第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)

第一節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)基本知識(shí)

1-1.什么是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)？

發(fā)動(dòng)機(jī)是將其他形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)械裝置。汽車所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)是燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒的一種熱力機(jī)。內(nèi)燃機(jī)每實(shí)現(xiàn)一次熱功轉(zhuǎn)換，都要經(jīng)歷一系列連續(xù)的工作流程，構(gòu)成一個(gè)工作循環(huán)，否則就不能實(shí)現(xiàn)熱功的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)使它可以滿足大眾對(duì)汽車性能和環(huán)境保護(hù)的要求，是汽車的“心臟”。

1-2.汽車由哪幾部分組成？

現(xiàn)代汽車是由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、電器設(shè)備、車身四部分組成，如圖1-1所示。

1-3.發(fā)動(dòng)機(jī)由哪幾部分組成？

發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)由多種機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的復(fù)雜機(jī)器?，F(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，發(fā)動(dòng)機(jī)的具體構(gòu)造也多種多樣，但由于其基本工作原理一致，從總體功能來看，其基本結(jié)構(gòu)大同小異，都是由兩大機(jī)構(gòu)和五大系統(tǒng)組成，即曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)，供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)（柴油機(jī)沒有）。

圖1-1 汽車結(jié)構(gòu)圖

1-4.汽車的基本行駛原理是什么？

要使汽車行駛，必須具備兩個(gè)基本行駛條件：驅(qū)動(dòng)條件和附著條件。汽車的驅(qū)動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)傳到車輪上，力圖使車輪旋轉(zhuǎn)。

與此同時(shí)，地面對(duì)車輪施加一與F0數(shù)值相等、方向相反的反作用力Ft，如圖1-2所示，Ft就是驅(qū)動(dòng)力。汽車的行駛總阻力∑F包括滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力FW和上坡阻力Fi。

圖1-2 驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生的示意圖

汽車行駛的過程，是驅(qū)動(dòng)力能否克服各種阻力的交替變化的過程：當(dāng)Ft＝∑F時(shí)，汽車勻速行駛；當(dāng)Ft＞∑F時(shí)，汽車速度增加，同時(shí)空氣阻力亦隨車速的增加而急劇增大，在某個(gè)較高速度處達(dá)到新的平衡然后勻速行駛；當(dāng)Ft＜∑F時(shí)，汽車減速乃至停駛。這時(shí)，如果要維持較高的車速，就需要加大發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率或?qū)⒆兯倨鲹Q入較低的檔位以維持較大的驅(qū)動(dòng)力。

1-5.發(fā)動(dòng)機(jī)是如何分類的？

1）按使用燃料分：汽油機(jī)、柴油機(jī)（天然氣、液化氣）等。

2）按工作循環(huán)分：四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。

3）按氣門位置分：頂置氣門式發(fā)動(dòng)機(jī)、側(cè)置氣門式發(fā)動(dòng)機(jī)。

4）按氣缸排列分：直列式發(fā)動(dòng)機(jī)、V形發(fā)動(dòng)機(jī)。

5）按氣缸數(shù)分：單缸發(fā)動(dòng)機(jī)、多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。

6）按進(jìn)氣活塞運(yùn)動(dòng)方式分：往復(fù)活塞式、旋轉(zhuǎn)活塞式（轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)）。

7）按進(jìn)氣狀態(tài)不同分：增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)、非增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)。

8）按冷卻方式不同分：水冷發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)。

1-6.發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能指標(biāo)有哪些？

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性指標(biāo)是表征發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力大小的指標(biāo)，一般用有效功率Pe、有效轉(zhuǎn)矩Me、平均有效壓力Pme、轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度v來表示。

1-7.什么是有效功率？

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸所輸出的功率，稱有效功率Pe（kW）、它是由發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)計(jì)算出來的。從理論分析，有效功率Pe等于指示功率Pi與機(jī)械損失功率Pm之差。

Pe＝Pi-Pm

1-8.什么是有效轉(zhuǎn)矩？

由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出的轉(zhuǎn)矩，稱為有效轉(zhuǎn)矩Me（N·m）。它與有效功率Pe、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n（r/min）之間的關(guān)系如下：或

1-9.什么是平均有效壓力？

發(fā)動(dòng)機(jī)單位氣缸工作容積輸出的有效功，稱為平均有效壓力Pme（kPa）。有效壓力與平均有效壓力關(guān)系為（τ表示發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)）或

對(duì)于排量（i×Vh）一定的發(fā)動(dòng)機(jī)，Me值越大，則單位氣缸工作容積輸出功率越多，輸出轉(zhuǎn)矩越大。Pe值是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的動(dòng)力指標(biāo)之一。

