汽车发动机构造与原理

22 第1篇 汽车发动机构造与原理

第1章 发动机基本结构与工作原理

发动机：将其它形式的能量转化为机械能的机器。

内燃机：将燃料在气缸内部燃烧产生的热能直接转化为机械能的动力机械。有活塞式和旋转式两大类。本书所提汽车发动机，如无特殊说明，都是指往复活塞式内燃机。

内燃机特点：单机功率范围大（0.6-16860kW）、热效率高（汽油机略高于0.3，柴油机达0.4左右）、体积小、质量轻、操作简单，便于移动和起动性能好等优点。被广泛应用于汽车、火车、工程机械、拖拉机、发电机、船舶、坦克、排灌机械和众多其它机械的动力。

1.1 四冲程发动机基本结构及工作原理

1.1.1 四冲程汽油机基本结构及工作原理

1.四冲程汽油机基本结构（图1-2）

2.四冲程汽油机基本工作原理（图1-2）

表1-1 四冲程汽油机工作过程 内容提要

1.四冲程汽油机基本结构与工作原理

2.四冲程柴油机基本结构与工作原理

3.二冲程汽油机基本结构与工作原理

4.发动机的分类

5.发动机的主要性能指标

图1-2 四冲程汽油机基本结构简图

1-气缸 2-活塞 3-连杆 4-曲轴 5-气缸盖 6-进气门 7-进气道 8-电控喷油器 9-火花塞 10-排气门

23 3.工作过程分析

（1）四冲程发动机：活塞在上、下止点间往复移动四个行程（相当于曲轴旋转了两周），完成进气、压缩、作功、排气一个工作循环的发动机就称为四冲程发动机。

四个行程中，只有一个行程作功，造成曲轴转速不均匀，工作振动大。所以在曲轴后端安装了一个质量较大的飞轮，作功时飞轮吸收储存能量，其余三个行程则依靠飞轮惯性维持转动。

（2）冲程与活塞行程：

冲程：指发动机的类型；

行程S：指活塞在上、下两个止点之间距离；

气缸工作容积Vs：一个活塞在一个行程中所扫过的容积。

SDVs10624

式中 Vs——工作容积（m3）；

D——气缸直径（mm）；

S——活塞行程（mm）。

发动机的排量Vst：一台发动机所有气缸工作容积之和。

iVVsst

式中 Vst——发动机的排量（L）；

i——气缸数。

（3）压缩行程的作用

一是提高进入气缸内混合气的压力和温度（压缩终了的气缸内气体压力可达0.6~1.2MPa，温度达600K~700K），为混合气迅速着火燃烧创造条件；

二是可以有效提高发动机的燃烧热效率η。由热力学第一定律

121TT

当混合气被压缩程度提高时，发动机混合气燃烧所达到的最高温度（T1）升高，而排气的温度（T2）降低，导致热效率提高。

1860年，法国人Lenoir（勒努瓦）研制成功的世界第一台内燃机，没有压缩行程，热效率仅4.5%；1876年，德国人奥托（Otto）制造出第一台四冲程内燃机，采用压缩行程名称 曲轴转角 活塞行向 进气门 排气门

进气 0º～180º ↓ 开 关

压缩 180º～360º ↑ 关 关

作功 360º～540º ↓ 关 关

排气 540º～720º ↑ 关 开

24 行程，虽然压缩比只有2.5，但热效率却提高到12%，有力地证明了科学是第一生产力这个真理。

压缩比ε：气缸内气体被压缩的程度。

caVV

式中 Va——气缸总容积（活塞处于下止点时，活塞顶部以上的气缸容积）；

Vc——气缸燃烧室容积（活塞处于上止点时，活塞顶部以上的容积）。

现代汽油机压缩比一般为7～11，如广州本田雅阁2.4 i-VTEC发动机压缩比为9.7，而3.0V6-VTEC发动机压缩比则为10。

发动机压缩比也不能过高，否则会导致压缩终了温度和压力升高，汽油机产生爆震燃烧（参见4.4），热负荷、机械负荷、噪音和振动加大，起动困难。

可变压缩比(SVC)发动机：能根据发动机工作负荷变化，自动调节压缩比。负荷减少时，使压缩比提高；全负荷时，使压缩比降低。可有效达到防止爆震燃烧，增加功率、降低油耗、减少排放的目的。

当气缸、活塞等磨损，气门不密封时，将导致发动机压缩气体外泄，热效率和功率下降。

4.多缸发动机结构特点

单缸发动机问题：功率小，转速不均匀，工作振动大，现代汽车发动机都是多缸发动机，用得最多的是4缸、6缸、8缸发动机。

多缸发动机结构特点：由多个结构相同的气缸组成，它们共用一个机体，一根曲轴。曲轴的曲柄布置应该使各缸作功行程均匀分布在7200曲轴转角内。如4缸发动机曲轴（图1-3）相邻工作缸的曲柄夹角为1800，曲轴每转1800便有一个气缸作功。

5.示功图

将四冲程发动机在一个工作循环里气缸内气体压力随气缸工作容积或曲轴转角变化的关系以座标图表示，得到图1-4所示的发动机示功图。

由示功图可以看到发动机一个工作循环里工作状态的变化，检查判断发动机性能优劣。发动机特征点参数随机型、结构等有所不同，一般范围如表1-2所示。 图1-3 4缸发动机曲轴

图1-4 四冲程发动机示功图

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表1-2

发动机特征点参数

a c z b r

汽油机 P 0.075～0.09 0.6～1.2 3～5 0.3～0.5 0.105～0.115

T 370～400 600～700 2200～2800 1300～1600 900～1200

柴油机 P 0.08～0.09 3.5～4.5 6～9 0.2～0.4 0.105～0.125

T 300～370 750～1000 2000～2500 1200～1500 800～1000

注：P-气缸内气体压强（MPa）；T-气缸内气体温度（K）

1.1.2 四冲程柴油机结构特点与工作原理

结构特点：没有火花塞，喷油器直接安装在气缸顶向气缸内喷油（图1-5）。

工作原理：进气行程进入气缸的是纯空气，而不是可燃混合气；在压缩行程末，喷油器向气缸喷入高压柴油，由于气缸的高温高压作用，柴油迅速着火燃烧，使气体急剧膨胀，推动活塞作功。其着火方式属于压燃式，而不是汽油机的点燃式。

燃料：柴油，粘度高，不易挥发，自燃点低，不会产生爆燃。为了使柴油可靠着火，提高发动机燃烧热效率，柴油机的压缩比汽油机高得多，一般为16～22，所以其最高燃烧压力也比汽油机高，工作也比汽油机粗暴。

柴油机与汽油机比较（表1-3）：

表1-3 柴油机与汽油机比较

性 能 汽 油 机 柴 油 机

着火方式 点燃 压燃

燃油消耗 高 低

热效率 30%左右 40%左右

工作平稳性 柔和 粗暴

发动机转速 高（4000～6000 r/min） 低（2500～3000r/min）

升功率 大 小

起动性 易 难

制造维修成本 低 高

比质量 小 大 图1-5 四冲程柴油机基本结构简图

26 使用寿命 短 长

排放 CO 、HC大，NOX、黑烟少 CO 、HC小，NOX、黑烟多

柴油机的转速也在不断提高，奔驰V230轿车柴油机，最高转速可达6000r/min。

1.2 二冲程发动机结构特点及工作原理

二冲程发动机：指活塞在上、下止点间往复移动两个行程（相当于曲轴旋转3600），完成进气、压缩、作功、排气一个工作循环的发动机。

1.2.1 二冲程汽油机结构特点与工作原理

1.结构特点(图1-6)

没有进、排气门，代之以进、排气孔7和8，由活塞圆柱面控制其开闭。另外还有扫气孔2，扫气时曲轴箱和气缸连通。

2.二冲程汽油机工作原理

（1）第一行程（换气-压缩行程）：活塞自下止点向上止点移动，到活塞圆柱面将排气孔8和扫气孔2都关闭时，开始压缩上一循环吸入气缸内的汽油与空气混合气，同时在活塞下面的曲轴箱内形成真空度（曲轴箱是密封的）。当活塞继续上行时，进气孔7打开，新的汽油与空气可燃混合气经进气孔7被吸入活塞下方的曲轴箱内。

（2）第二行程（作功-换气行程）：活塞接近上止点时，火花塞点火，点燃被压缩的混合气，高温、高压气体急剧膨胀，推动活塞向下运动，对外作功。当活塞下行关闭进气孔7到露出排气孔8时，气缸开始排气，同时压缩活塞下方的可燃混合气；活塞继续下行到露出扫气孔2时，受到预压的新鲜混合气自扫气孔流入缸内，并扫除废气。

为了防止新鲜混合气大量与废气混合并排出气缸而造成浪费，活塞顶做成特殊形状，使新鲜混合气的气流被引向上部，还可以利用新鲜混合气来扫除废气，使排气更干净。

二冲程与四冲程汽油机比较(见表1-4)：

表1-4 二冲程与四冲程汽油机比较

性 能 二冲程汽油机 四冲程汽油机

结构 简单 复杂

比质量 小 大

燃油消耗 高 低

升功率 大 小

制造维修成本 低 高

比质量 小 大 图1-6 二冲程汽油机基本结构

1-气缸 2-扫气孔 3-活塞 4-连杆 5-曲轴箱 6-曲轴 7-进气孔 8-排气孔 9-火花塞

27 起动性 好 差

使用寿命 短 长

排放 大 小

理论上二冲程比四冲程汽油机升功率大一倍，但实际上由于排气、换气占去了1/3行程，使作功行程缩短，导致实际单位气缸工作容积的功率只比四冲程汽油机大50%～60%。由于排气行程短，废气排不尽，部分新鲜可燃混合气在扫气时随废气外流，造成燃油消耗率高，经济性差，HC排放增加。同时，由于作功频繁，机械负荷和热负荷大，润滑困难，导致发动机寿命短。因此，二冲程汽油机在现代汽车上较少采用，而被广泛应用于摩托车和微型汽车。

1.2.3 二冲程柴油机结构特点与工作原理

1.结构特点

图1-7所示为美国GM公司生产的710G3B型二冲程柴油机。在气缸盖上安装有排气门3和泵-喷嘴4，当排气门打开时，排出的废气冲击排气涡轮叶轮8使其旋转，并带动离心式风机9旋转，将空气加压，增压空气经冷却器11，进入集流箱13，再从缸套上的空气进气孔2进入气缸。

2.二冲程柴油机工作原理（图1-7）

（1）第一行程：活塞自下止点向上止点运动，行程开始时，进气孔2和排气门3均开启，利用从离心式风机9压来的空气使气缸换气。活塞继续向上移动，进气孔被遮盖，排气门也关闭，气缸内的空气受到压缩，压力和温度上升。当活塞接近上止点时，高压燃油从泵-喷嘴4喷入气缸并着火燃烧，使气缸内压力急剧升高。

（2）第二冲程：高温高压气体急剧膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动，对外作功。活塞接近下止点时，排气门开启，排出的废气冲击涡轮叶轮8使其旋转，并带动离心式风机9旋转，将空气加压，增压空气经冷却器11冷却后，再从缸套上的空气进气孔2进入气缸，进行换气。

二冲程柴油机的工作过程与二冲程汽油机工作过程不同的是：进入柴油机气缸的是纯空气，而不是可燃混合气，而且空气进入气缸前先经过增压，所以二冲程柴油机比二冲程汽油机的经济性好。日本雅马哈发动机公司于1999年3月开发出100km只燃用3升柴油的车用二冲程SD型柴油机。美国GM公司生产的710G3B型二冲程柴油机功图1-7 二冲程柴油机结构

1-活塞 2-进气孔 3-排气门 4-泵-喷嘴 5-传动轮（由柴油机驱动） 6-单向离合器 7-废气排出口 8-排气涡轮叶轮 9-离心式风机 10-排水口 11-增压空气冷却器 12-进水口 13-集流箱