第1章-发动机的工作原理及总体构造

§ 1 汽车发动机的工作原理及总体构造

汽车发动机一般为往复活塞式内燃机，包括汽油机和柴油机，大多采用四行程水冷多缸发动机。工作过程有进气、压缩、作功和排气四个行程。发动机由机体、气缸盖、曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统、起动系统等组成。

（本图片来自MTZ） CONTENTS

1.1发动机的类型

1.2发动机的基本机构和术语 1.

2.1基本机构

1.2.2基本术语

1.3发动机的工作过程

1.3.1四行程汽油机工作过程

1.3.2四行程柴油机工作过程

1.3.3多缸发动机和单缸发动机 1.3.4二行程内燃机工作过程

1.4发动机的主要性能指标 1.4.1动力性指标

1.4.2经济性指标

1.5发动机特性

1.5.1速度特性

1.5.2发动机的工况和负荷

1.6发动机的总体构造

1.6.1发动机的总体构造

1.6.2发动机举例

1.6.3发动机参数列表

1.1 发动机的类型

汽车发动机大多为往复活塞式内燃机(Internal Combustion Engine: ICE)，是热机的一种。

图1-1 往复活塞式内燃机

按照不同的分类方法可以把内燃机分成不同的类型：

(1) 按照所用燃料分类

按照所使用燃料的不同可以分为汽油机(Gasoline Engine)和柴油机(Diesel Engine)。汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性好。

二者的着火方式不同，汽油机为点燃式发动机（Spark Ignition Engine），柴油机为压燃式发动机(Compression Ignition Engine)。

(2) 按照行程分类

按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机和二行程内燃机。一个工作循环内曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复(Reciprocating)运动四个行程的内燃机为四行程内燃机；而一个工作循环内曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程的内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。

(3) 按照冷却方式分类

按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机利用在气缸体和气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；而风冷发动机利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，广泛应用于车用发动机。

(4) 按照气缸数目分类

按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机为单缸发动机，有两个以上气缸的发动机为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等。现代车用发动机多采用三缸、四缸、六缸、八缸、十二缸等。

直列四缸自然吸气水冷汽油机V型六缸增压柴油机

图1-2 发动机类型举例

(5) 按照进气系统是否采用增压方式分类

按照进气是否增压可以分为自然吸气(非增压)式发动机和增压式发动机。

1.2发动机的基本结构与术语

1.2.1 基本机构

图1-3四缸汽油机的机构示意图

活塞在气缸内上下往复运动，活塞销穿过活塞和连杆的上端，使活塞和连杆成为铰链式连接。活塞运动时，曲轴绕轴心线旋转。曲轴每转一周，活塞上下各运动一次。

1.2.2 基本术语

图1-4 发动机基本术语

(1) 上止点

活塞在气缸里作往复直线运动时，活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的位置为上止点(Top Dead Center ：TDC)。

(2) 下止点

活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的位置为下止点(Bottom Dead Center ：BDC)。 (3)活塞行程

上、下止点之间的距离为活塞行程(Piston Stroke)。一般用S 表示，对应一个活塞行程，曲轴一般旋转180°。

(4)曲柄半径

曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，一般用R 表示。通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即S=2R 。

(5)气缸工作容积

活塞从上止点运动到下止点所扫过的容积，称为气缸工作容积，又称气缸的排量(Swept Volume or Displacement)，一般用V h 表示：

)(104

62L S D V h ?×?=

π

（1-1）

式中：D －气缸直径(Bore)，单位mm ； S －活塞行程，单位mm 。 (6)燃烧室容积

活塞位于上止点时，活塞顶部与气缸盖之间的容积，称为燃烧室容积(Compression Volume) 或间隙容积(Clearance Volume)，一般用V c 表示。

(7)气缸总容积

活塞位于下止点时，活塞顶部与气缸盖之间的容积，称为气缸总容积(Cylinder Capacity)，一般用V a 表示。气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和，即V a ＝V c ＋V h 。

