学习任务2 发动机总体构造认识与工作原理_汽车发动机结构与拆装-QQ阅读武侠男生网

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学习任务2 发动机总体构造认识与工作原理

工作情境描述

吴先生想购买一辆运动型轿车，他特别注重发动机的各项性能指标，到某4S店咨询汽车发动机的结构参数、配置与性能指标等，请接待该客户，并解答客户提出的问题。

学习目标

通过本任务学习，应能：

1．描述发动机常规技术概念；

2．描述四冲程汽油发动机工作过程和工作原理；

3．描述四冲程柴油发动机工作过程和工作原理；

4．描述发动机的总体组成。

一、知识准备

发动机是汽车的动力源，是将热能转化为机械能的一种机械装置。它利用燃料在气缸内燃烧所产生的热能使气体膨胀以推动曲柄连杆机构运动，并通过底盘传动系统驱动汽车行驶。

（一）发动机的分类

1．按照汽车所用燃料分类

按照汽车发动机所使用的燃料可分为液体燃料发动机 (汽油机、柴油机等，如图2-1和图2-2所示) 和气体燃料发动机 (天然气发动机、液化石油气发动机等)。

2．按照点火方式分类

按照发动机的点火方式可分为点燃式发动机和压燃式发动机。

汽油的特性：自燃温度比柴油高，因此采用点燃式发火。在点火系统中，通过火花塞发出的电火花强制点燃汽油，使其发火燃烧，这种发动机称为点燃式发动机。

柴油的特性：在同样的条件下其自燃点要比汽油的自燃点低，因此采用压燃式 (自燃式) 发火。一般情况下可通过喷油泵和喷油器将柴油直接喷入发动机气缸内，在气缸内与压缩空气均匀混合后，在高温下得以自燃，这种发动机称为压燃式发动机。

图2-1 汽油发动机

1—火花塞；2—节气门；3—气缸；4—气缸体；5—飞轮；6—水套；7—活塞；8—油底壳；9—曲轴；10—正时同步带轮；11—曲轴皮带轮；12—正时同步带；13—凸轮轴；14—气缸盖

图2-2 柴油发动机

1—交流发电机；2—正时同步带；3—凸轮轴正时同步带轮；4—凸轮轴；5—进气管；6—气缸盖罩；7—喷油器；8—油管；9—飞轮；10—水套；11—活塞；12—油底壳；13—曲轴；14—机油泵；15—曲轴正时同步带轮；16—曲轴皮带轮

3．按照冷却方式分类

根据发动机的冷却方式不同，可分为水冷式和风冷式两种，如图2-3和图2-4所示。

图2-3 水冷式发动机

图2-4 风冷式发动机

水冷式发动机是利用在气缸体与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；而风冷式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。水冷式发动机冷却均匀、工作可靠、冷却效果好，所以广泛应用于现代汽车发动机。

4．按照工作循环分类

对于往复活塞式发动机，可以根据每一工作循环所需活塞的行程数来分类。凡是活塞往复四个行程完成一个工作循环的称为四冲程发动机，而活塞往复两个行程即完成一个工作循环的称为二冲程发动机，如图2-5和图2-6所示。

图2-5 四冲程发动机工作原理示意图

(a) 进气；(b) 压缩；(c) 做功；(d) 排气

1—排气门；2—火花塞；3—进气门；4—活塞；5—曲轴及连杆

图2-6 二冲程发动机工作原理示意图

(a) 压缩；(b) 进气；(c) 燃烧；(d) 换气1—进气孔；2—排气孔；3—换气孔

二维码2-1：四冲程发动机运行过程

二维码2-2：二冲程发动机运行过程

5．按照气缸数和布置形式分类

发动机按照气缸数可分为单缸发动机和多缸发动机，仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机，有两个及两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。多缸发动机根据气缸间的排列方式又可分为直列式 (气缸呈一列布置)、对置式 (气缸呈两列布置，且两列气缸之间的中心线呈180°) 和V型 (气缸呈两列布置，且两列气缸之间夹角为V形) 等发动机，如图2-7所示。

