发动机原理教学课件

发动机原理驱动世界的引擎什么是发动机？发动机是一种能量转换装置，它是现代工业社会的基石和核心动力源从本质上讲，发动机是将一种形式的能量（通常是化学能）转换为机械能的装置这个转换过程涉及复杂的热力学和机械原理，使得燃料中蕴含的能量能够被有效地释放和利用在我们日常生活中，发动机无处不在它们驱动着我们的汽车、飞机、船舶，为工厂提供动力，甚至为我们的手机和电脑充电的发电站也依赖于各种形式的发动机发动机的工作原理可能各不相同，但其核心目标都是将能量转化为有用的机械功发动机的发明和不断完善极大地改变了人类社会的面貌，推动了工业革命的进程，使人发动机实现能量转换的基本过程类能够更有效地利用自然资源，创造更加丰富的物质和文化生活能量转换效率发动机的分类按燃烧位置分类按运动方式分类按燃料类型分类内燃机燃料在发动机气缸内部燃烧，如汽车发动机往复式发动机活塞在气缸内往复运动，如传统汽车发动机汽油发动机使用汽油作为燃料外燃机燃料在发动机外部燃烧，如蒸汽机旋转式发动机转子进行旋转运动，如万克尔转子发动机柴油发动机使用柴油作为燃料天然气发动机使用天然气作为燃料发动机分类的历史演变发动机的发展历史可以追溯到18世纪的蒸汽机时代瓦特改良的蒸汽机是最早的实用外燃机，推动了第一次工业革命19世纪末，尼古拉斯·奥托和鲁道夫·狄塞尔分别发明了汽油内燃机和柴油内燃机，这些发明为现代交通和工业提供了强大动力随着科技的进步，各种新型发动机不断涌现，如燃气轮机、电动机、混合动力系统等，为人类提供了更多样化的能源利用方式内燃机的工作原理内燃机是当今最广泛使用的发动机类型，尤其是四冲程发动机这种发动机通过四个基本冲程（或行程）完成一个完整的工作循环进气冲程吸入空气与燃油的混合物压缩冲程压缩混合气体，提高温度和压力做功冲程混合气体燃烧，膨胀推动活塞排气冲程排出废气，为下一循环做准备在这个循环过程中，活塞在气缸内往复运动四次，曲轴则旋转两周（720度）这种精确的机械协同工作是工程设计的杰作，使得能量能够高效地从燃料转化为机械动力能量转换的科学原理四冲程循环的理论基础是热力学的奥托循环（汽油机）或狄塞尔循环（柴油机）这些循环描述了理想情况下内燃机如何将热能转化为机械功实际发动机由于摩擦、热损失等因素，效率会低于理论值进气冲程压缩冲程活塞下行，混合气进入活塞上行，压缩混合气进气冲程进气冲程的核心过程进气冲程是四冲程发动机工作循环的第一个阶段，其主要目的是将新鲜的空气和燃油混合物（汽油机）或纯空气（柴油机）引入气缸在这个冲程中，发动机的关键部件协同工作•曲轴旋转带动活塞从上止点（TDC）向下移动到下止点（BDC）•进气门打开，排气门关闭•活塞下行创造负压（相对真空）进气系统设计•大气压力将混合气推入气缸现代发动机的进气系统十分复杂，包括空气滤清器、节气门气门正时的重要性（汽油机）、进气歧管、增压器（涡轮增压或机械增压）等多为了提高进气效率，实际发动机中的进气门通常会在活塞达到上止点之个部件这些部件的设计直接影响发动机的进气效率和性能前稍早开启，并在活塞到达下止点之后稍晚关闭这种气门正时的精确控制对发动机的性能有着重要影响在进气冲程结束时，气缸内充满了新鲜的混合气体，为后续的压缩和燃烧做好了准备进气的质量和数量直接决定了发动机能够产生的功率压缩冲