发动机的结构与工作原理.ppt

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1、汽车发动机汽车发动机 及控制技术（上）及控制技术（上） 授课人授课人: : 国内外汽车工业的发展国内外汽车工业的发展 n n 汽车的诞生（第一辆汽车的出世）汽车的诞生（第一辆汽车的出世） 18861886年年1 1月月2 29 9日德国奔驰获得汽车专利日德国奔驰获得汽车专利 n n 汽车保有量汽车保有量 8 8亿多，我国亿多，我国 24002400多万辆多万辆 n n 汽车年产量全世界汽车年产量全世界50005000多万辆，我国多万辆，我国20032003年产销年产销430430万辆万辆 ，位居世界第，位居世界第4 4位，预计位，预计 n n 汽车生产的规模化、垄断化逐步扩大。世界汽车生产的规

2、模化、垄断化逐步扩大。世界2020家产商垄断家产商垄断 了全球了全球80%80%以上的汽车生产。以上的汽车生产。 n n 通用、福特、克莱斯勒占美国通用、福特、克莱斯勒占美国90%90%以上的汽车生产。以上的汽车生产。 n n 汽车已发展为集计算机技术、设计理论、测试手段、新型材汽车已发展为集计算机技术、设计理论、测试手段、新型材 料、工艺技术等科学技术为一体、充分展现机电一体化的高料、工艺技术等科学技术为一体、充分展现机电一体化的高 科技产品。主要表现在：科技产品。主要表现在： 汽车的各系统的电子技术：汽车的各系统的电子技术： 汽车发动机结构变化：汽车发动机结构变化： 汽车底盘的变化：汽车底

3、盘的变化： 汽车车身的变化：汽车车身的变化： n n 汽车设计方法手段的变化：汽车设计方法手段的变化： n n 汽车带来的问题汽车带来的问题 ( (效率、污染、事故效率、污染、事故) ) n n 我国汽车发展的三个阶段：我国汽车发展的三个阶段： 1953195319781978 苏联生产模式（苏联生产模式（1953-1953- -1956 -1956 一汽投产，一汽投产，1968-1975 1968-1975 二汽二汽 投产）。投产）。 1978197819931993 （1985 1985 七五计划列为支七五计划列为支 柱产业，柱产业，19871987确定发展轿车（一汽、二确定发展轿车（一汽

4、、二 汽、上海、天津、北京、广州六大基地汽、上海、天津、北京、广州六大基地 ），），19931993年达年达130130万辆）。万辆）。 19941994 汽车工业迅速发展时期。汽车工业迅速发展时期。 发动机结构 工作原理 发动机分类和结构发动机工作原理 分类结构四冲程二冲程 燃料、行程 冷却、引燃 凸轮、进气 曲柄连杆机构 配气机构润滑系统 燃油供给系统 冷却系统 起动系统 点火系统充电系统 进气行程 压缩行程 做功行程 排气行程 压缩行程 做功行程 缸数、排列 第第1 1章章 发动机结构与工作原理发动机结构与工作原理 1 1.1 .1 发动机的分类和基本结构发动机的分类和基本结构 1.1.

5、1 1.1.1 发动机的分类发动机的分类 发动机发动机内燃机内燃机-燃料中的化学能燃料中的化学能-热能热能-机械能的机械能的 机器。机器。 1 1按燃料分按燃料分 可分为柴油机、汽油机和天然气机等。可分为柴油机、汽油机和天然气机等。 2 2按实现循环的行程数分按实现循环的行程数分 四冲程发动机四冲程发动机-活塞移动四个行程或曲轴转两圈活塞移动四个行程或曲轴转两圈 ，气缸内完成一个工作循环。，气缸内完成一个工作循环。 二冲程发动机二冲程发动机-活塞移动两个行程或曲轴转一圈活塞移动两个行程或曲轴转一圈 ，气缸内完成一个工作循环。，气缸内完成一个工作循环。 3 3按冷却方式分按冷却方式分 水冷式发动

6、机：以水为冷却介质。水冷式发动机：以水为冷却介质。 风冷式发动机：以空气作为冷却介质。风冷式发动机：以空气作为冷却介质。 4.4.按点火方式按点火方式 压燃式压燃式(CI)(CI)发动机：利用气缸内空气被压缩发动机：利用气缸内空气被压缩 后产生的高温，使燃油自燃。如柴油机。后产生的高温，使燃油自燃。如柴油机。 点燃式点燃式(SI)(SI)发动机：利用火花塞发出的电火发动机：利用火花塞发出的电火 花强制点燃燃料，使燃料强行着火燃烧。花强制点燃燃料，使燃料强行着火燃烧。 如汽油机、煤气机。如汽油机、煤气机。 5 5按凸轮轴位置分按凸轮轴位置分 侧置式：凸轮轴位于气缸体一侧。侧置式：凸轮轴位于气缸体

7、一侧。 顶置式：凸轮轴位于气缸盖上。顶置式又分顶置式：凸轮轴位于气缸盖上。顶置式又分 为以下两种：为以下两种： 单顶置凸轮轴单顶置凸轮轴(SOHC)(SOHC)发动机：发动机有一发动机：发动机有一 根置于气缸盖上的凸轮轴。根置于气缸盖上的凸轮轴。 双顶置凸轮轴双顶置凸轮轴(DOHC)(DOHC)发动机：发动机有两发动机：发动机有两 根置于气缸盖上的凸轮轴。根置于气缸盖上的凸轮轴。 6 6按进气方式分按进气方式分 自然吸气式发动机：空气靠活塞的抽吸作用自然吸气式发动机：空气靠活塞的抽吸作用 进入气缸内。进入气缸内。 增压式发动机：为增大功率，在发动机上装增压式发动机：为增大功率，在发动机上装 有

8、增压器，使进入气缸的气体预先经过压有增压器，使进入气缸的气体预先经过压 气机压缩后再进入气缸。气机压缩后再进入气缸。 7 7按气缸数目分按气缸数目分 单缸发动机。单缸发动机。 多缸发动机。按气缸的排列型式又可分为多种形式多缸发动机。按气缸的排列型式又可分为多种形式 。 8 8按气缸的排列型式分按气缸的排列型式分 直列立式发动机：所有气缸中心线在同一垂直平面直列立式发动机：所有气缸中心线在同一垂直平面 内。内。 直列卧式发动机：所有气缸中心线在同一水平平面直列卧式发动机：所有气缸中心线在同一水平平面 内。内。 V V型发动机：气缸中心线分别在两个平面内，且两型发动机：气缸中心线分别在两个平面内，

9、且两 平面相交呈平面相交呈V V型。型。 对置式发动机：对置式发动机：V V型夹角为型夹角为180180 0 0 时又称为对置式。时又称为对置式。 其他：还有其他：还有WW型型( (奥迪奥迪W16)W16)、H H型、型、X X型、星型等型、星型等 1.1.2 1.1.2 发动机的基本结构发动机的基本结构 发动机一般都是由两大机构和六大系统组发动机一般都是由两大机构和六大系统组 1 1两大机构两大机构 曲柄连杆机构曲柄连杆机构-是发动机借以产生动力，并将活塞是发动机借以产生动力，并将活塞 的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动而输出动的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动而输出动 力的机构。力的机构。

10、（气缸体、活塞连杆组、曲轴飞轮组）（气缸体、活塞连杆组、曲轴飞轮组） 配气机构配气机构-是使可燃混合气及时充入气缸并在燃烧是使可燃混合气及时充入气缸并在燃烧 后及时将废气从气缸中排出。后及时将废气从气缸中排出。（气门组、气门传动组）（气门组、气门传动组） 2 2六大系统六大系统 供给系统供给系统-油箱、汽油滤清器、汽油泵、化油器油箱、汽油滤清器、汽油泵、化油器( (节节 气门体气门体) )、喷油器、油轨、喷油器、油轨( (燃油喷射式发动机燃油喷射式发动机) )、空、空 气滤清器和进气歧管等。气滤清器和进气歧管等。 点火系统点火系统-分电器、点火线圈和火花塞等。分电器、点火线圈和火花塞等。 冷却

11、系统冷却系统-水泵、节温器、风扇和散热器等。水泵、节温器、风扇和散热器等。 润滑系统润滑系统-油底壳、集滤器、机油泵、滤清器、调油底壳、集滤器、机油泵、滤清器、调 压阀和安全阀等。压阀和安全阀等。 起动系统起动系统-起动机及附属设备组成。起动机及附属设备组成。 充电系统充电系统-蓄电池、发电机、调节器等。蓄电池、发电机、调节器等。 （电子控制技术）（电子控制技术） 1.2 1.2 发动机工作原理发动机工作原理 1.2.11.2.1、四冲程发动机工作原理、四冲程发动机工作原理 基本结构基本结构： 气缸气缸2 2内装有活塞内装有活塞3 3，活塞通过活塞销，活塞通过活塞销4 4、连、连 杆杆5 5与

12、曲轴与曲轴9 9相连接。活塞在气缸内作往复相连接。活塞在气缸内作往复 运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入 新鲜气体和排出废气，设有进气门新鲜气体和排出废气，设有进气门1515和排和排 气门气门1616。 下止点下止点-活塞顶部离曲轴活塞顶部离曲轴 中心最近处，即活塞最中心最近处，即活塞最 低位置。低位置。 活塞行程活塞行程-上、下止点间上、下止点间 的距离。的距离。 曲柄半径曲柄半径-曲轴连杆下曲轴连杆下 端的连接中心至曲轴中端的连接中心至曲轴中 心的距离。活塞每走一心的距离。活塞每走一 个行程相应于曲轴转角个行程相应于曲轴转角 180180。 气缸工作容

13、积（气缸排量）气缸工作容积（气缸排量）-活塞从上活塞从上 止点到下止点所扫过的容积。多缸发动机止点到下止点所扫过的容积。多缸发动机 各气缸工作容积的总和，称为发动机工作各气缸工作容积的总和，称为发动机工作 容积或发动机排量。容积或发动机排量。 四冲程发动机的工作循环四冲程发动机的工作循环-进气行程、压缩进气行程、压缩 行程、膨胀行程行程、膨胀行程( (作功行程作功行程) )、排气行程。、排气行程。 四冲程汽油发动机四冲程汽油发动机经过进气、压缩、燃烧作经过进气、压缩、燃烧作 功、排气四个行程，完成一个工作循环。功、排气四个行程，完成一个工作循环。 这期间活塞在上、下止点间往复移动了四这期间活塞

14、在上、下止点间往复移动了四 个行程，相应地曲轴旋转了两周。个行程，相应地曲轴旋转了两周。 进气行程：进气行程： 进气门开启，排气门关闭。随着活塞从上止进气门开启，排气门关闭。随着活塞从上止 点向下止点移动，气缸内形成真空吸力，点向下止点移动，气缸内形成真空吸力， 可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入 气缸。进气终了时气缸内气体压力约为气缸。进气终了时气缸内气体压力约为 0.0750.075一一0.090.09MpaMpa，温度达温度达370370一一400400K K。 在示功图上，进气行程用曲线在示功图上，进气行程用曲线rara表示。曲线表示。曲线 rar

15、a位于大气压力线下，它与大气压力线纵位于大气压力线下，它与大气压力线纵 坐标之差即表示气缸内的真空度。坐标之差即表示气缸内的真空度。 压缩行程：压缩行程： 在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴 推动活塞由下止点向上止点移动一个行程推动活塞由下止点向上止点移动一个行程 。 可燃混合气要经过压缩可燃混合气要经过压缩-容积缩小、密度加容积缩小、密度加 大、温度升高。大、温度升高。 在示功图上，压缩行程用曲线在示功图上，压缩行程用曲线acac表示。压缩表示。压缩 终了时终了时( (上止点上止点) )，混合气被压缩到燃烧室中，混合气被压缩到燃烧室中 ，压力升高到，

16、压力升高到0.6-1.20.6-1.2MpaMpa，温度可达温度可达 600600一一700700K K。 压缩前气缸中压缩前气缸中气体的最大容积气体的最大容积VV a a （工作容（工作容 积积VV s s +燃烧室容积燃烧室容积VV c c （最小容积）（最小容积）与与 压缩后的压缩后的最小容积最小容积之比称为压缩比。之比称为压缩比。 活塞在下止点时其顶部以上的容积与活塞活塞在下止点时其顶部以上的容积与活塞 在上止点时其顶部以上的容积之比。在上止点时其顶部以上的容积之比。 压缩比愈大，在压缩终了时混合气的压力压缩比愈大，在压缩终了时混合气的压力 和温度便愈高，燃烧速度也愈快，因而和温度便愈

17、高，燃烧速度也愈快，因而 发动机发出的功率放大，经济性愈好。发动机发出的功率放大，经济性愈好。 作功行程：作功行程： 在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。 当活塞接近上止点当活塞接近上止点-火花塞即发出电火花火花塞即发出电火花-点燃点燃 被压缩的可燃混合气被压缩的可燃混合气-燃气的压力和温度迅速增燃气的压力和温度迅速增 加加（压力为（压力为3 35 5MPaMPa、温度为温度为22002200一一28002800KK）-高高 温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动温高压的燃气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能（维持对外作通过连杆使曲

18、轴旋转并输出机械能（维持对外作 功）。功）。 示功图上曲线示功图上曲线zbzb表示活塞向下移动时，气缸内容积表示活塞向下移动时，气缸内容积 增加，气体压力和温度都降低。在作功行程终了增加，气体压力和温度都降低。在作功行程终了 的的b b点压力降至点压力降至0.30.3一一0.50.5MPaMPa，温度则降为温度则降为 13001300一一16001600K K。 排气行程排气行程: : 可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除 ，以便进行下一个进气行程。，以便进行下一个进气行程。 当膨胀接近终了时当膨胀接近终了时-排气门开启排气门开启-在废气的压

19、力在废气的压力 下进行自由排气下进行自由排气-活塞到达下止点后再向上止点活塞到达下止点后再向上止点 移动移动-继续将废气强制排到大气中继续将废气强制排到大气中-活塞到上活塞到上 止点附近时止点附近时-排气行程结束。排气行程结束。 这一行程在示功图上用曲线这一行程在示功图上用曲线brbr表示。在排气终了时表示。在排气终了时 气缸内压力为气缸内压力为0.1050.105一一0.1150.115MpaMpa，废气温度为废气温度为 900900一一12001200K K。 由于燃烧室占有一定容积，不可能将废气排尽，留由于燃烧室占有一定容积，不可能将废气排尽，留 下的这一部分废气称为残余废气。下的这一部

20、分废气称为残余废气。 二二 、 四四 冲冲 程程 汽汽 油油 机机 基基 本本 工工 作作 原原 理理 二二 、 四四 冲冲 程程 汽汽 油油 机机 的的 循循 环环 二二 、 四四 冲冲 程程 汽汽 油油 机机 的的 循循 环环 演演 示示 1.2.21.2.2、二冲程汽油机的工作原理、二冲程汽油机的工作原理 1.1.工作原理工作原理 二冲程发动机的工作循环是在两个活塞行程二冲程发动机的工作循环是在两个活塞行程 内（曲轴旋转一周的时间内）完成的。内（曲轴旋转一周的时间内）完成的。 发动机气缸上有三个孔，这三个孔可分别在发动机气缸上有三个孔，这三个孔可分别在 一定的时刻为活塞所关闭。孔一定的时

21、刻为活塞所关闭。孔1 1与化油器相与化油器相 连通，可燃混合气经孔连通，可燃混合气经孔1 1流入曲轴箱，继而流入曲轴箱，继而 可经孔可经孔3 3进入气缸内，而废气则可经过与排进入气缸内，而废气则可经过与排 气管连通的孔气管连通的孔2 2被排出。被排出。 第一行程第一行程 活塞自下止点活塞自下止点 向上移动向上移动-压缩充入压缩充入 活塞上方气缸内的混合活塞上方气缸内的混合 气气-新的可燃混合气新的可燃混合气 又自化油器被吸入活塞又自化油器被吸入活塞 下方的曲轴箱内。下方的曲轴箱内。 第二行程第二行程 活塞自上止点活塞自上止点 向下移动，活塞上方进向下移动，活塞上方进 行着作功过程和换气过行着作

22、功过程和换气过 程，而活塞下方则进行程，而活塞下方则进行 可燃混合气的预压。可燃混合气的预压。 a-c a-c 压缩过程，压缩过程， c-f c-f 燃烧过程燃烧过程 e-b e-b 作功排气作功排气, , bda-bda-排气换气（占排气换气（占130130 0 0 -150-150 0 0 曲轴转角）曲轴转角） 二二 冲冲 程程 汽汽 油油 机机 工工 作作 原原 理理 1 1 二二 冲冲 程程 汽汽 油油 机机 工工 作作 原原 理理 2 2 二二 冲冲 程程 汽汽 油油 机机 的的 工工 作作 循循 环环 1 1 二二 冲冲 程程 汽汽 油油 机机 的的 工工 作作 循循 环环 2 2

23、 二二 冲冲 程程 汽汽 油油 机机 的的 工工 作作 循循 环环 3 3 2 2优点优点 与四冲程发动机与四冲程发动机相比相比，二冲程发动机有以下优点。，二冲程发动机有以下优点。 第一，第一，曲轴每转一周就有一个做功行程，因此，当曲轴每转一周就有一个做功行程，因此，当 工作容积和转速相同时，理论功率应等于四冲程工作容积和转速相同时，理论功率应等于四冲程 发动机的二倍。发动机的二倍。 第二，第二，由于发生做功过程的频率较大，故运转比较由于发生做功过程的频率较大，故运转比较 均匀平稳。均匀平稳。 第三，第三，由于没有专门的配气机构，所以它结构较简由于没有专门的配气机构，所以它结构较简 单，质量较

24、小。单，质量较小。 第四，第四，因附属机构少，因此易受磨损和经常需要修因附属机构少，因此易受磨损和经常需要修 理的运动部件数量比较少。理的运动部件数量比较少。 3 3缺点缺点 第一，第一，不易将废气从气缸中排除干净，并且在换气时减少了不易将废气从气缸中排除干净，并且在换气时减少了 有效工作行程。因此在同样的工作容积和曲轴转速下，其有效工作行程。因此在同样的工作容积和曲轴转速下，其 功率仅为四冲程发动机的功率仅为四冲程发动机的1 15 51 16 6倍。倍。 第二，第二，在换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气被排出，在换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气被排出， 使得燃油经济性降低。使得燃油经济

25、性降低。 第三第三，由于为使活塞润滑，需要不断向气缸供给润滑油，因，由于为使活塞润滑，需要不断向气缸供给润滑油，因 此排气中往往含有润滑油，导致碳氢化合物此排气中往往含有润滑油，导致碳氢化合物(HC)(HC)和可视和可视 烟雾的排放增加。烟雾的排放增加。 由于以上缺点，二冲程发动机未被广泛应用。燃油喷射技术由于以上缺点，二冲程发动机未被广泛应用。燃油喷射技术 的应用，燃油经济性和排放问题得到解决。如意大利的应用，燃油经济性和排放问题得到解决。如意大利 PIAGGIOPIAGGIO公司生产的公司生产的Vespa(Vespa(黄蜂黄蜂) )二冲程摩托车上采用二冲程摩托车上采用 了先进的了先进的Ve

26、spaVespaET2ET2燃油喷射系统，这种采用机械式燃燃油喷射系统，这种采用机械式燃 油喷射系统的发动机与原来采用化油器的发动机相比，排油喷射系统的发动机与原来采用化油器的发动机相比，排 放下降了放下降了7070。在保证标定功率基本一致的前提下，。在保证标定功率基本一致的前提下，ET2ET2 可以使燃油消耗下降可以使燃油消耗下降 约约3030。 保时捷保时捷Porsche Boxster SPorsche Boxster S 宝马宝马318318i i 宝马宝马BMW Z4BMW Z4 本田广州雅阁本田广州雅阁3.03.0V6V6 标致标致206206 大众奥迪大众奥迪_ _TTTT跑车跑车 北京吉普帕杰罗速跑北京吉普帕杰罗速跑 道奇牌概念摩托车道奇牌概念摩托车 丰田丰田FuncoupeFuncoupe 菲亚特菲亚特SimbaSimba 福特福特F F型概念车型概念车 福特电动车福特电动车 富士斯巴鲁富士斯巴鲁WRX-STIWRX-STI 雷诺高雷奥斯概念车雷诺高雷奥斯概念车 欧宝欧宝Eco-SpeedsterEco-Speedster（3 3） 日产 日产 MicraMicra（2 2） 雪铁龙雪铁龙“ “空中之梦空中之梦” ”（2 2）