烧室燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的磨损和磨擦阻力。此外，油环也起到密封的辅助作用。通常发动机有12道油环。连杆组由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成（图3-14）。习惯上常把整个连杆组（或除去连杆轴瓦）称作连杆，也有的将连杆体称作连杆。型发动机连杆的结构如图3-15所示。连杆的功用是将活塞承受的力传给曲轴，把活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。 图3-14 连杆组（a）并列式 （b）主副式 （c）叉式图3-15 型发动机连杆示意图连杆可分为大头、小头和杆身三部分连杆小头用来安装活塞销，以连接活塞。杆身通常做成“工”字形断面，以求在强度和刚度足够的前提下减小质量。连杆大头是与曲轴的连杆轴颈相联的。为了便于安装，大头一般做成分开式的，一半为连杆体大头，一半为连杆盖，二者一般用螺栓装合。（3）曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮、扭转减振器、皮带轮、正时齿轮（或链轮）等组成（图3-16）。图3-16 曲轴飞轮组 曲轴是发动机中最重要的机件之一。其功用主要是把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出；另外，还用来驱动发动机的配气机构及其他各种辅助装置（如发电机、风扇、水泵、转向油泵、平衡轴机构等）。减振器的功用就是吸收曲轴扭转振动的能量，消减扭转振动。飞轮的主要功用是贮存作功行程的能量，用以在其它行程中克服阻力完成发动机的工作循环，使曲轴的转动角速度和输出转矩尽可能均匀，并改善发动机克服短暂超负荷的能力。同时将发动机的动力传给离合器。二、配气机构1功用配气机构的功用是按照发动机各缸工作过程的需要，定时地开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）得以及时进入气缸，废气得以及时排出气缸。2类型根据凸轮轴的位置不同，分为下置式、中置式和上置式。配气机构多采用顶置式气门。配气系主要包括以下几部分，即凸轮轴及其传动系统，气门及与气门有关的零件。图3-17为一台顶置凸轮轴直列4缸发动机的配气系布置情况。该发动机使用正时齿轮形带驱动轮轴凸，凸轮轴直接驱动8个气门，在凸轮轴和气门之间布置了液压挺杆。图3-17 顶置凸轮轴4缸发动机的配气机构（桑塔纳）3组成以顶置式为例，配气机构包手帕以下三部分组成：（1）气门驱动组：由正时齿轮及凸轮轴组成。（2）气门传动组：由挺杆、推杆、摇臂轴及支座、摇臂及调整螺钉等组成。（3）气门组：由气门、气门导管、气门弹簧、气门锁片及弹簧等组成。凸轮轴由曲轴通过前端的正时齿轮带动旋转。当凸轮突出分顶起挺杆时气门开启（图3-18a）；当突出部分离开挺杆时气门关闭（图3-18b）（a）气门开启 （b）气门关闭图3-18 顶置式配气机构4凸轮轴传动方式（1）链传动（图3-19）在曲轴和凸轮轴上装有链轮，曲轴通过链条驱动凸轮轴。在链条侧面有张紧机构和链条导板，利用张紧机构可以调整链条的张力。图3-19 链传动（2）齿轮带传动（图3-20）齿轮带和链条的功能是相同的，为了确保齿轮形带传动的可靠性，齿轮带和齿形带轮的接触接触周长必须比链传动要长一些 。这使齿形带周围零件的布置都受到制约。对于型发动机来说，由于齿形带较长，必须确实地控制齿形带的张力。齿形带的优点是无需润滑，工作噪声小。和链条比较起来，寿命略差一些，一般要求每10000km更换一次。图3-20 齿轮皮带传动 图3-21 齿轮传动93（3）齿轮传动（图3-21）下置凸轮轴的汽油机通常用一对正时齿轮传动。在柴油机上凸轮轴中心距一般较大，且需要同时驱动喷油泵，需加入中间惰轮传动。为了使齿轮啮合平顺，减小噪声和磨擦，正时齿轮都用斜齿轮并用不同材料制成。通常小齿轮用中碳钢，大齿轮除柴油机多用钢制外，常用夹布胶木或塑料等。为了保证装配时的配气正时，齿轮上都有正时记号，装配时必须使记号对正。4气门组（1）组成气门组的主要机件有气门、气门弹簧、气门导管等（图3-22）。 图3-22 气门组（2）气门间隙气门机构利用凸轮顶压气门使气门开启，然后在弹簧的压力下使气门落座关闭。为了使气门机构能正常工作，必须在气门机构中间保留一定量的间隙，该间隙叫气门间隙（图3-23）。图3-23 气门间隙在发动机运转时，进气门从燃烧室获得热量产生热变形，使其尺寸变长。考虑到热膨胀所引起的尺寸变化，气门机构中必须留的一定的间隙。一般轿车的气门间隙大约在0.20.5mm左右（图3-24）。图3-24 气门间隙的测量在发动机长期工作后，由于气杆端部和气门锥面的磨损，将使气门间隙慢慢地变大，所以必须适当地调整间隙。如果气门间隙不合适，发动机将会出现以下各种异常现象。气门间隙过大：此时在气缸盖周围会听到一种金属敲击声。气门间隙过小：在发动机工作期间，气门间隙过小可能使气门不能落座，气门仍略微开启一条小缝。在压缩行程时，使压缩混合气泄漏，发动机怠速时会出现转速不稳现象。总之，应使气门间隙始终保持一定值是十分重要的。在进行车辆检查时，气门间隙也是调整项目的检查内容之一。（3）气门数量 每缸气门数量有2、3、4、5、8等多种类型（图3-25）。图3-25 气门数量与布置2气门发动机每缸一个进气门和一个排气门，被广泛采用。3气门发动机每缸2个进气门和一个排气门。与2气门比较，能大幅度地提高进效率，同时必须适当增加排气门头部直径尺寸，但很难把火花塞布置在燃烧室中心位置上，使发动机容易产生爆震现象。4气门发动机每缸各有2个进气和2个排气门，亦被广泛采用。5气门发动机每缸使用3个进气门和2个排气门。8气门发动机每缸各装4个进气门和4个排气门。5配气相位用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。配气相位的各个角度可用配气相位图来表示（图3-26）。图3-26 配气相位图当活塞位于上止点位置附近时，也即在排气行程将要结束进气行程就要开始的时候，进、排气门同时开启。此时进气门提前开启的目的是，希望利用进气惯性把更多的混合气吸进气缸内。在低转速条件下，当进气门提前开启时，新鲜混合气反而挤出气缸了。为此必须根据发动机的性能合理地确定凸轮曲线（图3-27）。凸轮的突起部分叫桃尖，桃尖的高度决定了气门升程的大小，桃尖的形状曲线决定了气门的开闭时间。桃尖的形状看起来十分简单，但它对发动机性能的影响却很大，在设计和制造时应予以充分注意。 图3-27 凸轮曲线72