1、汽車構造教案課程名稱汽車構造課時授課班級教學方式講授多媒體教學課 題發動機的進、排氣任課教師系統教學目的與要求1 了解進、排氣系統功用；2 掌握轎車空氣濾清器、消聲器結構特點；3 理解曲軸箱強制通風工作原理，廢氣再循環裝置（4 了解機外凈化采用催化反應器凈化原理；5 理解廢氣渦輪增壓工作原理；6 掌握渦輪增壓器結構；7 了解氣波增壓、機械增壓工作特點；8 了解了解帶放氣閥的渦輪增壓系統調整過程。EGR）工作過程；9 了解曲柄連桿機構組成及功用；。重、難點曲軸箱強制通風工作原理，廢氣再循環裝置（機外凈化采用催化反應器凈化原理；廢氣渦輪增壓工作原理；掌握渦輪增壓器結構；EGR）工作過程；氣波增壓、

2、機械增壓工作特點主備注要第一講內5.1 概述容1進、排氣系統作用：進、排氣系統是在內燃機工作循環時， 不斷地將新鮮空氣或可燃混合氣送入燃燒室，又將燃燒后的廢氣排到大氣中，保證內燃機連續運轉。2進、排氣系統的組成：基本裝置是由空氣濾清器、進氣管、排氣管和排氣消聲器等組成。3增壓和增壓技術：由于排放與噪聲法規的要求， 現代車用內燃機除了采取完善的燃燒等機內凈化措施外，在傳統的進、排氣系統中又增加了不少機外凈化的附件與裝置。并且廣泛地采用了增壓和增壓技術，成為發動機的重要組成部分5.2 進氣排氣系統5.2.1 進、排氣管一空氣濾清器空氣濾清器功用：就是濾去空氣中的塵埃和雜質， 將清潔的空氣 (或空氣

3、與燃油的可燃混合氣 )送入燃燒室，以減少活塞與氣缸套之間、活塞組之間和氣門組之間的磨損。抑制內燃機的進氣噪聲。對于汽油機，還可防止化油器回火時火焰向外擴展。在一些汽油機上，為了降低有害氣的排放。空氣濾清分為三種基本的濾清方法：1/15空氣濾清器有慣性式、油浴式、過濾式三類。慣性式 是利用空氣中所含塵土與雜質密度比空氣大的特點， 在空氣吸入氣缸的途徑中使其急速旋轉或改變方向，在離心力或慣性力的作用下，將塵土與雜質甩到外圍而與空氣分離；油浴式 它利用油浴把空氣流在轉折時甩出的塵土與雜質粘住，避免二次塵土與雜質吸入；過濾式 是引導氣流通過帶有細小孔的濾芯把塵土與雜質擋在濾芯外面，如紙質濾芯，金屬絲濾

4、芯纖維，多孔陶瓷等。慣性式空氣濾清器以慣性原理構成的旋流器，它對清除空氣中較大顆粒的塵土特別有效，其濾清效率約50一 60，常用作多塵土地區工作的車用內燃機上的空氣粗濾器。油浴式原理構成的油浴式空氣濾清器，綜合了慣性式和過濾式兩種濾清原理，其濾清效率達95 97；過濾式原理構成的紙質等空氣濾清器，是在汽車， 特別是在小轎車上用得十分廣泛的一種，其濾清效率可達995以上，且性能穩定。紙質空氣濾清器在標準含塵條件下正常使用壽命為2 一 5萬千米。二、進氣管1進氣管是連接空氣濾清器和氣缸蓋進氣道之間的管子。在汽油機上，有時把化油器或電子噴射節氣門閥體與氣缸蓋進氣道間的管子稱為進氣管。進氣管，特別是自

5、然吸氣車用高速內燃機進氣管，對內燃機的油耗、功率、扭矩、排放等有重要。2分類：因而出現多種結構型式。大致可歸結為：簡單進氣管、共振式進氣管和帶諧振腔的進氣管三種 (圖 6 13)。簡單進氣管常用在車用柴油機和前幾年的汽油機上， 這種進氣管結構簡單， 但由于進入各氣缸的氣流阻力、路程長短和氣流方向、速度的差異，致使各氣缸進氣不均勻。在電控噴射汽油機上由于噴油器直接在進氣門附近噴射汽油，噴射的2/15油霧顆粒細小，進氣管無需采取預熱措施。共振式進氣管較細長，與各氣缸相連的各個管于長度大體一致，能很好的匹配。共振式進氣管與各氣缸單獨連接，可利用進氣氣流的脈動效應以增強進氣效果。進氣效果的強弱取決于進

