浅谈汽油发动机的构造与原理.doc

武汉轻工大学

日常生活中的机械论文

论文题目：浅谈汽油发动机的构造与原理

学 院 机械工程学院
专业名称 机械
学生姓名 倪立锋
学生学号 130309034

2013 年12月
7

浅谈汽油发动机的构造与原理

摘要

发动机是将某种能量转化为机械能的一种机器。其作用是将液体或气体燃烧的化学能转化为热能，再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力，不断循环从而带动汽车的轮轴，形成了汽车的动力来源。本文概括了车用汽油发动机的构造，工作原理及当前的新技术，包括汽油发动机概述，汽油发动机工作原理及构造，曲柄连杆机构中的机体，汽油发动机新技术简介。

关键词 ：发动机 行程 曲柄连杆机构 稀薄燃烧
一﹑汽油发动机概述
内燃机以热效率高，结构紧凑，机动性强，运行维护简便等优点著称于世。目前内燃机的拥有量大大超过了其它的热力发动机，占有相当重要的地位。
1876年德国人奥托第1台4冲程往复活塞式内燃机，在1878年巴黎万国博览会上，被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。在前人的研究基础上，1883年，戴姆勒和迈巴赫制成了第1台4冲程往复式汽油发动机。到19世纪末，活塞式汽油发动机大体上进入了实用阶段，在广泛应用中不断得到改善和革新，并且很快显示出了巨大的生命力。在过去1世纪里制造出的数以亿忘记的汽车中大多使用4冲程汽油发动机，而2冲程汽油发动机在汽车上则使用很少。
1﹑汽油发动机所需要具有的功能如下。
（1) 小型，轻量，高性能。从汽车的使用角度来考虑，汽油发动机要具有使用方便，低燃料消耗率，和节省资源等特点，因此发动机需要小型和轻量化；而为满足人们舒适性等要求，需要体现出优越的性能。
（2) 低燃料消耗率。汽油是不可再生资源，为缓解能源危机，需要提高汽油发动机的经济性降低燃料消耗率
（3) 高耐久和高可靠性。
（4) 低振动，低噪音。为了提高汽车的舒适性，发动机要求振动小，噪音低。
（5) 安全性高，低公害。随着汽车的普及，交通事故，环境污染及地球大气的温暖化等危及人类生存的问题日益严重。为减轻上述问题，汽油发动机要求高安全性，低公害。
2﹑汽油发动机的类型：
（1） 根据活塞运动方式的不同，汽油发动机可分为往复活塞发动机和旋转式的转子发动机。
（2） 根据燃料的供给方式不同，汽油发动机可分为化油器发动机和汽油喷射发动机。
（3） 根据冷却方式不同，活塞式汽油发动机可分为水冷式和风冷式。
（4） 往复式活塞汽油发动机根据汽缸数的不同，分为单缸和多缸式。多缸发动机中有2,3,4,5,6,8,10,12气缸等，按排列方式分为直列形，V形，水平对置形等。

二﹑汽油发动机工作原理及其构造
发动机是汽车的动力发生装置，汽车发动机按使用的燃料可分为汽油发动机，柴油发动机和气体燃料发动机等。目前汽车上使用较多的是汽油发动机。汽油发动机是将汽油和空气在发动机内部混合，燃烧，将产生的热能转变为机械能的一种内燃机，具有结构紧凑，体积小，质量轻和启动容易等优点。

