第一章 发动机构造与维修基础知识

任务一 发动机的构造和分类

任务目标

√了解发动机的总体结构及作用；

√了解发动机的分类；

√掌握发动机的基本术语和四冲程发动机的工作原理；

√了解二冲程发动机和多缸发动机的工作原理。

任务分析

认识发动机的总体构造，为发动机机械系统构造与维修课程的学习奠定必要的基础。发动机是汽车的“心脏”，认清发动机的总体构造有助于培养学生拆装、测量、保养及大修发动机等技能。

本任务的实施过程如下：

首先引导学生完成发动机的总体构造、分类、工作原理及基本理论等相关知识的学习，然后利用台架和实物认识发动机的组成和结构特点，实施发动机的拆卸、组装和检修，结合实际分析发动机相关的故障并训练维修技能。

知识要点

在理论教室，引导学生解决以下相关问题：发动机通常由哪些机构与系统组成？它们各有什么功能？发动机基本术语有哪些？四冲程发动机的工作原理是什么？发动机有哪些分类呢？

实训条件

实训场地A一般能容纳一个班，分成5～6组的实训空间，光线良好，内放台架、整机和实物5～6套，常用工具1套，相关维修资料1套；实训场地B的实训空间同上，内放整车2～6台，常用工具1套，室内照明良好，同时需要照明灯2～6台，相关维修资料1套。

实训步骤

第一步，利用台架、整机和实物认识发动机总成各系统、各机构的连接、各部件的相对位置；

第二步，进一步弄清发动机的结构、原理、性能等；

第三步，利用整车认识发动机在发动机室内的安放和与其他系统的连接情况，简单了解和发动机相关的管线等。

一、发动机的总体构造

发动机是由机构和系统组成的复杂机械，随着现代汽车电控化的发展，发动机的结构形式越来越多，即使是同一类型的发动机，其具体结构也有区别，但无论哪种类型的发动机，其基本结构都是相似的。下面以汽油发动机为例，简要介绍发动机的总体构造。

汽油发动机通常由两大机构和五大系统组成；柴油发动机则由两大机构和四大系统组成（较汽油发动机少点火系统）。

1．汽油发动机的两大机构

（1）曲柄连杆机构主要由缸盖、缸体、油底壳、活塞、连杆、曲轴及飞轮等组成。其作用是实现功能转换。

（2）配气机构主要由进气门、排气门、气门弹簧、挺杆、推杆、摇臂、凸轮轴、凸轮轴传动机构等组成。其作用是适时开关进、排气门，以便可燃混合气能及时进入气缸、废气能及时从缸内排出。

2．汽油发动机的五大系统

（1）燃料供给系统主要由汽油箱、汽油滤清器、汽油泵、化油器、空气滤清器、进气管、排气管、排气消声器等组成，现代汽车燃料供给系统去掉化油器使用电子控制系统。电控燃油喷射系统由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统组成，其作用是将汽油和空气混合成一定数量和一定浓度的混合气供入气缸，并将着火燃烧后的废气从发动机排出。

（2）点火系统的功用是根据发动机的工作需要，及时地点燃气缸内的混合气。按对点火时刻的控制方式不同，点火系统可分为传统点火系统、普通电子点火系统和电控点火系统。传统点火系统主要由分电器总成、点火线圈、火花塞等组成；普通电子点火系统利用电子点火器控制点火时刻；电控点火系统是一种全电子点火系统，完全取消了机械装置，由电控系统来控制点火时刻。

（3）冷却系统主要由水泵、散热器、冷却水套、风扇、节温器等组成。其作用是把受热机件感受的多余热量散发到大气中去，以保证发动机在正常温度下工作。

（4）润滑系统主要由机油泵、集滤器、润滑油道、机油粗滤器、机油细滤器、限压阀等组成。其主要功用是将机油送到各摩擦副间，以减少它们之间的量程与容积。

（5）起动系统主要由起动机及其附属装置等组成。其功用是起动发动机，使发动机由静止状态进入正常工作状态。

二、发动机的分类

发动机是汽车的心脏，是汽车行驶的动力源，汽车发动机是将燃料燃烧的热能转变为机械能的热力发动机。热力发动机可分为外燃机和内燃机。燃料在外部燃烧，燃烧的热能通过其他介质转变为机械能的称为外燃机，如蒸汽机。燃料在内部燃烧，燃烧的热能直接转变为机械能的称为内燃机，如汽油发动机和柴油发动机。现代汽车发动机一般都属内燃机。

