任务 发动机的组成及工作原理

情景导入

客户赵先生驾驶一辆2018款别克威朗轿车，早晨起动车辆后，发现仪表上的发动机转速表指针上下跳动，并且发动机故障指示灯常亮。维修技师初步检查后发现1缸火花塞积炭严重。为了确定具体故障原因，需对发动机做进一步检查。作为汽车维修技师，请仔细查看服务顾问提供的汽车问诊表，并针对故障进行后续处理。

一、发动机概述

发动机是汽车的动力来源，它是将燃料燃烧的化学能转变成热能，再把热能转变成机械能的装置。

发动机分为内燃机和外燃机两种。燃料在机器内部燃烧称为内燃机，反之则为外燃机。内燃机包括活塞式内燃机和燃气轮机。外燃机包括蒸汽机、汽轮机和热气机。内燃机与外燃机相比，具有结构紧凑、体积小、质量小和容易起动等优点。现代汽车广泛使用活塞式内燃机。

二、发动机组成

发动机是一台由多个机构和系统组成的复杂机器。虽然现代汽车发动机的结构形式和具体构造多种多样，但其工作原理基本一致，从总体功能来看，基本结构也大同小异，都是由两大机构和五大系统组成，即曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、冷却系统、润滑系统、起动系统、点火系统（柴油机除外）。

1.曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环、完成能量转换的主要机构。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成，如图1-1-1所示。在做功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内做直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化为活塞的直线运动。

2.配气机构

配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气的过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门传动组和气门组组成，如图1-1-2所示。

3.燃料供给系统

图1-1-3所示为歧管喷射汽油机燃料供给系统，它的功用是根据发动机的要求，在进气歧管内配制出一定数量和浓度的混合气并吸入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中。缸内直喷汽油机和柴油机燃料供给系统的功用是把汽油或柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。

4.润滑系统

润滑系统如图1-1-4所示，它的功用是向做相对运动的零件表面输送定量的清洁机油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损，并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系统通常由机油油道、机油泵、机油滤清器、机油喷嘴等组成。

5.冷却系统

冷却系统如图1-1-5所示，它的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系统通常由冷却水套、水泵、风扇、散热器、节温器等组成。

6.点火系统

能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备统称为点火系统。点火系统通常由蓄电池、点火线圈和火花塞等组成，如图1-1-6所示。在汽油机中，气缸内的可燃混合气靠电火花点燃。为此，在汽油机的气缸上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。

7.起动系统

要使发动机由静止状态过渡到运动状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞做往复运动，以便气缸内的可燃混合气燃烧膨胀做功，推动活塞向下运动使曲轴旋转，发动机才能自行运转，工作循环才能自行进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置称为发动机的起动系统，如图1-1-7所示。

思考 汽车的两大机构五大系统之间是什么样的关系？

三、发动机的分类

1）按活塞运动方式的不同，发动机可分为往复活塞式和转子活塞式两种，如图1-1-8所示。

2）按点火方式的不同，发动机可分为点燃式和压燃式两种，如图1-1-9所示。点燃式发动机是利用高压电火花点燃气缸内的混合气来完成做功的，如汽油机。压燃式发动机是利用高温高压使气缸内的混合气自行着火燃烧来完成做功的，如柴油机。

3）按所用燃料的不同，发动机可分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机三类。以汽油或柴油为燃料的发动机分别称为汽油机和柴油机，如图1-1-10所示。使用天然气、液化石油气和其他气体燃料的发动机称为气体燃料发动机。

思考 使用天然气作为燃料的发动机与使用汽油或柴油作为燃料的发动机相比，优势是什么？

4）按冷却方式的不同，发动机可分为水冷式和风冷式两种，如图1-1-11所示。以冷却液为冷却介质的发动机称为水冷式发动机，以空气为冷却介质的发动机称为风冷式发动机。

5）按工作循环的不同，发动机可分为四冲程发动机和二冲程发动机。在一个工作循环中活塞往复4个行程的发动机称为四冲程发动机，活塞往复2个行程的发动机称为二冲程发动机，如图1-1-12所示。

6）按气缸数目的不同，发动机可分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；具有2个及以上气缸的发动机称为多缸发动机，如图1-1-13所示。现代汽车发动机通常采用4缸、6缸或8缸发动机。

7）按气缸排列方式的不同，发动机可分为单列式和双列式，如图1-1-14所示。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列且夹角小于180°的称为V型发动机，两列之间的夹角为180°的称为对置式发动机。

8）按进气方式的不同，发动机可分为非增压式和增压式两类，如图1-1-15所示。若进气是在接近大气状态下进行，则为非增压式发动机；若利用涡轮增压器将进气压力提高，则为增压式发动机。

四、发动机基本术语及工作原理

1.发动机基本术语

（1）上止点 上止点是指活塞顶部离曲轴中心最远的位置，即活塞的最高位置，如图1-1-16所示。

（2）下止点 下止点是指活塞顶部离曲轴中心最近的位置，即活塞的最低位置，如图1-1-17所示。

（3）活塞行程 活塞行程是指上止点与下止点之间的距离，如图1-1-18所示。

（4）曲柄半径 曲柄半径是指曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离，如图1-1-19所示。

