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发动机构造培训技术部2005 3 1 2国产车分类 第一章汽车发动机总论1 1概述 发动机是将自然界中某一种能量转变为机械能的机器 而汽车发动机则是将某种能量转变为驱动汽车行驶的动力的一种机器 热力发动机可分为外燃机和内燃机 燃料燃烧后产生的热能通过其他介质 工质 转变为机械能的称为外燃机 燃料燃烧后产生热能直接转换为机械能的称为内燃机 活塞式内燃机按活塞运动方式可分为往复活塞式和旋转活塞式两种 1 2汽车发动机的分类 按每工作循环活塞行程数分按使用的燃料分根据多缸发动机气缸排列方式的不同分根据冷却方式的不同分根据进气有无增压分 1 3汽车发动机及传动装置在汽车上的布置形式 1 发动机前置 后轮驱动 FR 优点是前后轴荷分配比较均匀 对提高操纵稳定性 行驶平顺性和轮胎寿命比较有利 操纵机构简单 发动机冷却条件好 缺点是前后轴距较大 在车身较低的轿车上 2 发动机前置 前轮驱动 FF 特点 省去了从发动机到后桥的传动轴 机构紧凑 增加了车身中部的空间 前轴负荷较大 轿车高速行驶时更为安全 转弯且加速时行驶稳定性较好 3 发动机中置 后轮驱动 MR 这是大多数运动型轿车和方程式赛车上所采用的布置形式 都是功率和尺寸很大的发动机 座椅之后和后桥之前 有利于获得最佳轴荷分配和提高车辆行驶性能 第2章发动机的工作原理2 1概述 如1 1中所述 往复活塞式内燃机是一种热力机械 为了产生动力 首先应将燃料和空气供入气缸 经过压缩 燃烧 将燃料中的化学能转换成热能 以燃烧产生的高温高压气体为工作介质 通过有活塞 连杆 曲轴构成的曲柄连杆机构将热能转换为机械能 对外输出动力 最后还要将燃烧后的废气排出气缸 2 2汽车发动机的燃料 2 2 1汽油机的燃料 汽油汽油是一种从石油中提炼出来的石油产品 汽油是一种密度小而易挥发的液体燃料 主要成分为轻质烃类碳氢化合物的混合物 2 2 2汽油的品质1 汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油抵抗自然的一种能力 自燃的温度越高 抗爆能力越强 也就是抗爆性越好 2 汽油的热值单位质量或单位容积的汽油燃烧时所放出的热量称为汽油的热值 热值越高则在发动机燃烧过程中转换的能量也就越多 3 汽油的蒸发性汽油在汽油机气缸内燃烧的过程是在气态下进行的 所以 汽油的汽化过程要早于燃烧过程 2 3汽车发动机工作原理 活塞运动到离曲轴中心最远处时 活塞顶部在气缸里的位置叫上止点 通常可用英文缩写TDC表示 活塞运动到离曲轴中心最近处时 活塞顶部在气缸里的位置叫下止点 通常可用英文缩写BDC表示 活塞上下止点之间的距离叫活塞行程 通常用S表示 气缸的直径简称缸径 通常用D来表示 曲轴的回转半径叫曲轴半径 通常用R来表示 2 3 1四冲程发动机工作原理在气缸内所进行的每一次将可燃混合气燃烧的热能转换为机械能的连续过程 包括进气 压缩 作功 膨胀 排气四个过程 就是发动机的一个工作循环 需要活塞在上下止点间往返四个单程 即活塞走过四个行程才完成一个工作循环的发动机 就叫四冲程发动机 四冲程发动机的四个行程分别叫进气行程 压缩行程 作功 膨胀 行程和排气行程 2 3 2二冲程发动机的工作原理当包括进气 压缩 作功 膨胀 排气四个过程在内的一个发动机工作循环只需要活塞在上下止点间往返两个单程 曲轴只需转过一周 360 的发动机 就叫做二冲程发动机 第3章汽车发动机总体构造和性能指标3 1概述 标志发动机动力性 经济性 污染物排放 噪音等好坏的指标 叫做发动机的性能指标 3 2汽车发动机的气缸配置和气缸排列 一般采用两种气缸排列方式 一种是气缸成一字形排列 称为单列式发动机 亦称L型 其特点是机体结构简单 可以使用一个整体式气缸盖 另外一种气缸排列方式是两列气缸成V形布置的V型发动机 