任务一 汽车发动机的发展史
学习目标
1.了解发动机的发展史； 2.了解汽车发动机的分类。
1.发动机的发展史
发动机是汽车的动力源。汽车发动机大多是热能动力装置，简称热力机。热力机是借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。
1876年，德国人奥托(Nicolaus A. Otto）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。由于采用了进气、压缩、做功和排气四个冲程，发动机的热效率从大气压力式发动机的11%提高到14%，而发动机的质量却降低了70%。
1892 年，德国工程师狄塞尔（Rudolf Diesel）发明了压燃式发动机（即柴油机），实现了内燃机历史上的第二次重大突破。由于采用高压缩比和膨胀比，热效率比当时其他发动机又提高了1 倍。
1926 年，瑞士人布希（A. Buchi）提出了废气涡轮增压理论，利用发动机排出的废气能量来驱动压气机，给发动机增压。50 年代后，废气涡轮增压技术开始在车用内燃机上逐渐得到应用，使发动机性能有很大提高，成为内燃机发展史上的第三次重大突破。[1]
1956年，德国人汪克尔（Wankel）发明了转子式发动机，使发动机转速有较大幅度的提高。1964年，德国NSU公司首次将转子式发动机安装在轿车上。
1967 年德国博世（Bosch）公司首次推出由电子计算机控制的汽油喷射系统（Electronic Fuel Injection，EFI），开创了电控技术在汽车发动机上应用的历史。经过30年的发展，以电子计算机为核心的发动机管理系统(Engine Management System，EMS）已逐渐成为汽车（特殊是轿车发动机）上的标准配置。由于电控技术的应用，发动机的污染物排放、噪声和燃油消耗大幅度地降低，改善了动力性能，成为内燃机发展史上第四次重大突破。[3]
1967年，美国进行了一次氢气汽车行驶的公开表演，那辆氢气汽车在80公里时速下，每次充氢10分钟可运行121公里。该车有19个坐位，由美国比林斯公司创造。1971年，第一台装有斯特林发动机（Strling）的公共汽车开始运行。1972年，日本本田技研工业在市场售出装有复合涡流控制燃烧(CVCC, Compound Vertex Controlled Combustion)的发动机的西维克（Civic）牌轿车，打响了稀薄气体燃烧发动机的第一炮。
1977年，在美国芝加哥召开了第一次国际电动汽车会议。会议期间，展出了各种电动汽车一百多辆。1978年，日本研究成功混合动力汽车。1979年8月，巴西创造出以酒精为燃料的汽车。巴西是现在世界上使用酒精汽车最多的国家。 1980年，日本研制成功液态氢气车。在后部装有保持液态氢低温和一定压力的特制贮存罐。该车用85公升的液氢，行驶了400公里，时速达135公里。 1980年，美国试制成功了一种锌氯电池电动汽车。
1980年，西班牙试研制成功一种太阳能汽车。
1980年，西德汉堡市西北伊策霍的一位工程师，发明了一种利用电石气（乙炔气）作动力的汽车。先将电石变成气体，然后用这种气体燃烧推动喷气式发动机来驱动汽车，其速度和安全性均不亚于汽油车，20公斤电石块可以使汽车至少行驶300公里。
1980年，美国加州大学的约翰.库伯和埃尔文.贝伦开始研究“烧铝”的电动汽车。
1983年，世界上第一辆装备柴油陶瓷发动机的汽车运行试验成功。所装发动机是日本京都陶瓷公司研制的，其主要零部件由陶瓷制成，省去了冷却系统，分量轻，节能效果显著，在同样条件下可比常规发动机多走30%的路程。
1984年，前苏联研制出一种双重燃料汽车。当汽车发动时，首先使用汽油，然后专用天然气。
1984年，美国美孚石油公司的阿莫柯比化学公司，研制出了一种叫杜隆塑料的合成材料，该公司采用这一塑料成功地创造出了世界上第一台全塑料汽车发动机，其分量惟独84公斤。美国的洛拉T-616GT型汽车用的就是这种全塑发动机。
