发动机原理李加强李加强2010年年9月月1教材及参考书内燃机学第二版 周龙保主编 机械工业出版社内燃机构造与原理陆耀祖 中国建材工业出版社汽车构造第三版 （上） 陈家瑞主编 机械工业出版社考核办法：考试平时成绩20%（考勤、作业）+卷面成绩80%234一、内燃机的定义发动机发动机：将其它形式的能量转化为机械能的机器。：将其它形式的能量转化为机械能的机器。 如风力、水力、电力、热力发动机。如风力、水力、电力、热力发动机。热热 机机 ：外燃机：外燃机蒸汽机、蒸汽轮机等蒸汽机、蒸汽轮机等 。 内燃机内燃机往复活塞式和旋转活塞式等。往复活塞式和旋转活塞式等。热机工作原理的热机工作原理的实质实质是将燃料化学能是将燃料化学能热能热能机械能机械能（即所谓热功转换）（即所谓热功转换） 注意：注意：本课程所提汽车发动机，如无特殊说明，本课程所提汽车发动机，如无特殊说明，都是都是 指指往复活塞式内燃机往复活塞式内燃机。5内燃机的发展简史18601860年，年，LenoirLenoir发明了大气压力式内燃机发明了大气压力式内燃机, ,效率效率5%5%18671867年，年，OttoOtto和和LangenLangen发明的大气压力式内燃机，发明的大气压力式内燃机，效率提高到效率提高到11%11%18761876年，年，OttoOtto提出了四冲程循环，内燃机热效率达提出了四冲程循环，内燃机热效率达到到14%14%，重量减少，重量减少70%70%18901890年，年，ClerkClerk、BenzBenz等人发明了二冲程内燃机等人发明了二冲程内燃机18921892年，年，DieselDiesel发明了柴油机发明了柴油机19571957年，年，WankelWankel发明了转子发动机发明了转子发动机 6二、内燃机的特点二、内燃机的特点 优点：优点：1 1、热效率高、经济性好。、热效率高、经济性好。2 2、功率和转速范围宽广、配套方便。（、功率和转速范围宽广、配套方便。（0.59kw 0.59kw 35000kw35000kw）3 3、结构紧凑、外型尺寸小、重量轻。、结构紧凑、外型尺寸小、重量轻。4 4、起动迅速、操作简单。、起动迅速、操作简单。5 5、水消耗量少。、水消耗量少。6 6、维护方便、技术成熟。、维护方便、技术成熟。7 7、易于实现、易于实现“三化三化”大批量生产。大批量生产。7缺点：缺点：1 1、对燃料品质要求高。、对燃料品质要求高。2 2、低速时转矩不够大。、低速时转矩不够大。3 3、振动较大，超负荷能力小。、振动较大，超负荷能力小。4 4、噪声及废气污染大。、噪声及废气污染大。5 5、结构复杂、整机和零部件加工要求高。、结构复杂、整机和零部件加工要求高。8应用航空农业车辆、机车矿山、建筑及工程机械船舶固定电站军事三、内燃机的应用与分类三、内燃机的应用与分类9分类方法分类方法类类 别别含含 义义按冲程数分按冲程数分二冲程内燃机二冲程内燃机活塞经过两个行程完成一个工作循环的内燃机活塞经过两个行程完成一个工作循环的内燃机四冲程内燃机四冲程内燃机活塞经过四个行程完成一个工作循环的内燃机活塞经过四个行程完成一个工作循环的内燃机按着火方式分按着火方式分点燃式内燃机点燃式内燃机压缩气缸内的可燃混合气，并用外源点火燃烧的内燃机压缩气缸内的可燃混合气，并用外源点火燃烧的内燃机压燃式内燃机压燃式内燃机压缩气缸内的空气或可燃混合气，产生高温，引起燃料着火压缩气缸内的空气或可燃混合气，产生高温，引起燃料着火的内燃机的内燃机按使用燃料种类按使用燃料种类分分液体燃料内燃机液体燃料内燃机燃烧液体燃料（汽油、柴油、醇类等）的内燃机燃烧液体燃料（汽油、柴油、醇类等）的内燃机气体燃料内燃机气体燃料内燃机燃烧气体燃料（液化石油气、天然气等）的内燃机燃烧气体燃料（液化石油气、天然气等）的内燃机多种燃料内燃机多种燃料内燃机能够使用着火性能差异较大的两种或两种以上燃料的内燃机能够使用着火性能差异较大的两种或两种以上燃料的内燃机10按进气状按进气状态分态分非增压内燃机非增压内燃机进入气缸前的空气或可燃混合气未经压缩的内燃机。