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第一章发动机

第一节发动机基本知识

1-1.什么是汽车发动机？

发动机是将其他形式的能量转变为机械能的一种机械装置。汽车所采用的发动机是内燃机。内燃机是燃料在发动机内部燃烧的一种热力机。内燃机每实现一次热功转换，都要经历一系列连续的工作流程，构成一个工作循环，否则就不能实现热功的转换。现代发动机的设计和制造技术使它可以满足大众对汽车性能和环境保护的要求，是汽车的“心脏”。

1-2.汽车由哪几部分组成？

现代汽车是由发动机、底盘、电器设备、车身四部分组成，如图1-1所示。

1-3.发动机由哪几部分组成？

发动机是一台由多种机构和系统组成的复杂机器。现代汽车发动机的结构形式很多，发动机的具体构造也多种多样，但由于其基本工作原理一致，从总体功能来看，其基本结构大同小异，都是由两大机构和五大系统组成，即曲柄连杆机构、配气机构，供给系统、冷却系统、润滑系统、起动系统和点火系统（柴油机没有）。

图1-1 汽车结构图

1-4.汽车的基本行驶原理是什么？

要使汽车行驶，必须具备两个基本行驶条件：驱动条件和附着条件。汽车的驱动力由发动机产生。发动机发出的转矩经由传动系统传到车轮上，力图使车轮旋转。

与此同时，地面对车轮施加一与F0数值相等、方向相反的反作用力Ft，如图1-2所示，Ft就是驱动力。汽车的行驶总阻力∑F包括滚动阻力Ff、空气阻力FW和上坡阻力Fi。

图1-2 驱动力产生的示意图

汽车行驶的过程，是驱动力能否克服各种阻力的交替变化的过程：当Ft＝∑F时，汽车匀速行驶；当Ft＞∑F时，汽车速度增加，同时空气阻力亦随车速的增加而急剧增大，在某个较高速度处达到新的平衡然后匀速行驶；当Ft＜∑F时，汽车减速乃至停驶。这时，如果要维持较高的车速，就需要加大发动机的输出功率或将变速器换入较低的档位以维持较大的驱动力。

1-5.发动机是如何分类的？

1）按使用燃料分：汽油机、柴油机（天然气、液化气）等。

2）按工作循环分：四冲程发动机、二冲程发动机。

3）按气门位置分：顶置气门式发动机、侧置气门式发动机。

4）按气缸排列分：直列式发动机、V形发动机。

5）按气缸数分：单缸发动机、多缸发动机。

6）按进气活塞运动方式分：往复活塞式、旋转活塞式（转子发动机）。

7）按进气状态不同分：增压式发动机、非增压式发动机。

8）按冷却方式不同分：水冷发动机、风冷发动机。

1-6.发动机的动力性能指标有哪些？

汽车发动机动力性指标是表征发动机做功能力大小的指标，一般用有效功率Pe、有效转矩Me、平均有效压力Pme、转速n和活塞平均速度v来表示。

1-7.什么是有效功率？

发动机曲轴所输出的功率，称有效功率Pe（kW）、它是由发动机台架实验测得的数据计算出来的。从理论分析，有效功率Pe等于指示功率Pi与机械损失功率Pm之差。

Pe＝Pi-Pm

1-8.什么是有效转矩？

由发动机曲轴输出的转矩，称为有效转矩Me（N·m）。它与有效功率Pe、发动机转速n（r/min）之间的关系如下：或

1-9.什么是平均有效压力？

发动机单位气缸工作容积输出的有效功，称为平均有效压力Pme（kPa）。有效压力与平均有效压力关系为（τ表示发动机冲程数）或

对于排量（i×Vh）一定的发动机，Me值越大，则单位气缸工作容积输出功率越多，输出转矩越大。Pe值是发动机重要的动力指标之一。

1-10.什么是发动机转速？

发动机转速为发动机曲轴每分钟的回转数，用n表示，单位为r/min。

1-11.发动机的经济性指标有哪些？

发动机的经济性指标包括有效热效率ηe、有效燃油消耗率ge。

1-12.什么是有效热效率？

燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数。循环的有效功与所消耗燃料的热量之比，称为有效热效率ηe。有效热效率越高，发动机的经济性越好。

