发动机培训讲义一发动机基本知识.docx

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发动机培训讲义一发动机基本知识

发动机知识培训讲义

（一）

发动机构造及工作原理（常识部分）

第一节发动机分类

目前，轿车的动力主要是内燃机。

它是将燃料与空气在发动机内部混合、燃烧而产生的热能转变为机械能的装置。

将热能转变为机械能的发动机称为热力发动机（简称热机）。

内燃机是热机的一种。

另一种是外燃机，如蒸汽机等，其特点是燃料在机器外部的锅炉内燃烧,现代轿车早巳不用这种机器了。

车用发动机大致分类如下：

1）根据活塞的运动形式分为：

往复活塞式发动机和旋转活塞式发动机。

轿车所用的发动机主要是往复活塞式。

由于它在设计、制造、安装、修理及使用中各种技术已达到相当完善的程度，今后在相当长的时间内，仍是轿车，的主要动力形式。

旋转活塞式发动机（也称转子发动机），在国外轿车上（主要是日本汽车）所应用，虽然还有一些关键技术仍在研究中，但作为发动机的前景还是存在的。

2）根据发动机完成一个工作循环的行程数分为：

四冲程发动机和二冲程发动机。

活塞式内燃机，它的每一个工作循环都是由进气、压缩、作功和排气所组成。

活塞每两个单行程完成一个工作循环的称为二行程发动机。

活塞每四个单行程完成一个工作循环的称为四行程发动机。

现代轿车发动机大都采用四行程发动机。

二行程发动机由于存在排放、噪声、油耗等方面原因，轿车已很少采用。

3）根据发动机使用燃料种类的不同可分为：

使用汽油作燃料的发动机（称为汽油机）使用柴油作燃料的发动机（称为柴油机）。

现代轿车上使用汽油机很多。

在欧洲、日本等国家也有一定数量的柴油机轿车。

汽油机根据供油系统的不同可分为化油器式发动机和汽油喷射式发动机。

化油器式发动机是将汽油与空气在化油器中以一定的比例混合成可燃混合气，然后被吸入汽缸并加以压缩，点火燃烧作功。

轿车上使用得越来越少。

汽油喷射式发动机是把燃料通过喷射系统，以一定的比例喷入进气管或汽缸内与空气混和成可燃混合气，再点火、燃烧、膨胀而作功。

由于汽油喷射式发动机（特别是电控汽油喷射式发动机）具有一系列的优点，故在轿车上逐渐被采用。

4）根据发动机的冷却方式分为：

用冷却水冷却的发动机（称为水冷式发动机）和用风

冷却的发动机（称为风冷式发动机）。

在轿车发动机中，大都采用水冷式。

在有些较小排量的微型轿车上，也有很少量采用风冷。

5）根据进气形式分为：

自然吸气的非增压式发动机和进气增压的增压式发动机。

在国外，高性能轿车上用的发动机广泛采用增压式发动机。

在普通型轿车中一般采用非增压式。

国产轿车大都采用自然吸气式发动机。

·总之，在国内外轿车上采用较多的是四冲程、水冷、往复活塞式、汽油喷射式、增压或自然吸气式汽油机。

第二节发动机基本工作原理

1.发动机技术参数及名词解释

1.1基本术语

（1）上止点：

活塞离曲轴回转中心最远处，通常指活塞上行到最高位置，用英文缩写词TDC来表示。

（2）下止点：

活塞离曲轴回转中心最近处，通常指活塞下行到最低位置，用英文缩写词BDC来表示。

（3）活塞行程（S）：

上、下止点间的距离（mm）。

（4）曲柄半径（R）：

与连杆下端（即连杆大头）相连的曲柄销中心到曲轴回转中心的距离（mm）。

显然，S=2R。

曲轴每转一周，活塞移动两个行程。

（5）汽缸工作容积（Vh）：

活塞从上止点到下止点所让出的空间容积（L）：

Vh=πD2S/4×106

式中：

D——汽缸直径（mm）。

（6）发动机排量（VL）：

发动机所有汽缸工作容积之和（L）,设发动机的汽缸数为i。

VL=Vhi

（7）燃烧室容积（Vc）：

活塞在上止点时，活塞上方的空间叫燃烧室，它的容积叫燃烧室容积（L）。

（8）汽缸总容积（Va）：

活塞在下止点时，活塞上方的容积称为汽缸总容积（L）,它等于汽缸工作容积与燃烧室容积之和，即

Va=Vh+Vc

（9）压缩比（ε）：

汽缸总容积与燃烧室容积的比值，即

ε=Va/Vc=1+Vh/Vc

