1、-作者xxxx-日期xxxx汽車發動機構造與原理【精品文檔】第1篇 汽車發動機構造與原理第1章 發動機基本結構與工作原理內容提要柴油機基本結構與工作原理發動機：將其它形式的能量轉化為機械能的機器。內燃機：將燃料在氣缸內部燃燒產生的熱能直接轉化為機械能的動力機械。有活塞式和旋轉式兩大類。本書所提汽車發動機，如無特殊說明，都是指往復活塞式內燃機。內燃機特點：單機功率范圍大（0.6-16860kW）、熱效率高（汽油機略高于0.3，柴油機達0.4左右）、體積小、質量輕、操作簡單，便于移動和起動性能好等優點。被廣泛應用于汽車、火車、工程機械、拖拉機、發電機、船舶、坦克、排灌機械和眾多其它機械的動力。圖1

2、-2 四沖程汽油機基本結構簡圖1-氣缸 2-活塞 3-連桿 4-曲軸 5-氣缸蓋 6-進氣門 7-進氣道 8-電控噴油器 9-火花塞 10-排氣門 11-排氣道1.1 四沖程發動機基本結構及工作原理1.1.1 四沖程汽油機基本結構及工作原理（圖1-2）2.四沖程汽油機基本工作原理（圖1-2）表1-1 四沖程汽油機工作過程行程名稱曲軸轉角活塞行向進氣門排氣門進氣0º180º開關壓縮180º360º關關作功360º540º關關排氣540º720º關開作過程分析（1）四沖程發動機：活塞在上、下止點間往復移動四個行程（相當

3、于曲軸旋轉了兩周），完成進氣、壓縮、作功、排氣一個工作循環的發動機就稱為四沖程發動機。四個行程中，只有一個行程作功，造成曲軸轉速不均勻，工作振動大。所以在曲軸后端安裝了一個質量較大的飛輪，作功時飛輪吸收儲存能量，其余三個行程則依靠飛輪慣性維持轉動。（2）沖程與活塞行程：沖程：指發動機的類型；行程S：指活塞在上、下兩個止點之間距離；氣缸工作容積Vs：一個活塞在一個行程中所掃過的容積。式中 Vs工作容積（m3）；D氣缸直徑（mm）；S活塞行程（mm）。發動機的排量Vst：一臺發動機所有氣缸工作容積之和。式中 Vst發動機的排量（L）；i氣缸數。（3）壓縮行程的作用一是提高進入氣缸內混合氣的壓力和溫

4、度（壓縮終了的氣缸內氣體壓力可達0.61.2MPa，溫度達600K700K），為混合氣迅速著火燃燒創造條件；二是可以有效提高發動機的燃燒熱效率。由熱力學第一定律當混合氣被壓縮程度提高時，發動機混合氣燃燒所達到的最高溫度（T1）升高，而排氣的溫度（T2）降低，導致熱效率提高。1860年，法國人Lenoir（勒努瓦）研制成功的世界第一臺內燃機，沒有壓縮行程，熱效率僅4.5%；1876年，德國人奧托（Otto）制造出第一臺四沖程內燃機，采用壓縮行程，雖然壓縮比只有2.5，但熱效率卻提高到12%，有力地證明了科學是第一生產力這個真理。壓縮比：氣缸內氣體被壓縮的程度。式中 Va氣缸總容積（活塞處于下止點

5、時，活塞頂部以上的氣缸容積）；Vc氣缸燃燒室容積（活塞處于上止點時，活塞頂部以上的容積）。現代汽油機壓縮比一般為711，如廣州本田雅閣2.4 i-VTEC發動機壓縮比為9.7，而-VTEC發動機壓縮比則為10。發動機壓縮比也不能過高，否則會導致壓縮終了溫度和壓力升高，汽油機產生爆震燃燒（），熱負荷、機械負荷、噪音和振動加大，起動困難。可變壓縮比(SVC)發動機：能根據發動機工作負荷變化，自動調節壓縮比。負荷減少時，使壓縮比提高；全負荷時，使壓縮比降低。可有效達到防止爆震燃燒，增加功率、降低油耗、減少排放的目的。當氣缸、活塞等磨損，氣門不密封時，將導致發動機壓縮氣體外泄，熱效率和功率下降。發動機

