教案02发动机工作原理和总体构造.docx

1、教案02发动机工作原理和总体构造第一章 发动机的工作原理和总体构造教学内容发动机工作原理和总体构造计划学时2教学目标1、掌握发动机分类、组成、基本名词术语及四行程发动机工作过程、编号规则2、熟悉二行程发动机的工作过程及其特点3、掌握发动机的主要性能指标与特性项目内容解决措施教学重点四行程、二行程发动机工作过程动画演示教学难点掌握发动机的主要性能指标与特性举日常生活实例分析教学媒体的选择知识点编号媒体类型媒体内容要点教学目的所用时间1动画发动机工作过程演示工作过程特点30m2教具发动机工作过程演示工作过程特点10m3投影主要性能指标掌握主要性能指标20m板书设计 每节主题一、发动机分类二、四行程

2、发动机工作原理1、发动机基本名词术语2、四冲程汽油机的工作过程3、四冲程柴油机的工作过程三、二冲程汽油机的工作过程四、多缸发动机的工作过程五、发动机的总体构造六、发动机主要性能指标与特性（一）动力性能指标1、有效转矩2、有效功率（二）经济性能指标-燃料消耗率（三）运转性能指标1、排气品质2、噪声3、起动性 （四）发动机的速度特性（五）发动机工作状况七、多缸发动机的工作过程八、内燃机产品名称和型号编制规则教学过程结构设计 一、引入发动机的分类、组成及工作原理知识 此过程分别采用教具、挂图及动画演示。分类中应对有的分类方法（如：气门布置）作一个说明，因为侧置式气门现在已不存在。二、启发性质疑 二冲

3、积发动机与四冲程发动机在动力性、经济性和排放性上的区别及原因。特别是对于排量相等的情况，功率是否相等，原因是什么？三、讲解工程热力学基本知识为便于理解，可以举几个生活中的实例：如气筒打气等，进行形象思维。打气过程中气筒下面变热的对比。由热力学引出发动机主要性能指标与特性。四、课程练习 由全班同学参与，对发动机气缸的定量关系进行实例计算。以巩固该部分知识。五、互动性质疑1、对于内燃机可以从哪几个方面提高经济性？2、由学生针对知识进行自由提问。七、结束 根据讲课的思路，由老师引导对本次课的内容进行一次分析，特别应讲清本次课的重点和难点。 知识性练习 用二冲程发动机的摩托车与四冲程发动机的汽车在使用

4、过程为例，由学生分析其主要性能的区别。形成性评价 对于发动机的组成，只作初步性了解，具体知识将贯穿整门课详细讲解，基本专业术语是发动机全部知识的基础，必须掌握。在讲二冲程发动机工作过程时，每个环节应对照四冲程进行。 必须使大家稳固掌握主要性能指标与特性。有效指标是真正具有评价意义的指标，讲解进程应与指示指标比较，分析发动机燃烧能量分配可以创造节油的基本思路。实训 ：发动机总体认识教学内容实训 ：发动机总体认识计划学时2教学目标1、了解汽车发动机的各系统组成；2、初步认识汽车发动机主要部件的名称、外形及安装联接；3、初步了解汽车发动机的工作过程项目内容解决措施教学重点发动机各系统的组成实物演示教

5、学难点发动机主要部件的名称实物示例实训安排知识点编号方式内容要点教学目的所用时间1整车模型演示发动机主要部件的名称、外形及安装联接发动机总体构造基础25m2示教板演示各系统组成发动机总体构造基础45m3教具演示发动机工作过程发动机工作原理基础15m实训教学过程设计实训教学过程设计一、实训准备1、装备齐全的汽油发动机和柴油发动机各一台；2、拆散但机件齐备的汽油发动机和柴油发动机各一台；3、能运转的发动机一台；4、能运转的发动机解剖教具一台；5、发动机及各系统的电动示教板一套二、分组实训分成三个组：1、一组由老师利用各系统电动示教板、透明教具、解剖教具进行讲解 讲解各系统的工作过程，主要要涉及零部

