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压缩比越大,压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。
一般车用汽油机的压缩比为7~10,柴油机的压缩比为15~22。
四冲程汽油机工作原理
1.进气行程
活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动。
进气门打开,排气门关闭。
活塞上腔容积增大,在真空吸力的作用下,经过滤清的空气与汽油形成混合气,经进气门被吸入气缸,至活塞运动到下止点时,进气门关闭,停止进气,进气行程结束。
2.压缩行程
活塞在曲轴的带动下,从下止点向上止点运动。
进、排气门均关闭,活塞上腔容积不断减小,混合气被压缩,至活塞到达上止点时,压缩行程结束。
气体压力和温度同时升高,混合气进一步混合,形成可燃混合气。
此时,气缸内压力为600~1500kPa,温度600~800K,远高于汽油的点燃温度,很容易点燃。
3.作功行程
压缩行程末,火花塞产生电火花,点燃气缸内的可燃混合气,并迅速着火燃烧,气体产生高温、高压,推动活塞由上止点向下止点运动,再通过连杆驱动曲轴旋转向外输出作功。
4.排气行程
在作功行程终了时,排气门被打开,活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动。
废气在自身的剩余压力和活塞的驱赶作用下,自排气门排出气缸,至活塞运动到上止点时,排气门关闭,排气行程结束。
小结
1.发动机自行运转之前需要外力完成进气和压缩两个冲程,通常用人力、电动机等带动发动机曲轴和运转。
2.在四个冲程中只有作功冲程是活塞带动曲轴转动,其他三个冲程都是曲轴带动活塞运动。
3.在整个循环过程中,进气门、排气门各开启一次。
一个工作循环曲轴旋转720°
(2圈);
活塞上、下运动四次(4个行程)。
4.发动机着火的基本条件是
油:
有油,混合气浓度合适。
电:
能产生足够的火花,点燃可燃混合气。
气:
气缸有足够压力。
点火正时:
压缩冲程上止点前点火。
配气正时:
定时将进、排气门开关。
四冲程柴油机工作原理
1.进气行程
曲轴带动活塞从上止点向下止点运动,进气门开启,排气门关闭,气缸内活塞上腔容积逐渐增大,形成真空度,在真空吸力作用下,新鲜空气被吸入气缸。
2.压缩行程
曲轴带动活塞从上止点向下止点运动,进气门开启,排气门关闭,气缸内活塞上腔容积逐渐减小,空气被压缩,压力、温度升高。
3.作功行程
压缩行程末,喷油泵将高压柴油经喷油器喷入气缸内的高压空气中,迅速汽化并与空气形成可燃混合气,柴油自行着火燃烧,气缸内压力、温度急剧升高,推动活塞由上止点向下止点运动,带动曲轴旋转作功。
4.排气行程
在作功终了时,排气门被打开,曲轴带动活塞由下止点向上止点运动,废气在自身的剩余压力和活塞的驱赶作用下,自排气门排出气缸。
第二节
发动机的总体构造
机体组、曲柄连杆机构、配气机构、供油系统、冷却系统、润滑系统、起动系统、点火系统
第三节
发动机的主要性能指标及编号规则
一、主要性能指标
包括动力性指标(有效转矩、有效功率及升功率)和经济性指标(有效燃油消耗率)。
1.有效转矩
发动机曲轴对外输出的转矩称为有效转矩,用Me表示,单位为N·
m。
2.有效功率
发动机曲轴对外输出的功率称为有效功率,用Pe表示,单位为kW。
它等于有效转矩与角速度的乘积。
有效转矩Me和曲轴转速n可用测功器和转速计测定,然后用以下的公式计算出发动机有效功率:
