>> 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600~1500kPa,温度约为600K~800K,远高于汽油的点燃温度 (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3MPa~5MPa,瞬时温度可达2200K~2800K。随着活塞的下移,压力、温度下降,作功行程终了时,压力约为300kPa~500kPa,温度约为1500K~1700K

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105kPa~125kPa,温度约为900K~1200K
    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3MPa~5MPa,温度可达800K~1000K
    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313K~359K
    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473K~573K,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(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5MPa~10MPa,瞬时温度可达1800K~2200K;作功终了,压力约为200kPa~400kPa,温度约为1200K~1500K

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:

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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(120kPa~140kPa),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

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 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、压缩比和转速相等时,从理论上讲,二冲程发动机的功率应为四冲程发动机功率的两倍,但实际上,只有1.5~1.6倍,这是由于二冲程发动机难以将废气排净,以及为了安排换气过程而较多地损失了高压气体的作功能力,另外还有可燃混合气随废气排出等所致。
    3.
当转速相同时,二冲程发动机的作功次数较四冲程发动机多一倍。因此,二冲程发动机运转较平稳,这对单缸发动机来说更为明显。
    4.
由于没有气门或只有排气门,也就省去了配气机构或使配气机构较为简单,简化了发动机的结构。
    由于二冲程汽油机有混合气损失,故经济性差,在大中型汽车上的应用受到了限制。但由于它结构简单、重量轻、制造成本低等优点,轻便摩托车和微型汽车的小排量发动机广泛采用。二冲程柴油机由于换气时进入气缸的是纯空气,没有燃料损失,为某些汽车所采用。

五、多缸发动机的工作

从上述各单缸发动机工作原理可知,只有作功行程产生动力,其它三个行程都要消耗动力。为了维持运动,单缸发动机必须有一个贮备能量较大的飞轮。即使如此,发动机运转仍然是不平稳的,作功行程快,其它行程慢。
    汽车上实际应用的是多缸发动机,它是由若干个相同的单缸排列在一个机体上共用一根曲轴输出动力所组成。现代汽车上用的较多是四缸、六缸、八缸发动机。
    多缸发动机是在曲轴转角720°(四冲程发动机)或曲轴转角360°(二冲程发动机),各缸都要象单缸发动机一样完成一个工作循环。为了使发动机运转平稳,各缸作功间隔角大都均等。如四冲程六缸发动机各缸作功间隔角为
                             Ψ=720°/6=120°
即曲轴每转1200就有一个缸作功,各缸作功行程略有搭接,这样发动机运转较单缸发动机平稳得多。另外,由于各缸的作功行程为其它缸的准备行程提供动力,所以贮存能量的飞轮也较单缸发动机小得多。四缸发动机从理论上讲作功冲程就已连续,而六、八缸发动机都有作功重叠,且缸数越多、重叠得就越大,发动机运转得就越平稳。  

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    图1—8
  V型发动机总体构造