第一章第一章 发动机的工作原理发动机的工作原理 和总体构造和总体构造1-1 内燃机的基本结构及基本术语 一、基本结构 往复活塞式内燃机的工作腔称作气缸，气缸内表面为圆柱形。在气缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴相连，构成曲柄连杆机构。因此，当活塞在气缸内作往复运动时，连杆便推动曲轴旋转，或者相反。同时，工作腔的容积也在不断的由最小变到最大，再由最大变到最小，如此循环不已。气缸的顶端用气缸盖封闭。在气缸盖上装有进气门和排气门，进、排气门是头朝下尾朝上倒挂在气缸顶端的。通过进、排气门的开闭实现向气缸内充气和向气缸外排气。进、排气门的开闭由凸轮轴控制。凸轮轴由曲轴通过齿形带或齿轮或链条驱动。进、排气门和凸轮轴以及其他一些零件共同组成配气机构。通常称这种结构形式的配气机构为顶置气门配气机构。现代汽车内燃机无一例外地都采用顶置气门配气机构。构成气缸的零件称作气缸体，支承曲轴的零件称作曲轴箱，气缸体与曲轴箱的连铸体称作机体。二、基本术语 1. 工作循环 活塞式内燃机的工作循环是由进气、压缩、作功和排气等四个工作过程组成的封闭过程。周而复始地进行这些过程，内燃机才能持续地作功。2.上、下止点 活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点；活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点。在上、下止点处，活塞的运动速度为零。3.活塞行程 上、下止点间的距离 S 称为活塞行程。曲轴的回转半径 R 称为曲柄半径。显然，曲轴每回转一周，活塞移动两个活塞行程。对于气缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机，其 S2R 。4.气缸工作容积 上、下止点间所包容的气缸容积称为气缸工作容积。6.燃烧室容积燃烧室容积活塞位于上止点时，活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室，其容积称为燃烧室容积，也叫压缩容积。7.气缸总容积气缸总容积气缸工作容积与燃烧室容积之和为气缸总容积。8.压缩比压缩比 气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比 。 压缩比的大小表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。9.工况工况 内燃机在某一时刻的运行状况简称工况，以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机转速。10.负荷率负荷率 内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率，以百分数表示。负荷率通常简称负荷。1-2 内燃机工作原理 一、四冲程汽油机工作原理 四冲程往复活塞式内燃机在四个活塞行程内完成进气、压缩、作功和排气等四个过程，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。1.进气行程进气行程 活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时排气门关闭，进气门开启。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度。空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。2.压缩行程压缩行程 进气行程结束后，曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点。这时，进、排气门均关闭。随着活塞移动，气缸容积不断减小，气缸内混合气被压缩，其压力和温度同时升高。3.作功行程作功行程 压缩行程结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体体积急剧膨胀，压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴旋转作功。