6、氣管長度，直徑和內燃機轉速。帶諧振腔的進氣管如圖 5 2c 所示，有一個容積較大的諧振腔和無需過長的進氣管，就可得到較低的諧振頻率。它與共振式進氣管的區別在于其諧振頻率不必與進氣沖程頻率相同 (或整數倍 )，但與諧振腔相連的各個短的進氣管間的進氣間隔必須相等。改變諧振腔的容積，可調節內燃機的最大扭矩和相應的轉速，但不可能在內燃機整個轉速范圍內增加扭矩。帶諧振腔的進氣管還能降低進氣噪聲。5.2.2 排氣消聲器1組成 ;排氣系統常由排氣歧管、排氣總管、催化反應器、排氣消聲器、排氣尾管等組成。目前在轎車上流行的排氣消聲器 (圖 5 4)由前消聲器 2，中消聲器 4 和后消聲器 6 以及連接管等組成，

7、并焊接成一個整體，以保持消聲器的堅固性。2消音器原理：前消聲器采用諧振原理(圖 54a)由三個大小不同的諧振室，彼此由穿孔管8 貫通。穿孔管、隔板和斷面的突變是諧振室內的基本聲學元件，它們作為聲源的發射體彼此間利用聲波的相互干涉和在諧振室內傳播的聲波又向這些聲源反射，從而達到消聲的效果。諧振器對抑制低頻聲波特別有效。中消聲器采用諧振器和吸聲原理 (圖 5 4b)。兩室之間為突然膨脹，從反射孔流出的氣體再在穿孔管中折返后排出。采用吸聲原理的后消聲器(圖 5 4c)，在穿孔管外面裝填了吸聲材料。轎車和載貨汽車排氣消聲器的總容積分別相當于內燃機排量的 410 倍和 38 倍內燃機排量和排氣消聲器型式

8、而不同。5.2.3 排氣的凈化裝置1.排氣系統中的主要有害物質：3/15汽車的排放有害物質主要是HC、CO、NO x。在有害物中，從發動機排氣管排出的廢氣中有HC( 約占總 HC 量的 55 )、CO、NOx 等。從曲軸箱的竄氣中有HC( 約占 25 )，從油箱和化油浮子室蒸發的HC( 約占20)。2.在凈化排放有害物的方法主要采用機內凈化處理和機外凈化兩種方法處理。機內凈化處理方法主要是從改善燃料的霧化、蒸發、混合及分配以改善燃燒層進氣稀薄燃燒等。機外凈化采用催化反應器凈化排放有害物，催化反應器是采用面容比很大的載體表面上的催化劑作為觸媒介質，像濾清器那樣通過排氣將有害成分CO、HCNO x

9、 進行反應而轉化為無害的CO2、 H2O 的一種凈化器裝置。和3.排氣催化反應器的種類：排氣催化反應器可分為兩種，即還原型催化反應器和氧化型催化反應器。催化反廢器分為瀕粘型的觸媒反應器和錠缽型的觸媒反應器(圖 6 33)。它們是在氧化鋁的顆粒(多孔件 )表面鍍上鉑、 銠等催化劑或者在格狀的氧化鋁上鍍上催化劑 (整體型 )。4。催化器的材料：國外所使用的催化劑均系貴重金屆，凈化率高，壽命長但成本高。因此一般使用在對排放控制很嚴的國家。 通常在排氣溫度為 150oC 時催化劑便起作用。 若溫度過高就會影響凈化器的壽命和效果。因此，在反應器中部裝有溫度傳感器，當溫度達到危險溫度時(930oC) 可發

10、出報警信號并使旁通閥自動開啟，使高溫度氣體經催化反應器而直接流入排氣消聲器。國內以陶瓷 (多孔 )作骨架， 用氧化鋁溶膠浸泡在骨架上經燒結而成，以稀土金屬作催化劑的凈化裝置。其凈化率達80 90，壽命達50000km 以上。催化反應器要使用無鉛汽油因排氣中的鉛化物會堵塞載體和覆蓋催化劑表面而使活性下降。5廢氣再循環裝置（EGR）作用：廢氣再循環裝置 （ EGR）主要用于凈化NOx，是利用廢氣中的部分(5 20 )再引入進氣管到氣缸。由于廢氣中含有H2O、CO2，使混合氣熱容量提高，從而使燃燒最高溫度下降，NO x 排出濃度減少。一般當 1 左右，廢氣循環量為20時， NO x 可下降 60 7