6、件的名称，使学生达到对发动机零件有一个初步的认识、对发动机的工作过程有一个比较初步的认识。2、二组利用发动机整台实物进行讲解主要让学生了解发动机内部元件的连接情况及相对位置。3、三组由老师利用发动机零部件进行讲解，让学生初步认识真实零件的连接，外形及相互关系。 三、三组依次进行轮换1、每一组同学在每个部位的时间基本控制在一节课不到一点的时间。2、每部位独立进行讲解，力求多重复，使学生能进行多次的认知。四、由学生提问针对学生对发动机的初步认识，由学生自己提问题，老师作回答。五、结束由学生在老师的指导下进行工具的整理和场地的清洁工作。练习让学生利用课余时间就车对发动机进行认识效果评价本次课从不同的

7、方式，不同的角度让学生对汽车用发动机有一个具体的认识，并且利用电动教具，形象地演示民发动机的工作过程，使学生对发动机总体结构及工作原理有了一个比较系统的认识，对以后的构造讲解有很大的帮助。附讲义：第一章 发动机的工作原理和总体构造第一节 发动机的分类汽车的动力源是发动机。发动机是将某一种形式的能量转化为机械能的机器。将燃料燃烧所产生的热能转化为机械能的装置称为热力发动机，简称热机。内燃机是热力发动机的一种，其特点是液体或气体燃料与空气混合后直接输人机器内部燃烧而产生热能，然后再转变成机械能。另一种热机是外燃机，如蒸汽机，其特点是燃料在机器外部的锅炉内燃烧，将锅护内的水加热而产生高温、高压的水蒸

8、汽，输送至机器内部，使所含的热能转变为机械能。内燃机具有热效率高、体积小、质量小、便于移动以及起动性能好等优点，因而广泛应用于飞机、船舰以及汽车、拖拉机、坦克等各种车辆上。但是，内燃机一般要求使用石油燃料，同时排出的废气中所含有害气体成分较高。为解决能源与大气污染的问题，目前国内、外正致力于排气净化以及其它新能源发动机的研究工作。往复活塞式内燃机在汽车上应用最广泛，是本课程的主要讨论对象。汽车用活塞式内燃机可以根据不同的特征分类。(1)按所用的燃料分类 可分为液体燃料发动机（汽油机、柴油机等）和气体燃料发动机（如天然气发动机、液化石油气发动机等）。(2）按发火方式分类 可分为压燃式发动机与点燃

9、式发动机。柴油的特性是在同样的条件下其自燃点比汽油的自燃点低，因此采用压燃式（自燃式）发火。一般可通过喷油泵和喷油器将柴油直接喷人发动机的气缸内，在气缸内与压缩空气均匀混合后，在高温下得以自燃，这种发动机称为压燃式发动机。汽油的特性是其自燃的温度（425）比柴油（320338）的要高，因此常采用点燃式发火。利用火花塞发出的电火花强制点燃汽油，使其发火燃烧，这种发动机称为点燃式发动机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。(3）按工作循环的冲程数分类 在发动机内，每一次将热能转变为机械能都必须经过

10、吸人空气、压缩和输人燃料，使之发火燃烧而膨胀作功，然后将生成的废气排除这样一系列连续过程，称为一个工作循环。对于往复活塞式发动机，可以根据每一工作循环所需活塞行程数来分类。凡曲轴转两圈(720)，活塞往复四个单程完成一个工作循环的称为四冲程发动机，把曲轴转一圈(360)，活塞往复两个单程即完成一个工作循环的称为二冲程发动机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。(4）按气缸数及其排列方式分类 仅有一个气缸的称为单缸发动机，有两个以上气缸的称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。单缸有立式与卧式，多缸有V形与对置式。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。(5

11、)按冷却方式分类 根据冷却方式不同，发动机可以分为水冷式和风冷式两种。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。(6)按照气缸排列方式分类 内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角180(一般为90)称为V型发动机，若两列之间的夹角=180称为对置式

12、发动机。 (7)按照进气系统是否采用增压方式分类 发动机还可按进气方式分类。当发动机不装增压器，空气是靠活塞的抽吸作用进人气缸内的发动机，称为非增压式发动机（或自然吸人式发动机），发动机上装有增压器，空气通过增压器可以提高进气压力的发动机，称为增压式发动机。汽油机常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。(8)按每气缸中的气门数来分类 当每气缸中设有一个进气门和一个排气门的发动机，称为二气门发动机；每缸中设有2个进气门和2个排气门的，称为四气门发动机；或者每个气缸中设有3个进气门和2个排气门的，称为5气门发动机。汽车动力从哪里来？汽车的心脏是发动机，那么发动机的心脏是什么？汽缸！汽缸

