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发动机工作过程和原理基本分析 04-11-8 17:37 太平洋汽车网来源: pcauto CAR 责任编辑: shenyunfeng 发动机是一种能量转换机构，它将燃料燃烧产生的热能转变成机械能。那么，它是怎样完成这个能量转换过程呢？也就是说它是怎样把热能转换成机械能的呢？要完成这个能量转换必须经过进气，把可燃混合气(或新鲜空气)引入气缸；然后将进入气缸的可燃混合气(或新鲜空气)压缩，压缩接近终点时点燃可燃混合气(或将柴油高压喷入气缸内形成可燃混合气并引燃)；可燃混合气着火燃烧，膨胀推动活塞下行实现对外作功；最后排出燃烧后的废气。即进气、压缩、作功、排气四个过程。把这四个过程叫做发动机的一个工作循环，工作循环不断地重复，就实现了能量转换，使发动机能够连续运转。把完成一个工作循环，曲轴转两圈(720)，活塞上下往复运动四次，称为四行程发动机。而把完成一个工作循环，曲轴转一圈(360)，活塞上下往复运动两次，称为二行程发动机。下面介绍一下四行程发动机的工作原理和工作过程。 一.四行程汽油机的工作原理 四行程汽油机的运转是按进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程的顺序不断循环反复的。 （1) 进气行程 （图1-22）由于曲轴的旋转，活塞从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。进气过程开始时，活塞位于上止点，气缸内残存有上一循环未排净的废气，因此，气缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，当压力低于大气压时，在气缸内产生真空吸力，空气经空气滤清器并与化油器供给的汽油混合成可燃混合气，通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。在进气过程中，受空气滤清器、化油器、进气管道、进气门等阻力影响，进气终了时，气缸内气体压力略低于大气压，约为0.0750.09MPa，同时受到残余废气和高温机件加热的影响，温度达到370400K。实际汽油机的进气门是在活塞到达上止点之前打开，并且延迟到下止点之后关闭，以便吸入更多的可燃混合气。 （2) 压缩行程（图1-23） 曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。此时气体的压力和温度主要随压缩比的大小而定，可燃混合气压力可达0.61.2MPa，温度可达600700K。 压缩比越大，压缩终了时气缸内的压力和温度越高，则燃烧速度越快，发动机功率也越大。但压缩比太高，容易引起爆燃。所谓爆燃就是由于气体压力和温度过高，可燃混合气在没有点燃的情况下自行燃烧，且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播，造成尖锐的敲缸声。会使发动机过热，功率下降，汽油消耗量增加以及机件损坏。轻微爆燃是允许的，但强烈爆燃对发动机是很有害的，汽油机的压缩比一般为610。 （3) 作功行程（图1-24） 作功行程包括燃烧过程和膨胀过程，在这一行程中，进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点(即点火提前角)位置时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高，最高压力可达35MPa，最高温度可达22002800K，高温高压气体膨胀，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功，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外作功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，作功行程结束，气体压力降低到0.30.5MPa，气体温度降低到13001600K4) 排气行程（图1-25） 可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。实际汽油机的排气行程也是排气门提前打开，延迟关闭，以便排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在，不可能将废气全部排出气缸。受排气阻力的影响，排气终止时，气体压力仍高于大气压力，约为0.1050.115MPa，温度约为9001200K。 曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。