發(fā)動機的工作原理和總體構(gòu)造

發(fā)動機的工作原理和總體構(gòu)造第1頁/共71頁§1.1發(fā)動機的分類1、區(qū)分幾個概念：發(fā)動機：將某種能量直接轉(zhuǎn)換為機械能，并拖動某些機械進行工作的機器。熱機：是將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的發(fā)動機，熱機分為：內(nèi)燃機和外燃機內(nèi)燃機：液體或氣體燃料和空氣混合后，直接輸入機器內(nèi)部燃燒而產(chǎn)生熱能，然后轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。外燃機：燃料在機器外部燃燒，把水加熱，得到高溫高壓的水蒸氣，然后把水蒸汽輸送至機器內(nèi)部，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。例如：蒸汽機。第2頁/共71頁內(nèi)燃機與外燃機相比，具有熱效率高、體積小、質(zhì)量小、便于移動、起動性能好等優(yōu)點，廣泛應用于飛機、輪船及各種車輛上。我們今后所講的發(fā)動機指往復活塞式內(nèi)燃機。第3頁/共71頁往復活塞式內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)示意圖

第4頁/共71頁2發(fā)動機的分類

（1）按著火方式分類：點燃式和壓燃式發(fā)動機。用火花塞將缸內(nèi)的可燃混合氣點燃的發(fā)動機，稱為點燃式發(fā)動機，例如：汽油機。壓縮缸內(nèi)的空氣或可燃混合氣，產(chǎn)生的高溫使燃料發(fā)生自燃的發(fā)動機稱為壓燃式發(fā)動機。例如柴油機。

第5頁/共71頁（2）按燃料的種類分：汽油機、柴油機、天然氣發(fā)動機、液化石油氣發(fā)動機等等。第6頁/共71頁（3）按冷卻方式分類：水冷發(fā)動機和風冷發(fā)動機

水冷發(fā)動機：以水或冷卻液作為冷卻介質(zhì)的發(fā)動機。

風冷發(fā)動機：以空氣作為冷卻介質(zhì)的發(fā)動機。

第7頁/共71頁（4）按進氣狀態(tài)分類：自然吸氣發(fā)動機和增壓發(fā)動機

自然吸氣發(fā)動機：空氣或可燃混合氣在進入氣缸之前未經(jīng)壓氣機壓縮而直接進入氣缸的發(fā)動機。

增壓發(fā)動機：空氣或可燃混合氣在進入氣缸之前經(jīng)壓氣機壓縮后進入氣缸的發(fā)動機。第8頁/共71頁（5）按沖程數(shù)分為：二沖程發(fā)動機和四沖程發(fā)動機。

發(fā)動機的一個工作循環(huán)包括：進氣過程、壓縮過程、做功過程和排氣過程。

二沖程發(fā)動機：曲軸轉(zhuǎn)一圈，活塞往復兩個單程完成一個工作循環(huán)的發(fā)動機。

四沖程發(fā)動機：曲軸轉(zhuǎn)兩圈，活塞往復四個單程完成一個工作循環(huán)的發(fā)動機。

第9頁/共71頁第10頁/共71頁

第11頁/共71頁（6）按缸數(shù)和氣缸排列方式分類

按缸數(shù)：單缸和多缸機

單缸機：僅有一個氣缸的發(fā)動機

多缸機：有兩個以上氣缸的發(fā)動機

按氣缸排列方式分：直列式、對置式和V型等

直列式發(fā)動機：氣缸呈一列布置

對置式發(fā)動機：氣缸呈兩列布置，且兩列氣缸中心線之間

的夾角為180度。

V型發(fā)動機：氣缸呈兩列布置，且兩列氣缸中心線之間的夾

角小于180度。

第12頁/共71頁第13頁/共71頁第14頁/共71頁§1.2四沖程發(fā)動機的工作原理1、發(fā)動機的基本術(shù)語上止點：活塞在氣缸內(nèi)運動時，活塞頂面距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠的位置。下止點：活塞在缸內(nèi)運動時，活塞頂面距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近的位置?；钊谐蹋夯钊稀⑾轮裹c之間的距離稱活塞行程，以S表示。對應一個活塞行程，曲軸旋轉(zhuǎn)180°曲柄半徑：曲軸的旋轉(zhuǎn)中心到曲柄銷中心之間的距離，以R表示。

