发动机构造与工作原理

图1．1．2　丰田4E-FE型四气门汽油喷射式发动机横剖图

图1．1．3　宝马汽车汽油机纵剖面

图1．1．4　大众汽车发动机

（3）燃料供给系

汽油机燃料供给系和柴油机燃料供给系由于使用燃料和燃烧过程不同，在结构上有很大区别。汽油燃料供给系又分化油器式和燃油直接喷射式两种。汽油机燃料供给系的作用是不断输送清洁的汽油和空气，根据发动机不同的工况要求，形成一定数量和浓度的可燃混合气，送入汽缸进行燃烧，并将废气排出发动机。

（4）冷却系

冷却系有水冷式和风冷式两种，现代汽车发动机一般都采用水冷式。水冷式冷却系由水泵、散热器、风扇、分水管、节温器和水套（在机体内）等组成，其作用是利用冷却液的流动来冷却高温零件，并通过散热器将热量散发到大气中去，从而保证发动机在正常温度状态下工作。

（5）润滑系

润滑系由机油泵、润滑油道、集滤器、机油滤清器、限压阀、油底壳等组成。其作用是将润滑油分别送至各个摩擦零件的摩擦面，以减小摩擦力，减缓机件磨损，并清洗、冷却或者密封摩擦表面，从而延长发动机的使用寿命。

（6）点火系

汽油机是点燃式发动机，它要求在压缩行程接近终了前准时、可靠地点燃可燃混合气。而现代发动机转速高、负荷变化大、压缩比增加，排放要求严格，这就给汽油的可靠点燃带来了新的困难。因此，现代汽车发动机普遍采用电子点火系统，并结合废气再循环与稀薄燃烧技术，使发动机在各种复杂工况下都能以最佳点火提前角准时点火。

（7）启动系

发动机是靠外力驱动才开始工作的。启动系的作用就是按照发动机的要求，提供一定的转矩，使发动机达到规定的转速，顺利完成启动过程。启动系由蓄电池、启动机、启动继电器、点火开关、安全开关（有的汽车采用）、低温预热启动装置等组成。

1．1．2　发动机的主要性能指标和特性

一般来说，评价发动机工作性能的指标有指示指标和有效指标。

（1）有效耗油率ge

它是有效经济性指标。它是指发动机每发出1kW的有效功率，在1h内所消耗的燃油克数。

（2）有效转矩Me和有效功率Pe

Me和Pe是有效动力性指标，用来衡量发动机动力性的大小。

（3）发动机的特性

发动机的特性是指发动机的有效性能指标随调整情况和使用工况而变化的关系，通常用曲线来表示它们之间的关系，这条曲线被称为特性曲线。

通过对特性曲线的分析，可以评价发动机在不同工况下的动力性、经济性及其他运转性能，为合理选择、有效利用发动机以及评价发动机维修后质量好坏提供依据。这里介绍应用较多的发动机速度特性和负荷特性。

发动机速度特性是指节气门开度（或喷油泵供油拉杆位置）一定的条件下，发动机的有效功率Pe、有效转矩Me、有效耗油率ge随发动机转速变化的规律。节气门开度最大时（或喷油泵供油拉杆在标定功率的循环供油量位置时）测得的速度特性，称为外特性；部分开度时（或喷油泵供油拉杆所处位置供油量小于标定功率的循环供油量位置时）测得的速度特性，称为部分特性。

汽油机外特性曲线分析如图1．1．5所示。

图1．1．5　BJ492汽油机外特性

发动机外特性曲线分析如图1．1．6所示。

图1．1．6　发动机转速、功率、扭矩图

发动机负荷特性是指在发动机转速一定时，逐渐改变节气门开度（或改变喷油泵供油拉杆位置），发动机每小时耗油量GT、有效耗油率ge、随有效功率Pe（或有效转矩Me）变化而变化的关系。负荷特性可用来评定不同转速及不同负荷下发动机的经济性。

1．1．3　识读发动机型号

（1）发动机型号的意义

发动机型号由4部分组成，各部分所代表的意义见表1．1．1。常见国产发动机型号及意义见表1．1．2。

表1．1．1　发动机型号的意义

（2）常见国产发动机型号及其意义

表1．1．2　常见国产发动机型号及其意义

1．1．4　发动机排放与控制

通常，汽车发动机排放物主要是指从废气中排出的CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）、NOx（氮氧化物）和PM（微粒、碳烟）等有害气体。它们都是发动机在燃烧做功过程中产生的有害气体。这些有害物质对人与环境造成极大的危害。随着全球气候变暖以及我国许多地区雾霾天气的日益严重，人们开始重视汽车尾气排放的控制，以保护环境。