11、0 ，但油耗增加 3。一般再循環廢氣量不應越過20，這種辦法在美國使用較多。廢組成：氣再循環系統裝置由EGR 閥、 EGT 調制閥、延遲閥、三向螺線管等組成，如圖 56 所示。它是利用水溫傳感器感知進氣管或散熱器水溫來控制三向螺線管通4/15電的開、閉，以控制負壓通路。當進氣管水溫在68oC 以上和散熱器的水溫在17oC 以上時，螺線管的通電關閉，節氣門上的負壓通道開通，然后再由EGT 調制閥來控制EGR 閥。如圖 5 7 所示。當排氣管背壓P增加或通向EGT 調制閥的No.2 管的負壓作用時，空氣(新氣 )泄漏通道被關閉， 負壓僅通過 No.1 管進入， No.3 管流出，再通過延遲閥使負壓

12、平滑，最后作用于 EGT 閥的膜片上面的空間， 當此負壓克服彈簧的壓力時 EGR 閥開啟、廢氣便從排氣管，通過開啟的EGR 閥開啟進入進氣管。當 GER 閥開啟時 若 P變小 (小負荷、低速、怠速等 )，這時空氣泄漏閥開啟，從 NO 管來的負壓由于泄漏到大氣中，這時EGR 閥關閉，停止工作。總之，它是通過排壓來控制與吸氣空氣量成比例的EGR 閥。6。曲軸箱通風：目前，多用閉式曲軸箱強制通風裝置防止竄氣，簡稱PCV裝置，如圖 5 8 所示。 新鮮空氣自空氣濾清器1 經管C 和閉式通氣口6 進入曲軸箱5/15和竄氣混合，從氣缸蓋罩通入管 4，由計量閥 3 計量后，被吸入進氣管。因此有適量的竄氣在氣

13、缸內再次燃燒。計量閥可隨發動機運轉狀況自動調節吸入氣缸的竄氣量，其結構和原理，如圖59 所示。在低速或小負荷時，竄氣量少，此時，由于進氣管真空度較高，閥門被吸向右方 (圖 5 9a)，氣流通路關小，吸入氣缸的竄氣量較少。在加速或大負荷時，竄氣量增多，此時進氣管真空度變低，計量閥的氣流通路開大(圖 5 9b)，因而有較多的竄氣量進入氣缸再燃燒。在圖 5 8 所示的閉式通風系統中，當發動機高速大負荷運轉時，一旦竄氣量過多而不能完全被吸盡時，竄氣會從曲軸箱經閉式通氣口倒流入空氣濾清器，經過化油器 2 被吸入進氣管。 PCV 裝置可將竄入曲軸箱內的 HC 完全處理干凈，現已得到廣泛應用。7油箱汽油蒸發

14、氣的排出控制裝6/15油箱汽油蒸發氣的排出控制裝置是將油箱蒸發的氣體通過裝滿活性碳的容器（碳罐）貯藏 (吸附 )起來，然后再導入進氣系統并參加燃燒、防止排入大氣污染環境，如圖 5 10 所示。在燃油箱內產生的蒸氣將燃油關斷閥的主浮動閥推上，閥關閉。 當閥關閉則液體部分被遮擋。蒸氣部分推開副浮動閥，若蒸氣壓力超過傾斜閥內的雙向閥的設定壓力時，雙向閥開通蒸氣流向貯藏容器內貯存。貯藏容器的蒸氣在低溫時，包括發動機起動時，怠速時，仍向容器中貯存，當發動機低速運轉時，根據ECU 的信號，循環控制CPC 閥 (容器清除控制螺線閥)。使容器內蒸氣導入節氣門下方進氣管，進人燃燒室參加燃燒。其中，CPC 閥的循

15、環控制，是根據在 ECU 中的存儲的程序進行控制的因此能正確的進行清除蒸氣的控制。5.2.4 混合氣的預熱裝置為促進混合氣中燃油顆粒的蒸發，并防止油氣在進氣管壁凝結，常利用排氣管中高溫廢氣的熱量對進氣管入口處的可燃混合氣進行預熱。汽油發動機進、排氣管鑄在一起，是依靠廢氣直接對進氣管壁進行預熱的，其預熱作用不能調節。進氣電加熱器受安裝于水套回流出口處的熱酸開關和進氣預熱繼電器控制，當發動機出水溫度低于65時，熱敏開關閉合，進氣預熱繼電器工作。剛開始，電加熱器電阻較小瞬時加熱電流很大，溫度迅速升高，1min 左右即達6080，3min內即可達到175，提高了進氣溫度，確保發動機起動順利。隨著進氣電