1﹑往复活塞式发动机的工作原理

对于往复活塞式汽油发动机，每次能量转化都必须经过吸入空气，压缩和输入燃料，使燃料燃烧而膨胀做功，最后将生成的废气排出。这一连续工作过程称为汽油发动机的一种工作循环。若完成一个循环需要活塞往复4个行程（进气，压缩，做功，排气）称为4冲程汽油发动机，完成一次循环需要活塞往复2个行程的便称为2冲程汽油发动机。
单杠往复活塞式汽油发动机的基本构造如图所示。气缸内装有活塞，活塞通过活塞销，连杆与曲轴相连。活塞在气缸内作往复运动，通过连杆推动曲轴转动。
气缸的顶端用气缸盖封闭。在气缸盖上装有进气门和排气门，头朝下，尾朝上倒挂在气缸顶端，分别向气缸内充气，向气缸为排气。进，排气门的开闭由凸轮轴控制，凸轮轴由曲轴通过齿形带，齿轮或链条驱动。进，排气门和凸轮轴以及其他一些零件共同组成配气机构，通常称这种结构形式的配气机构为置顶气门配气机构。现代汽车发动机无一例外的都采用置顶气门配气机构。构成气缸的零件称作气缸体，支撑曲轴的零件称为曲轴箱，气缸体与曲轴箱的连铸体称作机体。

2﹑工作行程
4冲程汽油发动机在一个循环内需要完成进气，压缩，做功，排气4个行程，对应活塞上下往复运动4次，相应的曲轴旋转720度。4冲程汽油发动机在一个工作循环里，气缸内活塞运动如下：

1，进气行程
如图所示，活塞在曲轴的带动下由上止点移动至下止点。此时排气门关闭，进气门开启。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度。空气和汽油的混合物通过进气门进入被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气体。

2，压缩行程
如图所示，进气行程结束后，曲轴机械带动活塞由下止点移至上止点。这时，进，排气门均关闭。随活塞移动，气缸容积不断减小，气缸内的混合气体被压缩，其压力和温度同时升高。

3，做功行程
如图所示，压缩行程结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气体点燃，释放出大量热能。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴旋转做功。随活塞向下运动，气体压力和温度降低。但活塞到达下止点时，做功行程结束。这时进，排气门依然关闭。

4，排气行程
如图所示，排气行程开始。排气门开启，进气门依然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点，此时膨胀过后的燃烧气体在自身剩余压力和活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭。
曲轴继续旋转，活塞由上止点向下止点运动，又开始了新循环。4冲程汽油发动机经过进气，压缩，做功，排气4个行程完成1个工作循环，这个期间活塞在上，下止点间做往复运动，曲轴旋转了2周。

三﹑曲柄连杆机构
1﹑曲柄连杆机构概述
曲柄连杆机构的功能是将燃烧产生的热能转变为机械能，通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。曲柄连杆机构由机体组（主要包括气缸体，曲轴箱，油底壳，汽缸套，汽缸盖和气缸垫等不动件），活塞连杆体（主要包括活塞，活塞环，活塞销和栏杆等运动件）和曲轴飞轮组（主要包括曲轴，飞轮，扭转减震器和平衡轴等机构）3部分组成。
曲柄连杆机构在高温，高压，高速以及有化学腐蚀的条件下工作。发动机做功时，气缸内的最高温度可达2500K以上，最高压力可达5-9MPa以上。
曲柄连杆机构在高压下做变速运动，主要承受气体压力，往复惯性力，旋转运动件的离心力以及相对运动件接触表面的摩擦力。
2﹑机体组
汽车发动机机体组主要由机体，气缸盖，汽缸盖罩。汽缸垫，主轴承盖以及油底壳等组成。
机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构，配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体。汽缸盖用力封闭气缸顶部，并与活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室。另外，汽缸盖和机体内的水套，油道以及油底壳又分别是冷却系统和润滑系统的组成部分。组成如下图所示：

1﹑机体的材料：
机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。随新材料的使用，轿车发动机上采用铝合金机体越来越普遍。与灰铸铁机体相比，铝合金机体具有以下优点：
（1) 铝合金的导热性很好，采用全铝机体可以提高压缩比，有利于提高发动机的功率。
（2) 铝合金的散热性能好，可以减少冷却液容量，减少散热器尺寸，使整个发动机轻量化。
（3) 铝合金机体质量轻，有利于前置发动机前轮驱动的轿车前后轮载荷的合理分配。
（4) 全铝机体与铝活塞的热膨胀系数相同，活塞与气缸的间隙可以控制到最小，从而可以降低噪声可机油消耗量。
2﹑机体的构造
机体的构造与气缸排列形式，气缸结构形式和曲轴箱结构形式有关。
（1) 气缸排列形式有3种：直列式，V型和水平对置式，如图所示