目前，世界各国及各个汽车厂家都在不断改进发动机及其燃料，以提高发动机的燃烧效率，减少汽车尾气对大气的污染。而提高汽车尾气排放标准就是一个强制性的方法。欧洲与美国在20世纪90年代制定了汽车尾气排放的强制标准。我国的强制国家标准基本参照欧洲标准执行。2014年1月1日起我国开始供应符合国四排放标准的汽油，严格执行国四排放标准，计划在2018年执行国六排放标准。当然，新能源汽车的发展是未来汽车发动机的希望与方向，而汽车尾气零排放与废旧汽车的回收利用则是未来汽车发展的最终目标。

【任务实施】

（1）准备工作

1）工具设备和材料

课件、发动机及翻转架、组合工具、工具车、零件摆放台、机油滤清器拆装钳、计算机等上网设备。

2）安全防护用品

标准作业装。

（2）信息收集

发动机型号：____________，发动机编号：____________。

（3）各小组拆卸并观察发动机外部识别发动机主要零件，并完成表1．1．3的填写。

表1．1．3　发动机主要零件识别

（4）各小组成员通过交流，完成表1．1．4的填写。

表1．1．4　国产发动机型号及其意义

（5）各小组成员通过教室上网设备，查阅各种品牌汽车发动机，比较其特点，各派一名代表上台叙述。

【任务检测】

一、填空题

1．汽车上使用的发动机大多数为____________式内燃机。它是将燃料的____________转变为机械能的动力装置。

2．汽油机通常由_______________机构、_______________机构和燃料供给、_________、_________、_________、_________五大系统组成。

3．在内燃机工作的过程中，膨胀过程是主要过程，它将燃料的_________转变为_________，并通过_________输出动力。

4．发动机的动力性指标主要有__________________、__________________和__________________等；经济性指标主要有__________________。

5．曲柄连杆机构由_________、_________和_________三部分组成，其作用是将燃料燃烧所产生的_________，经机构由活塞的直线往复运动转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。

6．配气机构的作用是使新鲜气体及时充入_________，并使燃烧产生的_________及时排出汽缸。

7．冷却系的作用是利用冷却水冷却高温零件，并通过_________将热量散发到大气中去，从而保证发动机在_________温度状态工作。

8．评价发动机工作性能的指标有_________和_________。

9．绿色汽车要求改进汽车_________、废旧汽车能够_________、实现汽车尾气_________。

二、判断题

1．发动机是汽车的心脏，也是汽车行驶的动力来源。（　　）

2．内燃机是利用燃料对某一工质加热或者冷却，利用该工质吸收热量产生的高温、高压推动机械装置做功。（　　）

3．汽油机通常由曲柄连杆、配气两大机构和燃料供给、润滑、冷却、点火、启动五大系统组成。（　　）

4．润滑系由机油泵、润滑油道、集滤器、机油滤清器、限压阀、油底壳等组成。（　　）

5．点火系的作用是不按一定时刻向汽缸内提供电火花以点燃缸内的可燃混合气体。（　　）

6．柴油机启动系的作用是带动飞轮旋转以获得必要的动能和启动转速，使静止的发动机启动并转入自行运转状态。（　　）

7．发动机单位时间的耗油量越大，燃料经济性越差。（　　）

8．汽车发动机排放物是指从废气中排出的CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）、NOx（氮氧化物）和PM（微粒、碳烟）等有害或者无害气体。（　　）

9．纯电动汽车能够实现汽车尾气零排放。（　　）

【评价与反馈】

【教师评估】

任务1．2　发动机构造与工作原理

【任务目标】

【任务描述】

发动机是汽车的动力源，它是将某种形式的能量（如热能、电能、太阳能光能等）转变为机械能的机器。目前，常用的汽车发动机为往复活塞式内燃机。它具有热效率高、结构紧凑、体积小、质量轻和容易启动等优点。

通过本任务的学习，知道汽车发动机的构造、基本术语、作用及工作原理。

【知识准备】

发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。这些机构与装置既相互联系又相互制约，共同完成将燃料燃烧产生的热能转变为机械能的任务。现代汽车发动机结构形式复杂、多样，本节通过单缸四冲程汽油机的结构来认识发动机。

现代汽车发动机主要有汽油机与柴油机两种。如图1．2．1所示为单缸四冲程汽油机示意图，如图1．2．2所示为单缸四冲程汽油机示意图，图1．2．4所示为雪铁龙轿车TU32/K发动机结构图。