1-13.什么是有效燃油消耗率？

发动机每输出1kW·h的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，单位为g/（hW·h）。按下列公式计算：ge＝B×103/e（B是发动机在单位时间内的耗油量，kg/h，可由试验测定；Pe是发动机的有效功率，kW）。

1-14.发动机的强化指标有哪些？

强化指标是指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标，一般包括升功率和强化系数等。

1-15.什么是升功率？

在标定工况下，单位发动机排量输出的有效功率称为升功率Pl。升功率大表明每升气缸工作容积发出的有效功率大，发动机的热负荷和机械负荷都高。

1-16.什么是强化系数？

平均有效压力与活塞平均速度的乘积为强化系数。

活塞平均速度是指发动机在标定转速下工作时，活塞往复运动速度的平均值。它与发动机转速的关系为：Gm＝Sn×103/3（Gm为活塞平均速度，m/s；S为活塞行程，mm；n为发动机标定转速，r/min）。

不论是活塞平均速度高，还是平均有效压力大，均使发动机的热负荷和机械负荷增高。因此，强化系数表征了发动机的强化程度。随着发动机技术的不断进步，其强化程度愈来愈高。

1-17.发动机紧凑性指标有哪些？

紧凑性指标是用来表征发动机总体结构紧凑程度的指标，通常用比容积和比质量衡量。

1-18.什么是比容积？

发动机外廓体积与其标定功率的比值称为比容积。

1-19.什么是比质量？

发动机的干质量与其标定功率的比值称为比质量。干质量是指未加注燃油、机油和冷却液的发动机质量。比容积和比质量越小，发动机结构越紧凑。

1-20.发动机的基本术语有哪些？

发动机的基本术语如图1-3所示。

1-21.什么是上止点？

上止点（TDC）是指活塞顶距曲轴旋转中心最远的位置。

1-22.什么是下止点？

下止点（BDC）是指活塞顶距离曲轴旋转中心最近的位置。

1-23.什么是曲柄半径？

曲轴的回转半径R称为曲柄半径，即由曲轴旋转中心到曲柄销中心的距离。

图1-3 发动机基本术语图

1-24.什么叫活塞行程？

活塞行程S是指上、下止点间的距离。显然，曲轴每回转一周，活塞移动两个活塞行程。

1-25.什么是气缸工作容积？

气缸工作容积是指上下止点间所包括的气缸容积，用Vs表示，单位为L。即有：（D为气缸直径，mm；S为活塞行程，mm）。

1-26.什么是燃烧室容积？

燃烧室容积Vc是指活塞在气缸内做往复直线运动，当活塞位于上止点时，活塞顶以上气缸盖底面以下所形成的空间。

1-27.什么是气缸总容积？

气缸工作容积与燃烧室容积之和称为气缸总容积，用Va表示。即：Va＝Vc＋Vs。

1-28.什么是发动机排量？

发动机排量VL是指发动机所有气缸工作容积之和，单位为L。对于多缸发动机即有：VL＝Vsi（i为发动机缸数，Vs为气缸工作容积）。发动机排量是一个非常重要的特征参数，轿车以发动机排量的大小来进行分级：微型，VL≤1.0；普通级，VL＞1.0～1.6；中级，VL＞1.6～2.5；中高级，VL＞2.5～4.0；高级，VL≥4.0。

1-29.什么是压缩比？

压缩比ε是指气缸总容积与燃烧室容积之比。压缩比用来衡量空气或可燃混合气被压缩的程度，它直接影响发动机的热效率。一般汽油机压缩比为7～10（有的轿车可达9～11）；柴油机压缩比较高，为16～22。压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。

