往复活塞式内燃机的工作原理

1．2　往复活塞式内燃机的工作原理

1．2．1　发动机基本结构

往复活塞式内燃机的基本结构如图1－1所示。

气缸6内装有活塞8、连杆9与曲轴10相连接。活塞在气缸内作往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜空气和排出废气，还设有进气门3和排气门4。

1．2．2　发动机基本术语

汽车发动机是一部复杂的能量转换机器，为了便于研究它的工作过程，图1－2示出了描述发动机工作过程常用的一些基本术语。这些术语如下：

（1）工作循环。活塞式内燃机的工作循环是由进气、压缩、做功和排气等四个工作过程组成的封闭过程。周而复始地进行这些过程，内燃机才能持续地做功。

（2）上、下止点。活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点，活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点（图1－2）。在上、下止点处，活塞的运动速度为零。

（3）活塞行程。上、下止点之间的距离S称为活塞行程。曲轴的回转半径R称为曲柄半径。显然，曲轴每回转一周，活塞移动两个活塞行程。对于气缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机，其S＝2R。

（4）气缸工作容积。活塞从上止点到下止点所扫过的空间容积称为气缸工作容积，记作V_h（1－1）式中，D为气缸直径（mm）；S为活塞行程（mm）；Vn为气缸工作容积，升（L）。

（5）发动机排量。发动机所有气缸工作容积的总和称为发动机排量，记作VL。（1－2）式中，i为气缸数；Vh为气缸工作容积（单位为L）。

（6）燃烧室容积。活塞位于上止点时，活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室，其容积称为燃烧室容积，记作Vc（单位为L）。

图1－1往复活塞式内燃机的基本结构

1－凸轮轴　2－气门弹簧　3－进气门　4－排气门　5－气缸盖　6－气缸　7－机体

8－活塞　9－连杆　10－曲轴　11－曲轴齿形带轮　12－张紧轮　13－齿形带　14－凸轮轴齿形带轮

（7）气缸总容积。气缸工作容积与燃烧室容积之和为气缸总容积，记作Va（单位为L）。

（1－3）

（8）压缩比。气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，记作ε。

（1－4）

压缩比的大小表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。

目前，一般车用汽油机的压缩比约为6～10（也有的高达10以上），柴油机的压缩比约为15～22。

（9）工况。发动机在某一时刻的运行状况称为工况，以该时刻发动机对外输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为发动机转速。

（10）负荷率。发动机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率，简称负荷，以百分数表示。

图1－2　发动机基本术语示意图

1－气缸　2－活塞　3－连杆　4－曲轴　5－曲轴主轴颈　6－曲轴连杆轴颈（曲柄销）

1．2．3　四冲程汽油机的工作原理

四冲程汽油发动机每完成一个工作循环需要经过进气、压缩、做功和排气四个行程，对应活塞上下往复运动四次，相应的曲轴旋转了720°（两圈）。

1．进气行程〔图1－3（a）〕

进气行程开始时，进气门开启，排气门关闭，活塞被曲轴带动从上止点向下止点移动一个行程；曲轴由0°沿顺时针方向转到180°。

当活塞从上止点向下止点移动时，气缸内活塞上方的容积增大，压力降低到小于大气压力，产生了真空度。这时，可燃混合气经进气歧管、进气门吸入气缸。由于进气系统有阻力，且进气时间很短，故进气终了时气缸内的气体压力略低于大气压力，约为0．074～0．093MPa。

流进气缸内的可燃混合气，因与气缸壁、活塞顶等高温机件接触并与前一行程（排气行程）留下的高温残余废气混合，所以它的温度上升到353～403K。

在示功图上，进气行程〔图1－4（a）所示〕用曲线r_a表示。曲线r_a位于大气压力线下，它与大气压力线纵坐标之差即表示气缸内的真空度。

2．压缩行程〔图1－3（b）〕

为了使可燃混合气能迅速、完全、集中地燃烧，使发动机能发出更大的功率，燃烧前必须将可燃混合气压缩。

在进气行程终了时，活塞自下止点向上止点移动，曲轴由180°转到360°，此时，进、排气门均关闭。随着气缸内容积不断缩小，可燃混合气受到压缩，其温度和压力不断升高。

压缩行程一直继续到活塞到达上止点时为止，此时，可燃混合气被压缩到活塞上方的很小空间，即燃烧室中。压缩终了时，可燃混合气的温度约为600～700K，可燃混合气压力约为0．6～1．5MPa。在示功图上，压缩行程〔图1－4（b）所示〕用曲线ac表示

