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汽油发动机的工作原理基本理论汽油发动机将汽油的能量转化为动能来驱动汽车,最简单的办法是通过在发动机内部燃烧汽油来获得动能。因此,汽车发动机是内燃机----燃烧在发动机内部发生。有两点需注意:1.内燃机也有其他种类,比如柴油机,燃气轮机,各有各的优点和缺点。2.同样也有外燃机。在早期的火车和轮船上用的蒸汽机就是典型的外燃机。燃料(煤、木头、油)在发动机外部燃烧产生蒸气,然后蒸气进入发动机内部来产生动力。内燃机的效率比外燃机高不少,也比相同动力的外燃机小很多。所以,现代汽车不用蒸汽机。相比之下,内燃机比外燃机的效率高,比燃气轮机的价格便宜,比电动汽车容易添加燃料。这些优点使得大部分现代汽车都使用往复式的内燃机。二.燃烧是关键汽车的发动机一般都采用4冲程。(马自达的转子发动机在此不讨论,汽车画报曾做过介绍)4冲程分别是:进气、压缩、燃烧、排气。完成这4个过程,发动机运转两周。理解4冲程过程如下1.活塞在顶部开始,进气阀打开,活塞往下运动,吸入油气混合气2.活塞往顶部运动来压缩油气混合气,使得爆炸更有威力。3.当活塞到达顶部时,火花塞放出火花来点燃油气混合气,爆炸使得活塞再次向下运动。4.活塞到达底部,排气阀打开,活塞往上运动,尾气从汽缸由排气管排出。注意:内燃机最终产生的运动是转动的,活塞的直线往复运动最终由曲轴转化为转动,这样才能驱动汽车轮胎。三.汽缸数发动机的核心部件是汽缸,活塞在汽缸内进行往复运动,上面所描述的是单汽缸的运动过程,而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的(4缸、6缸、8缸比较常见)。我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类:直列、V或水平对置(当然现在还有大众集团的W型,实际上是两个V组成)。不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用和外型上有着各自的优点和缺点,配备在相应的汽车上。四.排量混合气的压缩和燃烧在燃烧室里进行,活塞往复运动,你可以看到燃烧室容积的变化,最大值和最小值的差值就是排量,用升(L)或毫升(CC)来度量。汽车的排量一般在1.5L~4.0L之间。每缸排量0.5L,4缸的排量为2.0L,如果V型排列的6汽缸,那就是V6 3.0升。一般来说,排量表示发动机动力的大小。所以增加汽缸数量或增加每个汽缸燃烧室的容积可以获得更多的动力。五.发动机的其他部分凸轮轴 控制进气阀和排气阀的开闭火花塞 火花塞放出火花点燃油气混合气,使得爆炸发生。火花必须在适当的时候放出。阀门 进气、出气阀分别在适当的时候打开来吸入油气混合气和排出尾气。在压缩和燃烧时,这两个阀都是关闭的,来保证燃烧室的密封。活塞环 在气缸壁和活塞中提供密封:1.防止在压缩和燃烧时油气混合气和尾气泄漏进润滑油箱。2.防止润滑油进入汽缸内燃烧。大多“烧机油”的汽车就是因为发动机太旧:活塞环不再密封引起的(尾气管冒青烟)活塞杆 连接活塞环和曲轴,使得活塞和曲轴维持各自的运动。润滑油槽 包围着曲轴,里面有相当数量的油汽油的分类90号、93号、97号是三种标号的无铅汽油(现在的汽油早已告别了有铅的时代),此外还有95号,100号等。不同的标号指的是此标号汽油辛烷值的大小,如:93号汽油,指汽油的辛烷值是93,而辛烷值又表示此标号汽油的抗爆性,汽油的标号越高,也就是辛脘值含量越高,越不容易发生爆燃,也就是说燃烧时发动机的抗爆性越好。应根据发动机的压缩比选用汽油,压缩比高的车辆应该选用高标号汽油,从而保证在发动机不发生爆燃的情况下动力输出最佳、成本最低。压缩比是指发动机气缸的总容积(即工作容积+燃烧室容积)与燃烧室容积之比(压缩比=气缸的总容积/燃烧室容积)。压缩比是发动机的一个非常重要的结构参数,它表示活塞在下止点压缩开始时的气体体积与活塞在上止点压缩终了时的气体体积之比。从动力性和经济性方面来说,压缩比应该越大越好。压缩比高,动力性好、热效率高,车辆加速性、最高车速等会相应提高。但是受汽缸材料性能以及汽油燃烧爆震的制约,汽油发动机的压缩比又不能太大。通常,压缩比在7.5~8.0应选用90号车用汽油;压缩比在8.0~8.5应选用90号~93号车用汽油;压缩比在8.5~9.5应选用93号~95号车用汽油;压缩比在9.5~10应选用95号~97号车用汽油。一般可以在汽车说明书中查到压缩比,除说明书以外,有的车辆生产厂也会在油箱盖内侧标注推荐使用的燃油标号。车主应严格按发动机不同的压缩比,选用相应标号的车用汽油,才能使发动机发挥出最佳的效能。如使用比规定要求低号数的无铅汽油,发动机将出现爆震现象。一般在急加速及爬坡时出现爆震现象,如果由于汽油标号低,使发动机长期出现爆震,将会损坏发动机,甚至打坏活塞、缸体等。但是选择汽油也不是标号越高越好,汽油标号选择的主要依据是发动机的压缩比。压缩比、点火提前角等参数已经在发动机电脑中设置,车主只要严格按照使用说明的要求选择汽油就没有问题。盲目使用高标号汽油,其高抗爆性的优势无法发挥出来,也会造成金钱的浪费。如果查不到自己车辆的压缩比,请尽量使用高标号汽油,以免对你的爱车造成伤害汽油发动机柴油发动机有何不同两篇论文请参考