1-10.什么是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速？

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸每分鐘的回轉(zhuǎn)數(shù)，用n表示，單位為r/min。

1-11.發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)有哪些？

發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括有效熱效率ηe、有效燃油消耗率ge。

1-12.什么是有效熱效率？

燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為有效功的百分?jǐn)?shù)。循環(huán)的有效功與所消耗燃料的熱量之比，稱為有效熱效率ηe。有效熱效率越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性越好。

1-13.什么是有效燃油消耗率？

發(fā)動(dòng)機(jī)每輸出1kW·h的有效功所消耗的燃油量稱為有效燃油消耗率，單位為g/（hW·h）。按下列公式計(jì)算：ge＝B×103/e（B是發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)的耗油量，kg/h，可由試驗(yàn)測定；Pe是發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，kW）。

1-14.發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化指標(biāo)有哪些？

強(qiáng)化指標(biāo)是指發(fā)動(dòng)機(jī)承受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般包括升功率和強(qiáng)化系數(shù)等。

1-15.什么是升功率？

在標(biāo)定工況下，單位發(fā)動(dòng)機(jī)排量輸出的有效功率稱為升功率Pl。升功率大表明每升氣缸工作容積發(fā)出的有效功率大，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷都高。

1-16.什么是強(qiáng)化系數(shù)？

平均有效壓力與活塞平均速度的乘積為強(qiáng)化系數(shù)。

活塞平均速度是指發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度的平均值。它與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：Gm＝Sn×103/3（Gm為活塞平均速度，m/s；S為活塞行程，mm；n為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速，r/min）。

不論是活塞平均速度高，還是平均有效壓力大，均使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷增高。因此，強(qiáng)化系數(shù)表征了發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，其強(qiáng)化程度愈來愈高。

1-17.發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊性指標(biāo)有哪些？

緊湊性指標(biāo)是用來表征發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)緊湊程度的指標(biāo)，通常用比容積和比質(zhì)量衡量。

1-18.什么是比容積？

發(fā)動(dòng)機(jī)外廓體積與其標(biāo)定功率的比值稱為比容積。

1-19.什么是比質(zhì)量？

發(fā)動(dòng)機(jī)的干質(zhì)量與其標(biāo)定功率的比值稱為比質(zhì)量。干質(zhì)量是指未加注燃油、機(jī)油和冷卻液的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。比容積和比質(zhì)量越小，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)越緊湊。

1-20.發(fā)動(dòng)機(jī)的基本術(shù)語有哪些？

發(fā)動(dòng)機(jī)的基本術(shù)語如圖1-3所示。

1-21.什么是上止點(diǎn)？

上止點(diǎn)（TDC）是指活塞頂距曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的位置。

1-22.什么是下止點(diǎn)？

下止點(diǎn)（BDC）是指活塞頂距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近的位置。

1-23.什么是曲柄半徑？

曲軸的回轉(zhuǎn)半徑R稱為曲柄半徑，即由曲軸旋轉(zhuǎn)中心到曲柄銷中心的距離。

圖1-3 發(fā)動(dòng)機(jī)基本術(shù)語圖

1-24.什么叫活塞行程？

活塞行程S是指上、下止點(diǎn)間的距離。顯然，曲軸每回轉(zhuǎn)一周，活塞移動(dòng)兩個(gè)活塞行程。

1-25.什么是氣缸工作容積？

氣缸工作容積是指上下止點(diǎn)間所包括的氣缸容積，用Vs表示，單位為L。即有：（D為氣缸直徑，mm；S為活塞行程，mm）。

1-26.什么是燃燒室容積？

燃燒室容積Vc是指活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)時(shí)，活塞頂以上氣缸蓋底面以下所形成的空間。

1-27.什么是氣缸總?cè)莘e？

氣缸工作容積與燃燒室容積之和稱為氣缸總?cè)莘e，用Va表示。即：Va＝Vc＋Vs。

1-28.什么是發(fā)動(dòng)機(jī)排量？

發(fā)動(dòng)機(jī)排量VL是指發(fā)動(dòng)機(jī)所有氣缸工作容積之和，單位為L。對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)即有：VL＝Vsi（i為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)，Vs為氣缸工作容積）。發(fā)動(dòng)機(jī)排量是一個(gè)非常重要的特征參數(shù)，轎車以發(fā)動(dòng)機(jī)排量的大小來進(jìn)行分級(jí)：微型，VL≤1.0；普通級(jí)，VL＞1.0～1.6；中級(jí)，VL＞1.6～2.5；中高級(jí)，VL＞2.5～4.0；高級(jí)，VL≥4.0。

