汽车工程概论第3章

1、第3章汽车内燃机,3.1概述 3.2内燃机工作原理 3.3汽车内燃机的类型和总体构造 3.4汽车内燃机的主要性能指标 3.5内燃机的曲柄连杆机构 3.6内燃机配气机构和进排气系统 3.7内燃机的燃料供给系统 3.8内燃机的润滑系统 3.9内燃机的冷却系统,3.1概述,3.1.1汽车对驱动单元的要求 1.能量密度高 能量密度含义是指动力机组所能发出的功率与整套机组的体积或重量之比，这是一个重要的相互比较的指标 。 活塞式蒸汽机动力缸并不大，但包括燃料仓与锅炉在内的装置又大又重。活塞式内燃机带油料箱和附件时，其尺寸与重量小得多。所以内燃机替代蒸汽机成为汽车动力的基本形式。,下一页,返回,3.1概述,2.能源供给充足和能源利用率高 汽车消耗大量能源，因此能源供应是否充足十分重要。依赖石油燃料的内燃机面临石油资源有限的巨大威胁，因此必须努力提高能源利用率，或者开辟其他替代燃料。 各种类型的电动汽车获得电能的途径不一样，其原始能量可以是太阳能、热能、核电、水力发电等，因此来源广泛，不依赖石油，是一个优势。但提高能源利用率仍是一个普遍的要求。,上一页,下一页,返回,3.1概述,3.使用安全性高 在

2、汽车行驶过程中，也包括出现意外事故等不测情况时，动力机组的安全性要高。汽油自燃，碰撞时油箱爆炸，高压容器爆炸等均属于此。对于某些场合，这种情况自身不可避免，则应采取良好的安全保障措施。 4.有足够大的自由活动范围 通常用一次加足能量后汽车可以续驶的里程来表达。例如目前内燃机汽车一次加油后续驶里程可以相当大，少则300 km ,多则1 000 km，而且中间加油时间很短 。 电动汽车目前有两个较大难题，一是一次充电续驶里程不够长(目前水平约在100 km )，二是充电一次时间长。人们正在努力提高电动车的自由活动半径。,上一页,下一页,返回,3.1概述,5.有利于保护生态环境符合可持续发展的要求 要用现代环境科学的认识，全面评估汽车的动力系统保护生态环境和社会持续发展的影响。这就是，要从它的被制造，被使用的寿命期直到报废处理的完整周期，全面地评估其自然资源的利用率高低，各个时期产生的对环境污染的大小和损害程度，以及资源再生利用率等。要避免强调某一个两个优点或缺点的片面性。,上一页,下一页,返回,3.1概述,内燃机汽车在使用寿命期内的噪声和有害废气排放是主要的环境污染因素。电动机汽车恰好在这

3、方面具有极大的优势。不过，对电动车制造和报废处理两个阶段中对环境的影响还在研究中，还没有十分明确的结论。 6.制造和使用成本较低 这是成为市场商品的必要条件，其销售和使用费应在顾客可以接受的水平上。,上一页,下一页,返回,3.1概述,3.1.2现实的和未来的汽车动力 从1895年通过公开竞赛内燃机获得优胜取得汽车动力的绝对垄断地位，一百年来内燃机技术又连续不断进步。因此，迄今为止，还没有任何一种其他动力装置能对内燃机的地位提出挑战。 20世纪70年代以来，因为汽车总量猛增到空前的数量(目前世界在用汽车约9亿辆)，因此由汽车内燃机排出的废气对大气环境污染的比重大大上升，汽车内燃机受到巨大的压力，要求其大幅度减少以至完全没有毒性废气排放。另外，石油储量减少，石油供给前景的危机加大，电动汽车因此重新成为研究开发的热点。,上一页,下一页,返回,3.1概述,不过，电动汽车本身还有许多技术难题要攻克，目前还没有对内燃机的权威地位构成真正有力的威胁。内燃机本身则在这个巨大压力下取得新的进展。因此，未来10年乃至20年或者说在世界石油真正临近枯竭之前内燃机作为汽车动力的权威地位还不会改变。随着电动汽车