汽车故障原因诊断综合分析法【论文关键词】汽车故障 综合判断【论文摘要】分析了汽车故障原因及部位(全车各部位、机械、电气、油、气等),并提出了科学合理的判断方法,即故障概率顺序排列法及辅助判断法,可迅速地确定故障所在部位。结果表明,汽车发生故障的可能性主要取决于产品质量,可靠性高的产品其出现故障的部位往往是正常思维可以想到的;而产品质量有缺陷的车型,故障部位往往出现在人们正常思维无法判断的。利用综合分析方法,对判断车辆故障具有重要指导价值。 一、原因分析 一辆奔驰560SEL轿车因气门异响更换新摇臂后出现怠速剧烈抖动的情况。按照一般思维过程,只拆装过摇臂、凸轮轴,查找故障应当首先考虑这几个部位,如果顺着这条线索查找下去,也许很快就可以排除故障。但遗憾的是修理工在断火试验时发现至少有三个缸工作不良,他当然想到只更换了一个缸的摇臂,即便是有故障也不会引起这三个缸都不工作,故障原因可能在于其他方面。根据经验,可能原因排列: (1)废气再循环(EGR)系统故障,废气大量进入气缸(此项可能性最大)。 (2)进气系统漏气,混合气太稀,怠速工作不良(此项可能性居中) (3)更换摇臂型号(质量)有缺陷(此项可能性最小)。 二、故障判断方法 (1)检查废气再循环系统。将EGR阀上真空管去掉,故障依旧;再将EGR阀从发动机上拆下,发现该阀锈蚀严重,废气通道与进气通道根本就不通,废气并未进入气缸,可能性最大的一项成为不可能。接下来检查进气系统,没有发现有漏气的地方,第二种可能性也被排除。对于第三种可能性,即使最终发现是摇臂的问题,对于本次维修而言,也不能算是一次圆满成功的维修,因为到这个时候检修工作已进行了半天,车主对此已有所不满,当然最终发现确实是摇臂型号不对,与气门的接触面新摇臂比旧摇臂高约2mm,磨去一段后修正至标准值,重新装复后发动机怠速平稳,故障排除。如若检修车辆是在拆装、调整后出现的故障,应当首先对这部分进行检查,而不能按常规步骤来进行。时隔不久一辆新款丰田(CARMY 2.2)轿车因行车时捣缸,发动机损坏而入厂维修。更换新缸体及其他部件后试机起动,发动机却始终无法起动。在起动机带动发动机运转的过程中,发动机不是回火即是放炮,象是点火错乱,检查高压线也并未插错(该发动机为直接点火)。吸取上一次教训,不能盲目检查,先询问修理工拆装发动机时有何异常情况,修理工回答在曲轴上有一齿轮形传感器,分解发动机时因生锈无法从曲轴上拆下,强行撬下来后发现有一个齿开裂,用502胶粘牢后又装上,结果出现上述故障。根据所获得的信息,让修理工将曲轴位置传感器转子从车上拆下,仔细检查并未看出有明显异常,粘接处也几乎看不出痕迹来;但对于人自身看不出来的故障及零件缺陷,电脑未必不会监测到,因为修理厂条件所限,无法用示波器观察到传感器输出波形,但对于本车所述故障,从概率方面分析,我仍认为曲轴位置传感器转子损坏具有最大可能性。 (2)电脑损坏。但众所周知,即使电脑可以输出正常代码,也不能绝对地认为电脑一定正常,但这种可能性较小。 (3)气缸压力不足。但在配气相位正确的情况下,四个气缸同时出现压力不足的情况的可能性也较小。经以上分析,建议修理厂购买新曲轴位置传感器转子,次日新件到货,装车一试立即着车。 三、故障概率分析法 一辆一汽生产的奥迪轿车出现蓄电池亏电的现象,在车库里放3、4天后蓄电池里的电几乎全部放完。修理工起初以为蓄电池失效,因自放电而亏电,换新蓄电池后故障依旧,修理人员几乎检查了所有部件,仍未查出故障,最后得出的结论是将第四个保险拔出,蓄电池即停止亏电。第四个保险所涉及内容包括:室内灯、阅读灯、点烟器、钟表、收音机、行李舱灯、空调指示灯。首先确定故障是否存在,点火开关关闭,将蓄电池负极断开再接上,可以看到蓝色电火花,证明确实存在较大电流放电。接下来并不急于检查故障部位,而是对第四个保险丝所涉及内容作一故障概率分析。 (1)点烟器不能自动弹出:将前后两个点烟器拔出,故障依旧,此项可能性被排除。 (2)室内灯、阅读灯、钟表、收音机、空调指示灯均可正常工作,但不能确定在点火开关关闭后其消耗电流是否正常,此项可能性居中。 (3)第四个保险丝所涉及线路有短路、搭铁处,消耗电流,此项可能性同上居中。用数字万用表测量第四个保险丝所消耗电流(点火开关关闭)为0.3l A,粗略估算其功率12Vx0.3A=3.6W,其功率与行李舱照明灯接近,但行李舱钥匙被司机带走,无法打开检查,修理工建议拆下仪表检查钟表、收音机及相关线路,但笔者认定行李舱灯损坏可能性最大,要求修理厂先检查行李舱灯,检查其他部位可能费力不讨好。次日从修理厂得到消息:确实是行李舱灯烧坏:灯开关座下陷,即使关上行李舱盖灯泡仍不能熄灭,灯泡已烧坏发白,但灯丝未断,因而始终消耗电流。换新灯泡并修复开关座,故障排除。四、辅助诊断法 (1)眼观。观察仪表:观察电流、机油压力表、水温表和汽油指示表等指示车辆有关部位的工作情况,如发现显示数字异常,说明该部件出了问题。察看外观:如发动机排烟过多,排烟颜色异常;某些部件出现漏水、漏气、漏油、漏电等现象;车架车身变形,各部件间隙过大或过小。察扯油液:常规的油、液、媒检查不可忽视。机油、自动变速箱油、转向助力器油、齿轮油、制动液、冷却液、玻璃水、冷媒等油液的检查的车辆正常运行的保证,相关批示灯亮起,或是发现有缺少,要及时补充。察看颜色:通过察看车用零件液体的品质来判断故障。如某辆车自动变速器油颜色变紫,而且有少量浑浊物,可判断是自动变速器故障而不是发动机动力不足。 (2)耳听。发动机:由于不断变换油门,发动机发出的响声也是不相同的,要仔细听发动机声音有无异常。底盘:不断改换行驶速度,传动系的响声一般随车速的提高而增大,但当车速提高到一定程度后,有些响声反而减弱,甚至消失。分清响声的类型:如连响与间断响;脆响与闷响;有规则与无规则的响,并确认哪些是正常的,哪些是异常的。 (3)鼻闻。焦臭味:是制动拖滞,离合器打滑所致。烧机油、烧制动液能引起特殊气味。电器工作时烧毁线路会发出焦皮味。闻味的方法用的得当,可为诊断故障提供指导作用。 (4)手摸。用手摸制动鼓、后桥壳、变速器外壳来判断该部件的温度: 如手摸感到发热,温度大约40℃左右。感到烫手,但能坚持几分钟,温度约在50℃~60℃左右。手根本不能忍受,温度至少达80℃以上。 (5)隔离。部分的间隔,或隔断某些系统与某些部件的工作,以此来确定故障范围。如隔断某部件后,故障消失,说明故障发生在此部件;如故障还存在,则说明故障不此处。发动机:隔断某个缸(断火或断油),如果排烟消失或减少,则该缸有故障。底盘:如诊断底盘异响,可将变速杆放在空档位上,不断地接通和分开离合器,根据响声的变化来分析响声是发生在离合器还是变速器。电气:如某灯不亮,可将该灯与蓄电池直接接通,若灯亮,则说明连接该灯的导线发生了故障。 (6)试探。如诊断气门异响。若怀疑气门间隙过大所致,可用厚薄规检查,并调整规定值,若异响消失,即判断正确。若响声依然存在,再继续查找其他部位。 (7)比较。当某缸不工作时,如怀疑是火花塞问题,可交该火花塞与正常工作的火花塞对换,若故障转移,说明故障出于原火花塞。 五、结束语 在汽车故障诊断中,经常会遇到花费较长时间检查故障所涉及的部位仍未能查出故障,即使能够查出故障,在时间、精力方面也可能得不偿失;如果采用概率分析法则能够迅速、准确地确定故障,为客户节省时间的同时提高了自身的声誉。在汽车维修中,除了用仪表、检修仪器和工具对汽车进行诊断外,还应结合简易的人工诊断,对汽车故障诊断具有重要价值。 参考文献: [1] 汽车工程手册[M].北京:人民交通出版社,2001.转
不断增加的城市空气污染 经过20年的改革开放,中国私人汽车数量迅速增加,汽车开始进入普通人的家庭生活。汽车需求的迅猛增长是推动2002年中国经济增长的重要力量。去年汽车制造商制造并销售了325万辆,比2001年增长了37%。此外,去年载客汽车的销售首次突破了100万大关,猛增56%,达到了112.6万辆。 2001年后加入世界贸易组织(WTO),中国已经将汽车的进口关税从70-90%降低到44-51%,到2005年将进一步降低到25%。随着汽车价格的下降以及中国人较低的汽车拥有量,中国的汽车市场将会进一步繁荣。 随着轿车进入家庭,主要城市及近郊的交通拥挤状况会进一步加剧,从而使汽车废气排放问题更加严重。中国有2000万辆汽车和1亿辆摩托车,而其中大多数都在城市。在城市环境污染物中,汽车所排放的氮氧化物占到了45至60%,而一氧化碳则占到了85%。因此,中国城市居民所吸入的劣质空气主要是由汽车所排放的废气造成的。 除非政府愿意牺牲这方面的经济支柱产业,限制上路汽车数量。因此,要控制汽车废气排放问题,利用电子技术来减少汽车的废气排放是解决方案之一。 排放标准 2001年底,中国政府宣布对中国三大汽车制造商降低30%的汽车消费税,前提是他们所制造的汽车得满足欧II标准。六个月后,在第三届中国亚洲清洁燃料国际会议上,政府的另一项声明进一步表明了控制汽车排放的决心。声明称,北京将从2003年1月开始对在北京销售的机动车辆实行欧II标准,并计划于2005年实施欧III标准。 要控制废气排放所面临的挑战并不仅仅是要设计一个具有清洁燃烧能力的完美发动机,还要利用合适的半导体电子器件对发动机的燃烧过程进行合理的控制。英飞凌为今天的发动机管理平台提供了所需要的单片机、传感器和功率半导体器件。 用于动力总成系统的半导体器件 为控制废气排放量,可利用半导体传感器来精确测量吸入空气的成份。利用单片机快速计算出所使用的燃料数量,然后再起动燃料喷射器。由于有正确的空气-燃料比,因此可以达到近乎完美的燃烧状态,从而使废气的排放达到最少。 汽车动力总成应用中需要多个传感器来将"真实"环境与电子部分连接起来。基于半导体的传感器专用于测量速度、位置、温度和压力。对于动力总成应用来说,最大的变化趋势是利用集成了传感器单元和信号处理部分的有源传感器来代替过去的被动式传感器。由于需要更精确地测量发动机的状态,因此这一趋势发展很快。 在通过传感器测量到发动机的状态以后,单片机就可以处理这些数据并提供合适的控制信号来控制致动器的动作。单片机是利用逻辑技术制造的,而集成度的提高使得可以将功能强大的处理器与外设集成在一起。目前的趋势是将DSP功能集成进来,从而允许实现更为复杂和精确的信号处理软件算法。这样就可用软件实现以前采用硬件实现的功能。 一旦单片机"知道"下一步该做什么,单片机就发送合适的信号到致动器。通常,致动器需要高电压或者大电流才能动作。因此,需要利用功率半导体器件来驱动致动器,如燃料喷射器或火花塞。过去几年里,功率半导体技术的发展主要集中于优化现有系统的成本和部分集成。这产生了能够集成功率输出级(DMOS或双极)、模拟电路和数字逻辑的混合集成技术(BCD)。高集成度功率器件的优势是可以支持诊断,从而可使系统具有更好的可靠性(动力总成是汽车中的关键应用)。同时,这还可使最终产品所需要的外部器件数量大大降低。 系统解决方案 目前的动力总成电子控制单元(ECU)中,电子器件部分主要是半导体器件。 半导体传感器 传感器位于动力总成系统的前端。传感器用来测量物理参数,如水温、空气压力以及发动机曲轴的转动速度。这些数据非常关键,它们为闭环控制系统提供了关键信息。除了温度传感、压力传感和霍尔传感器以外,微机械技术还带来了崭新的加速和偏向角速度传感器,同时还允许利用标准晶圆制造工艺集成信号处理电路和数字化电路。 1.温度传感器 根据扩展电阻原理,线性和稳定的半导体传感器可低成本地替代镍或铂金属膜传感器,同时还可提供比PTC热电阻技术上更优越的器件。 2.位置和速度传感器 动态差分霍尔IC可以测量曲轴或凸轮轴速度、传动速度和车轮速度。通过使用位于单个芯片上的两个霍尔单元,一个差分放大器和处理电路,可以测量到磁场差。这意味着可以将温度漂移、制造容差和外部电磁环境等破坏性环境影响降到最小。同样的信号水平,与单片机的接口要比采用旧式的有感线圈简单得多、便宜得多。 英飞凌新开发的TLE4925C特别适合曲轴应用。其集成电路(基于霍尔效应)提供了频率与转速成正比的数字信号输出。