汽车发动机构造及原理

第1篇汽车发动机构造与原理

第1章发动机基本结构与工作原理

内容提要

1.四冲程汽油机基本结构与工作原理

2.四冲程柴油机基本结构与工作原理

3.二冲程汽油机基本结构与工作原理

4.发动机的分类

5.发动机的主要性能指标

发动机：将其它形式的能量转化为机械能的机器。

内燃机：将燃料在气缸内部燃烧产生的热能直接转化为机械能的动力机械。有活塞式和旋转式两大类。本书所提汽车发动机，如无特殊说明，都是指往复活塞式内燃机。

内燃机特点：单机功率范围大（0.6-16860kW）、热效率高（汽油机略高于0.3，柴油机达0.4左右）、体积小、质量轻、操作简单，便于移动和起动性能好等优点。被广泛应用于汽车、火车、工程机械、拖拉机、发电机、船舶、坦克、排灌机械和众多其它机械的动力。

1.1 四冲程发动机基

本结构及工作原理

1.1.1 四冲程汽油机基本结

构及工作原理

1.四冲程汽油机基本结构

（图1-2）

2.四冲程汽油机基本工

作原理（图1-2）

表1-1 四冲程汽油机工作过

程

图1-2 四冲程汽油机基本结构简图

1-气缸 2-活塞 3-连杆 4-曲轴 5-气缸盖 6-进气

门 7-进气道 8-电控喷油器 9-火花塞 10-排气门

3.工作过程分析

（1）四冲程发动机：活塞在上、下止点间往复移动四个行程（相当于曲轴旋转了两周），完成进气、压缩、作功、排气一个工作循环的发动机就称为四冲程发动机。

四个行程中，只有一个行程作功，造成曲轴转速不均匀，工作振动大。所以在曲轴后端安装了一个质量较大的飞轮，作功时飞轮吸收储存能量，其余三个行程则依靠飞轮惯性维持转动。

（2）冲程与活塞行程：

冲程：指发动机的类型；

行程S：指活塞在上、下两个止点之间距离；

气缸工作容积V s：一个活塞在一个行程中所扫过的容积。

式中V s——工作容积（m3）；

D——气缸直径（mm）；

S——活塞行程（mm）。

发动机的排量V st：一台发动机所有气缸工作容积之和。

式中V st——发动机的排量（L）；

i——气缸数。

（3）压缩行程的作用

一是提高进入气缸内混合气的压力和温度（压缩终了的气缸内气体压力可达0.6~1.2MPa，温度达600K~700K），为混合气迅速着火燃烧创造条件；

二是可以有效提高发动机的燃烧热效率η。由热力学第一定律

当混合气被压缩程度提高时，发动机混合气燃烧所达到的最高温度（T1）升高，而排气的温度（T2）降低，导致热效率提高。

1860年，法国人Lenoir（勒努瓦）研制成功的世界第一台内燃机，没有压缩行程，热效率仅4.5%；1876年，德国人奥托（Otto）制造出第一台四冲程内燃机，采用压缩行程，虽然压缩比只有2.5，但热效率却提高到12%，有力地证明了科学是第一生产力这个真理。

压缩比ε：气缸内气体被压缩的程度。

式中V a——气缸总容积（活塞处于下止点时，活塞顶部以上的气缸容积）；

V c——气缸燃烧室容积（活塞处于上止点时，活塞顶部以上的容积）。

现代汽油机压缩比一般为7～11，如广州本田雅阁2.4 i-VTEC发动机压缩比为9.7，而3.0V6-VTEC发动机压缩比则为10。

发动机压缩比也不能过高，否则会导致压缩终了温度和压力升高，汽油机产生爆震燃烧（参见4.4），热负荷、机械负荷、噪音和振动加大，起动困难。

可变压缩比(SVC)发动机：能根据发动机工作负荷变化，自动调节压缩比。负荷减少时，使压缩比提高；全负荷时，使压缩比降低。可有效达到防止爆震燃烧，增加功率、降低油耗、减少排放的目的。

当气缸、活塞等磨损，气门不密封时，将导致发动机压缩气体外泄，热效率和功率下降。

4.多缸发动机结构特点

单缸发动机问题：功率小，转速不均匀，工作振动大，现代汽车发动机都是多缸发动机，用得最多的是4缸、6缸、8缸发动机。

多缸发动机结构特点：由多个结构相同的气缸组成，它们共用一个机体，一根曲轴。曲轴的曲柄布置应该使各缸作功行程均匀分布在7200曲轴转角内。如4缸发动机曲轴（图1-3）相邻工作缸的曲

柄夹角为1800，曲轴每转1800便有一个气

缸作功。

5.示功图

将四冲程发动机在一个工作循环里气

缸内气体压力随气缸工作容积或曲轴转角

变化的关系以座标图表示，得到图1-4所

示的发动机示功图。

由示功图可以看到发动机一个工作循

环里工作状态的变化，检查判断发动机性能

优劣。发动机特征点参数随机型、结构等有

所不同，一般范围如表1-2所示。

表1-2 发动机特征点参数

a c z

b r

汽油机P 0.075～0.09 0.6～1.2 3～5 0.3～0.5 0.105～0.115 T 370～400 600～700 2200～2800 1300～1600 900～1200

柴油机P 0.08～0.09 3.5～4.5 6～9 0.2～0.4 0.105～0.125 T 300～370 750～1000 2000～2500 1200～1500 800～1000

图1-3 4缸发动机曲轴

图1-4 四冲程发动机示功图

注：P-气缸内气体压强（MPa）；T-气缸内气体温度（K）

1.1.2 四冲程柴油机结构特点与工作原理

结构特点：没有火花塞，喷油器直接安装在

气缸顶向气缸内喷油（图1-5）。

工作原理：进气行程进入气缸的是纯空气，

而不是可燃混合气；在压缩行程末，喷油器向气

缸喷入高压柴油，由于气缸的高温高压作用，柴

油迅速着火燃烧，使气体急剧膨胀，推动活塞作

功。其着火方式属于压燃式，而不是汽油机的点

燃式。

燃料：柴油，粘度高，不易挥发，自燃点低，

不会产生爆燃。为了使柴油可靠着火，提高发动

机燃烧热效率，柴油机的压缩比汽油机高得多，

一般为16～22，所以其最高燃烧压力也比汽油机

高，工作也比汽油机粗暴。

图1-5 四冲程柴油机基本结构简图柴油机与汽油机比较（表1-3）：

表1-3 柴油机与汽油机比较

性能汽油机柴油机

着火方式点燃压燃

燃油消耗高低

热效率30%左右40%左右工作平稳性柔和粗暴

发动机转速高（4000～6000 r/min）低（2500～3000r/min）升功率大小

起动性易难

制造维修成本低高

比质量小大

使用寿命短长

排放CO 、HC大，NO X、黑烟少CO 、HC小，NO X、黑烟多柴油机的转速也在不断提高，奔驰V230轿车柴油机，最高转速可达6000r/min。

1.2 二冲程发动机结构特点及工作原理

二冲程发动机：指活塞在上、下止点间往复移动两个行程（相当于曲轴旋转