图2-7 发动机气缸的排列方式

(a) 直列式；(b) V型；(c) 对置式

二维码2-3：气缸的排列方式——直列式

二维码2-4：气缸的排列方式——V型

二维码2-5：气缸的排列方式——水平对置式

6．按照进气状态分类

按照发动机的进气形式可分为非增压 (自然吸气) 式和增压式发动机。若发动机的进气是靠活塞的抽吸作用而进入气缸的，则称为非增压 (自然吸气) 式发动机；若发动机装有增压器，空气通过增压器可以提高进气压力，则称为增压式发动机。

7．按照气门数分类

每个气缸中设有一个进气门和一个排气门的发动机，称为二气门发动机；每个气缸中设有二个进气门和二个排气门的发动机，称为四气门发动机，如图2-8所示；每个气缸中设有三个进气门和二个排气门的发动机，称为五气门发动机。

图2-8 四气门发动机

（二）发动机的总体构造

发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。要完成能量转换、实现工作循环、保证长时间连续正常工作，就必须具备一些必备的机构和系统，包括曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和起动系统。

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，由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。其作用是将燃料燃烧所产生的热能，经过机构由活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。

2．配气机构

配气机构主要由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。其作用是根据发动机各缸的工作顺序和工作循环的要求，定时开启与关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气适时充入气缸，并使废气从气缸内排出，以便发动机进行换气过程。

3．燃料供给系统

汽油机燃料供给系统与柴油机燃料供给系统由于供油系统和燃烧过程不同，故在结构上有很大区别。

汽油发动机燃料供给系统主要由燃油箱、燃油泵、燃油滤清器、压力调节器、喷油器、空气滤清器、空气流量计或进气压力传感器、水温传感器、进气温度传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、车速传感器、氧传感器、电子控制单元 (ECU)、怠速控制阀、进排气歧管、排气消声器等组成。其作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到大气中去。

柴油发动机燃料供给系统主要由燃油箱、喷油泵、喷油器、燃油滤清器、空气滤清器、进排气歧管和排气消声器等组成，柴油机电控燃油喷射系统 (共轨式) 主要由加速踏板位置传感器、油泵压力传感器、电子控制单元 (ECU)、燃油压力传感器、共轨管、三通阀、高压油泵、发动机转速传感器等组成。其作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

发动机润滑系统主要由机油泵、集滤器、限压阀、机油滤清器、油道及机油散热器等组成。其作用是将润滑油分送至各个摩擦零件的摩擦面，以减少摩擦力及机件磨损，并清洗、冷却摩擦表面，从而延长发动机的使用寿命。

5．冷却系统

冷却系统分水冷式和风冷式两种，现代汽车一般都采用水冷式。发动机冷却系统主要由水泵、散热器、节温器、风扇和冷却水套等组成。其作用是利用冷却水冷却高温零件，并通过散热器将热量散发到大气中去，从而保证发动机在最适宜的温度状态下工作。

6．起动系统

发动机起动系统主要由起动机及其附属装置组成。其作用是带动飞轮旋转以获得必要的动能和起动转速，使静止的发动机起动并转入自行运转状态 (即怠速运转状态)。

7．点火系统

汽油发动机点火系统主要由蓄电池、发电机、点火器和分电器、点火线圈和火花塞等组成。其作用是定时在各缸火花塞电极间产生高压电火花，将气缸内的可燃混合气点燃。

（三）四冲程发动机的常用术语

图2-9所示为发动机示意图。

图2-9 发动机示意图

1—排气门；2—气缸；3—活塞；4—连杆；5—曲轴中心；6—曲柄；7—进气门

1．上止点

活塞在气缸内做往复直线运动时，活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位置称为上止点。

2．下止点

活塞在气缸内做往复直线运动时，活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置称为下止点。

3．活塞行程 (S)

活塞从一个止点移动至另一个止点的距离，即上、下止点之间的距离称为活塞行程。活塞行程一般用S表示，单位为mm。对应一个活塞行程，曲轴旋转180°。

4．曲柄半径 (R)

曲轴旋转中心 (曲轴主轴径中心) 至连杆轴径中心的距离称为曲柄半径。曲柄半径一般用R表示，通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即S＝2R。

5．燃烧室容积 (Vc)

活塞在上止点时，活塞顶部以上空间的容积称为燃烧室容积，一般用Vc表示。

6．气缸工作容积 (Vh)