可见四行程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环，这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。 二.四行程柴油机的工作原理 四行程柴油机和四行程汽油机的工作过程相同，每一个工作循环同样包括进气、压缩、作功和排气四个行程，但由于柴油机使用的燃料是柴油，柴油与汽油有较大的差别，柴油粘度大，不易蒸发，自燃温度低，故可燃混合气的形成，着火方式，燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机不同，下面主要分析一下柴油机和汽油机在工作过程中的不同点。 四行程柴油机在进气行程中所不同的是柴油机吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气，在进气通道中没有化油器，进气阻力小，进气终了时气体压力略高于汽油机而气体温度略低于汽油机。进气终了时气体压力约为0.07850.0932MPa，气体温度约为300370K。 压缩行程压缩的也是纯空气，在压缩行程接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，柴油和空气在气缸内形成可燃混合气并着火燃烧。柴油机的压缩比比汽油机的压缩比大很多(一般为1622)，压缩终了时气体温度和压力都比汽油机高，大大超过了柴油机的自燃温度。压缩终了时，气体压力约为3.54.5MPa，气体温度约为7501000K，柴油机是压缩后自燃着火的，不需要点火，故柴油机又称为压燃机。 柴油喷入气缸后，在很短的时间内与空气混合后便立即着火燃烧，柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的，而不象汽油机那样，混合气主要是在气缸外部的化油器中形成的。柴油机燃烧过程中气缸内出现的最高压力要比汽油机高得多，可高达69MPa，最高温度也可高达20002500K。作功终了时，气体压力约为0.20.4MPa，气体温度约为12001500K。 柴油机的排气行程和汽油机一样，废气同样经排气管排入到大气中去，排气终了时，气缸内气体压力约为0.1050.125MPa，气体温度约为8001000K。 柴油机与汽油机比较，柴油机的压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，同时柴油价格较低，因此，柴油机的燃料经济性能好，而且柴油机的排气污染少，排放性能较好。但它的主要缺点是转速低，质量大，噪声大，振动大，制造和维修费用高。在其发展过程中，柴油机不断发扬其优点，克服缺点，提高速度，有望得到更广泛地应用。 三.二行程汽油机的工作原理 二行程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈(360)，活塞上下往复运动的两个行程内完成的。因此，二行程发动机与四行程发动机工作原理不同，结构也不一样。例如曲轴箱换气式二行程汽油机，气缸上有三排孔，利用这三排孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、换气和排气的。工作原理如下： 图1-27a 表示活塞向上运动，将三排孔都关闭，活塞上部开始压缩，当活塞继续上行时，活塞下方打开了进气孔，可燃混合气进入曲轴箱（图1-27 b），活塞接近上止点时（图1-27c），火花塞点燃混合气，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动，进气孔关闭，曲轴箱内的混合气受到压缩，当活塞接近下止点时，排气孔打开，排出废气，活塞再向下运动，换气孔打开，受到压缩的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内，并扫除废气（图1-27d）。 第一行程：活塞从下止点向上止点运动，事先已充满活塞上方气缸内的混合气被压缩，新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。第二行程：活塞从上止点向下止点运动，活塞上方进行作功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。 四.二行程柴油机的工作原理 二行程柴油机和二行程汽油机工作类似，所不同的是，柴油机进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。例如带有扫气泵的二行程柴油机工作过程如下（图1-28）： 第一行程：活塞从下止点向上止点运动，行程开始前不久，进气孔和排气门均以开启，利用从扫气泵流出的空气使气缸换气。当活塞继续向上运动进气孔被关闭，排气门也关闭，空气受到压缩，当活塞接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，燃油和空气混合后燃烧，使气缸内压力增大。 