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(共32张PPT)第一章 发动机总体构造与维修第一节 发动机的结构和工作原理第二节 发动机总成的维修学习目标小结复习思考题1．掌握发动机的定义和发动机的基本术语含义；2．掌握四冲程汽油机和四冲程柴油机的工作原理；3．了解发动机工作循环的特点，了解多缸四冲程发动机的工作原理；4．掌握发动机总成的构造特点；5．了解发动机主要性能指标与特性；6．了解发动机总成维修的基本方法。学习目标第一节 发动机的结构和工作原理一、发动机的作用发动机是将某一种形式的能量转换为机械能的机器。汽车用发动机如图1-1所示，它是汽车的心脏，是汽车的动力源。汽车发动机一般是将液体燃料或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧产生热能，热能再转变为机械能，因此又叫内燃机。现代汽车用发动机应用最广、数量最多的是水冷式四冲程往复活塞式内燃机。常见的车用发动机有汽油发动机和柴油发动机两种。图1-1 卡罗拉车型发动机第一节 发动机的结构和工作原理二、单缸发动机结构及常用术语单缸四冲程汽油机的基本结构如图1-2所示，单缸四冲程柴油机的基本结构如图1-3所示。汽缸体内圆柱形腔体称为汽缸，内装有活塞。活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。活塞在汽缸内做往复直线运动，通过连杆推动曲轴做旋转运动。在汽缸盖上装有进、排气门，通过凸轮轴控制进、排气门开启和关闭，实现向汽缸内充入新鲜可燃混合气（汽油机）或纯空气（柴油机），并将燃烧后的废气排出汽缸。第一节 发动机的结构和工作原理图1-2 单缸四冲程汽油机结构示意图第一节 发动机的结构和工作原理图1-3 单缸四冲程柴油机结构示意图第一节 发动机的结构和工作原理发动机基本术语如图1-4所示。图1-4 发动机基本术语第一节 发动机的结构和工作原理（1）上止点。上止点是指活塞离曲轴回转中心最远处，即活塞的最高位置。（2）下止点。下止点是指活塞离曲轴回转中心最近处，即活塞的最低位置。（3）活塞行程（S）。上止点与下止点之间的距离称为活塞行程。（4）曲柄半径（R）。曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离（即曲轴的回转半径）称为曲柄半径。活塞行程为曲柄半径的两倍，即S＝2R。（5）汽缸工作容积（Vh）。活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积称为汽缸工作容积或汽缸排量，即式中：D———汽缸直径，mm；S———活塞行程，mm。第一节 发动机的结构和工作原理（6）燃烧室容积（Vc）。活塞在上止点时，活塞顶与汽缸盖之间的容积称为燃烧室容积。（7）汽缸总容积（Va）。活塞在下止点时，活塞顶上方的容积称为汽缸总容积。显然，汽缸总容积是汽缸工作容积与燃烧室容积之和，即Va＝Vc＋Vh式中： Vc———燃烧室容积，L；Vh———汽缸工作容积，L。（8）发动机排量（VL）。多缸发动机各汽缸工作容积的总和称为发动机排量。即式中：Vh———汽缸工作容积，L；i———汽缸数目。第一节 发动机的结构和工作原理（9）压缩比（ε）。汽缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。式中：Va———汽缸总容积，L；Vh———汽缸工作容积，L；Vc———燃烧室容积，L。压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时，汽缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时汽缸内气体的压力和温度越高。目前，一般车用汽油机的压缩比约为6～11，柴油机的压缩比一般为16～22。（10）工作循环。在汽缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转变成机械能的一系列连续过程（进气、压缩、做功、排气）称为发动机的一个工作循环。第一节 发动机的结构和工作原理三、发动机的基本工作原理1．四冲程汽油机的工作原理四冲程汽油机每一个工作循环包括4个活塞行程。即进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程，如图1-5所示。图1-5 四冲程汽油机工作原理示意图第一节 发动机的结构和工作原理（1）进气行程。在进气行程中，活塞在曲轴和连杆的带动下由上止点向下止点运行，这时进气门开启，排气门关闭。在活塞由上止点向下止点运动过程中，由于活塞上方汽缸容积逐渐增大，形成一定的真空度。这样，可燃混合气通过进气歧管、进气门被吸入汽缸。当活塞到达下止点时，进气门关闭，停止进气。由于进气系统有阻力，进气终了时汽缸内的气体压力略低于大气压力，约为0.074～0.093MPa。由于汽缸壁、活塞等高温机件及上一循环残留的高温残余废气的加热，气体的温度上升到80～130℃。第一节 发动机的结构和工作原理（2）压缩行程。活塞在曲轴和连杆的带动下由下止点向上止点运动，此时进、排气门处于关闭状态。由于活塞上方汽缸容积逐渐减小，进入汽缸内的可燃混合气被压缩，温度和压力不断升高，直到活塞到达上止点为止，此时，可燃混合气被压缩到活塞上方的很小空间，即燃烧室中。压缩终了时，可燃混合气压力为0.6～1.5MPa，可燃混合气的温度为330～430℃。压缩终了时，可燃混合气的压力和温度取决于压缩比。压缩比越大，燃烧速度越快，因此发动机发出的功率越大，经济性越好。但压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧，反而会出现爆震和表面点火等不正常燃烧现象。第一节 发动机的结构和工作原理爆震是由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点火中心较远及具有高温处（如排气门头部、火花塞电极和积炭处）可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。爆震时，火焰以极高的速率向外传播，由于温度和压力急剧升高，形成压力波，以声速向外推进。这种压力波撞击燃烧室壁时便发出尖锐的敲击声。爆震还会引起发动机过热、功率下降、工作不稳定、燃油消耗率增加等一系列不良后果。严重时会造成气门烧毁、轴承破裂、火花塞绝缘体击穿等机件损坏现象。表面点火是由于燃烧室内炽热表面与炽热处（如排气门头部、火花塞绝缘体、零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象。表面点火发生时，会伴有沉闷的金属敲击声音，所产生的高压会使发动机机件负荷增加，活塞和连杆损坏及气门、火花塞、活塞等零件过热将导致发动机寿命降低。第一节 发动机的结构和工作原理（3）做功行程。当活塞运动到接近压缩行程上止点附近时，火花塞跳火点燃汽缸内的可燃混合气。这时由于进气门和排气门均处于关闭状态，使缸内气体温度和压力同时升高，高温高压的气体膨胀，推动活塞由上止点向下止点运动，并通过连杆带动曲轴旋转输出机械能，直到活塞到达下止点时，做功行程结束。做功行程中，瞬时最高压力可达3～5MPa，瞬时最高温度可达1930～2530℃。做功行程终了时，由于活塞下移，汽缸内容积增加，气体压力和温度都在降低，压力降低到0.3～0.5MPa，温度则降到1030～1330℃。第一节 发动机的结构和工作原理（4）排气行程。在做功行程结束后，汽缸内的可燃混合气通过燃烧转变为废气。此时排气门开启，进气门处于关闭状态，活塞在曲轴和连杆的带动下由下止点向上止点运动，废气在自身残余压力和活塞的推力作用下从汽缸内经排气门排出，直到活塞到达上止点时，排气行程结束。由于排气系统存在排气阻力，所以在排气终了时，汽缸内压力稍高于大气压力，废气温度为630～930℃。因燃烧室占有一定容积，故排气终了时，不可能将废气全部排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。排气行程结束后，进气门再次开启，又开始下一个工作循环。如此周而复始，发动机就连续运转了。发动机工作时，需要连续不断地进行循环，在每个循环中都是依次完成进气、压缩、做功、排气4个活塞行程。第一节 发动机的结构和工作原理2．四冲程柴油机的工作原理四冲程柴油机工作原理如图1-6所示。与四冲程汽油机一样，四冲程柴油机每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气4个活塞行程组成。但由于柴油和汽油使用性能的不同，柴油机在可燃混合气的形成方式、着火方式等方面与汽油机有着较大的区别。这里主要介绍四冲程柴油机与四冲程汽油机工作原理的不同之处。图1-6 四冲程柴油机工作原理示意图第一节 发动机的结构和工作原理（1）进气行程。