活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积称为气缸工作容积，一般用Vh表示，单位为L。

Vh＝(πD2/4×106)·S

式中，D——气缸直径 (mm)

S——活塞行程 (mm)

7．气缸总容积 (Va)

活塞位于下止点时，活塞顶部以上空间的容积称为气缸总容积，一般用Va表示，单位为L。气缸总容积等于气缸工作容积与燃烧室容积之和，即Va＝Vh+Vc。

8．发动机工作容积 (VL)

发动机各气缸工作容积的总和称为发动机工作容积，也称发动机排量，一般用VL表示。若发动机气缸数为i，则有：

VL＝Vh·i

9．压缩比 (ε)

气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，表示活塞从下止点移动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。

ε＝Va/Vc＝(Vh+Vc)/Vc＝1+Vh/Vc

压缩比越大，则压缩终了时气缸内气体的压力和温度就越高。汽油机的压缩比一般为8~10，柴油机的压缩比一般为16~22。

10．工作循环

每次在气缸内进行的、将燃料燃烧的热能转化为机械能的一系列连续过程，称为发动机的工作循环，发动机的每一个工作循环包括进气、压缩、做功和排气四个过程。

（四）四冲程汽油机工作原理

单缸四冲程汽油发动机工作循环示意图如图2-10所示。四冲程发动机的曲轴每转两圈，活塞在气缸内依次往复运动，历经进气、压缩、做功和排气四个行程，即完成一个工作循环。

图2-10 单缸四冲程汽油发动机工作循环示意图

(a) 进气行程；(b) 压缩行程；(c) 做功行程；(d) 排气行程

1．进气行程

由于曲轴的旋转，带动活塞从上止点向下止点运动，这时进气门开启而排气门关闭。随着活塞的下移，活塞顶部空间增大，当气缸内压力降低到小于外界大气压力时，在气缸内产生真空吸力，空气和燃油形成的可燃混合气通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点，进气门关闭，停止进气，进气行程结束。在进气过程结束时，由于受空气滤清器、进气管道和进气门等阻力的影响，气缸内气体压力略低于大气压力，一般为0.075~0.09MPa，同时受残余废气和高温机件加热的影响，温度可达370~400 K。

实际上，汽油机的进气门在活塞到达上止点之前已经打开，并且延迟到下止点之后才关闭，以便吸入更多的可燃混合气。

2．压缩行程

进气行程结束时，曲轴继续旋转，带动活塞从下止点向上止点运动，此时进气门、排气门都关闭，气缸封闭，可燃混合气被压缩，其压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束，此时可燃混合气的压力一般可达0.68~1.47MPa，温度可达600~700 K。压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度越高，则燃烧速度越快，热效率越高，发动机的动力性和经济性越好。

若压缩比太高，则容易引起爆燃。爆燃是由于气体的压力和温度过高，可燃混合气在没有被点燃的情况下自行燃烧，且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播，造成尖锐的敲击声，其会使发动机过热、功率下降、燃油消耗量增加、机件损坏及NOx排放量增加等。

3．做功行程

做功行程包括燃烧过程和膨胀过程，在这一行程中，进气门和排气门仍然处于关闭状态。当活塞位于压缩行程接近上止点时，火花塞发出电火花点燃可燃混合气，可燃混合气迅速燃烧后产生大量的热使气缸内的气体温度和压力急剧升高，最高压力可达3~5MPa，温度可达2200~2800K。高温高压的气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动，并通过连杆使曲轴旋转且输出做功，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外做功。随着活塞继续向下运动，气缸内的容积增加，气体的压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，做功行程结束，此时气体压力降低到0.3~0.5MPa，温度降低到1500~1700 K。

4．排气行程

可燃混合气燃烧后形成的废气必须从气缸中排出去，以便进行下一个进气行程。在做功行程接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的压力先进行自由排气，当活塞到达下止点并向上止点运动时，继续把废气强制排放到大气中去，在活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。

实际上，在汽油机的排气行程中，排气门提前打开、延迟关闭，以便排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在，不可能将所有的废气排出气缸，而且受排气阻力的影响，在排气终了时气体压力仍高于大气压力，一般为0.105~0.125MPa，温度为900~1200K。曲轴继续旋转，带动活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个循环过程，如此周而复始，发动机即保持自行运转。