3.升功率
在标定工况(标定功率、标定转速)下发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率称为升功率,用PL表示,单位是kW/L。
4.有效燃油消耗率
发动机型号编制举例
(1)EQ6100—1型汽油机:
表示二汽生产、六缸、四冲程、缸径100mm、水冷、通用型、第一种变型产品。
(2)6120Q柴油机:
表示6缸、四冲程、缸径120mm、水冷、车用。
(3)12V135Z柴油机:
表示12缸、V形、四冲程、缸径135mm、
水冷、增压。
第2章
曲柄连杆机构的构造与维修
知识目标
1.能够正确描述曲柄连杆机构的组成、构造和装配关系;
2.能够正确叙述曲柄连杆机构主要机件的受力情况和工作原理;
3.能够正确描述曲柄连杆机构的装配要求。
能力目标
1.会进行易损零件检测、修理或更换;
2.会进行曲柄连杆机构的装配与调整;
3.能对曲柄连杆机构常见故障进行分析、判断,并能排除故障。
曲柄连杆机构的构造和工作原理
一、概述
1.曲柄连杆机构的组成:
机体组、活塞连杆、曲轴飞轮组
(一)机体组
1、气缸盖2、气缸垫3、气缸体4、油底壳
(二)活塞连杆组
1、活塞2、活塞环3、活塞销4、连杆
(三)曲轴飞轮组
1、曲轴2、飞轮3、扭转减振器
2.工作条件和受力分析
工作条件:
高温、高压、高速、有化学腐蚀
受力分析:
气体作用力、往复惯性力、离心力、摩擦力、外界阻力
(1)气体作用力
作功行程气体压力
压缩行程气体压力
(2)往复惯性力与离心力
(3)摩擦力
任何一对互相压紧并作相对运动的零件表面之间必定存在摩擦力。
物体所受摩擦力的大小与正压力和摩擦系数成正比,方向总是与物体运动的方向相反
二、机体组
气缸体与气缸套:
气缸体的上半部有引导活塞作往复运动的圆筒,称为气缸。
下半部分有供安装曲轴用的上曲轴箱,有承孔、油道、水道。
气缸体的上、下表面是气缸体维修的基准。
前后两个平面加工,安装正时齿轮盖和飞轮壳。
气缸的排列形式:
气缸
有整体式和镶套式
气缸套的形式
干式缸套
定义:
其外表面不直接与冷却水接触。
特点:
1)壁较薄(1~3mm);
2)与刚体承孔过盈配合;
3)不易漏水漏气。
湿式缸套
其外表面直接与冷却水接触。
1)壁较厚(5~9mm);
2)散热效果好;
3)易漏水漏气;
4)易穴蚀。
定位:
1)径向靠上下两个凸出的、与气缸体间为动配合的圆环带。
2)轴向利用缸套上部凸缘与缸体相应的台阶。
密封:
1)下部靠1~3个耐热耐油的橡胶密封圈。
2)上部缸套顶面高出缸体0.05~0.15mm,当气缸盖螺栓拧紧后,缸套与缸体凸台接合处、缸套与缸垫接合处,承受较大的压紧力,具有防止水套漏水、气缸漏气和保证缸套定位的作用。
气缸盖
1.结构
气缸盖上有冷却水套、燃烧室、进排气门道、气门导管孔和进排气门座、火花塞孔(汽油机)或喷油器座孔。
燃烧室
楔形燃烧室
1)气门斜置,气流导流较好,充气效率高;
2)有挤气—冷激面,可形成挤气涡流;
3)燃烧速度较快,CO和HC排放较低而NO排放稍高。
盆形燃烧室
1)气门平行于气缸轴线;
2)有挤气—冷激面,可形成挤气涡流;
3)盆的形状狭窄,气门尺寸受限,换气质量较差,燃烧速度较低,CO和HC排放较高而NO排放较低。
半球形燃烧室:
1)气门成横向V形排列,气门头部直径可以做得较大,换气好;
2)火花塞位于燃烧室的中部,火焰行程短,燃烧速度最高,动力性、经济性最好,是高速发动机常用的燃烧室;
3)CO和HC排放最少,而NO排放较高。
气缸垫
作用:
保证气缸体与气缸盖间的密封,防止漏水、漏气。
构造:
(1)金属—石棉垫
(2)金属骨架—石棉垫(3)纯金属垫
安装注意:
金属皮的金属—石棉垫,缸口金属卷边一面应朝向易修整接触面或硬平面。
因卷边一面会对与其接触的平面造成压痕变形。
油底壳
油底壳的主要作用贮存机油并密封曲轴箱。
内有稳油挡板、放油螺塞,有的还有磁铁。
三、活塞连杆组
活塞连杆组
由活塞、连杆、活塞环、活塞销和连杆等组成。
(一)活塞
功用:
与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室;
承受气体压力,并将此力传给连杆,以推动曲轴旋转。
材料:
汽车发动机活塞广泛采用铝合金。
质量小(为铸铁活塞的50%~70%);
导热性好(约为铸铁的3倍);
热膨胀系数大。
组成:
可分为顶部、环槽部、裙部。
1活塞顶部
是燃烧室的组成部分,用来承受气体压力。
汽油机活塞的顶部形状有:
(1)平顶:
受热面积小,广泛采用。
(2)凸顶:
与半球形燃烧室配用。
(3)凹顶:
高压缩比发动机为了防止碰撞气门,也可用凹坑的深度来调整压缩比。
(4)组合顶。
2活塞环槽部
环槽部部分切有若干道用以安装活塞环的槽。
3活塞裙部:
为活塞运动导向和承受侧压力。
其型式有
(1)全裙式:
裙部为一薄壁圆筒。
(2)拖板式:
将非承压面的裙部全部去掉。
活塞裙部变形
活塞的变形及采取的相应措施
变形原因:
热膨胀、侧压力和气体压力。
变形规律:
(1)活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量,使配缸间隙变小。
因活塞温度高于气缸壁,且铝合金的膨胀系数大于铸铁。
(2)活塞自上而下膨胀量由大而小。
因温度上高下低,壁上厚下薄。
(3)裙部周向近似椭圆形变化,长轴沿销座孔轴线方向。
因销座处金属量多而膨胀量大,以及侧压力作用的结果。
结构措施:
(1)活塞纵断面制成上小下大的截锥形。
(2)活塞横断面制成椭圆形,长轴垂直于销座孔轴线方向,即侧压力方向。
(3)销座处凹陷0.5~1.0mm。
(4)裙部开绝热—膨胀槽(“T”形或“∏”形槽),其中横槽叫绝槽,竖槽叫膨胀槽。
(5)采用双金属活塞:
即在活塞裙部或销座内嵌入铸钢片,以减少裙部的膨胀量。
防止变形的措施:
1、T型槽2、横范钢片3、偏置销座:
定义:
活塞销座朝向承受作功侧压力的一面偏移1~2mm。
作用:
减轻活塞换向时对气缸壁的敲击噪声。
原理:
因销座偏置,在接近上止点时,作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边,使活塞倾斜,裙部下端提前换向。
而活塞在越过上止点,侧压力反向时,活塞才以左下端接触处为支点,顶部向左转(不是平移),完成换向。
偏置销座使活塞换向分成了两步:
第一步是在气体压力较小时进行,且裙部弹性好,有缓冲作用;
第二步虽气体压力大,但它是个渐变过程。
为此,两步过渡使换向冲击力大为减弱。
(二)活塞环
(一)气环
(1)密封:
防止气缸内的气体窜入油底壳;
(2)传热:
将活塞头部的热量传给气缸壁;
(3)辅助刮油、布油
活塞环的间隙
(1)端隙Δ1:
又称开口间隙,是活塞环装入气缸后开口处的间隙。
一般为0.25~0.50mm。
(2)侧隙Δ2:
又称边隙,是环高方向上与环槽之间的间隙。
第一道环因温度高,一般为0.04~0.10mm;
其他气环一般为0.03~0.07mm。
油环一般侧隙较小,一般为0.025~0.07mm。
(3)背隙Δ3:
是活塞环装入气缸后,活塞环背面与环槽底部的间隙。
一般为0.5~1mm。
活塞环的泵油作用及危害
原因:
(1)存在侧隙和背隙;
(2)环运动时在环槽中靠上靠下。
危害:
(1)增加了润滑油的消耗;
(2)火花塞沾油不跳火;
(3)燃烧室积碳增多,燃烧性能变坏;
(4)环槽内形成积碳,挤压活塞环而失去密封性;
(5)加剧了气缸的磨损。
措施:
(1)采用扭曲环;
(2)采用组合式油环;
(3)油环下设减压腔。
气环的断面形状
1)矩形环
结构简单,与缸壁接触面积大,散热好,但易泵油。
(2)锥形环
1)特点与缸壁线接触,有利于密封和磨合。
下行有刮油作用,上行有布油作用,并可形成楔形油膜。
2)安装注意:
锥角朝下(在环端有向上或TOP等标记);
(3)扭曲环将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶或倒角而成。
(二)油环
作用
刮油,即将气缸壁上多余的润滑油刮下来。
类型
(1)整体式:
其外圆上切有环形槽,槽底开有回油用的小孔或窄槽。
(2)组合式:
由上下刮油片和产生径向、轴向弹力的衬簧组成。
(三)活塞销
连接活塞和连杆,并传递活塞的力给连杆。
结构:
用低碳钢或低碳合金钢制成的厚壁管状体。
1.全浮式
(1)定义:
在发动机正常工作温度下,活塞销在连杆小头孔和活塞销座孔中都能转动。
(2)装配:
销与销座孔在冷态时为过渡配合,采用分组选配法;
将活塞放入热水或热油中加热后,迅速将销装入(热装合)。
2.半浮式
(1)定义:
销与销座孔和连杆小头两处,一处固定,一处浮动(一般固定连杆小头)。
(2)装配:
加热连杆小头后,将销装入,冷态时为过盈配合。
(四)连杆
功用
将活塞的力传给曲轴,变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动。
组成
连杆组由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成。
连杆构造
小头用来安装活塞销,以连接活塞。
杆身常做成“工”字形断面。
大头与曲轴的连杆轴颈连。
大头一般做成分开式,即连杆大头和连杆盖。
连杆大头
(1)切口形式
有平切口和斜切口两种。
(2)定位方式
1)连杆螺栓定位依靠连杆螺栓的光圆柱部分与螺栓孔的配合来定位。
其定位精度较差,用于切口连杆。
2)锯齿形定位依靠接合面的齿形定位。
3)套或销定位依靠套或销与连杆体(或盖)的孔紧配合定位。
4)止口定位。
(五)连杆轴承
保护连杆轴颈及连杆大头孔。
组成
由钢背和减摩层组成。
钢背由1~3mm的低碳钢制成。
减摩层为0.3~0.7mm的减摩合金,层质较软能保护轴颈。
减摩层材料
(1)白合金(巴氏合金):
减摩性能好,但机械强度低,且耐热性差。
常用于负荷不大的汽油机。
(2)铜铅合金:
机械强度高,承载能力大,耐热性好。
多用于高负荷的柴油机。
但其减摩性能差。
(3)铝基合金:
有铝锑镁合金、低锡铝合金和高锡铝合金三种。
四、曲轴飞轮组
曲轴飞轮组由曲轴、飞轮、带轮、正时齿轮(或链轮)等
组成。
一、曲轴
功用
1.把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出。
2.驱动配气机构及其他附属装置。
材料
大多采用优质中碳钢或中合金碳钢。
有的采用球墨铸铁。
构造
曲轴包括前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重、后端轴等,一个连杆轴颈和它两端的曲柄及主轴颈构成一个曲拐。
1.主轴颈和连杆轴颈
主轴颈是曲轴的支承部分。
每个连杆轴颈两边都有一个主轴颈者,称为全支承曲轴;
主轴颈数等于或少于连杆轴颈数者称为非全支承曲轴。
曲轴上有贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈的油道,以便润滑主轴颈和连杆轴颈。
2.曲柄和平衡重
曲柄是用来连接主轴颈和连杆轴颈的。
平衡重的作用是平衡各机件产生的离心惯性力及其力矩。
常用曲拐布置
1.直列四冲程四缸发动机
曲拐对称布置于同一平面内。
相邻作功气缸的曲拐夹角为720°
/4=180°
。
发动机工作顺序有1-3-4-2和1-2-4-3两种。
2.直列四冲程六缸发动机
曲拐对称布置于三个平面内。
/6=120°
发动机工作顺序有1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5两种。
前端轴与后端轴
(1)作用
前端轴用来安装正时齿轮、带轮及起动爪等;
后端轴有凸缘盘,用来安装飞轮。
有的电喷发动机还装有曲轴位置传感器和转速传感器的信号发生器。
(2)前后端的密封
曲轴前后端都伸出曲轴箱,为了防止润滑油沿轴颈流出,在曲轴前后都设有防漏装置。
常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、回油螺纹等。
飞轮
功用
1.贮存能量:
在作功行程贮存能量,用以完成其他三个行程,使发动机运转平稳。
2.利用飞轮上的齿圈起动时传力。
3.将动力传给离合器。
4.克服短暂的超负荷。
第二节
曲柄连杆机构的维修
一、气缸体的修理
磨损规律:
磨损曲线
气缸磨损的测量
在活塞的全行程的上、中、下三个断面。
每个断面必须测量发动机纵向和横向两条直径。
气缸圆度误差。
气缸圆柱度误差。
曲轴主轴承孔磨损测量
曲轴主轴承的圆度误
差大于0.025mm或穴蚀面积大于250mm2时,必须进行修理。
气缸盖平面变形测量
二、活塞的测量
活塞环的检测
弹力和漏光度的检查
三、连杆的检测
四、曲轴弯曲的检验
五、飞轮的检验
常见故障诊断与排除
一、主轴瓦响
1.故障现象
(1)当发动机转速突然变化时,有明显而沉重的连续“嘡嘡”声,并伴随气缸体产生抖动;
(2)发动机的转速升高,响声增大;
(3)发动机负荷变化时,响声明显。
2.故障诊断与排除方法
(1)拆下机油加注口盖,耳朵贴近机油加注口倾听,同时反复改变发动机的转速试验:
突然加速或减速时,发动机出现明显钝哑沉重的“嘡嘡”响声,当用听诊器或简易听诊杆在气缸体曲轴位置察听时,响声明显。
(2)利用单缸断火法试验,响声没有变化,然后将相邻两缸断火试验,如在某两缸断火后,响声明显减弱,说明这两缸之间的主轴瓦发响。
(3)使发动机高速运转,机体会产生较大的振动,机油压力偏低,说明主轴瓦间隙过大或轴承合金层脱落。
(4)放尽机油,拆下油底壳后检查:
①如发现机油中和油底壳壁上有轴承合金屑粒,则说明轴承合金脱落,应更换新的主轴瓦,并检查主轴颈有无损伤。
②检查主轴承盖螺栓是否松动,如有松动,应按规定力矩拧紧。
③检测主轴瓦径向和轴向间隙,若间隙过大,应更换新主轴瓦。
二、连杆轴瓦响
(1)发动机运转中,产生一种连续而短促的“当当”声,中速运转时,响声比较明显,当突然加速时,响声随着增大;
(2)发动机负荷增加时,响声随着增大;
(3)发动机温度变化时,响声不随着变化。
(1)使发动机怠速运转,可听到短促的“当当”声,随着转速的升高,响声会更突出,拆下机油加注口盖倾听,响声为清脆的“当当”声,说明是连杆轴瓦响。
(2)利用单缸断火法试验:
若某缸断火时响声减弱或消失,在复火的瞬间响声又立即出现,则可断定该缸连杆轴瓦响。
(3)放尽机油,拆下油底壳检查:
①发现机油中或油底壳壁上有轴承合金屑粒,说明连杆轴瓦合金层脱落,应更换新的连杆瓦,并检查连杆轴颈有无损伤;
②检查连杆螺栓有无松动,如有松动,应按规定力矩拧紧;
③若连杆螺栓不松动,用手上、下推拉连杆盖检查,如感觉旷量较大,说明连杆轴瓦磨损过甚,应更换新的连杆轴瓦。
(4)检查机油压力是否过低,若属机油压力过低造成的响声,应调整油压;
若属机油粘度过小造成的响声,应更换机油。
三、活塞敲缸响
(1)发动机在怠速或低、中速运转时,在气缸上部发出清晰、明显、有规律的“嗒嗒”声,中速以上一般减弱或消失;
(2)发动机温度低时响声明显,正常工作温度下,响声减弱或消失;
(3)发动机在高温、高速运转时,发出“嘎嘎”连续不断且有节奏的响声。
(1)发动机冷车起动,即发出有节奏的“嗒嗒”声,此时
应将发动机转速控制在响声最明显的范围内,在气缸体上部用听诊器或简易听诊杆听诊,若响声在怠速、冷车时明显,在高速、温度升高后减弱或消失;
同时伴有从机油加注口冒烟、排气管冒蓝烟现象,则说明活塞敲缸。
(2)将发动机置于响声最明显的转速上运转,逐缸进行断火试验:
若某缸断火后响声减弱或消失,说明该缸活塞敲缸;
若在断火后出现敲缸响声,并由间断响变成连续响,则说明活塞裙部锥度过大,使活塞头部撞击气缸壁所致。
应检查并更换活塞。
(3)发动机熄火,拆下有响声气缸的火花塞或喷油器,往气缸
内注入少量机油,并用手摇柄或起动机带动曲轴转动数圈,然后
装上火花塞或喷油器,起动发动机。
如响声在短时间内减弱或消
失,过一会儿又重新出现,说明该缸活塞裙部与气缸壁的间隙过
大。
应检测气缸间隙,选配活塞或镗缸。
(4)发动机温度低时响声不明显,在温度升高后,使发动机中、高速运转时,出现有节奏的“嘎嘎”声,温度越高,响声越大,用单缸断火试验,响声没有变化,说明连杆有变形。
应检查并校正连杆。
(5)发动机温度低时响声不明显,当温度升高后,发动机处于怠速运转时,出现“嗒嗒”声,机体抖动,温度越高,响声越大,说明活塞变形或活塞环开口间隙过小,造成活塞与气缸壁的配合间隙过小,致使润滑不良。
应检查、更换活塞及活塞环。
四、活塞销响
(1)发动机在怠速或低速时,在气缸上部可听到尖锐、清脆的“嗒嗒”声;
(2)发动机的转速升高,响声随着增大;
(3)一般情况下,发动机温度升高,响声不减弱,在低速下急加速响声非常明显。
2.故障诊断与排除方法
(1)发动机置于怠速下运转,然后由怠速向低速急抖节气门,响声能随着转速变化。
若抖动节气门时,出现清脆而连贯的“嗒嗒”声,说明活塞销响。
(2)将发动机稳定在响声比较明显的转速上,逐缸进行断火试验:
若某缸断火后响声明显减弱或消失,且在复火的瞬间能立即出现或连续出现两个响声,说明该缸活塞销响。
若响声严重,并且转速越高响声越大,断火后响声不消失且变得杂乱,说明活塞销与连杆小头衬套的配合间隙过大。
应检查并更换连杆小头衬套或活塞销。
(3)发动机怠速运转时,出现有节奏而较为沉重的“吭吭”声,转速升高,响声并不消失,而又出现机体抖动。
若用单缸断火试验,响声反而加重,说明活塞销窜动响。
可能是活塞销卡环脱落。
应立即拆检,如确系卡环脱落,活塞销已将气缸壁划伤,则应更换气缸套。
五、曲轴箱窜气量和气缸漏气率的检测
1.曲轴箱窜气量的检测
测量时,将曲轴箱密封(堵住机油尺口、曲轴箱通风进出口等),由加机油口处用橡胶管将漏窜气体导入气体流量计。
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