13、是产生汽车驱动力的“源头”，不论你的汽车能达到多高的速度，能爬多大的坡，能拉多重的货物，一切动力都来自汽缸内部，都是由于燃料在汽缸内部燃烧后推动活塞直线运动（转子发动机除外），然后再通过连杆、曲轴、变速器、传动轴，最后将动力传递到车轮，从而推动汽车飞速前进。在汽缸中，最受罪的就是其中的活塞，它头顶上不断地有燃料燃烧“爆炸”，而脚底下又必须不停地蹬动曲轴。正是由于汽缸中活塞的辛勤劳作，你才会坐在车上到处乱跑。汽缸原理源于大炮？汽缸源于大炮，这并不足耸人听闻。你车上的汽缸战士确实与大炮有关。1680年，荷兰科学家霍因斯受到大炮原理的启发，心想如将炮弹的强大力量用来推动其它机械不是挺好吗？他一开始仍

14、用火药作燃烧爆炸物，将炮弹改成“活塞”，把炮筒作“汽缸”，并开一个单向阀他在汽缸内注入火药，当点燃火药后，火药猛烈地爆炸燃烧，推动活寒向上运动，并产生动力。同时，爆炸气巨大的压力还推开单向阀，排出废气。而后，气缸内残余废气逐渐变冷，气压变低，汽缸外部的大气压又推动活塞向下运动，以准备进行下一次爆炸。当然，由于行程过长，效率太低，他最终没有取得成功。但是，正是霍因斯首先提出了“内燃机”的设想，后人在此基础上才发明了汽车用的发动机。第二节 四冲程发动机工作原理一 四行程汽油机的工作原理气缸内装有活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。活塞在气缸内做往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜气体和

15、排除废气，设有进、排气系统等。上止点：活塞顶部离曲轴中心最远处，即活塞最远位置。下止点：活塞顶部离曲轴中心最近处，即活塞最近位置。活塞行程：上、下止点间的距离S。曲柄半径：曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离R。活塞每走一个行程相应于曲轴转角180o。对于气缸中心线与曲轴中心线相交的发动机，活塞行程S等于曲柄半径R的两倍。活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为气缸工作容积或气缸排量，可用符号Vs表示。多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机排量，用符号VL(L）表示，即四行程汽油机的运转是按进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程的顺序不断循环反复的。通常利用发动机循环的示功图来分析工作循环

16、中气体压力P和相应于活塞不同位置的气缸工作容积Vs之间的变化关系。（示功图表示了活塞在不同位置时气缸内压力的变化情况。其中，曲线所围成的面积表示发动机整个工作循环中气体在单个气缸内所作的功。）（1）进气行程由于曲轴的旋转，活塞从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。进气过程开始时，活塞位于上止点，气缸内残存有上一循环未排净的废气，因此，气缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，当压力低于大气压时，在气缸内产生真空吸力，空气经空气滤清器并与化油器供给的汽油混合成可燃混合气，通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。在进气过程中，受空气滤清器、化油器、进气

17、管道、进气门等阻力影响，进气终了时，气缸内气体压力略低于大气压，约为0.0750.09MPa，同时受到残余废气和高温机件加热的影响，温度达到370400K。实际汽油机的进气门是在活塞到达上止点之前打开，并且延迟到下止点之后关闭，以便吸入更多的可燃混合气。ra线与大气压力线的差值表示气缸内的真空度。（2） 压缩行程曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。此时气体的压力和温度主要随压缩比的大小而定，可燃混合气压力可达0.61.2MPa，温度可达600700K。引入压缩比概念：压缩前

18、气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比，以表示。换言之，压缩比等于气缸总容积Va与燃烧室容积Vc之比。汽油机的压缩比一般为610。柴油机的压缩比一般为1622。物理意义：反映气体被压缩的剧烈程度。压缩比越大，压缩终了时气缸内的压力和温度越高，则燃烧速度越快，热效率高，经济性好，发动机功率也越大。但压缩比过高，不仅不能进一步改善功率和经济性，反而会容易引起爆燃和表面点火燃烧等不正常燃烧想象。所谓爆燃就是由于气体压力和温度过高，可燃混合气在没有点燃的情况下自行燃烧，且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播，造成尖锐的敲缸声。爆燃会使发动机过热，功率下降，汽油消耗量增加以及机件损坏。轻微

