项目一 发动机总体构造与维修安全知识

任务一 发动机总体构造和工作原理

一、发动机的分类

发动机就是将某种能量转化为机械能的机器，现代汽车发动机一般都属于内燃机。内燃机与外燃机相比，具有热效率高、体积小、便于移动、起动性好等优点，因而被广泛应用。

（一）按照使用燃料分类

按使用燃料的不同，汽车发动机可以分为汽油发动机、柴油发动机、CNG发动机、LPG发动机、双燃料发动机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油为燃料的内燃机称为柴油机；另外，还有以液化石油气或天然气为燃料的其他代用燃料发动机。汽油机与柴油机比较各有特点，汽油机转速高，质量小，噪声小，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。如图1-1所示各种汽车发动机。

（二）按照点火方式分类

按照点火方式的不同，汽车用发动机可分为点燃式和压燃式两种。点燃式发动机是利用高压电火花点燃汽缸内的可燃混合气来完成做功的，如汽油机；压燃式发动机是利用高温、高压使汽缸内的可燃混合气自行着火燃烧来完成做功的，如柴油机。

（三）按照行程分类

发动机按照其完成一个工作循环所需的行程数可分为四冲程发动机和二冲程发动机，如图1-2所示。把曲轴转两圈，活塞在汽缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的发动机称为四冲程发动机；而把曲轴转一圈，活塞在汽缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的发动机称为二冲程发动机。汽车发动机广泛使用四冲程发动机。

（四）按照冷却方式分类

发动机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机，如图1-3所示。水冷发动机是利用在汽缸体和汽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汽缸体与汽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。

（五）按照汽缸数目分类

发动机按照汽缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机，如图1-4所示。仅有一个汽缸的发动机称为单缸发动机；有两个或两个以上汽缸的发动机称为多缸发动机，如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸或八缸发动机。

（六）按照汽缸排列方式分类

发动机按照汽缸排列方式不同，可分为直列式发动机、V形发动机、对置式（卧式）发动机和W形发动机，如图1-5所示。将V形发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开（如帕萨特W8的小角度为15°），就成了W形发动机，或者说W形发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形。

（七）按照进气系统是否采用增压方式分类

发动机按照进气系统是否采用增压方式，可以分为自然吸气（非增压）式发动机和强制进气式（增压式）发动机，如图1-6所示。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。

二、发动机的总体构造

发动机是汽车的心脏，现代汽车发动机的基本结构都是相似的。汽油机通常由“两大机构、五大系统”组成，柴油机通常由“两大机构、四大系统”组成。如图1-7所示为一台汽油机解剖图。

（一）曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成，如图1-8所示。在做功行程中，活塞承受燃气压力在汽缸内做直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并通过曲轴对外输出动力，而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。

（二）配气机构

配气机构的作用是根据发动机的工作顺序和工作过程，适时地打开和关闭气门，使可燃混合气或新鲜空气进入汽缸，并使废气从汽缸内排出。配气机构一般由气门组和气门传动组组成，如图1-9所示。

（三）燃料供给系统

汽油机燃料供给系统的作用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气供人汽缸，并将燃烧后的废气从汽缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系统的作用是把柴油和空气分别供人汽缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。发动机燃料供给系统，如图1-10所示。汽油机燃料供给系分化油器式燃油供给系统和汽油喷射式燃油供给系统，柴油机燃料供给系分传统机械式柴油喷射系统和电控柴油喷射系统。

（四）润滑系统

润滑系统的作用是向做相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损，并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系统通常由润滑油道、机油集滤器、机油泵和机油滤清器等组成，如图1-11所示。

（五）冷却系统

冷却系统的作用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，以保证发动机在最适宜的温度状态下工作。冷却系统有水冷式和风冷式两种，水冷发动机的冷却系统通常由冷却水套、水泵、风扇、散热器、膨胀散热器和节温器等组成，如图1-12所示。

（六）点火系统（仅汽油机有）

在汽油机中，汽缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的汽缸盖上装有火花塞，并将火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系统。点火系统的作用是根据发动机的工作需要，及时地点燃汽缸内的混合气。点火系统通常由蓄电池、分电器、点火开关、点火线圈和火花塞等组成，如图1-13所示。

（七）起动系统

要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，汽缸内的可燃混合气燃烧膨胀做功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系统。起动系统主要包括起动机和其他附属装置，如图1-14所示。

