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汽油机系统设计
一、汽油机总体构造简介
发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统。汽油机由两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；
二、汽油机曲柄连杆机构设计
1、构成及作用
曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。
2、具体设计
曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。
　　（1）机体组：气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱及油底壳、曲轴箱、汽缸套
　　（2）活塞连杆组：活塞、活塞环、活塞销、连杆
（3）曲轴飞轮组：曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡轴
（1）机体组设计
机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。
气缸体设计
　　气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，是发动机中最重要的一个部件。气缸体有水冷式缸体和风冷式气缸体。
　　水冷式气缸体一般与上曲轴箱铸成一体。气缸体上部拍了出所有气缸，气缸周围的空腔相互连通构成水套。下半部分是用来支承曲轴的曲轴箱。
　　气缸体有直列、V形和水平对置三种形式，在汽车上常用直列和V形两种。气缸体下部的结构有一般式、龙门式、和隧道式三种形式风冷式气缸体和曲轴箱采用分体式结构，气缸体和曲轴箱分开铸造，然后再装配到一起。气缸体和气缸盖外表面铸有许多散热片来保证充分散热，缸体的材料一般用灰铸铁，为提高气缸的耐磨性，有时在铸铁中加入少量合金元素如镍、钼、铬、磷等。但是，实际上除了与活塞配合的气缸壁表面外，其他部分对耐磨性要求并不高。为了材料上的经济性，广泛采用缸体内镶入气缸套来形成气缸工作表面。这样，缸套可用耐磨性较好的合金铸铁或合金钢制造，以延长气缸使用寿命，而缸体可用价格较低的普通铸铁或铝合金材料制造。气缸套有干式和湿式两种。
　　干式气缸套外表面不直接与冷水接触，其壁厚一般为1～3mm。缸套外表面与其装配的气缸体内表面采用过盈配合。
　　湿式缸套外表面直接与冷却水接触，冷却效果好。其壁厚比干式缸套厚，一般为5～9mm。
气缸盖设计
气缸盖的主要作用是封闭气缸上部，与活塞顶部和气缸壁一起构成燃烧室。
一般水冷式发动机气缸盖内铸有冷却水套，缸盖下端面与缸体上端面向所对应的水套是相通的，利用水的循环来冷却燃烧室壁等高温部分；风冷式发动机气缸盖上铸有许多散热片，靠增大散热面积来降低燃烧室的温度。
发动机的气缸盖上应有进排气门座导管孔和进排气通道等。汽油机气缸盖还应有火花塞孔，而柴油机则设有安装喷油器的做孔。
气缸垫设计
气缸盖与气缸体之间装有气缸衬垫，其作用是保证气缸盖与气缸体间的密封，防止燃烧室漏气、水套漏水。
油底壳设计
油底壳的主要作用是储存机油并封闭曲轴箱。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成。
（2）活塞连杆组设计
　　活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成。
活塞设计
活塞的作用是与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室，并承受气缸中气体压力，通过活塞销将作用力传给连杆，以推动曲轴旋转。 活塞可分为头部、环槽部和裙部三部分。
活塞头部设计
活塞是燃烧室的组成部分，其形状取决于燃烧室的形式。常见的活塞头部形状有平顶式、凹顶式和凸顶式。
活塞环槽设计
活塞环安装在活塞环槽内。汽油机一般由2～3道环槽,上面1～2道用来安装气环,实现气缸的密封;最下面的一道用来安装油环.在油环槽底面上钻有许多径向回油孔,当活塞向下运动时,油环把气缸壁上多余的机油刮下来经回油孔流回油底壳。若温度过高，第一道环容易产生积碳，出现过热卡死现象。
活塞裙部设计
活塞裙部起导向作用。
活塞环设计
　　活塞环安装在活塞环槽内，用来密封活塞与气缸壁之间的间隙，防止窜气，同时使活塞往复运动便顺捷。活塞环分为气环和油环两种。
活塞销设计
　　活塞销的作用是连接活塞和连杆小头，并将活塞所受的气体作用力传给连杆。
　　活塞销通常为空心圆柱体，有时也按等强度要求做成截面管状体结构。
　　活塞销一般采用低碳钢或低碳合金制造。
　　活塞销与活塞销座孔和连杆小头衬套孔的连接采用全浮式和半浮式连接。采用全浮式连接，活塞销可以在孔内自由转动；采用半浮式连接，销与连杆小头之间为过盈配合，工作中不发生相对转动；销与活塞销座孔之间为间隙配合。