图1－3　四冲程汽油机工作循环示意图

1－排气门　2－火花塞　3－进气门　4－气缸　5－活塞　6－连杆　7－曲轴　8－可燃混合气

图1－4　四冲程汽油机的示功图

（a）进气行程　（b）压缩行程　（c）做功行程　（d）排气行程

3．做功行程〔图1－3（c）〕

在这个行程中，进、排气门仍关闭。当活塞在压缩行程接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞在高压电作用下产生电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气燃烧后，放出大量的热能，使燃气的压力和温度急剧升高，在示功图上如曲线〔图1－4（c）所示〕cZ所示。最高压力Pz约为3～5MPa，相应的温度为2200～2800K且体积迅速膨胀。此时活塞被高压气体推动从上止点下行，带动曲轴从360°旋转到540°，并输出机械能，能量除了维持发动机本身继续运转消耗一部分外，其余部分都用于对外做功，所以该行程称为做功行程。

示功图上，曲线zb表示活塞向下移动时，气缸内容积增加，气体压力和温度都在降低。在做功行程终了的b点，压力降到0．3～0．5MPa，温度则降为1300～1600K。

4．排气行程〔图1－3（d）〕

可燃混合气体燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个进气行程。

当膨胀接近终了时，进气门关闭，排气门开启，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动，曲轴由540°旋转到720°。废气在自身残余压力和活塞的推力作用下从气缸中排出，进入大气之中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。这一行程在示功图上〔图1－4（d）〕用曲线br表示。由于排气系统存在排气阻力，所以在排气终了时，气缸内压力稍高于大气压力，约为0．102～0．120MPa，废气温度约为900～1200K。

因燃烧室占有一定容积，故排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。

1．2．4　四冲程柴油机工作原理

四冲程柴油机（压燃式发动机）和四冲程汽油机一样，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。由于柴油机用的柴油粘度比汽油大，不易蒸发，且自燃温度又较汽油低，因此可燃混合气的形成及点火方式便不同于汽油机。

图1－5为四冲程柴油机工作循环示意图。柴油机在进气行程吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器的高压喷射，将柴油分散成数以百万计的细小油雾喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。因此，柴油机混合气的形成不同于汽油机，它是在气缸内形成可燃混合气。

图1－5　四冲程柴油机工作循环示意图

由于柴油机压缩终了时气缸内空气压力可达3．5～4．5MPa，同时温度高达750～1000K，大大超过柴油的自燃温度，故柴油喷入气缸后，在很短时间内与高温高压空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内气压急剧上升到6～9MPa，温度也升到2000～2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而做功，废气同样经排气管排入大气中。

柴油机与汽油机相比，各有其特点。柴油机因压缩比高，燃油消耗率平均比汽油机低30%左右，燃油经济性较好，且柴油机没有点火系统的故障。一般载质量在7t以上的载货汽车多用柴油机。但柴油机转速较汽油机低（一般最高转速在2500～3000r／min左右）、质量大、制造和维修费用高（因为喷油泵和喷油器加工精度要求较高）。目前随着电子控制技术的发展，柴油机的这些弱点正在逐渐得到克服，它的应用范围正在向中、轻型载货汽车扩展。甚至有的轿车（高尔夫、捷达、上海大众波罗）也采用柴油机，其最高转速可达5000r／min。

汽油机具有转速高（目前轿车用汽油机最高转速达5000～6000r／min，载货汽车可达4000r／min左右）、质量小、工作噪声小、起动容易、工作稳定、操作省力、适应性好、制造和维修费用低等特点，故在轿车和中、小型载货汽车上及军用越野车上得到广泛的应用。但汽油机燃油消耗率较高，因而其燃油经济性差。

从四冲程发动机的工作循环可知，四个行程中只有一个行程是做功的，其他三个行程是消耗动力的做功准备行程。因此，对于单缸发动机，使曲轴旋转的动力仅来自于做功行程的能量输出，其余三个行程是靠贮存能量的飞轮惯性维持转动。显然，做功行程时，曲轴的转速比其他三个行程转速要大，所以它的转速是不均匀的，因而发动机工作就不平稳，振动大。为了解决这个问题，飞轮将做成具有更大的转动惯量，但这样会使整个发动机质量和尺寸增加。采用多缸发动机可以弥补上述不足。现代汽车用得最多的是四缸、六缸和八缸发动机。

对于多缸四冲程发动机的每一个气缸，所有的工作过程完全相同，并按上述同样的次序进行，但所有气缸的做功行程并不同时发生。例如在四缸发动机内，曲轴每转半周便有一个气缸在做功；在八缸发动机内，曲轴每转四分之一周便有一个做功行程。

多缸机做功行程的间隔为720°／i（i为气缸数），气缸数愈多，发动机的工作便愈平稳。但发动机缸数增加时，一般会使发动机结构复杂，尺寸及质量增加。