（2）曲轴箱一般采用3种结构形式：平底式，龙门式和隧道式如图所示

四﹑汽车发动机新技术简介
1﹑稀薄燃烧技术
（1）稀薄燃烧技术的概念
汽油发动机以其升功率大，振动小，重量轻，体积小，噪音低等优点成为汽车，摩托车等交通工具的主要动力，但是也有排放高，耗油高2大缺点。为解决汽油发动机这2大缺点，研究出的稀薄燃烧技术由于具有燃油经济性好，CO,HC,CO2和NOx排放低等优点，受到诸多研究者的重视。
所谓稀薄燃烧，是指通过提高发动机内混合气的空燃比，让混合气在空燃比大于理论空燃比数值（14.7）的状态下燃烧，也称为稀燃技术。稀薄燃烧时，发动机混合气中的汽油含量低，汽油和空气之比可达1:25以上。这样，燃料能完全燃烧，也减少了换气损失，从而实现在部分负荷时的节能，降低尾气排放。
（2）稀薄燃烧技术在汽油发动机上的技术进步
1）提高压缩比
采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动涡流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13:1左右，促进燃烧速度加快。
2） 分层燃烧
当混合比到达25:1以上，按照常规是无法点燃的，必须采用由浓至稀的分层燃烧方式通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点燃的浓混合气，混合比到达12:1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。
3） 高能点火
高能点火和宽间隙火花塞有利于火焰中心形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来到达上述目的。
（3） 稀薄燃烧技术在汽油发动机上的优势
1）对经济性的改善
采用稀薄混合气燃烧时循环热效率提高；由于稀燃混合气燃烧温度降低，燃烧产物的离解损失减小，降低了与气缸壁面的传热，也使热效率得以提高。从而使发动机油耗明显下降。
2） 对排放的改善
随着空燃比的增加，由于采用稀的混合气体使燃烧温度降低，NOx的排放明显减少；燃烧速度的降低可能会使燃烧不完全，HC的排放会迅速增加。如果能合理地设计紧凑的燃烧室，并组织好空气运动，使燃烧在短时间内完成，那么各种气体的排放都可以大大减少。
（4） 稀薄燃烧发动机的缺点
根据稀燃发动机运转状态，空燃比连续变化，催化转化器不能净化排放气体中的NOx，因为稀薄燃烧中，排放气体中残留很多氧气，不能进行NOx的还原反应。为使NOx吸储型催化剂获得高效功能，必须将温度保持在一定范围内。
为此，必须增加废气冷却装置。利用这种冷却装置，排放气体通过NOx吸储型催化转化而被冷却，由于稀薄燃烧的范围宽，催化转化器的寿命也延长。然而催化转化器会受到硫侵蚀而中毒，所以必须把汽油中的硫降低到最少。但是，含硫低的汽油还未普及。
另外，稀燃发动机对喷油器的要求较高，因此对喷油器设计和制造的要求都相对较高。如果布置不合理，制造进度达不到要求导致刚度不足甚至漏气，只能得不偿失。同时，稀燃发动机对燃油品质的要求也比较高。

参考文献
[1]高鲜萍，汽油发动机构造与原理，科学出版社，2009
[2]吴社强，汽车构造，上海科技出版社，2003
[3]王望予，汽车设计，北京：机械工业出版社，2004
[4]姜玉波，汽车发动机构造，北京大学出版社，2006
[5]石美玉，汽油发动机，北京：化学工业出版社，2005
[6]陈佳瑞，汽车构造，人民交通出版社，2006