S=2R第15頁/共71頁第16頁/共71頁氣缸工作容積：活塞運動一個行程所掃過的容積，以Vs來表示。D—氣缸直徑（mm）燃燒室容積：活塞在上止點時，其頂部以上與氣缸蓋底平面之間的容積，以Vc來表示。燃燒室容積是活塞在缸內(nèi)運動所能達到的最小容積。氣缸總?cè)莘e：氣缸工作容積與燃燒室容積之和

Va=Vs+Vc發(fā)動機的排量：發(fā)動機全部氣缸的工作容積之和，即：氣缸工作容積Vs與缸數(shù)i的乘積

Vst=Vs×i第17頁/共71頁壓縮比：氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值,它表示進氣過程中進入氣缸內(nèi)的氣體在壓縮沖程終了時被壓縮的程度。ε=Va/Vc=(Vs+Vc)/Vc=Vs/Vc+1第18頁/共71頁第19頁/共71頁上止點第20頁/共71頁下止點第21頁/共71頁2四沖程發(fā)動機的工作原理

一、四沖程汽油機的工作原理

四沖程發(fā)動機的一個工作循環(huán)包括四個活塞行程。（1）進氣行程（2）壓縮行程（3）作功行程（4）排氣行程曲軸轉(zhuǎn)動兩圈，一個行程相當與曲軸轉(zhuǎn)動180度。單缸四沖程汽油機的工作過程第22頁/共71頁第23頁/共71頁（1）進氣行程作用：將空氣和燃料形成的可燃混合氣吸入氣缸。特點：進氣門打開、排氣門關(guān)閉，活塞由上止點向下止點移動一個行程，缸內(nèi)的容積增大，壓力下降，當下降到大氣壓以下時，形成真空，將可燃混合氣吸入氣缸。進氣終了時的氣體狀態(tài)參數(shù)：壓力：0.075～0.09MPa，溫度：370～400K。

第24頁/共71頁（a）進氣行程第25頁/共71頁（2）壓縮行程作用：在燃燒前將可燃混合氣壓縮，使其容積減小，密度增大，溫度升高，以保證可燃混合氣能迅速燃燒。特點：進、排氣門關(guān)閉，活塞從下止點向上止點移動一個行程，缸內(nèi)的溫度和壓力升高，壓縮終了時，混合氣被壓縮到燃燒室中。壓縮終了時的氣體狀態(tài)參數(shù)：壓力：0.6～1.2MPa，溫度：600～700K。壓縮過程缸內(nèi)氣體被壓縮的程度用壓縮比來表示，汽油機的壓縮比一般為：8～11，壓縮比過大時，汽油機容易發(fā)生爆燃。第26頁/共71頁（b）壓縮行程第27頁/共71頁（3）作功行程作用：當活塞接近上止點時，火花塞將可燃混合氣點燃，產(chǎn)生高溫、高壓的燃氣推動活塞從上止點向下止點運動，通過曲柄連桿機構(gòu)對外輸出機械功。特點：進、排氣門關(guān)閉，火花塞點火后，缸內(nèi)的溫度和壓力先升高至最高爆發(fā)壓力，然后高溫高壓的燃氣推動活塞向下運動，氣缸內(nèi)容積增大，氣體的壓力和溫度下降。燃燒過程中的最高爆發(fā)壓力：3～5MPa,最高溫度是：2200～2800K。作功行程終了時的氣體狀態(tài)參數(shù)：壓力：0.3～0.5MPa，溫度：1300～1600K。第28頁/共71頁（c）作功（膨脹）行程第29頁/共71頁（4）排氣行程作用：把燃燒后產(chǎn)生的廢氣排到缸外。特點：當作功行程接近終了時，排氣門開啟，依靠廢氣的壓力進行自由排氣；活塞到達下止點接著向上止點運動的過程中，繼續(xù)將廢氣強制排到大氣中。活塞到上止點附近時，排氣行程結(jié)束。