额外的自校正模块提供最优的精度。利用新的模块型封装所集成的滤波器电容器可以减少干扰。 3.进气管绝对压力/大气绝对压力传感器 在新一代传感器中,复杂的处理电路完全集成在传感器芯片上。随着表面微机械技术得以在标准BiCMOS工艺进行微机械加工,利用其技术制造的传感器称为MEMS(微电子机械系统)。利用微机械技术,可以制作出厚度仅有400 m的多晶硅薄膜。这些薄膜构成在芯片上的多个电容器和两个参考电容器。信号则源于压感区域和参考区域的差别。 由于需要利用模拟的绝对压力传感器来测量进气管绝对压力和大气绝对压力,因此标准BiCMOS技术就特别重要。这是因为需要复杂的电路来提供模拟输出信号,进行线性化和偏差补偿。一个MAP传感器测量进气管中空气的绝对压力,并为发动机管理系统提供一个重要的参数(空气体积)。另一方面,一个BAP传感器则测量环境空气压力(是汽车高度的函数),这也是发动机管理系统所需要的同样重要的一个参数(空气密度)。有了这两个参数,就可算出空气的质量,并利用算出的空气质量来决定喷入多少燃料以实现最佳的燃烧。英飞凌的BAP传感器KP120适用于柴油和汽油发动机的管理。 单片机 单片机是动力总成系统的大脑。实时运行的高度复杂的算法用来在各种情况下管理发动机及传送动作。由于系统位于发动机罩下的恶劣环境中,因此除了合适的CPU以外,单片机的整个系统架构对于系统性能来说非常重要。目前在动力总成应用中使用的CPU架构有8位、16位和32位。 8位架构主要用于非常低端的汽车产品,但在摩托车ECU中的应用前景看起来很好。英飞凌提供低成本的增强8位C500核心,以及适合在成本敏感的摩托车市场中应用的高性能外设。由于相应的软件和工具集与业界标准的80C51单片机完全兼容,因此可加快软件开发周期。 32位单片机的市场份额正越来越大。但是,大批量生产的16位产品仍然在目前的汽车中有很大的市场。英飞凌的16位C167系列旨在满足实时嵌入式控制应用的高性能要求。该系列单片机的架构针对大指令吞吐量和对外部刺激(中断)的快速响应而优化。集成的智能外设子系统可将所需要的CPU干预降低到最低的程度。这还减少了对通过外部总线接口进行通信的需要。C167系列的成功源于其CPU,以及对于动力总成应用的要求来说非常理想的外设组合。 称为C166v2内核的新一代C166内核采用了单时钟周期执行技术,因此性能提升了一倍。内置的高级乘法和累加指令(MAC)执行单元极大地提高了DSP性能。 目前功能最强大的单片机采用了32位CPU。此类CPU中的一些源于单片机架构。而象英飞凌TriCore这样的CPU则是针对实时环境中的嵌入式控制应用而设计的,因此非常适用于象动力总成这样的应用。 功率半导体器件 在动力总成应用中,需要开关驱动喷射器、氧气传感器加热器、放气阀、冷却风扇以及一些继电器等负载。在单片IC中集成多个开关可以缩小电路板尺寸,从而降低成本。目前可提供2至18通道的多通道开关器件。根据特定的应用,可驱动从50mA直到30A的电流。负载可以是欧姆负载、容性负载或感性负载。 越来越多的数字逻辑可以在功率输出级一起实现。随着BCD技术的发展,可以在器件中集成许多此前必须由专用ASIC或单片机完成的新功能。 除了这一控制功能外,目前的开关器件还集成了保护和检测功能,如短路、过载、超温、过压、负载开路、静电放电(ESD)和反向电流保护等。此外,还可通过实现在过载时断路以及限流模式等故障保护模式来进一步提高系统可靠性。多通道开关器件通常可利用标准通信接口(SPI)进行控制。诊断信息通过SPI传输回单片机。英飞凌公司还提供了一种高速点到点通信接口,可为未来时间关键的应用(如PWM电流调整)提供更大的数据带宽,并降低微控制器和功率开关器件(如超过 8通道的器件)的I/O端口数量。
关于汽车发动机的探讨学生姓名: X X 学号:xxxxxxxxxxx入学时间: 2004 年 9 月指导老师: x x 职称: 讲师 学 校: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 目 录第一节 发动机的分类……………………………………………3第二节 发动机的总体构造………………………………………4第三节 四冲程发动机的工作原理………………………………6第四节 二冲程发动机的工作原理………………………………10第五节 发动机的主要性能指标与特性…………………………13致谢…………………………………………………………………16参考文献……………………………………………………………171关于汽车发动机的探讨内容提要:目前汽车普遍采用的是往复活塞式内燃机,发动机是汽车的心脏,它以其热效率高、结构紧凑、机动性强、运动维护简便的优点著称于世。本文针对发动机作出详细的讲解,包括发动机的分类、发动机的结构、发动机的工作原理,并据此分析汽车发动机的性能及主要指标。关键词:汽油机 柴油机 二冲程 四冲程 性能指标 特性2第一节 发动机的分类 发动机是将自然界某种能量直接转换为机械能并拖动某些机械进行工作的机器。将热能转化为机械能的发动机,称为热力发动机(简称热机),其中的热能是由燃料燃烧所产生的。内燃机是热力发动机的一种,其特点是液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能,然后再转变成机械能。另一种热机是外燃机,如蒸汽机、汽轮机或燃气轮机等,其特点是燃料在机器外部燃烧以加热水,产生高温、高压的水蒸气,输送至机器内部,使所含的热能转变为机械能。 内燃机与外燃机相比,具有热效率高、体积小、质量小、便于移动、起动性能好等优点,因此广泛应用于飞机、船舶以及汽车、拖拉机、坦克等各种车辆上。但是内燃机一般要求使用石油燃料,且排出的废气中所含有害气体成分较高。