发动机是将某种能量转换为机械能的机器,是传统汽车的动力源。下面将从其发展、分类、基本机构和专业术语四个方面进行概括总结。
一、发展
简单介绍如下:
1876年,德国人奥托在大气压力式发动机的基础上,发明了往复活塞式四冲程汽油机(所以,四冲程循环又叫奥托循环)。
1892年,德国人狄塞尔发明了压燃式柴油机,采用了高压缩比和膨胀比,热效率比其他发动机提高了一倍。
再后来又有了废气涡轮增压、电控喷射等技术,使得发动机的性能有了更大的提升、污染物排放和NVH性能也有了很大的改善。
二、分类
汽车发动机大多是热能动力装置,简称热力机,即借助于工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转化为机械能。
热力机分为内燃机和外燃机,直接以燃料燃烧所产生的燃料产物为工质的称为内燃机,反之则称为外燃机(二者对比见文末Note)。
内燃机包括活塞式内燃机和燃气轮机。
外燃机包括蒸汽机、热气机和汽轮机。
以用途最广的活塞式内燃机为例,可按以下6种不同的特征进行分类:
(1)、按活塞运动方式不同,分为往复活塞式和旋转活塞式。后者也称为转子发动机,即活塞在气缸内作旋转运动。
(2)、按所用燃料不同,分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机。使用天然气、液化石油气等气体燃料的内燃机称为气体燃料发动机。
(3)、按冷却方式不同,分为水冷式和风冷式。
(4)、按冲程数不同,分为四冲程和二冲程发动机。冲程数,是一个工作循环期间活塞往复运动的行程数。
(5)、按进气状态不同,分为增压和非增压两类。
(6)、按气缸布置形式的不同,分为L型(直列)发动机、V型发动机、W型发动机、斜置式发动机和对置式发动机。
三、基本结构
以单缸发动机为例,如图1所示。
基本结构主要包括11部分:气缸、活塞、连杆、曲轴、气缸盖、机体、凸轮轴、进气门、排气门、气门弹簧和齿轮或带轮等。
气缸是往复活塞式内燃机的工作腔,内表面呈圆柱形。
活塞在气缸内作往复运动,并通过活塞销与连杆小头铰接。
连杆的大头与曲轴相连,组成曲柄连杆机构。
活塞运动时,连杆推动曲轴旋转,同时气缸的容积在不断地大小循环变化。气缸顶部用气缸盖封闭,气缸盖上装有进气门和排气门。通过进排气门的开闭实现向气缸内充气和向缸外排气,而进排气门的开闭由凸轮轴控制,凸轮轴又是通过曲轴由齿轮或齿形带驱动的。构成气缸的零件称作气缸体,曲轴在曲轴箱内转动。
四、基本术语
以图2为例,发动机的基本术语主要有10个:
1、工作循环:由进气、压缩、做功和排气四个工作过程组成的封闭过程。
2、上、下止点:活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点(TDC:Top Dead Center);活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点(BDC: BottomDead Center)。活塞从一个止点运动至另一个止点的过程称为冲程。
3、活塞行程:上下止点间的距离S。曲轴的回转半径R为曲柄半径。显然,曲轴每回转一周,活塞移动2个活塞行程,对于气缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机,S=2R。
4、气缸工作容积:上下止点间所包容的气缸容积,记作Vs,单位为L。有:
Vs=π*D2*S/(4*106)
式中D为气缸直径,S为活塞行程,单位均为mm。
5、发动机排量:发动机所有气缸工作容积的总和。
6、燃烧室容积: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为燃烧室,其容积即为燃烧室容积,也叫压缩容积。
7、气缸总容积:气缸工作容积与燃烧室容积之和。
8、压缩比:气缸总容积与燃烧室容积之比。压缩比的大小表示活塞由下止点运动到上止点时,气缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大,压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。轿车用汽油机的压缩比一般8~11。
9、工况:内燃机在某一时刻的运行状况。以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。
10、负荷率:内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值,以百分数表示。
与外燃机相比,内燃机结构紧凑、体积小、质量轻,且容易启动,尤其是活塞式内燃机被广泛用作汽车的动力装置。
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