绪论-发动机的工作原理和总体构造.ppt

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1、第一章 发动机的工作原理和总体构造,一、发动机的分类和基本构造 二、发动机常用术语 三、发动机的工作原理 四、发动机的主要性能指标和特性 五、发动机编号规则,第一节 发动机的分类,一、发动机：将某一种形式的能量（热能、电能、化学能、太阳能等）转 变成机械能的机器。 二、热力发动机：将热能转变成机械能的发动机。 1、外燃机：燃料在机器外部燃烧，产生的热能输入到机器内部并转变成机械能输出的热力发动机。如:蒸汽机。 2、内燃机：液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能，然后再将热能转变成机械能输出的热力发动机。如活塞式内燃机、燃气轮机(按热能转变成机械能的主要构件分）。 3、比较：

2、外燃机体积大，重量重，热效率低； 内燃机热效率高，体积小，重量轻，便于移动，起动性能好; 燃气轮机功率大，转速高， 质量小（没有往复运动件，单位功率质量小），转矩特性好（减少 变速器挡数），燃料适应性好，起动性好，但耗油量、噪声和制造成本均较高，适用于坦克发动机,1、按所用的燃料分： （1）液体燃料发动机；汽油机（gasoline engine）； 柴油机（diesel engine）。 （2）气体燃料发动机：压缩天然气发动机（CNG）； 液化石油气发动机（LPG）。,往复活塞式内燃机:,三、活塞式内燃机： 按活塞运动方式分： 1、往复活塞式内燃机 2、转子活塞式内燃机,比较：转子发动机与往复

3、活塞式发动机相比，优点是体积小，重量轻，转速高，升功率大，现代转子发动机燃油消耗率水平接近往复活塞式发动机，但耐久性、可靠性等较差，制造成本较高。,2、按发火方式分：（1）点燃式发动机（如汽油机、气体燃料发动机）； （2）压燃式发动机（如柴油机）。 3、按工作循环的冲程数分： （1）四冲程发动机； （2）二冲程发动机。,曲轴转两圈(720)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的发动机称为四行程发动机； 曲轴转一圈(360)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二行程发动机。,5、按进气方式分： （1）自然吸气式发动机（非增压式发动机）； （2）强制吸气

4、式（增压式发动机）。 6、按气缸数分： （1）单缸发动机 ； （2）多缸发动机。,仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气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、十二缸等都是多缸发动机。现代工程机械用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。,4、按冷却方式分： （1）水冷发动机； （2）风冷发动机。,水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代发动机。,7、按气缸排列方式分：（1）单列发

5、动机：直立式发动机、平卧式发动机 （2）双列发动机： V型发动机、水平对置式发动机,单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角180(一般为90)称为V型发动机，若两列之间的夹角=180称为对置式发动机。,8、 按照进气系统是否采用增压方式分类 内燃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。汽油机常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。,第二节 发动机总体构造,发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无

6、论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统：,1、 曲柄连杆机构,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。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。,2、 配气机构 配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸

7、内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。,3、 燃料供给系统 汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。,4、 润滑系统,润滑系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。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。,5、冷却系统,冷却系的功用是将受热零件吸收的

8、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通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。,6、起动系统,要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作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。,7、点火系统,在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产

9、生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。,综上所述，汽油机由以上两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。,一、四冲程汽油机工作原理,第三节 四冲程发动机工作原理,1、发动机基本术语,上止（T.D.C.）： 下止（B.D.C.）： 活塞行程 S ： 曲柄半径 R ： 气缸工作容积Vh： 发动机工作容积VL：,式中：D气缸直径（cm） S活塞行程（cm） i

