2.1 发动机的基本知识_汽车结构与性能-QQ阅读男生都市网

书名：汽车结构与性能
作者名：孙华宪主编
本章字数：5783字
更新时间：2020-08-28 04:01:28

2.1 发动机的基本知识

发动机（又称为引擎，源于英文Engine），是一种能量转换机器。常见的汽车用发动机为内燃式发动机，是将汽油或柴油燃烧时产生的热能转化为汽车所能利用的机械能。内燃式发动机（如图2.1所示）是汽车行驶的动力源。

内燃式发动机实现能量转换的方式有多种，本书以汽车上使用最为广泛的四冲程内燃式发动机为例加以说明。由于本书介绍的是内燃式发动机，以下的叙述除特别说明外，将以“发动机”替代“内燃式发动机”。

图2.1 车用内燃式发动机

2.1.1 发动机的基本工作原理和基本结构

1.汽车发动机的基本术语

单缸四冲程发动机的示意图如图2.2所示。

图2.2 单缸四冲程发动机示意图

（1）活塞行程与止点。活塞顶距离曲轴旋转中心最远的位置称为上止点；活塞顶距离曲轴旋转中心最近的位置称为下止点上、下止点中“上、下”含义是指活塞距离曲轴旋转中心的远近而不是活塞运动的高低。有些书本将上、下止点亦称之为上、下死点。。上、下止点间的距离称为活塞行程，用S表示。

活塞一个行程（S），对应曲轴转动半周（即180°），若用R表示曲柄长度，则：

S=2R （2-1）

曲轴每转一周，活塞完成两个行程。

（2）冲程。活塞从一个止点运动到另一个止点时，汽缸内参数变化的状况。四冲程发动机包含进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。冲程与行程之间的区别在于冲程指工作过程，行程指距离。

（3）汽缸容积。活塞在汽缸内做往复直线运动，因而活塞顶上的空间是个不断变化的空间。当活塞位于上止点时，此空间最小，称为燃烧室容积（用Vc表示），当活塞位于下止点时空间最大，称为汽缸总容积（用Va表示），汽缸总容积与燃烧室容积的差值称为汽缸工作容积（用Va表示），如图2.3所示。

显然，汽缸总容积（Va）等于汽缸工作容积（Vh）与燃烧室容积（Vc）之和：

Va=Vc+Vh （2-2）

工作容积（Vh）代表活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积，可通过公式计算。

式中，D——汽缸直径，cm；

S——活塞行程，cm。

工作容积（Vh）也称为汽缸排量。多缸发动机所有汽缸工作容积的总和称为发动机工作容积或发动机排量，用VL表示。

VL=Vh×i （2-4）

式中，i——发动机的汽缸数。

图2.3 发动机基本术语

（4）压缩比。汽缸总容积（Va）与燃烧室容积（Vc）之比称为压缩比，用ε表示（如图2.4所示）

图2.4 压缩比示意图

压缩比（ε）是发动机技术指标中的一个重要参数。从式（2-5）可知，压缩比表示活塞从下止点运动到上止点时汽缸内气体被压缩的程度，压缩比（ε）越大表明气体被压缩得越小，意味着燃烧后产生的气体膨胀力也越大，即发动机的热效率越高；压缩比（ε）又控制着汽缸内工质工质——这里指内燃式发动机中将热力学能转变为机械能的媒介物质。着火点的温度。气态方程（克拉珀龙方程）理论告诉我们，气体被压缩时会放出热量，气体被压缩得越小，放出的热量越多。具体到发动机来说，压缩终了的温度控制着工质的自燃温度。因而压缩比（ε）不能太高。在大多数发动机上，压缩比（ε）是一常数。现代汽车发动机压缩比（ε），汽油机一般为6～9（有的轿车可达9～11），柴油机一般为16～22。

2.单缸四冲程发动机的工作原理

发动机完成一次能量转换称为一个工作循环。四冲程发动机完成一个工作循环，活塞在汽缸内需往复运行四个行程（相当于曲轴旋转两周）。四冲程发动机每个工作循环中的四个冲程分别为进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。其工作原理如图2.5所示。

图2.5 四冲程发动机工作原理示意图

建一直角坐标系，用汽缸内的压力（P）表示纵坐标，汽缸容积（V）表示横坐标，当活塞在汽缸内运动时，汽缸内的压力和容积两参数会相应随之发生变化，图2.6为四冲程发动机的示功图。示功图表示活塞在不同位置时汽缸内压力的变化情况，示功图上曲线所围成的面积，即为发动机一个工作循环中气体在单个汽缸内所做的功。

图2.6 单缸发动机示功图

进气冲程如图2.5（a）所示。进气门打开，排气门关闭，转动的曲轴带动活塞从上止点向下止点运动。汽缸内容积增大，压力降低，形成真空，工质被吸入汽缸。由于受进气系统阻力和进气时间的影响，进气终了时汽缸内气体的压力略低于大气压，约为0.075～0.09MPa（汽油机），0.08～0.09MPa（柴油机）；由于受上一冲程（排气冲程）中高温废气和缸体温度的影响，进气终了时汽缸内的温度为370～400K（汽油机），320～350K（柴油机）。图2.6中曲线ra表示进气冲程，大部分位于大气压力线之下。它与大气压力线纵坐标之差，即为活塞在各位置时汽缸内的真空度。