1-30.什么是发动机工况？

发动机在某一时刻的运行状况称为工况，以内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机转速。

1-31.什么是发动机负荷率？

内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率，以百分数表示。负荷率通常称负荷。

1-32.什么是发动机工作循环？

发动机完成进气、压缩、做功、排气四个行程，称一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复运动四个行程，曲轴转两周，即每一个行程有180°曲轴转角。

1-33.什么是发动机行程？

活塞由一个止点到另一个止点运动一次的过程，称为发动机行程。

1-34.汽油发动机是如何工作的？

活塞往复四个行程完成一个循环的发动机称为四冲程发动机。每个循环由进气、压缩、做功、排气四个行程组成。

（1）进气行程活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时排气门关闭，进气门开启。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度。空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气，如图1-4a所示。

图1-4 四冲程汽油机工作原理

（2）压缩行程进气行程结束后，曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点，如图1-4b所示。压缩行程有利于混合气的迅速燃烧并可提高内燃机的有效热效率。一般压缩比为ε＝7～10，ε太大容易发生不正常燃烧。

（3）做功行程压缩行程结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生火花，将气缸内的可燃混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴转动。这时，进排气门仍旧关闭，如图1-4c所示。

（4）排气行程排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点，此时膨胀过后的燃烧气体或废气在其自身剩余压力和活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭，如图1-4d所示。

1-35.柴油发动机是如何工作的？

图1-5 四冲程柴油机工作循环原理

四冲程柴油机和四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气四个行程组成的。由于所使用燃料的性质不同，柴油机在可燃混合气的形成和着火方式上与汽油机有很大区别，如图1-5所示。

（1）进气行程进气行程不同于汽油机的是进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。

（2）压缩行程压缩行程不同于汽油机的是压缩纯空气。由于柴油机的压缩比大，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）做功行程此行程与汽油机有很大差异。压缩行程终了，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸内的高温、高压空气中，柴油被迅速汽化并与空气形成混合气，由于此时气缸内的空气温度远高于柴油的自燃温度（约500K），柴油混合气便立即自行着火燃烧，且此后一段时间内边喷油边燃烧，气缸内压力和温度急剧升高，推动活塞下行做功。

（4）排气行程此行程与汽油机基本相同。排气行程终了时的气缸压力为0.105～0.125MPa，温度为800～1000K。

1-36.大众直喷发动机如何分层充气？

（1）进气过程如图1-6所示，在分层充气模式时，节气门打开，以减少节流损失。进气歧管翻板工作，封住各进气歧管的下进气道，使空气运动加速。此时气缸处于进气行程，被吸进来的空气以涡流形式通过上部的进气通道加速进入气缸，活塞顶部的特殊形状加剧了气流的涡流效果，如图1-7所示。

图1-6 进气过程

图1-7 空气呈旋转状态进入气缸

（2）喷油过程如图1-8所示，当活塞处于压缩行程时，喷油开始于约上止点前60℃A（曲轴转角），喷油结束于约上止点前45℃A，喷油器喷射的燃油被喷射到活塞的凹坑内。喷油时刻对混合气的形成有很大影响。在到达点火时间之前的很短时间里，喷油器以5～10MPa的压力向火花塞附近喷射燃油，燃油喷射角非常小（平），燃油雾气不与活塞顶部接触。

图1-8 喷油器喷油过程

（3）混合气形成过程如图1-9所示，混合气形成只发生在40°～50°曲轴转角之间。如果曲轴角小于这个范围，则无法点燃混合气；如果曲轴转角大于这个范围，则混合气就变成均质充气了。

图1-9 混合气形成过程

（4）做功燃烧过程如图1-10所示，当混合气形成分层时，即火花塞处混合气较浓，远离火花塞处混合气较稀，火花塞点火，使混合好的气雾点燃做功。混合好的气雾周围的气体起到隔离作用，气缸壁热损耗小，发动机热效率提高。此时节气门不能完全打开，因为必须保持一定的真空（用于活性炭罐装置和废气再循环装置）。发动机产生的转矩可以通过喷油量来调节，进气量和点火角度对于转矩影响很小。

1-37.直喷发动机的均质混合气模式如何充气？