发动机构造和功能

发动机的构造和功能第2章 发动机主体2-1 概要发动机的主要部分发动机主体是使燃料和空气的混合气在燃烧室内燃烧产生的燃烧气的压力转变为旋转运动并产生动力的部分，它由气缸、气缸体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴、凸轮轴和气门（阀）等装置构成。

图2-1所示的是直列式发动机的一个例子。

如图所示，各气缸中有活塞，它与连杆的一端连接。

另外，连杆的另一端连接输出轴的曲轴，当活塞往复运动时，曲轴则旋转运动。

安装在气缸上部的气缸盖上设有气门，它依靠与曲轴连动旋转的凸轮轴动作。

另外，气缸盖的内部构成燃烧室，由气门开闭。

发动机主体还设有混合气和燃烧废气以及油和冷却水的通路。

同时，还有各种辅机和进排气装置等附属装置。

1．凸轮轴 2．气缸盖3．气门 4．气缸 5．气缸体6．活塞7．曲轴8．连杆图2-1 四冲程直列四缸发动机2-2 结构和功能 2-2-1 气缸、气缸体 1）气缸气缸是一个长度约为2倍冲程的、内圆的薄壁圆筒形装置，在保持气密的状态下，活塞在其中往复运动。

它是把热能转化为机械能后产生必需动力的装置的主体部分，并与活塞和气缸盖一起形成燃烧室。

凸轮轴 气缸盖气门 气缸气缸体活塞曲轴连杆在发动机工作时，暴露在20000C 以上的燃烧气体下温度极高的气缸壁，由水套内的冷却水或冷却散热片散热，使气缸的温度不会超过规定的温度。

水冷式发动机的气缸有两种。

一种是与气缸体整体铸造而成的整体式气缸，另一种是使用与气缸体不同材料制成的气缸套的拼合式。

图2-4所示的整体式气缸价格便宜，适合批量生产，所以目前大多采用这种形式。

它的材料是在FC200或相当于FC250的铸铁上添加改善耐磨性的合金成分（镍、铬和钼等）的材料。

1．气缸 2．水套 3．气缸体4．机油盘图2-4 整体式气缸如图2-5所示，拼合式有干式气缸套和湿式气缸套两种。

干式气缸套是把气缸套压力或浇铸到气缸体的气缸部，气缸套的外周不直接接触冷却水。

湿式气缸套是把气缸套插入水套组装而成，由于气缸套的外周直接接触冷却水，所以冷却性能良好。

但是，湿式气缸套需要采取冷却水防漏措施，结构复杂，价格较高，所以现在仍是干式的主流。

1．气缸套 2．水套 3．气缸体 4．支承物 5．（a ）干式气缸套 6．（b ）湿式气缸套（a ）干式气缸套 （b ）湿式气缸套气缸水套气缸体机油盘气缸套水套气缸体 支承物图2-5 拼合式气缸拼合式气缸大多采用铝合金制的气缸体，气缸套的材料与整体式气缸一样，同为铸铁。

另外，为了提高耐磨性而使用时的气缸套，则采用特殊铸铁制成。

另外，为了使混合气的能量在气缸中高效地转化为动力，要避免压缩的混合气和在燃烧室内燃烧过的燃烧废气从与活塞之间泄漏，同时还要求尽量减少活塞滑动时产生的摩擦和磨耗。

为此，气缸的内面要进行称为珩磨加工的精密研磨加工。

同时，为了减少磨耗，还要进行镀铬。

2）气缸体构成发动机气缸部分的气缸体是气缸主体的骨骼部分，它的寿命左右发动机主体的寿命。

目前，通常用于汽车的汽油发动机的水冷式的气缸体如图2-7所示，各气缸与曲轴箱部分整体铸造，它支撑着活塞、连杆和曲轴等，同时，它的上部还安装着气缸盖，下部安装着机油盘，正面和侧面安装着辅机等附属装置。

同时，还设有冷却水、油和窜漏气体的通路。

1．气缸2．油路3．窜漏气体或落油通路4．冷却水通路 5．油通路 6．冷却水通路 7．曲轴箱图2-7 水冷式气缸体2-2-2 气缸盖气缸盖带着保持气密用的密封垫被安装在气缸体上面，与气缸和活塞一起构成燃烧室的一部分，其外部装有混合气点火用的火花塞，四冲程发动机上还装有进气歧管、排气歧管和气门机构等装置。

同时，为了冷却燃烧室的周围，如图2-11所示，在水冷式发动机的燃烧室的外周装有为了给内部通冷却水的水套；在气冷式发动机的燃烧室的外周装有冷却散热片。

气缸油路窜漏气体或落油通路 冷却水通路油通路冷却水通路曲轴箱1．气缸盖3．气缸 4．上面5．截面 7．气缸盖 8．冷却散热片 9．气缸2．水套上面 截面图2-11 水冷式气缸盖 图2-12 气冷式气缸盖再者，在四冲程发动机的内部，还装有混合气的进气通路（进气口）、燃烧废气的排气通路（排气口）、油路、落油用的油孔、窜漏气体通路等。

为了提高混合气的充气效率和在燃烧室的燃烧效率，进气口的形状要考虑到气流（涡流、旋流），而排气口的形状应是燃烧废气排放效率尽量高的形状。

由于气缸盖在发动机运转时始终处于高温高压的状态下，所以应能经受住热和机械的负荷，而且要求传热性和冷却效果都要好。

因此，过去是用铸铁制造的，但最近一般采用铝合金制的。

用铝合金制造重量轻，而且冷却效果好，还有不易发生爆震的优点。

另外，气门座部分是与气门紧密接触，防止燃烧压力泄漏的部分，嵌上耐磨性和耐热性优良的垫圈。

气缸盖通常为整体铸造，但气冷式二冲程发动机是与气缸分开制造的。

2）气缸垫图2-29所示的气缸垫安装于气缸体与气缸盖之间，是为了防止燃烧废气、冷却水和油等从装配面泄漏的，它要求具有耐热性、耐压性和适度的压缩性。

气缸垫大致可以分为两类，一类是用压制材料制成的复合密封垫，另一类是用钢板制成的金属密封垫。

1．油路 2．冷却水通路 3．窜漏气体或落油通路气缸盖水套气缸气缸盖冷却 散热 片气缸油路冷却水通路窜漏气体或落油通路图2-29 气缸垫（2）金属密封垫如图2-32所示，金属密封垫（也称钢气缸垫）的结构是由单层不锈钢钢板（波纹式）或数块不锈钢钢板重叠（叠层式），在密封部形成具有弹簧效果的卷边形状，以提高它的可压缩性。

它有良好的耐热性、耐弹力减弱性和机械强度。

同时，还要对它进行全面的表面处理（硅酮橡胶系和氟化橡胶系等），以增强密合性，提高密封性能。

在汽油发动机上，金属密封垫用在两轮摩托车上，四轮车很少采用。

1．（a ）单层 2．钢丝圈 3．（b ）叠层图2-32 金属密封垫2-2-3 活塞、活塞销和活塞环 1）活塞活塞的构造如图2-33所示。

所图2-34所示，活塞借助于活塞销连接在连杆上，在气缸内进行往复运动，与气缸盖一起在气缸内形成一个容积可以变化的气密室（燃烧室）。

图2-23 活塞构造例示图2-34 活塞的装配状态钢丝圈（a ）单层（b ）叠层活塞顶气门口凹槽压缩环槽油环槽 活塞销孔活塞销座排油孔活塞裙部加工成条痕气缸盖燃烧室 气缸 曲轴活塞 活塞环 活塞销连杆活塞的功能是通过它的运动，把混合气吸进燃烧室内，并进行压缩，当受到混合气燃烧产生的燃烧废气的高压力时活塞下降，通过连杆使曲轴旋转从而产生动力，并把燃烧废气排出至大气中。

然而，活塞不仅处在高温、高压的燃烧废气中，而且还要在气缸内高速地往复运动。

所以，要实现它的功能，在材质和结构方面有下列的要求：①耐压、耐热性和强韧性优良。

②散热快，并且为了防止异常燃烧，要有良好的导热性。

③耐磨性优良。

④为了防止烧熔等损伤和降低噪音，热膨胀要小。

⑤为了减小惯性的影响，重量要轻。

2）活塞销活塞销连接着活塞和连杆的小端部，把作用于活塞的力传递给连杆，为图2-25所示的中空圆筒形的形状。

图2-45 活塞销活塞销由于受到燃烧压力和活塞惯性力的反复弯曲荷载，以及它的表面与活塞或连杆小端部受到高表面压力的互相滑动，还有与活塞一起的往复运动，所以要求它具有强韧性、耐磨性和重量轻。

因而，它的材料通常采用表面硬化钢或特殊钢，并对其表面进行渗碳淬火（表面硬化钢时）或高频淬火（特殊钢时）的表面硬化处理后，再进行研磨或抛光加工。

3）活塞环活塞环中有压缩环（气环）和油环，均安装在活塞环槽内，依靠自己的张力使之与气缸密合。

气环的作用是为了保持燃烧室的气密性，防止压缩漏损和漏气，并将活塞的热量传导给气缸壁后散热。

油环的作用是把润滑气缸内壁的多余的机油刮下来，形成适当的油膜。

在四冲程发动机上通常使用2个气环和1个油环。

但是，也有的发动机是气环、油环各1个的双环规格。

另外，与四冲程发动机供油方式不同的二冲程发动机不用油环。

活塞环在严酷的高温、高压的润滑条件下滑动，所以它要具有强韧性、热引起的张力减退少、有耐磨性和不磨损气缸等特性。

材料一般采用特殊铸铁或碳钢。

为了提高耐磨耗性，还要进行镀硬铬和氮化处理等表面处理。

另外，有时为了防锈和提高磨合性，还要进行费劳克斯（铁钡氧化物）镀层和磷酸盐被膜防锈等表面处理。

图2-47所示的是活塞环的基本形状和各部分的名称。

图2-47 活塞环（1）气环气环除了气密作用外，还有刮掉一部分机油的作用。

具有代表性的气环的截面状况如图2-48所示，但通常大多采用鼓面形和锥面形。

平面形鼓面形 锥面形内锥形根切形 斜根切形图2-48 气环平面形为最基本的形状，气密性和导热性良好。

滑动面呈圆弧状的鼓面形气环的气密性良好，而且与气缸初期磨合时异常磨耗很少，大多用于第一道活塞环（顶环）。

滑动面呈锥状的锥形气环因与气缸是线接触，因而磨合容易，气密性也好，而且刮油作用良好，所以大多用于第二道活塞环。

内圆上面被开成坡口的内锥形气环，因为使用时只需扭转一下，它的下端就能嵌入气缸，所以与锥面形一样，有很好的刮油作用。

另外，当排气气压升高时，扭转返回，形成良好的外圆面内圆面 公称直径自由时 使用时 开口间隙厚度（T 尺寸）宽度 （B 尺寸）槽气密性，所以用于头道环或二道环。

另外，外圆下面被开成坡口的根切形和斜根切形气环除有与内锥形相同的作用外，它还能防止机油上升，通常用于二道环。

气环的开口形状如图2-49所示，有竖切的平接、斜切的角接和切成阶梯的搭接等，但多为平接。

另外，在二冲程发动机中，为了防止气环旋转，通常如图2-50所示那样要用定位销止转。

开口间隙过大，会增大漏气，如果相反过小，又会使气环在高温下膨胀、顶起和碰撞。

在这种情况下会发生破损，或者刮伤气缸壁，甚至烧结。

平接角接搭接图2-49 气环的开口形状截面A-A活塞环定位销图2-50 气环止转气环的作用在吸气冲程如图2-51（a）所示那样进行，并随着活塞的下降刮下油环刮尺下的机油。

这时，未能刮落的少量机油形成油膜，准备用于下一个压缩冲程时的润滑。

另外，在吸气冲程中，由于活塞上部的压力低于曲轴箱内压力，所以刮落的机油会如图所示那样从气环下面的间隙旋转到气环的内侧，并从开口间隙上升到气缸上方。

因此，如果气环和气缸有磨耗或气环有损坏时会发生机油上升现象，并增大机油消耗量。

（a ）吸气冲程 （b ）压缩、燃烧冲程（c ）排气冲程图2-51 气环的作用在压缩冲程中，由于气缸内的压缩压力作用于气环的上面和内圆面，气环被紧紧地压在气环槽的下面和气缸壁上，而且在膨胀冲程中会因燃烧废气的压力而压得更紧，所以会像图2-51（b ）那样产生作用，保持燃烧室的气密。

因此，当气缸和气环磨损时，会使开口间隙变大，同时也使按压力降低而不能保持气密，导致窜漏气体增加和输出不足。

在排气冲程中，气环如图2-51（c ）那样作用，除去附着在气缸壁上的积碳等，并推向气缸上方，让它们与燃烧废气一起排出。