任务二 对发动机总体构造与工作原理的认知

【任务导入】

聪聪实习来到了发动机维修车间，看到维修师傅正在进行发动机解体检修。“那么多零部件，应该从何处入手才能学会发动机维修呀？”聪聪正困惑发懵时，师傅告诉他：“要想学会检修发动机，必须掌握发动机结构原理和各部总成的作用。就从认知零部件、总成名称，了解工作原理开始吧！”聪聪高兴地开始了今天的学习。

【任务说明】

以小组为单位，对照发动机实物进行总体结构的认知，分清各零件、部件或总成件属性（属于两大机构五大系统中的哪个）；根据发动机总成实物，描述工作原理；并完成任务单1-2-1的填写。

【相关知识与技能】

一、发动机总体构造

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，其具体构造也是多种多样的。汽油机通常由两大机构和五大系统组成，柴油机通常由两大机构和四大系统组成（无点火系统）。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，如图1-2-1所示。

1.机体组

发动机的机体组包括气缸盖、气缸体及油底壳。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。机体组的功用是作为发动机各机构、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、连杆、带有飞轮的曲轴等。其功用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。

3.配气机构

配气机构包括进气门、排气门、摇臂、气门间隙调节器、凸轮轴以及凸轮轴正时带轮（由曲轴正时带轮驱动）等。其功用是使可燃混合气及时充入气缸并适时从气缸排出废气。

4.燃料供给系统

根据发动机使用的燃料不同，燃料供给系统分为汽油机燃料供给系统和柴油机燃料供给系统。当下传统的化油器式汽油机供给系统和机械式柴油喷射供给系统均被淘汰，取而代之的是电控汽油喷射系统和电控柴油喷射系统。电控汽油喷射系统由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统三部分构成，主要元件包括空气滤清器、空气流量计、进气管、节气门体总成、进气歧管、油箱、电动油泵、燃油分配管、喷油器和发动机控制单元（ECU）等。该系统的作用是为发动机提供计量过的新鲜空气，并根据发动机工况空燃比的需求，供给可燃混合气燃烧所需的燃油量。

5.点火系统

点火系统可分为传统点火系统和微机控制的点火系统（电控点火系统）；传统点火系统已经被淘汰，目前汽车发动机广泛应用的是电控点火系统，主要包括电源（蓄电池和发电机）、点火开关、ECU、点火控制器、点火线圈以及高压线、火花塞等。点火系统的功用是按规定时刻向气缸内提供电火花以点燃气缸中的可燃混合气。

6.冷却系统

冷却系统主要包括水泵、散热器、风扇、分水管、气缸体以及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、机油集滤器、限压阀、润滑油道、机油滤清器等。其功用是将机油供给做相对运动的零件，以减小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

起动系统一般由蓄电池、起动机、起动继电器、起动开关等组成。其功用是使静止的发动机起动并转入自行运转状态。

二、发动机工作原理

1.发动机的基本术语

发动机的基本术语是指与发动机工作、结构相关的常用专门用语，如图1-2-2所示。

1）上止点TDC。上止点是指活塞顶面距离曲轴旋转中心线最远处位置。

2）下止点BDC。下止点是指活塞顶面距离曲轴旋转中心线最近处位置。

3）活塞行程S。活塞行程是指上、下止点间的距离，单位为mm（毫米）。活塞由一个止点运动到另一个止点一次的过程，称为一个行程。

4）曲柄半径R。曲柄半径是指与连杆轴径中心线到曲轴回转中心线的距离，单位为mm（毫米）。显然，曲轴每转一周，活塞移动两个行程，即S=2R。

5）气缸工作容积Vh。气缸工作容积是指活塞从一个止点移动到另一个止点所扫过的容积，单位为L（升）。显然有Vh=πD2S/4。

式中 Vh——气缸工作容积，L；

D——气缸直径，mm；

S——活塞行程，mm。

6）燃烧室容积Vc。燃烧室容积是指活塞位于上止点时，活塞顶上方的气缸空间容积，单位为L（升）。

7）气缸总容积Va。气缸总容积是指活塞位于下止点时，活塞顶上方的气缸空间容积，单位为L（升）。显然有Va=Vc+Vh。

8）发动机排量VL。发动机排量是指发动机所有气缸工作容积之和，单位为L（升）。对于多缸发动机，显然有VL=Vh×i，i为发动机气缸数。

发动机排量是一个非常重要的特征参数，轿车就是以发动机排量大小来进行分级的（表1-2-1）。

9）压缩比ε。压缩比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混合气被压缩的程度，影响发动机的热效率。现代汽油发动机压缩比为9～12；柴油发动机压缩比较高，为16～22。

