任务1
发动机工作原理认知

学习目标

1．能够分析往复活塞发动机各个工作过程

2．掌握汽车发动机的工作原理

3．熟悉汽车发动机名词术语和型号编制规则

4．培养职业意识

相关知识

一、汽车发动机分类

1．发动机基本概念

发动机是将其他形式的能量转化为机械能的机器。按照转变能量的方法不同，发动机可分为热力机、电力机、水力机、风力机及原子能发动机等类型。

热力发动机通过借助工质的状态变化将燃料燃烧而得的热能转变为机械能。它包括内燃机和外燃机。燃料在发动机外部燃烧的热力发动机叫作外燃机，如活塞式蒸汽机、蒸汽轮机；燃料在发动机内部燃烧的热力发动机叫作内燃机，如活塞式内燃机、燃气轮机、喷气式发动机。

内燃机具有结构紧凑、体积小、质量轻、容易起动等特点，因而获得了广泛应用；而外燃机热效率低，体积大，笨重，现代汽车上很少应用。以下介绍汽车中应用最多的活塞式内燃机。

2．活塞式内燃机分类

（1）按活塞运动方式的不同，活塞式内燃机可分为往复活塞式和旋转活塞式两种。

（2）按使用的燃料分为汽油机、柴油机、气体燃料发动机（天然气、液化石油气和其他可燃气体）。汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。

（3）按冷却方式分为水冷发动机、风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。

（4）按活塞行程数分类，内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四冲程内燃机和二冲程内燃机。把曲轴转两圈，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四冲程内燃机；而把曲轴转一圈，完成一个工作循环的内燃机称为二冲程内燃机。汽车发动机广泛使用四冲程内燃机。

（5）按进气状态不同，活塞式内燃机还可分为增压和非增压两类。若进气是在接近大气状态下进行的，则为非增压内燃机或自然吸气式内燃机；若利用增压器将进气压力增高，进气密度增大，则为增压内燃机。

（6）按照气缸数目分类可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机，如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。

（7）按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角<180°（一般为90°）称为V型发动机，若两列之间的夹角=180°称为对置式发动机。

目前，应用最广、数量最多的汽车发动机为水冷、四冲程往复活塞式内燃机，其中汽油机用于轿车和轻型客、货车上，而大客车和中、重型货车发动机多为柴油机。少数轿车和轻型客、货车发动机也有用柴油机的。

二、往复活塞式内燃机基本结构和名词术语

1．往复活塞式内燃机基本结构

如图1-1所示为单缸汽油发动机的基本结构。内燃机的工作腔称作气缸，气缸内表面为圆柱形。在气缸内做往复运动的活塞与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴相连，构成曲柄连杆机构。活塞在气缸内做往复运动时，连杆推动曲轴旋转，并通过飞轮对外输出动力。气缸的顶端用气缸盖封闭，气缸盖上装有进气门和排气门，通过进、排气门的开闭实现向气缸内充气和向气缸外排气。进、排气门的开闭由凸轮轴驱动，凸轮轴由曲轴通过齿形带或齿轮驱动。

2．往复活塞式内燃机的基本名词术语

（1）工作循环

活塞式内燃机的工作循环是指由进气、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

如图1-2所示，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。在上、下止点处，活塞的运动速度为零。

（3）活塞行程

上、下止点间的距离 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 =2 R 。

（4）气缸工作容积

上、下止点间所包容的气缸容积称为气缸工作容积，用 V _h 表示，单位为L。

式中： D ——气缸直径，mm;

S ——活塞直径，mm。

（5）发动机排量

发动机所有气缸工作容积的总和称为内燃机排量 V _L 。

（6）燃烧室容积 V _c

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，也叫压缩容积。

（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 V _a 。

（8）压缩比

气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比 ε 。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。现代汽车发动机压缩比，汽油机为6~11，柴油机为16~23。

（9）工况

内燃机在某一时刻的运行状况简称工况，以该时刻内燃机输出的有效功率 P _e 和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机转速 n 。

以下是几种比较典型的工况：

①怠速工况：指发动机在最低空载稳定转速下运转；

②标定工况：发动机在铭牌规定的最大功率状态下运转；

③最大转矩工况：在某一转速下，发动机输出的转矩最大。

（10）负荷率

内燃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，以百分数表示。负荷率通常简称负荷。

三、内燃机编号规则

内燃机的名称和型号必须符合国家标准GB/T 725—2008的规定：

（1）内燃机名称均按所采用的燃料命名：柴油机、汽油机、煤气机等等；

（2）内燃机型号由阿拉伯数字、汉语拼音、气缸布置符号组成；

（3）型号组成如图1-3所示。

内燃机型号编制示例

柴油机：

YZ6102Q—六缸直列、四冲程、缸径102、水冷、汽车用、YZ为厂代号

12VE230ZCZ—12缸、V型、二冲程、缸径230、水冷、船用左机、增压

汽油机：

1E65F—单缸、二冲程、缸径65、风冷、通用型

BJ492QA—四缸直列、四冲程、缸径92、水冷、汽车用、BJ为厂代号、Q为车用、A为变形产品

CA488—四缸直列、四冲程、缸径88、水冷、通用型、CA为厂代号

四、发动机工作原理

1．四冲程发动机工作原理

四冲程往复活塞式内燃机在四个活塞行程内完成进气、压缩、做功和排气等四个过程，即在一个活塞行程内只进行一个过程。因此，活塞行程可分别用四个过程命名。

（1）四冲程汽油机的工作原理

①进气行程 如图1-4（a）所示，曲轴旋转，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、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0.075~0.09 MPa，同时受到残余废气和高温机件加热的影响，温度达到370~400 K。