它表示活塞由下止点运动到上止点时，汽缸内气体被压缩的程度。

压缩比越大，压缩终了时汽缸内的气体压力和温度就越高。

一般车用汽油机的压缩比为7-10，柴油机的压缩比为15—22。

10）发动机的工作循环：

在汽缸内进行的每一次将燃料的热能转化为机械能的一系列连续过程（进气、压缩、作功和排气）称为发动机的工作循环。

2.发动机的简单工作原理

2.1四冲程汽油机的工作原理

四冲程汽油机是由进气、压缩、作功和排气完成一个工作循环的，如图1—2所示为单缸四冲程汽油机工作原理示意图。

（1）进气行程：

活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动。

此时，进气门打开，排气门关闭（图1—2（a））。

由于活塞下移，活塞上腔容积增大，形成一定真空度，在真空吸力的作用下，经过滤清的空气与汽油形成混合气，经进气门被吸人汽缸，至活塞运动到下止点时，进气门关闭，停止进气，进气行程结束。

进气行程结束时，由于进气过程中进气管和进气门等有进气阻力，汽缸内压力低于大气压力，约为75-90kPa。

由于汽缸壁、活塞等高温机件及残留高温废气的加热，气体温度约为370—440K。

（2）压缩行程：

进气行程结束时，活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动（图1—2（b））此时，进、排气门均关闭，随着活塞上移，活塞上腔容积不断减小，混合气被压缩，至活塞到达上止点时，压缩行程结束。

在压缩行程过程中，气体压力和温度同时升高，混合气进一步混合，形成可燃混合气。

压缩终了时，汽缸内压力约为600-1500kPa，温度约为600—800K，远高于汽油的点燃温度，因而很容易点燃。

（3）作功行程：

压缩行程末（图1—2（c）），火花塞产生电火花，点燃汽缸内的可燃混合气，并迅速着火燃烧，气体产生高温、高压，在气体压力的作用下，活塞由上止点向下止点运动，再通过连杆驱动曲轴旋转向外输出作功，至活塞运动到下止点时，作功行程结束。

在作功行程中，开始阶段汽缸内气体压力、温度急剧上升，瞬时压力可达3-5MPa，瞬时温度可达2200-2800K。

随着活塞的下移，压力、温度下降，作功行程终了时，压力约为300，500kPa，温度约为1500—1700K。

（4）排气行程：

在作功行程终了时，排气门被打开，活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动（图1—2（d））。

废气在自身的剩余压力和活塞的驱赶作用下，自排气门排出汽缸，至活塞运动到上止点时，排气门关闭，排气行程结束。

排气终了时，由于燃烧室的存在，汽缸内还存有少量废气，气体压力也因排气门和排气道等有阻力而高于大气压力。

此时，压力约为105-125kPa，温度约为900—1200K。

排气行程结束后，进气门再次开启，又开始了下一个工作循环，如此周而复始，发动机就自己运转。

，

2.2四冲程柴油机的工作原理

四冲程柴油机和四冲程汽油机工作原理一样，每个工作循环也是由进气、压缩、作功和排气四个行程所组成。

但柴油和汽油性质不同，柴油机在可燃混合气的形成、着火方式等方面与汽油机有较大区别。

下面主要介绍与汽油机工作原理不同之处。

图1—3为单缸四冲程柴油机工作原理示意图。

（1）进气行程：

进气行程如图1—3（a）所示。

它不同于汽油机的是进入汽缸的不是混合气，而是纯空气。

由于进气阻力比汽油机小，上一冲程残留的废气温度比较低等原因，进气终了压力和温度与汽油机稍有不同，压力约为800-900kPa，温度约为320—350K。

（2）压缩行程：

压缩行程如图1—3（b）所示。

不同于汽油机的是压缩行程的是纯空气，且由于柴油机压缩比大，压缩终了的温度和压力都比汽油机高，压力可达3—5MPa，温度可达800-1000K。

（3）作功行程：

作功行程如图1—3（c）所示。

此行程与汽油机有很大不同，压缩行程末．喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷人汽缸内的高温空气中，迅速汽化并与空气形成可燃混合气。