柴油机在进气行程中进入汽缸的是纯空气，而不是可燃混合气。（2）压缩行程。柴油机在压缩行程中压缩的是进气冲程进入汽缸内的纯空气。由于柴油机压缩比高，压缩终了时缸内气体的温度和压力均高于汽油机，汽缸内空气压力为3.5～4.5MPa，温度为480～730℃。（3）做功行程。柴油机做功行程与汽油机做功行程有很大区别。在压缩行程接近上止点时，喷油泵泵出的高压柴油（10MPa以上）经喷油器呈雾状喷入汽缸内的高温空气中，柴油迅速吸热、蒸发、扩散与空气混合形成可燃混合气。由于此时汽缸内的温度远高于柴油的自燃温度（约220℃），形成的可燃混合气自行着火燃烧，随后的一段时间内边喷油、边混合、边燃烧，汽缸内气压急剧上升到6～9MPa，温度也升至1730～2230℃。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而做功。第一节 发动机的结构和工作原理（4）排气行程。柴油机与汽油机的排气行程基本相同。与汽油机相比，柴油机压缩比高，燃油消耗率低，故燃油经济性较好，环保性也较好，且柴油机没有电气和点火系的故障。但柴油机转速低、质量大、制造和维修费用高。柴油机的这些缺点已逐渐得到克服。其应用越来越广。第一节 发动机的结构和工作原理3．工作循环的特点由上述单缸四冲程汽油机和单缸四冲程柴油机的工作原理可知，四冲程发动机工作循环具有以下特点。（1）每完成一个工作循环曲轴旋转2圈（720°），每一个行程曲轴旋转半圈（180°）。进气行程中进气门开启，排气门关闭；排气行程中排气门开启，进气门关闭；其余两个行程进、排气门均关闭。（2）在4个活塞行程中，只有做功行程产生动力，其余3个活塞行程则是为做功行程做准备的辅助行程，都要消耗动力。虽然做功行程是主要的，但其他3个行程也是必不可少的。（3）发动机起动时（第一个工作循环），必须借助外力带动曲轴旋转以完成进气、压缩行程，在混合气着火做功行程开始后，依靠曲轴和飞轮储存的能量，使发动机转入正常运转状态。第一节 发动机的结构和工作原理4．多缸四冲程发动机的工作原理单缸四冲程发动机每个工作循环所经历的4个活塞行程中，只有做功行程为有效行程，其他3个行程为消耗机械功的辅助行程。这样，发动机曲轴在做功行程中的转速快，在其他行程中转速慢。所以，一个工作循环中曲轴的转速是不均匀的。为了保证发动机运转平稳，现代汽车发动机都采用多缸四冲程发动机，应用最多的是四缸、六缸和八缸发动机。多缸四冲程发动机每个汽缸所经历的工作循环与单缸四冲程发动机相同，但各缸的做功行程并非同时进行，而是按一定顺序进行。因此，对多缸四冲程发动机来说，曲轴每转两周，各缸分别做功一次，且各缸做功间隔角（以曲轴转角表示）保持一致。对于缸数为i的四冲程直列式发动机而言，做功间隔角为720°/i。汽缸数越多，发动机工作越平稳，但结构也越复杂。第一节 发动机的结构和工作原理四、发动机的总体构造汽油发动机通常由两大机构、五大系统组成，而柴油机由两大机构、四大系统组成。两大机构是指曲柄连杆机构和配气机构，五大系统是指燃料供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统（柴油机无此系统）和起动系统。下面以桑塔纳2000GSi轿车的AJR汽油发动机（图1-7和图1-8）为例，介绍四冲程汽油发动机的构造。第一节 发动机的结构和工作原理图1-7 AJR汽油发动机纵剖图第一节 发动机的结构和工作原理图1-8 AJR汽油发动机横剖图第一节 发动机的结构和工作原理（1）曲柄连杆机构。曲柄连杆机构是发动机借以产生动力。并将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力的机构。曲柄连杆机构主要由汽缸盖、汽缸体、活塞、连杆、曲轴和飞轮等组成。（2）配气机构。配气机构的功用是根据发动机的工作需要。适时地打开进气门或排气门。使可燃混合气及时地充入汽缸。或使废气及时地从汽缸内排出；而在发动机不需要进气或排气时，则利用气门将进气通道或排气通道关闭，以保持汽缸密封。配气机构主要由气门、气门弹簧、液压挺柱、凸轮轴、正时齿形带轮等组成。（3）燃料供给系统。汽油机燃料供给系统的功用是向汽缸内供给已配好的可燃混合气（缸内喷射式发动机为空气），并控制进入汽缸内可燃混合气的数量，以调节发动机的输出功率和转速，最后将燃烧后的废气排出汽缸。汽油机的燃料供给系由燃油箱、燃油滤清器、燃油泵、节气门体、喷油器、空气滤清器、进/排气歧管和排气消声器等组成。第一节 发动机的结构和工作原理（4）点火系统。汽油机点火系统的功用是按一定时刻向汽缸内提供电火花，及时地点燃汽缸中被压缩的可燃混合气。点火系统通常由电源（蓄电池和发电机）、点火开关、点火线圈、火花塞等组成。（5）冷却系统。冷却系统的功用是利用冷却液冷却高温零件，并通过散热器将热量散发到大气中去，以保证发动机正常工作。水冷式冷却系统通常由水泵、散热器、风扇、节温器、水套等组成。（6）润滑系统。润滑系统的功用是将清洁的润滑油分送至各个摩擦表面，以减小摩擦和磨损，并清洗、冷却摩擦表面，从而延长发动机的使用寿命。润滑系统一般由机油泵、机油滤清器、集滤器、限压阀、润滑油道、油底壳等组成。（7）起动系统。起动系统的功用是带动飞轮旋转以获得必要的动能和起动转速，使静止的发动机起动并转入自行运转状态。起动系统包括起动机及其附属装置。第一节 发动机的结构和工作原理五、发动机的主要性能指标与特性1．发动机的主要性能指标发动机的主要性能指标有动力性指标（有效转矩、有效功率、转速等）和经济性指标（燃油消耗率）。（1）有效转矩。发动机通过飞轮对外输出的转矩称为有效转矩，以Te表示。有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的阻力矩相平衡。（2）有效功率。发动机通过飞轮对外输出的功率称为发动机的有效功率，用Pe表示，它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。即Pe＝Te·n/9550式中：Te———有效转矩，N m；n———曲轴转速，r/min。（3）燃油消耗率。发动机每发出1kW有效功率，在1h内所消耗的燃油质量（以g为单位），称为燃油消耗率，用ge表示。很明显，燃油消耗率越低，经济性越好。第一节 发动机的结构和工作原理2．发动机特性发动机的性能是随着许多因素而变化的，其变化规律称为发动机特性。（1）发动机转速特性。发动机转速特性是指发动机的功率Pe、转矩Te和燃油消耗率ge三者随曲轴转速n变化的规律。当节气门开到最大时，所得到的是总功率特性，也称为发动机外特性（见图1-9），它代表了发动机所具有的最高动力性能。而把在节气门其他开度情况下得到的特性称为部分特性。图1-9 发动机外特性第一节 发动机的结构和工作原理由图1-9中可以看出，当曲轴转速为n2时，发动机发出最大转矩Te。当转速达到n3时，有效功率Pe达到最大值。发动机最小燃油消耗率ge的相应转速为n5，它的数值一般是介于最大转矩时的转速和最大功率时的转速之间。要根据汽车实际工作情况来选择合适的发动机转速n。如超车时一般选择发动机有效功率Pe最大值所对应的发动机转速，爬陡坡时选择发动机最大转矩Te所对应的发动机转速，而一般情况下尽量选择最小燃油消耗率ge所对应的发动机转速，以提高燃油经济性。第一节 发动机的结构和工作原理（2）发动机工作状况。发动机工作状况（简称发动机工况）一般是用其功率与曲轴转速来表征，有时也可用负荷与曲轴转速来表征。发动机在某一转速之下的负荷，就是当时发动机发出的功率与同一转速下所可能发出的最大功率之比，以百分数表示。图1-10表示某发动机的一组特性曲线，其中，Ⅰ表示相应于节气门全开时的外特性曲线，Ⅱ、Ⅲ分别表示节气门保持在开度依次减小的部分特性。图1-10 发动机的外特性曲线第一节 发动机的结构和工作原理由图1-10得知，在n＝3500r/min时，若节气门全开，可得到该转速下所可能发出的最大功率45kW。但如果不全开而开到Ⅱ或Ⅲ的位置，则同样的转速下只能发出32kW或20kW。根据上述定义，可求出a、b、c和d这4个工况下的负荷值。工况a：负荷为零（称为发动机空转工况）；工况b：负荷＝20/45×100%＝44.4%；工况c：负荷＝32/45×100%＝71.1%；工况d：负荷＝45/45×100%＝100%（即发动机全负荷）。应当注意的是，不要把负荷和功率的概念相混淆。如某一转速时，全负荷（如d点）并不意味是发动机的最大功率。发动机的最大功率，应是工况e点的功率。又如在工况f点，虽然功率比工况c点时小，但却是全负荷。就是说，功率大小并不代表负荷的大小。此外，在外特性曲线上，各点都表示在各转速下的全负荷工况，但在同一部分特性曲线上，各点的负荷值却并不相同。在同一转速下，节气门开度愈大表示负荷愈大，但两者并不成比例。
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