（3）连杆设计
　　连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。
　　连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，连杆体与连杆盖分为连杆小头、杆身和连杆大头。
　　连杆小头用来安装活塞销，以连接活塞。杆身通常做成“工”或“H”形断面，以求在满足强度和刚度要求的前提下减少质量。
　　连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。一般做成分开式，与杆身切开的一半称为连杆盖，二者靠连杆螺栓连接为一体。
连杆轴瓦 安装在连杆大头孔座中，与曲轴上的连杆轴颈装和在一起，是发动机中最重要的配合副之一。常用的减磨合金主要有白合金、铜铅合金和铝基合金。
（4）曲轴飞轮组设计
　　曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮和一些附件组成。
曲轴设计
　　飞轮组主要由曲轴和飞轮以及其他不同作用的零件和飞轮以及其他不同作用的零件和附件组成。
　　曲轴是发动机最重要的机件之一。其作用是将活塞连杆组传来的气体作用力转变成曲轴的旋转力矩对外输出，并驱动发动机的配气机构及其他辅助装置工作。
　　曲轴前端主要用来驱动配气机构、水泵和风扇等附属机构，前端轴上安装有正时齿轮(或同步带轮)、风扇与水泵的带轮、扭转减振器以及起动爪等。
　　曲轴后端采用凸缘结构，用来安装飞轮。
　　主轴颈和连杆轴颈是发动机中最关键的滑动配合副，一般均进行表面淬火，轴颈过渡圆角处还须进行滚压强化等化等工艺，以提高其抗疲劳强度。
　　曲轴的轴向定位一般采用止推片或翻边轴瓦，定位装置装在前端第一道主轴承处或中部某轴承处。
　　曲轴一般选用强度高、耐冲击韧度和耐磨性能好的优质中碳结构钢、优质中碳合金钢或高强度球墨铸铁来锻造或铸造。
　　曲轴在装配前必须经过动平衡校验，对不平衡的曲轴，常在其偏重的一侧平衡重或曲柄上钻去一部分质量，以达到平衡的要求。
飞轮设计
　　飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，外缘上压有一个齿圈，与起动机的驱动齿轮啮合，供起动机发动机时使用。
　　飞轮上通常还刻有第一缸点火正时记号，以便校准点火时刻。
　　多缸发动机的飞轮应与曲轴一起进行动平衡试验。为了保证在拆装过程中不破坏飞轮与曲轴间的装配关系，采用定位销或不对称螺栓布置方式，安装时应加以注意。
三、汽油机配气机构设计
1、构成及作用
配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。
2、具体设计
（1）气门设计
　　气门是由气门头部和杆部组成。气门头部温度很高（进气门570~670，排气门1050~1200），而且还承受气体的压力、气门弹簧的作用力和传动组件惯性力，其润滑、冷却条件差，要求气门必须有一定强度、刚度、耐热和耐磨性能。进气门一般采用合金钢（铬钢、镍铬钢），排气门采用耐热合金（硅铬钢）。有时为了省耐热合金，排气门头部用耐热合金，而杆部用铬钢，然后将两者旱起来。
　　气门头部的形状有平顶、球面顶和喇叭顶等。一般是使用平顶的。平顶气门头部结构简单、制造方便、吸热面积小、质量较小、进排气门都可以使用。球面顶气门适用于排气门，其强度高、排气阻力小、废气消除效果好，但其受热面积大，质量和惯性大、加工复杂。喇叭型有一定的流线型，可减少进气阻力,但其头部受热面积大，只适合进气门。
　　气门锥角是气门密封面的角度一般是45°，有些是30°（CA1091性汽车6102型发动机）.30的气门是考虑升程相同的情况下，气门锥度小，气门通过端面大，进气阻力小，但由于锥度小的气门头部边缘较薄，刚度小，密封性与导热性差，一般用于进气门。气门边缘的厚度一般为1~3mm，以防止工作中与气门座冲击而损坏或被高温烧坏。为了减少进气阻力，提高汽缸进气效率，多数发动机进气门比排气门大。用过的进气门与排气门颜色也不同。
气门杆呈圆柱型，在气门导管中不断进行往复运动，其表面必经过热处理和磨光。气门杆端部的形状取决于气门弹簧的固定形式，常用的结构是两半锁片来固定弹簧座，气门杆的端部有环槽来安装锁片，有的是用锁销来固定，其端部有一安装锁销用的孔。
（2）气门导管设计
　　气门导管的作用是起导向作用，保证气门做直线运动。使气门与气门座能正确贴合。此外，气门导管还在气门杆与汽缸体之间起导热作用。
　　气门导管的工作温度较高，约500K，气门杆在其中运动，紧靠配气机构飞溅出来的机油进行润滑，易磨损，所以气门导管大多数适用灰铸铁、球墨铸铁等制造的。
气门导管外圆柱面经过机加工后压入汽缸盖，为了防止气门导管在使用中松脱，有的发动机用卡环定位。气门杆与气门导管之间有0.05~0.12mm间隙，使气门杆能在导管中自由运动。
（3）气门座设计