其特点是发动机总体结构比较紧凑 由于发动机长度和高度尺寸比较小 所以在汽车上布置起来比较方便 其缺点是机体形状比较复杂 至少需要使用两个气缸盖 表1汽车发动机各机构 系统的组成和主要功能 3 3汽车发动机各机构 系统的组成和主要功能 3 4汽油发动机主要性能指标 1 动力性指标动力性指标主要是指发动机的有效转矩 即主轴的输出转矩 和有效功率 即主轴的输出功率 2 经济性指标经济性指标主要是指发动机的燃油消耗率 即发动机每发出1KW有效功率 在一小时内所消耗的以g为单位的燃油消耗率量 3 排放指标和噪声指标排放指标主要是指发动机油箱 曲轴箱排出的气体和从气缸排出的废气中所含的有害排放的量 对汽油机来说主要是废气中的一氧化碳 CO 和碳氢化合物 HC 的量 对柴油机来说主要是废气中的氮氧化物 NOx 和颗粒的量 第4章曲柄连杆机构4 1概述 曲柄连杆机构是将往复活塞式内燃机燃料的化学能通过燃烧放出的热能 再转化为机械能的主要机构 它由活塞组 连杆组和曲轴飞轮组三个部分组成 4 1 1曲柄连杆机构的任务曲柄连杆机构的任务主要有 第一 为了把热能转化为机械能并对外作功 就必须通过这套机构把活塞的往复直线运动 经连杆的摆动变为曲轴的旋转运动 第二 将通过燃油燃烧施加在活塞顶上的燃气力 经连杆传给曲轴使曲轴获得转矩 对外输出功率 4 1 2曲柄连杆机构的工作条件内燃机是一种热力机械 在热 功转换的过程中 曲柄连杆机构要受到很高的机械负荷和热负荷 4 2活塞组 汽车发动机的活塞组通常是由活塞 活塞销 活塞环 气环和油环 等主要零件组成 活塞环装在活塞头部的环槽中 活塞销装在活塞的销孔中 为了防止活塞销滑出销孔刮伤气缸 用活塞销挡圈卡在销孔的槽内 4 2 1活塞活塞的功能 工作条件和对活塞的要求 4 2 2活塞销1 活塞销的功能和工作条件2 活塞销的材料3 活塞销的结构和安装4 2 3活塞环活塞环有气环和油环两种 它们具有完全不同的功能 它们分别装在活塞的气环槽和油环槽 4 2 2活塞销活塞销的功能和工作条件活塞销的材料活塞销的结构和安装4 2 3活塞环活塞环有气环和油环两种 它们具有完全不同的功能 它们分别装在活塞的气环槽和油环槽 4 3连杆组 汽车发动机的连杆组通常由连杆体 连杆螺栓 及螺母 连杆小头衬套 连杆大头轴瓦等零件组成 连杆组受力情况复杂 所以要求它们在质量尽可能小的条件下具有足够的强度和刚度 4 3 1连杆体和连杆大头盖连杆体和连杆大头盖通过连杆螺栓连接后构成了一个连杆 成为连杆的主要部分 汽车发动机的连杆通常采用中碳钢 如45号 40号 或中碳合金钢 如40Cr等 经模锻或锟锻再经热处理 机械加工而成 4 4曲轴飞轮组 汽车发动机的曲轴飞轮组通常由曲轴 飞轮 曲轴上的正时齿轮 或正时链轮 正时齿轮 曲轴皮带轮 有时包括扭震减震器 等组成 曲轴飞轮组的主要功能是将由活塞组 连杆组传来的力转变为转矩而输出 此外 它还要驱动发动机的配气机构 分电器 汽油泵 柴油机的然油泵 同时 还要驱动润滑油泵 冷却水泵 充电发动机 冷却风扇 空气压缩机 汽车空调压缩机等各种辅助装置 4 4 1曲轴1 曲轴的工作条件和材料曲轴是曲轴飞轮组中最主要的零件 它由前轴 曲拐 后端及平衡重等几部分构成 2 曲轴的基本结构形式曲轴前端用来安装曲轴正时齿带轮 或正时链轮 正时齿轮 皮带轮 通常含扭振减震器即减震皮带轮 起动爪以及防止润滑油泄漏的油封装置 如骨架式油封 挡油圈等 曲轴后端一般有安装飞轮用的凸缘和防止润滑油泄漏的油封装置 通常为骨架式油封 为了对主轴颈与主轴承 曲柄销和连杆大头轴承进行润滑 主轴颈和曲柄销上分别钻有径向油道 它们分别与穿过曲臂内部的斜油道相通 3 曲轴的止推曲轴各曲拐以及装在曲轴上的零件如正时齿带轮等与机体的壁面或轴承盖的端面必须留存适当的轴向间隙 以保证曲轴在受热膨胀后轴向不致卡死 4 主轴承曲轴主轴承和连杆大头轴承一样 