对于四冲程内燃机亦进入气缸前的空气或可燃混合气未经压缩的内燃机。对于四冲程内燃机亦称自吸式内燃机称自吸式内燃机增压内燃机增压内燃机进入气缸前的空气或可燃混合气先经过压气机压缩藉以增大充量密度的进入气缸前的空气或可燃混合气先经过压气机压缩藉以增大充量密度的内燃机内燃机按冷却方按冷却方式分式分水冷式内燃机水冷式内燃机用水冷却气缸和气缸盖等零件的内燃机用水冷却气缸和气缸盖等零件的内燃机风冷式内燃机风冷式内燃机用空气冷却气缸和气缸盖等零件的内燃机用空气冷却气缸和气缸盖等零件的内燃机按气缸数按气缸数及及布置分布置分单缸内燃机单缸内燃机只有一个气缸的内燃机只有一个气缸的内燃机多缸内燃机多缸内燃机具有两个或两个以上气缸的内燃机。具有两个或两个以上气缸的内燃机。立式内燃机立式内燃机气缸布置于曲轴上方且气缸中心线垂直于水平面的内燃机。气缸布置于曲轴上方且气缸中心线垂直于水平面的内燃机。卧式内燃机卧式内燃机气缸中心线平行于水平面的内燃机。气缸中心线平行于水平面的内燃机。直列式内燃机直列式内燃机具有两个或两个以上直立气缸，并呈一列布置的内燃机。具有两个或两个以上直立气缸，并呈一列布置的内燃机。V形内燃机形内燃机具有两个或两列气缸，其中心线夹角呈具有两个或两列气缸，其中心线夹角呈V形，并共用一根曲轴输出功率的形，并共用一根曲轴输出功率的内燃机（图内燃机（图1-8a）对置气缸式内燃机对置气缸式内燃机两个或两列气缸分别排列在同一曲轴的两边呈两个或两列气缸分别排列在同一曲轴的两边呈1800夹角的内燃机（见图夹角的内燃机（见图1-8b）斜置式内燃机斜置式内燃机气缸中心线与水平面呈一定角度气缸中心线与水平面呈一定角度(不是直角不是直角)的内燃机的内燃机按用途分按用途分类类有汽车用、机车用、拖拉机用、船用、坦克用、摩托车用、发电用、农用、工程机械用等内燃机。有汽车用、机车用、拖拉机用、船用、坦克用、摩托车用、发电用、农用、工程机械用等内燃机。11换代符号换代符号系列代号系列代号地方、企业代号地方、企业代号缸数缸数气缸布置形式气缸布置形式冲程符号（冲程符号（E二冲程，四冲二冲程，四冲程不标）程不标）缸径符号缸径符号（mm）结构特征符号结构特征符号用途特征符号用途特征符号区分符号区分符号首部首部中部中部后部后部尾部尾部四四 、内燃机产品名称和型号编制规则、内燃机产品名称和型号编制规则12林业机械LV形V平卧形P多缸直列及单缸卧式无符号含义符号气缸布置形式符号含义符号增压中冷ZL增压Z可倒转DZ十字头式S凝气冷却N风冷F水冷无符号结构特征符号含义符号农用运输车Y船用主机，左机基本型CZ船用主机，右机基本型C发电机组D铁路机车J汽车Q工程机械G摩托车M拖拉机T通用型及固定动力无符号用途特征符号134100Q4100Q四缸直列、四冲程、缸径四缸直列、四冲程、缸径100mm100mm、水冷、汽、水冷、汽车用。车用。1E65F1E65F单缸、二冲程、缸径单缸、二冲程、缸径65mm65mm、风冷、通用型。、风冷、通用型。12V135ZG1212V135ZG12缸缸V V型、四冲程、缸径型、四冲程、缸径135mm135mm、水冷、水冷、增压、工程机械用。增压、工程机械用。