程压缩冲程的物理过程压缩冲程是四冲程发动机工作循环的第二个阶段，其主要目的是压缩气缸内的混合气体（汽油机）或空气（柴油机），为燃烧创造有利条件在这个冲程中•进气门和排气门均关闭，气缸形成密闭空间•活塞从下止点（BDC）向上移动到上止点（TDC）•气缸内的气体体积减小，压力和温度显著升高•混合气被压缩到原体积的1/8至1/12（汽油机）或1/14至1/25（柴油机）压缩比是发动机设计的关键参数，它表示气缸内混合气最大体积与最小体积的比值不同类型发动机的压缩比各不相同•普通汽油机8:1至12:1•高性能汽油机12:1至14:1•柴油机14:1至25:1爆震现象汽油机压缩比过高会导致混合气在火花塞点火前自燃，产生爆震现象，损害发动机高辛烷值汽油可以在较高压缩比下工作而不爆震，因此能获得更高效率压缩冲程结束时，混合气已被压缩到很高的压力和温度，为下一个冲程中的燃烧做好了充分准备压缩冲程的效率直接影响发动机的功率输出和燃油经济性做功冲程能量释放与转换的核心阶段做功冲程（也称为爆发冲程或膨胀冲程）是四冲程发动机工作循环中唯一产生动力的阶段，是整个发动机工作的核心环节在这个冲程中•汽油机火花塞产生电火花，点燃压缩的混合气•柴油机高压喷射的柴油在高温高压空气中自燃•燃烧产生的高温高压气体急剧膨胀•膨胀气体推动活塞从上止点（TDC）向下移动到下止点（BDC）•活塞通过连杆驱动曲轴旋转，产生扭矩燃烧温度与压力燃烧过程中，气缸内温度可达2000-2500℃，压力可达40-100巴（约4-10兆帕），这些极端条件要求发动机材料具有优异的耐热性和强度点火正时的重要性由于燃烧需要时间，火花塞的点火时刻（汽油机）或燃油喷射时刻（柴油机）需要精确控制点火通常在活塞到达上止点前几度曲轴角发生，以确保燃烧产生的最大压力正好在活塞刚过上止点时作用在活塞上现代发动机使用电子控制单元（ECU）根据发动机转速、负荷、温度等多种因素实时调整点火正时，以获得最佳性能、燃油经济性和排放控制做功冲程是发动机能量转换的关键环节，其效率直接决定了发动机的整体性能工程师们不断改进燃烧室设计、燃油喷射系统和点火系统，以提高这一过程的效率排气冲程完成循环的最后阶段排气冲程是四冲程发动机工作循环的最后一个阶段，其主要目的是清除气缸内的燃烧产物，为下一个循环做准备在这个冲程中•排气门打开，进气门关闭•活塞从下止点（BDC）向上移动到上止点（TDC）•活塞上行推动废气通过排气门排出气缸•废气进入排气系统，最终排入大气排气冲程看似简单，但其设计和控制对发动机性能和排放控制有着重要影响现代发动机采用可变气门正时技术，精确控制排气门的开启和关闭时间，以优化废气排出效率排气系统的作用现代汽车的排气系统不仅用于排出废气，还承担着降低噪音、减少有害排放和提高发动机效率的多重任务排气系统通常包括排气歧管、催化转化器、消音器和尾管等部件气门重叠期在实际发动机设计中，为了提高气体交换效率，排气门会在新的进气冲程开始前保持短暂开启，而进气门会在排气冲程结束前稍早开启这段时间称为气门重叠期，其长短对发动机在不同转速下的性能有显著影响关键部件气缸发动机的燃烧室气缸是发动机的核心部件，它为活塞提供工作空间，并形成燃烧室气缸的设计和制造对发动机的性能、效率和寿命有着决定性影响气缸的主要功能•提供活