16、加熱器溫度升高，電阻阻值迅速增大，電流趨于零，電加熱器溫度不再升高。待發動機冷卻水溫達到 65以上熱敏開關將電路斷開。上海桑塔納 JV 型發動機在化油器下面進氣歧管內設有冷卻水道。在缸蓋安裝進排氣歧管的平面上，有一斜孔通缸蓋水套，在進氣歧管上，有一水道與化油器下方混合室周圍水套相通。隨發動機溫度升高，熱的冷卻液流經化油器底座下進氣歧管內的水套，對吸入氣缸的可燃混合氣進行預熱，促進汽油蒸發、提高油氣混合均勻性。5.3 發動機的增壓1。發動機增壓的優點：降低油耗提高功率降低排放本7/152增壓技術：內燃機的功率與轉化燃料熱能的多少，與供入氣缸內的空氣( 或混合氣 )的數量成正比。在氣缸容積和內燃機

17、轉速不變條件下，供入氣缸內的空氣 (或混合氣 )的數量與空氣密度成正比。因此，可對進入氣缸前的空氣進行預壓縮來提高內燃機的功率。凡是能將內燃機進氣的空氣密度提高到高于周圍環境的空氣密度的一切方法，統稱為“增壓” 。實現增壓的裝置稱為壓氣機或增壓器。3增壓的類型有不同的分類方法按實現增壓所提供的能量，可分機械 增壓、廢氣渦輪增壓和氣波增壓三種基本類型。機械增壓是利用內燃機的一部分機械功驅動壓氣機。廢氣渦輪增壓是利用內燃機的一部分排氣能量驅動增壓器。 廢氣渦輪增壓器與內燃機只有流體聯系。氣波增壓則是根據壓力波的氣動原理， 利用廢氣能量直接壓縮空氣。 由內燃機皮帶驅動的增壓器轉子只是控制并維持氣波增

18、壓過程。它與內燃機的傳動比是不變的。一 機械增壓機械增壓裝置由曲軸驅動的壓氣機1 和相應的傳動箱2 組成，如圖 5 13 所示。機械增壓壓力越高，壓氣機消耗功率越大。轎車用的機械增壓內燃機，驅動壓氣機消耗功率1015kw ，為保證內燃機機械效率增壓壓力不能過高。機械增壓所用的壓氣機除離心式壓氣機外， type)、螺桿式和轉子活塞式等多種容積式壓氣機。在車用內燃機還常用羅茨式(Roots羅茨式壓氣機的主要工作部件是裝在兩極平行軸上的兩個轉子，如圖514 所示。它們彼此不接觸，與外體也有間隙 (o25o5mm) 。兩個轉子由一對齒輪同步轉動。工作時，轉子凹面與外體間的空氣由進氣口移向出氣口。轉子有

19、兩葉和三葉的，其中又分直線型和螺旋型。兩葉轉子每旋轉一周產生四次供氣，三葉轉子則為六次供氣，羅茨式壓氣機結構簡單、工作可靠，壽命長。在小氣量時增壓空氣壓力8/15不下降，沒有不穩定工作區。供氣量與轉速成線性關系。壓力增加比(壓比 )可達到18。機械增壓結構緊湊，和內燃機容易匹配，內燃機的加速性好，但傳動復雜，油耗高。二氣波增壓氣波增壓不同于廢氣渦輪增壓、 機械增壓。 它是利用氣體質點和壓力波以及壓力波的反射特性，使排氣和進氣之間進行直接的能量交換，以增大進氣的密度。氣波增壓器由轉子、 外體和前、 后端蓋等組成如圖 5 15。在轉子上裝有縱向葉片，兩個葉片間形成梯形截面通道。轉子兩端有空氣室和排

20、氣室，并通過端蓋形成專門的定時窗口。9/15空氣沿管路進入氣缸。而通道中的廢氣在能量轉換及膨脹后，壓力下降， 這時，正好轉了轉到與排氣口接通，低壓的廢氣排出。膨脹波立即波及轉子通道，形成定負壓，并吸入新鮮空氣。如此不斷循環，完成進、排氣的能量交換。在轉子通道內， 廢氣與空氣直接接觸， 壓力波以音速的速度傳播， 它是廢氣溫度的函數，所以它比空氣流動速度快得多，空氣被壓縮。氣波增壓器轉子內氣體的能量交換是以壓力波 (音速 )的形式進行，它對內燃機工況反應迅速，使氣波增壓內燃機的加速性好。低速時空氣的壓縮程度高，所以扭矩特性也好，能滿足車輛的動力性要求。通道內交替通過廢氣和新鮮空氣，工作溫度不太高，