因为此时汽缸内的温度远高于柴油的自燃温度（约500K左右），柴油自行着火燃烧，且以后的一段时间内边喷边燃烧，汽缸内的温度、压力急剧升高，推动活塞下行作功：

此行程中，瞬时压力可达5—10MPa，瞬时温度可达1800—2200K；作功终了，压力约为200—400kPa，温度约为1200c1500K。

（4）排气行程：

排气行程如图1—3（d）所示。

与汽油机排气行程基本相同。

排气终了，气缸压力约为105-125kPa，温度约为800-1000K。

由上述四冲程汽油机和柴油机的工作原理可知：

（1）两种发动机工作循环的基本内容相似，其共同的特点是：

1）每个工作循环曲轴转两圈，每个行程曲轴转1800，进气行程是进气门打开，排气行程是排气门打开，其余两个行程进、排气门均关闭。

2）四个行程中，只有作功行程产生动力，其余三个行程是为作功行程做准备工作的辅助行程，虽然作功行程是主要的，但其他的三个行程也是必不可少的。

3）发动机运转的第一个循环，必须有外力使曲轴旋转完成进气、压缩行程，着火后，完成作功行程，依靠曲轴和飞轮储存的能量便可自行完成以后的行程，以后的工作循环发动机无需外力就可自行完成。

（2）两种发动机工作循环的主要不同之处是：

1）汽油机的汽油和空气在汽缸外混合，进气行程进入汽缸的是可燃混合气。

而柴油机进气行程进入汽缸的是纯空气，柴油是在作功行程开始阶段喷人汽缸，在汽缸内与空气混合，即混合气形成方式不同。

2）汽油机用电火花点燃混合气，而柴油机是用高压将柴油喷人汽缸内，靠高温气体加热自行着火燃烧，即着火方式不同。

所以汽油机有点火系，而柴油机则无点火系。

第三节发动机总体构造

由于发动机的基本原理相似，基本构造也大同小异，汽油机通常由两大机构、五大系统组成，柴油机由两大机构、四大系统组成（缺少点火系）。

它的两大机构是：

（1）曲柄连杆机构：

曲柄连杆机构主要是由缸盖、缸体、油底壳、活塞、连杆、曲轴及飞轮等组成。

由前述的发动机工作原理可知，可燃混合气在汽缸内燃烧产生的高压是通过活塞、连杆、曲轴等变为有用的机械能输出的，可见曲柄连杆机构是维持发动机工作循环、实现能量转换的主要机构。

（2）配气机构：

配气机构主要是由气门组和气门驱动组组成，由于凸轮轴的位置的不同，所以组成有所差别。

其作用是适时开关进、排气门，以便可燃混合气能及时进入汽缸，废气能及时从汽缸中排出。

它的五大系统是：

（1）燃料供给系：

燃料供给系主要的作用是将汽油和空气混合形成一定比例的

可燃混合气供入汽缸，并将着火燃烧后产生的废气排出发动机。

（2）点火系：

点火系主要由点火线圈、火花塞等组成。

其作用是使火花塞适时产生电火花，点燃缸内的可燃混合气。

（3）冷却系：

冷却系主要由水泵、散热器、汽缸体和汽缸盖铸出的空腔一水套、风扇、汽缸体放水阀等组成。

其作用是把受热机件感受的多余热量散发到大气中去，以保证发动机在正常温度下工作。

（4）润滑系：

润滑系主要由机油泵、集滤器、润滑油道、机油滤清器等组成。

其主要的作用是将机油送到各摩擦副，以减少它们之间的摩擦与磨损。

（5）启动系：

启动系主要是由起动机等件组成，其作用是启动发动机。

1曲柄连杆机构

1.1机体组

缸体

我公司采用的缸体是水冷式,其缸孔（81.000+/-0.005）粗糙度参数如下:

缸体主轴承孔（59.000+0.010）分级标注位置如下:

主轴瓦（上）分级如下,与缸体主轴承孔分级相对应.