4、逐渐成熟，将会出现一个剧烈的竞争期。 内燃机的发展有两个主要方向，一个方向是保持传统燃料(汽油、柴油)不变，提高燃料经济性，降低有害废气排放。用内燃机结构精益求精加上现代电子技术精确控制发动机工作过程就是主要措施之一。另一个方向是开发代用燃料，液化石油气、压缩大然气、醇类(甲醇、乙醇)、二甲基醚、氢气等是目前正在深入研究的课题，有些已成为商品。,上一页,下一页,返回,3.1概述,电动汽车有许多形式，太阳能汽车实际上也是电动汽车，太阳能转换为电能之后，通过电动机驱动车轮。蓄电池电动机装置，经过最近20年的再次努力，许多国际一流公司投入大量人力物力，蓄电池电动汽车始终达不到投放市场的目标。2002年以美国通用汽车公司和福特汽车公司为代表，先后宣布放弃蓄电池电动汽车项目。如果没有新的突破，蓄电池电动汽车的历史到2002年就终结了。由此来看，燃料电池一电动机装置是较有前途的驱动形式。 历史上曾有人研究过核能在汽车上的应用前景，结论是否定的。核能还是以固定式发电为宜。除了核动力船泊，陆地移动式装置有许多不安全因素。,上一页,返回,3.2内燃机工作原理,3.2.1概述 燃料在气缸内燃烧产生的热能直

5、接转变为机械能的机器称为内燃机。内燃机有多种类型。一种是活塞式内燃机、一种是燃气轮机，还有喷气式发动机。后两种机型功率十分强大，在高空使用时，外界温度低，有较高效率;在地面附近，因环境气温高，其热效率不高，所以广泛用于飞机上。 活塞式内燃机常见的是往复活塞式内燃机。旋转活塞式内燃机曾经以其独特的优点(无往复运动惯性力、转速可以很高)备受关注。但20世纪70年代石油危机以后，因其能源利用率不够好而受到冷落。本书的“发动机”“内燃机”都仅指往复活塞式内燃机。,下一页,返回,3.2内燃机工作原理,按照工作过程的基本原理，活塞式内燃机分为外源点火式内燃机和压缩自燃式内燃机。点燃式内燃机通常燃用汽油，所以俗称汽油机。用大然气、液化石油气、二甲基醚、醇类、氢气工作时，也是外源点火，属于同一类型。 压燃式内燃机燃用柴油，因此俗称柴油机。柴油机的压缩比大，缸内压力很高，因此机器结实，重量大。过去主要用于大型动力和卡车。近年柴油机小型化和高速化进展很快，而且因其很高的燃料经济性，已被部分轿车作为动力。,上一页,下一页,返回,3.2内燃机工作原理,不论是汽油机或柴油机，在工作循环的组织上都可用两种方法。一

6、种是曲轴两转完成一个工作循环，叫做四冲程内燃机。另一种是曲轴一转，活塞上下各一次完成一个工作循环，叫二冲程循环。还有人提出其他形式的工作循环，因尚未成熟而未广泛使用。 活塞在气缸内上下运动(图3-1)。活塞在最高位置处称为上止点，在最低位置处称为下止点。上、下止点的距离S称为活塞冲程。活塞每进行一个冲程，曲轴转180。活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为气缸工作容积Vh。各缸工作容积的总和，称为发动机排量VL。燃烧室容积Vc是指活塞在上止点时，其上部所留的空间。气缸总容积Va是指燃烧室容积Vc与工作容积Vh之和。压缩比是气缸总容积Va与燃烧室容积Vc之比。,上一页,下一页,返回,3.2内燃机工作原理,气缸工作容积Vh和发动机排量VL的计算公式: 式中，D为气缸直径，mm。 S为活塞冲程，mm，i为气缸数。 例如:东风EQ1090F汽车发动机的气缸直径为100 mm，活塞冲程为115 mm，则：,上一页,下一页,返回,3.2内燃机工作原理,VL正是汽车使用说明书上告诉我们的发动机排量。显然，发动机排量越大，每个工作循环吸进气缸的可燃混合气(或纯空气)越多，能够产生更大的动力。 压缩比的计

7、算公式: 式中，Va为气缸总容积:Va= Vc+ Vh; Vc为燃烧室容积; Vh为气缸工作容积,上一页,下一页,返回,3.2内燃机工作原理,3.2.2四冲程汽油机工作原理 汽油机和柴油机都可按四冲程循环工作。四冲程汽油机工作原理见图3 -2。 1.进气冲程 活塞被曲轴带动由上止点向下止点移动(曲轴旋转180 )，气缸内的气压降低，空吸力。此时进气门开启，排气门关闭，汽油与空气混合气被吸入气缸。 2.压缩冲程 随着曲轴转动，活塞由下止点向上止点移动(曲轴旋转180 )。与此同时，进、均关闭，活塞压缩可燃混合气，使其温度和压力同时升高。,上一页,下一页,返回,3.2内燃机工作原理,3.做功冲程 当压缩冲程终了活塞接近上止点时，火花塞产生电火花点燃混合气。气缸中燃料燃烧放出热能，压力和温度急剧上升，气体受热膨胀，推动活塞从上止点移动到下止点(曲轴旋转180 )，对外做功。在此冲程中进、排气门均保持关闭。 4.排气冲程 在曲轴飞轮系统惯性力的作用下，活塞又从下止点向上止点移动(曲轴旋转1800 )。此时进气门关闭，排气门开启，燃烧过的废气，被活塞挤出气缸之外。,上一页,下一页,返回,3.2内

