1.2 发动机的基本工作原理（课件）《汽车发动机构造与维护》同步精品课堂（人交版·第4版）

1.2 发动机的基本工作原理 汽车发动机构造与维修 人交版 同步精品课堂—中职专业课 1 学习目标 掌握四冲程汽油机和四冲程柴油机的工作原理 知识目标 掌握工作循环的特点和多缸四冲程发动机的工作原理 能力目标 教学重点 教学难点 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 四冲程汽油机每一个工作循环包括4个活塞行程，即进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 2 3 1 (1)进气行程 这样，可燃混合气通过进气歧管、进气门被吸入汽缸。当活塞到达下止点时，进气门关闭，停止进气。由于进气系统有阻力，进气终了时汽 缸内的气体压力略低于大气压力，为0.074~0.093MPa。由于汽缸壁、活塞等高 温机件及上一循环残留的高温残余废气的加热，气体的温度上升到80~130℃。 在进气行程中，活塞在曲轴和连杆的带动下由上 止点向下止点运行，这时进气门开启，排气门关闭。 在活塞由上止点 向下止点运动过程中，由于活塞上方汽缸容积逐渐增大，形成一定的 真空度。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 2 3 1 (2)压缩行程 压缩终了时，可燃混合气的压力为0.6~ 1.5MPa, 可燃混合气的温度为330~430℃。 活塞在曲轴和连杆的带动下由下止点向上止点运动，此时进、 排气门处于关闭状态。 由于活塞上方汽缸容积逐渐减小，进入汽缸内的可燃混合 气被压缩，温度和压力不断升高，直到活塞到达上止点为止，此时，可燃混合气被压 缩到活塞上方的很小空间，即燃烧室中。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 可燃混合气压缩过程 压缩比的定义 压缩比是内燃机中气缸最大容积与最小容积的比值，影响发动机效率和性能。 压缩行程的热力学 在压缩行程中，可燃混合气温度和压力上升，为燃烧做准备，但过高的压缩比可能导致爆震。 压缩过程中的能量转换 压缩行程将活塞的机械能转换为气缸内气体的热能，是内燃机能量转换的关键步骤。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 压缩终了状态 温度和压力的峰值 在压缩行程的末尾，气体温度和压力达到最高点，为燃烧做准备。 混合气体的均匀性 压缩终了时，确保混合气体均匀分布，对燃烧效率和发动机性能至关重要。 压缩比的影响 压缩比决定了压缩行程结束时气体的密度和温度，直接影响发动机的功率和效率。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 压缩比与燃烧速度 压缩比对燃烧温度的影响 提高压缩比会增加燃烧室内气体的温度，从而加快燃烧速度，但过高可能导致爆震。 压缩比对燃烧效率的影响 适当的压缩比可以优化燃烧效率，使燃料更充分地燃烧，提高内燃机的热效率。 压缩比对排放的影响 压缩比的增加可以减少有害排放物的生成，如一氧化碳和未燃尽的碳氢化合物。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 压缩比与经济性关系 提高压缩比的燃油效率 通过增加压缩比，内燃机的热效率得到提升，从而降低单位功率的燃油消耗。 压缩比对排放的影响 压缩比的提高有助于减少尾气排放，因为更充分的燃烧减少了有害物质的生成。 压缩比与发动机寿命 适当提高压缩比可以增强发动机性能，但过高的压缩比可能导致发动机部件磨损加剧，影响寿命。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 不当的点火时机 点火过早会导致混合气在活塞压缩过程中提前燃烧，引发爆燃现象。 燃油品质问题 使用低辛烷值燃油或燃油中含有杂质，会降低燃油的抗爆性，增加爆燃风险。 发动机过热 发动机长时间高负荷运行导致温度过高，可引发混合气自燃，导致爆燃现象。 压缩比过高 发动机设计中压缩比过高，会增加混合气的压力和温度，从而增加爆燃的可能性。 爆燃产生的原因 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 爆燃对发动机的影响 降低发动机效率 爆燃会导致发动机功率下降，因为部分燃料在非设计点燃烧，无法有效转化为动力。 损害发动机结构 长期爆燃会损坏发动机内部零件，如活塞、连杆和气缸壁，增加维修成本。 增加排放污染 爆燃现象会导致未完全燃烧的燃料排放，增加尾气中的有害物质，如一氧化碳和氮氧化物。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 爆燃引起的机件损坏 活塞和缸壁损伤 爆燃产生的高温高压气体可导致活塞和缸壁过热，造成磨损甚至熔化。 连杆弯曲变形 强烈的爆燃冲击力会使连杆承受异常负荷，导致弯曲或断裂。 气门和气门座损坏 爆燃产生的冲击波可能损坏气门和气门座，影响发动机的密封性能。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 表面点火产生的原因 混合气过热 在压缩过程中，如果混合气温度过高，可能会导致表面点火现象，因为高温加速了燃料的自燃。 燃烧室设计不当 燃烧室的形状和尺寸设计不当可能导致火焰传播路径过长，从而引起表面点火。 燃油品质问题 使用低品质燃油，其中可能含有杂质或不适当的抗爆剂，这会降低燃油的抗爆性，增加表面点火的风险。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 表面点火引起的机件损坏 活塞顶部烧蚀 表面点火导致活塞顶部温度异常升高，进而引起材料烧蚀，影响发动机性能。 气门损伤 高温表面点火产生的热应力可导致气门头部和座圈出现裂纹或变形。 燃烧室积碳 表面点火可造成燃烧室内积碳增多，影响发动机的正常燃烧和动力输出。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 2 3 1 (3)做功行程 做功行程中，瞬时最高压力可达3~5MPa,瞬时最高温度可达1930~2530℃。做 功行程终了时，由于活塞下移，汽缸内容积增加，气体压力和温度都在降低，压力 降低到0.3~0.5MPa,温度则降到1030~1330℃。 当活塞运动到接近压缩行程上止点附近时，火花塞跳火点燃 汽缸内的可燃混合气。 这时由于进气门和排气门均处于关闭状态，使缸内气体 温度和压力同时升高，高温高压的气体膨胀，推动活塞由上止点向下止点运动， 并通过连杆带动曲轴旋转输出机械能，直到活塞到达下止点时，做功行程结束。 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 2 3 1 (4)排气行程 因燃烧室占有一定容积，故排气终了时，不可能将废气全部排尽，留下的这 一部分废气称为残余废气。 在做功行程结束后，汽缸内的可燃混合气通过燃烧转变为废 气。此时排气门开启，进气门处于关闭状态，活塞在曲轴和连杆的带动下由下止 点向上止点运动，废气在自身残余压力和活塞的推力作用下从汽缸内经排气门 排出，直到活塞到达上止点时，排气行程结束。 由于排气系统存在排气阻力，所以在排气终了时，汽缸内压力稍高于大气压力，废气温度为630~930℃ 新知学习 一、四冲程汽油机的工作原理 排气行程结束后，进气门再次开启，又开始下一个工作循环。如此周而复 始，发动机就连续运转了。发动机工作时，需要连续不断地进行循环，在每个循 环中都是依次完成进气、压缩、做功、排气4个活塞行程。 新知学习 二、四冲程柴油机的工作原理 四冲程柴油机工作原理如图所示。与四冲程汽油机一样， 四冲程柴油机每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气4个活塞行程组成。但由于柴油和汽油使用性能的不同，柴油机在可燃混合 气的形成方式、着火方式等方面与汽油机有着较大的区别。这里主要介绍四冲程柴油机与四冲程汽油机工作原理的不同之处。 新知学习 二、四冲程柴油机的工作原理 (1)进气行程。柴油机在进气行程中进入汽缸的是纯空气，而不是可燃混 合气。 01 (2)压缩行程。柴油机在压缩行程中压缩的是进气行程进入汽缸内的纯空 气。由于柴油机压缩比高，压缩终了时缸内气体的温度和压力均高于汽油机，汽 缸内空气压力为3.5~4.5MPa, 温度为480~730℃。 02 新知学习 二、四冲程柴油机的工作原理 (3)做功行程。柴油机做功行程与汽油机做功行程有很大区别。在压缩行 程接近上止点时，喷油泵泵出的高压柴油(10MPa以上)经喷油器呈雾状喷入汽 缸内的高温空气中，柴油迅速吸热、蒸发、扩散与空气混合形成可燃混合气。 03 由 于此时汽缸内的温度远高于柴油的自燃温度(约220℃),形成的可燃混合气自行 着火燃烧，随后的一段时间内边喷油、边混合、边燃烧，汽缸内气压急剧上升到 6~9MPa, 温度也升至1730~2230℃。