发动机工作原理

二、发动机工作原理

1.基本术语（如图1.9所示）

图1.9　发动机基本术语

（1）上、下止点

活塞顶离曲轴回转中心最远处时的位置称为上止点；活塞顶离曲轴回转中心最近处时的位置称为下止点。

（2）活塞行程（S）

上、下止点之间的距离称为活塞行程。

（3）曲柄半径（R）

曲轴上连杆轴颈轴线与曲轴主轴颈轴线之间的距离称为曲柄半径。活塞行程为曲柄半径的两倍，即S＝2R。

（4）汽缸工作容积（V_h）

活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积称为汽缸工作容积或汽缸排量，单位为L，即：

式中 D——汽缸直径，mm；

　　 S——活塞行程，mm。

（5）燃烧室容积（V_c）

活塞在上止点时，活塞顶与汽缸盖之间的容积称为燃烧室容积，单位为L。

（6）汽缸总容积（V_a）

活塞在下止点时，活塞顶上方的容积称为汽缸总容积，单位为L。显然，汽缸总容积是汽缸工作容积与燃烧室容积之和，即：

V_a＝V_c+V_h

（7）发动机排量（V_L）

多缸发动机各汽缸工作容积之和称为发动机排量，单位为L，即：

式中 V_h——汽缸工作容积，L；

　　 i——汽缸数目。

（8）压缩比（ε）

汽缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，即：

式中 V_a——汽缸总容积，L；

　　 V_h——汽缸工作容积，L；

　　 V_c——燃烧室容积，L。

目前，一般车用汽油机的压缩比为6～10，柴油机的压缩比为15～22。

（9）工作循环

在汽缸内每完成一次热能与机械能的相互转换，所经历的一系列连续过程称为发动机的一个工作循环。

2.发动机工作原理

发动机将热能转变为机械能的过程，是经过进气、压缩、做功和排气四个连续的过程来实现的，每进行一次这样的过程就叫一个工作循环。凡是曲轴旋转两圈，活塞往复四个行程完成一个工作循环的发动机，称为四冲程发动机。曲轴旋转一圈，即活塞往复两个行程完成一个工作循环的发动机，称为二冲程发动机。

（1）四冲程汽油机的工作原理（如图1.10所示）

图1.10　四冲程汽油机的工作原理

1）进气行程

此时，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。活塞移动过程中，汽缸内容积逐渐增大，气压逐渐减小，于是可燃混合气通过进气门被吸入汽缸，直至活塞到达下止点，进气门关闭时结束。

由于进气系统存在进气阻力，进气终了时汽缸内气体的压力将低于大气压力，为0.075～0.09MPa。由于汽缸壁、活塞等高温件及上一循环留下的高温残余废气的加热，气体温度将升高到370～440K。

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，汽缸内容积逐渐减小。此时进、排气门均关闭，可燃混合气被压缩，至活塞到达上止点时压缩结束。压缩过程中，气体压力和温度同时升高，并使混合气进一步均匀混合。压缩终了时，汽缸内的压力为0.6～1.2MPa，温度为600～800K。

3）做功行程

在压缩行程末，混合气被火花塞产生电火花点燃，并迅速燃烧，气体的温度、压力迅速升高，从而推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转做功，至活塞到达下止点时结束。

做功开始时，汽缸内气体压力、温度急剧上升，瞬间压力可达3～5MPa，瞬时温度可达2200～2800K。

4）排气行程

在做功行程接近终了时，排气门打开，进气门关闭，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动。废气在自身剩余压力和在活塞推动下，被排出汽缸，至活塞到达上止点时，排气门关闭，排气结束。因排气系统存在排气阻力，排气冲程终了时，汽缸内压力略高于大气压力，为0.105～0.115MPa，温度为900～1200K。

（2）四冲程柴油机的工作原理（如图1.11所示）

图1.11　四冲程柴油机的工作原理

由于使用燃料的性质不同，四冲程柴油机的可燃混合气的形成和着火方式与汽油机有很大区别。下面主要叙述柴油机与汽油机工作循环的不同之处。

1）进气行程

柴油机进气行程中进入汽缸的不是可燃混合气，而是纯空气。

2）压缩行程

压缩行程中将进入汽缸的纯空气压缩，由于柴油的压缩比较大，为15～22，故压缩终了的温度和压力都比汽油机高，压力可达3～5MPa，温度可达800～1000K。

3）做功行程

柴油机在压缩行程终了时，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入汽缸内的高温高压空气中，被迅速汽化并与空气形成混合气。由于汽缸内的温度高于柴油的自燃温度（约500K），柴油混合气便立即自行着火燃烧，且此后一段时间内边喷油边燃烧，汽缸内压力和温度急剧升高，推动活塞下行做功。

做功行程中，瞬时压力可达5～10MPa，瞬时温度可达1800～2200K。

4）排气行程

此行程与汽油机基本相同。

由上述四冲程汽油机和柴油机的工作循环可知，两种发动机工作循环的基本内容相似。四个行程中只有做功行程产生动力，其他三个行程是为做功行程做准备工作的辅助行程，都要消耗一部分能量。发动机启动时的第一个循环，必须有外力将曲轴转动，以完成进气和压缩行程。当做功行程开始后，做功能量便通过曲轴储存在飞轮内，以维持以后的循环得以继续进行。

（3）二冲程汽油机的工作原理（如图1.12所示）

图1.12　二冲程汽油机的工作循环图

二冲程发动机工作循环也包括进气、压缩、做功和排气四个过程，但它是在活塞往复两个行程内完成的。

1）第一行程

活塞从下止点向上止点移动，当活塞上行至关闭换气孔和排气孔时，已进入汽缸的可燃混合气被压缩，活塞继续上移至上止点时，压缩结束。与此同时，活塞上行时，其下方曲轴箱内形成一定真空度。当活塞上行至进气孔开启时，新鲜的可燃混合气被吸入曲轴箱，至此，第一行程结束。

2）第二行程

活塞接近上止点时，火花塞产生电火花点燃被压缩的可燃混合气。燃烧形成的高温、高压气体推动活塞下行做功。当活塞下行到关闭进气孔后，曲轴箱内的混合气被预压缩；活塞继续下行至排气孔开启时，燃烧后废气靠自身压力经排气孔排出；紧接着，换气孔开启，曲轴箱内经预压的混合气进入汽缸，并排除汽缸内残余废气。这一过程称换气过程，它将一直延续到下一行程活塞再上行关闭换气孔和排气孔为止。活塞下行到下止点时，第二行程结束。

由上两个行程可知：第一行程时，活塞上方进行换气、压缩，活塞下方进气；第二行程时，活塞上方进行做功、换气，活塞下方预压混合气。换气过程跨越两个行程。