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1、汽车发动机汽车发动机及控制技术（上）及控制技术（上）授课人授课人:刘跃明刘跃明国内外汽车工业的发展国内外汽车工业的发展n n汽车的诞生（第一辆汽车的出世）汽车的诞生（第一辆汽车的出世）1886年1月29日德国奔驰获得汽车专利n n汽车保有量汽车保有量 8 8亿多，我国亿多，我国 24002400多万辆多万辆n n汽汽车车年年产产量量全全世世界界50005000多多万万辆辆，我我国国20032003年年产产销销430430万万辆辆，位居世界第位居世界第4 4位，预计位，预计n n汽汽车车生生产产的的规规模模化化、垄垄断断化化逐逐步步扩扩大大。世世界界2020家家产产商商垄垄断断了全球了全球80%
2、80%以上的汽车生产。以上的汽车生产。n n通用、福特、克莱斯勒占美国通用、福特、克莱斯勒占美国90%90%以上的汽车生产。以上的汽车生产。n n汽汽车车已已发发展展为为集集计计算算机机技技术术、设设计计理理论论、测测试试手手段段、新新型型材材料料、工工艺艺技技术术等等科科学学技技术术为为一一体体、充充分分展展现现机机电电一一体体化化的的高高科技产品。主要表现在：科技产品。主要表现在：汽车的各系统的电子技术：汽车的各系统的电子技术：汽车发动机结构变化：汽车发动机结构变化：汽车底盘的变化：汽车底盘的变化：汽车车身的变化：汽车车身的变化：n n汽车设计方法手段的变化：n n汽车带来的问题(效率、污
3、染、事故)n n我国汽车发展的三个阶段：19531978苏联生产模式（1953-1956一汽投产，1968-1975二汽投产）。19781993（1985七五计划列为支柱产业，1987确定发展轿车（一汽、二汽、上海、天津、北京、广州六大基地），1993年达130万辆）。1994汽车工业迅速发展时期。发动机结构发动机结构工作原理工作原理发动机分类和结构发动机分类和结构发动机工作原理发动机工作原理分类分类结构结构四冲程四冲程二冲程二冲程燃料、行程燃料、行程冷却、引燃冷却、引燃凸轮、进气凸轮、进气曲柄连杆机构曲柄连杆机构配气机构配气机构润滑系统润滑系统燃油供给系统燃油供给系统冷却系统冷却系统起动系统
4、起动系统点火系统点火系统充电系统充电系统进气行程进气行程压缩行程压缩行程做功行程做功行程排气行程排气行程压缩行程压缩行程做功行程做功行程缸数、排列缸数、排列第第1章章 发动机结构与工作原理发动机结构与工作原理1 1.1.1 发动机的分类和基本结构发动机的分类和基本结构发动机的分类和基本结构发动机的分类和基本结构1.1.1 1.1.1 发动机的分类发动机的分类发动机的分类发动机的分类 发动机发动机内燃机内燃机-燃料中的化学能燃料中的化学能-热能热能-机械能的机械能的机器。机器。1 1按燃料分按燃料分按燃料分按燃料分可分为柴油机、汽油机和天然气机等。可分为柴油机、汽油机和天然气机等。2 2按实现循
5、环的行程数分按实现循环的行程数分按实现循环的行程数分按实现循环的行程数分四冲程发动机四冲程发动机-活塞移动四个行程或曲轴转两圈，活塞移动四个行程或曲轴转两圈，气缸内完成一个工作循环。气缸内完成一个工作循环。二冲程发动机二冲程发动机-活塞移动两个行程或曲轴转一圈，活塞移动两个行程或曲轴转一圈，气缸内完成一个工作循环。气缸内完成一个工作循环。3按冷却方式分按冷却方式分水冷式发动机：以水为冷却介质。风冷式发动机：以空气作为冷却介质。4.按点火方式按点火方式压燃式(CI)发动机：利用气缸内空气被压缩后产生的高温，使燃油自燃。如柴油机。点燃式(SI)发动机：利用火花塞发出的电火花强制点燃燃料，使燃料强行
6、着火燃烧。如汽油机、煤气机。5按凸轮轴位置分按凸轮轴位置分侧置式：凸轮轴位于气缸体一侧。顶置式：凸轮轴位于气缸盖上。顶置式又分为以下两种：单顶置凸轮轴(SOHC)发动机：发动机有一根置于气缸盖上的凸轮轴。双顶置凸轮轴(DOHC)发动机：发动机有两根置于气缸盖上的凸轮轴。6按进气方式分按进气方式分自然吸气式发动机：空气靠活塞的抽吸作用进入气缸内。增压式发动机：为增大功率，在发动机上装有增压器，使进入气缸的气体预先经过压气机压缩后再进入气缸。7 7按气缸数目分按气缸数目分按气缸数目分按气缸数目分单缸发动机。单缸发动机。多缸发动机。按气缸的排列型式又可分为多种形式。多缸发动机。按气缸的排列型式又可分