1-29.什么是壓縮比？

壓縮比ε是指氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比。壓縮比用來衡量空氣或可燃混合氣被壓縮的程度，它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。一般汽油機(jī)壓縮比為7～10（有的轎車可達(dá)9～11）；柴油機(jī)壓縮比較高，為16～22。壓縮比越大，壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)的氣體壓力和溫度就越高。

1-30.什么是發(fā)動(dòng)機(jī)工況？

發(fā)動(dòng)機(jī)在某一時(shí)刻的運(yùn)行狀況稱為工況，以內(nèi)燃機(jī)輸出的有效功率和曲軸轉(zhuǎn)速表示。曲軸轉(zhuǎn)速即為內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速。

1-31.什么是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率？

內(nèi)燃機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下發(fā)出的有效功率與相同轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大有效功率的比值稱為負(fù)荷率，以百分?jǐn)?shù)表示。負(fù)荷率通常稱負(fù)荷。

1-32.什么是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)？

發(fā)動(dòng)機(jī)完成進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)行程，稱一個(gè)工作循環(huán)。這期間活塞在上、下止點(diǎn)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)四個(gè)行程，曲軸轉(zhuǎn)兩周，即每一個(gè)行程有180°曲軸轉(zhuǎn)角。

1-33.什么是發(fā)動(dòng)機(jī)行程？

活塞由一個(gè)止點(diǎn)到另一個(gè)止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一次的過程，稱為發(fā)動(dòng)機(jī)行程。

1-34.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是如何工作的？

活塞往復(fù)四個(gè)行程完成一個(gè)循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)稱為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。每個(gè)循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)行程組成。

（1）進(jìn)氣行程 活塞在曲軸的帶動(dòng)下由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)。此時(shí)排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門開啟。在活塞移動(dòng)過程中，氣缸容積逐漸增大，氣缸內(nèi)形成一定的真空度。空氣和汽油的混合物通過進(jìn)氣門被吸入氣缸，并在氣缸內(nèi)進(jìn)一步混合形成可燃混合氣，如圖1-4a所示。

圖1-4 四沖程汽油機(jī)工作原理

（2）壓縮行程 進(jìn)氣行程結(jié)束后，曲軸繼續(xù)帶動(dòng)活塞由下止點(diǎn)移至上止點(diǎn)，如圖1-4b所示。壓縮行程有利于混合氣的迅速燃燒并可提高內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率。一般壓縮比為ε＝7～10，ε太大容易發(fā)生不正常燃燒。

（3）做功行程 壓縮行程結(jié)束時(shí)，安裝在氣缸蓋上的火花塞產(chǎn)生火花，將氣缸內(nèi)的可燃混合氣點(diǎn)燃，火焰迅速傳遍整個(gè)燃燒室，同時(shí)放出大量的熱能。燃燒氣體的體積急劇膨脹，壓力和溫度迅速升高。在氣體壓力的作用下，活塞由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)，并通過連桿推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，進(jìn)排氣門仍舊關(guān)閉，如圖1-4c所示。

（4）排氣行程 排氣門開啟，進(jìn)氣門仍然關(guān)閉，曲軸通過連桿帶動(dòng)活塞由下止點(diǎn)移至上止點(diǎn)，此時(shí)膨脹過后的燃燒氣體或廢氣在其自身剩余壓力和活塞的推動(dòng)下，經(jīng)排氣門排出氣缸之外。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，排氣行程結(jié)束，排氣門關(guān)閉，如圖1-4d所示。

1-35.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是如何工作的？

圖1-5 四沖程柴油機(jī)工作循環(huán)原理

四沖程柴油機(jī)和四沖程汽油機(jī)一樣，每個(gè)工作循環(huán)也是由進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)行程組成的。由于所使用燃料的性質(zhì)不同，柴油機(jī)在可燃混合氣的形成和著火方式上與汽油機(jī)有很大區(qū)別，如圖1-5所示。

（1）進(jìn)氣行程 進(jìn)氣行程不同于汽油機(jī)的是進(jìn)入氣缸的不是可燃混合氣，而是純空氣。

（2）壓縮行程 壓縮行程不同于汽油機(jī)的是壓縮純空氣。由于柴油機(jī)的壓縮比大，壓縮終了的溫度和壓力都比汽油機(jī)高，壓力可達(dá)3～5MPa，溫度可達(dá)800～1000K。