三、单缸发动机结构及常用术语

单缸四冲程汽油机的基本结构如图1-15所示，单缸四冲程柴油机的基本结构如图1-16所示。汽缸体内圆柱形腔体称为汽缸，内装有活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。活塞在汽缸内做往复直线运动，通过连杆推动曲轴做旋转运动。在汽缸盖上装有进、排气门，通过凸轮轴控制进、排气门的开启和关闭，实现向汽缸内充入新鲜可燃混合气（汽油机）或纯空气（柴油机），并将燃烧后的废气排出汽缸。

发动机基本术语如图1-17所示。

（1）上止点。上止点是指活塞离曲轴回转中心最远处，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最近处，即活塞的最低位置。

（3）活塞行程（S）。上止点与下止点之间的距离称为活塞行程。

（4）曲柄半径（R）。曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离（即曲轴的回转半径）称为曲柄半径。活塞行程为曲柄半径的两倍，即S=2R。

（5）汽缸工作容积（Vh, L）。活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积称为汽缸工作容积或汽缸排量，即

式中：D-汽缸直径，mm；

S-活塞行程，mm。

（6）燃烧室容积（Ve, L）。活塞在上止点时，活塞顶与汽缸盖之间的容积称为燃烧室容积。

（7）汽缸总容积（Va, L）。活塞在下止点时，活塞顶上方的容积称为汽缸总容积。显然，汽缸总容积是汽缸工作容积与燃烧室容积之和，即

Va=Vc+Vh

式中：Vc—燃烧室容积，L；

Vh—汽缸工作容积，L。

（8）发动机排量（VL, L）。多缸发动机各汽缸工作容积的总和称为发动机排量。即

式中：Vh—汽缸工作容积，L；

i—汽缸数目。

（9）压缩比（ε）。汽缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。

式中：Va—汽缸总容积，L；

Vh—汽缸工作容积，L；

Vc—燃烧室容积，L。

压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时，汽缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时汽缸内气体的压力和温度越高。目前，一般车用汽油机的压缩比为6～11，柴油机的压缩比一般为16～22。

（10）工作循环。在汽缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转变成机械能的一系列连续过程（进气、压缩、做功、排气）称为发动机的一个工作循环。

四、发动机的基本工作原理

（一）四冲程汽油机的工作原理

四冲程汽油机每一个工作循环包括4个活塞行程，即进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程，如图1-18所示。

（1）进气行程。在进气行程中，活塞在曲轴和连杆的带动下由上止点向下止点运行，这时进气门开启、排气门关闭。在活塞由上止点向下止点运动过程中，由于活塞上方汽缸容积逐渐增大，形成一定的真空度。这样，可燃混合气通过进气歧管、进气门被吸入汽缸。当活塞到达下止点时，进气门关闭，停止进气。由于进气系统有阻力，进气终了时，汽缸内的气体压力略低于大气压力，为0.074～0.093MPa。由于汽缸壁、活塞等高温机件及上一循环残留的高温残余废气的加热，气体的温度上升到80～130℃。

（2）压缩行程。活塞在曲轴和连杆的带动下由下止点向上止点运动，此时进、排气门处于关闭状态。由于活塞上方汽缸容积逐渐减小，进入汽缸内的可燃混合气被压缩，温度和压力不断升高，直到活塞到达上止点为止。此时，可燃混合气被压缩到活塞上方的很小空间，即燃烧室中。压缩终了时，可燃混合气压力为0.6～1.5MPa，可燃混合气的温度为330～430℃。

压缩终了时，可燃混合气的压力和温度取决于压缩比。压缩比越大，燃烧速度越快，因而发动机输出的功率便越大，经济性越好。但压缩比过大，不仅不能进一步改善燃烧，反而会出现爆震和表面点火等不正常燃烧现象。

爆震是由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点火中心较远及具有高温处（如排气门头部、火花塞电极和积炭处）可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。爆震时，火焰以极高的速率向外传播，由于燃烧室温度和压力急剧升高，火焰形成压力波，并以声速向外推进。这种压力波撞击燃烧室壁时便发出尖锐的敲击声。爆震还会引起发动机过热、功率下降、工作不稳定、燃油消耗率增加等一系列不良后果。严重时会造成气门烧毁、轴承破裂、火花塞绝缘体击穿等机件损坏现象。

表面点火是由于燃烧室内炽热表面与炽热处（如排气门头部、火花塞绝缘体、零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象。表面点火发生时，会伴有沉闷的金属敲击声音，所产生的高压会使发动机机件负荷增加，活塞和连杆损坏及气门、火花塞、活塞等零件过热，导致发动机寿命降低。

（3）做功行程。当活塞运动到接近压缩行程上止点附近时，火花塞跳火点燃汽缸内的可燃混合气。这时由于进气门和排气门均处于关闭状态，使缸内气体温度和压力同时升高，高温高压的气体膨胀，推动活塞由上止点向下止点运动，并通过连杆带动曲轴旋转输出机械能，直到活塞到达下止点时，做功行程结束。做功行程中，瞬时最高压力可达3～5MPa，瞬时最高温度可达1930～2530℃。做功行程终了时，由于活塞下移，汽缸内容积增加，气体压力和温度都在降低，压力降低到0.3～0.5MPa，温度则降到1030～1330℃。

（4）排气行程。在做功行程结束后，汽缸内的可燃混合气通过燃烧转变为废气。此时排气门开启，进气门处于关闭状态，活塞在曲轴和连杆的带动下由下止点向上止点运动，废气在自身残余压力和活塞的推力作用下从汽缸内经排气门排出，直到活塞到达上止点时，排气行程结束。由于排气系统存在排气阻力，所以在排气终了时，汽缸内压力稍高于大气压力，为0.102～0.120MPa，废气温度为630～930℃。

因燃烧室占有一定容积，故排气终了时，不可能将废气全部排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。

排气行程结束后，进气门再次开启，又开始下一个工作循环。如此周而复始，发动机就连续运转。发动机工作时，需要连续不断地进行循环，在每个循环中都是依次完成进气、压缩、做功、排气4个活塞行程。

（二）四冲程柴油机的工作原理

四冲程柴油机工作原理如图1-19所示。与四冲程汽油机一样，四冲程柴油机每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气4个活塞行程组成。但由于柴油和汽油使用性能的不同，柴油机在可燃混合气的形成方式、着火方式等方面与汽油机有着较大的区别。这里主要介绍四冲程柴油机与四冲程汽油机工作原理的不同之处。

（1）进气行程。柴油机在进气行程中进入汽缸的是纯空气，而不是可燃混合气。

（2）压缩行程。柴油机在压缩行程中压缩的是进气行程进入汽缸内的纯空气。由于柴油机压缩比高，压缩终了时，缸内气体的温度和压力均高于汽油机，汽缸内空气压力可达3.5～4.5MPa，温度可达480～730℃。

（3）做功行程。柴油机做功行程与汽油机有很大区别。在压缩行程接近上止点时，喷油泵泵出的高压柴油（10MPa以上）经喷油器呈雾状喷入汽缸内的高温空气中，柴油迅速吸热、蒸发、扩散，与空气混合形成可燃混合气。由于此时汽缸内的温度远高于柴油的自燃温度（220℃左右），因此形成的可燃混合气自行着火燃烧，并在随后的一段时间内边喷油边混合边燃烧，汽缸内气压急剧上升到6～9MPa，温度也升到1730～2230℃。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而做功。

（4）排气行程。柴油机与汽油机的排气行程基本相同。柴油机与汽油机相比，柴油机压缩比高，燃油消耗率低，故燃油经济性较好，环保性也较好，且柴油机没有电气和点火系的故障。但柴油机转速低、质量大、制造和维修费用高。柴油机的这些缺点逐渐得到克服，其应用越来越广，目前部分轿车也采用柴油机。

（三）工作循环的特点

由上述单缸四冲程汽油机和单缸四冲程柴油机的工作原理可知，四冲程发动机工作循环具有以下特点。

（1）每完成一个工作循环，曲轴旋转2圈（720°）；每一行程，曲轴旋转半圈（180°）。进气行程中，进气门开启、排气门关闭；排气行程中，排气门开启、进气门关闭；其余两个行程，进、排气门均关闭。

（2）在4个活塞行程中，只有做功行程产生动力，其余3个活塞行程则是为做功行程做准备的辅助行程，且要消耗动力。虽然做功行程是主要的，但其他3个行程也是必不可少的。

（3）发动机启动时（第一个工作循环），必须借助外力带动曲轴旋转以完成进气、压缩行程，在混合气着火做功行程开始后，曲轴和飞轮储存的能量使发动机转入正常运转状态。

（四）多缸四冲程发动机的工作原理

在单缸四冲程发动机每个工作循环所经历的4个活塞行程中，只有做功行程为有效行程，其他3个行程为消耗机械能的辅助行程。这样，发动机曲轴在做功行程中的转速快，在其他行程中转速慢。所以一个工作循环中，曲轴的转速是不均匀的。为了保证发动机运转平稳，现代汽车发动机都采用多缸四冲程发动机，应用最多的是四缸、六缸和八缸发动机。