(8)发动机排量

多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机排量。一般用V L 表示：

i V V h L ×= (1-2)

式中：V h －气缸工作容积； i －气缸数目。 (9)压缩比

气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比(Compression Ration)，一般用ε表示。

c

h c c h c a V V V V V V V +=+==

1ε (1-3)

理论上内燃机的压缩比越高，压缩终了时的温度和压力越高，热效率越高，但压缩比的提高又 受到诸多因素的制约。现代汽油机的压缩比为8~11左右，柴油机的压缩比为16~22左右。

1.3发动机的工作过程

1.3.1 四行程汽油机工作过程

发动机气缸中每一次将热能转变为机械功的一系列连续过程为一个工作循环(Operating Cycle)。每个工作循环都包括进气、压缩、作功（燃烧-膨胀）和排气行程。 （1）进气行程

(Intake Stroke)

图1-5汽油机工作过程（a ）进气行程

（2）压缩行程

(Compression Stroke)

图1-5汽油机工作过程（b ）压缩行程

曲轴旋转，活塞从上止点向下止点运动，此时排气门关闭，进气门打开。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，在气缸内产生一定真空度，在外界大气压作用下空气经空气滤清器和进气管道等，通过进气门进入气缸，直至活塞运动到下止点附近。一般汽油机在空气进入气缸前，燃油供给系统向进气管道提供汽油，并与空气形成可燃混合气，经进气管和进气门进入气缸，直喷汽油机由喷嘴将汽油直接喷入气缸。

曲轴继续旋转，活塞由下止点向上止点运动，进、排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。可燃混合气压力可达0.6～1.2MPa ，温度可达600～700K 。压缩比越大，压缩终了时气缸内的压力和温度越高，燃烧速度越快，发动机功率也越大。 （3）作功行程(Power Stroke)

图1-5汽油机工作过程（c ）作功行程

作功行程包括燃烧和膨胀过程，进、排气门均关闭。当活塞运动到上止点附近时，火花塞产生电火花点燃混合气。汽油机靠火花塞点燃混合气，又称为点燃式发动机。可燃混合气燃烧后放出大量的热，使气缸内气体温度和压力急剧升高，压力可达5～7MPa 左右，温度达2500K 左右。高温高压气体推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出动力，维持发动机本身运转，并对外作功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，作功行程结束，气体压力降低到0.3MPa 左右，温度降低至1300K 左右。

（4）排气行程

(Exhaust Stroke)

图1-5汽油机工作过程（d ）排气行程

当作功行程接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，活塞到达下止点后向上止点运动，燃烧后的废气在自身压力和活塞的推动下经排气门排出，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。由于燃烧室容积的存在，不可能将废气全部排出气缸。受排气阻力的影响，排气终了时，气体压力仍高于大气压力，约为0.105～0.115MPa ，温度约900～1200K 。 汽油机工作时，在气缸中不断周而复始地进行着上述过程。工作循环内曲轴旋转两周，活塞经历四个行程。

1.3.2 四行程柴油机工作过程

四行程柴油机每个工作循环也包括进气、压缩、作功和排气四个行程，由于柴油黏度大，不易蒸发，自燃温度低，故可燃混合气的形成，着火方式，燃烧过程以及气体温度、压力的变化都和汽油机有所不同。

进气行程 压缩行程 喷油

作功行程 排气行程

图1-6 四行程柴油机工作原理

四行程柴油机在进气行程中吸入气缸的是新鲜纯空气而不是可燃混合气，在进气通道中没有节气门或喉管等，进气阻力小。

压缩行程压缩的是纯空气，也包括部分上一循环的残余废气，在压缩行程接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，柴油和空气在气缸内形成可燃混合气并着火燃烧。柴油机的压缩比较大，一般为16～22，压缩终了时气体温度和压力也比汽油机高，超过了柴油的自燃温度。压缩终了时，气体压力约为3.5～4.5MPa，气体温度约为750～1000K。柴油机是压缩后自燃着火的，不需要点火。

与汽油机相比，柴油机的压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，一般柴油价格较低，因此柴油机的燃油经济性能好。现代先进柴油机的排气污染少，排放性能好，且传统柴油机转速低、质量大、噪声大、振动大等缺点也得到了克服。但先进柴油机的制造费用高。

1.3.3 多缸发动机和单缸发动机

现代汽车发动机都是采用多缸四行程发动机，每一个气缸都要经过进气、压缩、作功和排气四个行程。四个行程中只有一个行程作功，其余三个行程不作功，即曲轴转两圈，每个气缸只有半圈做功，所以单缸发动机的运转不平稳，功率越大，平稳性就越差。因此，单缸机通常都装有一个较大的飞轮用来储存作功行程的能量，并利用惯性克服另外三个行程的阻力。而多缸发动机中各缸的作功行程是错开的，按照工作顺序作功，即曲轴旋转两圈内各气缸交替作功，运转相对平稳，且振动小。缸数越多，作功间隔角越小，同时参与作功的气缸越多，发动机运转越平稳。

1.3.4 二行程内燃机工作过程

二行程(Two Stroke)内燃机的工作循环是在两个活塞行程即曲轴旋转一周的时间内完成的。对于传统二行程汽油机，当活塞还处于下止点时，进气孔被活塞关闭，排气孔和扫气孔开启。这时曲轴箱内的可燃混合气经扫气孔进入气缸，清除其中的废气。随着活塞向上止点运动，活塞头部首先将扫气孔关闭，扫气终止。此时排气孔尚未关闭，仍有部分废气经排气孔排出，当活塞将排气孔关闭之后，气缸内的可燃混合气开始被压缩，直至活塞到达上止点，压缩过程结束。压缩过程中活塞上行到一定位置，进气孔打开，新鲜空气或可燃混合气进入曲轴箱。在压缩终了时，火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃，燃烧气体膨胀作功。此时排气孔和扫气孔均被活塞关闭，进气孔仍然开启。空气和汽油经进气孔继续流入曲轴箱，直至活塞裙部将进气孔关闭为止。随着活塞继续向下止点运动，曲轴箱容积不断缩小，其中的混合气被预压缩。此后，活塞头部先将排气孔开启，膨胀后的燃烧废气经排气孔排出。至此作功过程结束，开始先期排气。随后活塞又将扫气孔开启，经过预压缩的可燃混合气从曲轴箱经扫气孔进入气缸，扫除其中的废气，开始扫气过程，直到下一个活塞行程中扫气孔被关闭时为止。　

图1-7二行程汽油机工作过程

传统二行程汽油机广泛应用于摩托车发动机，虽然具有结构简单、比功率大、运转相对平稳等优点，但由于其油耗和污染大，也逐渐被四行程汽油机所取代。有些二行程汽油机采用电控直接喷射技术，一定程度上降低了油耗和污染物排放。二行程柴油机在船舶等动力机械上有所应用。

1.4发动机的主要性能指标

发动机的性能指标是用来衡量发动机性能的标准，主要有动力性指标，经济性指标和排放性指标等。

1.4.1 动力性指标

动力性指标指发动机通过曲轴对外作功的能力，包括有效转矩、有效功率等。

有效转矩是指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的有效转矩(Torque Output)，即克服摩擦、驱动附件等损失后曲轴对外输出的净转矩，通常用T e 表示，单位N·m 。

有效功率是指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的有效功率(Power Output)，通常用P e 表示，单位为kW 。有效功率同样是曲轴对外输出的净功率。它等于有效转矩和曲轴转速的乘积。发动机的有效功率可以在专用的试验台上用测功器测出有效转矩和曲轴转速后，用如下公式计算：

9550

106023n T n

T P e e e ?=×??

=?π )(kW （1-4） 式中：T e －有效转矩，单位N·m ；n －发动机转速，单位r/min ； 1.4.2 经济性指标

通常用燃油消耗率来评价内燃机的经济性。燃油消耗率(Specific Fuel Consumption)是指单位

有效功的燃油消耗量，即发动机每发出1kW 有效功率在每小时内所消耗的燃油质量，通常用g e 表示，单位为g/kW·h ，计算公式如下 ：

e

T

e P G g 1000=

（1-5） )/(h kW g ?式中：G T －每小时的燃油消耗量，kg/h ；P e －有效功率，kW

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，经济性越好。通常发动机铭牌上给出的有效燃油消耗率g e 为最小值。

1.5 发动机特性

发动机的有效转矩T e ，有效功率P e ，有效耗油率等主要性能指标随其运转工况(负荷、转速)变化的关系称为发动机的特性，随发动机转速变化的关系称为发动机的速度特性，而随负荷变化的关系称为发动机的负荷特性。用曲线来表示这些关系，称为发动机的特性曲线。 1.5.1 速度特性

速度特性可以在发动机试验台上测得，以汽油机为例，当节气门开度保持不变时，用测功器对发动机曲轴施加一定数值的阻力矩。当发动机运转稳定即阻力矩和发动机发出的有效转矩相等时，用转速表测出此时的稳定转速，同时在测功器上测出该转速下的有效转矩T e ，计算出有效功率P e ，另外可测出消耗一定量汽油所经历的时间，换算成每小时耗油量G T ，然后计算出有效燃油消耗率g e 。改变测功器的阻力矩数值，重复上述过程，又可以得出一组n 、T e 、P e 、g e ，这样重复若干次，可以得到一系列的n 、T e 、P e 、g e ，然后根据这些数据，以转速n 为横坐标，以性能指标T e 、P e 、g e 为纵坐标作出三条曲线，即为相对应于该节气门开度的速度特性曲线。

节气门全开时的速度特性为发动机的外特性；节气门部分打开时所测得速度特性称为部分特性。发动机的外特性代表了发动机所具有的最高动力性能。

图1-8 速度特性曲线

1.5.2 发动机的工况和负荷

发动机工作状况（工况）一般用功率与发动机转速来表征，有时也可用负荷与转速来表示。

发动机在某一转速下的负荷就是当时发动机发出的功率与同一转速下所可能发出的最大功率之比，用百分比表示。

曲线I为外特性，曲线II、III为部分速度特性。在n＝3500r/min时，若节气门全开，可得到该转速下可能发出的最大功率45kW。如果只开到II和III的位置，则相同转速下只能发出32kW和20kW的功率。根据以上定义，可求出a、b、c 和d四个工况下的负荷值：　工况a负荷为零(发动机空转工况,No Load)；　

工况b负荷＝20/45×100％＝44.4％；　

工况c负荷＝32/45 ×100％＝71.1％；　

工况d负荷＝45/45×100％＝100％(即发动机全负荷,Full Load)。

图1-9 工况与负荷示意图

负荷和功率的意义不同。如某一转速时全负荷(如d点)，并不表示发动机发出的是最大功率。发动机的最大功率，应当是工况e的功率。又如在工况f下，虽然功率比工况c小，但却是全负荷。即功率大小并不代表负荷的大小。

一般发动机在对外无功率输出的情况下以最低稳定转速运转，此时混合气燃烧后所作的功，只用来克服发动机内部阻力，使发动机保持最低稳定运转转速，即怠速(Idle)。

1.6发动机的总体构造

1.6.1 发动机的总体构造

发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器，随着发动机的用途、类型、生产厂家及所采用技术等不同，结构也千差万别。通常发动机由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、进排气系统、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统、起动系统等组成，随着排放要求的提高，现代汽车发动机都具有复杂的污染物净化与控制系统，汽油机还包括点火系统，增压发动机包括增压装置等。

图1-10 发动机总体构造

1.6.2 发动机举例

图1-11 发动机纵横剖面图

图1-12 发动机机体组件

图1-13 大众V6发动机示意图

图1-14 奥迪FSI直喷汽油机

图1-15 欧宝全铝四缸发动机

图1-16 奔驰V8柴油机

图1-17 大众TSI增压直喷汽油机