排氣終了時，缸內(nèi)氣體的狀態(tài)參數(shù)：壓力：0.105～0.115MPa，溫度：900～1200K第30頁/共71頁（d）排氣行程第31頁/共71頁總結(jié)汽油機的工作原理：汽油機在進氣行程將燃料和空氣的可燃混合氣吸入氣缸，在壓縮行程對可燃混合氣進行壓縮，使其溫度和壓力升高，壓縮行程接近終了時，火花塞將可燃混合氣點燃，高溫高壓的燃氣推動活塞向下運動，通過曲軸對外輸出機械功，在作功行程接近終了時，排氣門打開，將廢氣排出缸外。第32頁/共71頁3四沖程柴油機的工作原理

四沖程柴油機的一個工作循環(huán)也包括：進氣、壓縮、作功、排氣四個行程。第33頁/共71頁第34頁/共71頁由于柴油的粘度比汽油大，自燃溫度比汽油低，因此，柴油機和汽油機的混合氣形成方式和著火方式不同。（1）進氣行程：作用：將純空氣吸入氣缸。（不是可燃混合氣）進氣終了時，缸內(nèi)氣體的狀態(tài)參數(shù)：壓力約為0.0785～0.0932MPa，略高于汽油機，而溫度約為300～370K，略低于汽油機。（2）壓縮行程作用：壓縮純空氣；在壓縮行程接近上止點時，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，與空氣混合后自行燃燒。第35頁/共71頁壓縮終了時，缸內(nèi)氣體的狀態(tài)參數(shù)：壓力可高達3~5Mpa，溫度可高達750~1000K，大大超過了柴油自燃的溫度。柴油機壓縮比比汽油機高，一般為16～22，故壓縮終點的溫度比汽油機高。（3）作功行程作用：高溫高壓的燃氣推動活塞向下運動，通過曲軸對外輸出機械功。燃燒過程中：缸內(nèi)出現(xiàn)的最高壓力可達6～9MPa，比汽油機高得多，最高溫度高達2000～2500K，略低于汽油機；作功終了時，缸內(nèi)氣體的狀態(tài)參數(shù)：壓力約為0.2～0.4MPa，溫度約為1200～1500K。第36頁/共71頁（4）排氣行程作用：將缸內(nèi)的廢氣排到缸外排氣終了時，氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)參數(shù)：壓力約為0.105～0.125MPa，溫度約為800～1000K?？偨Y(jié)柴油機的工作原理：柴油機在進氣行程將新鮮的空氣吸入氣缸，在壓縮行程對空氣進行壓縮，使其溫度升高，壓縮行程接近終了時，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，燃油在短時間與空氣混合，形成可燃氣體，并自行燃燒，高溫高壓的燃氣推動活塞向下運動，通過曲軸對外輸出機械功，在作功行程接近終了時，排氣門打開，將廢氣排出缸外。第37頁/共71頁柴油機與汽油機的比較性能汽油機柴油機著火方式點燃壓燃壓縮比8~1116~22燃油消耗高低熱效率30%左右40%左右工作平穩(wěn)性柔和粗暴發(fā)動機轉(zhuǎn)速高（5000~6000r/min）低（2200~3000r/min）第38頁/共71頁共同特點：1、每個工作循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)兩周（720度曲軸轉(zhuǎn)角），每一行程曲軸轉(zhuǎn)半周（180度）。2、只有作功行程產(chǎn)生動力，其余三個行程是作功的輔助行程。第39頁/共71頁4多缸發(fā)動機的工作原理多缸四沖程發(fā)動機每個氣缸的工作循環(huán)和單缸機是完全一樣的，都要經(jīng)過進氣、壓縮、作功和排氣四個沖程，不同點：多缸機在一個工作循環(huán)內(nèi)各個氣缸按照發(fā)火順序依次作功，其做功沖程是叉開的。為什么要采用多缸發(fā)動機？單缸發(fā)動機的四個沖程中只有一個沖程作功，其余三個沖程不作功，所以曲軸的轉(zhuǎn)速是不均勻的，因而發(fā)動機的運轉(zhuǎn)就不平穩(wěn)。為了使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，飛輪必須具有很大的轉(zhuǎn)動慣量，由此會使整個發(fā)動機的質(zhì)量和尺寸增加。多缸發(fā)動機是曲軸每轉(zhuǎn)兩圈，各個氣缸按照發(fā)火順序交替作一次功，因此，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動小。車發(fā)用動機最常用的缸數(shù)是的四缸，六缸和八缸發(fā)動機。第40頁/共71頁思考四沖程汽油機和柴油機的工作循環(huán)有什么相同之處呢？四沖程汽油機和柴油機的工作循環(huán)有什么不同呢？第41頁/共71頁由于二沖程發(fā)動機主要在摩托車和大型的船用發(fā)動機上使用，其工作原理就不具體介紹了，屬于自學內(nèi)容。第42頁/共71頁§1.4發(fā)動機的總體構(gòu)造機體組兩大機構(gòu)

曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)五大系統(tǒng)

起動系、供給系冷卻系、潤滑系點火系第43頁/共71頁（1）機體組組成：氣缸體、氣缸蓋、油底殼作用：骨架作用，安裝各個機構(gòu)和系統(tǒng)第44頁/共71頁（2）曲柄連桿機構(gòu)：

組成：活塞連桿組、曲軸飛輪組兩部分

作用：將活塞的往復直線運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動對外輸出動力第45頁/共71頁（3）配氣機構(gòu)

組成：氣門組、氣門傳動組

作用：定時開啟和關(guān)閉進、排氣門第46頁/共71頁（4）供給系統(tǒng)

組成：燃油供給系統(tǒng)和進、排氣系統(tǒng)組成

作用：將燃油和空氣及時地供給氣缸，并將燃燒后的廢氣及時排出。汽油機典型的燃料供給系統(tǒng)第47頁/共71頁（5）點火系

作用：點燃可燃混合氣

組成：蓄電池、點火開關(guān)、點火線圈、分電器、火花塞第48頁/共71頁第49頁/共71頁（6）冷卻系統(tǒng)

作用：防止發(fā)動機過熱，及時散發(fā)熱量

組成：水泵、散熱器、風扇、分水管、水套等組成

分類：風冷、水冷第50頁/共71頁第51頁/共71頁第52頁/共71頁（7）發(fā)動機潤滑系

作用：潤滑、冷卻、清潔、密封、防腐

組成：集濾器、機油泵、濾清器、油道等組成

第53頁/共71頁第54頁/共71頁（8）起動系

作用：內(nèi)燃機不能自行起動，借助外力使之運轉(zhuǎn)

組成：起動機、蓄電池、起動開關(guān)等

第55頁/共71頁§1.5發(fā)動機主要性能指標與特性發(fā)動機主要性能指標有：動力性能指標、經(jīng)濟性能指標和運轉(zhuǎn)性能指標。（1）動力性指標有效轉(zhuǎn)矩Ttq：發(fā)動機通過飛輪對外輸出的平均轉(zhuǎn)矩。有效功率Pe：發(fā)動機通過飛輪對外輸出的功率。

式中：Ttq——有效轉(zhuǎn)矩Ttq（N·m）

n——曲軸的轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速n:曲軸在一分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)第56頁/共71頁標定功率：在發(fā)動機產(chǎn)品銘牌上標出的功率，是發(fā)動發(fā)出的最大功率，它根據(jù)發(fā)動機的用途制定。同一種型號的發(fā)動機，當其用途不同時，其標定功率值并不相同。標定轉(zhuǎn)速：在發(fā)動機產(chǎn)品銘牌上標出的轉(zhuǎn)速。標定工況：發(fā)動機在標定功率和標定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)的工況。第57頁/共71頁（2）經(jīng)濟性指標燃油消耗率be：發(fā)動機每發(fā)出1kW有效功率，在1h內(nèi)所消耗的燃油質(zhì)量，燃油消耗率越低，經(jīng)濟性越好。