6、結構特點 單缸發動機問題：功率小，轉速不均勻，工作振動大，現代汽車發動機都是多缸發動機，用得最多的是4缸、6缸、8缸發動機。圖1-3 4缸發動機曲軸多缸發動機結構特點：由多個結構相同的氣缸組成，它們共用一個機體，一根曲軸。曲軸的曲柄布置應該使各缸作功行程均勻分布在7200曲軸轉角內。如4缸發動機曲軸（圖1-3）相鄰工作缸的曲柄夾角為1800，曲軸每轉1800便有一個氣缸作功。圖1-4 四沖程發動機示功圖功圖 將四沖程發動機在一個工作循環里氣缸內氣體壓力隨氣缸工作容積或曲軸轉角變化的關系以座標圖表示，得到圖1-4所示的發動機示功圖。由示功圖可以看到發動機一個工作循環里工作狀態的變化，檢查判斷發動

7、機性能優劣。發動機特征點參數隨機型、結構等有所不同，一般范圍如表1-2所示。表1-2 發動機特征點參數aczbr汽油機P0.0750.090.350.30.50.1050.115T37040060070022002800130016009001200柴油機P0.080.09690.20.40.1050.125T300370750100020002500120015008001000注：P-氣缸內氣體壓強（MPa）；T-氣缸內氣體溫度（K）圖1-5 四沖程柴油機基本結構簡圖1.1.2 四沖程柴油機結構特點與工作原理結構特點：沒有火花塞，噴油器直接安裝在氣缸頂向氣缸內噴油（圖1-5）。工作原理：進

8、氣行程進入氣缸的是純空氣，而不是可燃混合氣；在壓縮行程末，噴油器向氣缸噴入高壓柴油，由于氣缸的高溫高壓作用，柴油迅速著火燃燒，使氣體急劇膨脹，推動活塞作功。其著火方式屬于壓燃式，而不是汽油機的點燃式。燃料：柴油，粘度高，不易揮發，自燃點低，不會產生爆燃。為了使柴油可靠著火，提高發動機燃燒熱效率，柴油機的壓縮比汽油機高得多，一般為1622，所以其最高燃燒壓力也比汽油機高，工作也比汽油機粗暴。柴油機與汽油機比較（表1-3）：表1-3 柴油機與汽油機比較性 能汽 油 機柴 油 機著火方式點燃壓燃燃油消耗高低熱效率30%左右40%左右工作平穩性柔和粗暴發動機轉速高（40006000 r/min）低（2

9、5003000r/min）升功率大小起動性易難制造維修成本低高比質量小大使用壽命短長排放CO 、HC大，NOX、黑煙少CO 、HC小，NOX、黑煙多柴油機的轉速也在不斷提高，奔馳V230轎車柴油機，最高轉速可達6000r/min。1.2 二沖程發動機結構特點及工作原理二沖程發動機：指活塞在上、下止點間往復移動兩個行程（相當于曲軸旋轉3600），完成進氣、壓縮、作功、排氣一個工作循環的發動機。圖1-6 二沖程汽油機基本結構1-氣缸 2-掃氣孔 3-活塞 4-連桿 5-曲軸箱 6-曲軸 7-進氣孔 8-排氣孔 9-火花塞1.2.1 二沖程汽油機結構特點與工作原理1.結構特點(圖1-6)沒有進、排氣

10、門，代之以進、排氣孔7和8，由活塞圓柱面控制其開閉。另外還有掃氣孔2，掃氣時曲軸箱和氣缸連通。（1）第一行程（換氣-壓縮行程）：活塞自下止點向上止點移動，到活塞圓柱面將排氣孔8和掃氣孔2都關閉時，開始壓縮上一循環吸入氣缸內的汽油與空氣混合氣，同時在活塞下面的曲軸箱內形成真空度（曲軸箱是密封的）。當活塞繼續上行時，進氣孔7打開，新的汽油與空氣可燃混合氣經進氣孔7被吸入活塞下方的曲軸箱內。（2）第二行程（作功-換氣行程）：活塞接近上止點時，火花塞點火，點燃被壓縮的混合氣，高溫、高壓氣體急劇膨脹，推動活塞向下運動，對外作功。當活塞下行關閉進氣孔7到露出排氣孔8時，氣缸開始排氣，同時壓縮活塞下方的可燃