也是剖分为两半的滑动轴承 即主轴瓦 上瓦和下瓦 5 曲轴平衡块为了平衡旋转惯性力 一般可在曲轴的曲臂延长部分设置平衡块 4 4 2曲轴皮带轮和扭振减震器汽车发动机的 曲轴皮带轮和扭振减震器都装在曲轴的前端 4 4 3飞轮飞轮是一个具有相当大转动惯量的铸铁或钢制的圆盘 用螺栓固定在曲轴后端的凸缘上 4 5平衡轴机构 为了减轻和消除这些不利影响 在这些发动机上趋向于采用辅助的平衡机构来解决问题 第5章机体 气缸盖和油底壳5 1概述 机体 气缸盖和油底壳构成了发动机的主要固定件组 机体是安装发动机大部分零部件的基础骨架 又是发动机冷却系统 润滑系统的组成部分 气缸盖用来封闭机体的上部 与活塞顶部和气缸壁一道构成燃烧室 气缸盖上通常设有配气机构 汽油机的火花塞或柴油机的喷油器等 同时与发动机的进气 排气系统相连 油底壳用来封闭机体的下部 贮存润滑油 成为润滑系统的一个重要组成部分 5 2机体 5 2 1机体的工作条件和材料机体要承受气缸内气体压力和曲柄连杆机构运动产生的惯性力所造成的拉伸载荷 纵向弯曲载荷和横向扭转载荷 翻倒力矩 受力情况复杂 同时 气缸要与高温燃气直接接触 工作表面热负荷很高 再加上活塞与气缸之间又有极高的相对滑动速度 存在着磨损 腐蚀等特殊问题 所以对于机体来说 要有一些特殊的要求 5 2 2气缸体按气缸的结构形式 气缸体可分为无气缸套气缸体和有缸套气缸体 所谓无气缸套气缸体就是气缸套与气缸体是一体的 这种结构在强化程度不高的轿车汽油机中应用很普遍 5 3油底壳 油底壳用来封闭机体的下部和贮存润滑油 汽车发动机的油底壳大部分是用薄钢板冲压而成的 通过螺栓紧固在曲轴箱底面上 其间有密封垫片或涂密封胶以防止漏油 5 4气缸盖 5 4 1气缸盖的工作条件和材料气缸盖布置在机体上面 用来封闭气缸 并与活塞顶 气缸一道构成燃烧空间 同时 气缸盖也为其他零部件提供安装位置 气缸盖的燃烧室一侧直接受到高温高压燃气的作用 除了承受机械负荷外 更主要的是承受热负荷 由于形状复杂 冷却不均匀 各部分温差大 特别是在进排气口之间 以及进排气口与火花塞之间 或进排气口与柴油机的喷油器孔之间 的所谓 鼻梁区 热应力很高 是容易出现裂纹损坏的部位 而气缸盖在机械负荷和热负荷作用下产生的变形会导致进排气门密封的破坏和气缸盖密封 气封 水封 油封 的破坏 影响发动机的动力性 经济性和工作可靠性 5 4 2汽油机的燃烧室汽油机气缸盖火力面凹陷下去的部分和活塞顶 气缸构成了汽油机的燃烧室 其结构型式主要由气缸盖火力面上凹陷部分的形状来决定 它对发动机的性能影响很大 第6章配气机构6 1概述 6 1 1配气机构的功能配气机构的功能是按发动机工作循环的要求 在规定的时刻开启和关闭各气缸的进 排气门 在汽油机进气时 使新鲜的可燃混合气 或在柴油机进气时 使新鲜空气尽可能多的进入气缸 而在排气时 能将气缸内的废气尽可能快和尽可能多的排出气缸 6 1 2配气机构的组成配气机构主要由三大部分组成 即凸轮轴及其传动系统 气门传动组和气门组 6 2凸轮轴 顶置凸轮轴结构比较简单 一般由配气凸轮 在单顶置凸轮轴上为进气凸轮和排气凸轮 在双顶置凸轮轴上则分别为进气凸轮和排气凸轮 凸轮轴颈等部分组成 而在汽油机的侧置凸轮轴上 通常还包括驱动润滑油泵和分电器的螺旋齿轮以及用于驱动汽油泵的偏心轮等 汽车发动机凸轮轴可以布置在发动机的侧面 称为侧置凸轮轴配气机构 简称OHV 对侧置凸轮轴配气机构来说 它通常由挺柱 推杆 摇臂 摇臂轴等主要零件组成 而顶置凸轮轴配气机构可省去挺柱和推杆 甚至可省去摇臂 即由凸轮轴直接或通过液压挺柱驱动气门组 凸轮轴配气凸轮的主要作用是根据发动机工作过程的需要控制进气门和排气门的开启和关闭 凸轮轴上的凸轮要有精确的保证配气定时以及其他要求 良好的充气性 动力性等 的凸轮型线 由于凸轮轴的变形会影响到配气定时 凸轮轴颈的数目取决于支承的数目 6 3气门传动组 6 