2022年发动机工作原理 .pdf

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1、第一章发动机工作原理发动机是将其他形式的能量转变为机械能的一种机械装置。内燃机是燃料在发动机内部燃烧, 内燃机每实现一次热功转换，都要经历一系列连续的工作过程，构成一个工作循环，否则，就不能实现热功的转换。第一节发动机总体结构及基本原理现代汽车发动机根据所用燃料的不同可分为: 1. 汽油发动机 ( 简称汽油机 ) 1). 化油器式汽油机: 汽油和空气在化油器内混合成可燃混合气, 在输入气缸加以压缩，然后用电火花点火使之燃烧而发热作功。2). 汽油喷射式发动机: 将汽油直接喷人进气管或气缸内，与空气混合形成可燃混合气，再用电火花点燃。2. 柴油发动机 ( 简称柴油机 ) ：汽车用柴油机使用的燃料

2、一般是轻柴油，它是通过喷油泵和喷油器将柴油直接喷人气缸，与气缸内经过压缩的空气混合，使之在高温下自燃作功。一发动机总体构造发动机基本由以下机构和系统组成：曲柄连杆机构、配气机构、供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系。1曲柄连杆机构：它的功用是将燃料燃烧时产生的热量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配气机构：它的功用是使可燃混合气及时充人气缸并及时从气缸排出废气。3供给系：它的功用是把汽油和空气混合成合适的可燃混合气供人气缸，以供燃烧，并将燃烧生成的废气排出发动机。4润滑系：它的功用是将润滑油供给作相对运动的零件以减少它们之间的摩擦阻力，

3、减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件5冷却系：它的功用是把受热机件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。6点火系：它的功用是保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的混合气。7起动系：它的功用是用以使静止的发动机起动并转入自行运转。汽油机一般都由上述两个机构和五个系统组成。对于汽车用柴油机，由于其混合气是自行着火燃烧的，所以柴油机没有点火系。因此柴油机由两个机构和四个系统组成。二四冲程发动机工作原理（一）汽车发动机的基本名词术语1活塞行程与止点上止点：活塞顶距离曲轴旋转中心最远的位置称为上止点。下止点：活塞顶距离曲轴旋转中心最近的位置称为下止点。活塞行程：上下止点间的距离。曲轴每转动半周（即18

4、0度），相当于一个活塞行程，即曲轴每转一周，活塞完成两个行程。2气缸容积活塞在气缸内作往复直线运动，当活塞位于上止点时，活塞顶上面的气缸空间为燃烧室容积，用Vc表示。活塞从一个止点移到另一个止点所扫过的容积称为气缸工作容积名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 或气缸排量，用VL(1) Vh=D2/4 S10-3式中： D气缸直径，。 s活塞行程，cm。活塞位于下止点时，活塞顶上部的全部气缸容积称为气缸总容积，用Va表

5、示，即： Va=Vc+Vh多缸发动机所有气缸工作容积的总和称为发动机工作容积或发动机排量，用VL表示。 3压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，用表示。=Va/Vc=(Va+Vh)/Vc=1+Vh/Vc 表示活塞从下止点移到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。现代汽车发动机压缩比，汽油机一般为6 9( 有的轿车可达9-11) ，柴油机一般为1622。( 二) 四冲程汽油机工作原理 1进气行程进气行程中，进气门打开，排气门关闭，转动的曲轴带动活塞从上止点向下止点运动，缸内容积增大，压力降低而形成真空，将可燃混合气吸人气缸。由于进气系统的阻力，进气终了时缸内气体的压力略低于大气压，约为0075

6、MPa 009MPa ，温度为 370K400K。示功图上曲线ra 表示进气行程，位于大气压力线之下。它与大气压力线纵坐标之差，即为活塞在各位置时缸内的真空度。 2压缩行程为使吸人缸内的混合气迅速燃烧，放出更多的热量而使发动机发出大的功率，必须在混合气燃烧前对其进行压缩，使其容积变小、温度升高。为此，在进气终了时便立即进入压缩行程。在此行程中，进、排门均关闭，曲轴推动活塞定时由下止点向上止点移动一个行程。四四 冲 程 汽 油 机的示功图a) 进 气 行 程 ；b) 压缩行程；曲 线 ac 表示压缩行程。压缩终了时，活塞到达上止点，混合 气 被 压 人 活塞 上 方 然 烧 室中。此时，混合气