7、为多种形式。8 8按气缸的排列型式分按气缸的排列型式分按气缸的排列型式分按气缸的排列型式分直列立式发动机：所有气缸中心线在同一垂直平面直列立式发动机：所有气缸中心线在同一垂直平面内。内。直列卧式发动机：所有气缸中心线在同一水平平面直列卧式发动机：所有气缸中心线在同一水平平面内。内。V V型发动机：气缸中心线分别在两个平面内，且两型发动机：气缸中心线分别在两个平面内，且两平面相交呈平面相交呈V V型。型。对置式发动机：对置式发动机：V V型夹角为型夹角为1801800 0时又称为对置式。时又称为对置式。其他：还有其他：还有WW型型(奥迪奥迪W16)W16)、H H型、型、X X型、星型等型、星型
8、等1.1.2 1.1.2 发动机的基本结构发动机的基本结构发动机的基本结构发动机的基本结构发动机一般都是由两大机构和六大系统组发动机一般都是由两大机构和六大系统组1 1两大机构两大机构两大机构两大机构曲柄连杆机构曲柄连杆机构曲柄连杆机构曲柄连杆机构-是发动机借以产生动力，并将活塞是发动机借以产生动力，并将活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动而输出动的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力的机构。力的机构。（气缸体、活塞连杆组、曲轴飞轮组）（气缸体、活塞连杆组、曲轴飞轮组）（气缸体、活塞连杆组、曲轴飞轮组）（气缸体、活塞连杆组、曲轴飞轮组）配气机构配气机构配气机构配气机构-是使可燃混合气及
9、时充入气缸并在燃烧是使可燃混合气及时充入气缸并在燃烧后及时将废气从气缸中排出。后及时将废气从气缸中排出。（气门组、气门传动组）（气门组、气门传动组）（气门组、气门传动组）（气门组、气门传动组）2 2六大系统六大系统六大系统六大系统供给系统供给系统供给系统供给系统-油箱、汽油滤清器、汽油泵、化油器油箱、汽油滤清器、汽油泵、化油器(节节气门体气门体)、喷油器、油轨、喷油器、油轨(燃油喷射式发动机燃油喷射式发动机)、空、空气滤清器和进气歧管等。气滤清器和进气歧管等。点火系统点火系统点火系统点火系统-分电器、点火线圈和火花塞等。分电器、点火线圈和火花塞等。冷却系统冷却系统冷却系统冷却系统-水泵、节温器
10、、风扇和散热器等。水泵、节温器、风扇和散热器等。润滑系统润滑系统润滑系统润滑系统-油底壳、集滤器、机油泵、滤清器、调油底壳、集滤器、机油泵、滤清器、调压阀和安全阀等。压阀和安全阀等。起动系统起动系统起动系统起动系统-起动机及附属设备组成。起动机及附属设备组成。充电系统充电系统充电系统充电系统-蓄电池、发电机、调节器等。蓄电池、发电机、调节器等。（电子控制技术）（电子控制技术）（电子控制技术）（电子控制技术）1.2 发动机工作原理发动机工作原理、四冲程发动机工作原理、四冲程发动机工作原理基本结构基本结构：气缸2内装有活塞3，活塞通过活塞销4、连杆5与曲轴9相连接。活塞在气缸内作往复运动，通过连杆
11、推动曲轴转动。为了吸入新鲜气体和排出废气，设有进气门15和排气门16。下下下下止止止止点点点点-活活塞塞顶顶部部离离曲曲轴轴中中心心最最近近处处，即即活活塞塞最低位置。最低位置。活活活活塞塞塞塞行行行行程程程程-上上、下下止止点点间的距离。间的距离。曲柄半径曲柄半径曲柄半径曲柄半径-曲轴连杆下曲轴连杆下端的连接中心至曲轴中端的连接中心至曲轴中心的距离。活塞每走一心的距离。活塞每走一个行程相应于曲轴转角个行程相应于曲轴转角180180。气缸工作容积（气缸排量）气缸工作容积（气缸排量）-活塞从上止点到下止点所扫过的容积。多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机工作容积或发动机排量。四冲程发动机的
