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浅谈汽油发动机的构造与原理


武汉轻工大学
日常生活中的机械论文

论文题目:浅谈汽油发动机的构造与原理





机械工程学院 机械 倪立锋 130309034

专业名称 学生姓名 学生学号

2013 年 12 月

浅谈汽油发动机的构造与原理

/>摘要
发动机是将某种能量转化为机械能的一种机器。 其作用是将液体或气体燃烧的化学能转 化为热能, 再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力, 不断循环从而带动汽车的轮轴, 形成了汽车的动力来源。本文概括了车用汽油发动机的构造,工作原理及当前的新技术,包 括汽油发动机概述,汽油发动机工作原理及构造,曲柄连杆机构中的机体,汽油发动机新技 术简介。

关键词 :发动机

行程

曲柄连杆机构

稀薄燃烧

一﹑汽油发动机概述
内燃机以热效率高,结构紧凑,机动性强,运行维护简便等优点著称于世。目前内燃机 的拥有量大大超过了其它的热力发动机,占有相当重要的地位。 1876 年德国人奥托第 1 台 4 冲程往复活塞式内燃机,在 1878 年巴黎万国博览会上,被 誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就” 。在前人的研究基础上,1883 年,戴姆勒和迈巴赫 制成了第 1 台 4 冲程往复式汽油发动机。到 19 世纪末,活塞式汽油发动机大体上进入了实 用阶段,在广泛应用中不断得到改善和革新,并且很快显示出了巨大的生命力。在过去 1 世纪里制造出的数以亿忘记的汽车中大多使用 4 冲程汽油发动机, 而 2 冲程汽油发动机在汽 车上则使用很少。 1﹑汽油发动机所需要具有的功能如下。 (1)小型,轻量,高性能。从汽车的使用角度来考虑,汽油发动机要具有使用方便,低 燃料消耗率,和节省资源等特点,因此发动机需要小型和轻量化;而为满足人们舒适性等要 求,需要体现出优越的性能。 (2)低燃料消耗率。汽油是不可再生资源,为缓解能源危机,需要提高汽油发动机的经 济性降低燃料消耗率 (3)高耐久和高可靠性。 (4)低振动,低噪音。为了提高汽车的舒适性,发动机要求振动小,噪音低。 (5)安全性高,低公害。随着汽车的普及,交通事故,环境污染及地球大气的温暖化等 危及人类生存的问题日益严重。为减轻上述问题,汽油发动机要求高安全性,低公害。 2﹑汽油发动机的类型: (1)根据活塞运动方式的不同,汽油发动机可分为往复活塞发动机和旋转式的转子发 动机。 (2)根据燃料的供给方式不同,汽油发动机可分为化油器发动机和汽油喷射发动机。 (3)根据冷却方式不同,活塞式汽油发动机可分为水冷式和风冷式。 (4)往复式活塞汽油发动机根据汽缸数的不同,分为单缸和多缸式。多缸发动机中有 2,3,4,5,6,8,10,12 气缸等,按排列方式分为直列形,V 形,水平对置形等。

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二﹑汽油发动机工作原理及其构造
发动机是汽车的动力发生装置, 汽车发动机按使用的燃料可分为汽油发动机, 柴油发动 机和气体燃料发动机等。 目前汽车上使用较多的是汽油发动机。 汽油发动机是将汽油和空气 在发动机内部混合,燃烧,将产生的热能转变为机械能的一种内燃机,具有结构紧凑,体积 小,质量轻和启动容易等优点。

1﹑往复活塞式发动机的工作原理
对于往复活塞式汽油发动机,每次能量转化都必须经过吸入空气,压缩和输入燃料,使 燃料燃烧而膨胀做功, 最后将生成的废气排出。 这一连续工作过程称为汽油发动机的一种工 作循环。若完成一个循环需要活塞往复 4 个行程(进气,压缩,做功,排气)称为 4 冲程汽 油发动机,完成一次循环需要活塞往复 2 个行程的便称为 2 冲程汽油发动机。

单杠往复活塞式汽油发动机的基本构造如图所示。气缸内装有活塞,活塞通过活塞销, 连杆与曲轴相连。活塞在气缸内作往复运动,通过连杆推动曲轴转动。 气缸的顶端用气缸盖封闭。在气缸盖上装有进气门和排气门,头朝下,尾朝上倒挂在气 缸顶端,分别向气缸内充气,向气缸为排气。进,排气门的开闭由凸轮轴控制,凸轮轴由曲 轴通过齿形带, 齿轮或链条驱动。 进, 排气门和凸轮轴以及其他一些零件共同组成配气机构, 通常称这种结构形式的配气机构为置顶气门配气机构。 现代汽车发动机无一例外的都采用置 顶气门配气机构。构成气缸的零件称作气缸体,支撑曲轴的零件称为曲轴箱,气缸体与曲轴 箱的连铸体称作机体。

2﹑工作行程
4 冲程汽油发动机在一个循环内需要完成进气,压缩,做功,排气 4 个行程,对应活塞 上下往复运动 4 次,相应的曲轴旋转 720 度。4 冲程汽油发动机在一个工作循环里,气缸内 活塞运动如下:

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1,进气行程 如图所示, 活塞在曲轴的带动下由上止点移动至下止点。 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 过进气门进入被吸入气缸,并在气缸内进一步混合形成可燃混合气体。

2,压缩行程 如图所示,进气行程结束后,曲轴机械带动活塞由下止点移至上止点。这时,进,排气 门均关闭。随活塞移动,气缸容积不断减小,气缸内的混合气体被压缩,其压力和温度同时 升高。

3,做功行程 如图所示,压缩行程结束时,安装在气缸盖上的火花塞产生电火花,将气缸内的可燃混 合气体点燃,释放出大量热能。在气体压力的作用下,活塞由上止点移至下止点,并通过连 杆推动曲轴旋转做功。随活塞向下运动,气体压力和温度降低。但活塞到达下止点时,做功 行程结束。这时进,排气门依然关闭。

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4,排气行程 如图所示,排气行程开始。排气门开启,进气门依然关闭,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在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 。

曲轴继续旋转,活塞由上止点向下止点运动,又开始了新循环。4 冲程汽油发动机经过 进气,压缩,做功,排气 4 个行程完成 1 个工作循环,这个期间活塞在上,下止点间做往复 运动,曲轴旋转了 2 周。

三﹑曲柄连杆机构
1﹑曲柄连杆机构概述
曲柄连杆机构的功能是将燃烧产生的热能转变为机械能, 通过连杆将活塞的往复运动变 为曲轴的旋转运动而对外输出动力。曲柄连杆机构由机体组(主要包括气缸体,曲轴箱,油 底壳,汽缸套,汽缸盖和气缸垫等不动件) ,活塞连杆体(主要包括活塞,活塞环,活塞销 和栏杆等运动件)和曲轴飞轮组(主要包括曲轴,飞轮,扭转减震器和平衡轴等机构)3 部 分组成。 曲柄连杆机构在高温,高压,高速以及有化学腐蚀的条件下工作。发动机做功时,气缸 内的最高温度可达 2500K 以上,最高压力可达 5-9MPa 以上。 曲柄连杆机构在高压下做变速运动,主要承受气体压力,往复惯性力,旋转运动件的离 心力以及相对运动件接触表面的摩擦力。

2﹑机体组
汽车发动机机体组主要由机体,气缸盖,汽缸盖罩。汽缸垫,主轴承盖以及油底壳等组 成。 机体组是发动机的支架, 是曲柄连杆机构, 配气机构和发动机各系统主要零部件的装配 基体。汽缸盖用力封闭气缸顶部,并与活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室。另外,汽缸盖和机 体内的水套,油道以及油底壳又分别是冷却系统和润滑系统的组成部分。组成如下图所示:

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1﹑机体的材料: 机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。 随新材料的使用, 轿车发动机上采用铝合金机 体越来越普遍。与灰铸铁机体相比,铝合金机体具有以下优点: (1)铝合金的导热性很好,采用全铝机体可以提高压缩比,有利于提高发动机的功率。 (2)铝合金的散热性能好,可以减少冷却液容量,减少散热器尺寸,使整个发动机轻量 化。 (3)铝合金机体质量轻,有利于前置发动机前轮驱动的轿车前后轮载荷的合理分配。 (4)全铝机体与铝活塞的热膨胀系数相同, 活塞与气缸的间隙可以控制到最小, 从而可 以降低噪声可机油消耗量。 2﹑机体的构造 机体的构造与气缸排列形式,气缸结构形式和曲轴箱结构形式有关。 (1)气缸排列形式有 3 种:直列式,V 型和水平对置式,如图所示

(2)曲轴箱一般采用 3 种结构形式:平底式,龙门式和隧道式如图所示

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四﹑汽车发动机新技术简介
1﹑稀薄燃烧技术
(1)稀薄燃烧技术的概念 汽油发动机以其升功率大,振动小,重量轻,体积小,噪音低等优点成为汽车,摩托车 等交通工具的主要动力, 但是也有排放高, 耗油高 2 大缺点。 为解决汽油发动机这 2 大缺点, 研究出的稀薄燃烧技术由于具有燃油经济性好,CO,HC,CO2 和 NOx 排放低等优点,受到诸多 研究者的重视。 所谓稀薄燃烧, 是指通过提高发动机内混合气的空燃比, 让混合气在空燃比大于理论空 燃比数值(14.7)的状态下燃烧,也称为稀燃技术。稀薄燃烧时,发动机混合气中的汽油含 量低,汽油和空气之比可达 1:25 以上。这样,燃料能完全燃烧,也减少了换气损失,从而 实现在部分负荷时的节能,降低尾气排放。 (2)稀薄燃烧技术在汽油发动机上的技术进步 1)提高压缩比 采用紧凑型燃烧室, 通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动涡流, 提高气流速 度;将火花塞置于燃烧室中央,缩短点火距离;提高压缩比至 13:1 左右,促进燃烧速度加 快。 2)分层燃烧 当混合比到达 25:1 以上,按照常规是无法点燃的,必须采用由浓至稀的分层燃烧方式 通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点燃的浓混合气,混合比到达 12:1 左右,外层 逐渐稀薄。浓混合气点燃后,燃烧迅速波及外层。 3)高能点火 高能点火和宽间隙火花塞有利于火焰中心形成,火焰传播距离缩短,燃烧速度增快,稀 燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来到达上述目的。 (3)稀薄燃烧技术在汽油发动机上的优势 1)对经济性的改善 采用稀薄混合气燃烧时循环热效率提高; 由于稀燃混合气燃烧温度降低, 燃烧产物的离 解损失减小, 降低了与气缸壁面的传热, 也使热效率得以提高。 从而使发动机油耗明显下降。 2)对排放的改善 随着空燃比的增加,由于采用稀的混合气体使燃烧温度降低,NOx 的排放明显减少;燃 烧速度的降低可能会使燃烧不完全,HC 的排放会迅速增加。如果能合理地设计紧凑的燃烧 室,并组织好空气运动,使燃烧在短时间内完成,那么各种气体的排放都可以大大减少。 (4)稀薄燃烧发动机的缺点 根据稀燃发动机运转状态,空燃比连续变化,催化转化器不能净化排放气体中的 NOx, 因为稀薄燃烧中,排放气体中残留很多氧气,不能进行 NOx 的还原反应。为使 NOx 吸储型催 化剂获得高效功能,必须将温度保持在一定范围内。 为此,必须增加废气冷却装置。利用这种冷却装置,排放气体通过 NOx 吸储型催化转化 而被冷却,由于稀薄燃烧的范围宽,催化转化器的寿命也延长。然而催化转化器会受到硫侵 蚀而中毒,所以必须把汽油中的硫降低到最少。但是,含硫低的汽油还未普及。 另外,稀燃发动机对喷油器的要求较高,因此对喷油器设计和制造的要求都相对较高。 如果布置不合理,制造进度达不到要求导致刚度不足甚至漏气,只能得不偿失。同时,稀燃 发动机对燃油品质的要求也比较高。

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参考文献
[1]高鲜萍,汽油发动机构造与原理,科学出版社,2009 [2]吴社强,汽车构造,上海科技出版社,2003 [3]王望予,汽车设计,北京:机械工业出版社,2004 [4]姜玉波,汽车发动机构造,北京大学出版社,2006 [5]石美玉,汽油发动机,北京:化学工业出版社,2005 [6]陈佳瑞,汽车构造,人民交通出版社,2006

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