多缸四冲程发动机每个汽缸所经历的工作循环与单缸四冲程发动机相同，但各缸的做功行程并非同时进行，而是按一定顺序进行。因此，对于多缸四冲程发动机来说，曲轴每转两周，各缸分别做功一次，且各缸做功间隔角（以曲轴转角表示）保持一致。对于缸数为i的四冲程直列式发动机而言，做功间隔角为720°/i。汽缸数越多，发动机工作越平稳，但结构也越复杂。

五、发动机主要性能指标

发动机的性能指标是用来衡量发动机性能好坏的标准。发动机的主要性能指标有：动力性能指标、经济性能指标和排放性能指标。

（一）动力性能指标

动力性能指标是指曲轴对外做功能力的指标，包括有效转矩、有效功率和曲轴转速。

（1）有效转矩。指发动机曲轴对外输出的净转矩。通常用Te表示，单位为N·m。

（2）有效功率。指发动机曲轴对外输出的净功率。通常用Pe表示，单位为kW。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积，即

式中：Te—有效转矩，N·m；

n—曲轴转速，r/min。

（3）转速n。指发动机曲轴每分钟的转数，单位为r/min。

（二）经济性能指标

通常用燃油消耗率来评价发动机的经济性能。燃油消耗率是指单位有效功率的燃油消耗量，也就是发动机每发出1kW有效功率在th内所消耗的燃油质量（以g为单位），燃油消耗率通常用g。表示，其单位为g/（kW·h）。很明显，有效燃油消耗率越小，表示发动机曲轴输出净功率所消耗的燃油越少，其经济性越好。

（三）排放性能指标

排放性能指标包括排放烟度、有害气体（CO, HC, NOx）排放量、噪声等。

六、国产内燃机型号编制规则

（一）国产内燃机产品名称和型号编制规则

2008年6月3日中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布了GB/T725-2008《内燃机产品名称和型号编制规则》，内燃机型号由四部分组成，如图1-20所示。

（二）国产内燃机型号实例

1．汽油机

1E65F/P：单缸、二冲程、缸径65mm、风冷、通用型。

492Q/P-A：四缸、直列、四冲程、缸径92mm、冷却液冷却、汽车用（A为区分符号）。

2．柴油机

G12V190ZLD:12缸、V形、四冲程、缸径190mm、冷却液冷却、增压中冷、发电用（G为系列代号）。

Y26102Q：六缸、直列、四冲程、缸径102mm、冷却液冷却、车用（YZ为扬州柴油机厂代号）。

R175A：单缸、四冲程、缸径75mm、冷却液冷却（R为系列代号，A为区分符号）。

8E150C-1∶8缸、直列、二冲程、缸径150mm、冷却液冷却、船用主机、右机基本型（1为区分符号）。

JC12V26/32ZLC:12缸、V形、四冲程、缸径260mm、行程320mm、冷却液冷却、增压中冷、船用主机、右机基本型（JC为济南柴油机股份有限公司代号）。

12VE230/300ZCZ:12缸、V形、二冲程、缸径230mm、行程300mm、冷却液冷却、增压、船用主机、左机基本型。

G8300/380ZDZC:8缸、直列、四冲程、缸径300mm、行程380mm、冷却液冷却、增压、可倒转、船用主机、右机基本型（G为系列代号）。

3．燃气机

12V190ZUT:12缸、V形、四冲程、缸径190mm、冷却液冷却、增压中冷、燃气为天然气。

16V190ZLD/MJ:16缸、V形、四冲程、缸径190mm、冷却液冷却、增压中冷、发电用、燃气为焦炉煤气。

4．双燃料发动机

G12V190ZLS:12缸、V形、缸径190mm、冷却液冷却、增压中冷、燃料为柴油/天然气双燃料（G为系列代号）。

12V26/32ZUSCZ:12缸、V形、缸径260mm、行程320mm、冷却液冷却、增压中冷、燃料为柴油/沼气双燃料。