19、爆燃是允许的，但强烈爆燃对发动机是很有害的。严重爆燃：造成气门烧毁、轴瓦破裂、活塞烧顶、火花塞绝缘体被击穿等机件损坏现象。表面点火：是由于燃烧室内炽热表面（如排气门头，火花塞电极，积炭）点燃混合气产生的一种不正常燃烧现象。表面点火发生时，也伴有强烈的敲击声（较沉闷），产生的高压会使发动机机件承受的机械负荷增加，寿命降低。因此，在提高发动机压缩比的同时，必须注意防止爆燃和表面点火的发生。此外，发动机压缩比的提高还受到排气污染法规的限制。（3） 作功行程作功行程包括燃烧过程和膨胀过程，在这一行程中，进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点(即点火提前角)位置时，火花塞产生电火花点燃

20、可燃混合气，可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高，最高压力可达35MPa，最高温度可达22002800K，高温高压气体膨胀，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功，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外作功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，作功行程结束，气体压力降低到0.30.5MPa，气体温度降低到13001600K。（4） 排气行程 可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点

21、再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。实际汽油机的排气行程也是排气门提前打开，延迟关闭，以便排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在，不可能将废气全部排出气缸。受排气阻力的影响，排气终止时，气体压力仍高于大气压力，约为0.1050.115MPa，温度约为9001200K。曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。可见四行程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环，这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。二 四行程柴油机的工作原理 四行程柴油机和四行程汽油机的工作过程相同，每一个工

22、作循环同样包括进气、压缩、作功和排气四个行程，但由于柴油机使用的燃料是柴油，柴油与汽油有较大的差别，柴油粘度大，不易蒸发，自燃温度低，故可燃混合气的形成，着火方式，燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机不同，下面主要分析一下柴油机和汽油机在工作过程中的不同点。汽油机柴油机进气行程气体性质可燃混合气纯空气压力、温度0.0750.09MPa， 370400K0.07850.0932MPa、300370K特点进气通道中没有化油器，进气阻力小，进气终了时气体压力略高于汽油机而气体温度略低于汽油机。压缩行程气体性质可燃混合气+残余废气纯空气+残余废气+柴油（雾状）压力、温度0.61.2MPa、6007

23、00K3.54.5MPa、7501000K特点压缩接近终了时喷油，形成可燃混合气。压缩比大，柴油机被压缩后自燃着火作功行程气体性质混合气在气缸外部的化油器中形成混合时间长柴油与空气混合时间短压力、温度35MPa、22002800K69MPa、20002500K， 特点柴油机作功终了时，气体压力约为0.20.4MPa，气体温度约为12001500K。汽油机约为0.30.5MPa，气体温度13001600K。排气行程气体性质废气废气压力、温度0.1050.115MPa、9001200K0.1050.125MPa、8001000K其他性能压缩比低，热效率低，燃油消耗率高，汽油价格较高，排气污染大，排

24、放性能差压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，燃料经济性能好，柴油价格较低，排气污染少，排放性能较好汽油机具有转速高（目前轿车汽油机最高转速达50006000r/min，货车汽油机转速达4000r/min左右）、质量小、工作噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点，故在轿车和轻型货车及越野牟退得到广泛的应用；其不足之处是燃油消耗率高，燃油经济性差。柴油机因压缩比高，燃油经济性好。一般装载质量为5t以上的货车大都采用柴油机。柴油机的主要缺点是转速低（一般转速在25003000r/min左右），质量大，噪声大，振动大，制造和维修费用高（因为喷油泵和喷油器加工精度要求高）。但目前柴油机的这些缺点正在逐渐

25、得到克服，其应用范围正在向中、轻型货车扩展。国外有的轿车也采用柴油机，其最高转速可达5000r/min。由此可见，四冲程发动机在一个工作循环的四个活塞行程中，只有一个行程是作功的，其余三个行程则是作功的辅助行程，要消耗能量。因此，在单缸发动机内，曲轴每转两周中只有半周是由于膨胀气体的作用使曲轴旋转，其余一周半则依靠飞轮惯性维持转动。显然，作功行程时，曲轴的转速比其它三个行程内曲轴转速要高，所以曲轴转速是不均匀的因而发动机运转就不平稳为了解决这个间题，飞轮必须做成具有更大的转动惯量，而这样做将使整个发动机质量和尺寸增加。显然，单缸发动机工作振动大，采用多缸发动机可以弥补上述缺点。因此，现在汽车上