11、混合氣；活塞繼續下行到露出掃氣孔2時，受到預壓的新鮮混合氣自掃氣孔流入缸內，并掃除廢氣。為了防止新鮮混合氣大量與廢氣混合并排出氣缸而造成浪費，活塞頂做成特殊形狀，使新鮮混合氣的氣流被引向上部，還可以利用新鮮混合氣來掃除廢氣，使排氣更干凈。二沖程與四沖程汽油機比較(見表1-4)：表1-4 二沖程與四沖程汽油機比較性 能二沖程汽油機四沖程汽油機結構簡單復雜比質量小大燃油消耗高低升功率大小制造維修成本低高比質量小大起動性好差使用壽命短長排放大小圖1-7 二沖程柴油機結構1-活塞 2-進氣孔 3-排氣門 4-泵-噴嘴 5-傳動輪（由柴油機驅動） 6-單向離合器 7-廢氣排出口 8-排氣渦輪葉輪 9-離

12、心式風機 10-排水口 11-增壓空氣冷卻器 12-進水口 13-集流箱理論上二沖程比四沖程汽油機升功率大一倍，但實際上由于排氣、換氣占去了1/3行程，使作功行程縮短，導致實際單位氣缸工作容積的功率只比四沖程汽油機大50%60%。由于排氣行程短，廢氣排不盡，部分新鮮可燃混合氣在掃氣時隨廢氣外流，造成燃油消耗率高，經濟性差，HC排放增加。同時，由于作功頻繁，機械負荷和熱負荷大，潤滑困難，導致發動機壽命短。因此，二沖程汽油機在現代汽車上較少采用，而被廣泛應用于摩托車和微型汽車。1.2.3 二沖程柴油機結構特點與工作原理1.結構特點 圖1-7所示為美國GM公司生產的710G3B型二沖程柴油機。在氣缸

13、蓋上安裝有排氣門3和泵-噴嘴4，當排氣門打開時，排出的廢氣沖擊排氣渦輪葉輪8使其旋轉，并帶動離心式風機9旋轉，將空氣加壓，增壓空氣經冷卻器11，進入集流箱13，再從缸套上的空氣進氣孔2進入氣缸。2.二沖程柴油機工作原理（圖1-7） （1）第一行程：活塞自下止點向上止點運動，行程開始時，進氣孔2和排氣門3均開啟，利用從離心式風機9壓來的空氣使氣缸換氣。活塞繼續向上移動，進氣孔被遮蓋，排氣門也關閉，氣缸內的空氣受到壓縮，壓力和溫度上升。當活塞接近上止點時，高壓燃油從泵-噴嘴4噴入氣缸并著火燃燒，使氣缸內壓力急劇升高。（2）第二沖程：高溫高壓氣體急劇膨脹，推動活塞從上止點向下止點運動，對外作功。活塞

14、接近下止點時，排氣門開啟，排出的廢氣沖擊渦輪葉輪8使其旋轉，并帶動離心式風機9旋轉，將空氣加壓，增壓空氣經冷卻器11冷卻后，再從缸套上的空氣進氣孔2進入氣缸，進行換氣。二沖程柴油機的工作過程與二沖程汽油機工作過程不同的是：進入柴油機氣缸的是純空氣，而不是可燃混合氣，而且空氣進入氣缸前先經過增壓，所以二沖程柴油機比二沖程汽油機的經濟性好。日本雅馬哈發動機公司于1999年3月開發出100km只燃用3升柴油的車用二沖程SD型柴油機。美國GM公司生產的710G3B型二沖程柴油機h。二沖程柴油機主要應用于內燃機車、低速船用柴油機上。1.3 內燃機分類及型號1.3.1 內燃機的分類內燃機種類繁多，根據不同