主轴瓦（下）分级如下,与曲轴主轴径分级相对应.

主轴瓦分级匹配关系如下:

1.2活塞连杆组

（一）活塞

活塞是发动机的重要传力元件，活塞与汽缸盖共同构成燃烧室，承受气体压力并通过活塞销和连杆将压力传给曲轴。

发动机工作时，燃烧气体温度高达20000C以上，活塞顶部接触燃烧气体，因高温使材料机械性能降低，甚至产生高温变形。

当顶部的温度超过370-4000C时，还会产生热裂现象。

第一道环槽温度超过200-2200C，就会造成活塞环粘结。

进气时，活塞又受到空气的冲刷，造成温度不匀，引起大的热应力和活塞变形。

活塞工作温度高且作往复运动，润滑又困难，所以极易磨损。

根据活塞的工作条件对活塞的要求是：

有足够的刚度、强度和耐热性，以承受燃烧气体的高温高压；加工精度要求高，保证密封又不增加摩擦；重量轻以减小惯性载荷；润滑性和耐磨性良好以提高寿命。

根据活塞上各部分作用的不同，活塞可分为顶部、环槽部、裙部和销座四部分，如图2—27所示。

1．活塞顶部

活塞顶部形成燃烧室的底部，其形状取决于燃烧室的要求。

汽油机活塞顶部多为平顶，其优点是加工简单，而且减少顶部与燃烧气体的接触面积，从而使应力分布均匀。

为了燃烧室的要求也有略微凸起和凹陷的形状，以便为了避免活塞与气门相碰而制成的凹坑。

活塞顶部的厚度通常是从中间向四周逐渐增厚，以保证足够的刚度和散热要求。

在没有特殊冷却装置的情况下，顶部的热量通过活塞环和裙部，经缸筒将热量散出。

2．活塞环槽部

活塞环装在环槽部，汽油机一般使用两个气环、一个油环。

装泊环的环槽上有回油孔或回油槽，活塞下行时油环将缸壁上多余的润滑油刮下并经回油孔回到油底壳，气环则用来密封气体。

为了减轻活塞重量，减少摩擦，有些发动机采用一个气环和一个油环。

3.活塞裙部

活塞裙部主要作用是为活塞在气缸内作往复运动导向和承受侧压力.活塞工作时,燃烧气体压力均布在活塞顶上,活塞销给予的支反力则作用在活塞销座处,由此产生的变形是裙部直径沿活塞销座轴线方向增大,侧压力也同样使裙部在同一方向上增大.所以,活塞工作时产生的机械变形和热变形,使得其裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆.鉴于上述情况,为了使活塞在正常工作温度下与汽缸壁间保有比较均匀的间隙,以免在气缸内卡死或引起局部磨损,必须预先把活塞加工成冷态下其裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形,如图1-5所示.为了减少销座附近的热变形量,有的活塞将销座附近的裙部外表面制成下陷0.5-1.0mm.由于活塞沿轴线方向温度分布和质量分布都不均匀,因此各个断面的热膨胀量是上大下小,为了使活塞在工作状态下接近一个圆柱形,就必须事先把活塞做成直径上小下大的近似圆锥形.一汽—大众公司生产的捷达2VMPI发动机，缸孔：

81.010+/-0.005;活塞：

80.985+/-0.009.