②压缩行程 如图1-4（b）所示，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由压缩比的大小而定，可燃混合气压力可达0.6~1.2 MPa，温度可达600~700 K。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，汽油机的压缩比一般为 ε =6~11。

③做功行程 如图1-4（c）所示，做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3~5 MPa，最高温度可达2 200~2 800 K，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，其余用于对外做功。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，做功行程结束，气体压力降低到0.3~0.5 MPa，气体温度降低到1 300~1 600 K。

④排气行程 如图1-4（d）所示，当做功接近终了时，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。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0.105~0.115 MPa，温度约为900~1 200 K。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、做功、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。

（2）四冲程柴油机的工作原理

四冲程柴油机和四冲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、做功和排气四个行程，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，柴油黏度大，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。

①进气行程 如图1-5（a）所示，柴油机在进气行程中吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气，在进气通道中没有节气门，进气阻力小。进气终了时气体压力约为0.078 5~0.093 2 MPa，气体温度约为300~370 K。

②压缩行程 如图1-5（b）所示，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16~22，）压缩终了时气体温度和压力都比汽油机高，大大超过了柴油的自燃温度。压缩终了时，气体压力约为3.5~5 MPa，气体温度约为800~1 000 K，柴油机是压缩后自燃着火的（柴油的自燃温度约为600 K，）不需要点火，故柴油机又称为压燃机。

③做功行程 如图1-5（c）所示，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，且此后一段时间内边喷油边燃烧，气缸内压力和温度急剧升高，推动活塞下行做功。柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的，而不像汽油机那样，混合气主要是在气缸外部形成的。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6~10 MPa，最高温度也可高达2 000~2 500 K。做功终了时，气体压力约为0.2~0.4 MPa，气体温度约为1 200~1 500 K。

④排气行程 如图1-5（d）所示，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0.105~0.125 MPa，气体温度约为800~1 000 K。

（3）四冲程汽油机与柴油机的比较

四冲程汽油机与四冲程柴油机的共同点是：

①每个工作循环都包含进气、压缩、做功和排气等四个活塞行程，每个行程各占180°曲轴转角，即曲轴每旋转两周完成一个工作循环。

②四个活塞行程中，只有一个做功行程，其余三个是耗功行程。

两者不同之处是：

①汽油机的可燃混合气在气缸外部开始形成并延续到进气和压缩行程终了，时间较长。柴油机的可燃混合气在气缸内部形成，从压缩行程接近终了时开始，并占小部分做功行程，时间很短。

②汽油机的可燃混合气是点燃的，柴油机则是自燃，所以又称汽油机为点燃式内燃机，称柴油机为压燃式内燃机。

综上所述，柴油机与汽油机由于工作过程的差异，形成了各自的特点。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。随着技术的进步，上述缺点也逐渐得以解决。

2．二冲程发动机工作原理

（1）二冲程汽油机工作原理

二冲程汽油机在结构上与四冲程汽油机的不同之处在于没有了进、排气门，取而代之的是进气孔、排气孔和换气孔。图1-6为单缸二冲程汽油机的工作循环示意图，其工作原理如下：

①第一行程

活塞由曲轴带动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，已进入气缸的新鲜混合气被压缩，直至上止点时，压缩结束；与此同时，随着活塞上行，其下方曲轴箱内形成一定真空度，当活塞上行到进气孔开启时，新鲜混合气被吸入曲轴箱。

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，燃烧后的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气缸，并排除气缸内残余废气，这一过程称为换气过程，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时为止。

由上述工作原理可知，第一行程时，活塞上方进行换气、压缩，活塞下方进行进气；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。

（2）二冲程柴油机的工作原理

如图1-7所示：

①第一行程

活塞由下止点移至上止点。当活塞还处于下止点位置时，进气孔和排气门均已开启。扫气泵将纯净的空气增压到0.12~0.14 MPa后，经空气室和进气孔送入气缸，扫除其中的废气。废气经气缸顶部的排气门排出。当活塞上移将进气孔关闭的同时，排气门也关闭，进入气缸内的空气开始被压缩。活塞运动至上止点，压缩过程结束。

②第二行程

活塞由上止点移至下止点。当压缩过程终了时，高压柴油经喷油器喷入气缸，并自行着火燃烧。高温高压的燃烧气体推动活塞做功。当活塞下移2/3行程时，排气门开启，废气经排气门排出。活塞继续下移，进气孔开启，来自扫气泵的空气经进气孔进入气缸进行扫气。扫气过程将持续到活塞上移时将进气孔关闭为止。

（3）二冲程发动机与四冲程发动机的比较

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，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，经济性较差。

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做功能力，另外还有可燃混合气随废气排出等所致。

③当转速相同时，二冲程发动机的做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。易受磨损和经常需要修理的运动部件数量较少。

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。但由于它具备结构简单、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。 i6KOuRG0YCii7B8uLp75sAVPZuhovyKP8+nK72cHHEMYmXSRD7LdMfQ6uqG5IWir