14两大机构：两大机构： 曲柄连杆机构曲柄连杆机构 (Crankshaft connecting-rod mechanism) 配气机构配气机构 (Valve mechanism)五大系统：五大系统： 燃料供给系统燃料供给系统 (System of fuel feeding) 润滑系统润滑系统 (Lubrication system) 冷却系统冷却系统 (Cooling system) 起动系统起动系统 (Starting system) 点火系统点火系统（汽油机）(Ignition system) 五、内燃机总体组成五、内燃机总体组成15名名称称功功用用主主要要部部件件机体组机体组发动机的骨架，支承着发动机的所有零部件气缸体、气缸盖、气缸垫等曲柄连杆机构曲柄连杆机构将活塞顶的燃气压力转变为曲轴的转矩，输出机械能活塞、连杆、曲轴、飞轮等配气机构配气机构按照发动机要求，定时开闭进、排气门， 吸入干净空气，排除废气气门组件、凸轮轴、驱动机构（摇臂、挺柱、推杆）等燃料供给系统燃料供给系统按照发动机要求，定时、定量供给所需要的燃料空气：空气滤清器、进排气管系、排气消音器汽油机：汽油箱、输油泵、滤清器、压力调节器、各种传感器、电控喷油器、电控单元等；（旧汽油机采用化油器）柴油机：柴油箱、输油泵、滤清器、高压油泵、调速器、喷油器等点火系统点火系统按规定的时刻，准时点燃汽油机气缸内的可燃混合气蓄电池、点火开关、点火线圈组件、传感器、电控装置、火花塞等润滑系统润滑系统润滑、减摩、延长寿命、密封、清洁、冷却、防锈蚀油底壳、机油泵、机油滤清器、机油压力表、机油道等冷却系统冷却系统保持发动机在适宜的温度下工作冷却水泵、风扇、节温器、散热器、冷却水道等起动系统起动系统起动发动机蓄电池、起动开关、起动马达等16缸体缸体顶置气门顶置气门17机体组机体组曲轴箱曲轴箱气缸体气缸体气缸垫气缸垫气缸盖气缸盖气缸气缸油道和水道油道和水道油底壳油底壳18曲柄连杆机构曲柄连杆机构1 1气环气环油环油环活塞销活塞销活塞活塞连杆连杆连杆螺栓连杆螺栓连杆轴瓦连杆轴瓦连杆盖连杆盖活塞连杆组活塞连杆组19起动爪起动爪正时齿轮正时齿轮主轴瓦主轴瓦皮带轮皮带轮扭转减振器扭转减振器飞轮飞轮飞轮螺栓飞轮螺栓曲轴曲轴曲柄连杆机构曲柄连杆机构2 220配气机构配气机构 气门组气门组气门传动组气门传动组21燃油供给系统燃油供给系统油箱油箱燃油滤清器燃油滤清器油泵油泵空气滤清器空气滤清器进气管道进气管道排排气气管管道道油油管管排气消声器排气消声器22润滑系润滑系机油泵机油泵机油泵主动齿轮轴机油泵主动齿轮轴机油滤清器机油滤清器润润滑滑油油道道23冷却系冷却系水箱水箱风扇风扇水泵水泵水压传感器水压传感器皮带皮带轮皮带皮带轮节温器节温器24蓄电池蓄电池点火开关点火开关点火线圈点火线圈火火花花塞塞分电盘分电盘真真空空点点火火提提前前装装置置点火系点火系25起动系起动系铁芯铁芯驱动杠杆驱动杠杆短路开关短路开关起动机起动机弹簧弹簧离合器飞轮离合器飞轮启启动动齿齿轮轮26六、基本名词术语1 1、上止点（、上止点（TDCTDC）和下止点（）和下止点（BDCBDC） 上、下止点是活塞在气缸内运动的两个极限位置，上、下止点是活塞在气缸内运动的两个极限位置，活塞顶距曲轴旋转中心距离最远处活塞顶距曲轴旋转中心距离最远处称称上止点上止点，而，而最近处最近处称称下止点下止点。 在上、下止点活塞运动方向改变，速度为零。在上、下止点活塞运动方向改变，速度为零。 发动机运转时，活塞始终在上、下止点之间往复运动。发动机运转时，活塞始终在上、下止点之间往复运动。2 2、活塞行程（冲程）、活塞行程（冲程） S (Stroke) S (Stroke) 即即上、下止点之间的距离上、下止点之间的距离。 活塞运动一个行程曲轴旋转活塞运动一个行程曲轴旋转180180曲轴转角（曲轴转角（CACA）。）。 27活塞活塞气缸气缸进气门进气门排气门排气门连杆连杆曲柄曲柄火花塞或火花塞或喷油器喷油器进气道进气道排气道排气道气缸盖气缸盖283 3、缸径、缸径 D (Cylinder bore) D (Cylinder bore) 气缸直径是发动机最重要的结构参数，缸径的大小基本确定了发动机活塞排量、输出功率及发动机尺寸、重量的大致范围。 车用汽油机受爆燃的限制，缸径一般不能太大，通常在60100mm ；而柴油机受燃料喷射和燃烧的限制缸径很难做得很小，一般在70160mm以上。