8、燃机工作原理,3.2.3四冲程柴油机工作原理 四冲程柴油机和汽油机一样，每个工作循环活塞也经过四个冲程。由于柴油机所用燃料是柴油，其特点是钻度比汽油大且不易蒸发，但柴油的自燃温度比汽油低。因此，进气冲程吸入的充量为纯空气，压缩冲程接近上止点时，柴油要经喷油泵把燃油压力提高到10 MPa以上，然后经喷油器以油雾形式直接喷入气缸，与高温空气混合并自燃，经过做功冲程后，废气被排出气缸，完成一个工作循环(图3-3) 。,上一页,返回,3.3汽车内燃机的类型与总体构造,3.3.1汽车内燃机的类型 往复活塞式内燃机可以按照不同特征进行分类。 按完成一个工作循环所需要的冲程数，可分为四冲程发动机和二冲程发动机。 按发火方式的不同，可分为点燃式发动机和压燃式发动机。燃料的着火特征决定采用何种发火方式。以汽油为代表，包括压缩大然气、液化石油气、醇类、二甲基醚、氢气需要用电火花点燃，所以它们都采用外部电源点火方式。以柴油为代表的燃料具有在高温气体中自燃的特性，因此用压燃式。一些多种燃料发动机也采用压燃式。,下一页,返回,3.3汽车内燃机的类型与总体构造,按所用燃料的不同，可以分为柴油机、汽油机，液化石油气

9、、大然气、酒精机，煤气机和多种燃料发动机等。 内燃机气缸排列很自由，有很多成功的方式。但在汽车上主要用单列式、双列式。单列式可以是直立式、卧式也可斜置;而双列式也有V形和对置之分，分别如图3-4所示。多列式内燃机一般不用于汽车。 按气缸数目分为单缸机和多缸机。我们知道四冲程发动机一个工作循环的四个活塞冲程中，只有一个冲程在做功，其余三个冲程为做功做准备，因此单缸机在做功冲程时曲轴转得快，发动机的转速不稳定。另外，单缸机平衡性差，输出功率小，汽车上很少采用单缸机。轿车上使用最多的为四缸机和六缸机，高级轿车也有用V-6, V-8的。,上一页,下一页,返回,3.3汽车内燃机的类型与总体构造,按冷却方式分为水冷和风冷两种，大部分车用发动机采用水冷却方式。摩托车发动机一般采用风冷却方式。 按吸气状态分为自然吸气式和增压式两种。自然吸气式即为吸入气缸的空气直接来自大气。而增压式发动机是先压缩大气，提高密度后，再吸入气缸。车用柴油机常用废气涡轮增压方式，这种装置的最大优点是回收废气能量的一部分，增加发动机的动力性和经济性。废气涡轮增压器原理见图3 -5所示。来自排气管的废气气流冲击涡轮，使涡轮高速旋转，最后排入大气。与涡轮同轴的压气机叶轮也以相同的转速转动，使吸入的空气压力增高，从而增加充其量。,上一页,下一页,返回,3.3汽车内燃机的类型与总体构造,3.3.2汽车内燃机的总体构造 发动机工作原理中提到的曲柄连杆机构，只说明了将热能如何转化为机械能的过程。要完成这种能量转化的任务并对发动机的工作进行有效的控制，还必须具有若干必要的配套机构。各种发动机具体构造可能不同，但它们的主要结构是大体相同的。一台完善的汽油发动机必须包括两大机构和五个系统见图3-6。,上一页,返回,3.4汽车内燃机的主要性能指标,发动机的主要性能指标有动力性和经济性指标。 1.发动机转速 汽车内燃机可以在很大转速范围内工作，从最低工作转速到最高转速。当发动机转速提高时，单位时间内完成的工作循环次数增多，因此发动机的动力会随之增大。在说明发动机的动力大小时，要标明产生此动力时曲轴的对应转速。,下一页,返回,3.4汽车内燃机的主要性能指标,2.发动机的有效转矩 发动机通过飞轮对外输出的转矩称为有效转矩Te，单位为“牛顿米(N .m)“。发动机发出的动力，通过发动机的飞轮、底盘的传动系，传给汽车的驱动车轮

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