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第一章:汽车发动机的工作原理.ppt

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第一章 汽车发动机 工作 原理
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第一篇:汽车发动机,第一章:汽车发动机的工作原理及总体构造,第一节 发动机的分类,一、分类 车用内燃机(internal combustion engine),根据其将热能转变为机械能的主要构件的型式,可分为活塞式内燃机和燃气轮机两大类。前者又可按活塞运动方式分为往复活塞式内燃机(reciprocating engine)和旋转活塞式内燃机两种。 外燃机则包括蒸气机、汽轮机和热气机。,1、按照所用燃料分类,内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机(gasoline engine)和柴油机(diesel engine) 以及气体燃料发动机.,,2、按照行程(stroke)分类,内燃机按照完成一个工作循环(operating cycle)所需的行程数可分为四行程内燃机(four - stroke cycle engine)和二行程内燃机(two - stroke cycle engine),,3、 按照冷却方式分类,内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机(liquid - cooled engine)和风冷发动机(air - cooled engine) 。,,4 、按照气缸(cylinder)数目分类,内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机(single - cylinder engine)和多缸发动机(multi - cylinder engine ) 。,,,5、按照气缸排列方式分类,内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式 。,,6、按照进气系统是否采用增压方式分类,内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气(非增压)式发动机[naturary aspirated engine(non - supercharged engine)]和强制进气(增压式)发动机(supercharged engine ),,二、发动机基本术语,,活塞在气缸里作往复直线运动时,当活塞向上运动到最高位置,即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位置,称为上止点TDC(Top Dead Center)。活塞在气缸里作往复直线运动时,当活塞向下运动到最低位置,即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置,称为下止点BDC(Bottom Dead Center)。活塞行程s :活塞从一个止点到另一个止点移动的距离,即上、下止点之间的距离称为活塞行程。一般用s表示,对应一个活塞行程,曲轴旋转180°。,曲柄半径R:曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离,一般用R表示。通常活塞行程为曲柄半径的两倍,即?S =2R 。气缸工作容积Vh :活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积,一般用Vh表示。燃烧室容积Vc:活塞在上止点时,活塞上方的容积。气缸总容积Va :活塞位于下止点时,其顶部与气缸盖之间的容积称为气缸总容积。一般用Va表示,显而易见,气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和,即Va=Vc+Vh压缩比(compression ratio):是发动机中一个非常重要的概念,压缩比表示了气体的压缩程度,它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值,即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般用ε表示。通常汽油机的压缩比为6~10,柴油机的压缩比较高,一般为16~22。每一个工作循环包括进气、压缩、作功和排气过程,即完成进气、压缩、作功和排气四个过程叫一个工作循环。,第二节 四行程发动机工作原理,一、四行程汽油机的工作原理 四行程汽油机的运转是按进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程的顺序不断循环反复的。,汽油机(gasoline engine),1、 进气行程(intake stroke) 由于曲轴的旋转,活塞从上止点(top dead center)向下止点(bottom dead center)运动,这时排气门关闭,进气门打开。