汽车用内燃机种类很多，可以按不同特征加以分类。

1．按使用燃料分

按使用燃料不同，可分为柴油发动机、汽油发动机，现在还出现了CNG发动机、LPG发动机、双燃料发动机、乙醇发动机、乙醚发动机等。

2．按活塞运动方式分

按活塞运动方式不同，汽车用内燃机可分为往复活塞式发动机和旋转活塞式发动机。现代汽车发动机多采用往复活塞式发动机。

往复活塞式发动机按完成一个循环的冲程数又分为四冲程发动机和二冲程发动机。

（1）四冲程发动机：活塞移动四个行程或曲轴转两圈（720°）发动机完成一个工作循环。

（2）二冲程发动机：活塞移动两个行程或曲轴转一圈（360°）发动机完成一个工作循环。

3．按冷却方式分

（1）水冷式发动机：利用气缸体和气缸盖的冷却水套中循环的冷却液作为冷却介质。水冷式发动机冷却均匀、工作可靠、冷却效果好，被广泛用于现代汽车发动机中。

（2）风冷式发动机：利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却。

4．按点火方式分

（1）压燃式发动机：利用气缸内空气被压缩后产生的高温，使燃油自燃，如柴油发动机。

（2）点燃式发动机：利用火花塞发出的电火花强制点燃燃料，使燃料强行着火燃烧，如汽油发动机、煤气机。

5．按进气方式分

（1）非增压式发动机（又叫自然吸气式发动机）：空气靠活塞的自然抽吸作用进入气缸内。

（2）增压式发动机：为增大功率，在发动机上装有增压器，使进入气缸的气体预先经过压气机压缩后再进入气缸，使进气终了时发动机的压力明显高于非增压式发动机，动力大大增大，经济性明显提高。

6．按气缸数目分

（1）单缸发动机：只有一个气缸。

（2）多缸发动机：按气缸的排列形式又可分为以下几种。

①直列立式发动机：所有气缸中心线在同一垂直平面内。

②直列卧式发动机：所有气缸中心线在同一水平平面内。

③V形发动机：气缸中心线分别在两个平面内，且两平面相交呈V形。当两平面相交，角度达到180°时，又称对置式发动机。

④其他还有H形、X形、星形等，但在车辆上应用很少。

三、发动机的基本术语

图1-1所示为发动机的简单工作示意，活塞在气缸内做往复直线运动，曲轴在曲轴箱内做旋转运动。

1．上止点

活塞在气缸里做往复直线运动过程中，当活塞向上运动到最高位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的位置时，称为上止点。

2．下止点

活塞在气缸里做往复直线运动过程中，当活塞向下运动到最低位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的位置时，称为下止点。

3．活塞行程

活塞从一个止点到另一个止点移动的距离，即上、下止点之间的距离称为活塞行程。一般用S表示，对应一个活塞行程，曲轴旋转180°。

4．曲柄半径

曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，一般用R表示。通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即S=2R。

5．气缸工作容积

活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的空间容积称为气缸工作容积。一般用Vh表示：

式中，D为气缸直径，单位为mm; S为活塞行程，单位为mm。

6．燃烧室容积

活塞位于上止点时，其顶部与气缸盖之间的容积称为燃烧室容积，一般用Vc表示。

7．气缸总容积

活塞位于下止点时，其顶部与气缸盖之间的容积称为气缸总容积，一般用Va表示。显而易见，气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和，即

式中：

Va——气缸总容积，单位为L；

Vh——气缸工作容积，单位为L；

Vc——燃烧室容积，单位为L。

8．发动机排量

多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机排量，一般用VL表示。

式中：

Vh——气缸工作容积；

i——气缸数目。

9．压缩比

压缩比是发动机中一个非常重要的参数，压缩比表示气缸内气体被压缩的程度，它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，一般用ε表示。