塞往复运动的密封空间•形成燃烧室，承受高温高压•通过冷却系统散发燃烧产生的热量•引导活塞运动，确保其运动精度气缸的材料与制造现代发动机气缸通常采用以下材料•铸铁耐磨性好，热膨胀系数小，成本低，但重量大•铝合金重量轻，散热性好，但需要特殊处理以提高耐磨性•镍硅合金高性能发动机使用，具有优异的耐热性和耐磨性为了提高气缸的耐磨性，内壁通常会进行镀铬、氮化处理或镶嵌铸铁套筒气缸的加工精度要求极高，通常在微米级别，以确保气缸排列方式良好的密封性和活塞运动精度发动机中的气缸可以有多种排列方式•直列式气缸一列排列•V型气缸呈V形排列•水平对置气缸水平相对排列•W型三排气缸排列•星型气缸呈放射状排列（航空发动机）不同排列方式各有优缺点，适用于不同应用场景关键部件活塞动力传递的首要环节活塞是发动机中直接接受燃烧压力并转化为机械运动的关键部件它在气缸内往复运动，将燃烧产生的压力传递给连杆和曲轴活塞的主要组成部分活塞顶直接承受燃烧压力和高温活塞环通常有2-4个，用于密封燃烧室和控制润滑油活塞销孔用于连接活塞和连杆的活塞销通过此处活塞裙部引导活塞在气缸中平稳运动活塞的工作环境活塞工作在极其恶劣的环境中•顶部温度可达300-350℃•承受高达数十兆帕的压力•高速往复运动（每分钟数千次）•需要同时保证良好的密封性和润滑性活塞的材料与制造技术现代活塞主要采用以下材料关键部件连杆力传递的关键纽带连杆是连接活塞和曲轴的重要部件，它将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动连杆虽然结构看似简单，但其设计和制造要求极高连杆的主要组成部分小端通过活塞销与活塞连接杆身承受拉伸和压缩载荷大端与曲轴连接，通常为分体式设计，便于安装连杆轴承位于大端，减少与曲轴接触的摩擦连杆的受力分析连杆承受多种复杂载荷•做功冲程时的巨大拉伸力•压缩冲程时的压缩力•高速运动产生的惯性力•侧向力和弯曲载荷连杆的材料与制造连杆的制造材料和工艺直接影响发动机的性能和可靠性锻钢传统材料，强度高，成本适中粉末冶金钢精密度高，均匀性好铝合金用于高性能和赛车发动机，重量轻但强度较低关键部件曲轴发动机的动力输出轴曲轴是发动机中最复杂的锻件之一，它将活塞的往复运动通过连杆转化为旋转运动，并将动力传递给变速箱和其他系统曲轴的设计和制造水平直接影响发动机的性能、平衡性和寿命曲轴的主要组成部分主轴颈支撑曲轴在机体中旋转的轴颈，与主轴承配合连杆轴颈与连杆大端连接的偏心轴颈平衡重用于平衡曲轴旋转时的惯性力前端连接正时系统、辅助设备驱动等后端连接飞轮，输出动力油道内部通道，为轴承提供润滑油曲轴的平衡技术曲轴旋转时会产生复杂的不平衡力，需要通过多种技术进行平衡•平衡重的精确设计和布置•曲轴本体的精细加工•平衡轴的辅助作用（多缸发动机）•飞轮的惯性平衡曲轴的材料与制造曲轴通常采用以下材料和工艺锻钢高强度，适合高负荷发动机铸铁成本低，适合普通发动机铬钼合金钢高性能发动机使用，具有优异的疲劳强度制造工艺通常包括•锻造或铸造成型•精密车削和磨削•热处理强化•表面氮化或渗碳处理•动态平衡调整曲轴布置的影响关键部件气门控制气体流动的关键气门系统是发动机的呼吸系统，负责控制进气和排气的时机和流量气门的设计和控制对发动机的性能、效率和排放有着决定性影