10、 气缸数,燃烧室容积VC ： 气缸总容积Va ： 压缩比 ：,活塞顶离曲轴中心最远处。,活塞顶离曲轴中心最近处。,上、下止点之间的距离。,曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴 中心的距离。,活塞从上止点到下止点所扫过 的容积（气缸排量） 。,多缸发动机各气缸工作容积 的总和 （发动机排量） 。,活塞在上止点时，活塞顶上方的气缸容积（或气缸最小容积）。,活塞在下止点时，活塞顶上方的 气缸容积（或气缸最大容积） （ Va= VC+ Vh ）,气缸总容积与燃烧室容积之比。 （ =Va / VC =1+ Vh/ VC ）,VL=,在发动机内，每一次将热能转变成机械能都必须经过吸入空气、压缩和输入燃料，使之发

11、火燃烧而膨胀作功，然后将生成的废气排除这样一系列连续过程，称为一个工作循环。.,（1）进气行程（0180 CA）： 活塞自上止点向下止点移动，活塞上方气缸容积增大，形成一定真空，此时排气门关闭，进气门打开，可燃混合气由化油器经进气歧管、进气门吸入气缸，历时一个活塞行程，曲轴旋转180转角。由于有进气阻力，进气终了时缸内压力低于大气压力，约为0.0750.09MPa；由于气缸内的可燃混合气受上一循环残余废气和高温零件的加热，进气终了时缸内气体温度上升到370400K。,（a）进气行程,1、四冲程汽油机的工作循环,2、四冲程发动机的工作循环：,四冲程发动机的工作循环需要经过进气、压缩、膨胀（作功）

12、、排气四个过程，对应活塞上下四个行程，相应的曲轴转角旋转720（两周）。,压缩终了时，可燃混合气的压力、温度取决于压缩比的大小。一般可达0.61.2 MPa ，600700 K。 愈大，压缩终了时的可燃混合气的压力、温度愈高，燃烧速度愈快，发动机发出功率愈大，经济性愈好，但汽油机的压缩比过高会引起爆燃和表面点火等不正常的燃烧现象，一般在69之间，轿车汽油机的在911之间。,（b）压缩行程,（2）压缩行程（180360 CA）： 为了使可燃混合气能迅速燃烧，使发动机发出更大功率，燃烧前必须将可燃混合气压缩，使其容积缩小，密度加大，温度升高。此时，进、排气门均关闭，活塞从下止点向上止点移动，曲轴旋

13、转180 CA。,（a）爆燃： 由于压缩比过高导致压缩终了时气体压力和温度过高，在火花塞点火之后燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧现象，称为爆燃。 爆燃现象：,爆燃时，火焰以极高的速率传播，温度和压力急剧升高，形成压力波，以声速推进，当这种压力波撞击燃烧室壁时就发出尖锐的敲缸声。同时还会引起发动机过热、功率下降、燃油消耗率增加等一系列不良后果，严重爆燃时甚至造成排气门烧废、轴瓦破裂、活塞顶熔穿、火花塞绝缘体被击穿等机件损坏现象。,（b）表面点火： 在火花塞点火之前，由于燃烧室内灼热表面（如排气门头部、火花塞电极处、积碳处）点燃可燃混合气而产生的另一种不正常燃烧现

14、象，称为表面点火。 表面点火现象： 表面点火发生时，也伴有强烈的敲缸声（较沉闷），产生的高压会使发动机机件机械负荷增加，寿命降低。,（c）汽油机压缩比的选择： 应在避免引起爆燃和表面点火的前提下尽可能提高压缩比，以提高发动机功率，改善燃油经济性。,进、排气门仍关闭。当压缩行程接近终了时，火花塞发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气，放出大量的热能，使气缸内的压力和温度迅速增加，所能达到的最大压力PZ约为35MPa，相应温度为22002800K。.,（c）作功（膨胀）行程,（3）作功（膨胀）行程： （360540CA）,高温、高压燃气推动活塞从上止点向下止点移动，通过连杆使曲轴旋转并通过飞轮输出机械

15、能，除了一部分用于维持发动机继续运转外，其余大部分机械能用于对外作功，期间曲轴旋转180CA，膨胀终了时，压力降至0.30.5MPa，相应温度则降为13001600K。,（d）排气行程,（4）排气行程（540720 CA ）：,当膨胀接近终了时，排气门打开，靠废气的压力进行自由排气（排气门开启时废气压力与大气压力之比大于临界压力比），大部分废气自行排出。活塞到达下止点后再向上止点移动，继续将废气强制排到大气中，排气终了时缸内压力稍大于大气压力（排气阻力存在），约为0.1050.115MPa，废气温度约为9001200K。,由于燃烧室占有一定容积，因此在排气终了时（上止点），不可能将废气排尽，留

16、下的这一部分废气称为残余废气。,柴油的粘度比汽油大，不易蒸发，不可能用气缸外部的化油器进行雾化，因此不可能采用气缸外部形成可燃混合气的方法，唯有在高温、高压的气缸内采用高压喷射才能将柴油在很短的时间内完全雾化。,二、四冲程柴油机工作原理 四冲程柴油机每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程，相应地曲轴旋转了两周。,柴油的自燃温度比汽油低，因此，可燃混合气的着火方式可采用自燃（压燃）方式，与汽油机的点燃方式不同（否则会产生爆炸性燃烧，使柴油机工作粗暴）。 四行程柴油机在进气行程中所不同的是柴油机吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气，在进气通道中没有化油器，进气阻力小，进气终了时气体压力略高

17、于汽油机而气体温度略低于汽油机。进气终了时气体压力约为0.07850.0932MPa，气体温度约为300370K。,柴油机压缩比较高（一般为1622），所以压缩终了时的压力可达3.54.5MPa，温度高达7501000K，大大超过柴油的自燃温度，故柴油高压（10MPa以上）喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便自行着火燃烧，最大爆发压力可达69MPa，最高燃气温度可达20002500K。作功终了时，气体压力约为0.20.4MPa，气体温度约为12001500K。 柴油机的排气行程和汽油机一样，废气同样经排气管排入到大气中去，排气终了时，气缸内气体压力约为0.1050.125MPa，气体温度约为

18、8001000K。 柴油机与汽油机比较，柴油机的压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，同时柴油价格较低，因此，柴油机的燃料经济性能好，而且柴油机的排气污染少，排放性能较好。但它的主要缺点是转速低，质量大，噪声大，振动大，制造和维修费用高。在其发展过程中，柴油机不断发扬其优点，克服缺点，提高速度，有望得到更广泛地应用。,三、柴油机压缩比的选择依据 柴油机压缩比远较汽油机的压缩比高，这是因为柴油机采用压燃的着火方式，为了保证发动机良好的冷起动性能，压缩比远较汽油机的高。 柴油机压缩比应在保证良好的冷起动性能前提下尽可能低，因为过高的压缩比会导致发动机工作粗暴，而且，发动机的循环热效率随着压缩比的增加已

19、接近缓慢，增加不明显，对燃油经济性并没有带来多大改善。,四、柴油机与汽油机工作原理的不同： 1、着火方式不同：汽油机是点燃式，柴油机是压燃式；,2、可燃混合气形成方式不同： 汽油机是气缸外部化油器内均匀混合（传统化油器式和现代轿车进气管内电控汽油喷射式），柴油机是气缸内部燃烧室内不均匀混合；（均匀性体现在燃料的蒸发性、混合气形成时间的长短）,3、发动机功率调节方式不同： 汽油机是通过调节节气门开度的大小改变可燃混合气的数量而改变发动机功率的大小，属“量”的调节；柴油机是通过改变喷油泵每循环的供油量即改变每循环喷入气缸内的燃油量，从而改变可燃混合气的浓度而改变发动机功率的大小，属“质”的调节。,