15、特點有不同分類（表1-5）。表1-5 內燃機的分類分類方法類 別含 義按沖程數分二沖程內燃機活塞經過兩個行程完成一個工作循環的內燃機四沖程內燃機活塞經過四個行程完成一個工作循環的內燃機按著火方式分點燃式內燃機壓縮氣缸內的可燃混合氣，并用外源點火燃燒的內燃機壓燃式內燃機壓縮氣缸內的空氣或可燃混合氣，產生高溫，引起燃料著火的內燃機按使用燃料種類分液體燃料內燃機燃燒液體燃料（汽油、柴油、醇類等）的內燃機氣體燃料內燃機燃燒氣體燃料（液化石油氣、天然氣等）的內燃機多種燃料內燃機能夠使用著火性能差異較大的兩種或兩種以上燃料的內燃機按進氣狀態分非增壓內燃機進入氣缸前的空氣或可燃混合氣未經壓縮的內燃機。對于四

16、沖程內燃機亦稱自吸式內燃機增壓內燃機進入氣缸前的空氣或可燃混合氣先經過壓氣機壓縮藉以增大充量密度的內燃機按冷卻方式分水冷式內燃機用水冷卻氣缸和氣缸蓋等零件的內燃機風冷式內燃機用空氣冷卻氣缸和氣缸蓋等零件的內燃機按氣缸數及布置分單缸內燃機只有一個氣缸的內燃機多缸內燃機具有兩個或兩個以上氣缸的內燃機。立式內燃機氣缸布置于曲軸上方且氣缸中心線垂直于水平面的內燃機。臥式內燃機氣缸中心線平行于水平面的內燃機。直列式內燃機具有兩個或兩個以上直立氣缸，并呈一列布置的內燃機。V形內燃機具有兩個或兩列氣缸，其中心線夾角呈V形，并共用一根曲軸輸出功率的內燃機（圖1-8a）對置氣缸式內燃機兩個或兩列氣缸分別排列在同

17、一曲軸的兩邊呈1800夾角的內燃機（見圖1-8b）斜置式內燃機氣缸中心線與水平面呈一定角度(不是直角)的內燃機按用途分類有汽車用、機車用、拖拉機用、船用、坦克用、摩托車用、發電用、農用、工程機械用等內燃機。1.3.2 內燃機型號根據國家標準GB725-91規定，我國內燃機型號由以下四個部分組成：地方、企業代號系列符號換代標志首 部結構特征符號用途特征符號區分符號后 部尾部沖程符號（E表示二沖程，四沖程不標）缸徑（以直徑mm整數表示）氣缸布置形式缸數符號中 部符號含義無符號多缸直列及單缸VV型P平臥形符號含義無符號水冷F風冷N凝氣冷卻S十字頭式Z增壓ZL增壓中冷DZ可倒轉符號含義無符號通用型T拖

18、拉機用M摩托車用G工程機械Q車用J鐵路機車D發電機組C船用主機，右機基本型CZ船用主機，左機基本型Y農用運輸車L林業機械型號示例4100Q四缸、直列、四沖程、缸徑100mm、水冷、汽車用。1E65F單缸、二沖程、缸徑65mm、風冷、通用型。12V135ZG12缸、V型、四沖程、缸徑135mm、水冷、增壓、工程機械用。1.4 發動機性能指標評價一臺發動機好壞，需要有一批性能指標來衡量。常見的性能指標有動力性能指標、經濟性能指標、運轉性能指標和可靠性、耐久性能指標等。1.4.1 動力性能指標矩 發動機曲軸輸出的平均轉矩稱為有效轉矩，以Te表示，單位為Nm。有效轉矩與外界施加于發動機曲軸上的阻力矩相

19、平衡，可以用發動機臺架試驗方法測得。2. 平均有效壓力 指單位氣缸工作容積所輸出的有效功，以Pme表示，單位為kPa。平均有效壓力越大，動力性能越好。效功率 發動機曲軸輸出的功率稱為有效功率，用Pe表示。它等于有效轉矩與曲軸角速度的乘積。 （kW）式中 Te有效轉距（Nm）；n曲軸轉速（r/min）。有效功率也可以由下式計算： （kW）式中 Pme平均有效壓力（kPa）；Vs氣缸工作容積（m3）；n曲軸轉速（r/min）；i氣缸數；沖程系數，二沖程1，四沖程2。發動機制造廠按國家規定標定的有效功率，稱為標定功率。標定功率時的發動機轉速稱標定轉速，發動機名稱牌上標明的功率就是標定功率。標定功率是

