第一章发动机的工作原理及构造课件.ppt
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- 第一章 发动机 工作 原理 构造 课件
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1、一、一、发动机:将某一种形式的能量(热能、电能、化学能、太阳能等)转发动机:将某一种形式的能量(热能、电能、化学能、太阳能等)转 变变成机械能的机器。成机械能的机器。二、二、热力发动机:将热能转变成机械能的发动机。热力发动机:将热能转变成机械能的发动机。1、外燃、外燃机:燃料在机器外部燃烧,产生的热能输入到机器内部并转变成机机:燃料在机器外部燃烧,产生的热能输入到机器内部并转变成机械能输出的热力发动机。如械能输出的热力发动机。如蒸汽机。蒸汽机。2、内燃、内燃机:液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热机:液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能,然后再将热能转变成
2、机械能输出的热力发动机。能,然后再将热能转变成机械能输出的热力发动机。如活塞式内燃机如活塞式内燃机、燃气燃气轮机轮机(按热能转变成机械能的主要构件分)。按热能转变成机械能的主要构件分)。3、比较、比较:外燃外燃机体积大,重量重,热效率低;机体积大,重量重,热效率低;内燃机热效率高,体积小,重量轻,便于移动,起动性能好内燃机热效率高,体积小,重量轻,便于移动,起动性能好;燃气轮机功率大,转速高,燃气轮机功率大,转速高,质量小(没有往复运动件,单位功率质量小),质量小(没有往复运动件,单位功率质量小),转矩特性好(减少转矩特性好(减少 变速器挡数),燃料适应性好,起动性好,但耗油量、噪变速器挡数)
3、,燃料适应性好,起动性好,但耗油量、噪声和制造成本均较高,适用于坦克发动机声和制造成本均较高,适用于坦克发动机三、三、活塞式内燃机:活塞式内燃机:按活塞运动方式分:按活塞运动方式分:1 1、往复活塞式内燃机、往复活塞式内燃机 2 2、转子活塞式内燃机、转子活塞式内燃机 三角活塞旋转式发动机(简称转子发动机)于三角活塞旋转式发动机(简称转子发动机)于19581958年由德年由德国国F.F.汪克尔发明,关键技术是汪克尔发明,关键技术是19541954年年F.F.汪克尔提出的气密封系汪克尔提出的气密封系统,统,19641964年德国年德国NSUNSU公司将转子发动机装在轿车上,公司将转子发动机装在轿
4、车上,19671967年日本年日本东洋工业公司成批生产,至今。东洋工业公司成批生产,至今。比较比较:转子发动机与往复活塞式发动机相比,:转子发动机与往复活塞式发动机相比,优点是体积小,优点是体积小,重量轻,转速高,升功率大,重量轻,转速高,升功率大,现代转子发动机燃油消耗率水平现代转子发动机燃油消耗率水平接近往复活塞式发动机,接近往复活塞式发动机,但耐久性、可靠性等较差,制造成本但耐久性、可靠性等较差,制造成本较高。较高。1、按所用的燃料分:按所用的燃料分:(1)液体燃料发动机;汽油机()液体燃料发动机;汽油机(gasoline engine););柴油机(柴油机(diesel engine)
5、。)。(2)气体燃料发动机:压缩天然气发动机()气体燃料发动机:压缩天然气发动机(CNG););液化石油气发动机(液化石油气发动机(LPG)。)。2、按发火方式分:(、按发火方式分:(1)点燃式发动机(如汽油机、气体燃料发动机);)点燃式发动机(如汽油机、气体燃料发动机);(2)压燃式发动机(如柴油机)。)压燃式发动机(如柴油机)。3、按工作循环的冲程数分:、按工作循环的冲程数分:(1)四冲程发动机;)四冲程发动机;(2)二冲程发动机。)二冲程发动机。4、按冷却方式分:、按冷却方式分:(1)水冷发动机;)水冷发动机;(2)风冷发动机。)风冷发动机。5、按进气方式分:、按进气方式分:(1)自然吸
6、气式发动机(非增压式发动机);)自然吸气式发动机(非增压式发动机);(2)强制吸气式(增压式发动机)。)强制吸气式(增压式发动机)。6、按气缸数分:、按气缸数分:(1)单缸发动机)单缸发动机;(2)多缸发动机。)多缸发动机。7、按气缸排列方式分:(、按气缸排列方式分:(1)单列发动机:直立式发动机、平卧式发动机)单列发动机:直立式发动机、平卧式发动机 (2)双列发动机:)双列发动机:V型发动机、水平对置式发动机型发动机、水平对置式发动机往复活塞式内燃机往复活塞式内燃机:一、四冲程汽油机工作原理四冲程汽油机工作原理(一)基本工作原理(一)基本工作原理 1、化油器式汽油机:、化油器式汽油机:汽油和
7、空气在化油器内混合成可燃混合气,再输入汽油和空气在化油器内混合成可燃混合气,再输入发动机气缸并加以压缩,然后用电火花使之点火燃烧发热而作功发动机气缸并加以压缩,然后用电火花使之点火燃烧发热而作功传统式。传统式。2、汽油喷射式汽油机:、汽油喷射式汽油机:(1)进气管内喷射:进气管内喷射:将汽油喷射入进气管内,同空气混合成可燃混合气,将汽油喷射入进气管内,同空气混合成可燃混合气,再输入发动机气缸并加以压缩,然后用电火花使之点火燃烧发热而作功再输入发动机气缸并加以压缩,然后用电火花使之点火燃烧发热而作功(现代轿车电控汽油喷射式汽油机)。(现代轿车电控汽油喷射式汽油机)。(2)气缸内直接喷射:气缸内直
8、接喷射:将汽油直接喷射入气缸内同空气混合成可燃混合将汽油直接喷射入气缸内同空气混合成可燃混合气并加以压缩,然后用电火花使之点火燃烧发热而作功气并加以压缩,然后用电火花使之点火燃烧发热而作功(未来发展)。(未来发展)。曲柄连杆机构曲柄连杆机构气缸气缸7内装有活塞内装有活塞8,活塞通过活塞销活塞通过活塞销10、连杆、连杆11与曲轴与曲轴14相连接。活塞在气缸内作往复直线运相连接。活塞在气缸内作往复直线运动,通过连杆推动曲轴转动,通过飞动,通过连杆推动曲轴转动,通过飞轮轮13对外输出作功。对外输出作功。(二(二)单缸汽油机基本结构)单缸汽油机基本结构:配气机构配气机构为了吸入新鲜气体和排出为了吸入新
9、鲜气体和排出废气,设有进气门废气,设有进气门2和排气门和排气门3,曲轴,曲轴14通过正时齿轮副推动配气凸轮轴转通过正时齿轮副推动配气凸轮轴转动,凸轮通过挺杆克服气门弹簧力顶动,凸轮通过挺杆克服气门弹簧力顶开气门,气门在气门弹簧预紧力的作开气门,气门在气门弹簧预紧力的作用下关闭。用下关闭。供给系供给系汽油和空气在化油器汽油和空气在化油器4内内混合成新鲜可燃混合气,经过进气混合成新鲜可燃混合气,经过进气管管1、进气门、进气门2吸入气缸内,燃烧后吸入气缸内,燃烧后的废气经过排气门的废气经过排气门3、排气管排入、排气管排入大气中。大气中。冷却系冷却系水泵水泵9由曲轴由曲轴14上的上的皮带轮带动,将来自
10、散热器冷皮带轮带动,将来自散热器冷却后的冷却水泵入气缸却后的冷却水泵入气缸7燃烧燃烧室周围的冷却水套,经过气缸室周围的冷却水套,经过气缸盖盖6中的冷却水套,热水由气中的冷却水套,热水由气缸盖上部的出水口流往散热器。缸盖上部的出水口流往散热器。点火系点火系气缸内的新鲜可燃混气缸内的新鲜可燃混合气经过压缩后由气缸盖上伸合气经过压缩后由气缸盖上伸入燃烧室内的火花塞入燃烧室内的火花塞5产生的产生的点火花点燃。点火花点燃。润滑系润滑系机油泵机油泵17由配气凸轮由配气凸轮轴上的偏心凸轮驱动,将油底轴上的偏心凸轮驱动,将油底壳壳16内的机油吸入并经过机油内的机油吸入并经过机油管管15、润滑油道泵入到各运动、
11、润滑油道泵入到各运动件的摩擦部位进行润滑。件的摩擦部位进行润滑。上止点(上止点(T.D.C.):下止点(下止点(B.D.C.):活塞行程活塞行程 S:曲柄半径曲柄半径 R:气缸工作容积气缸工作容积Vh:发动机工作容积发动机工作容积VL:VL=式中:式中:D气缸直径(气缸直径(cm)S活塞行程(活塞行程(cm)i 气缸数气缸数燃烧室容积燃烧室容积VC:气缸总容积气缸总容积Va:压缩比压缩比 :(三)发动机基本术语(三)发动机基本术语活塞顶离曲轴中心最远处。活塞顶离曲轴中心最远处。活塞顶离曲轴中心最近处。活塞顶离曲轴中心最近处。上、下止点之间的距离。上、下止点之间的距离。曲轴与连杆下端的连接中心至
12、曲轴曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离。中心的距离。活塞从上止点到下止点所扫过活塞从上止点到下止点所扫过的容积的容积(气缸排量)(气缸排量)。多缸发动机各气缸工作容积多缸发动机各气缸工作容积 的总和的总和(发动机排量)(发动机排量)。活塞在上止点时,活塞顶上方的活塞在上止点时,活塞顶上方的气缸容积(或气缸最小容积)。气缸容积(或气缸最小容积)。活塞在下止点时,活塞顶上方的活塞在下止点时,活塞顶上方的 气缸容积(或气缸最大容积)气缸容积(或气缸最大容积)(Va=VC+Vh)气缸总容积与燃烧室容积之比。气缸总容积与燃烧室容积之比。(=Va/VC=1+Vh/VC)iSD 42 在发动机内,每一
13、次将热能转变成机械能都必须经过吸入空气、压缩在发动机内,每一次将热能转变成机械能都必须经过吸入空气、压缩和输入燃料,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和输入燃料,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。列连续过程,称为一个工作循环。.(1)进气行程进气行程(0180 CA):):活塞自上止点向下止点移动,活塞上方气活塞自上止点向下止点移动,活塞上方气缸容积增大,形成一定真空,缸容积增大,形成一定真空,此时排气门此时排气门关闭关闭,进气门打开进气门打开,可燃混合气由化油器,可燃混合气由化油器经进气歧管、进气门吸入气缸,历时一个经进气歧管
14、、进气门吸入气缸,历时一个活塞行程,曲轴旋转活塞行程,曲轴旋转180转角。由于有进转角。由于有进气阻力,进气终了时缸内压力低于大气压气阻力,进气终了时缸内压力低于大气压力,约为力,约为0.0750.09MPa;由于气缸内的可由于气缸内的可燃混合气受上一循环残余废气和高温零件燃混合气受上一循环残余废气和高温零件的加热,进气终了时缸内气体温度上升到的加热,进气终了时缸内气体温度上升到370400K。(a)进气行程进气行程1、四冲程汽油机的工作循环、四冲程汽油机的工作循环(四)四冲程发动机的工作循环:(四)四冲程发动机的工作循环:四冲程发动机四冲程发动机的工作循环需要经过的工作循环需要经过进气进气、
15、压缩压缩、膨胀(作功)膨胀(作功)、排气排气四个过程,对应活塞上下四个行程,相应的曲轴转角旋转四个过程,对应活塞上下四个行程,相应的曲轴转角旋转720(两周)(两周)。压缩终了时,可燃混合气的压力、压缩终了时,可燃混合气的压力、温度取决于压缩比的大小。温度取决于压缩比的大小。愈大,愈大,压缩终了时的可燃混合气的压力、温压缩终了时的可燃混合气的压力、温度愈高,燃烧速度愈快,发动机发出度愈高,燃烧速度愈快,发动机发出功率愈大,经济性愈好,但汽油机的功率愈大,经济性愈好,但汽油机的压缩比过高压缩比过高会引起会引起爆燃爆燃和和表面点火表面点火等等不正常的燃烧现象,一般在不正常的燃烧现象,一般在69之间
16、之间,现代轿车汽油机的现代轿车汽油机的 在在911之间之间。(b)压缩行程压缩行程(2)压缩行程压缩行程(180360 CA):):为了使可燃混合气能迅速燃烧,为了使可燃混合气能迅速燃烧,使发动机发出更大功率,燃烧前必须使发动机发出更大功率,燃烧前必须将可燃混合气压缩,使其容积缩小,将可燃混合气压缩,使其容积缩小,密度加大,温度升高。此时,密度加大,温度升高。此时,进、排进、排气门均关闭气门均关闭,活塞从下止点向上止点,活塞从下止点向上止点移动,曲轴旋转移动,曲轴旋转180 CA。(a)爆燃:爆燃:由于压缩比过高导致压缩终了时气体压力和温度过高,在由于压缩比过高导致压缩终了时气体压力和温度过高
17、,在火花塞点火之后火花塞点火之后燃烧室内离点燃中心较远处的燃烧室内离点燃中心较远处的末端末端可燃混合气可燃混合气自燃自燃而造成的一种不正常燃烧现象,称为爆燃。而造成的一种不正常燃烧现象,称为爆燃。爆燃现象爆燃现象:爆燃时,火焰以极高的速率传播,温度和压力急剧升高,爆燃时,火焰以极高的速率传播,温度和压力急剧升高,形成压力波,以声速推进,当这种压力波撞击燃烧室壁时就发形成压力波,以声速推进,当这种压力波撞击燃烧室壁时就发出出尖锐的敲缸声尖锐的敲缸声。同时还会引起。同时还会引起发动机过热发动机过热、功率下降功率下降、燃油燃油消耗率增加消耗率增加等一系列不良后果,严重爆燃时甚至造成等一系列不良后果,
18、严重爆燃时甚至造成排气门烧排气门烧废废、轴瓦破裂轴瓦破裂、活塞顶熔穿活塞顶熔穿、火花塞绝缘体被击穿火花塞绝缘体被击穿等机件损坏等机件损坏现象。现象。(b)表面点火表面点火:在在火花塞点火之前火花塞点火之前,由于燃烧室内灼热表面(如排气门头由于燃烧室内灼热表面(如排气门头部、火花塞电极处、积碳处)点燃可燃混合气而产生的另一种部、火花塞电极处、积碳处)点燃可燃混合气而产生的另一种不正常燃烧现象,称为表面点火。不正常燃烧现象,称为表面点火。表面点火表面点火现象现象:表面点火发生时,也伴有强烈的表面点火发生时,也伴有强烈的敲缸声(较沉闷)敲缸声(较沉闷),产生,产生的高压会使发动机机件机械负荷增加,寿
19、命降低。的高压会使发动机机件机械负荷增加,寿命降低。(c)汽油机压缩比的选择:汽油机压缩比的选择:应在避免引起应在避免引起爆燃爆燃和和表面点火表面点火的前提下的前提下尽可能提高压缩比尽可能提高压缩比,以提高发动机以提高发动机功率功率,改善,改善燃油经济性燃油经济性。进、排气门仍关闭进、排气门仍关闭。当压缩行程接近。当压缩行程接近终了时,火花塞发出电火花,点燃被压终了时,火花塞发出电火花,点燃被压缩的可燃混合气,放出大量的热能,使缩的可燃混合气,放出大量的热能,使气缸内的压力和温度迅速增加,所能达气缸内的压力和温度迅速增加,所能达到的最大压力到的最大压力PZ约为约为35MPa,相应温相应温度为度
20、为22002800K。.(3)作功(膨胀)行程)作功(膨胀)行程:(360540 CA)高温、高压燃气推动活塞从上止点向下高温、高压燃气推动活塞从上止点向下止点移动,通过连杆使曲轴旋转并通过飞止点移动,通过连杆使曲轴旋转并通过飞轮输出机械能,除了一部分用于维持发动轮输出机械能,除了一部分用于维持发动机继续运转外,其余大部分机械能用于对机继续运转外,其余大部分机械能用于对外作功,期间曲轴旋转外作功,期间曲轴旋转180 CA,膨胀终膨胀终了时,压力降至了时,压力降至0.30.5MPa,相应温度则相应温度则降为降为13001600K。(d)排气行程排气行程(4)排气行程()排气行程(540720 C
21、A):):当膨胀接近终了时,排气门打开,当膨胀接近终了时,排气门打开,靠废气的压力进行靠废气的压力进行自由排气自由排气(排气(排气门开启时废气压力与大气压力之比门开启时废气压力与大气压力之比大于临界压力比),大部分废气自大于临界压力比),大部分废气自行排出。活塞到达下止点后再向上行排出。活塞到达下止点后再向上止点移动,继续将废气止点移动,继续将废气强制强制排到大排到大气中,排气终了时缸内压力稍大于气中,排气终了时缸内压力稍大于大气压力(排气阻力存在),约为大气压力(排气阻力存在),约为0.1050.115MPa,废气温度约为废气温度约为9001200K。由于燃烧室占有一定容积,因此在排由于燃烧
22、室占有一定容积,因此在排气终了时(上止点),不可能将废气排气终了时(上止点),不可能将废气排尽,留下的这一部分废气称为尽,留下的这一部分废气称为残余废气。残余废气。柴油的粘度比汽油大柴油的粘度比汽油大,不易蒸发不易蒸发,不可能用气缸外部的化油,不可能用气缸外部的化油器进行雾化,因此不可能采用气缸外部形成可燃混合气的方法,器进行雾化,因此不可能采用气缸外部形成可燃混合气的方法,唯有在高温、高压的气缸内采用高压喷射才能将柴油在很短的时唯有在高温、高压的气缸内采用高压喷射才能将柴油在很短的时间内完全雾化。间内完全雾化。柴油机压缩比较高柴油机压缩比较高(一般为(一般为16162222),所以压缩终了时
23、的压),所以压缩终了时的压力可达力可达3.53.54.54.5MPaMPa,温度高达温度高达75075010001000K K,大大超过柴油的大大超过柴油的 自燃温度,故柴油高压(自燃温度,故柴油高压(1010MPaMPa以上以上)喷入气缸后,在很短时间)喷入气缸后,在很短时间内与空气混合后便自行着火燃烧,最大爆发压力可达内与空气混合后便自行着火燃烧,最大爆发压力可达6 69 9MPaMPa,最高燃气温度可达最高燃气温度可达2000200025002500K K。四冲程柴油机每个工作循环也经历四冲程柴油机每个工作循环也经历进气进气、压缩压缩、作功作功、排气排气四个行程,相应地曲轴旋转了四个行程
24、,相应地曲轴旋转了两周两周。柴油的自燃温度比汽油低柴油的自燃温度比汽油低,因此,可燃混合气的着火方式可采,因此,可燃混合气的着火方式可采用用自燃自燃(压燃压燃)方式,与汽油机的)方式,与汽油机的点燃方式点燃方式不同(否则会产生爆不同(否则会产生爆炸性燃烧,使柴油机工作粗暴)。炸性燃烧,使柴油机工作粗暴)。图中喷油泵图中喷油泵2凸轮轴一端的传动齿轮由曲轴正时齿轮经过中间凸轮轴一端的传动齿轮由曲轴正时齿轮经过中间齿轮驱动旋转,泵油机构产生高压燃油,经过高压油管进入气缸盖齿轮驱动旋转,泵油机构产生高压燃油,经过高压油管进入气缸盖上的喷油器上的喷油器1,在压缩终了附近,由伸入气缸内的喷油嘴头部喷孔,在
25、压缩终了附近,由伸入气缸内的喷油嘴头部喷孔喷入雾化良好的燃油,在燃烧室内与空气混合成可燃混合气后喷入雾化良好的燃油,在燃烧室内与空气混合成可燃混合气后自燃自燃。喷油泵凸轮轴的转速是曲轴转速的喷油泵凸轮轴的转速是曲轴转速的12。(一)柴油机压缩比的选择依据(一)柴油机压缩比的选择依据 柴油机压缩比远较汽油机的压缩比高,这是因为柴油机采柴油机压缩比远较汽油机的压缩比高,这是因为柴油机采用压燃的着火方式,为了保证发动机良好的冷起动性能,压缩用压燃的着火方式,为了保证发动机良好的冷起动性能,压缩比远较汽油机的高。比远较汽油机的高。柴油机压缩比应在保证良好的冷起动性能前提下尽可能低柴油机压缩比应在保证良
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