7、压 力 高 达得而附为环医点约名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 06Mpa-12MPa ，温度可达 600K-700K。3作功行程在压缩行程接近终了时，火花塞产生电火花点燃混合气，此时进排门仍关闭。由于混合气的迅速燃烧，使缸内气体的温度和压力迅速升高，最高压力可达5MPa-9MPa ，最高温度可达 2200K-2800K 。在高温高压气体的作用力推动下，活塞向下止点运动，活塞的下移通过连杆使曲轴旋转运动，产生转矩

8、而作功。发动机至此完成了一次将热能转变为机械能的过程。c) 作功行程； d)排气行程；图上曲线 zb表示作功行程。 4 排气行程当作功行程接近终了时排气门打开，进气门仍关闭，因废气压力高于大气压而自动排出，此外，当活塞越过下止点上移时，还靠活塞的推挤作用强制排气。活塞到上止点附近时，排气行程结束。示功图上曲线br 表示排气行程。( 三) 四冲程柴油机工作原理四冲程的柴油机( 压燃式发动机), 用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，故可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。 1进气行程它不同于汽油机的是进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。 2压缩行程不同于汽油机的

9、是压缩的是纯空气，且由于柴油机压缩比高，压缩终了的温度和压力都比汽油机高，压力可达3MPa 5MPa ，温度可达 800K1000K。 3作功行程此行程与汽油机有很大不同，在柴油机压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷人气缸内的高温空气中，迅速汽化并与空气形成混合气，由于此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度( 约500K左右 ) ，柴油便立即自行着火燃烧，且此后一段时间内边喷油边燃烧，气缸内压力、温度急剧升高，推动活塞下行作功。 4 排气行程与 汽 油 机基 本相 同。 排 气 终了 气缸 内压 力约为 0105 MPa 0.125Mpa, 温 度 约 为(程发飞压高气时约名师资料总结

10、- - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 800K-1000K。四冲程发动机的工作特点： (1)每一个发动机工作循环，曲轴转两周(720。) ，每一个行程曲轴转半周(180。) ，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。 (2)四个行程中，只有作功行程产生动力，其他三个行程是为作功行程做准备工作的辅助行程。 (3)在发动机运转的第一循环时，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

11、，并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。柴油机与汽油机的不同之处：(1) 汽油机的混合气是在气缸外部的化油器中形成的，而柴油机的混合气是在气缸内部形成的。柴油机在进气行程时，被吸人气缸内的是纯空气。 (2)汽油机在压缩终了时，靠火花塞强制点火，而柴油机则靠自燃。 (四) 二冲程汽油机的工作原理活塞在气缸内往复运动两个行程( 相当于曲轴旋转一周) 完成一个工作循环的发动机，称为二冲程发动机。 1第一行程活塞在曲轴的带动下，由下止点向上止点运动，当活塞上行到将换气口、排气口关闭时，已进入气缸的混合气被压缩，直到活塞运动到上止点，压缩行程便结束。

12、随着活塞上行，曲轴箱容积增大，形成一定的真空度。当活塞上行到进气口露出时，新鲜混合气被吸人曲轴箱内。 2第二行程当活塞上行到接近上止点时，火花塞产生电火花，点燃缸内的可燃混合气，混合气着火燃烧产生高温、高压，在气压的作用下，活塞由上止点向下止点运动，带动曲轴旋转向外输出功率。当活塞下移到将进气口堵死时，随着活塞继续下移，曲轴箱内的新鲜混合气被预压。当活塞下行到排气口露出时，燃烧后的废气在自身压力下经排气口排出气缸，紧接着换气口开启，曲轴箱内被预压的混合气经换气口进入气缸。这一过程称为“换气过程” ，它一直延续到下一个行程活塞上行到将换气口、排气口关闭为止。由上述可知，第一行程：活塞上方进行换气