20、4、柴油机与汽油机性能比较： 汽油机具有转速高（轿车高达50006000r/min）、质量小、工作柔和、起动容易、制造成本低和维修方便等优点，不足之处是燃油消耗率较高，燃油经济性较差，适用于轿车型乘做人员车辆； 柴油机燃油消耗率较汽油机低30%左右，且柴油价格低，所以燃油经济性好，而且输出扭矩较大，但冷起动困难、工作粗暴、工作转速较低（一般4000r/min以下）、制造成本高、维修困难，适用于运输型汽车。,五、飞轮的作用： 四冲程发动机工作循环的四个活塞行程中，只有一个行程是作功的，其余三个行程是依靠飞轮的惯性作用完成的，飞轮的作用就是储存作功行程时的动能，克服活塞上行时的压缩负功，维持工作循

21、环周而复始，并使曲轴转速均匀。 飞轮的另一作用就是通过飞轮上的齿圈起起动和输出机械能的作用。,多缸发动机每循环作功的曲轴转角间隔小，工作较均匀，转速较平稳，飞轮的转动惯量较小。因此，汽车发动机用的较多的是四缸、六缸和八缸发动机。,（3）化油器式汽油机上的进、排气歧管布置于发动机一侧，便于加热进气管，促使燃油雾化，而柴油机上的进、排气歧管全都部置于发动机异侧，以免进气受到加热，减少进气量，降低发动机功率。,高压喷油泵,空气滤清器,进气歧管,排气歧管,喷油器总成,6110Q型柴油机横剖面图,三、四冲程柴油机的一般构造,四冲程柴油机的结构与四冲程汽油机的结构主要区别在于：,（1）柴油机没有点火系，气

22、缸盖上火花塞的位置被喷油器代替，高压导线被高压油管代替。.,（2）柴油机燃料供给系统不同于汽油机：柴油机有高压喷油泵、喷油器，由喷油泵凸轮轴上的凸轮驱动产生高压燃油，喷油泵总成中的输油泵类似于化油器式汽油机上的汽油泵，作用是克服燃油流动阻力，但化油器式汽油机上的汽油泵由配气凸轮轴上的偏心凸轮驱动，现代电喷汽油机上的汽油泵是电动汽油泵。.,第四节 发动机主要性能指标与特性,一、发动机主要性能指标：有动力性指标（有效转矩、有效功率、转速等）和经济性指标（燃油消耗率）。 1、有效转矩：发动机通过飞轮对外输出的转矩，以Te表示，单位为m。 2、有效功率：发动机通过飞轮对外输出的功率。以Pe表示，单位为

23、kW。,式中：n曲轴转速，r/min,（1-1）,3、 转速：指发动机曲轴每分钟的转数，单位为r/min。 发动机产品铭牌上标明的功率及相应转速称为额定功率和额定转速。按照汽车发动机可靠性试验方法的规定汽车发动机应能在额定工况下连续运行3001000小时。,4、有效燃油消耗率： 发动机每发出1 kW有效功率，在1h内所消耗的燃油消耗质量，以be表示,单位为 g/（kWh）。 （四冲程汽油机一般为270325 g/（kWh） ，四冲程柴油机一般为190238 g/（kWh）。）,（1-2）,发动机主要性能指标可在发动机测功器台架上试验测定： 试验时保持一定油门开度，同时用测功器对发动机施加一定的

24、阻力矩，用转速表测出发动机转速，低于所需转速则减小阻力矩，反之则加大阻力矩，当发动机转速稳定在所需转速时，即阻力矩与发动机输出有效转矩相等时，测量发动机转速和发动机有效转矩，用油耗仪测出发动机单位时间内的耗油质量B，根据式（1-1）换算出发动机有效功率Pe ，根据式（1-2）换算出发动机有效燃油消耗率be 。,二、发动机速度特性：指油门开度一定时，发动机的有效功率、有效转矩和有效燃油消耗率三者随发动机转速变化的规律。 （1）发动机全负荷速度特性（又称为发动机外特性）：指油门全开时，发动机的有效功率、有效转矩和有效燃油消耗率三者随发动机转速变化的规律。发动机最高工作转速时的全负荷有效功率为额定功