通常汽油发动机的压缩比为6～10，柴油发动机的压缩比较高，一般为16～22；增压发动机的压缩比可以更高。

10．工作循环

在气缸内进行的、每次将燃料燃烧的热能转化为机械能的一系列连续过程，即完成进气、压缩、做功和排气四个过程，叫一个工作循环。

四、发动机的工作原理

1．四冲程汽油发动机的工作原理

四冲程汽油发动机的运转是按进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程的顺序不断循环反复的，如图1-2所示。

1）进气行程

活塞从上止点向下止点运动，进气门打开，如图1-2（a）所示。进气过程开始时，活塞位于上止点，气缸内残存有上一循环未排净的废气，因此，气缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，当压力低于大气压时，在气缸内产生真空吸力，空气经空气滤清器并与化油器供给的汽油混合成可燃混合气，通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。

在进气过程中，受空气滤清器、化油器、进气管道、进气门等阻力影响，进气终了时，气缸内气体压力略低于大气压，为0.075～0.090 MPa，同时受到残余废气和高温机件加热的影响，温度达到370～400 K。实际汽油发动机的进气门是在活塞到达上止点之前打开，并且延迟到下止点之后关闭，以便吸入更多的可燃混合气。

2）压缩行程

曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束，如图1-2（b）所示。此时气体的压力和温度主要随压缩比的大小而定，可燃混合气压力可达0.6～1.2 MPa，温度可达600～700 K。压缩比越大，压缩终了时气缸内的压力和温度越高，则燃烧速度越快，发动机功率也越大。

但压缩比太高容易引起爆燃。所谓爆燃就是由于气体压力和温度过高，可燃混合气在没有点燃的情况下自行燃烧，且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播，造成尖锐的敲缸声，使发动机过热，功率下降，汽油消耗量增加以及机件损坏。轻微爆燃是允许的，但强烈爆燃对发动机是很有害的。

3）做功行程

做功行程包括燃烧过程和膨胀过程两个过程，在这一行程中，进气门和排气门仍然保持关闭，如图1-2（c）所示。当活塞位于压缩行程接近上止点（即点火提前角）位置时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高，最高压力可达3～5 MPa，最高温度可达2200～2800 K；高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械功，该机械功除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外做功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，做功行程结束，气体压力降低到0.3～0.5 MPa，气体温度降到1300～1600 K。

4）排气行程

可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。当做功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束，如图1-2（d）所示。实际上汽油发动机的排气行程也是排气门提前打开，延迟关闭，以便排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在，不可能将废气全部排出气缸。受排气阻力的影响，排气终止时，气体压力仍高于大气压力，为0.105～0.115 MPa，温度为900～1200 K。

曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。可见四冲程汽油发动机经过进气、压缩、做功、排气四个行程完成一个工作循环，这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。

2．四冲程柴油发动机的工作原理

四冲程柴油发动机和四冲程汽油发动机的工作过程相同，每一个工作循环同样包括进气、压缩、做功和排气四个行程，但由于柴油发动机使用的燃料是柴油，柴油与汽油有较大的差别，柴油黏度大、不易蒸发、自燃温度低，故可燃混合气的形成、着火方式、燃烧过程以及气体温度和压力的变化都和汽油发动机不同。下面主要分析一下柴油发动机和汽油发动机在工作过程中的不同点。

四冲程柴油发动机在进气行程中所不同的是柴油发动机吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气，在进气通道中没有节气门，进气阻力小，进气终了时气体压力略高于汽油发动机而气体温度略低于汽油发动机。进气终了时气体压力为0.0785～0.0932 MPa，气体温度为300～370 K。

压缩行程压缩的是纯空气，在压缩行程接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，柴油和空气在气缸内形成可燃混合气并着火燃烧。柴油发动机的压缩比比汽油发动机的压缩比大很多，压缩终了时气体温度和压力都比汽油发动机高，大大超过了柴油发动机的自燃温度。压缩终了时，气体压力为3.5～4.5 MPa，气体温度为750～1000 K，柴油发动机是压缩后自燃着火的，不需要点火，故柴油发动机又称为压燃机。

柴油喷入气缸后，在很短的时间内与空气混合后便立即着火燃烧，柴油发动机的可燃混合气是在气缸内部形成的，而不像汽油发动机那样，混合气主要是在气缸外部的化油器中形成的。柴油发动机在燃烧过程中气缸内出现的最高压力要比汽油发动机高得多，可高达6～9 MPa，最高温度也可高达2000～2500 K。做功终了时，气体压力为0.2～0.4 MPa，气体温度为1200～1500 K。