1984年，澳大利亚工程师沙里许研制成功了一种OCP发动机。 1985年，澳大利亚彼兰丁研制出一种安全可靠、启动灵便、高速而又不冒烟的蒸汽机汽车。 1986年，日本的三洋电气公司研制成功首辆太阳能电池汽车。
1994年，英国的戴维.伯恩发明了另一种风力汽车，并已投入批量生产。
2.汽车发动机的分类
汽车发动机是为汽车提供动力的发动机，是汽车的心脏，影响汽车的动力性、经济性和环保性。根据动力来源不同，汽车发动机可分为柴油发动机、汽油发动机、电动汽车电动机以及混合动力等。
常见的汽油机和柴油机都属于往复活塞式内燃机，是将燃料的化学能转化为活塞运动的机械能并对外输出动力。汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，创造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。
除了使用汽油和柴油之外，使用其他新能源的汽车被称为新能源汽车，包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、燃气汽车、生物乙醇/生物柴油汽车和氢发动汽车等。我国市场上在售的新能源汽车多是混合动力汽车，但是目前已把纯电动汽车作为了主攻方向。 1)按进气系统的工作方式可分为自然吸气、涡轮增压。
自然吸气 涡轮增压
2）按活塞运动方式可分为往复活塞式内燃机和旋转活塞式发动机两种。
往复活塞式 旋转活塞式
3）按照气缸罗列方式分类
（1）L型发动机又称“直列”发动机，是指汽缸是按直线罗列的，它所有的汽缸均按同一角度肩并肩排成一个平面。“直列”普通用L代表，后面加之汽缸数就是发动机代号，现代汽车上主要有L3、L4、L5、L6型发动机。
L型发动机
（2）V型发动机是将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定的夹角布置在一起，使两组汽缸形成两个有一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形，故称V型发动机。 在汽车上布置起来较为方便。特别是现代汽车比较重视空气动力学，要求汽车的迎风面越小越好，也就是要求发动机盖越低越好。普通为6缸8缸或者12缸。
V型发动机
（3）水平对置发动机，这也是V型发动机
一的一种，只无非V的夹角变成为了180度了，
般为4缸或者6缸。
水平对置发动机
（4）W型发动机是德国大众专属发动机技术。简单说就是两个V型发动机相加，再组成一个V型发动机，也就是“V+V=W=V”。W型与V型发动机相比可以将发动机做得更短一些，曲轴也可短些，这样就能节省发动机所占的空间，同时分量也可轻些，但它的宽度更大，使得发动机室更满。
W型发动机
（5）转子发动机最早是德国科学家汪克尔发明的，所以又叫汪克尔发动机。其实转子发动机的效率并不高，只是功率高。目前惟独“马自达”在应用这项技术。
转子发动机
4)按点火方式分
压燃式(CI)发动机:利用气缸内空气被压缩 后产生的高温，使燃油白燃，如柴油机。 点燃式(SI)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，如汽油机。
点火方式 5）按照冷却方式分类
内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的;而风冷发动机是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的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。
冷却方式 6）按照行程分类
内燃机按照完成一个工作循环所需的冲程数可分为四冲程内燃机和二冲程内燃机。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个冲程，完成一个工作循环的内燃机称为四冲程内燃机;而把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个冲程，完成一个工作循环的内燃机称为二冲程内燃机。汽车发动机广泛使用四冲程内燃机。
内燃机行程
7）按照所用燃料分类
内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机;使用柴油为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点;汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，创造成本低;柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。
内燃机燃料
任务二往复活塞式内燃机工作原理
学习目标
1.发动机基本构造； 2.掌握发动机常用术语； 3.掌握发动机工作原理。
1.发动机基本构造
发动机是将某一种型式的能量转换为机械能的机器，其作用是将液体或者气体燃烧的化学能通过燃烧后转化为热能，再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力。发动机是一部由许多结构和系统组成的复杂机器，其结构型式多种多样，但由于基本工作原理相同，所以
其基本结构也就大同小异， 汽油机通常由曲柄连杆、配气两大机构和燃料供给、润滑、冷却、点火、起动五大系统组成。柴油机通常由两大机构和四大系统组成（无点火系）发动机的总体结构。
发动机结构图
1）曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是由气缸体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮等组成。这是发动机产生动力，并将活塞的直线往复运动转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。
曲柄连杆机构
2）配气机构
配气机构是由进气门、排气门、气门弹簧、挺杆、凸轮轴和正时齿轮等组成。其作用是将新鲜气体及时充入气缸，并将燃烧产生的废气及时排出气缸。
配气机构
3）燃料供给系
由于使用的燃料不同，可分为汽油机燃料供给系和柴油机燃料供给系。
汽油燃料供给系统又分化油器式和燃油直接喷射式两种，通常所用的化油器式燃料供给系由燃油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进排气歧管和排气消声器等组成，其作用是向气缸内供给已配好的可燃混合气，并控制进入气缸内可燃混合气数量，以调节发动机输出的功率和转速，最后，将燃烧后废气排出气缸。
柴油机燃料供给系统由燃油箱、输油泵、喷油泵、柴油滤清器、进排气管和排气消声器等组成，其作用是向气缸内供给纯空气并在规定时刻向缸内喷入定量柴油，以调节发动机输出功率和转速，最后，将燃烧后废气排出气缸。
汽油燃料供给系统
4．冷却系统
发动机采用水冷却式。水冷式由水泵、散热器、风扇、节温器和水套（在机体内）等组成，其作用是利用冷却水的循环将高温零件的热量通过散热器散发到大气中，从而维持发动机电动正常工作温度。
柴油燃料供给系统 冷却系
5．润滑系统
润滑系由机油泵、滤清器、油道、油底壳等组成。其作用是将润滑油分送至各个相对运动零件的磨擦面，以减小磨擦力，减缓机件磨损，并清洗、冷却磨擦表面。
润滑系
6．点火系统
汽油机点火系由电源（蓄电池和发机电）、点火线圈、分电器和火花塞等组成，其作用是按规定时刻及时点燃气缸内被压缩的可燃混合气。
点火系统
7．起动系统
起动系用以使静止的发动机起动并转入自行运转状态。
起动系统
8.发动机常用术语
发动机常用术语
(1)上止点－－活塞离曲轴旋转中心最远处，通常即活塞的最高位置。 (2)下止点－－活塞离曲轴旋转中心最近处，通常即活塞的最低位置。 (3)活塞行程－－上、下两止点间的距离。
(4)冲程－－活塞由一个止点到另一个止点运动一次的过程。
(5)曲轴半径－－曲轴与连杆大端连接的中心到曲轴旋转中心的距离。 (6)气缸工作容积－－活塞从上止点到下止点所让出的空间的容积。
(7)发动机工作容积－－发动机所有气缸工作容积之和，也称发动机的排量。
(8)燃烧室容积－－活塞在上止点时，活塞顶上面的空间叫燃烧室，它的容积称燃烧室容积。
(9)气缸总容积－－活塞在下止点时，活塞顶上面整个空间的容积，它等于气缸工作容积与燃烧室容积之和。
(10)压缩比－－气缸总容积与燃烧室容积的比值。
发动机常用术语
9.二冲程发动机工作原理 1）工作原理
二冲程发动机取销了气门机构，而在气缸中分别设有进气孔、扫气孔和排气孔，可燃混合气通过扫气孔进入气缸，废气则通过排气孔排出气缸之外。在二冲程发动机中，每一次向上的活塞行程是压缩行程，而每一次向下的活塞行程都是做功行程。当活塞向上运动时，活塞逐渐将扫、排气孔封闭。活塞继续上移，气缸内的可燃混合气被压缩。在活塞向上运动的同时，曲轴箱内产生真空，它吸引可燃混合气从化油器经簧片阀进入曲轴箱。当做功行程活塞向下运动时，可燃混合气在曲轴箱内被压缩。做功行程终了时，活塞再也不封闭排气孔和扫气孔。残存的气缸压力将废气排出气缸，而曲轴箱内的空燃混合气则通过扫气孔进入气缸。
二冲程发动机工作原理
10.四冲程发动机工作原理
四冲程汽油发动机工作原理
四冲程汽油发动机工作时，活塞在气缸内上下往复运动。活塞运动的上限称作上止点，下限称作下 止点。活塞在气缸内上下往复运动的过程称作行程。在四个行程中完成一个做功循环的(进气、压缩、做 功、排气)的发动机为四冲程发动机。四冲程发动机的工作顺序是进气、压缩、做功和排气。四冲程发动 机的每一个气缸都进行这种四冲程循环，但进行的时间不同。汽油发动机进气系统吸入的是可燃混合气由 火花塞的电火花点燃混合气。 各缸做功行程错开可使发动机输出功率连续平稳、振动小。缸数越多，作功间隔角越小，同时参预 作功的气缸越多，发动机运转越平稳。多缸机使用最多的有四缸发动机，六缸发动机和八缸发动机。
1）进气行程
活塞由曲轴带动从上止点前10度摆布，向下止点运动。此时，进气门打开，排气门关闭。由于活塞下移，活塞上腔容积增大，形成一定真空度，在真空吸力的作用下，可燃混合气经进 气门被吸入气缸（柴油机进气吸入的是纯净空气），至活塞运动到下止点后约40度摆布，进气门关闭，住手进气，进气行程结束。在进气过程中，受空气滤清器、进气管道、进气门等阻力的影响，进气终了时，气缸内的气气压力略低于大气压力， 普通为0.075MPa～0.09MPa。 2）压缩行程
进气行程结束时，活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动。此时进、排气 门均关闭，随着活塞上移、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。
3）做功行程
压缩行程末，火花塞产生电火花，点燃气缸内的可燃混合气（柴油机是喷油泵将柴油泵入喷油器，并通过喷油器喷入燃烧室，与气缸内空气形成可燃混合气），并迅速着 火燃烧，气体产生高温、高压，在气体压力的作用下，活塞由上止点向下止点运动，再通过连杆驱动曲 轴旋转向外输出做功，至活塞运动到下止点时，做功行程结束。在做功行程，整个燃烧室必须密封，不能有任何泄漏点，泄露可能会损失掉燃油中的部份能量，从而降低向下推动活塞的动力。
4）排气行程
在做功行程终了时，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，由排气门排出气缸，至活塞运动到上止点后10度左右时，排气门关闭，排气行程结束。排气行程结束后，进气门再次开启，又开始了下一个工作循环，如此周而复始，发动机工作就开始自行运转。排气终了时，由于燃烧室容积的存在，汽缸内还存有少量的废气，气体压力也因排气门和进气道等有阻力而略高于大气压。此时，压力约为105kPa～125kPa。
四冲程发动机工作原理
11.四冲程发动机相比，二冲程发动机有以下优点。
1)曲轴每转一周就有一个做功行程，因此，当工作容积和转速相同时，理论功率应等于四冲程发动机的二倍。
2)由于发生做功过程的频率较大，故运转比较均匀平稳。 3)由于没有专门的配气机构，所以它结构较简单，质量较小。
4)因附属机构少，因此易受磨损和时常需要修理的运动部件数量比较少。 3）缺点
由于构造上的关系，二冲程发动机的缺点也是显而易见的。
(1)不易将废气从气缸中排除干净，并且在换气时减少了有效工作行程。因此在同样的工作容积和曲轴转速下，其功率仅为四冲程发动机的l.5～1.6倍。
(2)在换气时有一部份新鲜可燃混合气随同废气被排出，使得燃油经济性降低。
(3)由于为使活塞润滑，需要不断向气缸供给润滑油，因此排气中往往含有润滑油，导致碳氢化合物(HC)和可视烟雾的排放增加。由于以上缺点，二冲程发动机在汽车上向来并未被广泛应用。
12.柴油发动机与汽油发动机的比较
1）使用的燃料：柴油机用柴油，汽油机用汽油。
2）燃料着火方式：汽油机为点燃式，柴油机为压燃式。 3）功率范围：汽油机范围小，柴油机范围大。
4）工作转速：汽油机转速最高可达9000转/分钟，电控柴油机转速最高可达6000转/分钟以上。
5）工作扭矩：汽油机小，柴油机大。 6）工作噪声：汽油机小，柴油机稍大。 7）尾气排放：柴油机环保，汽油机稍差。
8）温度适应性：汽油机好，柴油机要按当地气温选择柴油。
9）燃油消耗：汽油机热效率30%，柴油机热效率46%，故柴油机较汽油机燃油消耗低。 10）可靠性和寿命：柴油机较汽油机工作可靠、寿命长。 11）创造成本：柴油机较汽油机创造成本高。
12）压缩比：柴油机在15～21之间，汽油机仅为8～12。柴油抗爆震性用十六烷值表示，轻柴油用40～55，十六烷值越高越好。汽油机用辛烷值表示、国外普通87、中级89、优质93，国内90#、93#、97#辛烷值越高越好。
13）气缸压力：柴油机在2.4Mpa～3.1Mpa，汽油机在0.8Mpa～1.2Mpa之间。 14）压缩终了温度：柴油机为700℃～900℃，汽油机为100℃～200℃。
15）燃烧室形状：柴油机燃烧室的形状与汽油机不同，汽油机燃烧室普通在气缸盖上，柴油机通常在活塞上。为强化空气与柴油在缸内的均匀混合，柴油机的气缸燃烧室设计成一定的形状。目前，柴油机的燃烧室可分成两大类：一类称之为直接喷射式燃烧室，另一种是分开式燃烧室。
16）用途：柴油机较汽油机用途广泛，汽油机主要用于小动力、摩托车和小客车。 13.发动机产品名称和型号
为了便于内燃机的生产管理和使用，我国颁布了国家标准( GB/T 725-2022)《内燃机产 品名称和型号编制规则》，对内燃机的名称和型号作了统一规定。 14.内燃机的名称和型号
内燃机名称均按所使用的主要燃料命名，例如汽油机、柴油机、煤气机、沼气机、双（多） 种燃料发动机等。内燃机型号由阿拉伯数字和汉语拼音字母组成。内燃机型号由以下四部份 组成，。
内燃机型号
(1)首部 它是产品系列符号和换代标志符号，由创造厂根据需要自选相应字母表示，但需主管部门或者由主管标准化机构核准。
(2)中部 由缸数符号 、行程符号、气缸罗列形式符号和缸径符号等组成。 (3)后部 后部是结构特征和用途特征符号，以字母表示。
(4)尾部 尾部是区分符号，同一系列产品因改进等原因需要区分时，由创造厂选用适当符号表示。
2、型号编制举例 (1)汽油机
1) 1E65F：表示单缸，二行程，缸径65mm，风冷通用型。 2) 4100Q：表示四缸，四行程，缸径lOOmm，水冷车用。
3) CA6102：表示六缸，四行程，缸径102mm，水冷通用型，CA表示一汽。 4) 8V100：表示八缸，四行程、缸径lOOmm，V型，水冷通用型。 (2)柴油机
1) 165F：表示单缸，四行程，缸径65mm，风冷通用型。 2) 495Q:表示四缸，四行程，缸径95mm，水冷车用。
3) X4105:表示四缸，四行程，缸径105mm，水冷通用型，X表示系列代号。
4) YC6112ZLQ:表示六缸，四行程，缸径112mm，水冷车用；YC表示玉柴机器股分有限公司，Z为增压，L为中冷。
5) EQ6BTA5.9：表示六缸，四行程，水冷车用；EQ表示二汽，B为发动机的系列号，A为水冷中冷，T为增压，5.9为发动机排量。
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