进气过程开始时,活塞位于上止点,气缸内残存有上一循环未排净的废气,因此,气缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移,气缸内容积增大,压力减小,当压力低于大气压时,在气缸内产生真空吸力,空气经空气滤清器并与化油器供给的汽油混合成可燃混合气,通过进气门被吸入气缸,直至活塞向下运动到下止点。在进气过程中,受空气滤清器、化油器、进气管道、进气门等阻力影响,进气终了时,气缸内气体压力略低于大气压,约为0.08~0.09MPa,同时受到残余废气和高温机件加热的影响,温度达到320~380K。实际汽油机的进气门是在活塞到达上止点之前打开,并且延迟到下止点之后关闭,以便吸入更多的可燃混合气。,,进气行程(intake stroke),排气门关闭,进气门开启,活塞,,,,,,,温度320~380 K, 压力80~90 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。,2、压缩行程(compression stroke) 曲轴继续旋转,活塞从下止点向上止点运动,这时进气门和排气门都关闭,气缸内成为封闭容积,可燃混合气受到压缩,压力和温度不断升高,当活塞到达上止点时压缩行程结束。此时气体的压力和温度主要随压缩比的大小而定,可燃混合气压力可达0.8~1.5MPa,温度可达600~750K。 压缩比越大,压缩终了时气缸内的压力和温度越高,则燃烧速度越快,发动机功率也越大。但压缩比太高,容易引起爆燃。所谓爆燃就是由于气体压力和温度过高,可燃混合气在没有点燃的情况下自行燃烧,且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播,造成尖锐的敲缸声。会使发动机过热,功率下降,汽油消耗量增加以及机件损坏。轻微爆燃是允许的,但强烈爆燃对发动机是很有害的,汽油机的压缩比一般为ε=7~10。,,,压缩行程(compression stroke),进气门关闭,排气门关闭,活塞,压缩比:ε=Va/Vc,,,,,,,P,V,r,a,示功图,,大气压力线,c,,上止点,下止点,温度600~750K, 压力800~1500 kPa,3、 作功行程(power stroke) 作功行程包括燃烧过程和膨胀过程,在这一行程中,进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点(即点火提前角)位置时,火花塞产生电火花点燃可燃混合气,可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高,最高压力可达3 . 0~6 . 5MPa,最高温度可达2200~2800K,高温高压气体膨胀,推动活塞从上止点向下止点运动,通过连杆使曲轴旋转并输出机械功,除了用于维持发动机本身继续运转外,其余用于对外作功。随着活塞向下运动,气缸内容积增加,气体压力和温度降低,当活塞运动到下止点时,作功行程结束,气体压力降低到0.35~0.5MPa,气体温度降低到1200~1500K。,,,作功冲程(power stroke),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2200~2800 K, 压力3.5~6.5MPa,作功终了:温度1200~1500 K, 压力350~500 kPa,4、排气行程(exhaust stroke) 可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。当作功接近终了时,排气门开启,进气门仍然关闭,靠废气的压力先进行自由排气,活塞到达下止点再向上止点运动时,继续把废气强制排出到大气中去,活塞越过上止点后,排气门关闭,排气行程结束。实际汽油机的排气行程也是排气门提前打开,延迟关闭,以便排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在,不可能将废气全部排出气缸。受排气阻力的影响,排气终止时,气体压力仍高于大气压力,约为0.105~0.12MPa,温度约为900~1100K。 曲轴继续旋转,活塞从上止点向下止点运动,又开始了下一个新的循环过程。可见四行程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环,这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程,相应地曲轴旋转了两圈。,,,排气行程(exhaust stroke),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900~1100 K 压力105~12 kPa,残余废气,二、四行程柴油机的工作原理,四行程柴油机和四行程汽油机的工作过程相同,每一个工作循环同样包括进气、压缩、作功和排气四个行程,但由于柴油机使用的燃料是柴油,柴油与汽油有较大的差别,柴油粘度大,不易蒸发,自燃温度低,故可燃混合气的形成,着火方式,燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机不同,下面主要分析一下柴油机和汽油机在工作过程中的不同点。