BBDC 维修技术培训课程
初级自学教程
汽油发动机原理
出版编号：TBF00CP00102
出版年度：2005
安全注意事项
下面给出一些进行汽车维护作业时必须遵守的一般性警告： z 佩戴安全防护眼镜以保护眼睛。 z 按操作步骤要求在举升的车辆下进行工作
时，应在车下使用安全支架。
z 确保点火开关始终处于OFF 位置，除非操
作步骤另有要求。
z 在车上工作时，应施加驻车制动。如果是
自动变速器车辆，应将选档杆置于PARK （驻车）档，除非特定操作要求置于其他档位。如果是手动变速器车辆，应将档位置于倒档（发动机关闭时）或空档（发动机运转时），除非特定操作要求置于其他档位。
z 必须在通风良好的区域进行发动机的维修
工作，以防一氧化碳中毒。
警告：许多制动器摩擦片含有石棉纤维。在对制动器部件进行维修时，应避免吸入其粉尘。吸入石棉粉尘有害健康，可能导致癌症。
当用压缩空气或干刷方式清洁车辆时，从车轮制动器和离合器总成处扬起的粉尘或污垢可能含有有害健康的石棉纤维。
车轮制动器总成和离合器面应使用推荐的石棉纤维专用吸尘器进行清洁。粉尘和污垢应使用可防止粉尘暴扬的方法进行处置，例如使用密封袋。密封袋必须标有国家职业安全和卫生部门的使用说明，并将袋中所装内容通知垃圾承运人。
如果手边没有用于盛装石棉的真空袋，清洁工作必须在水湿状态下进行。如果粉尘仍然产生，技术人员应戴上经政府认可的有毒粉尘过滤净化口罩。
z 在发动机运转时，身体部位及衣服应远离
转动的部件，尤其是风扇和皮带。 z 为防止严重烫伤，应避免接触高温金属部
件，例如散热器、排气歧管、尾管、催化转换器和消声器。 z 在车上工作时不得吸烟。
z 为避免受伤，在开始工作前应摘掉戒指、
手表、项链，脱去宽松的衣服。长头发应挽起固定于脑后。
z 双手及其他物体不得接触风扇叶片。电动
冷却扇随时会因发动机温度升高而运转。因此，必须确保电动冷却扇的电源完全断开后，才能在冷却风扇附近进行操作。
汽油发动机原理 目录
目录
目录................................................................................................................................................... 1 第一课 基本原理............................................................................................................................. 3
1.1 内燃机的历史.......................................................................................................................................... 3 1.2 四行程汽油发动机的工作原理.............................................................................................................. 3 1.3 工作循环的四个行程.............................................................................................................................. 3
1.3.1 曲轴的第一圈............................................................................................................................. 3 1.3.2 曲轴的第二圈............................................................................................................................. 4 1.4 发动机的一般分类.................................................................................................................................. 4 1.5 发动机的气缸编号和转动方向.............................................................................................................. 5
1.5.1 气缸编号..................................................................................................................................... 5 1.5.2 发动机的转动方向..................................................................................................................... 5 第二课 发动机部件.......................................................................................................................... 6
2.1 四行程汽油发动机的基本构造.............................................................................................................. 6 2.2 气缸盖...................................................................................................................................................... 6 2.3 燃烧室...................................................................................................................................................... 6 2.4 气缸垫...................................................................................................................................................... 7 2.5 缸盖螺栓.................................................................................................................................................. 7 2.6 气门.......................................................................................................................................................... 8 2.7 凸轮轴...................................................................................................................................................... 8 2.8 挺柱.......................................................................................................................................................... 9
2.8.1 机械挺柱..................................................................................................................................... 9 2.8.2 液压挺柱..................................................................................................................................... 9 2.8.3 液压挺柱工作原理................................................................................................................... 10 2.9 配气机构................................................................................................................................................ 10 2.10 气缸...................................................................................................................................................... 11
2.10.1 带有湿式缸套的气缸............................................................................................................. 11 2.10.2 带有干式缸套的气缸............................................................................................................. 12 2.11 活塞...................................................................................................................................................... 12
2.11.1 活塞的构造............................................................................................................................. 12 2.11.2 活塞的类型............................................................................................................................. 12 2.11.3 作用于活塞的力..................................................................................................................... 13 2.11.4 活塞上的热负载..................................................................................................................... 13 2.11.5 活塞环..................................................................................................................................... 13 2.12 连杆...................................................................................................................................................... 14 2.13曲轴......................................................................................................................................................... 14
2.13.1 轴承......................................................................................................................................... 15
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目录 汽油发动机原理
第三课 发动机正时........................................................................................................................ 16
3.1 概述........................................................................................................................................................ 16 3.2 配气机构的驱动型式............................................................................................................................ 16
3.2.1 正时齿轮驱动........................................................................................................................... 16 3.2.2 正时链驱动............................................................................................................................... 16 3.2.3 正时皮带驱动........................................................................................................................... 17 3.2.4 不同的齿形............................................................................................................................... 17 第四课 进气和排气系统................................................................................................................ 18
4.1 进气系统................................................................................................................................................ 18 4.2 排气系统................................................................................................................................................ 19 第五课 燃油供给系统.................................................................................................................... 20
5.1 概述........................................................................................................................................................ 20 5.2 化油器系统............................................................................................................................................ 20 5.3 燃油喷射................................................................................................................................................ 20
5.3.1 节气门体燃油喷射（TBI ）..................................................................................................... 20 5.3.2 多点燃油喷射........................................................................................................................... 20 5.4 汽油发动机用燃油................................................................................................................................ 21
5.4.1 汽油种类................................................................................................................................... 21 5.4 爆震........................................................................................................................................................ 21 第六课 发动机支持系统................................................................................................................ 22
6.1 润滑系统................................................................................................................................................ 22
6.1.1 油路........................................................................................................................................... 22 6.1.1 机油承受的各种应力............................................................................................................... 22 6.2 机油更换................................................................................................................................................ 22
6.2.1 润滑油的规格........................................................................................................................... 23 6.2.2 汽油发动机用机油................................................................................................................... 23 6.2.3 （轿车）柴油发动机用机油..................................................................................................... 23 6.3 水冷系统................................................................................................................................................ 24
6.3.1冷却液.......................................................................................................................................... 24 6.4 曲轴箱通风系统.................................................................................................................................... 24
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汽油发动机原理 第一课 基本原理
第一课 基本原理
1.1 内燃机的历史
1860
法国人Lenoir 制造了第一台实用内燃机。该内燃机由煤气驱动，效率大约为3%。 1867
在巴黎世界博览会上，Nicolaus August Otto和Eugen Langen展示了一台改进的内燃机，效率约为9%。 1878
Nicolaus August Otto制造出第一台根据压缩原理工作的气体燃料发动机。该发动机根据四行程工作原理工作。效率增加到大约15%。 1883
Gottlieb Daimler和Wilhelm Maybach研制出第一台带有热管点火的适于车用的高速四行程汽油发动机。 1887
Robert Bosch研制出用于发动机的断电器点火。 1893
Wilhelm Maybach发明喷射化油器。 1897
Rudolf Diesel经过4年研发，将其发动机投入生产。这种以他的名字命名的发动机靠高压空气工作，借助于压缩空气将轻粗柴油喷入发动机。 1897－现在
在这一阶段，发动机设计、材料和制造工艺得到不断改善，使得各汽车公司生产的汽车更为可靠，效率更高。
1.2 四行程汽油发动机的工作原理
汽油发动机是一种内燃机。它将汽油含有的热能转换成推动汽车所需的机械能。
汽油发动机是一种往复活塞式发动机。通过气缸内活塞的往复运动，将空气燃料混合气吸入、压缩、燃烧和排出。
多数汽车的汽油发动机都是四行程发动机。就是说，需要活塞进行4个行程和曲轴转动两圈来完成一个全工作循环。
1.3 工作循环的四个行程
第一行程：吸入新鲜的燃料和空气混合气 第二行程：压缩燃料和空气混合气 第三行程：做功行程（燃烧燃料和空气混合气）
第四行程：排出燃烧气体
活塞的往复运动，通过曲柄传动装置转变为旋转运动。曲柄传动装置由下列部件组成：活塞、连杆和曲轴。
活塞在气缸内的四个行程，只有一个（燃烧行程）产生动能。其他行程只是为气缸的下一个燃烧行程做准备。这些行程有时被称为空行程。
1.3.1 曲轴的第一圈
1. 进气行程：
活塞从其上止点（TDC ）向下止点（BDC ）运动。这会在气缸内产生一个真空，将可燃混合气通过打开的进气门吸入气缸。
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第一课 基本原理 汽油发动机原理
2. 压缩行程：
活塞从下止点移向上止点。由于两个气门都关闭了，所以气缸内的燃料和空气混合气被压缩。
A 发动机处于做功行程 B 发动机处于排气行程
A 发动机处于进气行程 B 发动机处于压缩行程 1 进气门 2 排气门 3 上止点（TDC ） 4 下止点（BDC ）
1 进气门 2 排气门 3 上止点（TDC ） 4 下止点（BDC ）
5. 气门叠开
为了加速气体的交换（排出废气并吸入新鲜气体），活塞在排气行程接近上止点时，排气门和进气门都打开。废气排出气缸的运动所产生的动能有助于将下一批空气/燃油混合气吸入气缸。
1.3.2 曲轴的第二圈
3. 做功行程：
两个气门关闭。压缩混合气被火花塞发出的点火火花点燃。燃烧产生的气体增加了压强，将活塞从上止点推向下止点。
由于燃烧过程需要一定的时间，所以空气与燃料的混合汽是在活塞到达（压缩行程）上止点之前的 0°和40°之间开始被点火系统点燃。 4. 排气行程：
活塞从下止点移向上止点。活塞将废气通过打开的排气门强行排出气缸。至此，整个四行程工作循环结束。
1.4 发动机的一般分类
内燃汽车发动机根据不同的标准分为不同的类别，常见的分类标准有：
－ 气缸排列 － 点火型式
－ 混合气构成 － 冷却方法 － 基本动作
－ 配气机构型式 － 气缸充气方法 － 燃料类型
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汽油发动机原理 第一课 基本原理
发动机按燃料类型分类
－ 汽油发动机 － 柴油发动机 － 燃气发动机 － 多燃料发动机
1.5 发动机的气缸编号和转动方向
发动机根据气缸排列分类：
1 直列式发动机 2 V形发动机 3 卧式对置气缸发动机 发动机按点火型式分类
火花塞点火的汽油发动机 压燃的柴油发动机 发动机按混合气构成分类
化油器式发动机 燃油喷射式发动机 发动机按冷却方法分类
水冷式发动机 风冷式发动机 发动机按基本运动分类
往复活塞式发动机 转子式发动机
发动机根据配气机构型式分类
顶置气门发动机 顶置凸轮轴发动机 发动机按气缸充气方法分类
自然吸气发动机 增压式发动机
对于双缸排发动机（V 形发动机），连续编号从左侧缸排（从发动机前端看）的第一缸开始。但是也有其他的公司采用顺时针编号，或者采用交错编号。
A 直列式发动机 B V形发动机 C 功率输出端
1.5.1 气缸编号
发动机的气缸是按标准系统依次编号的。第一缸通常位于发动机的前端。然后气缸连续编号至发动机后端（功率输出端）。
1.5.2 发动机的转动方向
转动方向对于功率输出端来说分为逆时针和顺时针（此处所示为顺时针）。多数发动机都顺时针转动。
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
第二课 发动机部件
2.1 四行程汽油发动机的基本构造
下图所示的发动机展示了现代汽油发动机的主要部件。
2.2 气缸盖
气缸盖位于气缸顶部。它构成燃烧室的顶部，并装有火花塞。进气和排气口、气门及部分配气机构也在气缸盖内。
气缸盖需要耐受极度高温。通常由耐热的灰铸铁或者能够快速散热的轻金属合金制成。
根据不同的发动机冷却类型，有的气缸盖带有散热片（风冷式发动机），有的带有冷却液通道（水冷式发动机）
1 进气凸轮轴 2 火花塞 3 气缸盖罩 4 排气凸轮轴 5 气缸盖 6 排气门 7 排气口 8 活塞 9 连杆 10 气缸体 11 机油进油管 12 油底壳 13 曲轴 14 进气门 15 进气口 16 气门弹簧 17 挺柱
水冷式4气门缸盖 1 进气门 2 排气门 3 冷却液通道
现代发动机的基本部件可以分为两大类：气缸盖和配气机构；缸体以及曲柄转动装置。
在发动机上，配气机构由凸轮轴、挺柱和气门组成。配气机构装在气缸盖内，上面由气缸盖罩封闭。进气道和排气道也在气缸盖内。上图中没有画出发动机所用的发动机正时系统，有关详情将在后面的章节中介绍。
曲柄转动装置包括活塞、连杆和曲轴等部件，这些部件位于气缸体内部。
了解发动机内的每个部件，可以使技师懂得这些部件如何配合工作，以达到产生动力的目的。
2.3 燃烧室
燃烧室的形状对燃烧有重要影响，设计优秀的燃烧室能够使得进气充分，并获得良好的混合气涡流。
燃烧室的设计应简洁紧凑，燃烧空间要小，并且能迅速清除排气。半球状和屋顶状燃烧室已在实践中证明有优越性。
燃烧室的大小也是决定压缩比的一个因素。 有些发动机，每个气缸具有两个进气门和排气门，为的是形成更大的进气和排气通道。
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
2.5 缸盖螺栓
缸盖螺栓将缸盖紧紧固定在缸体上。有两种缸盖螺柱：普通螺栓和扭力屈服螺栓。
普通螺栓是用扭力扳手分步逐渐加大扭矩拧紧。
扭力屈服螺栓也是分步逐渐加大扭矩拧紧。然而，最后一步是要将螺栓拧至用量角器预定的一个角度。此步骤使螺纹略微变形，形成更大的保持力。
屋顶状燃烧室
由于缸盖螺栓的螺纹在紧固过程中产生变形，因此扭力屈服螺栓只有在维修资料规定可以重复使用时才能重复使用。
2.4 气缸垫
气缸垫在气缸盖和气缸体之间构成气密和水密接合，并能够弥补接合面上任何微小的凹凸不平。因此，气缸垫必须用具有一定柔性的材料制造。
气缸垫有多种型式：
－ 片材载体面覆软性材料 － 软性材料外覆金属 － 金属网格外覆软性软材料 － 金属垫
用扭力屈服螺栓紧固的气缸盖 1 扭力屈服螺栓 2 气缸盖 3 气缸体 4 气缸垫
汽缸垫剖面 1 油孔和水道孔 2 螺栓孔
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
2.6 气门
气门负责在交换气体时打开进气和排气孔，在压缩行程和做功行程尽可能关紧进气和排气孔。
在此过程中，它们需经受极度高温。虽然进气门受到流入气缸的新鲜气体的冷却，但它的温度仍高达500℃。排气门因正处于炽热燃烧气体的通道上，温度能高达800℃（气门头处）。
由于排气门温度太高，通常会在排气门内填充钠。发动机运行时钠填充物会熔化。移动的熔化物质能将热从气门头带到气门杆，从而传给气缸盖。这可将气门头处的温度降低100℃左右。
气缸盖内的气门座被加工成1.5–2 mm宽。 气门座可直接在气缸盖上加工，或可将一个气门座镶座压入气缸盖。
气缸盖上的气门座镶座 1 气门座 2 气门座镶座
2.7 凸轮轴
凸轮轴操纵气门。它由曲轴驱动，并以曲轴一半的速度转动。
正时齿轮、正时链或带齿正时皮带都用于驱动凸轮轴。
每缸仅带两个气门的发动机，每个缸排通常仅需要一个凸轮轴。
气门型式
1 双金属（钠）气门 2 单金属气门 3 气门锁止凹槽 4 气门杆 5 气门头 6 气门锥面 7 气门锁止器 8 钠填充物 9 护甲
对于多数多气门发动机，或其他气门排两排的发动机来说，每个缸排需要两根凸轮轴。
凸轮轴
由于气门会受到极大的机械应力，所以在气
凸轮轴或者用钢锻造而成，或者用黑色回火铸铁或者球墨铸铁制成。
凸轮的形状决定气门启闭时间的长短、启闭程度的大小和启闭速度的快慢。凸轮的形状对发动机的工作特性有重要影响。
门锥面和气门杆的末端镀有高强度合金。这种涂层称为护甲。
气门杆末端的锁止槽能夹住支撑气门弹簧座的气门锁止器。
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
尖形凸轮可增大气门升程。但气门保持完全打开的时间则很短。
带有陡直侧面的凸轮启闭气门的时间较短，但保持完全打开的时间较长。侧面陡直的凸轮使气体的吞吐量较大。侧面陡直的凸轮所受到的应力比尖形凸轮大。
凸轮的形状常常是不对称的。它们有一个圆的上升面（使气门缓慢打开）和一个陡直的下降面（使气门保持较长的打开时间，然后迅速关闭）。
1 挺柱 2 凸轮轴 3 挺柱导管 4 垫片
2.8.2 液压挺柱
液压梃柱不仅传递运动，还可以抵消气门间隙的变化。
凸轮形状 1 尖形凸轮
2 带有陡直侧面的不对称凸轮 3 下降面 4 上升面
液压挺柱可以补偿因热膨胀和磨损引起的尺寸变化，不需调整。
2.8 挺柱
挺柱将凸轮的上升运动传给气门杆。根据发动机的不同型式，气门挺柱有的是直接将上升运动传给气门，有的则通过指状随动臂、气门摇臂或顶杆和摇臂来传递。
挺柱的另一个作用是保护气门杆不受侧推力的影响。这是因为挺柱受缸盖内导管的导引，可以平衡一部分推力。
挺柱有两种不同类型：机械式挺柱和液压挺柱。
1 凸轮轴 2 液压挺柱 3 气门杆
2.8.1 机械挺柱
机械挺柱在凸轮和气门之间传递运动。因发动机型式而异，可能会有其他零件参与传动。
推动气门的各部件之间的间隔量称为气门间隙。OHC 和DOHC 发动机所用的筒式挺柱提供了一种调节气门间隙的方法，凸轮轴和挺柱之间的间隙可通过选用厚度不同的垫片来调整。
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
2.8.3 液压挺柱工作原理
液压挺柱就像一个可膨胀的筒。构成筒外壁的两个部件称为推力元件和导向套。工作腔中心的压缩弹簧将筒撑至其最大尺寸。（参阅图解）
挺柱腔通过小孔与发动机的机油油路相连。挺柱有一个凹槽，压力机油通过这个凹槽可流入挺柱中心的储油室。
当凸轮的凸起部分转离挺柱时，推力元件上的负载消除，推力元件被压缩弹簧向上压。这使挺柱与凸轮之间保持接触。推力元件向上的运动使工作腔内形成真空。这将打开腔内的单向阀，使机油从储油室流入工作腔。
当凸轮将挺柱压下时，作用在推力元件上的压力将单向阀关闭。将挺柱工作腔中的机油通路截断。机油在密闭的工作腔内不能被压缩。因此，当凸轮向挺柱施压时，挺柱就像一个刚性接头，将气门顶开。
2.9 配气机构
不同的发动机采用不同类型的气门驱动方式，常见的驱动方式有：
－ 通过摇臂驱动 － 通过筒式挺柱直接驱动 － 通过指状随动臂驱动。
摇臂和顶杆设计常见于旧式V 形发动机和顶置气门发动机。大量的运动机件使该设计不符合现代发动机高速运转的要求。
A 通过摇臂驱动 1 顶杆 2 挺柱
采用筒式挺柱直接驱动气门的形式目前运用越来越广泛，特别是对于多气门发动机。这种形
1 储油室 3 挺柱 5 挺柱腔 7 导向套 9 供油
2 推力元件 4 工作腔 6 压缩弹簧 8 气门杆油封 10单向阀
式结构紧凑，运动机件较少，更加适合发动机高速运转。
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
1 单缸（风冷式） 2 多缸气缸体（液冷式）
气缸体由灰铸铁或轻合金铸成。气缸体铸成后，使用精细的切削工具和珩磨机来加工缸孔表面。如果气缸孔表面损坏，通常可以重新进行机
B 通过筒式挺柱直接驱动
2 挺柱 3 凸轮轴
加工。
有的气缸体中压入缸套作为气缸的内壁。轻合金气缸体通常加装缸套，因为轻合金不够坚硬，经不起活塞上下运动产生的负荷。
缸套分两种：湿式和干式。
指状随动臂的设计也具有相对少的部件，相对紧凑的结构，适于发动机高转速。
2.10.1 带有湿式缸套的气缸
湿式缸套压入缸体后，可直接接触冷却液。需要安装橡胶密封圈防止冷却液进入曲轴箱。
湿式缸套易于更换，很好修理。不必对气缸进行机加工，也不必采用加大型活塞。缺点是易腐蚀和气缸体刚性降低。
C 指状随动臂
2.10 气缸
气缸与缸盖一起构成燃烧室。气缸的作用是引导活塞和散发燃烧过程中产生的多余热量。
气缸体有多种型式。有单缸缸体和多缸缸体。另外，还分为风冷式和液冷式气缸。现代汽车发动机的气缸体大部分都使用液冷式。
湿式缸套 1 缸套 3 冷却液
2 密封 4 气缸体
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
2.10.2 带有干式缸套的气缸
干式缸套与冷却液不接触，它们被直接或冷缩压入气缸体。
冷缩装配利用了材料热胀冷缩的原理。将缸套冷却，缸体加热。该方法使缸套压入气缸体更容易。
干式缸套不能完整拆卸。
活塞环区上方的边缘可达到很高的温度，所以称为火力岸。
活塞裙部在缸孔中引导活塞。
活塞销孔用于固定连接活塞与连杆的活塞销。活塞销由卡环固定在活塞内或通过冷缩安装法装入连杆的小端孔中。
干式缸套
活塞的特性
1 火力岸 2 活塞顶 3 活塞销孔 4 公称直径 5 裙部 6 活塞环区
1 缸套 2 冷却液 3 气缸体
2.11 活塞
活塞与活塞环在燃烧室和曲轴箱之间构成一个动态密封。
在做功行程中，活塞必须通过连杆将燃烧气体的压力传给曲轴。
它必须能够经受并排走燃烧产生的高温。热膨胀不能过大，否则会粘滞在缸孔里（活塞咬死）。
2.11.2 活塞的类型
汽油发动机的活塞通常由铝合金制成，可以采用铸造或冲压加工。
2.11.1 活塞的构造
活塞的不同部位起的作用不同。这些部位包括：火力岸、活塞顶、活塞销孔、活塞裙部和活塞环区。
活塞的顶部称为活塞顶。活塞顶充当燃烧室的底部，承受很高的温度和压力。
在活塞环区，各种活塞环可以确保活塞和气缸壁之间有良好的密封。活塞环应能阻止燃烧气体进入曲轴箱，同时阻止机油进入燃烧室。
有些活塞通过嵌入钢带或支撑来控制热膨胀，有的通过活塞中预先设计的缝隙控制热膨胀的大小。
在负荷特别高的区域，还可以采用特殊铸铁制成的一体化部件进行加强。
单一金属全裙式活塞
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
有的活塞还带有冷却油道，可以通过机油喷嘴对活塞顶喷射机油进行冷却。
2.11.4 活塞上的热负载
发动机运转时，活塞裙部的温度可达到150℃，活塞顶则高达350℃。这种不均匀的受热也会导致活塞热膨胀的不均匀，如果不采取应对措施，将导致活塞在气缸中卡滞。
活塞是按正常工作温度下为圆柱形设计的。为了补偿活塞各点热膨胀的差异，常温下活塞的截面被设计成椭圆形，与活塞销轴线垂直的直径较大。
另外，在常温下活塞由下向上略带锥度，以
带有横向缝隙的抗热变形活塞 1 整体铸造钢支撑 2 横向缝隙
平衡活塞顶部位较大的热膨胀。
2.11.3 作用于活塞的力
汽油发动机在做功行程中，作用于活塞顶的燃烧压力可以高达60巴。在这么大的负荷下，活塞被压向与曲柺相对的气缸壁，这种情况会使活塞的单侧过度磨损。这意味着活塞在压缩行程中不仅仅要承受燃烧压力产生的冲击，还要承受气缸的负载侧的压力。
为了抵消这种作用，将活塞销的轴线从活塞中心向处于大负载的一侧略微偏移（约活塞直径的1%–2%），称为活塞销偏置。
活塞冷态时的形状 1 活塞顶直径 2 活塞裙部下端直径 3 活塞销方向直径 4 垂直于活塞销的直径
2.11.5 活塞环
活塞环提供活塞与气缸壁之间的密封。它们必须具有弹性，而且安装时形状不得改变。
由于燃烧压力作用于活塞环的后面，所以在做功行程中活塞环对气缸壁的接触压力会增加。
有两种类型的活塞环：靠近活塞顶部的两道活塞环称为压缩环或气环，它们的目的是为燃烧
作用于带偏置活塞销活塞上的力 1 活塞销轴线 2 活塞销偏置 3 活塞轴线
4 处于压缩负载下的活塞侧
室提供最大的气密密封。下部的活塞环为油环，油环的作用是阻止机油进入燃烧室。
压缩环有各种型式，其中包括矩形环（易于制造）及内倒角环和锥面环（由于二者与气缸壁的接触面积小，磨得较快，所以可以缩短磨合期）。
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
其他种类的压缩环还有梯形环（不卡在槽内）、L-形环（接触压力随燃烧压力增加而加大）和阶梯环（具有额外的刮油作用）。
还有各种型式的油环，包括带槽油环（带通向环槽的油道）和带有各种撑簧的油环。
活塞环由铸铁或高质合金钢制成。它们可通过镀硬铬来提高抗腐蚀能力和耐磨性。
连杆和轴承
1 小端孔 2 活塞销衬套 3 润滑油孔 4 扭力屈服螺栓 5 连杆杆身 6 大端 7 轴瓦 8 轴承盖
各种活塞环
1 矩形环 2 内倒角环 3 锥面环 4 梯形环 5 L形环 6 阶梯环 7 带槽油环 8 带撑簧的油环 9 带螺旋形撑簧的油环
2.13曲轴
曲轴的主要作用是将连杆的直线作用力转换为驱动变速器的转动扭矩。
曲轴还可用来驱动油泵、燃料泵、发电机、配气机构和分电器及水泵和其他辅助设备。
曲轴装于气缸体的曲轴箱中。在很大程度上，发动机的型式和气缸数决定曲轴的形状和轴承数。曲轴轴颈排在一条轴线上。它们用来支撑曲轴箱中的曲轴。
固定连杆的曲柄销（曲轴轴颈）位于曲轴的四周。根据气缸数和点火次序排列。
发动机润滑系统通过机油孔向连杆大端轴承提供机油。
曲轴分整体式和组合式。轿车用汽油发动机通常采用整体式曲轴。
2.12 连杆
连杆连接活塞与曲轴，因此，它会受到极其剧烈的反复拉伸、压缩和变形载荷。连杆的双T 字形截面使其具有所需的刚性。
连杆通常采用钢材锻造并经热处理制成。小型发动机还可能使用高强度铝合金连杆。
连杆主要结构是一个抗弯的柄身，柄身的两端分别连接活塞销和曲轴，与活塞销连接的一端孔径较小，称为连杆小端；另一端则称为大端，连杆大端装有可在曲轴轴颈上转动的轴瓦。
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
曲轴会受到各种各样的力。活塞的力产生弯曲和扭转载荷。内燃机工作产生的力通过活塞不均匀地传给曲轴。由此产生的扭转振动会影响发动机的平稳运行，极端情况下还会损坏曲轴。因此，曲轴必须经过精心平衡。这可通过去掉配重上的一些材料（钻平衡孔）来达到平衡。
多镀层止推轴承 1 定位凸缘 3 钢支承轴瓦 5 镍镀层 7 润滑油孔
2 油槽 4 支承镀层 6 表面镀层 8 突缘
曲轴
1 曲柄轴颈 3 主轴颈 5 平衡孔
2 曲柄 4 配重 6 润滑油孔
曲轴必须有足够的间隙供给润滑油。然而，如果间隙过大，润滑油容易从轴承处逸出，导致润滑不足和轴承严重损坏。
轴瓦由油泵供给的压力油进行润滑。 转动的轴颈在一层可以阻止金属部件相互接触的油膜上运转。（这有点像轮胎在湿滑路面行驶的情况：轮胎浮在一层无法排出的水膜上）。
发动机后部被螺栓固定在曲轴上的飞轮也有助于发动机平稳运转。扭转减振器也有助于减小前端的扭转振动。
制造曲轴的材料可以是球墨铸铁或铬钒钼合金钢，经铸造或锻造和热处理制成。锻造使曲轴材料中形成完整的纤维形态。这可增加曲轴的强度。曲柄轴颈和主轴颈轴承的表面经过表面硬化和研磨。
2.13.1 轴承
曲轴由其轴承支撑和导向。曲轴的转动摩擦力必须应尽可能小。
曲轴轴承是带多镀层的分开式轴瓦。其中一个轴瓦还必须阻止曲轴轴向移动。该轴承称为止推轴承。轴瓦与曲轴之间的间隙正确与否直接关系到它们的寿命长短。轴瓦生产厂商对轴承间隙有具体规定。
普通轴承润滑油压力的积累
1 轴瓦 2 载荷 3 轴 4 润滑油压力 5 供油
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第三课 发动机正时 汽油发动机原理
第三课 发动机正时
3.1 概述
发动机正时系统的作用是使进排气与气缸内活塞的上下运动相协调。
这是通过使缸体内的曲轴与缸盖内的凸轮轴保持同步转动完成的。
气门打开和关闭的时间以曲轴转角表示。
3.2.2 正时链驱动
对于这种驱动，凸轮轴是由正时链在各种辅助部件的协助下来驱动。
这类驱动使用单链条或多链条。
链条通常利用液压链条张紧器拉紧，张紧器由机油压力控制。
链条另外还受导轨导引，以减少链条振动和噪声。
注意： 链条和链条张紧器磨损极小，无需维修。但是，万一链条过度磨损需要维修，必须更换链条。链条张紧器如果损坏，需要整体更换。
3.2 配气机构的驱动型式
凸轮轴有多种驱动方式。配气机构可以通过以下方式驱动：
－ 正时齿轮 － 正时链 － 正时皮带
由于四行程发动机完成一个完整的工作循环需要曲轴旋转两周，所以曲轴与凸轮轴的传动比必须是2:1。
3.2.1 正时齿轮驱动
凸轮轴由正时齿轮驱动，实际等于直接由曲轴驱动。
这类驱动一般常见于旧式发动机（顶置气门发动机、V 形发动机）。
1 凸轮轴链轮 3 曲轴链轮 5 导轨
2 正时链 4 链条张紧器
1 凸轮轴 3 连杆
2 正时齿轮 4 曲轴
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汽油发动机原理 第三课 发动机正时
3.2.3 正时皮带驱动
纤维增强塑料制成的带齿正时皮带重量轻，用其驱动凸轮轴可降低运转噪声，特别适合于高发动机转速。
正时皮带的材料与机油和冷却液不相容。切勿让发动机的正时皮带接触机油或冷却液。
由于有磨损，维修时应根据需要检查和校正正时皮带的松紧度。
必须按规定的保养间隔更换正时皮带。 如果检查发现正时皮带背面开裂或带齿或纤维绽裂，必须更换新的正时皮带，即使还没有到规定的保养间隔。
3.2.4 不同的齿形
正时皮带有各种齿形。更换正时皮带时，务必确保新的正时皮带具有正确的齿形，因为正时皮带轮都有特定的齿形。
注意： 高压缩比发动机的正时皮带或链条如果断齿或缺齿，活塞会与打开的气门接触，导致发动机严重损坏。
1 齿形 2 圆齿形
1 凸轮轴皮带轮 2 正时皮带 3 曲轴皮带轮
4 导轮（为水泵提供驱动） 5 张紧轮
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第四课 进气和排气系统 汽油发动机原理
第四课 进气和排气系统
1 进气歧管
4.1 进气系统
进气系统的作用是清洁进气并向气缸提供燃气混合气。进气系统由进气管、空气滤清器和进气歧管组成。
多数进气歧管用铝合金铸成。更新式的进气歧管由塑料制成。
为确保气缸充气良好，进气歧管内表面须非常光滑，以最大限度减小进气阻力。
如果各缸进气道的长度和直径相同，进气时各缸的情况一样，气缸充气就会均匀一致。
在暖机阶段，进气歧管内壁上会凝结一些燃油。为尽量减少这种因凝结造成的燃油损失，进气歧管往往装有预热器。
进气系统必须与外界完全隔绝。通过漏气处的未经计量的进气会干扰发动机的管理，导致发动机工作不稳，尤其是在怠速时。
进气歧管真空可以用于多种目的。利用真空膜片装置可以操纵制动助力装置和自动阻风门系统。
进气歧管上装有用于这些不同功能的专用连接器。
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汽油发动机原理 第四课 进气和排气系统
4.2 排气系统
排气系统负责将发动机排气送至汽车后部，减小燃烧产生的噪声并净化排气（如有净化装置）。
排气系统包括排气歧管、排气管、消声器和催化转化器（依车型而定）。
排气系统必须与特定的发动机和汽车精确调谐，以便最佳发挥发动机性能与降低噪声。
由于排气歧管是排气系统中承受温度最高的部分，所以采用铸铁制造。排气管和消声器可以用钢板或不锈钢制造。
排气系统会受到来自内部（酸性排气）和外部（水、防冻盐）的腐蚀。高温和振动也会减少排气系统的寿命。
如果排气系统受损或漏泄，必须进行修理或更换。否则，有毒排气可能进入汽车客舱。
另外，空气进入排气系统也会使发动机管理系统受到不利影响。
排气管的柔性管使排气系统可在有限范围内移动。这将保证热膨胀和振动不会在材料中产生过大应力。从而避免开裂和故障。
1 排气歧管2 催化转化器
3 柔性管 4 排气管 5 消声器
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第五课 燃油供给系统 汽油发动机原理
第五课 燃油供给系统
5.1 概述
毫无疑问，内燃机需要燃油来运转。用于汽车发动机的燃油供应系统有多种类型。本节简要介绍的是汽车所用的各类燃油供应系统。
混合气形成系统有两种基本类型：
－ 化油器系统、 － 燃油喷射系统
5.3 燃油喷射
燃油喷射有两种基本形式： －节气门体燃油喷射， －多点燃油喷射。
5.3.1 节气门体燃油喷射（TBI ）
节气门体燃油喷射（TBI ）由电子系统控制。 燃油通过单个电磁式燃油喷射器喷入进气歧管。
电动泵产生将燃油供给喷射器所需的压力。
5.2 化油器系统
化油器通过一个喉管在进气系统中产生真空。该真空通过专门的喷嘴系统从浮子室抽出燃油，并使燃油以微小雾滴形式与流过化油器的空气混合。
1 供油 2 空气 3 节气门板 4 进气歧管 5 气缸盖 6 燃油喷射器
5.3.2 多点燃油喷射
多点燃油喷射可为机械式（K-Jetronic ）或电子式。下列为电子控制式多点燃油喷射系统：
多点燃油喷射（MFI ）：燃油喷射器分两组工作。发动机每转一圈，一组燃油喷射器喷射两次燃油。
化油器的工作原理 1 浮子针阀 3 混合管 5 混合室 7 进气歧管
2 浮子 4 喉管 6 节气门板 8 主量孔
顺序多点燃油喷射（SFI ）：燃油喷射器按点火顺序分别工作。有关燃油喷射系统更详细的说明参见“汽油发动机管理系统”课程。
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汽油发动机原理 第五课 燃油供给系统
5.4 爆震
在点火前很短的时间里，火花点燃燃气混合气。推进的火焰前锋增加了燃气混合气的压缩。由于压缩行程延续至上止点，混合气会被进一步压缩。燃烧室也相应升高。
一旦火花塞、排气门等零件或沉积物的温度达到850℃，就会点燃燃烧室中的未燃混合气。
1 供油 2 空气 3 节气门板 4 进气歧管 5 燃油喷射器 6 气缸
这种非受控燃烧产生的压力波会与（点火火花控制的）受控燃烧产生的压力波发生冲突。这些气压波碰撞，会导致振动，就是我们听见的发动机爆震。
爆震引起的压力冲击导致功率下降和对曲柄传动装置产生过度压力。
如果允许发动机持续爆震燃烧运转，会导致轴承或活塞顶损坏。
发动机内会不受控自燃。
爆震的另一个可能原因是过早产生点火火花。由于压缩过程继续，燃烧高温被进一步提高。
升高的燃烧室温度会过早触发点火和非受控燃烧（爆震）。 加速爆震
加速爆震发生于发动机低速时加速。相对来说，加速爆震对发动机造成的负载不会损坏发动机。 高速爆震
高速爆震发生于汽车重载高速行驶。如果发动机有加速爆震，就更容易发生危险的高速爆震。
一般说来，发动机长时间高速行驶，驱动噪声掩盖了爆震噪声。所以，司机很难发觉高速爆震。高速爆震隐藏着极大的危险。
发动机温度急速上升是高速爆震唯一的迹象。 爆震的原因
燃油抗爆性或辛烷值低或品质低劣是爆震燃烧最常见的原因，因为这些燃油在发动机内会不受控自燃。
5.4 汽油发动机用燃油
5.4.1 汽油种类
z 按辛烷值分类。 z 含铅和无铅汽油。 含铅燃油：
－燃油含有一定量可提高抗爆性的铅化合物。
－为了保护环境，含铅燃油只能用于需要用铅化合物的燃烧产物为排气门润滑的发动机。 无铅燃油：
铅会破坏催化转化器的活性贵金属镀层。所以，装有催化转化器的汽车需要使用无铅燃料。因此，所谓“无铅汽油”的铅含量被减少到最低限度（实际上不可能完全无铅）。然而，这会降低抗爆性，必须用专用添加剂来纠正。 辛烷值和抗爆性：
辛烷值是对燃油抗爆性的一种度量方法。在欧洲，为燃油规定了最低辛烷值。
普通汽油的最低辛烷值为91 ROZ/RON，高级汽油的最低辛烷值为95 ROZ/RON，超级汽油的最低辛烷值为98 ROZ/RON。
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第六课 发动机支持系统 汽油发动机原理
第六课 发动机支持系统
机油通过滤清器后，在压力作用下进到缸盖和缸体的润滑点。
油泵中的一个卸压阀可以保证机油不会超过约4–5巴的最大油压。
对于高热负载的发动机，机油飞溅喷嘴安在缸体的下部。它们将机油喷在活塞顶的下面。
如果机油太热，会变得非常稀，润滑能力就会降低。有时使用机油冷却器来避免机油温度过高。机油冷却器将机油的热能释放到大气或冷却液回路。
6.1 润滑系统
发动机润滑系统的主要的作用是：
－ 减少摩擦和磨损，
－ 冷却和保护发动机的内部零件， － 对一个在另一个上滑动的零件之间进行
密封（例如活塞环在汽缸壁上滑动），
－ 清除并滤掉沉淀物和燃烧残留物， － 防锈
6.1.1 机油承受的各种应力
发动机的润滑油必须承受很大的负载。它必须在温度高达300℃（活塞火力岸处）时仍能保持其润滑能力。
它还要承受由于燃烧气体通过活塞渗入曲轴箱所产生的化学应力。
另外，灰尘、研磨颗粒和燃烧残渣会污染机油并形成沉淀物。
6.2 机油更换
以这个发动机的油路为例
1 机油滤清器 2 机油压力开关 3 液压筒形梃杆 4 机油飞溅喷嘴 5 油底壳 6 进油管和过滤器 7 油泵
为此，务必要按规定的保养间隔更换机油。 一定要在发动机处于正常工作温度时更换机油，因为这时机油较稀易于流动，能将杂质带走。
更换机油时，一定要更换机油滤清器，因为原机油滤清器可能被杂质阻塞。阻塞的滤清器会减缓机油的流动，降低发动机的润滑。另外，残留在滤清器中的旧油会降低新油的品质。
添加新油时，数量正确至关重要。机油加得过多，发动机工作时会损坏密封垫。另外，如果机油进入进气或排气系统可能使催化剂中毒。
发动机换油后第一次起动时，在油泵将滤清器充满机油并达到所需油压前切勿加载。
6.1.1 油路
上面的油路图解显示了4行程发动机最常用的润滑系统：强制循环润滑。
机油存于缸体下面的一个容器（油底壳）中。油泵将所存的机油通过集滤器抽出，并使其强制通过滤清器。
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汽油发动机原理 第六课 发动机支持系统
6.2.1 润滑油的规格
润滑油按照SAE 粘度等级分类。这些等级是由汽车工程师学会（SAE ）规定的。机油是按粘度来区分的，粘度与环境温度有关。
机油分单级机油，如SAE 50W，和多级机油，如SAE 15W40。多级机油覆盖若干粘度等级，因此占有优势。
注意： 粘度信息不说明机油质量。
为此，20世纪70年代初，CCMC （欧洲共同市场汽车制造商委员会）与欧洲汽车制造商合作，制定了CCMC 技术标准。
由于在开发机油测试方法时考虑了诸多因素，如不断增加的换油间隔、比功率的提高和越来越快的行驶速度等等，所以CCMC 技术标准在欧洲变得日益重要。
6.2.2 汽油发动机用机油
－ SD ：用于
1968－1971年制造的轿车/商用
车汽油发动机。具有良好的抗锈蚀和磨损性能。
－ SE ：与
SD 级机油相比，进一步提高了防
护性能。用于1972-1979年制造的发动机。
－ SF ：经过比较严格的沉积和氧化实验。用
于1980-1988年制造的发动机。
根据环境温度制定的粘度等级 1 S配方合成机油
2 XR＋高性能高润滑车用机油 3 超级多级车用机油 4 超级多级车用机油 5 环境温度
－ SG ：经过更为严格的沉积和氧化实验。
用于1988年后制造的发动机。
6.2.3 （轿车）柴油发动机用机油
－ CC ：自然吸气式发动机用机油。 － CD ：自然吸气式和涡轮增压发动机用机
API （美国石油学会）分级
美国石油学会（API ）与SAE 及ASTM （美国测试和材料学会）合作，开发了一套按机油性能分类的方法。
API 机油分级主要分两级：
－ 柴油发动机用的－ 汽油发动机用的
油。
旧的CCMC 分级法将机油分为：
－ CCMC-G1、-G2、-G3：汽油发动机机油
（G 代表汽油机）。数字代表机油的性能指标。数字较大，机油品质较高。
－ CCMC-PD1：轿车涡轮增压柴油机发动机
C 级机油 S 级机油
机油（P 代表轿车，D 代表柴油机）。
－ CCMC-D1、-D2、-D3：商用车柴油发动
机用机油。
对于这些级别的机油，还在规格上加了一些字母，表示不同的品质等级（例如：API SG/CD）。 CCMC 分级
API 分级法是一个基于北美条件的质量标准。全部测试用美国发动机进行。
这说明进行测试的发动机都是大排量和低比功率的发动机。同样，测试周期也是由美国使用条件决定的。因此，API 分级法不符合欧洲的要求。
－ 现用的
CCMC 分级法将机油分为：
－ CCMC-G4：使用最新技术的汽油发动机
用机油。
－ CCMC-PD2：使用最新技术的柴油发动机
用机油。
－ CCMC-D4、-D5：最新型商用车柴油发动
机用机油。
23
第六课 发动机支持系统 汽油发动机原理
6.3 水冷系统
由于发动机部件的耐热性有限，所以冷却对于内燃机的安全运行尤为重要。
通常使用两种冷却方法：
―通过冲压空气或风扇进行空气冷却； ―通过冷却液泵和不通过冷却液泵进行液体冷却。
在汽车结构中，主要使用带冷却液泵的液冷系统。因此这里仅介绍这类冷却系统。
发动机温度低时，冷却液靠水泵推动在缸体内循环。多数发动机的冷却液还流过暖气散热器。人们有时管这叫做“小循环冷却”（灰白色部分）。
等冷却液温度升高后，节温器开启通向散热器的通路。这时，这就是所谓的“大循环冷却”（深灰色部分）。冷却液流回发动机之前，热量被通过散热器的空气带走。
冷却液温度进一步升高后，热敏开关开启电动冷却扇，提高流过散热器的空气量。还有一种风扇是用皮带驱动，由热敏离合器控制。
膨胀水箱为冷却液留出热膨胀的余地。这样可使冷却系统中的液量保持不变。
纯的防冻液主要由乙二醇组成，另外含有一些减缓腐蚀作用的添加剂以及其他成分。通常被染成黄色、绿色、或红色来与其他液体区分开来。纯的防冻液冰点低、沸点高、粘度大、流动性稍差。
推荐使用的冷却液是水和防冻液的混合液体。50%：50%的混合比例可以提供—35°C 的冰点和103°C 的沸点。其他混合比例也可以安全使用。应该根据冰点的要求来使用不同的混合比，环境温度很低时，就应该加大防冻液的比例。
6.4 曲轴箱通风系统
由于活塞环无法在燃烧室和曲轴箱之间提供完全的密封，所以带有高浓度未烧尽碳氢化合物的气体会绕过活塞环聚集在曲轴箱中。排放控制法规规定这些气体不准排入大气。
我们在图中可以看到，曲轴箱和缸盖中的所有蒸气都通过相应的软管送入进气系统。蒸气随后进入燃烧室进行重新燃烧。
新型汽车使用了一种压敏系统来计量从曲轴箱排除的蒸气量。怠速和部分载荷时，曲轴箱蒸气通过PCV （曲轴箱强制通风）阀（较浅箭头）通入进气歧管。
满负荷时，进气歧管中的真空低，PCV 阀关闭。曲轴箱蒸气通过空气滤清器通入进气系统（较深箭头）
1 膨胀水箱 2 水泵 3 暖气散热器 4 发动机 5 节温器 6 散热器
6.3.1冷却液
常用的冷却液有水和防冻液，以及它们的混合物。水可以作为冷却液安全使用，但是没有防止冰冻和减少腐蚀的作用。
曲轴箱通风 1 进气歧管 5 连接进气歧管
2 油气分离器
3 空气滤清器 4 曲轴箱强制通风阀
24
汽油发动机原理 备注
备注
25
BBDC 维修技术培训课程
初级自学教程
汽油发动机原理
出版编号：TBF00CP00102
出版年度：2005
安全注意事项
下面给出一些进行汽车维护作业时必须遵守的一般性警告： z 佩戴安全防护眼镜以保护眼睛。 z 按操作步骤要求在举升的车辆下进行工作
时，应在车下使用安全支架。
z 确保点火开关始终处于OFF 位置，除非操
作步骤另有要求。
z 在车上工作时，应施加驻车制动。如果是
自动变速器车辆，应将选档杆置于PARK （驻车）档，除非特定操作要求置于其他档位。如果是手动变速器车辆，应将档位置于倒档（发动机关闭时）或空档（发动机运转时），除非特定操作要求置于其他档位。
z 必须在通风良好的区域进行发动机的维修
工作，以防一氧化碳中毒。
警告：许多制动器摩擦片含有石棉纤维。在对制动器部件进行维修时，应避免吸入其粉尘。吸入石棉粉尘有害健康，可能导致癌症。
当用压缩空气或干刷方式清洁车辆时，从车轮制动器和离合器总成处扬起的粉尘或污垢可能含有有害健康的石棉纤维。
车轮制动器总成和离合器面应使用推荐的石棉纤维专用吸尘器进行清洁。粉尘和污垢应使用可防止粉尘暴扬的方法进行处置，例如使用密封袋。密封袋必须标有国家职业安全和卫生部门的使用说明，并将袋中所装内容通知垃圾承运人。
如果手边没有用于盛装石棉的真空袋，清洁工作必须在水湿状态下进行。如果粉尘仍然产生，技术人员应戴上经政府认可的有毒粉尘过滤净化口罩。
z 在发动机运转时，身体部位及衣服应远离
转动的部件，尤其是风扇和皮带。 z 为防止严重烫伤，应避免接触高温金属部
件，例如散热器、排气歧管、尾管、催化转换器和消声器。 z 在车上工作时不得吸烟。
z 为避免受伤，在开始工作前应摘掉戒指、
手表、项链，脱去宽松的衣服。长头发应挽起固定于脑后。
z 双手及其他物体不得接触风扇叶片。电动
冷却扇随时会因发动机温度升高而运转。因此，必须确保电动冷却扇的电源完全断开后，才能在冷却风扇附近进行操作。
汽油发动机原理 目录
目录
目录................................................................................................................................................... 1 第一课 基本原理............................................................................................................................. 3
1.1 内燃机的历史.......................................................................................................................................... 3 1.2 四行程汽油发动机的工作原理.............................................................................................................. 3 1.3 工作循环的四个行程.............................................................................................................................. 3
1.3.1 曲轴的第一圈............................................................................................................................. 3 1.3.2 曲轴的第二圈............................................................................................................................. 4 1.4 发动机的一般分类.................................................................................................................................. 4 1.5 发动机的气缸编号和转动方向.............................................................................................................. 5
1.5.1 气缸编号..................................................................................................................................... 5 1.5.2 发动机的转动方向..................................................................................................................... 5 第二课 发动机部件.......................................................................................................................... 6
2.1 四行程汽油发动机的基本构造.............................................................................................................. 6 2.2 气缸盖...................................................................................................................................................... 6 2.3 燃烧室...................................................................................................................................................... 6 2.4 气缸垫...................................................................................................................................................... 7 2.5 缸盖螺栓.................................................................................................................................................. 7 2.6 气门.......................................................................................................................................................... 8 2.7 凸轮轴...................................................................................................................................................... 8 2.8 挺柱.......................................................................................................................................................... 9
2.8.1 机械挺柱..................................................................................................................................... 9 2.8.2 液压挺柱..................................................................................................................................... 9 2.8.3 液压挺柱工作原理................................................................................................................... 10 2.9 配气机构................................................................................................................................................ 10 2.10 气缸...................................................................................................................................................... 11
2.10.1 带有湿式缸套的气缸............................................................................................................. 11 2.10.2 带有干式缸套的气缸............................................................................................................. 12 2.11 活塞...................................................................................................................................................... 12
2.11.1 活塞的构造............................................................................................................................. 12 2.11.2 活塞的类型............................................................................................................................. 12 2.11.3 作用于活塞的力..................................................................................................................... 13 2.11.4 活塞上的热负载..................................................................................................................... 13 2.11.5 活塞环..................................................................................................................................... 13 2.12 连杆...................................................................................................................................................... 14 2.13曲轴......................................................................................................................................................... 14
2.13.1 轴承......................................................................................................................................... 15
1
目录 汽油发动机原理
第三课 发动机正时........................................................................................................................ 16
3.1 概述........................................................................................................................................................ 16 3.2 配气机构的驱动型式............................................................................................................................ 16
3.2.1 正时齿轮驱动........................................................................................................................... 16 3.2.2 正时链驱动............................................................................................................................... 16 3.2.3 正时皮带驱动........................................................................................................................... 17 3.2.4 不同的齿形............................................................................................................................... 17 第四课 进气和排气系统................................................................................................................ 18
4.1 进气系统................................................................................................................................................ 18 4.2 排气系统................................................................................................................................................ 19 第五课 燃油供给系统.................................................................................................................... 20
5.1 概述........................................................................................................................................................ 20 5.2 化油器系统............................................................................................................................................ 20 5.3 燃油喷射................................................................................................................................................ 20
5.3.1 节气门体燃油喷射（TBI ）..................................................................................................... 20 5.3.2 多点燃油喷射........................................................................................................................... 20 5.4 汽油发动机用燃油................................................................................................................................ 21
5.4.1 汽油种类................................................................................................................................... 21 5.4 爆震........................................................................................................................................................ 21 第六课 发动机支持系统................................................................................................................ 22
6.1 润滑系统................................................................................................................................................ 22
6.1.1 油路........................................................................................................................................... 22 6.1.1 机油承受的各种应力............................................................................................................... 22 6.2 机油更换................................................................................................................................................ 22
6.2.1 润滑油的规格........................................................................................................................... 23 6.2.2 汽油发动机用机油................................................................................................................... 23 6.2.3 （轿车）柴油发动机用机油..................................................................................................... 23 6.3 水冷系统................................................................................................................................................ 24
6.3.1冷却液.......................................................................................................................................... 24 6.4 曲轴箱通风系统.................................................................................................................................... 24
2
汽油发动机原理 第一课 基本原理
第一课 基本原理
1.1 内燃机的历史
1860
法国人Lenoir 制造了第一台实用内燃机。该内燃机由煤气驱动，效率大约为3%。 1867
在巴黎世界博览会上，Nicolaus August Otto和Eugen Langen展示了一台改进的内燃机，效率约为9%。 1878
Nicolaus August Otto制造出第一台根据压缩原理工作的气体燃料发动机。该发动机根据四行程工作原理工作。效率增加到大约15%。 1883
Gottlieb Daimler和Wilhelm Maybach研制出第一台带有热管点火的适于车用的高速四行程汽油发动机。 1887
Robert Bosch研制出用于发动机的断电器点火。 1893
Wilhelm Maybach发明喷射化油器。 1897
Rudolf Diesel经过4年研发，将其发动机投入生产。这种以他的名字命名的发动机靠高压空气工作，借助于压缩空气将轻粗柴油喷入发动机。 1897－现在
在这一阶段，发动机设计、材料和制造工艺得到不断改善，使得各汽车公司生产的汽车更为可靠，效率更高。
1.2 四行程汽油发动机的工作原理
汽油发动机是一种内燃机。它将汽油含有的热能转换成推动汽车所需的机械能。
汽油发动机是一种往复活塞式发动机。通过气缸内活塞的往复运动，将空气燃料混合气吸入、压缩、燃烧和排出。
多数汽车的汽油发动机都是四行程发动机。就是说，需要活塞进行4个行程和曲轴转动两圈来完成一个全工作循环。
1.3 工作循环的四个行程
第一行程：吸入新鲜的燃料和空气混合气 第二行程：压缩燃料和空气混合气 第三行程：做功行程（燃烧燃料和空气混合气）
第四行程：排出燃烧气体
活塞的往复运动，通过曲柄传动装置转变为旋转运动。曲柄传动装置由下列部件组成：活塞、连杆和曲轴。
活塞在气缸内的四个行程，只有一个（燃烧行程）产生动能。其他行程只是为气缸的下一个燃烧行程做准备。这些行程有时被称为空行程。
1.3.1 曲轴的第一圈
1. 进气行程：
活塞从其上止点（TDC ）向下止点（BDC ）运动。这会在气缸内产生一个真空，将可燃混合气通过打开的进气门吸入气缸。
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第一课 基本原理 汽油发动机原理
2. 压缩行程：
活塞从下止点移向上止点。由于两个气门都关闭了，所以气缸内的燃料和空气混合气被压缩。
A 发动机处于做功行程 B 发动机处于排气行程
A 发动机处于进气行程 B 发动机处于压缩行程 1 进气门 2 排气门 3 上止点（TDC ） 4 下止点（BDC ）
1 进气门 2 排气门 3 上止点（TDC ） 4 下止点（BDC ）
5. 气门叠开
为了加速气体的交换（排出废气并吸入新鲜气体），活塞在排气行程接近上止点时，排气门和进气门都打开。废气排出气缸的运动所产生的动能有助于将下一批空气/燃油混合气吸入气缸。
1.3.2 曲轴的第二圈
3. 做功行程：
两个气门关闭。压缩混合气被火花塞发出的点火火花点燃。燃烧产生的气体增加了压强，将活塞从上止点推向下止点。
由于燃烧过程需要一定的时间，所以空气与燃料的混合汽是在活塞到达（压缩行程）上止点之前的 0°和40°之间开始被点火系统点燃。 4. 排气行程：
活塞从下止点移向上止点。活塞将废气通过打开的排气门强行排出气缸。至此，整个四行程工作循环结束。
1.4 发动机的一般分类
内燃汽车发动机根据不同的标准分为不同的类别，常见的分类标准有：
－ 气缸排列 － 点火型式
－ 混合气构成 － 冷却方法 － 基本动作
－ 配气机构型式 － 气缸充气方法 － 燃料类型
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汽油发动机原理 第一课 基本原理
发动机按燃料类型分类
－ 汽油发动机 － 柴油发动机 － 燃气发动机 － 多燃料发动机
1.5 发动机的气缸编号和转动方向
发动机根据气缸排列分类：
1 直列式发动机 2 V形发动机 3 卧式对置气缸发动机 发动机按点火型式分类
火花塞点火的汽油发动机 压燃的柴油发动机 发动机按混合气构成分类
化油器式发动机 燃油喷射式发动机 发动机按冷却方法分类
水冷式发动机 风冷式发动机 发动机按基本运动分类
往复活塞式发动机 转子式发动机
发动机根据配气机构型式分类
顶置气门发动机 顶置凸轮轴发动机 发动机按气缸充气方法分类
自然吸气发动机 增压式发动机
对于双缸排发动机（V 形发动机），连续编号从左侧缸排（从发动机前端看）的第一缸开始。但是也有其他的公司采用顺时针编号，或者采用交错编号。
A 直列式发动机 B V形发动机 C 功率输出端
1.5.1 气缸编号
发动机的气缸是按标准系统依次编号的。第一缸通常位于发动机的前端。然后气缸连续编号至发动机后端（功率输出端）。
1.5.2 发动机的转动方向
转动方向对于功率输出端来说分为逆时针和顺时针（此处所示为顺时针）。多数发动机都顺时针转动。
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
第二课 发动机部件
2.1 四行程汽油发动机的基本构造
下图所示的发动机展示了现代汽油发动机的主要部件。
2.2 气缸盖
气缸盖位于气缸顶部。它构成燃烧室的顶部，并装有火花塞。进气和排气口、气门及部分配气机构也在气缸盖内。
气缸盖需要耐受极度高温。通常由耐热的灰铸铁或者能够快速散热的轻金属合金制成。
根据不同的发动机冷却类型，有的气缸盖带有散热片（风冷式发动机），有的带有冷却液通道（水冷式发动机）
1 进气凸轮轴 2 火花塞 3 气缸盖罩 4 排气凸轮轴 5 气缸盖 6 排气门 7 排气口 8 活塞 9 连杆 10 气缸体 11 机油进油管 12 油底壳 13 曲轴 14 进气门 15 进气口 16 气门弹簧 17 挺柱
水冷式4气门缸盖 1 进气门 2 排气门 3 冷却液通道
现代发动机的基本部件可以分为两大类：气缸盖和配气机构；缸体以及曲柄转动装置。
在发动机上，配气机构由凸轮轴、挺柱和气门组成。配气机构装在气缸盖内，上面由气缸盖罩封闭。进气道和排气道也在气缸盖内。上图中没有画出发动机所用的发动机正时系统，有关详情将在后面的章节中介绍。
曲柄转动装置包括活塞、连杆和曲轴等部件，这些部件位于气缸体内部。
了解发动机内的每个部件，可以使技师懂得这些部件如何配合工作，以达到产生动力的目的。
2.3 燃烧室
燃烧室的形状对燃烧有重要影响，设计优秀的燃烧室能够使得进气充分，并获得良好的混合气涡流。
燃烧室的设计应简洁紧凑，燃烧空间要小，并且能迅速清除排气。半球状和屋顶状燃烧室已在实践中证明有优越性。
燃烧室的大小也是决定压缩比的一个因素。 有些发动机，每个气缸具有两个进气门和排气门，为的是形成更大的进气和排气通道。
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
2.5 缸盖螺栓
缸盖螺栓将缸盖紧紧固定在缸体上。有两种缸盖螺柱：普通螺栓和扭力屈服螺栓。
普通螺栓是用扭力扳手分步逐渐加大扭矩拧紧。
扭力屈服螺栓也是分步逐渐加大扭矩拧紧。然而，最后一步是要将螺栓拧至用量角器预定的一个角度。此步骤使螺纹略微变形，形成更大的保持力。
屋顶状燃烧室
由于缸盖螺栓的螺纹在紧固过程中产生变形，因此扭力屈服螺栓只有在维修资料规定可以重复使用时才能重复使用。
2.4 气缸垫
气缸垫在气缸盖和气缸体之间构成气密和水密接合，并能够弥补接合面上任何微小的凹凸不平。因此，气缸垫必须用具有一定柔性的材料制造。
气缸垫有多种型式：
－ 片材载体面覆软性材料 － 软性材料外覆金属 － 金属网格外覆软性软材料 － 金属垫
用扭力屈服螺栓紧固的气缸盖 1 扭力屈服螺栓 2 气缸盖 3 气缸体 4 气缸垫
汽缸垫剖面 1 油孔和水道孔 2 螺栓孔
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
2.6 气门
气门负责在交换气体时打开进气和排气孔，在压缩行程和做功行程尽可能关紧进气和排气孔。
在此过程中，它们需经受极度高温。虽然进气门受到流入气缸的新鲜气体的冷却，但它的温度仍高达500℃。排气门因正处于炽热燃烧气体的通道上，温度能高达800℃（气门头处）。
由于排气门温度太高，通常会在排气门内填充钠。发动机运行时钠填充物会熔化。移动的熔化物质能将热从气门头带到气门杆，从而传给气缸盖。这可将气门头处的温度降低100℃左右。
气缸盖内的气门座被加工成1.5–2 mm宽。 气门座可直接在气缸盖上加工，或可将一个气门座镶座压入气缸盖。
气缸盖上的气门座镶座 1 气门座 2 气门座镶座
2.7 凸轮轴
凸轮轴操纵气门。它由曲轴驱动，并以曲轴一半的速度转动。
正时齿轮、正时链或带齿正时皮带都用于驱动凸轮轴。
每缸仅带两个气门的发动机，每个缸排通常仅需要一个凸轮轴。
气门型式
1 双金属（钠）气门 2 单金属气门 3 气门锁止凹槽 4 气门杆 5 气门头 6 气门锥面 7 气门锁止器 8 钠填充物 9 护甲
对于多数多气门发动机，或其他气门排两排的发动机来说，每个缸排需要两根凸轮轴。
凸轮轴
由于气门会受到极大的机械应力，所以在气
凸轮轴或者用钢锻造而成，或者用黑色回火铸铁或者球墨铸铁制成。
凸轮的形状决定气门启闭时间的长短、启闭程度的大小和启闭速度的快慢。凸轮的形状对发动机的工作特性有重要影响。
门锥面和气门杆的末端镀有高强度合金。这种涂层称为护甲。
气门杆末端的锁止槽能夹住支撑气门弹簧座的气门锁止器。
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
尖形凸轮可增大气门升程。但气门保持完全打开的时间则很短。
带有陡直侧面的凸轮启闭气门的时间较短，但保持完全打开的时间较长。侧面陡直的凸轮使气体的吞吐量较大。侧面陡直的凸轮所受到的应力比尖形凸轮大。
凸轮的形状常常是不对称的。它们有一个圆的上升面（使气门缓慢打开）和一个陡直的下降面（使气门保持较长的打开时间，然后迅速关闭）。
1 挺柱 2 凸轮轴 3 挺柱导管 4 垫片
2.8.2 液压挺柱
液压梃柱不仅传递运动，还可以抵消气门间隙的变化。
凸轮形状 1 尖形凸轮
2 带有陡直侧面的不对称凸轮 3 下降面 4 上升面
液压挺柱可以补偿因热膨胀和磨损引起的尺寸变化，不需调整。
2.8 挺柱
挺柱将凸轮的上升运动传给气门杆。根据发动机的不同型式，气门挺柱有的是直接将上升运动传给气门，有的则通过指状随动臂、气门摇臂或顶杆和摇臂来传递。
挺柱的另一个作用是保护气门杆不受侧推力的影响。这是因为挺柱受缸盖内导管的导引，可以平衡一部分推力。
挺柱有两种不同类型：机械式挺柱和液压挺柱。
1 凸轮轴 2 液压挺柱 3 气门杆
2.8.1 机械挺柱
机械挺柱在凸轮和气门之间传递运动。因发动机型式而异，可能会有其他零件参与传动。
推动气门的各部件之间的间隔量称为气门间隙。OHC 和DOHC 发动机所用的筒式挺柱提供了一种调节气门间隙的方法，凸轮轴和挺柱之间的间隙可通过选用厚度不同的垫片来调整。
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
2.8.3 液压挺柱工作原理
液压挺柱就像一个可膨胀的筒。构成筒外壁的两个部件称为推力元件和导向套。工作腔中心的压缩弹簧将筒撑至其最大尺寸。（参阅图解）
挺柱腔通过小孔与发动机的机油油路相连。挺柱有一个凹槽，压力机油通过这个凹槽可流入挺柱中心的储油室。
当凸轮的凸起部分转离挺柱时，推力元件上的负载消除，推力元件被压缩弹簧向上压。这使挺柱与凸轮之间保持接触。推力元件向上的运动使工作腔内形成真空。这将打开腔内的单向阀，使机油从储油室流入工作腔。
当凸轮将挺柱压下时，作用在推力元件上的压力将单向阀关闭。将挺柱工作腔中的机油通路截断。机油在密闭的工作腔内不能被压缩。因此，当凸轮向挺柱施压时，挺柱就像一个刚性接头，将气门顶开。
2.9 配气机构
不同的发动机采用不同类型的气门驱动方式，常见的驱动方式有：
－ 通过摇臂驱动 － 通过筒式挺柱直接驱动 － 通过指状随动臂驱动。
摇臂和顶杆设计常见于旧式V 形发动机和顶置气门发动机。大量的运动机件使该设计不符合现代发动机高速运转的要求。
A 通过摇臂驱动 1 顶杆 2 挺柱
采用筒式挺柱直接驱动气门的形式目前运用越来越广泛，特别是对于多气门发动机。这种形
1 储油室 3 挺柱 5 挺柱腔 7 导向套 9 供油
2 推力元件 4 工作腔 6 压缩弹簧 8 气门杆油封 10单向阀
式结构紧凑，运动机件较少，更加适合发动机高速运转。
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
1 单缸（风冷式） 2 多缸气缸体（液冷式）
气缸体由灰铸铁或轻合金铸成。气缸体铸成后，使用精细的切削工具和珩磨机来加工缸孔表面。如果气缸孔表面损坏，通常可以重新进行机
B 通过筒式挺柱直接驱动
2 挺柱 3 凸轮轴
加工。
有的气缸体中压入缸套作为气缸的内壁。轻合金气缸体通常加装缸套，因为轻合金不够坚硬，经不起活塞上下运动产生的负荷。
缸套分两种：湿式和干式。
指状随动臂的设计也具有相对少的部件，相对紧凑的结构，适于发动机高转速。
2.10.1 带有湿式缸套的气缸
湿式缸套压入缸体后，可直接接触冷却液。需要安装橡胶密封圈防止冷却液进入曲轴箱。
湿式缸套易于更换，很好修理。不必对气缸进行机加工，也不必采用加大型活塞。缺点是易腐蚀和气缸体刚性降低。
C 指状随动臂
2.10 气缸
气缸与缸盖一起构成燃烧室。气缸的作用是引导活塞和散发燃烧过程中产生的多余热量。
气缸体有多种型式。有单缸缸体和多缸缸体。另外，还分为风冷式和液冷式气缸。现代汽车发动机的气缸体大部分都使用液冷式。
湿式缸套 1 缸套 3 冷却液
2 密封 4 气缸体
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
2.10.2 带有干式缸套的气缸
干式缸套与冷却液不接触，它们被直接或冷缩压入气缸体。
冷缩装配利用了材料热胀冷缩的原理。将缸套冷却，缸体加热。该方法使缸套压入气缸体更容易。
干式缸套不能完整拆卸。
活塞环区上方的边缘可达到很高的温度，所以称为火力岸。
活塞裙部在缸孔中引导活塞。
活塞销孔用于固定连接活塞与连杆的活塞销。活塞销由卡环固定在活塞内或通过冷缩安装法装入连杆的小端孔中。
干式缸套
活塞的特性
1 火力岸 2 活塞顶 3 活塞销孔 4 公称直径 5 裙部 6 活塞环区
1 缸套 2 冷却液 3 气缸体
2.11 活塞
活塞与活塞环在燃烧室和曲轴箱之间构成一个动态密封。
在做功行程中，活塞必须通过连杆将燃烧气体的压力传给曲轴。
它必须能够经受并排走燃烧产生的高温。热膨胀不能过大，否则会粘滞在缸孔里（活塞咬死）。
2.11.2 活塞的类型
汽油发动机的活塞通常由铝合金制成，可以采用铸造或冲压加工。
2.11.1 活塞的构造
活塞的不同部位起的作用不同。这些部位包括：火力岸、活塞顶、活塞销孔、活塞裙部和活塞环区。
活塞的顶部称为活塞顶。活塞顶充当燃烧室的底部，承受很高的温度和压力。
在活塞环区，各种活塞环可以确保活塞和气缸壁之间有良好的密封。活塞环应能阻止燃烧气体进入曲轴箱，同时阻止机油进入燃烧室。
有些活塞通过嵌入钢带或支撑来控制热膨胀，有的通过活塞中预先设计的缝隙控制热膨胀的大小。
在负荷特别高的区域，还可以采用特殊铸铁制成的一体化部件进行加强。
单一金属全裙式活塞
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
有的活塞还带有冷却油道，可以通过机油喷嘴对活塞顶喷射机油进行冷却。
2.11.4 活塞上的热负载
发动机运转时，活塞裙部的温度可达到150℃，活塞顶则高达350℃。这种不均匀的受热也会导致活塞热膨胀的不均匀，如果不采取应对措施，将导致活塞在气缸中卡滞。
活塞是按正常工作温度下为圆柱形设计的。为了补偿活塞各点热膨胀的差异，常温下活塞的截面被设计成椭圆形，与活塞销轴线垂直的直径较大。
另外，在常温下活塞由下向上略带锥度，以
带有横向缝隙的抗热变形活塞 1 整体铸造钢支撑 2 横向缝隙
平衡活塞顶部位较大的热膨胀。
2.11.3 作用于活塞的力
汽油发动机在做功行程中，作用于活塞顶的燃烧压力可以高达60巴。在这么大的负荷下，活塞被压向与曲柺相对的气缸壁，这种情况会使活塞的单侧过度磨损。这意味着活塞在压缩行程中不仅仅要承受燃烧压力产生的冲击，还要承受气缸的负载侧的压力。
为了抵消这种作用，将活塞销的轴线从活塞中心向处于大负载的一侧略微偏移（约活塞直径的1%–2%），称为活塞销偏置。
活塞冷态时的形状 1 活塞顶直径 2 活塞裙部下端直径 3 活塞销方向直径 4 垂直于活塞销的直径
2.11.5 活塞环
活塞环提供活塞与气缸壁之间的密封。它们必须具有弹性，而且安装时形状不得改变。
由于燃烧压力作用于活塞环的后面，所以在做功行程中活塞环对气缸壁的接触压力会增加。
有两种类型的活塞环：靠近活塞顶部的两道活塞环称为压缩环或气环，它们的目的是为燃烧
作用于带偏置活塞销活塞上的力 1 活塞销轴线 2 活塞销偏置 3 活塞轴线
4 处于压缩负载下的活塞侧
室提供最大的气密密封。下部的活塞环为油环，油环的作用是阻止机油进入燃烧室。
压缩环有各种型式，其中包括矩形环（易于制造）及内倒角环和锥面环（由于二者与气缸壁的接触面积小，磨得较快，所以可以缩短磨合期）。
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第二课 发动机部件 汽油发动机原理
其他种类的压缩环还有梯形环（不卡在槽内）、L-形环（接触压力随燃烧压力增加而加大）和阶梯环（具有额外的刮油作用）。
还有各种型式的油环，包括带槽油环（带通向环槽的油道）和带有各种撑簧的油环。
活塞环由铸铁或高质合金钢制成。它们可通过镀硬铬来提高抗腐蚀能力和耐磨性。
连杆和轴承
1 小端孔 2 活塞销衬套 3 润滑油孔 4 扭力屈服螺栓 5 连杆杆身 6 大端 7 轴瓦 8 轴承盖
各种活塞环
1 矩形环 2 内倒角环 3 锥面环 4 梯形环 5 L形环 6 阶梯环 7 带槽油环 8 带撑簧的油环 9 带螺旋形撑簧的油环
2.13曲轴
曲轴的主要作用是将连杆的直线作用力转换为驱动变速器的转动扭矩。
曲轴还可用来驱动油泵、燃料泵、发电机、配气机构和分电器及水泵和其他辅助设备。
曲轴装于气缸体的曲轴箱中。在很大程度上，发动机的型式和气缸数决定曲轴的形状和轴承数。曲轴轴颈排在一条轴线上。它们用来支撑曲轴箱中的曲轴。
固定连杆的曲柄销（曲轴轴颈）位于曲轴的四周。根据气缸数和点火次序排列。
发动机润滑系统通过机油孔向连杆大端轴承提供机油。
曲轴分整体式和组合式。轿车用汽油发动机通常采用整体式曲轴。
2.12 连杆
连杆连接活塞与曲轴，因此，它会受到极其剧烈的反复拉伸、压缩和变形载荷。连杆的双T 字形截面使其具有所需的刚性。
连杆通常采用钢材锻造并经热处理制成。小型发动机还可能使用高强度铝合金连杆。
连杆主要结构是一个抗弯的柄身，柄身的两端分别连接活塞销和曲轴，与活塞销连接的一端孔径较小，称为连杆小端；另一端则称为大端，连杆大端装有可在曲轴轴颈上转动的轴瓦。
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汽油发动机原理 第二课 发动机部件
曲轴会受到各种各样的力。活塞的力产生弯曲和扭转载荷。内燃机工作产生的力通过活塞不均匀地传给曲轴。由此产生的扭转振动会影响发动机的平稳运行，极端情况下还会损坏曲轴。因此，曲轴必须经过精心平衡。这可通过去掉配重上的一些材料（钻平衡孔）来达到平衡。
多镀层止推轴承 1 定位凸缘 3 钢支承轴瓦 5 镍镀层 7 润滑油孔
2 油槽 4 支承镀层 6 表面镀层 8 突缘
曲轴
1 曲柄轴颈 3 主轴颈 5 平衡孔
2 曲柄 4 配重 6 润滑油孔
曲轴必须有足够的间隙供给润滑油。然而，如果间隙过大，润滑油容易从轴承处逸出，导致润滑不足和轴承严重损坏。
轴瓦由油泵供给的压力油进行润滑。 转动的轴颈在一层可以阻止金属部件相互接触的油膜上运转。（这有点像轮胎在湿滑路面行驶的情况：轮胎浮在一层无法排出的水膜上）。
发动机后部被螺栓固定在曲轴上的飞轮也有助于发动机平稳运转。扭转减振器也有助于减小前端的扭转振动。
制造曲轴的材料可以是球墨铸铁或铬钒钼合金钢，经铸造或锻造和热处理制成。锻造使曲轴材料中形成完整的纤维形态。这可增加曲轴的强度。曲柄轴颈和主轴颈轴承的表面经过表面硬化和研磨。
2.13.1 轴承
曲轴由其轴承支撑和导向。曲轴的转动摩擦力必须应尽可能小。
曲轴轴承是带多镀层的分开式轴瓦。其中一个轴瓦还必须阻止曲轴轴向移动。该轴承称为止推轴承。轴瓦与曲轴之间的间隙正确与否直接关系到它们的寿命长短。轴瓦生产厂商对轴承间隙有具体规定。
普通轴承润滑油压力的积累
1 轴瓦 2 载荷 3 轴 4 润滑油压力 5 供油
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第三课 发动机正时 汽油发动机原理
第三课 发动机正时
3.1 概述
发动机正时系统的作用是使进排气与气缸内活塞的上下运动相协调。
这是通过使缸体内的曲轴与缸盖内的凸轮轴保持同步转动完成的。
气门打开和关闭的时间以曲轴转角表示。
3.2.2 正时链驱动
对于这种驱动，凸轮轴是由正时链在各种辅助部件的协助下来驱动。
这类驱动使用单链条或多链条。
链条通常利用液压链条张紧器拉紧，张紧器由机油压力控制。
链条另外还受导轨导引，以减少链条振动和噪声。
注意： 链条和链条张紧器磨损极小，无需维修。但是，万一链条过度磨损需要维修，必须更换链条。链条张紧器如果损坏，需要整体更换。
3.2 配气机构的驱动型式
凸轮轴有多种驱动方式。配气机构可以通过以下方式驱动：
－ 正时齿轮 － 正时链 － 正时皮带
由于四行程发动机完成一个完整的工作循环需要曲轴旋转两周，所以曲轴与凸轮轴的传动比必须是2:1。
3.2.1 正时齿轮驱动
凸轮轴由正时齿轮驱动，实际等于直接由曲轴驱动。
这类驱动一般常见于旧式发动机（顶置气门发动机、V 形发动机）。
1 凸轮轴链轮 3 曲轴链轮 5 导轨
2 正时链 4 链条张紧器
1 凸轮轴 3 连杆
2 正时齿轮 4 曲轴
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汽油发动机原理 第三课 发动机正时
3.2.3 正时皮带驱动
纤维增强塑料制成的带齿正时皮带重量轻，用其驱动凸轮轴可降低运转噪声，特别适合于高发动机转速。
正时皮带的材料与机油和冷却液不相容。切勿让发动机的正时皮带接触机油或冷却液。
由于有磨损，维修时应根据需要检查和校正正时皮带的松紧度。
必须按规定的保养间隔更换正时皮带。 如果检查发现正时皮带背面开裂或带齿或纤维绽裂，必须更换新的正时皮带，即使还没有到规定的保养间隔。
3.2.4 不同的齿形
正时皮带有各种齿形。更换正时皮带时，务必确保新的正时皮带具有正确的齿形，因为正时皮带轮都有特定的齿形。
注意： 高压缩比发动机的正时皮带或链条如果断齿或缺齿，活塞会与打开的气门接触，导致发动机严重损坏。
1 齿形 2 圆齿形
1 凸轮轴皮带轮 2 正时皮带 3 曲轴皮带轮
4 导轮（为水泵提供驱动） 5 张紧轮
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第四课 进气和排气系统 汽油发动机原理
第四课 进气和排气系统
1 进气歧管
4.1 进气系统
进气系统的作用是清洁进气并向气缸提供燃气混合气。进气系统由进气管、空气滤清器和进气歧管组成。
多数进气歧管用铝合金铸成。更新式的进气歧管由塑料制成。
为确保气缸充气良好，进气歧管内表面须非常光滑，以最大限度减小进气阻力。
如果各缸进气道的长度和直径相同，进气时各缸的情况一样，气缸充气就会均匀一致。
在暖机阶段，进气歧管内壁上会凝结一些燃油。为尽量减少这种因凝结造成的燃油损失，进气歧管往往装有预热器。
进气系统必须与外界完全隔绝。通过漏气处的未经计量的进气会干扰发动机的管理，导致发动机工作不稳，尤其是在怠速时。
进气歧管真空可以用于多种目的。利用真空膜片装置可以操纵制动助力装置和自动阻风门系统。
进气歧管上装有用于这些不同功能的专用连接器。
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汽油发动机原理 第四课 进气和排气系统
4.2 排气系统
排气系统负责将发动机排气送至汽车后部，减小燃烧产生的噪声并净化排气（如有净化装置）。
排气系统包括排气歧管、排气管、消声器和催化转化器（依车型而定）。
排气系统必须与特定的发动机和汽车精确调谐，以便最佳发挥发动机性能与降低噪声。
由于排气歧管是排气系统中承受温度最高的部分，所以采用铸铁制造。排气管和消声器可以用钢板或不锈钢制造。
排气系统会受到来自内部（酸性排气）和外部（水、防冻盐）的腐蚀。高温和振动也会减少排气系统的寿命。
如果排气系统受损或漏泄，必须进行修理或更换。否则，有毒排气可能进入汽车客舱。
另外，空气进入排气系统也会使发动机管理系统受到不利影响。
排气管的柔性管使排气系统可在有限范围内移动。这将保证热膨胀和振动不会在材料中产生过大应力。从而避免开裂和故障。
1 排气歧管2 催化转化器
3 柔性管 4 排气管 5 消声器
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第五课 燃油供给系统 汽油发动机原理
第五课 燃油供给系统
5.1 概述
毫无疑问，内燃机需要燃油来运转。用于汽车发动机的燃油供应系统有多种类型。本节简要介绍的是汽车所用的各类燃油供应系统。
混合气形成系统有两种基本类型：
－ 化油器系统、 － 燃油喷射系统
5.3 燃油喷射
燃油喷射有两种基本形式： －节气门体燃油喷射， －多点燃油喷射。
5.3.1 节气门体燃油喷射（TBI ）
节气门体燃油喷射（TBI ）由电子系统控制。 燃油通过单个电磁式燃油喷射器喷入进气歧管。
电动泵产生将燃油供给喷射器所需的压力。
5.2 化油器系统
化油器通过一个喉管在进气系统中产生真空。该真空通过专门的喷嘴系统从浮子室抽出燃油，并使燃油以微小雾滴形式与流过化油器的空气混合。
1 供油 2 空气 3 节气门板 4 进气歧管 5 气缸盖 6 燃油喷射器
5.3.2 多点燃油喷射
多点燃油喷射可为机械式（K-Jetronic ）或电子式。下列为电子控制式多点燃油喷射系统：
多点燃油喷射（MFI ）：燃油喷射器分两组工作。发动机每转一圈，一组燃油喷射器喷射两次燃油。
化油器的工作原理 1 浮子针阀 3 混合管 5 混合室 7 进气歧管
2 浮子 4 喉管 6 节气门板 8 主量孔
顺序多点燃油喷射（SFI ）：燃油喷射器按点火顺序分别工作。有关燃油喷射系统更详细的说明参见“汽油发动机管理系统”课程。
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汽油发动机原理 第五课 燃油供给系统
5.4 爆震
在点火前很短的时间里，火花点燃燃气混合气。推进的火焰前锋增加了燃气混合气的压缩。由于压缩行程延续至上止点，混合气会被进一步压缩。燃烧室也相应升高。
一旦火花塞、排气门等零件或沉积物的温度达到850℃，就会点燃燃烧室中的未燃混合气。
1 供油 2 空气 3 节气门板 4 进气歧管 5 燃油喷射器 6 气缸
这种非受控燃烧产生的压力波会与（点火火花控制的）受控燃烧产生的压力波发生冲突。这些气压波碰撞，会导致振动，就是我们听见的发动机爆震。
爆震引起的压力冲击导致功率下降和对曲柄传动装置产生过度压力。
如果允许发动机持续爆震燃烧运转，会导致轴承或活塞顶损坏。
发动机内会不受控自燃。
爆震的另一个可能原因是过早产生点火火花。由于压缩过程继续，燃烧高温被进一步提高。
升高的燃烧室温度会过早触发点火和非受控燃烧（爆震）。 加速爆震
加速爆震发生于发动机低速时加速。相对来说，加速爆震对发动机造成的负载不会损坏发动机。 高速爆震
高速爆震发生于汽车重载高速行驶。如果发动机有加速爆震，就更容易发生危险的高速爆震。
一般说来，发动机长时间高速行驶，驱动噪声掩盖了爆震噪声。所以，司机很难发觉高速爆震。高速爆震隐藏着极大的危险。
发动机温度急速上升是高速爆震唯一的迹象。 爆震的原因
燃油抗爆性或辛烷值低或品质低劣是爆震燃烧最常见的原因，因为这些燃油在发动机内会不受控自燃。
5.4 汽油发动机用燃油
5.4.1 汽油种类
z 按辛烷值分类。 z 含铅和无铅汽油。 含铅燃油：
－燃油含有一定量可提高抗爆性的铅化合物。
－为了保护环境，含铅燃油只能用于需要用铅化合物的燃烧产物为排气门润滑的发动机。 无铅燃油：
铅会破坏催化转化器的活性贵金属镀层。所以，装有催化转化器的汽车需要使用无铅燃料。因此，所谓“无铅汽油”的铅含量被减少到最低限度（实际上不可能完全无铅）。然而，这会降低抗爆性，必须用专用添加剂来纠正。 辛烷值和抗爆性：
辛烷值是对燃油抗爆性的一种度量方法。在欧洲，为燃油规定了最低辛烷值。
普通汽油的最低辛烷值为91 ROZ/RON，高级汽油的最低辛烷值为95 ROZ/RON，超级汽油的最低辛烷值为98 ROZ/RON。
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第六课 发动机支持系统 汽油发动机原理
第六课 发动机支持系统
机油通过滤清器后，在压力作用下进到缸盖和缸体的润滑点。
油泵中的一个卸压阀可以保证机油不会超过约4–5巴的最大油压。
对于高热负载的发动机，机油飞溅喷嘴安在缸体的下部。它们将机油喷在活塞顶的下面。
如果机油太热，会变得非常稀，润滑能力就会降低。有时使用机油冷却器来避免机油温度过高。机油冷却器将机油的热能释放到大气或冷却液回路。
6.1 润滑系统
发动机润滑系统的主要的作用是：
－ 减少摩擦和磨损，
－ 冷却和保护发动机的内部零件， － 对一个在另一个上滑动的零件之间进行
密封（例如活塞环在汽缸壁上滑动），
－ 清除并滤掉沉淀物和燃烧残留物， － 防锈
6.1.1 机油承受的各种应力
发动机的润滑油必须承受很大的负载。它必须在温度高达300℃（活塞火力岸处）时仍能保持其润滑能力。
它还要承受由于燃烧气体通过活塞渗入曲轴箱所产生的化学应力。
另外，灰尘、研磨颗粒和燃烧残渣会污染机油并形成沉淀物。
6.2 机油更换
以这个发动机的油路为例
1 机油滤清器 2 机油压力开关 3 液压筒形梃杆 4 机油飞溅喷嘴 5 油底壳 6 进油管和过滤器 7 油泵
为此，务必要按规定的保养间隔更换机油。 一定要在发动机处于正常工作温度时更换机油，因为这时机油较稀易于流动，能将杂质带走。
更换机油时，一定要更换机油滤清器，因为原机油滤清器可能被杂质阻塞。阻塞的滤清器会减缓机油的流动，降低发动机的润滑。另外，残留在滤清器中的旧油会降低新油的品质。
添加新油时，数量正确至关重要。机油加得过多，发动机工作时会损坏密封垫。另外，如果机油进入进气或排气系统可能使催化剂中毒。
发动机换油后第一次起动时，在油泵将滤清器充满机油并达到所需油压前切勿加载。
6.1.1 油路
上面的油路图解显示了4行程发动机最常用的润滑系统：强制循环润滑。
机油存于缸体下面的一个容器（油底壳）中。油泵将所存的机油通过集滤器抽出，并使其强制通过滤清器。
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汽油发动机原理 第六课 发动机支持系统
6.2.1 润滑油的规格
润滑油按照SAE 粘度等级分类。这些等级是由汽车工程师学会（SAE ）规定的。机油是按粘度来区分的，粘度与环境温度有关。
机油分单级机油，如SAE 50W，和多级机油，如SAE 15W40。多级机油覆盖若干粘度等级，因此占有优势。
注意： 粘度信息不说明机油质量。
为此，20世纪70年代初，CCMC （欧洲共同市场汽车制造商委员会）与欧洲汽车制造商合作，制定了CCMC 技术标准。
由于在开发机油测试方法时考虑了诸多因素，如不断增加的换油间隔、比功率的提高和越来越快的行驶速度等等，所以CCMC 技术标准在欧洲变得日益重要。
6.2.2 汽油发动机用机油
－ SD ：用于
1968－1971年制造的轿车/商用
车汽油发动机。具有良好的抗锈蚀和磨损性能。
－ SE ：与
SD 级机油相比，进一步提高了防
护性能。用于1972-1979年制造的发动机。
－ SF ：经过比较严格的沉积和氧化实验。用
于1980-1988年制造的发动机。
根据环境温度制定的粘度等级 1 S配方合成机油
2 XR＋高性能高润滑车用机油 3 超级多级车用机油 4 超级多级车用机油 5 环境温度
－ SG ：经过更为严格的沉积和氧化实验。
用于1988年后制造的发动机。
6.2.3 （轿车）柴油发动机用机油
－ CC ：自然吸气式发动机用机油。 － CD ：自然吸气式和涡轮增压发动机用机
API （美国石油学会）分级
美国石油学会（API ）与SAE 及ASTM （美国测试和材料学会）合作，开发了一套按机油性能分类的方法。
API 机油分级主要分两级：
－ 柴油发动机用的－ 汽油发动机用的
油。
旧的CCMC 分级法将机油分为：
－ CCMC-G1、-G2、-G3：汽油发动机机油
（G 代表汽油机）。数字代表机油的性能指标。数字较大，机油品质较高。
－ CCMC-PD1：轿车涡轮增压柴油机发动机
C 级机油 S 级机油
机油（P 代表轿车，D 代表柴油机）。
－ CCMC-D1、-D2、-D3：商用车柴油发动
机用机油。
对于这些级别的机油，还在规格上加了一些字母，表示不同的品质等级（例如：API SG/CD）。 CCMC 分级
API 分级法是一个基于北美条件的质量标准。全部测试用美国发动机进行。
这说明进行测试的发动机都是大排量和低比功率的发动机。同样，测试周期也是由美国使用条件决定的。因此，API 分级法不符合欧洲的要求。
－ 现用的
CCMC 分级法将机油分为：
－ CCMC-G4：使用最新技术的汽油发动机
用机油。
－ CCMC-PD2：使用最新技术的柴油发动机
用机油。
－ CCMC-D4、-D5：最新型商用车柴油发动
机用机油。
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第六课 发动机支持系统 汽油发动机原理
6.3 水冷系统
由于发动机部件的耐热性有限，所以冷却对于内燃机的安全运行尤为重要。
通常使用两种冷却方法：
―通过冲压空气或风扇进行空气冷却； ―通过冷却液泵和不通过冷却液泵进行液体冷却。
在汽车结构中，主要使用带冷却液泵的液冷系统。因此这里仅介绍这类冷却系统。
发动机温度低时，冷却液靠水泵推动在缸体内循环。多数发动机的冷却液还流过暖气散热器。人们有时管这叫做“小循环冷却”（灰白色部分）。
等冷却液温度升高后，节温器开启通向散热器的通路。这时，这就是所谓的“大循环冷却”（深灰色部分）。冷却液流回发动机之前，热量被通过散热器的空气带走。
冷却液温度进一步升高后，热敏开关开启电动冷却扇，提高流过散热器的空气量。还有一种风扇是用皮带驱动，由热敏离合器控制。
膨胀水箱为冷却液留出热膨胀的余地。这样可使冷却系统中的液量保持不变。
纯的防冻液主要由乙二醇组成，另外含有一些减缓腐蚀作用的添加剂以及其他成分。通常被染成黄色、绿色、或红色来与其他液体区分开来。纯的防冻液冰点低、沸点高、粘度大、流动性稍差。
推荐使用的冷却液是水和防冻液的混合液体。50%：50%的混合比例可以提供—35°C 的冰点和103°C 的沸点。其他混合比例也可以安全使用。应该根据冰点的要求来使用不同的混合比，环境温度很低时，就应该加大防冻液的比例。
6.4 曲轴箱通风系统
由于活塞环无法在燃烧室和曲轴箱之间提供完全的密封，所以带有高浓度未烧尽碳氢化合物的气体会绕过活塞环聚集在曲轴箱中。排放控制法规规定这些气体不准排入大气。
我们在图中可以看到，曲轴箱和缸盖中的所有蒸气都通过相应的软管送入进气系统。蒸气随后进入燃烧室进行重新燃烧。
新型汽车使用了一种压敏系统来计量从曲轴箱排除的蒸气量。怠速和部分载荷时，曲轴箱蒸气通过PCV （曲轴箱强制通风）阀（较浅箭头）通入进气歧管。
满负荷时，进气歧管中的真空低，PCV 阀关闭。曲轴箱蒸气通过空气滤清器通入进气系统（较深箭头）
1 膨胀水箱 2 水泵 3 暖气散热器 4 发动机 5 节温器 6 散热器
6.3.1冷却液
常用的冷却液有水和防冻液，以及它们的混合物。水可以作为冷却液安全使用，但是没有防止冰冻和减少腐蚀的作用。
曲轴箱通风 1 进气歧管 5 连接进气歧管
2 油气分离器
3 空气滤清器 4 曲轴箱强制通风阀
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汽油发动机原理 备注
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