响气门系统的主要组成气门头直接控制气体通道的开闭气门杆连接气门头和气门弹簧气门座与气门头配合，形成密封气门导管引导气门直线运动气门弹簧提供关闭气门的力气门锁片固定气门弹簧和气门气门的工作环境气门工作在极其苛刻的条件下•排气门温度可达700-800℃•进气门温度约为300-400℃•承受高频率的冲击和机械应力•需要保持良好的密封性气门的材料与制造由于工作环境的差异，进气门和排气门通常采用不同的材料进气门通常使用铬硅钢或铬锰钢排气门使用耐高温合金，如铬镍钢、奥氏体不锈钢或高镍合金高性能发动机可能使用钛合金气门以减轻重量特殊处理气门座和气门面通常会进行特殊硬化处理多气门技术现代发动机广泛采用多气门技术，每缸通常有2个进气门和2个排气门多气门设计可以增加气体流通面积，改善燃烧效率，提高发动机的输出功率和燃油经济性高性能发动机甚至可能采用每缸3个进气门和2个排气门的设计关键部件凸轮轴气门运动的指挥官凸轮轴是控制气门开启和关闭的核心部件，它通过凸轮的形状和旋转运动，将旋转运动转化为气门的直线往复运动凸轮轴的设计直接决定了发动机的呼吸能力和特性凸轮轴的主要组成部分凸轮控制气门升程和时机的偏心部位轴颈支撑凸轮轴在气缸盖中旋转驱动端连接正时链条、皮带或齿轮油道提供轴承润滑凸轮轴设计的关键参数凸轮轴的工作原理凸轮轴设计涉及多个关键参数凸轮轴的工作过程如下凸轮升程决定气门开启的最大高度•凸轮轴由曲轴通过正时链条或皮带驱动持续角气门保持开启的曲轴转角•四冲程发动机中，凸轮轴转速是曲轴的一半凸轮轮廓决定气门开启和关闭的速度和加速度•凸轮与挺杆、摇臂或直接与气门接触气门重叠角进排气门同时开启的角度•凸轮的偏心部分推动气门打开•气门弹簧提供关闭气门的力凸轮轴布置方式现代发动机主要有以下几种凸轮轴布置方式OHV（顶置气门）凸轮轴位于缸体，通过推杆驱动气门SOHC（单顶置凸轮轴）一个凸轮轴控制所有气门DOHC（双顶置凸轮轴）分别控制进气门和排气门DOHC设计允许更精确的气门控制，是现代高性能发动机的主流选择关键部件点火系统（汽油机）引发能量释放的火种点火系统是汽油发动机的关键系统，它负责在适当的时机产生高能电火花，点燃气缸内的混合气点火系统的性能直接影响发动机的启动性能、动力输出、燃油经济性和排放水平现代点火系统的组成电子控制单元（ECU）计算和控制最佳点火时机曲轴位置传感器提供曲轴转角信息凸轮轴位置传感器提供发动机相位信息点火线圈将低压电转换为高压电火花塞在气缸内产生电火花高压导线连接点火线圈和火花塞（某些系统中）点火系统的发展历程火花塞的构造和工作点火系统经历了几代技术演进火花塞是点火系统中的关键部件，它由以下部分组成机械式点火系统早期使用，由分电器控制点火时机中心电极连接高压电电子点火系统使用电子元件取代机械部件侧电极与中心电极形成放电间隙分散点火系统每个气缸独立控制绝缘体通常为陶瓷材料，隔离高压直接点火系统点火线圈直接安装在火花塞上金属壳体安装在气缸盖上点火正时的重要性点火正时是指火花塞产生火花的时刻相对于活塞位置的关系过早点火会导致爆震，损坏发动机；过晚点火则会降低功率和效率现代ECU能根据多达数十种参数实时调整点火正时，如发动机转速、负荷、温度、进气压力、爆震传感器信号等，以获得最佳性能和燃油经济性关键部件喷油系统（柴油机）