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动 曲轴旋转而做功。 03 新知学习 二、四冲程柴油机的工作原理 (4)排气行程。柴油机与汽油机的排气行程基本相同。 04 与汽油机相比，柴油机压缩比高，燃油消耗率低，故燃油经济性较好，环保性 也较好，且柴油机没有电气和点火系统的故障。但柴油机转速低、质量大、制造 和维修费用高。柴油机的这些缺点已逐渐得到克服，其应用也越来越广。 04 新知学习 三、工作循环的特点 由上述单缸四冲程汽油机和单缸四冲程柴油机的工作原理可知，四冲程发 动机工作循环具有以下特点。 (1)每完成一个工作循环曲轴旋转2圈(720°),活塞每完成一个行程曲轴旋 转半圈(180°)。进气行程中进气门开启，排气门关闭；排气行程中排气门开启， 进气门关闭；其余两个行程进、排气门均关闭。 新知学习 三、工作循环的特点 由上述单缸四冲程汽油机和单缸四冲程柴油机的工作原理可知，四冲程发 动机工作循环具有以下特点。 (2)在4个活塞行程中，只有做功行程产生动力，其余3个活塞行程则是为做 功行程做准备的辅助行程，都要消耗动力。虽然做功行程是主要的，但其他3个行 程也是必不可少的。 新知学习 三、工作循环的特点 由上述单缸四冲程汽油机和单缸四冲程柴油机的工作原理可知，四冲程发 动机工作循环具有以下特点。 (3)发动机起动时(第一个工作循环),必须借助外力带动曲轴旋转以完成进 气、压缩行程，在混合气着火做功行程开始后，依靠曲轴和飞轮储存的能量，使发动 机转入正常运转状态。 新知学习 四、多缸四冲程发动机的工作原理 单缸四冲程发动机每个工作循环所经历的4个活塞行程中，只有做功行程为 有效行程，其他3个行程为消耗机械功的辅助行程。 这样，发动机曲轴在做功行 程中的转速快，在其他行程中转速慢，所以， 一个工作循环中曲轴的转速是不均 匀的。 为了保证发动机运转平稳，现代汽车发动机都采用多缸四冲程发动机，应 用最多的是四缸、六缸和八缸发动机。 新知学习 四、多缸四冲程发动机的工作原理 多缸四冲程发动机每个汽缸所经历的工作循环与单缸四冲程发动机相同， 但各缸的做功行程并非同时进行，而是按一定顺序进行。 因此，对多缸四冲程发 动机来说，曲轴每转两周，各缸分别做功一次，且各缸做功间隔角(曲轴转角)保 持一致。 对于缸数为i 的四冲程直列式发动机而言，做功间隔角为720°/i。汽 缸 数越多，发动机工作越平稳，但结构也越复杂 课堂练习 四冲程发动机的一个工作循环包括几个冲程？ A. 2 B. 3 C. 4 D. 6 答案：C 解析： 四冲程发动机的一个工作循环包括进气冲程、压缩冲程、功冲程和排气冲程，共4个冲程。 课堂练习 在四冲程发动机中，哪个冲程是对外做功的？ A. 进气冲程 B. 压缩冲程 C. 功冲程 D. 排气冲程 答案：C 解析： 在四冲程发动机中，功冲程是燃烧混合气产生动力，对外做功的冲程。 课堂练习 柴油机与汽油机的主要区别在于哪个冲程？ A. 进气冲程 B. 压缩冲程 C. 功冲程 D. 排气冲程 答案：B 解析： 柴油机与汽油机的主要区别在于压缩冲程结束时，柴油机通过高压喷油器直接将柴油喷入燃烧室，而汽油机则是在进气冲程末将汽油和空气混合后吸入。 课堂练习 发动机的压缩比是指什么？ A. 进气量与排气量之比 B. 气缸总容积与燃烧室容积之比 C. 燃烧室容积与气缸总容积之比 D. 进气门与排气门的面积比 答案：B 解析： 压缩比是指气缸总容积与燃烧室容积之比，它影响发动机的热效率和功率。 课堂练习 发动机的点火方式有哪两种？ A. 压燃式和点燃式 B. 机械式和电子式 C. 内燃式和外燃式 D. 混合式和分离式 答案：A 解析： 发动机的点火方式主要分为压燃式（如柴油机）和点燃式（如汽油机）。 课堂练习 在四冲程发动机中，哪个冲程活塞运动速度最快？ A. 进气冲程 B. 压缩冲程 C. 功冲程 D. 排气冲程 答案：C 解析： 在四冲程发动机中，功冲程中活塞受到燃烧产生的高压气体推动，因此运动速度最快。 课堂练习 发动机的排量是指什么？ A. 单个气缸的工作容积 B. 所有气缸的工作容积之和 C. 单个气缸的燃烧室容积 D. 所有气缸的燃烧室容积之和 答案：B 解析： 发动机的排量是指所有气缸的工作容积之和，通常用来表示发动机的大小。 课堂练习 发动机的功率和扭矩分别表示什么？ A. 功率表示速度，扭矩表示加速度 B. 功率表示加速度，扭矩表示速度 C. 功率和扭矩都表示速度 D. 功率和扭矩都表示加速度 答案：A 解析： 发动机的功率表示单位时间内做功的多少，与速度有关；扭矩表示发动机输出轴的旋转力矩，与加速度有关。 课堂小结 感谢观看 $$