这时，进、排气门仍旧关闭。4.排气行程排气行程 排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点，此时膨胀过后的燃烧气体(或称废气)在其自身剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭。1、进气冲程进气冲程 活塞：从上止点移动到下止点 气门：进气门打开，排气门关闭 曲轴：旋转从 0A180A 进气终了压力：Pde0.0750.09 MPa 进气终了温度：Tde370400 K 2、压缩冲程压缩冲程 活塞：从下止点移动到上止点 气门：进气门关闭，排气门关闭 曲轴：旋转从180A360A 压缩终了压力：Pco0.82.0 MPa 压缩终了温度：Tco600700 K3、做功冲程做功冲程 活塞：从上止点移动到下止点 气门：进气门关闭，排气门关闭 曲轴：旋转从360A540A 最高压力：Pmax3.06.5 MPa 最高温度：Tmax22002800 K 膨胀终了压力：Pex0.30.6 MPa 膨胀终了温度：Tex12001500 K4、排气冲程排气冲程 活塞：从下止点移动到上止点 气门：进气门关闭，排气门开启 曲轴：旋转从540A720A 排气终了气体压力(残余废气压力)：Pr0.1050.115 MPa 排气终了气体温度(残余废气温度)：Tr9001100 K 四冲程柴油机的工作循环同样包括进气、压缩、作功和排气等四个过程，在各个活塞行程中，进、排气门的开闭和曲柄连杆机构的运动与汽油机完全相同。只是由于柴油和汽油的使用性能不同，使柴油机和汽油机在混合气形成方法及着火方式上有着根本的差别。二、二、 四冲程柴油机四冲程柴油机 工作原理工作原理1.进气行程 在柴油机进气行程中，被吸入气缸的只是纯净的空气。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高。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气。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，连杆推动曲轴旋转作功。4.排气行程 排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，燃烧后废气排出气缸。1、进气冲程进气冲程 与汽油机主要区别：进入气缸的是纯空气。 进气终了压力：Pde0.080.09MPa 进气终了温度：Tde340380K2、压缩冲程压缩冲程 与汽油机的主要区别： 压缩比高于汽油机；在压缩过程快要结束的时候，喷油器向气缸内喷入柴油。当油与空气混合后在高压下达到其自燃点就开始着火燃烧。 压缩终了压力：Pco3.05.0 MPa 压缩终了温度：Tco7501000K3、做功冲程柴油机由于是边喷油、边混合、边燃烧，所以，所以最开始虽然活塞有所下行，但气缸内的压力基本不变。最高压力：pmax4.59MPa最高温度：Tmax18002500K膨胀终了压力：pex0.20.5MPa膨胀终了温度：Tex10001200K4、排气冲程排气终了气体压力：Pr0.1050.12MPa排气终了气体温度：Tr700900K四冲程汽油机、柴油机缸内压力、温度比较四冲程汽油机、柴油机缸内压力、温度比较（P：MPa ；T：K）汽油机柴油机 进 气pde0.0750.090.080.09Tde370400340380 压 缩pco0.61.23.05.0Tco6007007501000 做 功pmax3.06.54.59Tmax2200280018002500pex0.30.60.20.5Tex1200150010001200 排 气 pr0.1050.1150.1050.12 Tr9001100700900三、二冲程汽油机工作原理 二冲程内燃机的工作循环是在两个活塞行程即曲轴旋转一周的时间内完成的。在四冲程内燃机中，常把排气过程和进气过程合称为换气过程。在二冲程内燃机中换气过程是指废气从气缸内被新气扫除并取代的过程。这两种内燃机工作循环的不同之处主要在于换气过程。 