10）工作循环。发动机完成进气、压缩、做功、排气四个过程，称为一个工作循环。

2.发动机的基本工作原理

（1）四冲程汽油机工作原理

四冲程汽油机的工作循环由进气、压缩、做功、排气四个过程所组成。图1-2-3所示为单缸四冲程汽油机工作循环示意图。

1）进气行程。活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动，此时，进气门开启，排气门关闭。在活塞向下移动的过程中，气缸内容积逐渐增大，形成一定真空度，于是空气和燃油的可燃混合气通过进气门被吸入气缸，直至活塞到达下止点时，进气门关闭，停止进气。

由于进气系统存在进气阻力，进气终了时气缸内气体的压力低于大气压力，约为0.075～0.09MPa。由于气缸壁、活塞等高温件及上一循环留下的高温残余废气的加热，气体温度升高到370～400K。

2）压缩行程。为使可燃混合气迅速燃烧，达到改善发动机动力性和经济性的目的，必须在燃烧前对可燃混合气进行压缩，以提高可燃混合气的温度和压力。因此，在进气行程结束时立即进入压缩行程，活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动。由于进、排气门均关闭，气缸内容积逐渐减小，可燃混合气压力、温度逐渐升高。

压缩终了时，气缸内的压力约为0.6～1.2MPa，温度约为600～700K。

3）做功行程。在压缩行程末，火花塞产生电火花点燃混合气并迅速燃烧，使气体的温度、压力迅速升高而膨胀，从而推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转做功，至活塞到达下止点时做功结束。

在做功行程中，开始阶段气缸内气体压力、温度急剧上升，瞬间压力可达3～5MPa，瞬时温度可达2200～2800K。随着活塞下行，气缸容积增大，气缸内压力、温度逐渐下降，做功终了时，压力约为0.3～0.5MPa，温度约为1300～1600K。

4）排气行程。为使循环能够连续进行，须将燃烧产生的废气排出。在做功行程终了时，排气门打开，进气门关闭，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动，废气在自身剩余压力和活塞推动下，被排出气缸，至活塞到达上止点时，排气门关闭，排气结束。

排气行程终了时，由于燃烧室容积的存在，气缸内还存有少量废气，气体压力也因排气系统存在排气阻力而略高于大气压力。此时，压力约为0.105～0.115MPa，温度约为900～1200K。

（2）四冲程柴油机工作原理

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。由于所使用燃料的性质不同，在可燃混合气的形成和着火方式上与汽油机有很大区别。单缸四冲程柴油机工作循环示意图，如图1-2-4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。由于进气阻力比汽油机小，上一行程残留的废气温度也比汽油机低，进气行程终了的压力约为0.075～0.095MPa，温度约为320～350K。

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，压缩行程末，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，被迅速汽化并与空气形成混合气，由于此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度（约500K左右），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。

做功行程中，瞬时压力可达5～10MPa，瞬时温度可达1800～2200K，做功行程终了时压力约为0.2～0.4MPa，温度约为1200～1500K。

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约为0.105～0.125MPa，温度约为800～1000K。

（3）多缸四冲程发动机工作原理

多缸四冲程发动机每一个气缸工作循环都与单缸四冲程发动机相同，但各缸的做功行程并不同时进行，而是按一定顺序进行，各缸的做功间隔要尽量均衡，连续做功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行，V型发动机左右气缸尽量交替做功，确保发动机工作的平衡性。四冲程发动机，曲轴每转两周，均为各缸轮流做功一次，发动机各缸的做功间隔角θ一致，θ=720°/i，i为气缸数。

四冲程直列四缸发动机工作原理图见表1-2-2（做功顺序1-3-4-2）。

常见四冲程发动机做功顺序见表1-2-3。