图1．2．1　单缸四冲程汽油机的简单结构示意图

图1．2．2　单缸四冲程柴油机的简单结构示意图

图1．2．3　发动机基本术语示意图

图1．2．4　雪铁龙轿车TU32/K发动机结构

1—汽缸下体；2—汽缸上体；3—汽缸套；4—油底壳

1．2．1　发动机的基本术语

如图1．2．3所示为发动机基本术语示意图。

（1）上止点

上止点是指活塞离曲轴回转中心的最远处，即活塞的最高位置。

（2）下止点

下止点是指活塞离曲轴回转中心的最近处，即活塞的最低位置。

（3）曲柄半径（R）

曲柄半径是指与连杆大端相连接的曲柄销的中心线到曲轴回转中心线的距离。显然，曲轴每转一周，活塞移动两个行程，即S＝2R。

（4）活塞行程（S）

活塞行程是指上、下两止点间的距离，单位：mm。活塞由一个止点移到另一个止点运动一次的过程称为行程。

（5）汽缸工作容积（Vh）

汽缸工作容积是指活塞从上止点到下止点所让出空间的容积。其计算公式为：

（6）发动机工作容积（VL）

发动机工作容积是指发动机所有汽缸工作容积的总和，也称发动机的排量。即VL＝Vhi。

（7）燃烧室容积（Vc）

燃烧室容积是指活塞在上止点时，活塞顶上面空间的容积。

（8）汽缸总容积（Va）

汽缸总容积是指活塞在下止点时，活塞顶上面空间的容积。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）

压缩比是指汽缸总容积与燃烧室容积的比值，即ε＝Va/Vc。

1．2．2　四冲程发动机的工作原理

（1）四冲程汽油机工作原理

四冲程汽油机工作原理如图1．2．5所示，它是将空气与汽油经化油器以一定比例混合成良好的混合气，在进气行程被吸入汽缸，经压缩点火燃烧而变为热能，燃烧后所产生的高温高压气体作用于活塞顶部，推动活塞做直线运动；同时，通过连杆、曲轴、飞轮而变为旋转的机械能，对外输出功。汽油机的工作过程可分为进气行程、压缩行程、做功行程、排气行程，即往复活塞式四冲程内燃机。各个行程的具体工作情况如下：

图1．2．5　单缸四冲程汽油机工作循环示意图

1）进气行程

在进气行程中，进气门开启，排气门关闭，汽缸与化油器相通，活塞由上止点向下止点移动，活塞上方容积增大，使汽缸内产生真空度。可燃混合气被吸入汽缸内，活塞到达下止点时，曲轴转过半周。此时，进气门关闭，进气行程结束。

由于进气道的阻力，进气结束时汽缸内的压力稍低于大气压为70～90kPa。缸内温度为370～400K。

2）压缩行程

进气行程结束后，进气门与排气门同时关闭。曲轴继续旋转，活塞由下止点向上止点移动，活塞上方容积缩小，进入汽缸的可燃混合气被压缩，使其温度、压力升高，活塞到达上止点时压缩行程结束。

压缩行程终了时，混合气温度为600～700K，气压为600～1200kPa。混合气被压缩后压力与温度迅速升高，为燃烧创造了良好的条件。另外，在其他因素影响下，压缩行程接近终了时，会出现爆燃及表面点火的异常燃烧现象。从而影响发动机的正常工作，甚至发生发动机机件损坏的现象。

3）做功（爆发）行程

做功行程开始时，进、排气门同时关闭，当压缩接近终了时，火花塞发出电火花，点燃混合气使其迅速燃烧膨胀，在极短的时间汽缸内温度升高到2200～2800K，压力为3000～5000kPa；高温高压的气体推动活塞下行，并通过连杆使曲轴旋转再由飞轮输出对外做功。

在做功行程中，活塞由上止点向下止点移动，曲轴旋转180°。随着活塞的下移，缸内的温度、压力不断下降，当做功行程终了时，缸内温度为1300～1600K，压力为300～500kPa。

4）排气行程

排气行程开始时，进气门关闭，排气门开启，曲轴旋转使活塞由下止点向上止点移动，把燃烧后的废气挤出汽缸。当排气行程终了时，曲轴共旋转720°，完成一个工作循环。

排气行程终了时，汽缸内还残存有少量的废气，废气的压力也因为排气系统的阻力而稍高于大气压，气压为1050～1150kPa，温度为600～700K。留在缸内的废气对下一进气行程有影响。

总之，四冲程汽油机的工作过程是通过进气、压缩、膨胀做功和废气排出四个行程，完成一个工作循环。然后又是进气，压缩……周而复始，连续不断，这就是四冲程汽油机的工作循环。

（2）四冲程柴油机工作原理

柴油机与汽油机不同的是燃料使用柴油，燃烧方式为压燃式，无化油器和火花塞。柴油机吸入汽缸的是纯净空气，柴油经喷油泵加压后再由喷油器直接喷入汽缸，与压缩后的高温空气混合并进行自燃。喷油泵和喷油器是柴油机燃料供给系中最为重要的部件，单缸四冲程柴油机示意图如图1．2．6所示。

