汽车发动机类型及工作原理 汽车发动机结构及工作原理

序言：汽车发动机是汽车中最重要的部件，相当于人的心脏，主要作用是为汽车提供动力。

现重点介绍一下汽车发动机的结构及工作原理。

基本术语

 上止点：活塞顶离曲轴回转中心最远处。

 下止点：活塞顶离曲轴回转中心最近处。

 活塞行程(S)：上下止点间的距离。

 曲柄半径(R)：曲轴的回转半径。

 气缸工作容积(V h )：上下止点间所包容的气缸容积。

 发动机排量(VL)：发动机所有气缸工作容积。

 燃烧室容积(Vc )：活塞位于上止点时，活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间。

 气缸总容积(Va )：气缸工作容积 与燃烧室容积之和。

 工作循环：活塞式内燃机的工作循环是由进气、压缩、作功、排气四个工作过程组成的封闭过程。

四冲程发动机的简单工作原理

一、四冲程汽油机的工作原理

1、进气行程

2、压缩行程

3、作功行程

4、排气行程

进气门早开晚关：为增加进入气缸内的混合气和减少进气过程所消耗的功。

排气门早开晚关：为减少气缸内残余废气量和排气过程消耗的功。

二、四冲程柴油机的工作原理

发动机的总体构造

（5）曲轴箱

1、概念：

曲轴箱：气缸体下部用来安装曲轴的部分。

2、结构：

上曲轴箱 与气缸体铸成一体

下曲轴箱 贮存润滑油（油底壳）

3、下曲轴箱

功用：储存机油和密封机体或曲轴箱。

材料：薄钢板冲压或铝铸制成

特点：局部做的较深（便于油泵吸油）；

内部设有挡板（减轻汽车颠簸时油面震荡）

二 气缸盖

功用：密封气缸的上部，与活塞、气缸等共同构成燃烧 室。

三 燃烧室

四 气缸垫

1、功用：安装在气缸盖和气缸体之间，保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水和漏油。

2、材料性能：一定的弹性、具有足够的强度、并且要耐压、耐热、耐腐蚀

3、安装时注意方向

结构：

（1）活塞顶部

功用：是燃烧室的组成部分，主要作用承受气体压力。

（2）活塞头部

作用：1、安装活塞环、与活塞环一起密封气缸，

2、防止可燃混合气漏到曲轴箱内，油环槽底部有回油孔

3、将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。

（3）活塞裙部

位置：从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，包括销座孔。

作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力，防止破坏油膜。

工作时，活塞受热膨胀，由于销座方向的金属材料较多，所以膨胀量较大。所以在生产时先将活塞制成椭圆形，短轴在销座轴方向。

四 连杆

作用：连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。

曲轴的支承方式

概念：

在相邻的两个曲拐之间都设置一个主轴颈的曲轴，称为全支承曲轴，否则称为非全支承曲轴。

配气机构

一、功用：

按照发动机每个气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。

二、充气效率：

在进气行程中，实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量与在进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比。

ηv=M/M0

M ——进气过程中，实际进入气缸的新气的质量；

Mo——在理想状态下，充满气缸工作容积的新气质 量。

配气机构的布置和工作情况

一、气门的布置型式

1、气门顶置式

组成：

2、气门侧置式

进排气门都布置在气缸的一侧，结构简单、零件数目少。

气门布置在同一侧导致燃烧室结构不紧凑、热量损失大、进气道曲折、进气阻力大，使发动机性能下降，已趋于淘汰。

二、凸轮轴的布置型式

1、凸轮轴下置

不利因素：凸轮轴与气门相距较远，动力传递路线较长，环节多，因此不适用于高速发动机。

有利因素：简化曲轴与凸轮轴之间才传动装置，有利于发动机的布置。

2、凸轮轴中置式

传动方式：凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，省去了推杆。

应用：适用于发动机转速较高时，可以减少气门传动机构的往复运动质量。

配气机构的组件

一、气门组

二、气门驱动组

1、组成

2、功用：定时驱动气门开闭，并保证气门有足够的开度和适当的气门间隙。

4、摇臂

功用：

将推杆或凸轮传来的力改变方向，作用到气门杆端以推开气门。

汽油机燃料供给系

1． 功用

柴油机供给系同样要完成柴油供给和空气供给以及可燃混合气的形成、燃烧和废气的排出任务。

2． 组成

燃油供给装置：柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等。

空气供给装置：空气滤清器、进气管道。

混合气形成装置：燃烧室。

废气排出装置：排气管道、消音器

喷油器

1．功用与型式

功用：将喷油泵供给的高压柴油，以一定的压力，呈雾状喷入燃烧室。

型式：目前采用的喷油器都是闭式喷油器，有孔式和轴针式两种。

要求：

①雾化均匀

②喷射干脆利落

③无后滴现象

④油束形状与方向，适应燃烧室

喷油泵

功用：

提高柴油压力，按照发动机的工作顺序，负荷大小，定时定量地向喷油器输送高压柴油，且各缸供油压力均等。

分类：

柱塞式喷油泵

喷油泵- 喷油器

转子分配式喷油泵

发动机冷却系

离心式水泵特点：结构简单，尺寸小排量大，当水泵停止工作时并不妨碍水在冷却系中自然循环。

离心式水泵工作示意

发动机的润滑系

发动机润滑系的组成

集滤器、机油泵、油底壳、机油滤清器、机油散热器、机油压力表、机油温度表

发动机悬置系统

发动机悬置设计的目的：

• 一、悬置系统的激振源

发动机本身是一个内在的振动源，同时也受到来在外部的各种振动干扰，引起零部件的损坏和乘坐的不舒适等。作用于发动机的激振源主要如下：

1、发动机启动及熄火停转时的摇动；

2、怠速运转时的抖动；

3、发动机高速运转时的振动；

4、路面冲击所引起的车体振动；

5、大转矩时的摇动；

6、汽车起步或变速时转矩变化所引起的冲击；

7、过大错位所引起的干涉和破损。

总之，使发动机总成产生振动的主要振源概括起来有两种：一为内振源，主要是由于燃烧脉动、活塞和连杆的运动产生的不平衡力和力矩。二是外振源，主要来源于不平的路面或传动系。这两种振源几乎都是同时作用，使发动机处于复杂的振动状态。