25、率，相应转速为额定转速，为发动机铭牌功率和转速。 （2）发动机部分负荷速度特性：指油门部分开启时，发动机的有效功率、有效转矩和有效燃油消耗率三者随发动机转速变化的规律。 （3）发动机工况：一般是用它的功率与曲轴转速来表征，有时也用负荷和曲轴转速来表征。 （4）发动机负荷：发动机在某一转速下的负荷，就是当时发动机发出的功率与同一转速下所可能发出的最大功率之比。 注意，不要把负荷与功率混淆，50%负荷不是指油门开启一半开度，而是指此转速下发动机输出功率是油门全开时发动机输出功率的一半。,Te,Pe,be,Te,Pe,be,（a）汽油发动机外特性,（b）汽油发动机部分负荷速度特性,三、汽油机与柴油机

26、速度特性的区别：,汽油机速度特性曲线表明：发动机输出的有效转矩随转速增加而逐渐下降，原因是节气门的节流作用使发动机的充气效率下降，气缸内进气量减少，尤其是部分节气门开度时。因此，发动机输出功率随转速增加而增大到极值后迅速下降，不会发生“飞车”现象。 柴油机没有节气门的进气节流作用，转速一定时，气缸内进气质量就一定，改变负荷的大小靠改变每循环喷油量的多少，柴油机速度特性曲线表明：发动机输出的有效转矩随转速增加而变化平缓。因此，发动机输出功率随转速增加一直在增大，只是前面增加迅速，后面平缓，因此，一旦喷油泵柱塞卡滞在大油门位置而发动机外界负载卸去时，发动机转速将大幅度上升，直到发动机冒黑烟，排气管

27、烧红，飞轮飞出伤人等严重事故发生，此谓柴油机的“飞车”现象。,内燃机型号由以下四部分组成： 首部：为产品系列符号和换代标志符号，由制造厂根据需要自选相应字母表示，但需主管部门核准。 中部：由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号和缸径符号等组成。 后部：结构特征和用途特征符号，以字母表示。 尾部：区分符号。同一系列产品因改进等原因需要区分时，由制造厂选用适当符号表示。,第六节 发动机产品名称和编号规则,内燃机名称均按所使用的主要燃料命名，例如汽油机、柴油机、煤气机等。,为了便于内燃机的生产管理和使用，国家标准(GB72582)内燃机产品名称和型号编制规则中对内燃机的名称和型号作了统一规定。,型号

28、编制举例 ： (1) 汽油机 1E65F： 表示单缸，二行程，缸径65mm，风冷通用型 4100Q-4： 表示四缸，四行程，缸径100mm，水冷车用，第四种变型产品 CA6102： 表示六缸，四行程，缸径102mm，水冷通用型，CA表示系列符号 8V100： 表示八缸，四行程、缸径100mm，V型，水冷通用型 TJ376Q： 表示三缸，四行程，缸径76mm，水冷车用，TJ表示系列符号 CA488： 表示四缸，四行程，缸径88mm，水冷通用型，CA表示系列符号 (2) 柴油机 165F： 表示单缸，四行程，缸径65mm，风冷通用型 495Q： 表示四缸，四行程，缸径95mm，水冷车用 6135Q： 表示六缸，四行程，缸径135mm，水冷车用 X4105： 表示四缸，四行程，缸径105mm，水冷通用型，X表示系列代号,本章思考题： 1、简述发动机的基本构造 2、何谓发动机的工作循环？简述四行程汽油机的工作过程。 3、试分析汽油机与柴油机的特点和区别。 4、发动机的主要性能指标有哪些？ 5、内燃机产品名称和型号包括几个部分？其含义是什么？ 6、解释下列名词：上止点；下止点；活塞行程；总容积；工作容积；燃烧室容积；压缩比；发动机排量。,