20、根據發動機用途、使用特點以及連續運轉時間來確定的，各個國家有所不同，我國內燃機功率標定分以下四級（表1-6）：表1-6 我國內燃機功率標定分 級含 義應 用15min功率在標準環境條件下，內燃機能連續穩定運轉15min時的最大有效功率汽車等1h功率在標準環境條件下，內燃機能連續穩定運轉1h時的最大有效功率工程機械、拖拉機等12h功率在標準環境條件下，內燃機能連續穩定運轉12h時的最大有效功率部分拖拉機和電站等持續功率在標準環境條件下，內燃機能長期連續穩定運轉的最大有效功率鐵路機車、船舶和發電機組等發動機還常用升功率Pc比較不同發動機動力性能，它是指發動機在標定工況下每升氣缸工作容積所發出的有效

21、功率。升功率越大，發動機動力性能越好。 1.4.2 經濟性能指標油消耗率 發動機每發出1kW有效功率，在1h內所消耗的燃油質量（以g為單位），稱為燃油消耗率，用be表示。可按下式計算 g/（kWh）式中 B發動機每小時消耗的燃油質量（kg/h）；Pe發動機的有效功率（kW）。熱效率 燃料中所含的熱量轉變為有效功的比例稱為有效熱效率，用 e表示。式中 We發動機有效功（kJ）；Q1燃料中所含的熱量（kJ）。當測得發動機有效功率Pe和每小時消耗的燃油質量B時，則或 式中 Hu燃料低熱值（kJ/kg）。 現代汽車汽油機e值一般0.30左右，柴油機0.40左右。1.4.3 運轉性能指標發動機的運轉性能

22、指標主要指排放指標、噪聲、起動性能等。指標 發動機的排氣中含有多種對人體有害的物質，主要有一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、醛類和微粒（含碳煙）等。其主要危害見表1-7。表1-7 發動機主要有害排放及危害有害排放有害物特征危 害CO無色、無臭、有毒氣體使人出現惡心、頭暈、疲勞等缺氧癥狀，嚴重時窒息死亡NO2赤褐色帶刺激性的氣體傷害心、肝、腎。與光化學反應形成臭氧和醛等HC刺激性的氣體破壞造血機能，造成貧血、神經衰弱，降低肺對傳染病的抵抗力。與光化學反應形成臭氧和醛等光化學煙霧HC 與NOx在陽光作用下所形成的煙霧，有刺激性降低大氣可見度，傷害眼睛、咽

23、喉，影響植物生長醛類較強的刺激性臭味傷害眼睛、上呼吸道、中樞神經微粒碳煙等傷害肺組織SO2無色、刺激性氣體刺激鼻喉，引起咳嗽、胸悶，支氣管炎等1955年9月中的幾天里，美國洛杉磯的光化學煙霧非常濃烈，兩天之內就有400多名65歲以上的老年人死亡，比平時高出幾倍。此外，還有幾千人受到不同程度的傷害，地里的蔬菜變質，四分之一的森林干枯而死，那一幕幕慘狀至今令人難忘。目前世界汽車保有量6.6億輛,每年排向大氣中的有害物質高達7億多噸，嚴重污染了大氣，已形成公害。為此，各國都制定了相應的汽車排放標準，如美國加州汽車排放法規，它是目前世界上最嚴的標準，規定2004年后生產的汽油轎車排放必須滿足表1-8的

24、低排放要求：表1-8 美國加州汽車排放法規（2004年實施的標準）排放物NMOGCONOx甲醛要求g/mile（g/km）0.075（0.047）（2.11）（0.03）（0.009）注：用“非甲烷有機氣體”NMOG替代了傳統的碳氫化合物HC，因為排氣中的組合物會隨燃料的改變而改變，而NMOG的不同組成物對環境的影響不同，給予不同的加權后再疊加。表中指標測試耐久性要求為50000mile。我國排放標準參照歐洲法規體系，2000年開始執行EU標準，2003年開始執行EU標準。2.噪聲 噪聲是發動機工作時發出的一種聲強和頻率無一定規律的聲音，主要有燃燒噪聲和機械噪聲。它不僅損害人的聽覺器官，還傷害