26、基本不用单缸发动机，用得最多的是4缸、6缸、8缸发动机。在多缸四冲程发动机的每一个气缸内，所有的工作过程是相同的、并按上述次序进行，但所有气缸的作功行程并不同时发生。例如，在4缸发动机内，曲轴每转半周便有一个气缸在作功；在8缸发动机内，曲轴每转1/4周便有一个作功行程。气缸数越多，发动机的工作越平稳。但发动机气缸数增多，一般将使其结构复杂，尺寸及质量增加。第三节 二行程汽油机的工作原理一 二行程汽油机的工作原理二行程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈(360)，活塞上下往复运动的两个行程内完成的。因此，二行程发动机与四行程发动机工作原理不同，结构也不

27、一样。例如曲轴箱换气式二行程汽油机，气缸上有三排孔，利用这三排孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、换气和排气的。工作原理如下：a 活塞向上运动，将三排孔都关闭，活塞上部开始压缩。上部压力增大，下部压力降低。b 当活塞继续上行时，活塞下方打开了进气孔，可燃混合气进入曲轴箱。c 活塞接近上止点时，火花塞点燃混合气，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动，进气孔关闭，曲轴箱内的混合气受到压缩。d 当活塞接近下止点时，排气孔打开，排出废气，活塞再向下运动，换气孔打开，受到压缩的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内，并扫除废气。我们人为定义两个行程：第一行程：活塞从下止点向上止点运动，事先已充满活塞上方气缸

28、内的混合气被压缩，活塞下方容积增大，产生真空，新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。第二行程：活塞从上止点向下止点运动，活塞上方进行作功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。为快速换气做好了准备。由于二冲程汽油发动机结构特点，新鲜混合气会随废气一起排出气缸。为了防止因此而造成浪费，活塞顶做成特殊的形状，使新鲜混合气的气流被引向上部，这样还可以利用新鲜混合气来扫除废气，使排气更为彻底。但是在二冲程发动机中，要完全避免可燃混合气的损失是很困难的。二冲程化油器式发动机与四冲程化油器式发动机相比较，其主要优点如下：1)曲轴每转一周就有一个作功行程，因此当二冲程发动机的工作容积

29、和转速与四冲程发动机相同时，在理论上它的功率应等于四冲程发动机的2倍。2)由于发生作功过程的频率较高，故二冲程发动机的运转比较均匀平稳。3)由于没有专门的换气机构，所以其构造较简单，质量也比较小。4)使用方便。因为附属机构少。所以易受磨损和经常需要修理的运动部件数量也比较少。由于构造上的关系，二冲程发动机的最大缺点是不易将废气自气缸内排除得较干净，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，二冲程发动机的功率并不等于四冲程发动机的2倍，只等于1.5-1.6倍；而且在换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气排出，因此二冲程发动机不如四冲程发动机经济。由于上述的缺点，二冲程化油

30、器式发动机在汽车上较少被采用。但这种发动质量小、生产制造费用低，在摩托车、发电机组方面应用较多。随着技术进步，目前电控喷射二冲程汽油发动机在汽车上开始应用。二 二行程柴油机的工作原理 二行程柴油机和二行程汽油机工作类似，所不同的是，柴油机进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。例如带有扫气泵的二行程柴油机工作过程如下：第一行程：活塞从下止点向上止点运动，行程开始前不久，进气孔和排气门均已开启，利用从扫气泵流出的空气使气缸换气。当活塞继续向上运动进气孔被关闭，排气门也关闭，空气受到压缩，当活塞接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，燃油和空气混合后燃烧，使气缸内压力增大。第二行程：活塞从上止点向下止点运动，开始时气体膨胀，推动活塞向下运动，对外作功，当活塞下行到大约2/3行程时，排气门开启，排出废气，气缸内压力降低，进气孔开启，进行换气，换气一直延续到活塞向上运动1/3行程进气孔关闭结束。第四节 多缸发动机的工作原理前面介绍的是单缸发动机的工作过程，而现代汽车发动机都是多缸四行程发动机，那么，多缸四行程发动机与单缸四行程发动机的工作过程有什么区别呢？就能量转换过程，发动机的每一个气缸和单缸机的工作过程是完全一样的，都要经过进气、压缩、作功和排气四个行程。但是单缸发动机的四个行程中只有一个行程作功，其余三个行程不作功