　　气门座可以在汽缸盖（气门顶置）或汽缸体（气门侧置）上直接搪出和气门座用交好的材料单独制作，然后镶嵌到汽缸盖或汽缸体上。他们与气门的头部共同对汽缸起密封作用，并接受气门出来的热量。
进气门的温度较低，可以直接搪出但排气门的温度较高，润滑条件较差，及易磨损，多用镶嵌式。镶嵌式的缺点是导热性差、加工精度高、容易脱落，一般直接搪出来好。用铝合金的汽缸盖，由于铝合金材质软，进排气门均镶嵌。
（4）气门弹簧设计
　　气门弹簧的功用是克服在气门关闭过程中气门及传动件的惯性力，防止各传动件之间的惯性的作用产生间隙。保证气门及时坐落并进密接出，防止气门在发动机震动时发生跳动，破坏其密封性。
　　气门弹簧多为圆柱型螺旋弹簧，其材料为高炭锰钢冷拔钢丝，加工后热处理，钢丝表面要磨光、抛光或用喷丸处理。为了防止生锈，表面镀锌。
　　气门弹簧的一端支承在气缸盖或气缸体上，而另一端则压靠在气门杆端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的末端。为了防止弹簧发生共振，可采用变螺距的圆柱弹簧（如红旗轿车的8V100发动机气门弹簧）。高速发动机多数是一个气门有同心安装的内、外两根气门弹簧。这样能提高气门弹簧。
　　工作可靠性，即不但可以防止共振，而且当一根弹簧折断时，另一根还可维持工作。此外还能使气门弹簧的高度减小。当装用两根气门弹簧时，弹簧圈的螺旋方向应相反。这样可以防止折断的弹簧圈卡入另一个弹簧圈内。680Q型发动机，492Q型发动机和CA6102型发动机均采用双气门弹簧。
四、汽油机起动系统设计
1、构成及作用
要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。
2、具体设计

五、汽油机点火系统设计
1、构成及作用
在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。
2、具体设计
（1）火花塞设计
　　顾名思义，火花点火引擎要点火就必须靠火花，而火花是借着火花塞产生的。火花塞借螺牙锁付在引擎燃烧室的顶端，也就是在缸头上，进、排气门之间，火花塞在头部有一中央电极及接地电极，接地电极是由螺牙部分延伸出来成L形，与中央电极维持0.7到0.9mm的间隙，火花塞尾部则与高压导线连接。
　　当高压导线将极高的电压送至火花塞时，造成火花塞的两个电极间极大的电位差，导致两极间隙间原本无法导电的空气成为导体，电流便以离子流 (Ionizing Streamers) 的方式由一个电极传至另一电极，产生电弧 (Electric Arc) 来点燃引擎是中的油气。若您还是觉得不好理解，可以去观察瓦斯炉或放电式打火机的点火方式，火花塞的点火方式跟它们很类似。
各式火花塞除了会有大小上不同外，相同大小的火花塞还会有热值的不同。热值大的火花塞其电极绝缘包覆的部分较长，适用运转温度较低的引擎；而热值较小的火花塞其电极绝缘包覆的部分较长，适用运转温度较高的引擎，如竞技用引擎。各式车辆必须依照原厂规定的火花塞规格选用火花塞，若使用热值过高的火花塞，引擎容易因温度过高而爆震；使用热值过低的火花塞，引擎则可能因燃烧温度过低而造成燃烧不完全或积碳。
（2）分电盘点火与电子点火设计
分电盘是以机械方式控制各缸的点火时机，其中有一转子在分电盘中旋转，其旋转轴是由引擎带动并且转速是引擎曲轴转速的二分之一，连接至各缸火星塞的接点则依序设置在分电盘四周。当转子在分电盘中旋转时，会依序使各缸接点之触发电流导通，并藉高压导线将电传送至火星塞，使火星塞点火。
　　分电盘上会有一个惯性弹簧-飞轮组来控制随着引擎转速
不同之点火提前角，也有真空机构随着不同的引擎负荷来控制点火提前角。虽然如此，因为分垫盘的点火提前角控制皆为机械式，以现代引擎科技而言，还是无法称得上精确，但是因成本关系，也有少数2000c.c.以下的引擎采用分电盘点火。
机械组件虽然可靠，但用来作引擎系统的控制总不若电子组件来得精确。在环保法规的日益严苛及消费者对性能的重视，各家车厂纷纷采用电子点火系统，及其它电子控制系统。电子点火是每两缸或每一缸由一个高压点火线圈负责，由ECU个别对点火线圈下达点火讯号，其点火提前角是由ECU依据引擎运转状况计算而得，可依据引擎运转作灵活的调整；若配备有爆震感知器的引擎，ECU也能直接对某缸作点火角提前或延后的动作。所以，爆震感知器只能装设在有电子点火的引擎上，因为分电盘的点火提前角是不受ECU控制的。
六、汽油机冷却系统设计
1、构成及作用
冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。
2、具体设计

七、汽油机润滑系统设计
润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。
八、汽油机燃料供给系统设计
汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出