3 1侧置凸轮轴的气门传动组1 挺柱凸轮轴侧置时 挺柱在气缸体侧面的挺柱孔内 由凸轮轴驱动做往复运动 将凸轮的驱动力传给推杆 再经摇臂传给气门 在传力的过程中 挺柱还要承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力 2 推杆推杆的作用是将挺柱传来的推力传给摇臂 3 摇臂摇臂用来改变从推杆传来的力的方向 从而推动气门杆端打开气门 同时可通过摇臂两侧的长度比的改变来改变气门的升程 6 3 2顶置凸轮轴的气门传动组凸轮轴顶置后 即可以通过摇臂来驱动气门 即 摇臂驱动式 也可以直接驱动气门 即 直接驱动式 1摇臂驱动式2直接驱动式 6 4气门组 气门组包括气门 气门锁夹 气门弹簧 气门弹簧座 气门油封 以及装在气缸盖上的气门导管和气门座等 第7章进排气系统 发动机在工作过程中 气缸一方面要吸入可燃混合气 汽油机 或空气 柴油机 另一方面必须把燃烧作功结束后的废气排除出缸外 因此 发动机除了需要一套配气机构来控制进排气门的开启和关闭外 还需要一套进排气系统 以满足进气和排气的其它要求 第8章冷却系统8 1概述 冷却系统的任务是将发动机零件在燃烧过程中所吸收的热量传到周围环境的介质中去 从而使零件得到冷却 可以避免发动机零件 特别是直接与高温燃气接触的零件因过热而损坏 可以避免或减少润滑油由于高温而变质 造成润滑不良 加速零件磨损等后果 可以避免因发动机过热而造成气缸充气量减少 燃烧不正常 发动机功率下降等现象 8 2冷却系统分类 根据不同的冷却方式 冷却系统可以分为两大类 即风冷系统和水冷系统 风冷系统是使发动机高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的冷却系统 水冷系统是使发动机高温零件的热量先传给液态冷却介质 然后再散入大气的冷却系统 8 3水冷系统 发动机水冷系统通常由水泵 气缸体和气缸盖中的冷却水道和冷却水套 直接铸造出来的贮水或冷却液 互相连通的夹层空间 恒温器 或称节温器 散热器 散热器冷却风扇等部分组成 现代汽车发动机水冷系统的冷却介质并非全是水 而是由水和各种添加剂构成的冷却液 第9章润滑系统 发动机工作时 活塞 活塞环和气缸壁 轴颈和轴承 气门杆和气门导管 以及各种齿轮副等传力零件都以很小的间隙做高速相对运动 相互之间必然产生摩擦 这种摩擦不仅使发动机机械效率下降 而且使零件磨损加快 同时 摩擦产生的热量使零件受热膨胀 导致配合间隙消失而使运动副卡死 为了保证发动机正常工作 必须对相对运动的摩擦表面加以润滑 即在摩擦表面覆盖一层润滑油 使摩擦表面间形成一层薄的油膜 形成液体摩擦 以减少摩擦阻力 使摩擦表面的磨损减少到最低程度 同时通过润滑油来带走摩擦表面的热量 降低零件的温度 润滑油的作用 润滑 冷却 清洗 密封 防锈 汽车发动机通常采用以下两种润滑方式 一是压力润滑 二是飞溅润滑 润滑系统中包括机油滤清器 机油散热器 油底壳 油道 油管等 第10章起动系统 作为汽车发动机的内燃机是不会自行起动的 而必须依靠外力才会出现第一次燃烧作功 并靠自己所发出的动力继续运转下去 从曲轴在外力作用下开始运动到发动机开始自动怠速运转的全过程称为发动机的起动 所以 起动系统的作用是实现发动机的起动 由于起动是发动机能否工作的先决条件 所以 起动性能是发动机的重要性能指标之一 第11章发动机排放污染物净化系统 发动机排放污染物主要是指气态排放物一氧化碳 CO 碳氢化合物 HC 和氮氧化合物 NOX 以及颗粒排放物 90年代以来 二氧化碳 CO2 也已列入值得关注的造成 温室效应 的有害气体排放物之列了 汽车发动机排放物有三个来源 一是从汽油机油箱 化油器浮子室 汽油泵 汽油管路接头等处蒸发出来的汽油蒸汽 其有害成分以HC为主 二是曲轴箱通气管排出的 窜气 其有害成分也以HC为主 三是发动机排气管排出的尾气 国产车分类