第二行程：活塞从上止点向下止点运动，开始时气体膨胀，推动活塞向下运动，对外作功，当活塞下行到大约2/3行程时，排气门开启，排出废气，气缸内压力降低，进气孔开启，进行换气，换气一直延续到活塞向上运动1/3行程进气孔关闭结束。 五.多缸发动机的工作原理 前面介绍的是单缸发动机的工作过程，而现代汽车发动机都是多缸四行程发动机，那么，多缸四行程发动机与单缸四行程发动机的工作过程有什么区别呢？就能量转换过程，发动机的每一个气缸和单缸机的工作过程是完全一样的，都要经过进气、压缩、作功和排气四个行程。但是单缸发动机的四个行程中只有一个行程作功，其余三个行程不作功，即曲轴转两圈，只有半圈作功，所以运转平稳性较差，功率越大，平稳性就越差。为了使运转平稳，单缸机一般都装有一个大飞轮。而多缸发动机的作功行程是差开的，按照工作顺序作功，即曲轴转两圈交替作功，因此，运转平稳，振动小。缸数越多，作功间隔角越小，同时参与作功的气缸越多，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。 第一章 发动机的工作原理和总体构造第二节 发动机的简单工作原理 一、四冲程汽油机的工作原理 四冲程汽油机是由进气、压缩、作功和排气完成一个工作循环的，如图所示为单缸四冲程汽油机工作原理示意图。 （点击图片可演示动画）1.进气行程 (1)活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动。 (2)进气门开启，排气门关闭。 (3)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，空气与汽油形成的混合气，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 (1)活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动。 (2)进、排气门均关闭。 (3)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。 在压缩过程中，气体压力和温度同时升高。压缩终了时，气缸内的压力约为6001500kPa，温度约为600K800K，远高于汽油的点燃温度 (约263K) 。 3.作功行程 (1)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，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作功，至活塞运动到下止点时，作功行程结束。 (2)作功行程，进、排气门均关闭。 在作功过程中，开始阶段气缸内气体压力、温度急剧上升，瞬时压力可达3MPa5MPa，瞬时温度可达2200K2800K。随着活塞的下移，压力、温度下降，作功行程终了时，压力约为300kPa500kPa，温度约为1500K1700K。 4.排气行程 (1)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。 (2)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。 排气终了时，由于燃烧室容积的存在，气缸内还存有少量废气，气体压力也因排气门和排气道等有阻力而高于大气压。此时，压力约为105kPa125kPa，温度约为900K1200K。 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，发动机就自行运转。 （点击图片可播放动画） 图1-9 四冲程汽油机工作原理动画演示二、四冲程柴油机的工作原理 如图所示，四冲程柴油机和四冲程汽油机工作原理一样，每个工作循环也是由进气、压缩、作功和排气四个行程所组成。但柴油和汽油性质不同，柴油机在可燃混合气的形成、着火方式等与汽油机有较大区别。下面主要介绍与汽油机工作原理不同之处。 （点击图片可演示动画）1.进气行程 进气行程，不同于汽油机的是进入气缸的不是混合气，而是纯空气。 2.压缩行程 (1)压缩行程压缩的是纯空气。 (2)由于柴油机压缩比大，压缩终了的温度和压力都比汽油机高，压力可达3MPa5MPa，温度可达800K1000K。 注：点燃温度是指燃料在空气中移近火焰时，其表面上的燃料蒸气能够被点着的最低环境温度。汽油的点燃温度很低，约为263K，柴油的点燃温度高，约为313K359K。 自燃温度是指燃料不与火焰接近，能够自行燃烧的最低环境温度；柴油的自燃温度低，约为473K573K，汽油的自燃温度高，约为653K。 3.作功行程 (1)压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸内的高温空气中，迅速汽化并与空气形成可燃混合气。因为此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度(约500K左右)，柴油自行着火燃烧，且以后的一段时间内边喷边燃烧，气缸内的温度、压力急剧升高，推动活塞下行作功。 (2)作功行程中，瞬时压力可达5MPa10MPa，瞬时温度可达1800K2200K；作功终了，压力约为200kPa400kPa，温度约为1200K1500K。 4.排气行程 排气行程与汽油机排气行程基本相同。 由上述四冲程汽油机和柴油机的工作原理可知： 1)两种发动机工作循环的基本内容相似，其共同特点是： (1)每个工作循环曲轴转两转(720)每一行程曲轴转半转(180)，进气行程是进气门开启，排气行程是排气门开启，其余两个行程进、排气门均关闭。 (2)四个行程中，只有作功行程产生动力，其它三个行程是为作功行程做准备工作的辅助行程，虽然作功行程是主要行程，但其它三个行程也不可缺少。 (3)发动机运转的第一个循环，必须有外力使曲轴旋转完成进气、压缩行程，着火后，完成作功行程，依靠曲轴和飞轮贮存的能量便可自行完成以后的行程，以后的工作循环发动机无需外力就可自行完成。 2)两种发动机工作循环的主要不同之处是： (1)汽油机的汽油和空气在气缸外混合，进气行程进入气缸的是可燃混合气。而柴油机进气行程进入气缸的是纯空气，柴油是在作功行程开始阶段喷入气缸，在气缸内与空气混合，即混合形成方式不同。 (2)汽油机用电火花点燃混合气，而柴油机是用高压将柴油喷入气缸内，靠高温气体加热自行着火燃烧，即着火方式不同。所以汽油机有点火系，而柴油机则无点火系。 三、二冲程汽油机的工作原理 二冲程汽油机完成一个工作循环也需向缸内引入可燃混合气，然后将其压缩，着火作功后再将燃烧后的废气排到大气中去，但它完成上述工作是在活塞往复运动两个行程完成的。 1. 结构特点：如图所示，在气缸上开三个口，排气口位于作功时活塞全行程的三分之二处，它稍高于换气口，进气口在气缸的下部。其工作原理如下： （点击图片可演示动画）2. 工作原理 第一行程 活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动 (1)压缩 当活塞上行到将换气口、排气口关闭时，已进入气缸的混合气被压缩，直到活塞运动到上止点、压缩行程便结束。 (2)换气 随着活塞上行，曲轴箱容积增大，形成一定的真空度，当活塞上行到进气口露出时，化油器供应的新鲜混合气在真空吸力的作用下被吸入曲轴箱内。 第二行程 活塞由上止点向下止点运动 (1)作功 当活塞上行到接近上止点时，火花塞产生电火花，点燃缸内的可燃混合气，混合气着火燃烧产生高温、高压，在气压的作用下，活塞由上止点向下止点运动，带动曲轴旋转向外输出作功。 (2)曲轴箱内混合气预压 当活塞下移到将进气口堵死时，随着活塞继续下移，曲轴箱内的新鲜混合气被预压。 (3)排废气与换气 当活塞下行到排气口露出时，燃烧后的废气在自身压力下经排气口排出气缸，紧接着换气口开启，曲轴箱内被预压的混合气经换气口进入气缸。这一过程称为：“换气过程”，它一直延续到下一个行程活塞上行到将换气口、排气口关闭为止。 由上述可知，第一行程活塞上方进行换气、压缩，活塞下方进气；第二行程活塞上方进行作功、换气，活塞下方混合气被预压，换气过程纵跨两个行程。 排气口位置稍高于换气口，这样可使作功行程将要结束时，排气口首先露出，气缸内的废气在残压的作用下迅速排出，既有利于排气干净，也可使气缸内压力迅速降低，便于当换气口露出时，新鲜混合气进入气缸。 活塞顶部通常做成特殊形状，以便将从换气口进入气缸的新鲜混合气引到气缸的上部。这样既可防止新鲜混合气混入废气内，随废气一起排出气缸，又可驱赶废气，使排气更加彻底。事实上，尽管如此，要完全避免新鲜混合气不随废气排出是不可能的，故二冲程汽油机的换气“品质”差。 四、二冲程柴油机工作原理 二冲程柴油机工作原理同二冲程汽油机工作原理有很多相似之处，所不同的是： 1.进入气缸的不是混合气，而是纯空气。 2.有换气泵将空气压入气缸。新鲜空气由换气泵提高压力(约120kPa140kPa)，后经气缸外部的空气室和气缸上的进气口进入气缸内。 3.当活塞接近上止点时，喷油器向缸内喷入雾状柴油，柴油迅速与空气混合形成可燃混合气并自行着火燃烧。 4.废气由专设的排气门排出。图1-5 二冲程柴油机工作原理示意图（点击图片可演示动画）二冲程发动机的特点： 比较上述四冲程发动机与二冲程发动机的工作原理可以看出，二冲程发动机具有以下特点： 1.四冲程发动机的进、排气是两个分开的专门过程，而二冲程发动机单纯的排气(或进气)时间极短，主要是一个几乎完全重叠的，以新鲜气体清扫废气的换气过程。这样的换气过程不可避免地会发生新鲜气体和废气混合，造成废气难以排净和新鲜气体随废气排出的后果。 2.完成一个工作循环，二冲程发动机只需转一转，而四冲程发动机需要转两转。因此，当发动机工作容积、压缩比