（5）气缸工作容积 气缸工作容积是指活塞从上止点到下止点所扫过的容积，如图1-1-20所示。

（6）燃烧室容积 燃烧室容积是指活塞位于上止点时，活塞顶上方的气缸空间容积，如图1-1-21所示。

（7）气缸总容积 气缸总容积是指活塞位于下止点时，活塞顶上方的气缸空间容积，如图1-1-22所示。

（8）发动机排量 发动机排量是指发动机所有气缸工作容积之和。

（9）压缩比 压缩比是指气缸总容积与燃烧室容积之比，如图1-1-23所示。压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时气缸内气体的压力和温度越高。

（10）工作循环 发动机完成进气、压缩、做功、排气4个过程，称为一个工作循环。

2.发动机工作原理

四冲程发动机是指曲轴转2圈，活塞往复运动4次完成一个工作循环的发动机。由于汽油机和柴油机在使用的燃料等方面有所不同，工作行程也存在差异，以下分别介绍这两种发动机的工作原理。

（1）四冲程汽油机的工作原理 四冲程汽油机的工作循环由进气、压缩、做功和排气4个行程组成，图1-1-24所示为单缸。

①进气行程：进气行程开始时，活塞由曲轴带动从上止点向下止点运行，进气门打开，排气门关闭。活塞从上止点向下止点移动的过程中，气缸容积增大，形成一定的真空度，于是混合气经进气门被吸入气缸。

②压缩行程：进气行程结束后，活塞由曲轴带动从下止点向上止点运动，气缸内容积减小，由于进、排气门均关闭，进入气缸的可燃混合气被压缩，至活塞到达上止点时，压缩结束。

③做功行程：当活塞运动到压缩行程上止点附近时，火花塞跳火点燃气缸内的混合气，此时进气门和排气门均处于关闭状态，混合气燃烧后气体的温度、压力迅速升高而膨胀，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能。

④排气行程：在做功行程终了时，排气门打开，进气门关闭。曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动，废气在自身剩余压力和活塞的推动下排出气缸，至活塞到达上止点附近时，排气门关闭，排气结束。

（2）四冲程柴油机的工作原理 四冲程柴油机的工作循环也包括进气、压缩、做功和排气4个行程。图1-1-25所示为单缸四冲程柴油机的工作循环。

①进气行程：四冲程柴油机的进气行程和四冲程汽油机的进气行程基本相同，不同的是，四冲程柴油机进入气缸的不是混合气，而是纯空气。

②压缩行程：四冲程柴油机的压缩行程不同于汽油机，柴油机压缩的是纯空气，且由于柴油机的压缩比高，压缩终了的温度和压力都比汽油机高。

③做功行程：在柴油机的压缩行程接近终了时，喷油泵将高压柴油经喷油器雾化后喷入气缸内的高温空气中，高压柴油迅速气化与空气形成混合气，此时气缸内的温度高于柴油的自燃温度，柴油自行着火燃烧，在此后的一段时间内边喷油边燃烧，气缸内的压力和温度急剧升高，推动活塞下行做功。

④排气行程：四冲程柴油机的排气行程与汽油机基本相同。

四冲程发动机在一个工作循环的4个行程中，只有一个行程是做功的，其他3个行程是做功的准备行程。因此，在单缸发动机内，曲轴每转两周，只有半周是由于膨胀气体的作用使曲轴旋转，其余一周半则依靠飞轮惯性维持转动。在做功行程时，曲轴的转速比其他行程要大，所以曲轴的转速是不均匀的，因而发动机的运转就不均匀。为了使发动机运转平稳，需要增加发动机的质量和尺寸，使飞轮获得较大的转动惯量来提高发动机运转的均匀性。

在多缸四冲程发动机的每一个气缸内，所有的工作过程都是相同的，但各个气缸的做功行程并不同时发生，而是按照一定的工作顺序进行。

五、发动机总成的拆卸注意事项

以2018款别克威朗轿车为例：

1）拆卸发动机总成前，应关闭点火开关、断开蓄电池负极电缆。

2）拆下中间转向轴下螺栓前，应保持前轮朝向正前位置，利用转向柱防转销、转向柱锁止装置或安全带固定转向盘以免旋转，防止安全气囊游丝损坏。

3）拆下中间转向轴下螺栓后，切勿旋转转向盘，防止安全气囊游丝损坏。

4）回收制冷剂时，应戴好安全眼镜和手套，并在空调冷媒回收加注机器接头、阀门和连接部位四周缠上干净抹布，避免身体任何部位接触制冷剂，防止严重冻伤和其他人身伤害。

5）断开发动机控制模块电气插接器后，为了防止静电放电损坏发动机控制模块，禁止用手触摸插接器针脚。

6）拆下前保险杠时，需要两名技术人员同时操作，一人负责拆卸，一人负责扶住前保险杠。

7）拆下自动变速器驱动轴前，应排空自动变速器油液。

8）举升车辆使发动机和自动变速器总成与车身分离时，需要两名技术人员同时操作，一人负责举升车辆，一人负责观察发动机、自动变速器总成以及传动系统和前悬架支架与车身之间是否存在线束、软管没有拆卸情况以及是否存在卡滞情况。

六、发动机总成的拆卸

1）拆下中间转向轴下螺栓。

2）回收制冷剂和排空冷却液。拆下前围板上加长板开口盖。断开发动机控制模块电气插接器，松开发动机控制模块固定卡扣，拆下发动机控制模块，如图1-1-26所示。松开发动机控制模块托架上方发动机线束固定卡扣，拆下发动机控制模块托架。松开发动机控制模块和电子制动控制模块托架上方车身线束插接器、发动机线束插接器、发动机线束固定卡扣和蓄电池正负极电缆，拆下发动机控制模块和电子制动控制模块托架。

3）依次拆下自动变速器通风软管、前舱熔丝盒盖、蓄电池正负极电缆，断开自动变速器控制模块电气插接器，拆下发动机空气滤清器总成，如图1-1-27所示。

4）依次拆下前保险杠、冷凝器上方软管、燃油喷射泵上方燃油供油前管、蒸发排放炭罐吹洗电磁阀上方前蒸发排放管。

5）断开发动机冷却风扇电气插接器与制动助力器真空管。

6）拆下发动机冷却液放气软管和暖风水箱上方进、出水软管。

7）安装发动机支撑夹具，如图1-1-28所示。举升车辆至合适高度，按顺序依次拆下前部左右车轮、前部左右轮罩衬板、前舱左右防溅罩和前舱左右空气导流器。

8）拆下左右下支臂与转向节之间螺母，使用球节分离器分离下支臂与转向节。

9）拆下自动变速器驱动轴、发动机前排气管与自动变速器油冷却器进、出口油管。

10）拆下左右转向节与转向外横拉杆之间的螺母，使用球节分离器分离转向外横拉杆与转向节。

11）拆下左右稳定杆连杆与稳定杆之间螺母、排气消声器隔振垫螺母。

12）拆下转向机隔热罩，断开动力转向辅助电动机电气插接器，拆下自动变速器支座柱螺栓。

13）降下车辆至合适高度，拆下自动变速器支座与车身之间的螺栓，拆下发动机支座与车身之间的螺栓。

14）放置发动机支撑台至发动机下方，降下发动机支撑夹具使发动机与发动机支撑台完全贴合。拆下传动系统和前悬架横梁加长件螺栓，拆下传动系统和前悬架支架前后螺栓。

15）拆下发动机支撑夹具，小心缓慢举升车辆使发动机和自动变速器总成与车身分离，拆下发动机总成。

思考 没有安装发动机支撑夹具时，发动机总成还能正常拆卸吗？

课程育人

在安徽芜湖博物馆内，有这样一件现代化展品，它是一台产自1999年的发动机。而这台发动机的诞生，对中国汽车业是具有划时代意义的。

1999年5月18日，安徽芜湖的奇瑞汽车公司自主研发的ACTECO系列发动机问世。这是国内第一个从设计、研发到生产制造完全自主的发动机系列品牌，且具有完全的自主知识产权。

发动机技术的滞后严重阻碍了国内汽车技术的发展，在与跨国公司竞争中也处于劣势。正因为此，奇瑞公司率先接过发动机技术自主研发的第一棒，在发动机厂投资3000万元，建成了世界上一流的发动机试制车间，以批量试制符合设计要求的样机，用于性能开发试验、整车匹配试验和可靠性试验，同时还可以验证设计产品的工艺性，降低正式生产线投资的风险。经过多年的努力，奇瑞作为中国民族品牌，不仅突破了汽车发动机核心技术，同时实现了大规模量产，取得了引人瞩目的成就。

巩固提升

一、选择题

1.按活塞运动方式的不同，发动机可分为（　　）。

A.水冷式和风冷式

B.二冲程式和四冲程式

C.压燃式和点燃式

D.往复活塞式和转子活塞式

2.下列不属于内燃机优点的是（　　）。

A.结构紧凑

B.体积小

C.质量小

D.噪声小

3.现代汽车发动机通常采用（　　）发动机。

A.2缸、6缸或8缸

B.3缸、6缸或8缸

C.4缸、6缸或8缸

D.5缸、6缸或8缸

4.柴油发动机没有（　　）系统。

A.点火

B.起动

C.冷却

D.润滑

5.下列不属于冷却系统组成的是（　　）。

A.限压阀

B.水泵

C.风扇

D.散热器

二、判断题

1.现代汽车广泛使用活塞式内燃机。（　　）

2.按所用燃料的不同，发动机可分为汽油机和柴油机两类。（　　）

3.汽车发动机由两大机构和四大系统组成。（　　）

4.曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成。（　　）

5.配气机构由气门传动组和气门组组成。（　　）