为解决能源与大气污染的问题,目前国内外正致力于排气净化以及其他新能源发动机的研究开发工作。 根据车用内燃机将热能转化为机械能的主要构件形式的不同,可分为活塞式内燃机和燃气轮机两大类。前者又可按活塞运动方式不同分为往复活塞式和旋转活塞式两种。往复活塞式内燃机在汽车上应用最广泛,是本文的主要讨论对象。汽车发动机(指汽车用活塞式内燃机)可以根据不同的特征分类: (1)按着火方式分类 可分为压燃式与点燃式发动机。压燃式发动机为压缩气缸内的空气或可燃混合气,产生高温,引起燃料着火的内燃机;点燃式发动机是将压缩气缸内的可燃混合气,用点火器点火燃烧的内燃机。 (2)按使用燃料种类分类可分为汽油机、柴油机、气体燃料发动机、煤气机、液化石油气发动机及多种燃料发动机等。 (3)按冷却方式分类可分为水冷式、风冷式发动机。以水或冷却液为冷却介质的称作水冷式发动机;以空气为冷却介质的称作风冷式发动机。(4)按进气状态分类可分为非增压(或自然吸气)和增压发动机。非增压发动机为进入气缸前的空气或可燃混合气未经压气机压缩的发动机,仅带扫气泵而不带增压器的二冲程发动机亦属此类;增压发动机为进入气缸前的空气或可燃混合气已经在压气机内压缩,藉以增大充量密度的发动机。3 (5)按冲程数分类 可分为二冲程和四冲程发动机。在发动机内,每一次将热能转变为机械能,都必须经过吸人新鲜充量(空气或可燃混合气)、压缩(当新鲜充量为空气时还要输入燃料),使之发火燃烧而膨胀作功,然后将生成的废气排出气缸这样一系列连续过程,称为一个工作循环。对于往复活塞式发动机,可以根据每一工作循环所需活塞行程数来分类。凡活塞往复四个单程(或曲轴旋转两转)完成一个工作循环的称为四冲程发动机;活塞往复两个单程(或曲轴旋转一转)完成一个工作循环的称为二冲程发动机。 (6)按气缸数及布置分类仅有一个气缸的称为单缸发动机,有两个以上气缸的称为多缸发动机;根据气缸中心线与水平面垂直、呈一定角度和平行的发动机,分别称为立式、斜置式与卧式发动机;多缸发动机根据气缸间的排列方式可分为直列式(气缸呈一列布置)、对置式(气缸呈两列布置,且两列气缸之间的中心线呈180。)和V形(气缸呈曲列布首,且两列气缸之问夹角为V形)等发动机。第二节 发动机的总体构造 发动机是一部由许多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,即使是同一类型的发动机,其具体构造也是各种各样的。我们可以通过一些典型汽车发动机的结构实例来分析发动机的总体构造。下面以CA1014系列轻型货车用的CA488Q型汽油发动机为例,介绍四冲程剐机的一般构造(图1-1)。(1) 机体组 CA488Q型发动机的机体组包括气缸盖14、气缸体7及油底壳37。有的发动机将气缸体分铸成上下两部分,上部称为气缸体,下部称为曲轴箱。机体组的作用足作为发动机各机构、各系统的装配基体,而且其本身的许多部分又分别是曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、冷却系统和润滑系统的组成部分。气缸盖和气缸体的内壁共同组成燃烧室的一部分,是承受高温、高压的机件。在进行结构分析时,常把机体组列入曲柄连杆机构。(2) 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构包括活塞13、连杆10、带有飞轮28的曲轴5等。它是将活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动并输出动力的机构。(3) 配气机构 配气机构包括进气门19、排气门15、摇臂45、气门间隙调节器46、凸轮轴25以及凸轮轴定时带轮20(由曲轴定时带轮6驱动)等。其作用是使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸排除废气。4 图2-1 解放CA488Q型汽油机的构造5(4) 供给系统 供给系统包括汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器38、空气滤清器、进气管39、排气管53、排气消声器等。其作用是把汽油和空气混合为成分合适的可燃混合气供入气缸,以供燃烧,并将燃烧生成的废气排出发动机。 (5) 点火系统 点火系统的功用是保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的混合气。其中包括供给低压电流的蓄电池和发电机以及分电器、点火线圈与火花塞等。 (6) 冷却系统 冷却系统主要包括水泵、散热器、风扇22、分水管以及气缸体和气缸盖里铸出的空腔——水套等。其功用是把受热机件的热量散到大气中去,以保证发动机正常工作。 (7) 润滑系统 润滑系统包括机油泵50、机油集滤器51、限压阀、润滑油道、机油滤清器等,其功用是将润滑油供给作相对运动的零件,以减少它们之间的摩擦阻力,减轻机件的磨损,并部分地冷却摩擦零件,清洗摩擦表面。 (8) 起动系统 包括起动机及其附属装置,用以使静止的发动机起动并转入自行运转。 车用汽油机一般都由上述两个机构和五个系统组成。第三节 四程发动机的工作原理一、四冲程汽油机工作原理 现代汽油发动机的构造如图3-1所示。气缸内装有活塞10,活塞通过活塞销、连杆11与曲轴12相连接。活塞存气缸内作往复运动,通过连杆推动 曲轴转动。为了吸入新鲜充量和排除废气,设有进、排气系统等。图3-2所示为发动机示意图。活塞往复运动时,其顶面从一个方向转为相反方向的转变点的位置称为止点。活塞顶面离曲轴中心线最远时的止点,称为上止点(TDC——Top Dead Center);活塞顶面离曲轴中心线最近时的止点称为下止点(BDC——Bottom Dead Centel),活塞运行的上、下两个止点之间的距离s称为活塞行程。曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的垂直距离月称为曲柄半径。对于气缸中心线与曲轴中心线相交的发动机,活塞行程5等于曲柄半径R的两倍。6四冲程发动机的工作循环包括四个活塞行程:进气行程、压缩冲程、作功行程、和排气行程。(1) 进气行程 汽油机将空气与燃料先在气缸的外部的化油器中、节气门体处或进气道内进行混合,形成可燃混合气后被吸入气缸。进气过程中进气门开启,节气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动,活塞上方的气缸容积变大,从气缸内的压力将到大气压以下,即在气缸内形成真空度。这样可眼燃混合气便经进气门被吸入气缸。由于进气系统的阻力,进气终了时气缸内的气体压力约为0.075~0.09Mpa。 (2) 压缩行程 为使吸入气缸的可燃混合气能迅速燃烧,以产生较大的压力,从而使发动机发出较大功率,必须在燃烧前将可燃混合气压缩,使其容积缩小,密度加大,温度升高,故需要有压缩过程。在这个过程中,进、排气门全部关闭,曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程,称为压缩行程。活塞到达上止点时压缩终了,此时,混合气被压缩到活塞上方很小的空间,即燃烧室中。可燃混合气压力升高到0.6~1.2MPa,温度可达600~700K。压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比。7现代汽油发动机的压缩比一般为6~9(轿车有的达到9~11)。如一汽一大众捷达轿车EA827型1.6L发动机的压缩比为8.5,而EA113型1.6L发动机的压缩比为9.3。 压缩比越大,在压缩终了时混合气压力和温度越高,燃烧速度增快,因而发动机发出的功率增大,热效率提高,经济性越好。但压缩比过大时,不仅不能进一步改善燃烧情况,反而会出现爆燃和表面点火等不正常的燃烧现象。爆燃是由于气体压力和温度过高,在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。爆燃时,火焰以极高的速率传播,温度和压力急剧升高,形成压力波,以声速向前推进。当这种压力波撞击燃烧室壁而时就发出尖锐的敲缸声。同时,还会引起发动机过热,功率下降,燃油消耗量增加等一系列不良后果。严重爆燃时,甚至造成气门烧毁、轴瓦破裂、活塞烧顶、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(如排气门头,火花塞电极,积炭)点燃混合气产生的另一种不正常燃烧现象。表面点火发生时,也伴有强烈的敲击声(较沉闷),产生的高压会使发动机机件承受的机械负荷增加,寿命降低。因此,在提高发动机压缩比的同时,必须注意防止爆燃和表面点火的发生。此外,发动机压缩比的提高还受到排气污染法规的限制。(3) 作功行程 在这个行程中,进、排气门仍旧关闭。当活塞接近上止点时,装在气缸体(或气缸盖)上的火化塞即发出电火花,点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气燃烧后,放出大量的热能,其压力和温度迅速增加,所能达到的最高压力p,约为3~5MPa,相应温度则为2200~2800K。高温、高压燃气推动活塞从上止点向F止点运动,通过连杆使曲轴旋转并输出机械能。它除了用于维持发动机本身继续运转而外,其余即用于对外作功。(4) 排气行程 可燃混合气燃烧后生成的废气,必须从气缸中排除,以便进行下一个工作循环。当膨胀接近终了时,排气门丌启,靠废气的压力进行自由排气,活塞到达下止点后再向上止点移动时,继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时,排气行程结束。由于燃烧室占有一定的容积,因此在排气终了时,不可能将废气排尽,这一8部分留下的废气称为残余废气。综上所述,四冲程汽油机经过进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程,完成一个工作循环。这期问活塞在上、下止点问往复移动了四个行程,曲轴旋转了两周。二、四冲程柴油机工作原理现代柴油发动机的构造如图3-3所示。四冲程柴油机(压燃式发动机)的每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。但由于柴油机的燃料是柴油,其粘度比汽油大,而其自燃温度却较汽油低,故可燃混合气的形成及着火方式都与汽油机不同。柴油机在进气行程吸人的是纯空气。存压缩行程接近终了时,柴油机喷油泵将油压提高到10MPa以上,通过喷油器喷人气缸,在很短时间内与压缩后的高温空气混合,形成可燃混合气。因此,这种发动机的可燃混合气是在气缸内部形成的。由于柴油机的压缩比高(一般为16~22),所以压缩终了时气缸内的空气压力可达3.5~4.5MPa,同时温度高达750~1000K,大大超过柴油的自燃温度。因此,柴油喷入气缸后,在很短时间内与空气混合便立即自行发火燃烧。气缸内气压急剧上升到6~9MPa,温度也升到2000~2500K。在高压气体推动下,活塞向下运动并带动帅轴旋转而作功。废气同样经排气管排人大气中。柴油机与汽油机比较,各有特点。汽油机具有转速高(目前轿车汽油机最高9转速达5000~6000r/min,货车汽油机转速达4000r/min左右)、质量小、工作噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点,故存轿车和轻型货车及越野车上得到广泛的应用;其不足之处是燃油消耗率高,燃油经济性差。