12、工作循环四冲程发动机的工作循环-进气行程、压缩行程、膨胀行程(作功行程)、排气行程。四冲程汽油发动机四冲程汽油发动机经过进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程，完成一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，相应地曲轴旋转了两周。进气行程：进气行程：Mpa，温度达370一400K。在示功图上，进气行程用曲线ra表示。曲线ra位于大气压力线下，它与大气压力线纵坐标之差即表示气缸内的真空度。压缩行程：压缩行程：在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程。可燃混合气要经过压缩-容积缩小、密度加大、温度升高。在示功图上，压缩行程用曲线acMpa，温度可达600
13、一700K。压缩前气缸中气气体体的的最最大大容容积积Va（工工作作容容积积Vs+燃燃烧烧室室容容积积Vc（最最小小容容积积）与压缩后的最小容积最小容积之比称为压缩比。活塞在下止点时其顶部以上的容积与活塞在上止点时其顶部以上的容积之比。压缩比愈大，在压缩终了时混合气的压力和温度便愈高，燃烧速度也愈快，因而发动机发出的功率放大，经济性愈好。作功行程：作功行程：作功行程：作功行程：在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当当活活塞塞接接近近上上止止点点-火火花花塞塞即即发发出出电电火火花花-点点燃燃被被压压缩缩的的可可燃燃混混合合气气-燃燃气气的的压压力力和和温温度度迅迅
14、速速增增加加（压压压压力力力力为为为为3535MPaMPa、温温温温度度度度为为为为22002200一一一一28002800KK）-高高温温高高压压的的燃燃气气推推动动活活塞塞从从上上止止点点向向下下止止点点运运动动-通通过过连连杆杆使使曲曲轴轴旋旋转转并并输输出出机机械械能能（维维持持对对外外作作功）。功）。示功图上曲线示功图上曲线zbzb表示活塞向下移动时，气缸内容积表示活塞向下移动时，气缸内容积增加，气体压力和温度都降低。在作功行程终了增加，气体压力和温度都降低。在作功行程终了的的bMPabMPa，温度则降为温度则降为13001300一一16001600K K。排气行程排气行程排气行程排
15、气行程:可可燃燃混混合合气气燃燃烧烧后后生生成成的的废废气气，必必须须从从气气缸缸中中排排除除，以便进行下一个进气行程。以便进行下一个进气行程。当当膨膨胀胀接接近近终终了了时时-排排气气门门开开启启-在在废废气气的的压压力力下下进进行行自自由由排排气气-活活塞塞到到达达下下止止点点后后再再向向上上止止点点移移动动-继继续续将将废废气气强强制制排排到到大大气气中中-活活塞塞到到上上止点附近时止点附近时-排气行程结束。排气行程结束。这这一一行行程程在在示示功功图图上上用用曲曲线线brMpabrMpa，废废气气温温度度为为900900一一12001200K K。由于燃烧室占有一定容积，不可能将废气排
16、尽，留由于燃烧室占有一定容积，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。下的这一部分废气称为残余废气。二、二、二、二、四四四四冲冲冲冲程程程程汽汽汽汽油油油油机机机机基基基基本本本本工工工工作作作作原原原原理理理理二、二、二、二、四四四四冲冲冲冲程程程程汽汽汽汽油油油油机机机机的的的的循循循循环环环环二、二、二、二、四四四四冲冲冲冲程程程程汽汽汽汽油油油油机机机机的的的的循循循循环环环环演演演演示示示示、二冲程汽油机的工作原理、二冲程汽油机的工作原理1.工作原理工作原理二冲程发动机的工作循环是在两个活塞行程内（曲轴旋转一周的时间内）完成的。发动机气缸上有三个孔，这三个孔可分别在一定的时
17、刻为活塞所关闭。孔1与化油器相连通，可燃混合气经孔1流入曲轴箱，继而可经孔3进入气缸内，而废气则可经过与排气管连通的孔2被排出。第第第第一一一一行行行行程程程程 活活塞塞自自下下止止点点向向上上移移动动-压压缩缩充充入入活活塞塞上上方方气气缸缸内内的的混混合合气气-新新的的可可燃燃混混合合气气又又自自化化油油器器被被吸吸入入活活塞塞下方的曲轴箱内。下方的曲轴箱内。第第第第二二二二行行行行程程程程 活活塞塞自自上上止止点点向向下下移移动动，活活塞塞上上方方进进行行着着作作功功过过程程和和换换气气过过程程，而而活活塞塞下下方方则则进进行行可燃混合气的预压。可燃混合气的预压。a-ca-c压缩过程，压