精准控制燃烧的关键喷油系统是柴油发动机的核心系统，它负责将柴油精确地喷入气缸，实现良好的雾化和混合，保证燃烧效率柴油机没有火花塞，完全依靠压缩热和精确的燃油喷射实现自燃现代柴油喷射系统的类型柴油喷射系统经历了多代技术革新机械喷射系统早期使用，由机械调速器控制电控机械喷射系统结合电子控制和机械喷射电控单体泵喷射系统每缸独立控制共轨直喷系统（CR）现代主流技术，实现极高喷射压力和精确控制共轨直喷系统的优势•喷射压力高（可达2000-2500巴）•喷射时间和次数灵活可控•可实现多次预喷射和后喷射•显著降低噪音和排放•提高燃油经济性和动力性能共轨直喷系统的组成现代共轨系统由以下主要部件组成高压泵产生高达2500巴的燃油压力共轨（蓄压器）储存高压燃油电控喷油器精确控制喷油量和时机电子控制单元（ECU）根据多种传感器信号控制系统各种传感器监测发动机工况和环境条件多次喷射技术汽油机柴油机vs汽油机（火花点燃式）•使用火花塞点燃混合气•压缩比通常为8:1至12:1•混合气形成在气缸外（传统）或气缸内（直喷）•转速范围宽，高转速性能好•噪音低，振动小•冷启动性能好柴油机（压缩点燃式）•依靠压缩热使柴油自燃•压缩比高，通常为14:1至25:1•燃油直接喷入气缸内•低转速扭矩大，高效率•噪音较大，振动较明显•冷启动性能较差热效率比较柴油机的热效率通常高于汽油机•现代汽油机热效率25%-35%•现代柴油机热效率35%-45%柴油机效率更高的主要原因•更高的压缩比•不需要节气门，减少了泵气损失•更精确的燃油控制•燃料本身能量密度更高应用场景差异两种发动机在不同应用场景各有优势•汽油机乘用车、摩托车、小型设备•柴油机商用车、货车、船舶、工程机械发动机的性能指标功率扭矩油耗排放发动机输出能力旋转力矩燃油经济性环保指标表示发动机在单位时间内完成的功，单位为千瓦（kW）或马力表示发动机产生的旋转力，单位为牛顿米（Nm）扭矩反映了发表示单位距离消耗的燃油量，单位为升/百公里（L/100km）油表示废气中有害物质的含量，如CO、HC、NOx和颗粒物等排（PS/HP）功率反映了发动机的最大工作能力动机的瞬时输出能力和加速性能耗反映了发动机的经济性放水平反映了发动机的环保性能功率和扭矩曲线发动机的性能通常用功率曲线和扭矩曲线来表示这些曲线显示了发动机在不同转速下的输出能力功率和扭矩的关系功率=扭矩×转速×常数不同类型发动机的特点•汽油机功率曲线在高转速达到峰值，扭矩曲线较平坦•柴油机扭矩在低转速即达到峰值，功率曲线较平缓•涡轮增压发动机在中低转速有明显的扭矩提升发动机的效率与损失发动机的总效率受多种因素影响热损失约60%-70%的能量以热量形式损失实际道路工况摩擦损失活塞、轴承等摩擦消耗5%-10%能量发动机在实际使用中很少在最大功率点工作大多数时间，发动机在部分负荷下运行，这时的效率和排放特泵气损失进排气过程消耗3%-5%能量性与满负荷状态有很大不同因此，现代发动机设计注重优化部分负荷工况下的性能辅助系统水泵、油泵等消耗2%-5%能量未来发动机性能趋势未来发动机发展主要围绕以下方向提高热效率通过优化燃烧过程和减少热损失降低摩擦损失采用新材料和表面处理技术减小尺寸和重量小型化和轻量化设计减少排放优化燃烧和后处理技术与电气化结合混合动力系统的整合。