1.第一行程第一行程活塞在曲轴带动下由下止点移至上止点活塞在曲轴带动下由下止点移至上止点 当活塞还处于下止点时，进气孔被活塞关闭，排气孔和扫气孔开启。这时曲轴箱内的可燃混合气经扫气孔进入气缸，扫除其中的废气。随着活塞向上止点运动，活塞头部首先将扫气孔关闭，扫气终止。但此时排气孔尚未关闭，仍有部分废气和可燃混合气经排气孔继续排出，称其为额外排气。当活塞将排气孔也关闭之后，气缸内的可燃混合气开始被压缩。直至活塞到达上止点，压缩过程结束。2.第二行程第二行程活塞由上止点移至下止点活塞由上止点移至下止点 在压缩过程终了时，火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃。燃烧气体膨胀作功。此时排气孔和扫气孔均被活塞关闭，惟有进气孔仍然开启。空气和汽油经进气孔继续流入曲轴箱，直至活塞裙部将进气孔关闭为止。随着活塞继续向下止点运动，曲轴箱容积不断缩小，其中的混合气被预压缩。此后，活塞头部先将排气孔开启，膨胀后的燃烧气体已成废气，经排气孔排出。至此作功过程结束，开始先期排气。随后活塞又将扫气孔开启，经过预压缩的可燃混合气从曲轴箱经扫气孔进入气缸，扫除其中的废气，开始扫气过程。这一过程将持续到下一个活塞行程中扫气孔被关闭时为止。四、 二冲程柴油机工作原理 1第一行程第一行程活塞由下止点移至上止点活塞由下止点移至上止点 当活塞还处于下止点位置时，进气孔和排气门均已开启。扫气泵将纯净的空气增压到0.120.14MPa后，经空气室和进气孔送入气缸，扫除其中的废气。废气经气缸顶部的排气门排出。当活塞上移将进气孔关闭的同时，排气门也关闭，进入气缸内的空气开始被压缩。活塞运动至上止点，压缩过程结束。2第二行程第二行程活塞由上止点移至下止点活塞由上止点移至下止点 当压缩过程终了时，高压柴油经喷油器喷入气缸，并自行着火燃烧。高温高压的燃烧气体推动活塞作功。当活塞下移2/3行程时，排气门开启，废气经排气门排出。活塞继续下移，进气孔开启，来自扫气泵的空气经进气孔进入气缸进行扫气。扫气过程将持续到活塞上移时将进气孔关闭为止。五、汽油机与柴油机、四冲程与二冲程内燃机的比较五、汽油机与柴油机、四冲程与二冲程内燃机的比较 以上叙述了各类往复活塞式内燃机的简单工作原理，从中可以看出汽以上叙述了各类往复活塞式内燃机的简单工作原理，从中可以看出汽油机与柴油机、四冲程与二冲程内燃机的若干异同之处。油机与柴油机、四冲程与二冲程内燃机的若干异同之处。 四冲程汽油机与四冲程柴油机的共同点是：四冲程汽油机与四冲程柴油机的共同点是：1) 每个工作循环都包含进气、压缩、作功和排气等四个活塞行程，每个行程各占180曲轴转角，即曲轴每旋转两周完成一个工作循环。2) 四个活塞行程中，只有一个作功行程，其余三个是耗功行程。显然，在作功行程曲轴旋转的角速度要比其他三个行程时大得多，即在一个工作循环内曲轴的角速度是不均匀的。为了改善曲轴旋转的不均匀性，可在曲轴上安装转动惯量较大的飞轮或采用多缸内燃机并使其按一定的工作顺序依次进行工作。两者不同之处是：两者不同之处是：1)汽油机可燃混合气在气缸外部开始形成并延续到进气和压缩行程终了，时间较长。柴油机可燃混合气在气缸内部形成，从压缩行程接近终了时开始，并占小部分作功行程，时间很短。2)由于柴油机压缩比较高，燃料燃烧非常完全，所以柴油机的有效热效率 好，经济性好。 汽油机：be=270325 g/(kw.h) 柴油机: be=214285 g/(kw.h)3)汽油机的可燃混合气用电火花点燃，柴油机则是自燃。所以又称汽油机为点燃式内燃机，称柴油机为压燃式内燃机。柴油机无点火系，所以故障少些，易保养。但柴油机有高精度零件如喷油泵、喷油器等，其成本较高，并且加工较难。4)柴油机最高爆发压力高，所以对发动机零部件强度要求高，这样导致柴油机笨重。5)柴油机转速低于汽油机原因：(1)由于柴油机压缩比高，所以其受到机械负荷较大，故其零部件的质量需较大，导致运动时惯性力较大。 (2)汽油机可燃混合气的混合时间和质量优于柴油机。 6)柴油机运转噪音高，但有害气体的排放优于汽油机，而微粒排放较高。7)柴油机启动困难，汽油机易启动。二冲程内燃机与四冲程内燃机相比具有下列一些特点二冲程内燃机与四冲程内燃机相比具有下列一些特点:1)曲轴每转一周完成一个工作循环，作功一次。当曲轴转速相同时，二冲程内燃机单位时间的作功次数是四冲程内燃机的两倍。由于曲轴每转一周作功一次，因此曲轴旋转的角速度比较均匀。2)二冲程内燃机的换气过程时间短，仅为四冲程内燃机的1/3左右。另外，进、排气过程几乎同时进行，利用新气扫除废气，新气可能流失，废气也不易清除干净。因此，二冲程内燃机的换气质量较差。3)曲轴箱换气式二冲程内燃机因为没有进、排气门，而使结构大为简化。 五、 多缸发动机的工作原理多缸发动机的工作原理 就能量转换过程，发动机的每一个气缸和单缸机的工作过程是完全一样的，都要经过进气、压缩、作功和排气四个行程。但是单缸发动机的四个行程中只有一个行程作功，其余三个行程不作功，即曲轴转两圈，只有半圈作功，所以运转平稳性较差，功率越大，平稳性就越差。为了使运转平稳，单缸机一般都装有一个大飞轮。而多缸发动机的作功行程是差开的，按照工作顺序作功，即曲轴转两圈交替作功，因此，运转平稳，振动小。缸数越多，作功间隔角越小，同时参与作功的气缸越多，发动机运转越平稳。 1-3 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。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机，要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统。 汽油机由以下两大机构和五大系统组成，汽油机由以下两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。要点火系。 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。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。2.配气机构 配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。3.冷却系统 冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。4.燃料供给系统 汽油机燃料供给系的功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出到大气中去；柴油机燃料供给系的功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。5.润滑系统 润滑系的功用是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。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。6.点火系统 在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。7.起动系统 要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。1、风扇、风扇2、水泵、水泵3、气缸盖、气缸盖4、小循环水管、小循环水管5、进、排气歧管总成、进、排气歧管总成6、曲轴箱通风装置、曲轴箱通风装置7、化油器、化油器8、气缸盖出水管、气缸盖出水管9、摇臂机构、摇臂机构10、曲轴箱通风管、曲轴箱通风管11、气缸体、气缸体12、后挺杆室盖、后挺杆室盖13、曲轴箱通风挡油板、曲轴箱通风挡油板14、飞轮壳、飞轮壳15、飞轮、飞轮16、发动机后悬、发动机后悬 置螺栓、螺母置螺栓、螺母17、限位板、限位板18、发动机后悬、发动机后悬 置软垫置软垫19、油底壳衬垫、油底壳衬垫20、凸轮轴、凸轮轴21、曲轴止推片、曲轴止推片22、曲轴、曲轴23、主轴承盖、主轴承盖24、机油泵、分电器总成、机油泵、分电器总成25、活塞、连杆总成、活塞、连杆总成 26、油底壳、油底壳27、机油泵、机油泵28、发动机前悬置软垫总成、发动机前悬置软垫总成29、发动机前悬置支架总成、发动机前悬置支架总成30、风扇皮带、风扇皮带31、正时齿轮室盖及曲轴前油封、正时齿轮室盖及曲轴前油封32、曲轴正时齿轮、曲轴正时齿轮33、凸轮轴正时齿轮、凸轮轴正时齿轮34、空气压缩机皮带、空气压缩机皮带东风 EQ6100-1 型汽油机轴侧剖视图51、排气管、排气管27、机油泵、机油泵 东风 EQ6100-1 型汽油机横剖视图7、化油器、化油器35、曲轴箱通风单向阀、曲轴箱通风单向阀36、进气管、进气管37、绝热垫及衬垫、绝热垫及衬垫38、空气滤清器、空气滤清器 ：52、弯管接头、弯管接头53、弹簧、弹簧54、单向阀、单向阀55、阀体、阀体11、气缸体、气缸体48、出水弯管、出水弯管50、放水阀、放水阀49、机油细滤器、机油细滤器3、气缸盖、气缸盖39、气缸套、气缸套40、定位销、定位销41、挺杆室衬垫、挺杆室衬垫42、挺杆室盖、挺杆室盖43、分电器、分电器44、加机油管和盖、加机油管和盖45、汽油泵、汽油泵46、机油滤清器、机油滤清器47、联轴套、联轴套19、油底壳衬垫、油底壳衬垫26、油底壳、油底壳15、气缸盖罩、气缸盖罩桑塔纳轿车（2000GSI）电喷发动机 （AJR）外形图1、正时齿形带护罩、正时齿形带护罩2、空调压缩机、空调压缩机3、空调压缩机带轮、空调压缩机带轮4、多楔皮带、多楔皮带5、曲轴带轮、曲轴带轮6、张紧轮、张紧轮7、发电机带轮、发电机带轮8、导向轮、导向轮9、动力转向油泵、动力转向油泵10、动力转向泵带轮、动力转向泵带轮11、发电机、发电机12、进气歧管、进气歧管13、机油标尺、机油标尺14、燃油分配管、燃油分配管35、油底壳、油底壳桑塔纳轿车（2000GSI）电喷发动机 （AJR）轴侧剖视图16、正时齿形皮带、正时齿形皮带17、凸轮轴正时齿形带轮、凸轮轴正时齿形带轮18、水泵齿形带轮、水泵齿形带轮19、曲轴正时齿形带轮、曲轴正时齿形带轮20、机油泵传动链、机油泵传动链21、机油泵、机油泵22、曲轴、曲轴23、水泵、水泵24、活塞、活塞25、排气门、排气门26、进气门、进气门27、气缸体、气缸体28、气缸盖、气缸盖29、液压挺柱、液压挺柱30、凸轮轴、凸轮轴31、喷油器、喷油器32、机油滤清器、机油滤清器33、机油压力限压阀、机油压力限压阀34、连杆、连杆喷油器喷油器气缸盖罩气缸盖罩加机油口加机油口气缸盖气缸盖排气歧管排气歧管进气歧管进气歧管发电机发电机空调压缩机空调压缩机导向轮导向轮动力转向泵带轮动力转向泵带轮水泵水泵气缸体气缸体曲轴箱曲轴箱油底壳油底壳机油泵链轮机油泵链轮曲轴曲轴连杆连杆活塞活塞进气门进气门凸轮轴凸轮轴液压挺柱液压挺柱气门弹簧气门弹簧桑塔纳轿车（2000GSI）电喷发动机 （AJR）横剖面图（3）化油器式汽油机上的进、排气歧管）化油器式汽油机上的进、排气歧管布置于发动机一侧，便于加热进气管，促布置于发动机一侧，便于加热进气管，促使燃油雾化，而柴油机上的进、排气歧管使燃油雾化，而柴油机上的进、排气歧管全都部置于发动机异侧，以免进气受到加全都部置于发动机异侧，以免进气受到加热，减少进气量，降低发动机功率。热，减少进气量，降低发动机功率。高压喷油泵高压喷油泵高压喷油泵高压喷油泵空气滤清器空气滤清器空气滤清器空气滤清器进气歧管进气歧管进气歧管进气歧管排气歧管排气歧管排气歧管排气歧管喷油器总成喷油器总成喷油器总成喷油器总成 6110Q型柴油机横剖面图 四冲程柴油机的结构与四冲程汽油四冲程柴油机的结构与四冲程汽油机的结构主要区别在于：机的结构主要区别在于：（1）柴油机没有点火系，气缸盖上火花）柴油机没有点火系，气缸盖上火花塞的位置被喷油器代替，高压导线被高塞的位置被喷油器代替，高压导线被高压油管代替。压油管代替。.（2）柴油机燃料供给系统不同于汽油机：）柴油机燃料供给系统不同于汽油机：柴油机有高压喷油泵、喷油器，由喷油泵柴油机有高压喷油泵、喷油器，由喷油泵凸轮轴上的凸轮驱动产生高压燃油，喷油凸轮轴上的凸轮驱动产生高压燃油，喷油泵总成中的输油泵类似于化油器式汽油机泵总成中的输油泵类似于化油器式汽油机上的汽油泵，作用是克服燃油流动阻力，上的汽油泵，作用是克服燃油流动阻力，但化油器式汽油机上的汽油泵由配气凸轮但化油器式汽油机上的汽油泵由配气凸轮轴上的偏心凸轮驱动，现代电喷汽油机上轴上的偏心凸轮驱动，现代电喷汽油机上的汽油泵是电动汽油泵。的汽油泵是电动汽油泵。.