压缩冲程如图2.5（b）所示。活塞在曲轴的带动下从下止点往上止点运动，进气门关闭（排气门仍关闭），汽缸容积缩小，进入汽缸内的工质被压缩。此时，汽缸内压力约为0.6～1.2MPa（汽油机），3.5～4.5MPa（柴油机）；温度可达600～700K（汽油机），750～1000K（柴油机）。图2.6中曲线ac表示压缩冲程。

做功冲程如图2.5（c）所示。在压缩冲程接近终了时，工质燃烧（汽油机的工质被火花塞点燃，柴油机的工质是自燃），汽缸内的温度和压力迅速升高，最高压力可达3～5MPa（汽油机），6～9MPa（柴油机）；最高温度可达2200～2800K（汽油机），2000～2500K（柴油机）。在高压气体的推动下，活塞向下止点运动，推动连杆使曲轴旋转产生转矩，发动机至此完成了一次将热力学能转变为机械能的过程。此冲程中进、排气门关闭。图2-6中曲线zb表示做功冲程。在做功冲程终了时的b点，压力降为0.3～0.5MPa（汽油机），0.2～0.4MPa（柴油机）；温度降为1300～1600K（汽油机），1200～1500K（柴油机）。

排气冲程如图2.5（d）所示。做功冲程接近终了时，排气门打开，工质燃烧后生成的废气因压力高于大气压而自行排出，活塞越过下止点上移一段距离后，活塞起了推挤强制排气的作用。活塞到达上止点附近时，排气冲程结束。此冲程中进气门关闭。排气终了时，汽缸内压力约为0.105～0.115MPa（汽油机），0.105～0.125MPa（柴油机）；温度约为900～1200K（汽油机），800～1000K（柴油机）。图2.6中曲线br表示排气冲程。

至此，发动机完成一个工作循环，下一个工作循环接着开始，重复进行。

3.四冲程发动机的工作特点

（1）发动机完成一个工作循环，曲轴转两周（720°），活塞走完行程四次；在整个工作循环中，进气门只在进气冲程开启，排气门只在排气冲程开启，其余两个冲程进、排气门均关闭。

（2）四个冲程中，只有做功冲程产生动力，向外输出，其他三个冲程则消耗能量，消耗的能量来自于发动机做功冲程时的储存。三个冲程是为做功冲程做准备工作的辅助冲程，因而必不可少。可推知：发动机的工作状况为非匀速运转。

（3）发动机是在高温、高压、高速，以及腐蚀的环境中工作。

（4）在发动机运转第一个工作循环时，必须有外力带动。

4.不同工质的四冲程内燃式发动机的工作异同点

同：发动机的工作原理及机械运动基本相同；

异：将汽油作为工质的发动机，其可燃混合气的形成大多从汽缸外部开始至汽缸内结束，而将柴油作为工质的发动机，可燃混合气形成的开始和结束都是在汽缸内部完成。由此可得出，汽油机在进气冲程中吸入汽缸的工质是可燃混合气，而柴油机的工质在进气冲程中是纯空气，在压缩终了喷入柴油时形成可燃混合气。随着科技的发展，汽油为工质的可燃混合气在汽缸内部形成已出现，并可能成为今后的发展方向。

汽油工质靠火花塞点燃，柴油工质则靠自燃。

汽油机和柴油机在每个冲程终了时的压力和温度值不一样。

2.1.2 内燃式发动机的基本结构

1.认识内燃式发动机基本结构的几个出发点

内燃式发动机是一台结构复杂的精密机器，且不同的发动机结构有所不同。然而，不同发动机的结构虽有所不同，其需解决的根本问题却是相同的，这就是认识发动机基本结构的出发点。这些问题有：热力学能转化为机械能；直线运动与曲线运动的转换；持续不断地向汽缸提供工质，维持发动机连续地运转。

工质在密封的容器中燃烧，根据热力学知识可知，容器的四壁均将受到工质燃烧时产生的膨胀压力作用，这种压力均匀地作用在容器的四壁，力图使容器向四周膨胀。将容器的一面设计成活动面（即活塞），并使活塞在膨胀的压力作用下按设定的轨迹运动，这种运动才有可能在发动机中被利用和接受。

设定的活塞运动是定向的直线运动，只有将直线运动转变为曲线（旋转）运动，反过来，在活塞到达下止点时，曲轴的曲线（旋转）运动又推动活塞做反方向直线运动，为接下来的第二次膨胀做准备。如此连续不断地“直线→旋转→直线”运动才能使发动机持续地工作。往复式发动机中典型的直线与曲线转换方式有两种（如图2.7所示）。图2.7a）所示机构主要用在发动机曲柄连杆机构上，目的是将活塞的直线运动和曲轴的旋转运动进行相互转换。图2.7b）所示机构主要用于配气机构中，目的是将凸轮的曲线运动转变为气门的直线运动。

图2.7 典型的直线与曲线转换方式

显然，发生在发动机内的热能转换为机械能应该是连续进行的，只有活塞不断地往复运动，曲轴连续地转动，发动机才能持续地对外提供机械能。这就要求工质连续不断地进入汽缸，并能在燃烧后排出汽缸。这表明维持发动机的连续工作需要一套工质供给系统。

此外，从四冲程发动机工作原理得知，为保证发动机正常地工作，发动机必须配备温控、润滑、启动等装置。

2.基本结构

如图2.8所示是一台单缸四冲程汽油机的结构示意图，它由两大机构和五大系统组成：曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系（对于柴油机而言，混合气是自行着火燃烧的，因此柴油机没有点火系，只有两大机构四大系统）。

图2.8 单缸四冲程汽油机结构示意图

曲柄连杆机构：曲柄连杆机构可分为机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组三组。其中机体组由汽缸体、曲轴箱、汽缸盖、汽缸套、汽缸垫及油底壳等组成；活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等组成；曲轴飞轮组由曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡重等组成。曲柄连杆机构的功用是将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再通过活塞、连杆和曲轴将往复运动转变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。

配气机构：配气机构由进气门、排气门、挺柱、推杆、摇臂、凸轮轴及凸轮轴正时齿轮（由曲轴正时齿轮驱动）等组成。它的功用是适时地开闭进、排气门使可燃混合气及时进入汽缸，废气及时从汽缸排出。

燃油供给系：燃油供给系由汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、喷油器、空气滤清器、进气管、排气管、排气消声器等组成。它的功用是把汽油和空气混合成合适的可燃混合气以供汽缸燃烧，并将燃烧后的废气经消音降噪后排入大气。

点火系：点火系由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈、高压导线、火花塞等组成。它的功用是保证按规定时刻及时点燃汽缸中被压缩的混合气。

冷却系：冷却系主要由水泵、散热器、风扇、分水管、汽缸体放水阀，以及水套等组成。它的功用是把受热机件的热量散发到大气中去，保证发动机正常工作。

润滑系：润滑系由机油泵、集滤器、限压阀、润滑油道、机油粗滤器、机油细滤器和机油冷却器等组成。它的功用是将润滑油供给做相对运动的零件以减少它们之间的摩擦阻力，减轻机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。

启动系：启动系由起动机及其附属装置等组成。它的功用是使静止的发动机启动并转入自行运转。

3.多缸四冲程发动机结构

单缸发动机的运转是非均匀的，这是因为单缸发动机只有做功冲程是气体推动活塞使曲轴旋转，其余三个冲程必须依靠（消耗）做功冲程产生的能量完成。这种工作特点极有可能使发动机在完成一个工作循环之前就熄火。解决的方法有两个：一是在发动机上安装一个较大的飞轮，利用飞轮的转动惯量使发动机匀速旋转；二是采用多缸发动机（如图2.9所示），使发动机工作时每个冲程都具有做功能力。从理论上说，采用第二种方法至少需要四缸，且缸数越多发动机运转越平稳。多缸发动机的另一个优点是发动机的输出功率大。

四冲程多缸发动机在现代汽车中被广泛使用，它的基本结构与四冲程单缸发动机大同小异（如图2.10所示），也具有两个机构五个系（柴油机四个系），只是设计时需将各缸的做功次序均匀地错开。如图2.10所示为红旗牌轿车用的CA488型发动机的结构。

图2.9 多缸（六缸）发动机

图2.10 CA488型发动机纵剖面图

多缸发动机的汽缸排列方式有多种，汽车上常用的有直列、V形，少数为卧式（如图2.11所示）。

图2.11 发动机的排列

直列：最常见的发动机排列形式。其结构特点是将所有汽缸竖直沿曲轴纵向排列，优点是结构简单、制造方便、运转平稳、振动较小，缺点是纵向尺寸过大，高度较高，6缸以上的发动机较少采用。

V形：即以曲轴为中心线将汽缸排成纵向两列的发动机，两列分别向两边倾斜成一定角度（多为90°或70°），连杆交替安装在同一曲轴上，沿发动机纵向看呈V字形。与直列发动机相比，其优点是发动机高度下降、重心降低、长度减小、结构较紧凑；不足之处在于宽度增加、结构复杂、加工成本高。

卧式：卧式发动机是将发动机平卧。较常见的是将具有两列汽缸的发动机平卧，相当于将V形发动机的夹角扩大为180°，活塞工作轨迹与地面平行，也有单列汽缸平卧。这种发动机的优点是发动机重心较低，从而可降低发动机舱的高度，增加汽车的稳定性，并且非常有效地避免了机器的振动，缺点是发动机舱的横向尺寸大，多见于跑车。