第一章发动机工作原理与总体构造课件

第一章发动机工作原理与总体构造课件
第一章 发动机工作原理 和总体构造
第一节 发动机基本术语和类型
知识点：
发动机的基本术语 发动机的总体构造 发动机的分类
（一）发动机的基本术语
发动机基本术语
1．上止点: 活塞离曲轴旋转中心最远的位置
2．下止点:活塞离曲轴旋转中心最近的位置 3．活塞行程 S：上下止点之间的距离 4．曲柄半径R：曲轴旋转中心到曲柄销中心的距离 5．气缸工作容积VS（单位 L)
外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，有别于依靠燃料在发动机内部 燃烧获得动力的内燃机。新型外燃机使用氢气作为工质，在四个封闭的气缸内充有一定容 积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔 中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质 不直接参与燃烧，也不更换。
排气晚关角：在上止点与排气门关闭这一时期曲轴 所转过的角度。
在活塞到达下止点之前30～80ºCA，膨胀行程还 没有结束的时刻就将排气门打开。(原因：气门有一 定的开启时间，利用压差,使排气彻底，利用气流的 惯性多排出一部分废气，减少残余废气。)
气门重叠角：在排气门关闭之前，进气门就已打开， 进排气门同时开启时期所对应的曲轴转角。
但是，斯特林发动机还有许多问题要解决，例如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、 再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。所以，还不能成为大批量使用的发 动机。
斯特林发动机目前有报道，已经开始研究在计算机主板的散热 风扇上使用，通过北桥芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给 硬件降温，该研究还处于研究阶段。
3、四冲程汽油机的工作原理
（1)．进气行程
由进气门开启到进气门关闭
进气提前角：
进气门打开时刻与活塞位于上止点之间的曲轴转角（为
了获得较多的充气量，活塞到达上止点前就开始开启）
进气晚关角：
活塞到达下止点时刻与进气门关闭时刻之间的曲轴转角。 利用空气流动的惯性及气体的动量，使更多的空气充入气 缸。
进气终了时刻：
在做功行程中，燃烧气体的最大压力可达6～9 Mpa，最高温度可达1800～2200K。做功结束时压 力约为0.2～0.5 Mpa，温度约为1000～1200K。
（4）排气行程
排气行程与汽油机类似，排气终了时 气缸内残余废气压力约为0.105～ 0.12Mpa，温度为700～900K。
（5）柴油机示功图
汽油机示功图
柴油机示功图
四冲程柴油机的工作原理
温度800~1000K 压力105~400
kPa
温度300~370K压 力800~900 kPa
温度800~1000K压 力3~5 MPa
终了：温800~1000K
喷油器 压力105~400 kPa
进气门
纯空气
排气门
吸气行程
压缩行程
作功行程
瞬时：温度1800~2200K压 力5~10 MPa
示功图czb段曲线
作功行程
进气门关闭
瞬时最高：温度
活
2200~2800 K， 压力
塞
3~5MPa
作功终了：温度 1500~1700 K， 压 力300~500 kPa
排气门关闭
上 止
Z
P点
c
大气压力线 r
示功图
下 止 点
b a V
（4）排气行程
从排气门开启到排气门关闭的时刻
排气提前角：在活塞到达下止点之前与下止点之间 的曲轴转角。
点燃：靠火花塞点火来产生燃烧，汽油机所采用 压燃：靠燃油的自燃来产生燃烧，柴油机所采用
8．按用途
固定式：工程机械采用 移动式：……
第二节、发动机的总体构造
1．机体与气缸盖
机体：骨架作用，安装各个机构和系统，包括气缸体、油底壳、 曲轴箱
缸盖：组成燃烧室，布置各种零部件
2．曲柄连杆机构
作用：将活塞的往复直线运动—曲轴的旋转运动对外输出动力 组成：活塞、连杆、曲轴三部分
（3）作功行程
在压缩行程结束时，喷油泵将柴油泵入喷油器， 并通过喷油器喷入燃烧室。因为喷油压力很高，喷 孔直径很小，所以喷出的柴油呈细雾状。细微的油 滴在炽热的空气中迅速蒸发汽化并借助于空气的运 动，迅速与空气混合形成可燃混合起。由于气缸内 的温度远高于柴油的自燃点，因此柴油随即自行着 火燃烧。燃烧气体的压力、温度迅速升高，体积急 剧膨胀。在气体压力的作用下，活塞推动连杆，连 杆推动曲轴旋转做功。
5．按冷却方式
风冷： 以空气为冷却介质，没有专门的冷却系统 如：摩托
车、小型柴油机、坦克
水冷： 以液体为冷却介质，有专门的冷却系统
6．按进气方式
增压：在进气过程中，可燃混合气或空气是通过装 在进气管道上的增压器提高压力，然后进入气缸内 非增压：也叫自然吸气发动机，靠活塞的抽吸作用
7．按着火方式
2．四冲程内燃机工作循环 第一冲程：活塞由上止点移到下止点，即曲轴由 0º转到180º进气门打开，新鲜空气被吸入气缸。 第二冲程：下止点—上止点，180º～360º，气体 被压缩，进排气门均关闭 第三冲程：上止点—下止点，360º～540º，气体 膨胀，进排气门均关闭； 第四冲程：下止点—上止点，540º～720º，废气 被排出，排气门打开。
各零部件油雾
主要部件：集滤器、机油泵、滤清器、各种阀体等
8．起动系
功用：内燃机不能自行起动，借助外力使之运转 主要部件：起动机、蓄电池、点火开关等
起动系
小节 发动机的总体构造
两大机构 五大系统
曲柄连杆机构 配气机构 供给系 点火系 冷却系 润滑系 起动系
第三节 发动机工作原理
知识点：
四冲程发动机工作原理 二冲程发动机工作原理
3．按气缸数
单缸：只有一个气缸 多缸：由多个气缸组成
4．按气缸排列方式
直列立式、V型、 对置式
对置式
其它类型发动机－星型
汪克尔型转子发动机的结构和工作原
斯特林发动机
这种发动机是伦敦的牧师罗巴特 斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命 名为“斯特林发动机”（Stirling engine）。斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上 的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、 遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或 氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。
能力点：
熟练掌握发动机（四冲程和二冲程、汽油机和柴油 机）工作原理；
熟练掌握各冲程的工作特点。
（一）、四冲程发动机工作原理
1．四冲程发动机工作原理 四冲程发动机在活塞行程内完成进气、压缩、作 功和排气四个过程，即在一个活塞行程内只进行 一个过程，因此，活塞行程可分别用四个过程命 名，分别称为进气冲程、压缩冲程、作功冲程、 排气冲程。
活塞由上止点运动到下止点,活塞顶部所扫过的容积，VS =(π/4)D2·S×10-3
6．燃烧室容积（余隙容积）VC ：活塞位于上止点时，
活塞顶部上方的容积
7．气缸最大容积Va 活塞位于下止点时,活塞顶部上方的容积Va= VS + VC
8．内燃机排量 VL 所有气缸的工作容积之和VL =i·VS
9．压缩比ε： 气缸最大容积Va与燃烧室容积VC之比 ε = Vc / Va ε 越大，循环热效率越高
汽油机ε =6～9 有轿车9~11
柴油机ε =16～22
（二）发动机的分类
根据划分标准的不同，可将内燃机分为好多种类 1．根据所用燃料的不同
柴油机： 以柴油为燃料，进气过程中进入汽缸的是纯空气，压缩终 了时喷入柴油，柴油与空气在汽缸内混合由于空气经压缩后 所达到的温度能引起柴油的自燃，这种内燃机也称为压燃式 内燃机。
由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染 和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤ห้องสมุดไป่ตู้ 等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要 热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，外燃机最大的优点是出力和效率不 受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。
汽油机示功图
4、四冲程柴油机的工作原理
（1）进气行程
在柴油机进气行程中，被吸入气缸的只是纯净 空气。由于柴油机进气系统阻力较小，残余废气 的温度较低，因此进气行程结束时气缸内气体的 压力较高，约为0.085－0.095Mpa (相对于汽油机 而言)。
（2）压缩行程
因为柴油机的压缩比大，所以压缩行程终了时 气体压力可高达3～5 Mpa，温度可高达750－ 1000K。
排气行程
进气门关闭
排气门打开
P
上Z
止 点
下 止 点
残余废气
c
大气压力线 r
b
活 塞
温度900~1200 K 压力 105~125 kPa
V 示功图
1、进气行程 2、压缩行程 3、作功行程 4、排气行程
单缸四冲程汽油机的工作过程
进气行程 压缩行程 做功行程
排气行程
发动机气门开启角度之间的关系
（5）汽油机示功图
5．点火系统：汽油机和煤气机所采用，点燃混合气
主要部件：火花塞、点火线圈、断电器、分电器
6．冷却系
功 用：防止发动机过热，及时散发热量 分 类：风冷、水冷 主要部件：水泵、风扇、水箱、节温器
7．润滑系
功 用：润滑、冷却、清洁、密封、防腐 润滑方式：
飞溅润滑：靠曲轴等旋转部件飞溅起的油滴润滑 压力润滑：靠润滑系统建立起的油压经过各个油道润滑
油泵
排气行程
（二）二冲程发动机工作原理
1．特点
二冲程发动机的工作循环是在两个活塞 行程即曲轴旋转一圈的时间内完成的。经 过两个冲程完成一个工作循环，包括进气、 压缩、作功、排气四个过程；没有专门的 配气机构。
2．换气机构
没有进排气门，换气是通过三个孔（进气 孔、排气孔、扫气孔）来实现，混合燃气 在曲轴箱内完成混合。
3．配气机构
功用：定时开启和关闭进排气门 主要部件：气门组、传动组
4、燃油供给系统
3供给系统
作用：将燃油系统和空气及时地供给气缸，并将燃烧后的废 气及时排除
主要部件：化油器或电控喷油器（汽）、高压油泵和喷油器、 电控及共轨系统（柴）、空气滤清器、进气管、排气 管、消声器等
电控汽油喷射系统的供给系统
汽油机： 以汽油为燃料，空气与汽油在气缸外混合，形成可燃混合 气后进入气缸，经压缩后依靠火花塞产生电火花引起燃烧。 煤气机： 汽油机进行适当的改进。
2．按冲程数
二冲程： 每两个活塞行程（曲轴每转一转）完成一个工作 循环。如摩托车的多数发动机。 四冲程： 每四个活塞行程（曲轴每转两转）完成一个工作循 环。绝大多数发动机所采用。
活塞上行，气缸内气体被压缩，缸内压力温度都升高： p=0.6～1.2MPa；T=600～700K
压缩行程
进气门关闭
压缩比：
ε=Va/Vc
活
温度600~800K，
塞
压力0.6~1.2 MPa
排气门关闭
上 止
P点
下 止 点
c
大气压力线 r a
示功图
V
（3）作功行程
（燃烧及膨胀行程）
在压缩上止点前10 －15 ºCA，火花塞 点火，引燃可燃混 合气，形成火焰中 心。 高温高压燃气推动 活塞下行，对外作 功：p=3－5MPa； T=2200－2700K。
气缸吸气时汽缸内气压p=0.075～0.09MPa<大气压； 气缸温度T=370～400K。
进气行程
温度370~440 K， 压 力75~90 kPa
进气门开启
排气门关闭
上 止
P点
下 止 点
活 塞
大气压力线 r
a
示功图：表示活塞在不同位置 时气缸内气体压力的变化情况。
示功图
V
（2）压缩行程
由进气门关闭到活塞移到上止点（成为压缩上止点）为止, 进排气门都关闭。
3．工作过程
以采用曲轴箱扫气的单缸二冲程汽油机为例：
上行冲程：活塞上移，三个孔均关，开始压缩气体， 同时，活塞上移使曲轴箱出现真空，上行到进气 孔打开时，新鲜混合气进入曲轴箱。
下行冲程：活塞接近下止点时，电火花产生点燃 可燃混合气，使其温度、压力上升，推动活塞下 行作功，行致排气口打开，废气排出。另外，进 气口关闭，下行活塞使其压缩，受压气体经扫气 口进入气缸，完成换气过程。
汽油控制喷油系统
电控共轨柴油机共轨系统-依维柯索菲姆
TDl是英文Turbo Charged Direct lnjection的缩写，翻译成中文就是涡轮增压+电控共轨柴 油直喷的意思。这种采用了新型技术的柴油发动机，保留了柴油发动机优点的同时，在震 动噪音以及动力方面，已经达到甚至超过汽油发动机的性能，因而得到欧洲用户的普遍欢 迎。TDl只不过是新型柴油发动机的一种，它并非大众独有的某种技术，其他厂商也有类似 技术的柴油发动机。