294 4燃烧室容积燃烧室容积 V Vc c (Compression volume) (Compression volume)（L L） 活塞位于上止点时的气缸容积称为燃烧室容积， 也称压缩容积。5 5、气缸工作容积、气缸工作容积 V Vs s (Piston swept volume) (Piston swept volume) （L L）式中： D 气缸直径（mm） S 活塞行程（mm）306、气缸总容积气缸总容积 V Va a (Overall volume) （L L） 7、发动机排量发动机排量 V VL L （L L）式中： i 气缸数（排量是决定发动机整机功率的主要结构参数）318 8、工作循环、工作循环 (Working cycle) (Working cycle) 发动机的一个工作循环工作循环由进气、压缩、燃烧膨胀和排气组成，各过程连续进行，循环往复、周而复始。9 9、四冲程和二冲程内燃机、四冲程和二冲程内燃机 (Four-stroke and Two-stroke) (Four-stroke and Two-stroke) 四冲程 活塞运动4个行程，完成一个工作循环。 二冲程 活塞运动2个行程，完成一个工作循环。321010 压缩比压缩比 (Compression ratio)3311 11、示功图、示功图(Indicator diagram)(Indicator diagram) 为获得正确反映气缸内部实际情况的试验为获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，通常利用不同形式的示功器或内燃机数数据，通常利用不同形式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录据采集系统来观察或记录相对不同活塞位置时相对不同活塞位置时气缸内工质压力的变化，所得到的结果即为气缸内工质压力的变化，所得到的结果即为p-V p-V 示功图示功图示功图示功图。记录。记录相对不同曲轴转角时气缸相对不同曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得到的结果为内工质压力的变化，所得到的结果为 p- p-示功示功图图1212、工况、工况 内燃机在某一时刻的运行状况。（内燃机在某一时刻的运行状况。（PePe、n n）34进气行程进气行程进气行程进气行程（ra ra 线）线）(Suction stroke)(Suction stroke)活塞：活塞：TDC BDC TDC BDC ；曲轴：曲轴：0 0180180CA CA （旋转半圈）；旋转半圈）； 进气门打开，关闭各一次；排气门关。进气门打开，关闭各一次；排气门关。进气开始：进气温度即环境温度进气开始：进气温度即环境温度T T0 0； 进气压力为大气压力进气压力为大气压力P P0 0 。 进气终了：进气结束气体温度进气终了：进气结束气体温度T Ta a 约约370370400K400K； 压力压力P Pa a约约0.0780.091 0.0780.091 MPaMPa进气冲程的目的：引入新鲜工质（可燃混合气）进气冲程的目的：引入新鲜工质（可燃混合气）七、四冲程内燃机的工作原理 A、柴油机35压缩行程压缩行程 压缩行程压缩行程（ac 线）线）(Compression stroke)活塞：活塞：BDC TDC ； 曲轴：曲轴：180360CA （转一圈）；转一圈）；进排气门关。进排气门关。压缩开始：压缩开始： Pa 、 Ta ；压缩终了：压缩终了： Pc = 3 5MPa ； Tc = 7501000K 压缩冲程的目的：提高工质的温度和压力，为混合气压缩冲程的目的：提高工质的温度和压力，为混合气的点燃和燃烧创造条件，以得到较高的燃烧最高压力和的点燃和燃烧创造条件，以得到较高的燃烧最高压力和提高燃气膨胀比，即可大大提高热功转换效率。