图1-5

4.偏置销座

销座的轴线与活塞中心线垂直相交的活塞,当活塞由上止点换向时,侧压力瞬时换向,使活塞与缸壁之间的接触突然由一侧平移至另一侧,便产生敲缸声,如图2-34（a）所示。

为此，在高速发动机上，多将活塞销座朝向作功侧压力大的面偏移1-2mm。

这样，活塞接近上止点时，作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边的，使活塞向外倾斜，裙部下端首先换向与缸壁接触，实现两步换向。

两步换向可以减少对汽缸的敲击如图2—34（b）所示

5．活塞环

活塞环包括气环和油环两种。

气环的作用是保证活塞于气缸壁间的密封，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却水或空气带走。

油环用来刮除气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上铺涂一层均匀油膜，这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小磨损和摩擦阻力。

此外，还起到封气的辅助作用。

活塞环有一个切口，且在自由状态下不是圆环行其外形尺寸比缸孔内径大些，装入后靠弹力紧贴在缸壁上。

几道切口必须错开，以进行有效的密封。

切口大小影响密封。

一般为0.25—0.8mm，我公司生产的R4发动机活塞环开口间隙是：

气环0.15—0.35,磨损极限:

0.8;油环：

0.25—0.50,磨损极限：

0.8.

气环断面形状有多种，我公司生产的R4发动机使用的活塞环，其第一道气环（非增压）（如图1-6）和第二道气环（如图1-7）断面为锥面，可以改善环的磨合，向下可刮油，向上滑动时,由于斜面的油楔作用，可在油膜上浮起，减小磨损。

增压发动

机

第一道气环断面为桶面,其特点是外圆面为凸圆弧形,当桶面环上下运动时,均能与气缸壁形成楔形空间,使机油容易进入摩擦面,大大减少磨损.桶面环与气缸是圆弧接触,故对气缸表面的适应性和对活塞偏摆的适应性均较好,有利于密封,但加工困难.

图1-6图1-7

图1-8

6.活塞销

活塞销功能是连接活塞和连杆小头,将活塞承受的气体作用力传给连杆.一般做成空心圆柱体.活塞销内孔形状有圆柱形（特点:

容易加工,但质量较大）;两段锥形孔（特点:

质量较小,又接近等强度梁,但加工复杂）和组合形孔（特点:

介于二者之间）.

（二）连杆

连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆杆身钻有油道孔，对连杆小头润滑.大头孔:

50.6+0.012/0,小头孔:

20-0.014/-0.008。

一汽—大众公司生产的R4发动机连杆轴瓦不进行配瓦，均选用黄色瓦。

轴瓦分级如下表：

我公司生产的增压发动机,采用楔形连杆,承压面增大,如下图:

图1-9

连杆重量分组（027107401L）

1.3曲轴飞轮组

（一）曲轴

曲轴的功能是承受连杆传来的力，并由此造成绕其本身轴线的力矩—扭矩，然后通过飞轮驱动汽车传动系，同时还驱动配气机构以及其他辅助装置。

曲轴主轴径分级如下表：

曲轴主要由三部分组成：

曲轴前端；曲拐（曲柄销，曲柄，前后两个主轴径）；曲轴后端。

曲轴曲拐数取决于汽缸的数目合排列方式。

直列发动机曲拐数等于汽缸数，V型发动机曲拐数等于汽缸数一半。

图1-10

曲轴形状合各曲拐的相对位置，取决于缸数,汽缸排列方式和发火顺序.例如我公司生产的R4发动机,发火间隔角为720度/4=180度,发火顺序为1-3-4-2,工作循环表如下表:

曲轴转角（度）第一缸第二缸第三缸第四缸

0-180作功排气压缩进气

180-360排气进气作功压缩

360-540进气压缩排气作功

540-720压缩作功进气排气

（二）飞轮

飞轮是一个转动惯量很大的圆盘,主要功能是将在作功行程中输入到曲轴的一部分能量贮存起来,用以在其他行程中克服阻力,带动曲柄连杆机构越过上,下死点,保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀,并使发动机有可能克服短时间的超载荷.此外还是离合器的驱动件.