13、、压缩，活塞下方进气；第二行程：活塞上方进行作功、换气，活塞下方混合气被预压，换气过程纵跨两个行程。( 五) 二冲程柴油机工作原理二冲柴油机工作原理同二冲程汽油机工作原理有很多相似之处，所不同的是进入气缸的不是混合气，而是纯空气。新鲜空气由换气泵提高压力( 约120kPa140kPa) 后，经气缸外部的空气室和气缸上的进气口进入气缸内，而废气由专设的排气门排出。比较上 述四冲程 发动 机与二冲程发动机的 工作原理可以看出， 二冲程发动机具有以下特点：(1) 四冲程发动机的进、排气是两个分开的专门过程，而二冲程发动机单纯排气( 或进气 ) 时间极短，是一个几乎完全重叠的、以新鲜气体清扫废气的换气

14、过程。 (2)完成一个工作循环，二冲程发动机的曲轴只需转一圈，而四冲程发动机的曲轴需要转两圈。因此，当发动机工作容积、压缩比和转速相等时，从理论上讲，二冲程发动机名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 的功率应为四冲程发动机功率的两倍，但实际上，只有151。6倍。二冲程发动机比四冲程发动机的经济性差。(3) 当转速相同时，二冲程发动机的作功次数较四冲程发动机多一倍。因此，二冲程发动机运转较平稳，这对单缸发动机来说更为明

15、显。 (4)由于二冲程发动机没有气门或只有排气门，从而省去了配气机构或使配气机构较为简单，简化了发动机的结构。由于二冲程汽油机有混合气损失，其经济性差，排放污染严重、，在大中型汽车上的应用受到了限制。但由于它结构简单、质量轻、制造成本低等优点，轻便摩托车和微型汽车的小排量发动机广泛采用，二冲程柴油机由于换气时进入气缸的是纯空气，没有燃料损失，仍为一些汽车所采用。三、内燃机产品名称和型号编制规则内燃机产品名称均按所采用的燃料命名，例如柴油机、汽油机、煤气机、沼气机、双 (多种 ) 燃料发动机等。内燃机型号由下列四部分组成： (1)首部：为产品系列符号和( 或) 换代标志符号， 由制造厂根据需要自

16、选相应字母表示，但需主管部或部主管标准化机构核准。(2) 中部：由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号和缸径符号组成。(3) 后部：结构特征和用途特征符号，以字母表示。(4) 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型号编制示例：柴油机：6135Q- 表示六缸，四冲程，缸径135nun，水冷，车用4120F- 表示四缸，四冲程，缸径120mm ，风冷，通用型。12V135ZG- 表示 12缸， V形、四冲程，缸径135mm ，水冷，增压，工程机械用。汽油机：1E65F- 表示单缸、二冲程，缸径65mm 、风冷、通用型。4100Q- 表示四缸、四冲程，缸径10

17、0mm 、水冷、车用。小结1、发动机的定义。2、发动机由两个机构和五个系统组成及各自的功用。3、发动机排量及压缩比的计算。4、四冲程，二冲程发动机的定义及工作循环过程。5、柴油机与汽油机在工作原理上的区别。第一章第三 .四节发动机的性能指标一发动机的有效指标发动机的有效指标是以曲轴输出功率为基础的指标，它比指示指标更有实用价值。 (一) 发动机动力性指标 1有效功率 Pe 发动机曲轴所输出的功率，称为有效功率Pe. 有效功率 Pe，等于指示功率Pi 与机械损失功率 Pm 之差。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师

18、精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - Pe=Pi-Pm km 2有效转矩Me 由发动机曲轴输出的转矩，称为有效转矩Me. Me=9549.Pe/n N.m 其中： n转速，r min。 3平均有效压力pe 发动机单位气缸工作容积输出的有效功，称为平均有效压力pe. Pe=We/Vh pe值越大，则单位气缸工作容积输出功越多，输出转矩越大。pe值是发动机重要的动力指标之一。 (二 ) 发动机经济性指标 1有效热效率e 循环的有效功与所消耗燃料的热量之比，称为有效热效率e. 2. 有效燃料消耗率ge 单位有效功所消耗燃油的量，称为有效燃