柴油机因压缩比高,燃油消耗率平均比汽油机低20%~30%左右,且柴油价格较低,所以燃油经济性好。一般装载质量为5t以上的货车大都采用柴油机;其缺点是转速较汽油机低(一般最高转速在2500~3000r/min左右)、质量大、制造和维修费用高(因为喷油泵和喷油器加工精度要求高)。但目前柴油机的这些缺点正在逐渐得到克服,其应用范围正在向中、轻型货车扩展。国外有的轿车也采用柴油机,其最高转速可达5000r/min。由此可见,四冲程发动机在一个工作循环的四个活塞行程中,只有一个行程是作功的,其余三个行程则是作功的辅助行程。因此,在单缸发动机内,曲轴每转两周中只有半周是由于膨胀气体的作用使曲轴旋转,其余一周半则依靠飞轮惯性维持转动。显然,作功行程时.曲轴的转速比其他三个行程内的曲轴转速要高,所以曲轴转速是不均匀的,因而发动机运转就不平稳。为了解决这个问题,飞轮必须做成具有很大的转动惯量,而这样做将使整个发动机质量和尺寸增加。显然,单缸发动机工作振动大。采用多缸发动机可以弥补上述缺点。因此,现在汽车上基本不用单缸发动机。用得最多的是4缸、6缸、8缸发动机。在多缸四冲程发动机的每一个气缸内,所有的工作过程是相同的,并按上述次序进行,但所有气缸的作功行程并不同时发生。例如,在4气缸发动机内,曲轴每转半周便有一个气缸在作功;在8缸发动机内,曲轴每转1/4周便有一个作功行程。气缸数越多,发动机的工作越平稳。但发动机气缸数增多,一般将使其结构复杂,尺寸及质量增加。第四节 二冲程发动机的工作原理一、二冲程汽油机工作原理二冲程发动机的工作循环是在两个活塞行程内,即曲轴旋转一周的时间完成的。发动机气缸上有三个孔,这三个孔可分别在一定的时刻为活塞所关闭。进气孔与化油器相连通,可燃混合气经进气孔流入曲轴箱,继而可经扫气孔进入气缸内,而废气则可经过与排气管连通的排气孔被排出。10活塞向上移动,到活塞将三孔都关闭时,开始压缩在上一循环即已吸入缸内的可燃混合气,同时在活塞下面的曲轴箱内形成真空度(这种发动机的曲轴箱必须足密封的)。当活塞继续上行时,进气孔开启,在大气压力作用下,可燃混合气便自化油器流入曲轴箱。活塞接近上止点时,火花塞发出电火花,点燃被压缩的混合气。高温、高压气体膨胀迫使活塞向下移动。进气孔逐渐被关闭,流人曲轴箱的混合气则因活塞的下移而被预先压缩。当活塞接近下止点时,排气孔开启,废气经过排气孔、排气管、消声器流到大气中。受到预压的新鲜混合气便自曲轴箱经扫气孔流入缸内,并扫除废气。废气从气缸内被新鲜混合气扫除并取代的过程,称为气缸的换气过程。由上述可知,在二冲程发动机内,一个工作循环所包含的两个行程是: (1) 第一行程 活塞自下止点向上移动,事先已充入活塞上方气缸内的混合气被压缩,新的可燃混合气又自化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。 (2) 第二行程 活塞自上止点向下移动,活塞上方进行着作功过程和换气过程,而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。 为了防止新鲜混合气大量与废气混合并随废气一起排出气缸而造成浪费,活塞顶做成特殊的形状,使新鲜混合气的气流被引向上部。这样还可以利用新鲜混合气来扫除废气,使排气更为彻底。但是在二冲程发动机中,要完全避免可燃混合气的损失是很困难的。 图4-1为二冲程发动机示功图。它的工作循环如下:活塞由下止点向上止点运动,当将排气孔(a点)关闭时,压缩过程开始。到上止点前开始点火燃烧,缸内压力迅速增高,叮段即燃烧过程。接着活塞下行膨胀作功,一直到6点,排气孔被打开,开始排气。此时,缸内压力较高,一般为0.3~0.6MPa,11故废气以声速从缸内排出,压力迅速下降。当活塞继续下移将换气孔打开,曲轴箱内的新鲜可燃混合气进入气缸。这段时问里的排气称为自由排气。排气一直延续到活塞下行到下止点后再向上将排气孔关闭为止。示功图bda曲线为二冲程发动机的换气过程,大约占130度~150度曲轴转角。接着活塞继续向上,便重复压缩过程,进行新的循环。 二冲程化油器式发动机与四冲程化油器式发动机相比较,其主要优点如下: 1)曲轴每转—周就有一个作功行程,因此,当二冲程发动机的工作容积和转速与四冲程发动机相同时,在理论上它的功率应等于四冲程发动机的2倍。 2)由于发生作功过程的频率较高,故二冲程发动机的运转比较均匀平稳。 3)由于没有专门的换气机构,所以其构造较简单,质量也比较小。 4)使用方便。因为附属机构少,所以易受磨损和经常需要修里理的运动部件数量也比较少。 由于构造上的原因,二冲程发动机的最大缺点是不易将废气自气缸内排除得较干净,并且在换气时减少了有效工作行程。因此,在同样的工作容积和曲轴转速下,二冲程发动机的功率并不等于四冲程发动机的2倍,只等于1.5~1.6倍;而且在换气时有一部分新鲜可燃混合气随同废气排出,因此二冲程发动机不如四冲程发动机经济。 由于上述缺点,二冲程化油器式发动机存汽车上较少被采用。但这种发动机的制造费用低廉,构造简单,质量小,所以在摩托车上广泛应用。二冲程发动机可以通过减少扫气损失来改善燃油经济性差的缺点,因此电控喷射的二冲程发动机在汽车上得到了发展。二、二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机的工作过程和二冲程化油器式发动机的工作过程相似。所不同的是进入柴油机气缸的不是可燃混合气,而是纯空气。空气由扫气泵提高压力以后,经过装在气缸外部的空气室和气缸壁(或气缸套)上的许多小孔进入气缸内,废气经由气缸盖上的排气门排出。在第一行程中,活塞自下止点向上止点移动。行程开始前不久,进气孔和排12气门均已开启,利用自扫气泵流出的空气(压力约为0.12~0.14MPa)使气缸换气。当活塞继续向上移动,进气孔被遮盖,排气门也被关闭,空气受到压缩。当活塞接近上止点时,气缸内的压力增到3MPa,温度约升至850~1000K,燃油在高压(约17~20Mpa)下喷入气缸内,致使燃油自行着火燃烧,使气缸内压力增高。在第二行程中,活塞受燃烧气体膨胀作用自上止点向下止点移动而作功。活寒卜行2/3行程时排气门开启,排出废气,此后气缸内压力降低,进气孔开启,进行换气。换气一直继续到活塞向上移动1/3行程的距离,直到进气孔完全被遮盖为止。这种形式的发动机称为气门—窗孔直流扫气柴油机。与四冲程柴油机比较,二冲程柴油机的优缺点与上面讨论二冲程汽油机时所指出的优缺点基本相同,但由于二冲程柴油机用纯空气扫除废气,没有燃料损失,故经济件较高。第五节 发动机的主要性能指标与特性发动机的主要性能指标有动力性能指标(有效转矩、有效功率、转速等)、经济性能指标(燃油消耗率)和运转性能指标(排气品质、噪声和起动性能等)。一、动力性能指标(1)有效转矩发动机通过飞轮对外输出的平均转矩称为有效转矩。有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的阻力矩相平衡。(2)有效功率发动机通过飞轮对外输出的功率称为有效功率。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。发动机曲轴转速的高低,关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小,即发动机的有效功率随曲轴转速的不同而改变。因此,在说明发动机有效功率的大小时,必须同时指明其相应的转速。在发动机产品标牌上规定的功率及其相应的转速分别称作标定功率和标定转速。发动机在标定功率和标定转速下的工作状况,称为标定工况。标定功率是发动机所能发出的最大功率,它是根据发动机用途而制定的有效功率最大使用限度。同一种型号的发动机,当其用途不同时,其标定功率值并不相同。按照汽车发动机可靠性试验方法的规定,汽车13发动机应能在标定工况下连续运行300~1000h。二、经济性能指标发动机每发出1 kw有效功率,在1h内所消耗的燃油质量(以g为单位),称为燃油消耗率。 发动机的性能是随着许多因素而变化的,其变化规律称为发动机特性。三、运转性能指标发动机的运转性能指标主要指排气品质、噪声、起动性能等。由于这些性能不仅与使用者利益相关,更关系到人类的健康,因此必须指定共同遵守的统一标准,并给予严格控制。(1)排气品质发动机的排气中含有对人体有害的物质,它对大气的污染已形成公害。为此,各国采取了许多对策,并制定相应的控制法规。发动机排出的有害排放物,主要有氮氧化合物,碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)等以及排气颗粒。(2)噪声噪声会刺激神经,使人心情烦躁,反应迟钝,甚至造成耳聋,诱发高血压和神经系统的疾病,因此,也必须用法规形式进行限制。汽车是城市中主要的噪声源之一,发动机又是汽车的主要噪声源,故必须给予控制。在我国制定的汽车加速行驶车外噪声限值标准(GBl495--2002)中,对不同分类的汽车以及同一分类中不同总质量及发动机不同额定功率的汽车,详细制定了噪声限值。(3)起动性能起动性能好的发动机在一定温度下能可靠地发动,起动迅速,起动消耗的功率小,起动期磨损少。发动机起动性能的好坏除与发动机结构有关外,还与发动机工作过程相联系,它直接影响汽车机动性、操作者的安全和劳动强度。我国标准规定,不采用特殊的低温起动措施,汽油机在-10℃、柴油机在-5℃以下的气温条件下起动发动机时,15s以内发动机要能自行运转。四、发动机的速度特性当燃料供给调节机构位置固定不变时,发动机性能参数(有效转矩、功率、燃油消耗率等)随转速改变而变化的曲线,称为速度特性曲线。14如果改变燃料供给调节机构的位置又可得到另外一组特性曲线,则当燃料供给调节机构位置达到最大时,所得到的是总功率特性,也称发动机外特性;而把燃料供给调节机构其他位置下得到的特性称为部分速度特性。外特性曲线下标出的发动机最大功率和最大有效转矩及其相应的转速,是表示发动机性能的重要指标。要联系汽车使用条件,诸如道路情况所要求克服的阻力数值、最高车速等,来分析发动机外特性曲线是否符合要求。五、发动机工作状况发动机运转状态或工作状态(简称发动机工况)常以功率和转速来表征,有时也用负荷与转速来表征。 发动机负荷是指发动机驱动从动机械所耗费的功率或有效转矩的大小;也可表述为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,以百分数表示。15致 谢本论文的设计历时三个多月的时间。在此我要向我的讲师x老师表示最诚挚的感谢。从课题的设计方案、课题的编辑到论文的撰写和修改的各个阶段,都得到了钱老师的认真指导、严格要求。钱老师渊博的学识、严谨的治学精神以及平易近人的态度,使我在学习知识的同时,如浴春风。在整个课题的研究和设计过程中,也得到了同组的其它同学的支持和帮助,大家一起克服了一个又一个难题,在此表示感谢。在大学四年的学习过程中,我的学识有了长进,能力有了提高。为此我要感谢我的家人,以及所有教导过我的老师和长辈们,是他们鼓励着我前进。另外我要感谢我的朋友和同学,使我每天都轻松、愉快。16【参考文献】1、陈家瑞 《汽车构造 上 》 机械工业出版社2、陈家瑞 《汽车构造 下 》 机械工业出版社3、扶爱民 《汽车运用基础》 电子工业出版社4、扶爱民 《汽车发动机构造与维护》 电子工业出版社5、巫安达 乔国荣 《汽车维护技术》 高等教育出版社6、凌凯汽车资料编写组 《汽车原理》 北京邮电大学出版社17
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