2.配气机构

（一）气门

气门是保证发动机工作性能和耐久性的重要零件，其结构如图3—21所示。

图3—21气门结构

气门的头部常采用简单的平顶结构，工作锥面与阀座配合保证密封，锥角有300和450两种，排气门一般采用450保证高温的排气门头部的刚性，进气门可采用300或450，采用300对，气门开启时通道断面较大，锥面接触应力较小；采用450锥角时，维修方便。

为提高锥面耐磨性，有时在锥面部分焊接耐热、耐磨的硬质合金。

为了提高充气效率，通常进气门头部直径大于排气门头部直径。

有时为了加工简单，进排气门直径做成一样大。

为了减小气流的阻力，增加强度，气门头部到杆部的过渡圆角一般都比较大，但过渡圆角太大会增加气门重量。

普通汽车发动机大多数采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。

为了改善汽缸的换气质量，要尽可能地增大进、排气门的直径，特别是增大进气门的直径。

然而在有限的汽缸直径内，采用四个气门（即两个进气门，两个排气门）结构，要比采用两个气门结构的每一个气门质量要小；同时采用四个气门结构要比两个气门结构具有更大的气流通过截面积，所以采用四个气门结构既有利于提高充气效率，也有利于改善配气机构的动力性能。

所以，采用四气门结构为发动机转速的提高提供了条件。

采用四气门结构后，汽油机的火花塞和柴油机的喷油器也比较容易布置在燃烧室的中央位置。

20世纪80年代后期的轿车发动机，采用四气门结构日益增多。

20世纪90年代后，国外出现了每缸五气门（3进2排），甚至每缸八气门（4进4排）的结构。

1997年长春一汽大众推出的1．6L捷达王轿车上所用的EAll3型汽油机就采用3进2排的五气门结构。

气门油封

由于气门杆与气门导管之间有一定的间隙，配气机构在工作时飞溅的润滑油就会顺着间隙流进进、排气门上，这样可以对气门杆和气门导管起到润滑作用；但如果润滑油过多，进气时，由于进气道内的真空度较大，润滑油被吸入，则这些润滑油就在燃烧室内烧掉，不仅增加润滑油的消耗量，而且燃烧产物在气门或气门座锥面上，以及在气门导管内的沉积会影响气门的密封，严重时导致气门杆与导管咬死，造成严重后果。

所以，必须对气门杆和导管之间的润滑油泄露加以控制。

通常采用安装与气门杆过盈配合的金属挡油圈或伞形尼龙挡油圈；桑塔纳1．8L汽油机采用了耐高温、密封可靠的骨架式氟橡胶油封。

液力挺柱

采用液力挺柱，消除了配气机构中的间隙，减小了各零件的冲击载荷和噪声，同时凸轮轮廓可设计比较陡一些；气门开启和关闭更快，以减小进排气阻力，改善发动机的换气，提高发动机的性能，特别是高速性能。

由于气门开启过程中，挺柱体腔内的油液会有少量泄露，而且油液并非刚性，所以挺柱工作时会被微量压缩，从而使气门开启持续角稍有减小，一般减小量只有几度凸轮转角。

但当柱塞与挺柱体配合处磨损过大、泄油过多时，配气相位将明显减小，因此，使用液力挺柱的发动机应注意以下问题：

（1）对润滑油的压力和滤清质量有严格的要求。

当润滑油压力过低时，补油能力下降，气门间隙加大；

（2）液力挺柱拆洗后，装机前必须人工排气充油，否则启动困难；

（3）冷机时或停放时间较长时，启动后有短暂气门响声，这是正常现象。

奥迪轿车和桑塔纳轿车的发动机上采用的液力挺柱如图3—26所示，其工作原理与上述液力挺柱基本相同，其特点如下：

（1）采用倒置的液力挺柱，直接推动气门的开启；

（2）挺柱本体是由上盖和圆筒，经过加工后再用激光焊接成一体的薄壁零件。

3.润滑系

润滑系统示意图（带增压器）

图1-11

我公司生产的R4发动机机油滤清器支架油路走向示意图如图1-12所示.

图1-12

机油滤清器参数如图1-13

图1-13

机油泵参数如图1-14

图1-14

捷达2VMPI润滑系采用两个油压开关:

高压开关（白色1.6-2.0bar）和低压开关（蓝色0.15-0.35bar）.其他机型采用一个中压开关（1.2-1.6bar）,主油道压力4.2bar.柴油机:

主油道压力5.0bar,油压开关0.55-0.85bar.

4.冷却系统

冷却系统压力:

1.3-1.5bar.

节温器技术参数如下: