发动机工作原理与总体构造.ppt

,发动机基本术语与类型 发动机简单工作原理 发动机性能指标,第一章 发动机工作原理与总体构造,发动机基本术语 发动机分类 发动机总体构造,第一节 发动机基本术语和类型,发动机 是汽车的动力源，是把某一种形式的能量转变成机械能的机器。现代汽车所使用的发动机多为内燃机。内燃机把燃料燃烧的化学能转变成热能，然后又把热能转变成机械能，并且这种能量转换过程是在发动机气缸内部进行的。汽车上使用的内燃机主要是汽油机和柴油机。,发动机,工作循环：在发动机内，每一次将热能转变为机械能都必须经过吸入空气、压缩和输入燃料，使之发火燃烧而膨胀作功，然后将生成的废气排除这样一系列连续过程，称为一个工作循环。一个工作循环包括进气、压缩、作功 和排气四个过程,一、发动机的基本术语,发动机结构示意图,单缸发动机结构示意图,上止点（Top Dead Center）活塞离曲轴旋转中心最远的位置 下止点（Bottom Dead Center）活塞离曲轴旋转中心最近的位置 活塞行程 S 上下止点之间的距离,上止点 下止点 活塞行程,曲柄半径 R 曲轴旋转中心到曲柄销中心的距离 气缸工作容积（排量）VS（L）活塞由上止点运动到下止点，活塞顶部所扫过的容积 VS=(/4)D2S10-6,曲柄半径 气缸工作容积,燃烧室容积（压缩容积）VC 活塞位于上止点时，活塞顶部上方的容积 气缸总容积 Va 气缸工作容积与燃烧室容积之和 Va=VS+VC,燃烧室容积 气缸总容积,压缩比 气缸总容积与燃烧室容积之比=Va/VC=1+VS/VC 表示气缸内气体被压缩的程度（压缩终了气体）P、T 汽油机一般611，柴油机一般1622,压缩比,发动机（内燃机）排量 VL（L）所有气缸的工作容积之和 VL=iVS,发动机排量,热能动力装置（热机）内燃机 直接以燃料燃烧所生成的燃料产物为工质的热机 活塞式内燃机（汽车发动机）往复活塞式 旋转活塞式 燃气轮机 外燃机 燃料燃烧加热其它工质（水）蒸气机 汽轮机,二、发动机的分类,液体燃料发动机 汽油机 柴油机 代用燃料（非石油燃料）发动机 酒精、氢气、甲醇发动机等 气体燃料发动机 天然气发动机 液化石油气发动机等,按所用燃料种类,四冲程发动机 二冲程发动机,按工作循环的冲程数,点燃式发动机、压燃式发动机,按发火方式,单缸发动机 多缸发动机,按气缸数,直列立式、直列卧式、V型发动机,按气缸排列方式,水冷发动机 风冷发动机,按冷却方式,非增压发动机 增压发动机,按进气方式,每气缸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；每气缸设有2个进气门和2个排气门的发动机，称为四气门发动机；每气缸设有3个进气门和2个排气门的发动机，称为五气门发动机。,按每气缸的气门数,20100903Z,第二节 发动机的总体构造,机体 气缸体+曲轴箱的连铸体 构成气缸的零件称做气缸体 支承曲轴的零件称作曲轴箱 骨架作用，安装各个机构和系统气缸盖 组成燃烧室，布置各零件,机体组,主要件 活塞、连杆、曲轴 功用 将活塞的往复直线运动曲轴的旋转运动，对外输出动力,活塞连杆组,曲轴飞轮组,机体组,曲柄连杆机构,曲柄连杆机构,功用：将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动汽车车轮转动组成：由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等,功用 定时开启和关闭进排气门 主要部件 气门组 传动组,配气机构,配气机构,功用：按工作循环和发火次序的要求，定时开、闭进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出组成：气门组、气门传动组,配气机构,功用：按工作循环和发火次序的要求，定时开、闭进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出组成：气门组、气门传动组,燃油供给系统 将燃油及时供给气缸 进、排气系统 将空气及时供给气缸 将废气及时排除,供给系统,供给系统,空气供给系统：向发动机提供混合气燃烧所需要的空气，并测出进入气缸的空气量燃油供给系统：向发动机提供燃烧混合气所需的燃油量电子控制系统：对各种传感器送来的信息进行运算、处理和分析判断，然后发出各种控制指令，使执行器按规定动作。同时具有故障检测功能(OBD),汽油机点燃混合气通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。,点火系统,点火系统,功用：是在压缩行程终了时准确点火组成：由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等,返回,功用 防止发动机过热，及时散热 分类 风冷系 水冷系,冷却系,冷却系的工作演示,冷却系统,功用：使发动机 在所有工况下都 保持在适当的温 度范围内组成：由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等。,返回,功用 润滑、冷却、清洁、密封、防腐 润滑方式 压力润滑 飞溅润滑,润滑系,润滑系的油路,润滑系统,功用：向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。组成：由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等。,利用外力起动发动机,起动系,起动系统,功用：起动系统是在发动机以自身动力运转之前，协同启动发动机的机电部件的结合。它将蓄电池的电能转变为机械能组成：蓄电池、点火开关、起动机,第三节 四冲程发动机工作原理,四冲程汽油机工作原理四冲程柴油机工作原理,工作循环 进气行程 压缩行程 作功行程 排气行程,四冲程内燃机工作循环,工作循环特点,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,一、四冲程汽油机工作原理,排气门关闭,进气门开启,活塞,温度370440 K，压力7590 kPa,大气压力线,P,V,r,a,示功图,上止点,下止点,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。,进气行程,进气提前角 早于上止点开启 增加进入气缸内的混合气量 进气晚关角 迟于下止点关闭 减少进气过程所消耗的功 进气终了时刻 p：约为0.070.09MPa大气温度,由进气门开启到进气门关闭,P,r,a,V（）,大气压力线,进气行程示功图,进气门关闭,排气门关闭,活塞,压缩比：=Va/Vc,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,上止点,下止点,温度600800K，压力6001500 kPa,压缩行程,（压缩上止点）进气门关闭 排气门关闭 活塞上行，气缸内气体被压缩，缸内压力温度都升高 p：约为0.81.5MPa T：约为600750K,由进气门关闭到活塞移到上止点,P,r,a,V（）,大气压力线,c,压缩行程示功图,进气门关闭,排气门关闭,活塞,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,瞬时最高：温度22002800 K，压力35MPa,作功终了：温度15001700 K，压力300500 kPa,作功行程,火花塞跳火，点燃可燃混合气，燃烧气体的体积急剧膨胀 进气门关闭 排气门关闭 高温高压燃气推动活塞下行，对外作功 p：高达3.06.5MPa T：高达22002800K 作功行程结束时 p：约为0.350.5MPa T：约为12001500K,燃气压力推动活塞由上止点移至下止点,P,r,a,V（）,大气压力线,c,Z,b,作功行程示功图,进气门关闭,排气门打开,活塞,P,V,r,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,温度9001200 K 压力105125 kPa,残余废气,排气行程,排气提前角 早于下止点开启 减少气缸内的废气量排气晚关角 迟于上止点关闭 减少排气过程消耗的功 排气终了时，残余废气 p：0.1050.12MPa T：9001100K 气门重叠角 在排气门关闭之前，进气门就已打开，进 气门同时开启时期所对应的曲轴转角,从排气门开启到排气门关闭的时刻,P,r,a,V（）,大气压力线,c,Z,b,排气行程示功图,二、四冲程柴油机工作原理,吸入的只是纯净空气 进气系统阻力较小，残余废气的温度较低 进气行程结束时 P：约为0.0850.095MPa T：约为310340K 压缩行程 压缩比大 压缩行程终了时 P：高达35 MPa T：高达7501000K,进气行程,喷油器高压雾状喷油（1020MPa）柴油蒸发汽化，形成可燃混合气 温度远高于柴油的自燃点（600K）燃气压力、温度迅速升高，膨胀作功 最大压力和温度 P：高达69MPa T：高达18002200K 作功行程结束时 P：0.20.5MPa T：10001200K,作功行程,排气终了时残余废气 P：约为0.1050.12MPa T：约为700900K,排气行程,P,r,a,大气压力线,V（）,Z,b,c,四冲程柴油机示功图,喷油器,喷油泵,吸气行程,压缩行程,作功行程,排气行程,进气门,排气门,纯空气,温度300370K压力800900 kPa,温度8001000K压力35 MPa,瞬时：温度18002200K压力510 MPa,温度8001000K压力105400 kPa,终了：温度8001000K压力105400 kPa,四冲程柴油机的工作原理,四冲程汽油机和柴油机工作循环相同之处,1、每个工作循环曲轴转两周，每一行程曲轴转半周。2、只有作功行程产生动力。,四冲程汽油机和四冲程柴油机不同之处(20100907Z),第四节 二冲程内燃机工作原理,二行程发动机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈(360)，活塞上下往复运动两个行程内完成的。,因此，二行程发动机与四行程发动机工作原理不同，结构也不一样。,*观看动画,一、曲轴箱换气式二冲程汽油机,压缩混合气,进气,点火燃烧,排气,扫气孔,进气孔,排气孔,火花塞,二冲程汽油机工作原理,活塞在曲轴带动下由下止点移至上止点 扫气：活塞由下止点关闭扫气孔 额外排气：排气孔未关 压缩：三个孔均关，直到上止点 进气：活塞上行到进气孔打开，新 混合气进入曲轴箱,上行冲程（第一行程）,活塞由上止点移至下止点 作功：排气孔和扫气孔均关闭，进气孔未 关，直至排气孔打开 进气：混合气被压缩直至进气孔关闭 先期排气：排气孔开启，膨胀后的废气排出 扫气：扫气孔打开活塞到下止点,下行冲程（第二行程）,a：排气孔关闭 ac：压缩过程 czb：作功过程 b：排气孔打开 bf：先期排气 f：扫气孔开启 fdh：扫气 h：扫气孔关闭 ha：额外排气 换气过程：bda（130150曲轴转角）,二冲程汽油机示功图,5、二冲程汽油机由于燃油消耗率高、HC等排放严重而逐渐淘汰出摩托车用市场，（但军用小型无人航空飞行器却因其体积小、重量轻、单位气缸工作容积输出功率大而仍被看好，但要解决电控汽油喷射技术甚至废气涡轮增压技术）,1、理论上同样发动机排量、同样工作转速的发动机其功率应等于四冲程汽油机的二倍，实际上由于实际压缩比小于名义压缩比，气缸内进气不足（进气时间短，存在给气和扫气损失），只等于1.51.6倍。,2、二冲程汽油机没有配气机构，结构简单，体积小，重量轻，容易维修。,3、二冲程汽油机作功间隔短，发动机运转平稳，飞轮转动惯量小，容易上高速。,4、二冲程汽油机燃油消耗率远较四冲程汽油机的燃油消耗率高，HC等排放严重。,二冲程汽油机与四冲程汽油机比较,带扫气泵的气门气孔式直流扫气二冲程柴油机工作原理如下图。,二、二行程柴油机工作原理,换气,燃烧,排气,压缩,喷油器,空气,扫气泵,废气,排气门,二冲程柴油机工作原理,理论上它的功率应等于四冲程发动机的二倍。由于作功频率较大，二冲程发动机的运转比较均匀平稳。构造简单，质量较小。易受磨损和经常需要修理的运动部件数量较少。,二冲程发动机与四冲程发动机相比,主要性能指标 速度特性与负荷 内燃机产品名称,第五节 发动机的性能指标,发动机的性能指标 用来衡量发动机性能好坏的标准 动力性指标：表征内燃机对外作功能力 经济性指标：发动机油耗 环境指标：排放性和噪声水平 强化指标：承受热负荷和机械负荷的能力 紧凑性指标：表征发动机总体结构紧凑程度 可靠性指标：表征发动机正常持续工作能力 耐久性指标：主要零件磨损损坏的极限时间 工艺性指标：制造工艺性和维修工艺性好坏,一、主要性能指标,有效转矩 发动机对外输出的转矩 Te（单位：Nm）有效功率 发动机曲轴的输出功率 Pe=Te(2n/60)10-3(KW)Te有效转矩（Nm）n曲轴转速（r/min）,1.动力性指标,发动机转速 发动机曲轴每分钟的回转数 n（单位：r/min）发动机转速n一般范围 车用汽油机：40006000 r/min 车用柴油机：20004000 r/min 平均有效压力 单位气缸工作容积输出的有效功 pme（单位：MPa）平均有效压力发动机作功能力 平均有效压力pme一般范围：汽油机：0.651.2 MPa 柴油机：0.60.95 MPa,发动机转速与平均有效压力,标定工况：发动机在标定功率/标定转速下 的工作状况（可靠性和寿命）同一发动机用途不同，标定功率不同 标定功率最大功率，是根据发动机用途制定的有效功率最大使用限度 发动机产品标牌上数据（华晨宝马325i）最大功率Kw(Ps)/rpm：160(218)/6500 最大扭矩(Nm/rpm)：250/27504250,标定功率/标定转速,有效热效率e 燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数。有效燃油消耗率be 发动机每输出1KWh有效功率所消耗的燃油量。be=(B/Pe)103 g/(KWh)B每小时的燃油消耗量（kg/h）Pe有效功率（kW）,2.经济性指标,有害排放物（排放限制值见国标）汽油机 主要是废气中的CO和HC的量 对柴油机 主要是废气中的NOx和颗粒的排放量 发动机的噪声 是汽车噪声的主要来源 约占城市噪声的75%GB：M1(轿车)噪声74dB（A）,3.运作性能指标,起动性能 我国标准规定：不采用特殊的低温起动措施，汽油机在-10、柴油机在-5 以下的气温条件下起动发动机时，15s以内发动机要能自行运转。,3.运作性能指标,发动机主要有害排放及危害,发动机主要有害排放及危害,发动机特性 发动机性能指标随工况而变化的关系称为发动机特性。这种关系以曲线的形式表示，称为发动机特性曲线。发动机速度特性 发动机的Te、Pe、be随n的变化关系。发动机外特性 指节气门全开时的速度特性。发动机部分特性 指在节气门部分开启时所得到的速度特性。,二、速度特性与负荷,二、速度特性与负荷,外特性代表发动机的最高动力性能,奥迪100 1.8L轿车发动机外特性,发动机负荷 同一转速n时：Pe/Pe（max）%发动机工况 发动机某时刻的运行状况 用Pe和n表示 负荷与工况示例 工况a：负荷为0 工况b：负荷（20/45）=44.4%工况c：负荷（32/45）=71.1%工况d：负荷（45/45）=100%（全负荷）,：外特性：部分特性：部分特性,发动机负荷,首 部,中 部,后 部,尾 部,系列代号,换代符号,地方、企业代号,缸 数 符 号,气缸布置形式符号,冲程符号（E表示二冲程，四冲程不标号）,缸径符号毫米,结构特征符号,用途特征符号,区分符号,三、内燃机产品名称和型号编制规则,国家标准GB725-91,12V135ZG 12缸、V型、四冲程、缸径135mm、水冷增压、工程机械用6E430SDzZCz 6缸、二冲程、缸径430mm、水冷增压、十字头式、可倒转、增压、船用主机、左机基本型,示例,