18、缩过程，c-fc-f燃烧过程燃烧过程e-be-b作功排气作功排气,bda-bda-排气换气（占排气换气（占1301300 0-150-1500 0曲轴转角）曲轴转角）二二二二冲冲冲冲程程程程汽汽汽汽油油油油机机机机工工工工作作作作原原原原理理理理1 1 二二二二冲冲冲冲程程程程汽汽汽汽油油油油机机机机工工工工作作作作原原原原理理理理2 2 二二二二冲冲冲冲程程程程汽汽汽汽油油油油机机机机的的的的工工工工作作作作循循循循环环环环1 1 二二二二冲冲冲冲程程程程汽汽汽汽油油油油机机机机的的的的工工工工作作作作循循循循环环环环2 2二二二二冲冲冲冲程程程程汽汽汽汽油油油油机机机机的的的的工工工工作作
19、作作循循循循环环环环3 32优点优点与四冲程发动机与四冲程发动机相比相比相比相比，二冲程发动机有以下优点。，二冲程发动机有以下优点。第一，第一，第一，第一，曲轴每转一周就有一个做功行程，因此，当曲轴每转一周就有一个做功行程，因此，当工作容积和转速相同时，理论功率应等于四冲程工作容积和转速相同时，理论功率应等于四冲程发动机的二倍。发动机的二倍。第二，第二，第二，第二，由于发生做功过程的频率较大，故运转比较由于发生做功过程的频率较大，故运转比较均匀平稳。均匀平稳。第三，第三，第三，第三，由于没有专门的配气机构，所以它结构较简由于没有专门的配气机构，所以它结构较简单，质量较小。单，质量较小。第四，第
20、四，第四，第四，因附属机构少，因此易受磨损和经常需要修因附属机构少，因此易受磨损和经常需要修理的运动部件数量比较少。理的运动部件数量比较少。3 3缺点缺点缺点缺点第一，第一，第一，第一，不易将废气从气缸中排除干净，并且在换气时减少了不易将废气从气缸中排除干净，并且在换气时减少了有效工作行程。因此在同样的工作容积和曲轴转速下，其有效工作行程。因此在同样的工作容积和曲轴转速下，其功率仅为四冲程发动机的功率仅为四冲程发动机的1 15 51 16 6倍。倍。第二，第二，第二，第二，在换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气被排出，在换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气被排出，使得燃油经济性降低。使得燃油经
21、济性降低。第三第三第三第三，由于为使活塞润滑，需要不断向气缸供给润滑油，因，由于为使活塞润滑，需要不断向气缸供给润滑油，因此排气中往往含有润滑油，导致碳氢化合物此排气中往往含有润滑油，导致碳氢化合物(HC)(HC)和可视和可视烟雾的排放增加。烟雾的排放增加。由于以上缺点，二冲程发动机未被广泛应用。燃油喷射技术由于以上缺点，二冲程发动机未被广泛应用。燃油喷射技术的应用，燃油经济性和排放问题得到解决。如意大利的应用，燃油经济性和排放问题得到解决。如意大利PIAGGIOPIAGGIO公司生产的公司生产的Vespa(Vespa(黄蜂黄蜂)二冲程摩托车上采用二冲程摩托车上采用了先进的了先进的VespaE
22、T2VespaET2燃油喷射系统，这种采用机械式燃燃油喷射系统，这种采用机械式燃油喷射系统的发动机与原来采用化油器的发动机相比，排油喷射系统的发动机与原来采用化油器的发动机相比，排放下降了放下降了7070。在保证标定功率基本一致的前提下，。在保证标定功率基本一致的前提下，ET2ET2可以使燃油消耗下降可以使燃油消耗下降 约约3030。保时捷Porsche Boxster S宝马宝马318i宝马宝马BMW Z4V6标致标致206大众奥迪大众奥迪_TT跑车跑车北京吉普帕杰罗速跑北京吉普帕杰罗速跑道奇牌概念摩托车道奇牌概念摩托车丰田丰田Funcoupe菲亚特菲亚特Simba福特福特F型概念车型概念车福特电动车福特电动车富士斯巴鲁富士斯巴鲁WRX-STI雷诺高雷奥斯概念车雷诺高雷奥斯概念车欧宝欧宝Eco-Speedster（3）日产日产Micra（2）雪铁龙雪铁龙“空中之梦空中之梦”（2）