19、油消耗率ge。 通常以 每有效千瓦小 时的耗油量表示。 ge=GT/Pe g/(kw.h) 二发动机的热平衡在汽车发动机中，燃油燃烧所放出的热量，只有25-40 转变为有效功，其余大部分热量随着废气和冷却水等发动机中排出。热平衡用来表示这些热量的分配情况。燃油燃烧发出的热量QT大致分配如下： (一) 转化为有效功的热量Qe Qe越大，转变为有效功的热量越多，发动机的性能越好。QeQT 值：汽油机2030；柴油机30 -40 。 (二 )传给冷却介质的热量Qs Qs包括：工质向缸壁及燃烧室散出的热量；废气在排气道内散失的热量；摩擦发热所散失的热量；从润滑油中散失的热量。( 三) 废气带走的热量

20、Q 汽油机 40 -45 ；柴油机35-40 . ( 四 )其他热损失Ql 除上述三项以外的热损失，都包括在其他热量损失Ql之内。例如，燃油不完全燃烧的热损失及其他没有计及的热损失等。三发动机的机械损失发动机的功率在内部传递过程中，存在的各种损失，这些损失称为机械损失，它主要包括以下三个方面： (1)发动机内部运动机件的摩擦损失。如活塞环及活塞与壁间的摩擦，和轴承与轴颈间的摩擦， 气门传动机构的摩擦，油封处的摩擦等。这部分损失占总损失的60 75。 (2)驱动附属机构的损失。如驱动冷却水泵、风扇、机油泵、点火装置或喷油泵的损失，它约占总机械损失的 (3)泵气损失。约占总机械损失的10 20。名

21、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 四发动机的换气过程发动机的进气过程和排气过程，统称为换气过程。其任务是将废气尽可能排除干净，吸人更多的新鲜混合气，使发动机尽可能发出大的功率与转矩。发动 机 上 一 循 环 排 气 门 开 启 直 到 下 一 循 环 进 气 门 关 闭的整个时期，称为四冲程发动机的换气过程，它约占410480曲轴转角。五四冲程发动机的充气效率充气效率 ( 充气系数 ) v: 实际进入气缸的新鲜空气

22、量G大气状态下充满气缸工作容积的新鲜空气量Go之比称为充气效率，即： v G Go 充气效率 v是评价发动机换气过程完善程度的指标。小结1发动机的有效指标：动力性指标：Pe，Me ， pe。经济性指标： e，ge。 2发动机的热平衡方程。 3 非增压四冲程发动机的配气相位图。第一章第五六节汽油机的燃烧过程一汽油的组成及主要性能指标( 一) 燃油简介汽油与柴油都是用石油炼制的。石油主要包含了碳和氢两种元素，是各种烃的混合物。( 二 )汽油的主要性能指标汽油的使用性能指标主要有蒸发性和抗爆性。 1汽油的蒸发性汽油应该是快速地、无杂质地蒸发，衡量指标是10、 50、 90蒸发温度。 10蒸发温度标志

23、汽油的起动性。 50蒸发温度标志汽油的平均蒸发性。 90蒸发温度标志中含有难以蒸发的重质成分，该温度太高， 在燃烧室内易形成杂质，并稀释润滑油。 2汽油的抗爆性抗爆性是指汽油在燃烧室内燃烧时抵抗爆燃的能力，其评定指标辛烷值。 3 国产汽油规格车用汽油有 90号、 93号、 97号三种牌号。二、汽油机混合气的形成( 一) 化油器式汽油机的混合气形成过程化油器式混合气的形成过程是：空气经空气滤清器进人化油器，在流经喉管时，流速增加，压力降低，在喉管中形成一定的真空度，将汽油从浮子室经主喷管吸出，被吸出来的汽油正好喷人流过喉管的空气中，在高速空气流的冲击下被雾化成细小颗粒，并名师资料总结 - - -

24、精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 不断蒸发、扩散，与空气混合成可燃混合气。 (二) 汽油直接喷射式的混合气形成过程汽油直接喷射系统混合气的形成是在进气管或气缸中进行的。喷油器将来自供油系统具有一定压力的汽油喷到各缸进气道的进气门前( 多点喷射 ) 或喷到节气门前方的进气管内 ( 单点喷射 ) 或直接喷人气缸( 缸内喷射 ) ，与来自空气供给系统的新鲜空气在缸外( 进气管喷射 ) 或缸内 ( 缸内喷射 ) 相混合形成可燃混合气。三、汽油机

25、的燃烧过程汽油机的燃烧过程包括着火和燃烧两部分。从压缩行程上止点前火花塞点火开始到膨胀行程燃料基本上烧完为止，燃烧持续较短( 约占 250400转角 ) ，其燃烧过程接近于定容燃烧。1混合气浓度的表示方法（1）燃烧 lkg 燃料提供的空气量L与理论上所需空气量Lo之比，称为过量空气系数，即 LLo。（2）混合气所含空气质量A与燃料质量 F之比称为空燃比，即A F来表示可燃混合气成分。理论上，lkg 汽油完全燃烧所需要的最少空气量约为147ks，被称为理论空气量。把过量空气系数二1，空燃比 AF147的可燃混合气叫做理论混合气；1，A F1，AF147的可燃混合气叫做稀混合气( 三) 正常燃烧过

26、程图所示为汽油机工作过程中缸内压力的变化关系。汽油机的燃烧过程I- 着火延迟期； II , 急燃期；- L燃期； 点火提前角 1- 开始点火； 2形成火焰中心； 3最高压力点燃烧过程分为三个阶段：着火延迟期、急燃期、补燃期。1着火延迟期从火花塞电极间跳过火花( 点1) 起，到形成火焰中心( 点2) 为止的这段时间，称为着火延迟期。图中用I 阶段表示。2急燃期从火焰中心形成起，火焰前锋按近似球面的形状向未燃混合气，到火焰掠过整个燃烧室，主要部分混合气燃烧完毕，因而出现最高压力( 点3) 为止称为急燃期，图中用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -

27、 - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 阶段表示。3补燃期汽油蒸发不良及与空气混合不均匀时，部分颗粒较大的燃油在火焰前锋掠过时，只是表层燃油被燃烧，未燃烧的部分需要在补燃期内燃烧。补燃使排气温度增加，热效率下降。因此，希望尽可能减少补燃。 (四) 不正常燃烧汽油机的不正常燃烧，包括爆震燃烧和表面点火。 1爆震燃烧如果火焰前锋到达以前，未燃混合气已达到它的自燃温度而自行着火，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播，这种现象称为爆燃。严重的爆燃会有下列危害： (1)机件过载爆燃时的冲击波使缸壁、缸盖、活塞、连杆、

28、曲轴等机件过载，使机件变形，甚至使机件损坏。 (2)机件烧损：活塞头部和气门等机件烧损。(3) 性能指标下降发动机过热：有效功率降低，有效耗油率增加。预防措施：主要有：使用抗爆性强的汽油可以避免爆燃的产生，另外，如减小压缩比、采用双火花塞等以及改变运行因素如负荷、转速等措施。 2表面点火不靠火花塞点火而由燃烧室内炽热物点燃混合气的燃烧现象，称为表面点火。燃烧室内炽热物如：过热的火花塞电极、热的排气门、热的燃烧表面沉积物等。导致燃烧过程的不稳定与工作过程的粗暴，使动力性、经济性都受到影响。避免表面点火的有效措施是采用低馏程的燃料与不易结焦的润滑油。排放污染物的形成与危害 1一氧化碳 CO 一氧化

29、碳产生的原因，主要是由于燃烧时氧气相对不足，燃油中的碳不能与足够的氧结合、燃料燃烧不完全而产生的。2氧化氮 NOx 氧化氮 NOx 是在燃烧过程高温高压的作用下产生。3碳化氢 HC 碳化氢 HC 产生，主要是未燃的燃料、裂解反应的中间产物, 使用中混合气过浓、过稀、雾化不良、断火等产生的燃烧不良或不能燃烧，也会造成HC 的增加。4微粒微粒的主要组成是碳粒，其他还有少量的硫酸盐类微粒。柴油机燃烧过程的微粒排放比较严重。汽油机的碳粒排放很少。但是，用含铅汽油时，微粒中有铅的化合物. ( 二) 控制排气污染的措施发动机排放污染物的防治措施，可归纳为三个方面1：前处理2：机内净化3：机外净化名师资料总

30、结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 小结1汽油的抗爆性评定指标是辛烷值。2汽油机混合气浓度的表示方法：（1）过量空气系数；（ 2）空燃比。3汽油机的不正常燃烧，包括爆震燃烧和表面点火。4排放污染物的形成与危害。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -