1、汽车发动机介绍,刘照 机械工程系,内容提要,2.1 发动机的分类 2.2 发动机组成与结构 2.3 发动机术语 2.4 发动机工作原理 2.5 发动机点火系统 2.6 发动机新技术应用举例,发动机分类,2.1 发动机的分类 2.2 发动机组成与结构 2.3 发动机术语 2.4 发动机工作原理 2.5 发动机点火系统 2.6 发动机新技术应用举例,按燃料种类,汽车发动机的分类燃料汽油机（Gasoline engine）,柴油机（Diesel engine)其它燃料发动机 （Alternative engine),汽油机,柴油机,马自达氢燃料发动机,宝马Hydrogen7氢燃料发动机,通过方向盘上
2、的一个H2按钮，可以迅速在汽油 和氢气两种燃料之间切换,BMW汽油、氢双燃料发动机,汽车发动机的分类冲程,二冲程（Twostroke),按行（冲）程,四冲程（Fourstroke),四冲程 vs. 二冲程,四冲程二冲程,工作循环,曲轴每转二圈一 个工作循环，作 功一次 。曲轴每转一圈一 个工作循环，作 功一次。旋转角速度比较 均匀,换气 时间,进、排气持续时 间长，重叠期小 换气质量好。换气时间短 （1/3），进、 排气过程几乎同 时进行，换气质 量差,结构复杂性,有进、排气门， 结构复杂无进、排气门， 结构简单（曲轴 箱扫气式）,汽车发动机的分类着火,按着火方式,火花点火,（Spark Ig
3、nition）,压缩着火,（Compression Ignition）,火花塞,汽车发动机的分类冷却按冷却方式,水冷,风冷,（Air cooling） （Water cooling）,护罩,电动风扇散热器,齿型带轮,缸盖水套 缸体水套水泵,水套排气管,节气门热水管,膨胀箱盖 膨胀箱 膨胀箱管,风扇双速,热敏开关,进水软管排气管出水软管,过热蒸气,接暖风装置,Santana 2000,水冷,风冷,汽车发动机的分类进气方式,按进气状态,非增压/自然吸气,（Naturally aspiration）,增压,（Turbocharging/Supercharging）,自然吸气,涡轮增压,汽车发动机的分
4、类气缸排列,按气缸排列,直列（In-line）,V型（V-type）,对置（Box engine）,W型（W-type）,In-lineDouble piston engineH engine,V engineOpposed piston engineW engine,Radial engineBoxer engine or180 V engineTriangle engine,直列,V型,W型,活塞运动方式,汽车发动机的分类归纳燃料种类,行（冲）程,气缸排列,气缸数,着火方式冷却方式,进气状态,汽车发动机的分类主流汽油机火花点火柴油机压缩着火自然吸气增 压,水多直V,冷缸(3 16)列(3
5、6)型(6 16),2.2 发动机组成与结构,2.1 发动机的分类 2.2 发动机组成与结构 2.3 发动机术语 2.4 发动机工作原理 2.5 发动机点火系统 2.6 发动机新技术应用举例,发动机 基本结构,发动机往复活塞式内燃机,（1）机体,（2）曲柄连杆机构（3）气门机构（4）冷却系（5）润滑系（6）起动系（7）供给系,（8）点火系(汽油机),发动机结构与 工作原理视频,发动机的总体构造（1）,个,机构,统,两个,五,发动机的总体构造（2）,机,体,曲柄连杆机构气门机构,供给系统润滑系统,冷却系统点火系统起动系统,机体,缸盖,缸体,活塞,连杆,曲轴,飞轮曲柄连杆机构,气门机构,供给系统,
6、喷油器,油轨,油管,燃油 滤清器,油压调节器,燃油泵油箱,汽油机燃油供给系统,进气歧管,节气门组件,空气流量计空气滤清器,Santana 2000,汽油机进气系统,柴油机燃油系统,润滑系统,发动机润滑系统,冷却系统,ECU,节气门位置传感器,双火花点火线圈,带集成 驱动级,水温传感器曲轴位置和 转速传感器,点火开关,蓄电池,氧传感器,火 花 塞,点火系统,起动系统,2.3 发动机工作原理,2.1 发动机的分类 2.2 发动机组成与结构 2.3 发动机术语 2.4 发动机工作原理 2.5 发动机点火系统 2.6 发动机新技术应用举例,2.3 发动机常用术语,VL= V h i,Vh= D2S 1
7、0-6/4 （L） D气缸直径mm S活塞行程mm,上止点 下止点 活塞行程(S) 曲柄半径(R) 气缸工作容积(V h ) 发动机排量(VL) 燃烧室容积(Vc ) 气缸总容积(Va ) 工作循环,发动机常用术语（1）,上、下止点,活塞顶离曲轴回转中心最远处，即活 塞最高位置，称为上止点（Top Dead Center, TDC）；,活塞顶离曲轴回转中心最近处，即活 塞最低点，称为下止点（Bottom Dead Center, BDC）；,在上、下止点处，活塞的运动速度为 零。,发动机常用术语（2）,工作循环,由进气、压缩、 作功和排气等 四个工作过程 组成的封闭过 程。周而复始 地进行这些
8、过 程，内燃机才 能持续地作功。,发动机常用术语（3）,活塞行程上、下止点间的距离S称为活塞行程；曲轴的回转半径R称为曲柄半径，S=2R。,上止点S下止点,R,发动机常用术语（4）,发动机排量,所有气缸工作容积的总 和称为发动机排量，记 作VL,式中：Vh气缸工作容,积；,i 气缸数目。,VL = Vh i,发动机常用术语（5）,燃烧室容积,活塞位于上止点时 活塞顶面以上与气 缸盖底面以下之间 形成的容积称为燃 烧室容积，记作VC,发动机常用术语（6）,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,一般用Va表示,气缸总容积等于气缸工作容积和 燃烧室容积之和，即：
9、,VaVcVh,= 1 + h,发动机常用术语（7）压缩比压缩比是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般用表示,式中：Va 气缸总容积；Vh 气缸工作容积；Vc 燃烧室容积。 压缩比是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表示了气体的 压缩程度。 汽油机 811；柴油机 1624,VVc,=,Va Vc,Vh + VcVc, =,发动机常用术语（8）工作循环,活塞行程,上、下止点,发动机排量气缸总容积,气缸工作容积燃烧室容积,常用术语压缩比,2.3 发动机工作原理,2.1 发动机的分类 2.2 发动机组成与结构 2.3 发动机术语 2.4 发动机工作
10、原理 2.5 发动机点火系统 2.6 发动机新技术应用举例,进气行程,排气门关闭,进气门开启,活塞,温度370440 K， 压力7590 kPa,大气压力线,P,V,r,a,示功图,上止点,下止点,示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。,压缩行程,进气门关闭,排气门关闭,活塞,压缩比： =Va/Vc,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,上止点,下止点,温度600800K， 压力6001500 kPa,作功行程,进气门关闭,排气门关闭,活塞,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,瞬时最高：温度22002800 K， 压力35MPa,作功终了：温度15
11、001700 K， 压力300500 kPa,排气行程,进气门关闭,排气门打开,活塞,P,V,r,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,温度9001200 K 压力105125 kPa,残余废气,压缩作功排气,循 环,一个工作循环四个行程，曲轴转两周，每个行程占180曲轴转角,发动机工作原理四冲程汽油机进气,实际进气过程中,为增加进入气缸内的混合气量和减少进气过程所消耗的功，进气门在上止点之前开启，在下止点之后关闭；,为减少气缸内的残余废气量和排气过程所消耗的功，排气门在下止点之前开启，在上止点之后关闭。,进、排气过程所占曲轴转角都超过180。,发动机工作原理,四冲程汽油机,二、四冲
12、程柴油机的工作原理,喷油器,喷油泵,吸气行程,压缩行程,作功行程,排气行程,进气门,排气门,纯空气,温度300370K压力800900 kPa,温度8001000K压力35 MPa,瞬时：温度18002200K压力510 MPa,温度8001000K压力105400 kPa,终了：温度8001000K压力105400 kPa,发动机工作原理汽油机 vs. 柴油机,汽油机,柴油机,混合气形成化油器：气缸外形成,进气道汽油喷射：缸 外混合,缸内直接喷射,缸内柴油喷射,着火 方式,火花点燃,压缩自燃,结构,点火系统,高压柴油系统,2.5 发动机点火系,2.1 发动机的分类 2.2 发动机组成与结构
13、2.3 发动机术语 2.4 发动机工作原理 2.5 发动机点火系统 2.6 发动机新技术应用举例,汽油机点火机理（1）,在火花塞的两个电极之间加上 直流电压时，电极之间的气体 便发生电离现象。随着电极间 的电压升高，气体电离的程度 不断增强。当电压增长到一定 值时，火花塞两电极间的间隙 被击穿而产生电火花。 击穿电压一般在820 kV,为使点火可靠，通常点火电压 大于击穿电压。,汽车蓄电池电压12V或24V；控制点火线圈中初级电路通断，初级线圈电流变化，在次级线圈（高压电路）中产生感应电压，加在火花塞两个电极上。,汽油机点火机理（2）点火线圈低压变高压,火花,触发信号点火驱动级,对点火系统的要
14、求（1）,点火能量,点火能量不足，不能点火，引起缺火（失火）；点火能量越 大，着火性能越好。,在发动机起动、怠速和急加速等浓混合气工况，以及缸内直 喷发动机稀燃时，都要求更高的点火能量。,需要足够高的次级电压，目前大部分汽油机都能提供,2530kV的次级电压；,点火能量还与次级电流、火花延续时间有关。,点火能量60120mJ（取决于气道喷射、缸内直喷，及有无涡 轮增压），点火线圈的存储能量约为火花能量的1.52倍以上。,缸内压力/bar,对点火系统的要求（2）,点火时刻 （点火提前角）,在活塞到达压缩上止 点之前火花塞间隙跳 火，使燃烧室内气体 压力在上止点后,1012时达到最大,值。,点火提
15、前角： 从火花塞电极间跳火 开始，到活塞运行至 上始点时的一段时间 内曲轴转过的角度。,点火提前角/CA,对点火系统的要求（3）,点火时刻（点火提前角）,点火提前角最大值受限于发动机爆震，最小值受限于燃烧界 限或排气温度,点火提前角影响发动机：转矩、有害排放、油耗,转矩：在不发生爆震的条件下，点火尽可能提前（爆震控制）,有害排放：提前角越大，HC、NOx越多,油耗：提前角越大，燃油消耗率越小,最佳点火提前根据发动机动力性、燃油经济性和排放的要求 共同确定。,对点火系统的要求（4）,点火时刻（点火提前角）,基本点火提前角确定：发动机转速、负荷、混合气浓度 转速,当发动机节气门开度一定时，随着转速
16、增高，燃烧过程所 占曲轴转角增大，这时，应适当加大点火提前角。,负荷,当发动机转速一定时，随着负荷的加大，进入气缸的可燃 混合气量增多，压缩终了时的压力和温度增高，同时，残 余废气在气缸内所占的比例减小，混合气燃烧速度加快， 这时，点火提前角应适当减小。反之，发动机负荷减小 时，点火提前角则应适当增大。,稀混合气，火焰传播慢，需加大点火提前角,对点火系统的要求（5）在规定的时刻，按发动机的点火顺序供给火花塞以足够能量的高压电，使其两电极间产生电火花，点燃混合气，使发动机正常燃烧做功。,发火顺序 点火提前角 点火能量 爆震控制,ECM,汽油机点火系统分类,汽油机点火机理,对点火系统的要求,传统点
17、火系统,半导体点火系统电控点火系统,点火开关,附加电阻点火线圈,分电器,断电器电容器,传统点火系统组成火花塞蓄电池配电器,蓄电池点火开关,点火线圈,火花塞分电器,磁电式 传感器霍尔式传感器,ECU （触发盒）,半导体点火系统,分电器盖,真空提前装置,分配头分电器轴,传动齿轮离心提前装置带霍尔传感器的分电器,电控点火系统,特点,由ECU根据发动机各传感器（包括转速和负荷）信号，自动调节点火提前角，点火提前角与发动机工况更好地匹配（复杂的MAP图）；,通过控制初级电路的闭合时间，实现对点火能量的控制； 爆震控制。,两类,有分电器 无分电器,汽油机,柴油机,2.6 发动机新技术应用,2.1 发动机的
18、分类 2.2 基本结构 2.3 发动机术语 2.4 发动机工作原理 2.5 发动机点火系统 2.6 发动机新技术应用,发动机增压技术 VW 1.4TSI 汽油机简介,大众 1.4L 汽油机,废气涡轮增压（Turbo-charging ） 机械增压（Super-charging ）,燃油分层喷射（Fuel Stratified Injection，缸内直接喷射）,用于Golf GT，将用于一汽大众速腾（ Sagitar）,特点,双增压，缸内直喷,以最低的油耗获得最大的功率,将小型化技术与传统的机械增压技术和涡轮增压技术巧 妙组合，兼顾了低速时的扭矩输出和高速时的功率输 出，解决了两种技术各自的不
19、足紧凑,涡轮增压：涡轮迟滞，低速性能不好,机械增压：没有迟滞，响应性好；中低速效果好，高速时驱 动增压器的机械损失大,发动机增压技术 VW 1.4TSI 汽油机简介,VW 1.4TSI 汽油机简介,在低转速时，由机械增压提供大部分的增压压力；这也 用使驱动涡轮增压器启动更快、更平顺，响应速度更快。,在1500rpm时，两个增压器同时提供增压压力，其总增 压值达到2.5bar（如果涡轮增压器单独工作，只能产生 1.3bar的增压压力）。随着转速的提高，涡轮增压器能,使发动机获得更大的功率，与此同时，机械增压器的增 压压力逐渐降低。,在转速超过 3500rpm时，由涡轮增压器提供所有的增压,压力，
20、此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发 动机分离，防止消耗发动机功率。,可变正时气门技术VVT,VVT（Variable Valve Timing）：随着发动机转速的提高，短促的进排气时间往往会引起发动机进气不足，排气不净等现象，因此可变气门正时系统出现，它就是根据轿车的运行状况，随时改变配气相位，改变气门升程和气门开启的持续时间（气门升程就像门开启的角度，气门正时就像门开启的时间，进气歧管就像各个闸道的栏杆）。 丰田VVT-I（可变气门升正时） 本田的VTEC（可变气门升程 ） 现代CVVT（连续可变气门正时）,VVT-I原理,当发动机由低速向高速转换时，电子计算机（ECU）通过分析就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60度的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。VVT-i系统是通过调整凸轮轴转角配气正时进行优化，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性，降低尾气的排放。 VVTi系统由传感器、ECU和凸轮轴液压控制阀、控制器等部分组成。,谢 谢！,