四行程柴油机在进气行程中所不同的是柴油机吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气,在进气通道中没有化油器,进气阻力小,进气终了时气体压力略高于汽油机而气体温度略低于汽油机。进气终了时气体压力约为0.085~0.095MPa,气体温度约为310~340K。,,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310~340K压力850~950 kPa,温度750~1000K压力3~5 MPa,瞬时:温度1800~2200K压力6~9MPa,温度700~900K压力105~120 kPa,终了:温度1000~1200K压力200~500 kPa,压缩行程压缩的也是纯空气,在压缩行程接近上止点时,喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室,柴油和空气在气缸内形成可燃混合气并着火燃烧。柴油机的压缩比比汽油机的压缩比大很多(一般为16~22),压缩终了时气体温度和压力都比汽油机高,大大超过了柴油机的自燃温度。压缩终了时,气体压力约为3~5MPa,气体温度约为750~1000K,柴油机是压缩后自燃着火的,不需要点火,故柴油机又称为压燃机。,柴油机与汽油机比较,柴油机的压缩比高,热效率高,燃油消耗率低,同时柴油价格较低,因此,柴油机的燃料经济性能好,而且柴油机的排气污染少,排放性能较好。但它的主要缺点是转速低,质量大,噪声大,振动大,制造和维修费用高。在其发展过程中,柴油机不断发扬其优点,克服缺点,提高速度,有望得到更广泛地应用。,柴油喷入气缸后,在很短的时间内与空气混合后便立即着火燃烧,柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的,而不象汽油机那样,混合气主要是在气缸外部的化油器中形成的。柴油机燃烧过程中气缸内出现的最高压力要比汽油机高得多,可高达6~9MPa,最高温度也可高达1800~2200K。作功终了时,气体压力约为0.2~0.5MPa,气体温度约为1000~1200K。 柴油机的排气行程和汽油机一样,废气同样经排气管排入到大气中去,排气终了时,气缸内气体压力约为0.105~0.120MPa,气体温度约为700~900K。,第三节 二行程发动机的工作原理,一、二行程汽油机工作原理 二行程汽油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°),活塞上下往复运动的两个行程内完成的。因此,二行程发动机(two-stroke-engine)与四行程发动机工作原理不同,结构也不一样 。 例如曲轴箱换气式二行程汽油机,气缸上有三排孔,利用这三排孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、换气和排气的。工作原理如下:图a 表示活塞向上运动,将三排孔都关闭,活塞上部开始压缩,当活塞继续上行时,活塞下方打开了进气孔,可燃混合气进入曲轴箱(图 b),活塞接近上止点时(图c),火花塞点燃混合气,气体燃烧膨胀,推动活塞向下运动,进气孔关闭,曲轴箱内的混合气受到压缩,当活塞接近下止点时,排气孔打开,排出废气,活塞再向下运动,换气孔打开,受到压缩的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内,并扫除废气(图d)。,1、进气孔 2、排气孔 3、扫气孔,,1、进气孔 2、排气孔 3、扫气孔,曲轴箱,第一行程:活塞从下止点向上止点运动,事先已充满活塞上方气缸内的混合气被压缩,新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。第二行程:活塞从上止点向下止点运动,活塞上方进行作功过程和换气过程,而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。,二、二行程柴油机的工作原理,二行程柴油机和二行程汽油机工作类似,所不同的是,柴油机进入气缸的不是可燃混合气,而是纯空气。例如带有扫气泵的二行程柴油机工作过程如下 : 第一行程:活塞从下止点向上止点运动,行程开始前不久,进气孔和排气门均以开启,利用从扫气泵流出的空气使气缸换气。当活塞继续向上运动进气孔被关闭,排气门也关闭,空气受到压缩,当活塞接近上止点时,喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室,燃油和空气混合后燃烧,使气缸内压力增大。 第二行程:活塞从上止点向下止点运动,开始时气体膨胀,推动活塞向下运动,对外作功,当活塞下行到大约2/3行程时,排气门开启,排出废气,气缸内压力降低,进气孔开启,进行换气,换气一直延续到活塞向上运动1/3行程进气孔关闭结束。,,,1、进气孔 2、排气孔 3、扫气孔,柴油机与汽油机比较,柴油机的压缩比高,热效率高,燃油消耗率低,同时柴油价格较低,因此,柴油机的燃料经济性能好,而且柴油机的排气污染少,排放性能较好。