（3）做功行程 此行程與汽油機(jī)有很大差異。壓縮行程終了，噴油泵將高壓柴油經(jīng)噴油器呈霧狀噴入氣缸內(nèi)的高溫、高壓空氣中，柴油被迅速汽化并與空氣形成混合氣，由于此時(shí)氣缸內(nèi)的空氣溫度遠(yuǎn)高于柴油的自燃溫度（約500K），柴油混合氣便立即自行著火燃燒，且此后一段時(shí)間內(nèi)邊噴油邊燃燒，氣缸內(nèi)壓力和溫度急劇升高，推動(dòng)活塞下行做功。

（4）排氣行程 此行程與汽油機(jī)基本相同。排氣行程終了時(shí)的氣缸壓力為0.105～0.125MPa，溫度為800～1000K。

1-36.大眾直噴發(fā)動(dòng)機(jī)如何分層充氣？

（1）進(jìn)氣過程 如圖1-6所示，在分層充氣模式時(shí)，節(jié)氣門打開，以減少節(jié)流損失。進(jìn)氣歧管翻板工作，封住各進(jìn)氣歧管的下進(jìn)氣道，使空氣運(yùn)動(dòng)加速。此時(shí)氣缸處于進(jìn)氣行程，被吸進(jìn)來的空氣以渦流形式通過上部的進(jìn)氣通道加速進(jìn)入氣缸，活塞頂部的特殊形狀加劇了氣流的渦流效果，如圖1-7所示。

圖1-6 進(jìn)氣過程

圖1-7 空氣呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入氣缸

（2）噴油過程 如圖1-8所示，當(dāng)活塞處于壓縮行程時(shí)，噴油開始于約上止點(diǎn)前60℃A（曲軸轉(zhuǎn)角），噴油結(jié)束于約上止點(diǎn)前45℃A，噴油器噴射的燃油被噴射到活塞的凹坑內(nèi)。噴油時(shí)刻對(duì)混合氣的形成有很大影響。在到達(dá)點(diǎn)火時(shí)間之前的很短時(shí)間里，噴油器以5～10MPa的壓力向火花塞附近噴射燃油，燃油噴射角非常?。ㄆ剑?，燃油霧氣不與活塞頂部接觸。

圖1-8 噴油器噴油過程

（3）混合氣形成過程 如圖1-9所示，混合氣形成只發(fā)生在40°～50°曲軸轉(zhuǎn)角之間。如果曲軸角小于這個(gè)范圍，則無法點(diǎn)燃混合氣；如果曲軸轉(zhuǎn)角大于這個(gè)范圍，則混合氣就變成均質(zhì)充氣了。

圖1-9 混合氣形成過程

（4）做功燃燒過程 如圖1-10所示，當(dāng)混合氣形成分層時(shí)，即火花塞處混合氣較濃，遠(yuǎn)離火花塞處混合氣較稀，火花塞點(diǎn)火，使混合好的氣霧點(diǎn)燃做功?；旌虾玫臍忪F周圍的氣體起到隔離作用，氣缸壁熱損耗小，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高。此時(shí)節(jié)氣門不能完全打開，因?yàn)楸仨毐３忠欢ǖ恼婵眨ㄓ糜诨钚蕴抗扪b置和廢氣再循環(huán)裝置）。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以通過噴油量來調(diào)節(jié)，進(jìn)氣量和點(diǎn)火角度對(duì)于轉(zhuǎn)矩影響很小。

1-37.直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的均質(zhì)混合氣模式如何充氣？

圖1-10 燃燒做功過程

（1）進(jìn)氣過程 在均質(zhì)混合氣模式，節(jié)氣門的開度是按加速踏板位置傳感器的信號(hào)來控制的。進(jìn)氣歧管翻板是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速來控制的，可打開、關(guān)閉、部分關(guān)閉進(jìn)氣歧管的下進(jìn)氣道，如圖1-11所示。

（2）噴油過程 均質(zhì)混合氣模式的噴油時(shí)刻與均質(zhì)稀混合氣模式相同，即在點(diǎn)火上止點(diǎn)前300℃A時(shí)噴入燃油，如圖1-12所示，但此模式的過量空氣系數(shù)為λ＝1。

（3）混合氣形成過程 均質(zhì)混合氣模式的混合氣形成時(shí)間也較長，這可使混合氣能充分混合，如圖1-13所示。

（4）點(diǎn)燃做功過程 對(duì)于均質(zhì)混合氣模式，點(diǎn)火時(shí)刻也有較大的范圍，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速以及其他傳感器信號(hào)來進(jìn)行精確控制，如圖1-14所示。

圖1-11 進(jìn)氣過程（均質(zhì)混合氣模式）

圖1-12 噴油過程

圖1-13 形成均質(zhì)混合氣

圖1-14 點(diǎn)燃做功（均質(zhì)混合氣模式）