21、不需采用耐熱材料，不需冷卻。但體積大，噪聲大，安裝位置受到一定限制。三廢氣渦輪增壓和增壓器的冷卻1廢氣渦輪增壓器工作原理廢氣渦輪增壓器工作原理如圖5 16 所示。柴油機排出的具有8001000 K 高溫和一定壓力的廢氣， 經排氣管 1 進入渦輪殼 4 里的噴嘴環 2。由于噴嘴環的通過面積是逐漸收縮，因而廢氣的壓力和溫度下降，速度被提高，使其動能增加。這股高速廢氣流，按一定的方向沖擊渦輪3，使其高速旋轉。廢氣的壓力、溫度和速度越高，禍輪轉得就越快，通過渦輪的廢氣最后排人大氣。因渦輪 3 和離心式壓氣機葉輪8 固裝在同一轉于軸5，所以兩者同步旋轉。這樣，就將經過空氣濾清器的空氣吸人壓氣機殼，高速旋

22、轉的壓氣機葉輪把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加，并進入擴壓器7。擴壓器的形狀做成進口小出口大， 因此氣流的流速下降、壓力升高， 這些壓縮的空氣經進氣管10 進入氣缸。10/152渦輪增壓器概念：渦輪增壓器是利用內燃機排出的部分廢氣能量， 通過渦輪，驅動壓氣機，使空氣增壓的一個裝置。結構： 廢氣渦輪增壓器（圖 5 17）由壓氣機 ( 包括壓氣機葉輪 12、壓氣機蝸殼 等 、渦輪 ( 包括渦輪葉輪 5、渦輪蝸殼 2 等 ) 和中間體 3 三部分。中間體內有軸承 4，以支承轉子總成 ( 壓氣機葉輪、渦輪葉輪和軸等 ) ，還有密封、潤滑油路和冷卻腔等。11/15葉片形狀壓氣機葉輪的葉片形狀（圖

23、 518）有前彎葉片、徑向葉片和后彎葉片。前彎葉片壓比高，后彎葉片效率高，徑向葉片強度高。葉輪常用鋁合金精密鑄造。葉輪通道不需加工。特點：車用渦輪增壓器廣泛使用徑流式渦輪(圖 5 19)，廢氣從渦輪葉輪外緣徑向流入渦輪，軸向流出。因此，也稱徑流內心式渦輪。在小流量工作條件下，徑流式渦輪效率高，結構簡單，可精密鑄造，轉動慣量小適于變工況工作。渦輪葉輪、 壓氣機葉輪、 鎖緊螺母及密封套等零件裝在一根軸上構成渦輪增壓器的轉子。渦輪葉輪和壓氣機葉輪廣泛采用背對背、軸承內置結構(圖 5 17)。這12/15種結構不影響壓氣機進口和渦輪出口的流道，氣流通暢。渦輪的高溫對壓氣機影響小，平衡性好。渦輪葉輪加工

24、后，用氬弧焊、摩擦焊、電子束焊等方法與軸焊接成一體，再最后加工、動平衡。轉子的動平衡精度和軸承的結構是車用小型高速度氣渦輪增壓器可靠性的關鍵。浮動軸承的工作原理：浮動軸承內、 外間隙對軸承工作性能影響很大。一般內間隙為005mm 左右，外間隙為 01mm 左右，外間隙約為內間隙的2 倍。浮動軸承的壁厚約345mm 。浮動軸承分整體式和分開式兩種。 整體式浮動軸承是增壓器的轉子間只用一個軸承。其結構簡單，零件少，止推軸承大為簡化。但工藝要求高，旋轉慣性大。分開式浮動軸承是在轉子內側的兩邊各放一個軸承。其尺寸小，旋轉慣性小，加工簡單，在小型增壓器上應用較多。漏氣會降低渦輪增壓器效率，而且高溫燃氣竄入軸承后使其工作溫度上升，引起機油結膠或燒毀軸承。漏油會堵塞與污染壓氣機及通往內燃機的進氣管和附件。為阻止機油竄入渦輪和壓氣機的氣體流通部分以及高壓空氣和高溫燃氣竄入潤滑油道內，在中間體內設有既能封油，又能封氣的密封裝置。現代渦輪增壓器多采用活塞環密封，活塞環分別裝在渦輪和壓氣機端的密封環槽中，如圖 5 23 所示。13/15增壓器軸承的潤滑、冷卻（ 圖 5 24）