但它的主要缺点是转速低,质量大,噪声大,振动大,制造和维修费用高。在其发展过程中,柴油机不断发扬其优点,克服缺点,提高速度,有望得到更广泛地应用。 P28 二冲程与四冲程内燃机特点对比.,二冲程汽油机的优缺点(同四冲程汽油机相比较)(一)优点:1、从工作原理上来讲,在发动机排量和转速相同的前提下,二冲程发动机的功率理论上是四冲程发动机的2倍。2、由于二冲程发动机的做功频率比较高,所以发动机运转比较平稳。3、无专门的换气机构,所以结构简单,质量小。4、由于附属机构少,所以使用、维护很方便。所以摩托车上多用。,(二).缺点:1、废气不易排除干净。2、换气时减少了有效工作行程。3、部分新鲜可燃混合气随废气排出,使能源浪费,经济性下降。4、同时造成环境污染。,三、多缸发动机的工作原理 前面介绍的是单缸发动机的工作过程,而现代汽车发动机都是多缸发动机四行程发动机,那么,多缸四行程发动机与单缸四行程发动机的工作过程有什么区别呢?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。多缸机使用最多的有四缸发动机,六缸发动机和八缸发动机。,,,第五节 发动机的总体构造,,,连杆,飞轮,曲轴,活塞,进气门,排气门,推杆,挺柱,正时齿轮,■ 配气机构■ 曲柄连杆机构,摇臂,凸轮轴,压缩比,,定义:压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比。用ε表示。ε= Va/Vc,现代化油器式发动机压缩比一般为6~9(轿车有的达9~11)。上海桑塔纳轿车汽油机压缩比为8.2。,压缩比过大的不良后果,压缩比过大的不良后果,,返回,第五节 发动机的主要性能指标与特性,1、 发动机性能指标 发动机的性能指标是用来衡量发动机性能好坏的标准。发动机的主要性能指标有:动力性能指标,经济性能指标和排放性能指标。 (1)?? 动力性能指标 动力性能指标指曲轴对外作功能力的指标,包括有效扭矩、有效功率和曲轴转速。a. 有效扭矩:指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的扭矩,通常用Te表示,单位为N·m。b. 有效功率:指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率,通常用Pe表示,单位为kW。 c. 转速:指发动机曲轴每分钟的转数,单位为r/min。,,(2) 经济性能指标 通常用燃油消耗率来评价内燃机的经济性能。燃油消耗率是指单位有效功的燃油消耗量,也就是发动机每发出1kW有效功率在1小时内所消耗的燃油质量(以g为单位),燃油消耗率通常用ge表示,其单位为g/kW·h 。(3) 排放性能 排放性能指标包括排放烟度、有害气体(CO,HC,NOx)排放量、噪声等。 2. 特性,,发动机的主要性能指标有效扭矩Te,有效功率Pe,有效耗油率随其运转工况(负荷、转速)变化而变化的关系称为发动机的特性。其性能指标随发动机曲轴转速变化的关系称为发动机的速度特性,而性能指标随负荷变化的关系称为发动机的负荷特性。用曲线来表示这些关系,称为发动机的特性曲线。发动机特性是对发动机性能进行全面评价和鉴定的依据。在发动机特性中,其速度特性最为常用,下面仅介绍发动机的速度特性。 速度特性 发动机的速度特性指发动机的性能指标Te,Pe,ge,随发动机转速n变化的规律,用曲线表示,称为速度特性曲线 。,第六节 发动机的编号规则,内燃机的名称和型号 内燃机名称均按所使用的主要燃料命名,例如汽油机、柴油机、煤气机等。 内燃机型号由阿拉伯数字和汉语拼音字母组成。 内燃机型号由以下四部分组成: 首部:为产品系列符号和换代标志符号,由制造厂根据需要自选相应字母表示,但需主管部门核准。 中部:由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号和缸径符号等组成。后部:结构特征和用途特征符号,以字母表示。 尾部:区分符号。同一系列产品因改进等原因需要区分时,由制造厂选用适当符号表示。 内燃机型号的排列顺序及符号所代表的意义规定如下:,,,型号编制举例 (1) 汽油机 1E65F: 表示单缸,二行程,缸径65mm,风冷通用型 4100Q: 表示四缸,四行程,缸径100mm,水冷车用 4100Q-4: 表示四缸,四行程,缸径100mm,水冷车用,第四种变型产品 CA6102: 表示六缸,四行程,缸径102mm,水冷通用型,CA表示系列符号 8V100: 表示八缸,四行程、缸径100mm,V型,水冷通用型 TJ376Q: 表示三缸,四行程,缸径76mm,水冷车用,TJ表示系列符号 CA488: 表示四缸,四行程,缸径88mm,水冷通用型,CA表示系列符号,(2) 柴油机 195: 表示单缸,四行程,缸径95mm,水冷通用型 165F: 表示单缸,四行程,缸径65mm,风冷通用型 495Q: 表示四缸,四行程,缸径95mm,水冷车用 6135Q: 表示六缸,四行程,缸径135mm,水冷车用 X4105: 表示四缸,四行程,缸径105mm,水冷通用型,X表示系列代号 。,
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