• 二、悬置系统设计目的

汽车是一个由多个质量体、弹性体和阻尼组成的多质量系统，发动机是汽车上的一个主要振动源，其振动由发动机动力总成经悬置系统传递给车架或车身，良好的发动机悬置系统参数设计可以有效地降低汽车整车地振动和噪声水平。

因此悬置系统特性地选择首先要隔离发动机自身地振动，即不让发动机不平衡力造成地振动过分地传向车体。这就要求悬置系统地固有频率低于发动机怠速工况下激振频率的0.7倍。一般发动机在低怠速（800±50r/min）的固有频率为25－28.3Hz左右，故要求悬置的固有频率低于17.5－19.6Hz，一般在5－20Hz范围内。

• 一、悬置点的数量

悬置点的数量根据动力总成的长度、质量、用途和安装方式等决定，悬置系统可以有3、4、5点悬置。一般在汽车上采用三点及四点悬置系统，因为在振动比较大时，如果悬置点的数量增多，当车体变形时，有的悬置点会发生错位，使发动机或悬置支架受力过大而造成损坏。

三点支承的优点是不管汽车怎样颠簸、跳动，它总能保证各支承点处在一个平面上，这就大大改善了机体的受力情况。而四点悬置的前后两个悬置主要用于防止动力总成的扭转，扭转刚度较三点悬置大。

三点悬置系统：

左悬置：与变速箱连接布置，主要

起动力总成限位及支撑作用等。

右悬置：与发动机连接布置，可隔

离发动机燃烧激振、惯性力激振及

路面激振等。

后悬置：与变速箱连接布置，具有

纵向限位、承受扭矩、行驶状况限

位等作用。

四点悬置系统：

能克服大扭转反作用力，不过扭

转刚度较大，不利于隔离低频振

动。

左右悬置：接近扭转惯性轴布

置，可上下方向支撑动力总成，

有振动解藕作用。

前后悬置：与变速器连接，具

有纵向限位、行驶状况限位 、承

受扭矩等作用。

• 二、悬置系统的解耦

1、悬置系统解耦的目的

当弹性支撑的缸体在一个自由度上的自由振动独立于另一个自由度上的自由振动时，我们说这两个自由度的振动是解耦的。动力总成具有六个自由度（X向/Y向/Z向/平遥α / 横遥β / 纵遥γ），并且是互为耦合的。耦合的作用使发动机振动互相激励而加大，振动频率范围变宽。要想达到同解耦时相同的隔振效果，就需要更软的悬置软垫，这就使得动力总成与周围零件之间有较大的相对位移，易于周围零件发生干涉。

2、悬置系统弹性中心

作用于动力总成上的外力，如果通过悬置系统的弹性中心，则动力总成只会发生平动而不产生转动。反之，动力总成在产生平动的同时还会产生转动，即运动耦合。

同样，如果一个外力矩绕弹性中心主轴线作用于动力总成上时，动力总成只会产生转动而不产生平动。反之，在产生振动的同时还会产生平动，出现两自由度运动耦合。

弹性中心是由弹性原件的刚度和几何布置决定的，与被支承物体的质量无关。理论上如果动力总成的质心通过发动机悬置的弹性中心时，就可获得六个自由度上的振动

解耦。但在实际中是很难实现的，发动机的激励主要是垂直和扭转，因此只要在主要振动方向进行解耦即可。

3、扭矩轴与主惯性轴

当刚体绕任意方向的轴线旋转时一般要产生一个使该旋转轴改变方向的力矩，但是在这些任意方向的轴线中，必然存在一些轴线使刚体绕其旋转时不产生改变该轴线方向的力矩，这样的轴线就称为刚体的主惯性轴。刚体内外一般有无数个主惯性轴存在，但通过某一点只存在三个相互正交的轴，发动机主惯性轴即是指在质心相互正交的三根主轴。

液压悬置的工作原理

当悬置在A端（上端）受到低频、大振幅激励时（1－50Hz，1－2mm），解耦盘的的位移幅值较大，达到其上极限和下极限位置，液体主要经过惯性通道在上腔和下腔之间流动，使整个悬置刚度增大，起到增加阻尼衰减振动的作用。当激励位移为高频、小振幅时（50－200Hz，0.05－0.2mm），惯性通道液体的动态响应渐趋衰减，流动趋于截止，主要是解耦盘在其自由行程内运动，这样可以得到较小的悬置刚度以减小振动。在设计液压悬置时，可以通过改变动态参数、惯性通道的孔径及长度等来实现任意的动态弹性特性

悬置元件最主要的两个作用：

1、支撑动力总成，约束动力总成的位移。

2、隔离动力总成的振动向车身的传递，提高整车的NVH。

悬置的刚度越高有利于支撑动力总成，对整车的NVH不利。悬置的刚度越低对整车的NVH有利，不利于动力总成的支撑。通过对悬置系统进行合理的匹配设计可以取得较好的综合结果，使得悬置系统的在满足支撑动力总成的同时，最大限度的发挥悬置系统的NVH性能。

小米点评：专业知识分享，希望可以帮助大家。

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