四冲程柴油机工作原理是每个工作循环都经历进气、压缩、做功、排气四个行程。燃料是柴油，其黏度比汽油大，不易蒸发，而自燃温度低，所以点火方式是压燃式。进气和压缩行程中汽缸内的介质都是纯空气，其压缩比要比汽油机高得多（一般为16～22）。压缩行程终了时，汽缸内的空气压力可达3．5～4．5MPa，同时温度大大超过了柴油自燃温度，故柴油喷入汽缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。

总之，柴油机的做功行程的特点是边喷油、边混合、边燃烧。而柴油机的异常燃烧现象是工作粗暴。

图1．2．6　单缸四冲程柴油机工作循环示意图

1．2．3　二冲程发动机的简单工作原理

（1）二冲程汽油机的简单工作原理

二冲程发动机工作循环也包括进气、压缩、做功和排气4个过程，但它是在活塞往复两个行程内完成的。如图1．2．7所示为二冲程汽油机的工作循环图。

图1．2．7　二冲程汽油机的工作循环图

（2）二冲程柴油机的简单工作原理

二冲程柴油机工作循环与汽油机的主要不同之处在于进入汽缸的是纯空气，废气则由专设的排气门排出。带有换气泵的二冲程柴油机的工作循环图如图1．2．8所示。换气泵的作用是将新鲜空气压力提高到0．12～0．14MPa后，经汽缸外部的空气室和汽缸壁上的一圈进气孔进入汽缸内，即产生增压作用。

图1．2．8　带有换气泵的二冲程柴油机工作循环图

【任务实施】

（1）准备工作

1）工具设备和材料

课件、发动机及翻转架、组合工具、工具车、零件摆放台、计算机等上网设备。

2）安全防护用品

标准作业装。

（2）信息收集

发动机型号：____________，发动机编号：____________。

（3）学生以小组为单位，在教师提供的发动机上通过测量与计算，确定发动机基本术语参数，并完成表1．2．1的填写。

表1．2．1　发动机常用基本术语的参数记录表

（4）学生以小组为单位，相互学习、讨论完成下列表格的填写。

1）四冲程汽油机工作原理（见表1．2．2）

表1．2．2　四冲程汽油机工作原理

2）汽油机与柴油机特点的比较（见表1．2．3）

表1．2．3　汽油机与柴油机特点的比较

（5）各小组成员通过教室上网设备，查阅有关汽车发动机参数，各派一名代表上台叙述。

【任务检测】

一、填空题

1．常用的汽车发动机为往复活塞式内燃机。它具有____________、结构紧凑、____________、____________和容易启动等优点。

2．四冲程汽油机的工作循环是由____________、____________、____________和____________四个行程所组成。

3．发动机工作容积是指发动机所有汽缸____________的总和，也称为____________。

4．在进气行程中，进入汽油机汽缸的是____________，而进入柴油机汽缸的则是____________；汽油机混合气的着火方式是____________，而柴油机的着火方式是____________。

5．汽缸总容积是指活塞在下止点时，活塞顶上面空间的容积。它等于汽缸____________与____________之和。

6．二冲程柴油机工作循环与汽油机的主要不同之处是进入汽缸的是纯____________，废气则由专设的____________排出。

7．发动机工作时，活塞在汽缸中作____________运动，它通过____________与曲轴相连，使曲轴做____________运动。

8．在四冲程发动机的每一个工作循环中，曲轴每旋转____________周，进、排气门各开启____________次，活塞在上、下止点往复移动了____________个行程。

9．汽油机的异常燃烧现象有____________、____________；柴油机的____________。

10．柴油机工作时，可燃混合气同时着火自行燃烧，以实现边____________、边____________、边____________的燃烧过程。

二、判断题

1．直列式发动机的曲轴曲柄数等于汽缸数，V形发动机的曲轴曲柄数等于汽缸数的一半。（　　）

2．发动机容积越大，则它产生的功率也越大。（　　）

3．活塞经过四个行程完成一个工作循环的发动机称为四冲程发动机。（　　）

4．活塞行程是曲柄旋转半径的两倍。（　　）

5．上止点是指活塞离曲轴回转中心的最近处，即活塞的最低位置。（　　）

6．四冲程柴油机与四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气四个行程组成。（　　）

7．上止点是指活塞离曲轴回转中心的最远处，即活塞的最高位置。（　　）

8．四冲程柴油机与四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气四个行程组成。可燃混合气的形成和着火方式也相同。（　　）

9．柴油机没有点火系，也叫做自己燃烧的发动机。（　　）10．四冲程发动机工作时，只有一个冲程做功，其他三个冲程消耗能量。（　　）

【评价与反馈】

【教师评估】