柴油发动机的排气行程和汽油发动机一样，废气同样经排气管排入大气中，排气终了时，气缸内气体压力为0.105～0.125 MPa，气体温度为800～1000 K。

柴油发动机与汽油发动机比较，柴油发动机的压缩比高、热效率高、燃油消耗率低，因此，柴油发动机的燃料经济性能好，而且柴油发动机的排气污染少，排放性能较好。但它的主要缺点是转速低、质量大、噪声大、振动大、制造和维修费用高。在其发展过程中，柴油发动机不断发扬其优点，克服其缺点，提高速度，有望得到更广泛的应用。

3．二冲程汽油发动机的工作原理

二冲程汽油发动机的工作循环也是由进气、压缩、做功、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈（360°）、活塞上下往复运动的两个冲程内完成的。因此，二冲程发动机与四冲程发动机工作原理不同，结构也不一样。

图1-3所示为二冲程汽油发动机的工作原理，气缸上有三个孔，这三个孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、压缩和排气。其工作原理如下：活塞向上运动，将三个孔都关闭，活塞上部开始压缩，当活塞继续上行时，活塞下方打开了进气孔，可燃混合气进入曲轴箱，活塞接近上止点时，火花塞点燃混合气，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动，进气孔关闭，曲轴箱内的混合气受到压缩，当活塞接近下止点时，排气孔打开，排出废气，活塞再向下运动，扫气孔打开，受到压缩的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内，并扫除废气。

第一行程：活塞从下止点向上止点运动，事先已充满活塞上方气缸内的混合气被压缩，新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。

第二行程：活塞从上止点向下止点运动，活塞上方进行做功过程和进气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。

4．二冲程柴油发动机的工作原理

二冲程柴油发动机和二冲程汽油发动机工作类似，所不同的是，柴油发动机进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。例如带有扫气泵的二冲程柴油发动机工作过程如图1-4所示。

第一行程：活塞从下止点向上止点运动，行程开始前不久，进气孔和排气门均已开启，利用从扫气泵流出的空气使气缸换气，当活塞继续向上运动时，进气孔被关闭，排气孔也被关闭，空气受到压缩，当活塞接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，燃油和空气混合后燃烧，使气缸内压力增大。

第二行程：活塞从上止点向下止点运动，开始时气体膨胀，推动活塞向下运动，对外做功，当活塞下行到大约2/3行程时，排气门开启，排出废气，气缸内压力降低，进气孔开启，进行换气，换气一直延续到活塞向上运动1/3行程，此时进气孔关闭，行程结束。

5．多缸发动机的工作

前面介绍的是单缸发动机的工作过程，而现代汽车发动机都是多缸四冲程发动机，多缸四冲程发动机与单缸四冲程发动机的工作过程相比，发动机的每一个气缸和单缸发动机的工作过程是完全一样的，都要经过进气、压缩、做功和排气四个冲程。

但是单缸发动机的四个行程中只有一个行程做功，其余三个行程不做功，即曲轴转两圈，只有半圈做功，所以运转平稳性较差，功率越大，平稳性就越差。为了使运转平稳，单缸发动机一般都装有一个大飞轮。而多缸发动机的做功行程是依次轮流的，按照工作顺序做功，即曲轴转两圈交替做功，因此，运转平稳，振动小，不需要装大飞轮。缸数越多，做功间隔角越小，同时参与做功的气缸越多，发动机运转越平稳。多缸发动机使用最多的有四缸发动机、六缸发动机和八缸发动机。

为了使发动机运转平稳，除少数发动机因结构限制外，各缸做功间隔角大都均等。如四冲程六缸发动机各缸做功间隔角为ψ=720°/6=120°。

其曲轴每转120°就有一个缸做功，各缸做功略有搭接，这样发动机运转较单缸发动机便平稳得多。另外，由于各缸的做功行程为其他缸的压缩行程提供动力，所以储存能量的飞轮也较单缸发动机小得多。

另外，多缸发动机各缸做功行程发生的顺序，称为发动机的工作顺序或点火顺序。