25、神經系統、心血管系統、消化系統和內分泌系統，容易使人性情煩躁，反應遲鈍，甚至耳聾，誘發高血壓和神經系統的疾病。汽車是城市主要噪聲源之一，發動機又是汽車的主要噪聲源，應該給予控制。我國的噪聲標準中規定，小型水冷汽油機噪聲不大于110dB（A），轎車的噪聲不大于82dB（A）。動性能 起動性能是表征發動機起動難易的指標。發動機起動性能好，便于汽車起步行駛，同時減少了起動時的功率消耗和發動機的磨損。起動性能一般以一定條件下的起動時間長短來衡量。我國標準規定，不采用特殊的低溫起動措施，汽油機在-10、柴油機在-5以下的氣溫條件下起動，能在15s以內達到自行運轉。1.4.4 可靠性與耐久性能指標可靠性與

26、耐久性也是汽車發動機使用中的兩個重要指標。1.可靠性 可靠性是指發動機在規定的運轉條件下，具有持續工作，不至因為故障而影響正常運轉的能力。一般以保證期內的不停車故障數、停車故障數、更換主要零件和重要零件數等具體指標來衡量。按照汽車發動機可靠性試驗方法的規定，我國汽車發動機應能在標定工況下連續運行3001000h。2.耐久性 耐久性是指發動機在規定的運轉條件下，長期工作而不大修的性能。一般以發動機從開始使用到第一次大修前累計運轉的時間表示。上述發動機的動力性能指標、經濟性能指標、運轉性能指標和可靠性、耐久性等指標，對不同用途的發動機要求是不同的。各項指標之間既相互聯系又相互制約，往往為了降低排氣

27、污染，而不得不犧牲發動機的動力和經濟性能指標。1.5 汽車發動機總體組成在一個機體上安裝一個機構（曲柄連桿機構）和六大系統（換氣系統、燃料供給系統、潤滑系統、冷卻系統、點火系統和起動系統），如表1-9和圖1-9所示。柴油機則為五大系統，沒有點火系統。表1-9 發動機總體組成名 稱功 用主 要 部 件機體組件發動機的骨架，支承著發動機的所有零部件機體、氣缸、氣缸蓋、氣缸墊等曲柄連桿機構將活塞頂的燃氣壓力轉變為曲軸的轉矩，輸出機械能活塞、連桿、曲軸、飛輪等換氣系統按照發動機要求，定時開閉進、排氣門， 吸入干凈空氣，排除廢氣空氣濾清器、進排氣管系、配氣機構（氣門組件、凸輪軸、驅動機構）、排氣消音器等

28、燃料供給系統按照發動機要求，定時、定量供給所需要的燃料汽油機：汽油箱、輸油泵、濾清器、壓力調節器、各種傳感器、電控噴油器、電控單元等；（舊汽油機采用化油器）柴油機：柴油箱、輸油泵、濾清器、高壓油泵、調速器、噴油器等點火系統按規定的時刻，準時點燃汽油機氣缸內的可燃混合氣蓄電池、點火開關、點火線圈組件、傳感器、電控裝置、火花塞等潤滑系統潤滑、減摩、延長壽命、密封、清潔、冷卻、防銹蝕油底殼、機油泵、機油濾清器、機油壓力表、機油道等冷卻系統保持發動機在適宜的溫度下工作冷卻水泵、風扇、節溫器、散熱器、冷卻水道等起動系統起動發動機蓄電池、起動開關、起動馬達等1-凸輪軸 2-搖臂 3 -排氣門 4-火花塞 5-電控噴油器 6-燃油濾清器 7-電動燃油泵 8-燃油箱 9-點火線圈組件 10-燃油壓力調節閥 11-進氣門 12-水溫傳感器 13-爆振傳感器 14-進氣管 15-進氣溫度傳感器 16-節氣門 17-節氣門傳感器 18-空氣濾清器 19-空氣質量計 20-控制單元（ECU） 21-冷卻水套 22-發動機轉速傳感器 23-點火開關 24-蓄電池 25-起動馬達 26-飛輪 27-油底殼 28-機油 29-曲軸 30-連桿 31-曲軸皮帶輪 32-傳動皮帶 33-氣缸 34-排氣三元催化轉化器 35-