式中：B——每小時的燃油消耗量（kg/h）；

Pe——表示發(fā)動機的有效功率（kW）第58頁/共71頁（3）運轉(zhuǎn)性能指標排氣品質(zhì)：發(fā)動機排出的有害排放物：NOx，HC，CO以及顆粒。有害排放需滿足排放法規(guī)。噪聲：噪聲需滿足噪聲限值。起動性：在一定溫度下，發(fā)動機能迅速而可靠的起動，起動消耗的功率越少，磨損就越少。第59頁/共71頁（4）發(fā)動機速度特性（掌握概念、對曲線的分析不要求）發(fā)動機速度特性：當燃料供給調(diào)節(jié)機構(gòu)的位置（汽油機為節(jié)氣門開度、柴油機為齒條位置）固定不變時，發(fā)動機的有效功率、有效轉(zhuǎn)矩和有效燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。發(fā)動機外特性：當燃料供給調(diào)節(jié)機構(gòu)的位置達到最大時，發(fā)動機的有效功率、有效轉(zhuǎn)矩、有效燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。外特性代表了發(fā)動機所具有的最高動力性能。發(fā)動機的部分速度特性：燃料供給調(diào)節(jié)機構(gòu)保持在其他位置下，得到的速度特性。TtqPePeTtqbebe第60頁/共71頁（5）發(fā)動機工作狀況（運轉(zhuǎn)狀態(tài)）一般用它的功率與轉(zhuǎn)速來表征，有時也用負荷和轉(zhuǎn)速來表征。發(fā)動機在某一轉(zhuǎn)速下的負荷，是指發(fā)動機驅(qū)動從動機械所消耗的功率或有效轉(zhuǎn)矩的大小，可以用同一轉(zhuǎn)速下發(fā)動機發(fā)出的功率與該轉(zhuǎn)速下發(fā)動機可能發(fā)出的最大功率之比的百分數(shù)來表示。第61頁/共71頁第62頁/共71頁區(qū)分負荷和功率：負荷是個相對值，功率是個絕對值。功率的并不代表負荷的大小。例如：全負荷表示發(fā)動機在某個轉(zhuǎn)速下功率達到最大值，不一定是發(fā)動機的最大功率。在外特性曲線上，各點都表示在各轉(zhuǎn)速下的全負荷工況，即各點負荷相同；但在同一條部分速度特性曲線上各點的負荷卻并不相同。在同一轉(zhuǎn)速下，燃料供給調(diào)節(jié)機構(gòu)位置越大表示負荷越大，但兩者并不成比例。第63頁/共71頁§1.6內(nèi)燃機產(chǎn)品的名稱及型號編制規(guī)則

內(nèi)燃機產(chǎn)品的名稱及型號編制必須符合國家頒布的《內(nèi)燃機產(chǎn)品名稱及型號編制規(guī)則》該標準內(nèi)容如下：

（1）內(nèi)燃機的名稱均按所用的燃料命名，例如汽油機、柴油機、天然氣機等。

（2）內(nèi)燃機的型號由阿拉伯數(shù)字、漢語拼音字母或國際通用的英文縮略字母組成，包括下列四部分：第64頁/共71頁第65頁/共71頁型號編制舉例（1）柴油機型號G12V190ZLD表示：12缸、V型、四沖程、缸徑190mm、冷卻液冷卻、增壓中冷、發(fā)電用（G為系列代號）；R175A表示：單缸、四沖程、缸徑75mm、冷卻液冷卻（R為系列代號、A為區(qū)分符號）；YZ6102Q表示：6缸直列、四沖程、直徑102mm、冷卻液冷卻、車用（YZ為揚州柴油機廠代號）；8E150C-1表示：8缸直列、二沖程、缸徑150mm、冷卻液