提高燃气膨胀比，即可大大提高热功转换效率。36做功行程做功行程作功冲程作功冲程（czb线）线）(Expansion stroke)活塞：活塞：TDC BDC ；曲轴；曲轴；360 540CA（转一圈半）；（转一圈半）；进排气门关。进排气门关。燃烧开始：压缩冲程接近燃烧开始：压缩冲程接近TDC 时，喷油器向缸内喷油，时，喷油器向缸内喷油，燃烧气体的压力和温度急剧升高，燃气开始膨胀燃烧气体的压力和温度急剧升高，燃气开始膨胀,推动活推动活塞下行对外作功。塞下行对外作功。 Pc Pz （Pz 燃烧最高压力可达燃烧最高压力可达6 9 MPa） Tc Tz （Tz燃烧最高温度可达燃烧最高温度可达18002000K）膨胀终了：膨胀终了： 排气门打开，膨胀结束，燃气压力降至排气门打开，膨胀结束，燃气压力降至Pb为为0.2 0.5 MPa；温度降为温度降为Tb约约1300 1600K。作功冲程的目的：利用高温高压燃气的膨胀对外作功。作功冲程的目的：利用高温高压燃气的膨胀对外作功。37排气行程排气行程 排气冲程排气冲程（br线）线）(Exhaust stroke)活塞：活塞：BDC TDC ；曲轴；曲轴；540 720CA（总共转两圈）总共转两圈）排气门打开、关闭各一次。排气门打开、关闭各一次。排气开始：废气首先利用自身压力自由排气，排气开始：废气首先利用自身压力自由排气，大部分废气自动冲出气缸，随后大部分废气自动冲出气缸，随后 活塞活塞上行将其余废气强制推出气缸。上行将其余废气强制推出气缸。排气排气 终了：终了： P = 0.105 0.115 MPa ； T = 700 900K排气冲程的作用：排除废气，为下一循环引排气冲程的作用：排除废气，为下一循环引入新鲜工质创造条件。入新鲜工质创造条件。38进气形成进入气缸的是纯进气形成进入气缸的是纯空气，压缩终了高压喷射空气，压缩终了高压喷射燃料燃料 ,缸内形成混合气缸内形成混合气，压，压缩自燃。缩自燃。进气行程进气行程（ra 线）线）压缩行程压缩行程（ac 线）作功冲程作功冲程（czb线）线） 排气冲程排气冲程（br线）线）39B、四冲程汽油机工作原理、四冲程汽油机工作原理40缸外形成混合气缸外形成混合气，进气行程进入气缸的是进气行程进入气缸的是混和气，混和气，电火花点燃。电火花点燃。41C C 柴油机与汽油机比较柴油机与汽油机比较性性能能汽汽油油机机柴柴油油机机着火方式着火方式点燃压燃燃油消耗燃油消耗高低热效率热效率30%左右40%左右工作平稳性工作平稳性柔和粗暴发动机转速发动机转速高（40006000 r/min）低（25003000r/min）升功率升功率大小起动性起动性易难制造维修成本制造维修成本低高比质量比质量小大使用寿命使用寿命短长排放排放CO 、HC大，NOX、黑烟少CO 、HC小，NOX、黑烟多421 1单缸二冲程柴油机单缸二冲程柴油机换气换气- 压缩压缩 1-扫气泵扫气泵 2-空气室空气室 3-进气孔进气孔4-喷油器喷油器5-排气门排气门九、九、 二冲程内燃机工作原理二冲程内燃机工作原理43作功作功-排气排气二冲程柴油机工作过程示意图二冲程柴油机工作过程示意图442 2单缸二冲程汽油机工作原理单缸二冲程汽油机工作原理进气孔进气孔排气孔排气孔扫扫气气孔孔换气换气压缩压缩膨胀膨胀换气换气曲轴箱曲轴箱453 3二冲程内燃机的示功图二冲程内燃机的示功图d 下止点下止点h 扫气孔关扫气孔关a 排气孔关排气孔关c 上止点上止点f 扫气孔开扫气孔开b 排气孔开排气孔开464 4四冲程与二冲程内燃机的区别四冲程与二冲程内燃机的区别1 1、工作容积和转速相同时，、工作容积和转速相同时，理论上理论上功率为四功率为四冲程内燃机的冲程内燃机的2 2倍倍2 2、输出转矩均匀、平稳、输出转矩均匀、平稳3 3、结构简单、质量小、维修方便、结构简单、质量小、维修方便4 4、换气效果差、换气效果差47