1.1汽车发动机基础知识（课件）-《汽车构造与拆装》同步教学（电子工业版）

任务一 汽车发动机基础知识 任务目标 ●知识目标 1.掌握发动机的结构组成。 2.掌握发动机的分类。 3.掌握发动机的工作原理。 4.掌握发动机的常用术语及含义。 ●能力目标 1.能够描述发动机的工作原理。 2.能够判断发动机的类型。 任务引入 将内能转化成动能的机构称为发动机，汽车发动机的形式主要是以汽缸和活塞作为转换机构的内燃机。根据燃料及点火形式的不同可分为汽油机或柴油机，或以氢气、天然气、石油气为燃料的发动机，其燃烧形式与汽油机差异较小。下面进入汽车发动机基础知识的学习。 2 一、发动机的总体构造 相关知识 发动机是将某一种形式的能量转换为机械能的机器，其作用是将液体或气体燃烧的化学能转化为热能，再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力。发动机是一部由许多结构和系统组成的复杂机器，其结构形式多种多样，但基本工作原理相同，所以其基本结构也就大同小异，发动机的总体结构如图 1-1 所示。 3 汽油发动机通常由两大机构和五大系统组成，柴油发动机通常由两大机构和四大系统组成（无点火系统）。 两大机构 五大系统 曲柄连杆机构 配气机构 起动系统、点火系统、 燃油供给系统、润滑系统、 冷却系统 曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。 曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成，如图 1-2 所示。 曲柄连杆机构 1 配气机构的功用是按照发动机每一汽缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各汽缸的进、排气门，使新鲜气体及时进入汽缸，废气得以及时从汽缸排出；在压缩与膨胀冲程中，保证燃烧室的密封。配机气构一般由气门组和气门传动组组成，如图 1-3 所示。 配气机构 2 汽油发动机燃油供给系统的作用是根据发动机不同工况的要求，配制出一定数量和浓度的可燃混合气供入汽缸，使之在临近压缩终了时点火燃烧而膨胀做功。最后，供给系统还应将燃烧产物——废气排入大气中。燃油供给系统一般包括燃油箱、燃油泵、燃油滤清器、喷油器、燃油管道等，如图 1-4 所示。 燃油供给系统 3 冷却系统的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系统主要零部件有节温器、水泵、水泵皮带、散热器、散热风扇、水温传感器等，如图 1-5 所示。 冷却系统 4 润滑系统的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损，并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系统通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器、机油集滤器和机油冷却器等组成，如图 1-6 所示。 润滑系统 5 曲轴在外力做用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系统。起动系统由蓄电池、点火开关、起动继电器、起动机等组成，如图 1-7 所示。 起动系统 6 在汽油发动机中，汽缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的汽缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系统。点火系统通常包括蓄电池、分电器、点火开关、点火线圈和火花塞等，如图 1-8 所示。 点火系统 7 二、发动机的分类 现代汽车发动机一般都属于内燃机，具有热效率高、体积小、便于移动、起动性能好等优点，从而被广泛应用。发动机种类繁多，根据不同特点有不同分类。 实现汽车平稳起步 1 发动机按照完成一个工作循环所需的冲程数可分为四冲程发动机和二冲程发动机。如图 1-9 图1-10所示。 发动机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。 按照冷却方式分类 2 发动机按照汽缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。 仅有一个汽缸的发动机称为单缸发动机；有两个及以上汽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、十六缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用三缸、四缸、六缸、八缸发动机，如图 1-11 所示。 按照冷却方式分类 2 发动机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机。 使用汽油为燃料的发动机称为汽油机；使用柴油为燃料的发动机称为柴油机。如图 1-12 所示。 按照所用燃料分类 4 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（非增压）式发动机和强制进气（增压）式发动机（图 1-13）。 按照进气系统分类 5 活塞式发动机可分为往复活塞式和旋转活塞式两种。前者活塞在汽缸内作往复直线运动，后者活塞在汽缸内作旋转运动，如图 1-14 所示。 按活塞运动方式分类 6 发动机按照汽缸布置方式的不同可分为直列、斜置、对置、V 型等，如图 1-15 所示。 按照汽缸布置方式分类 7 三、发动机的工作原理 四冲程汽油发动机 1 四冲程汽油发动机的工作循环是一个复杂的过程，它由进气、压缩、做功、排气四个冲程组成，如图 1-16 所示。 （2） 压缩冲程 活塞由下止点向上止点运动，进、排气门都关闭。汽缸内形成一个封闭容积，曲轴在飞轮等惯性力的作用下带动旋转，通过连杆推动活塞向上移动，汽缸内容积逐渐减小，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩冲程结束。 压缩冲程中，可燃混合气压力可达 0.6 ～ 1.2MPa，温度可达 327 ～ 427℃。压缩比越大、压缩终了时汽缸内的压力和温度越高，则燃烧速度越快、发动机功率也越大。 （1） 进气冲程 进气冲程开始于活塞位于上止点，当活塞由上止点向下止点移动时，活塞上方的容积增大，汽缸内的气体压力下降，形成一定的真空度。 在进气冲程中，受空气滤清器、进气管道、进气门的影响，进气终了时汽缸内气体压力略低于大气压力，为 0.075 ～ 0.09MPa，同时受到残余废气和高温机件加热的影响，气体温度达到97 ～ 127℃。实际上汽油发动机的进气门在活塞到达上止点之前打开，并且延迟到下止点之后关闭，以便吸入更多的可燃混合气。 （3） 做功冲程 当活塞位于压缩冲程接近上止点 ( 即点火提前角 ) 位置时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气，此时进气门和排气门仍然保持关闭，高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能。 在做功冲程中，可燃混合气燃烧后放出大量的热使汽缸内气体温度和压力急剧升高，最高压力可达 3 ～ 5MPa，最高温度可达 1927 ～ 2527℃。随着活塞向下运动，汽缸内容积增加，气体压力和温度降低。 （4） 排气冲程 当做功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气冲程结束。实际汽油发动机的排气冲程也是排气门提前打开、延迟关闭，以便排出更多的废气。 四冲程汽油发动机经过进气、压缩、做功、排气四个冲程完成一个工作循环，这期间活塞在上、下止点往复运动了四个冲程，曲轴相应地旋转了两圈。 四冲程柴油发动机和四冲程汽油发动机的工作过程相同，每一个工作循环同样包括进气、压缩、做功和排气四个冲程，但由于柴油发动机使用的燃料是柴油，柴油与汽油有较大的差别，柴油黏度大，不易蒸发，自燃温度低，故可燃混合气的形成、着火方式、燃烧过程，以及气体温度压力的变化都和汽油发动机不同。如图 1-17 所示为四冲程柴油发动机工作原理。 四冲程柴油发动机 2 （1） 进气冲程 四冲程柴油发动机在进气冲程中吸入汽缸的是纯空气，而不是可燃混合气。进气终了时气体压力为 0.0785 ～ 0.0932MPa，气体温度为 27 ～ 97℃。 （2） 压缩冲程 四冲程柴油发动机压缩冲程压缩的也是纯空气，在活塞接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，柴油和空气在汽缸内形成可燃混合气并着火燃烧。压缩终了时，气体压力约为 3.5 ～ 4.5MPa，气体温度为 477 ～ 727℃。 （3） 做功冲程 柴油喷入汽缸后，在很短的时间内与空气混合后便立即着火燃烧，柴油发动机的可燃混合气是在汽缸内部形成的，而不像汽油发动机那样，混合气主要是在汽缸外部形成的。柴油发动机燃烧过程中汽缸内出现的最高压力要比汽油发动机高得多，可达 6 ～ 9MPa，最高温度达1727 ～ 2227℃。做功终了时，气体压力约为 0.2 ～ 0.4MPa，气体温度约为 927 ～ 1227℃。 （2） 压缩冲程 柴油发动机的排气冲程和汽油发动机一样，废气同样经排气管排入大气。排气终了时，汽缸内气体压力为 0.105 ～ 0.125MPa，气体温度为 527 ～ 727℃。 四、发动机的常用术语及其含义 发动机基本术语如图 1-18 所示。 活塞在汽缸里作往复直线运动时，当活塞向上运动到最高位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位置，称为上止点。 上止点 1 活塞在汽缸里作往复直线运动时，当活塞向下运动到最低位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置，称为下止点。 下止点 2 活塞从一个止点运动到另一止点的距离，即上、下止点之间的距离称为活塞冲程。一般用 s表示，对应一个活塞冲程，曲轴旋转 180°。 活塞冲程 3 曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，一般用 R 表示。通常活塞冲程为曲柄半径的 2 倍，即 s =2 R 。 曲柄半径 4 活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积，称为汽缸工作容积。 汽缸工作容积 5 活塞位于上止点时，其顶部与汽缸盖之间的容积称为燃烧室容积。 燃烧室容积 6 活塞位于下止点时，其顶部与汽缸盖之间的容积称为汽缸总容积。汽缸总容积就是汽缸工作容积和燃烧室容积之和。 汽缸总容积 7 多缸发动机各汽缸工作容积的总和，称为发动机排量。 发动机排量 8 压缩比是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表示了气体的压缩程度，它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比，即汽缸总容积与燃烧室容积之比。 压缩比 9 每一个工作循环包括进气、压缩、做功和排气冲程，即完成进气、压缩、做功和排气 4 个 冲程叫一个工作循环。 工作循环 10 $$