四冲程发动机详解

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：往复式活塞发动机根据运行方式分为四冲程发动机和二冲程发动机。图1-4显示了四冲程发动机的工作原理。图1-4 四冲程循环发动机的工作原理④排气行程：排气门打开，活塞从下止点开始上升，气缸内的燃烧气体被排出，以此结束一个循环。曲线图中纵轴为气缸内压力p和热发生率，横图1-5 四冲程发动机的气门正时图1-6 p-θ线图和工作原理轴为曲轴角度θ。

往复式活塞发动机根据运行方式分为四冲程发动机和二冲程发动机。四冲程发动机根据使用燃料的不同可分为汽油机、柴油机、液化气（LPG）发动机和天然气（CNG）发动机等。这些发动机的结构和工作原理几乎相同。

1.结构

往复式发动机是燃料与空气的混合气在气缸内燃烧产生的高温、高压气体推动活塞，使活塞进行往复运动，此往复运动通过连杆带动曲轴旋转，以此获得动力。把活塞的往复运动转换为曲轴旋转运动的机构称为曲柄连杆机构。

汽油机的结构如图1-2所示。发动机本体的运动部分有进行往复运动的活塞、把活塞的往复运动转换为旋转运动的连杆（连接杆）和曲轴、与曲轴通过正时带连接同步以曲轴一半的速度旋转的凸轮轴和通过凸轮轴的旋转开闭的进、排气门。

柴油机有直喷式和副燃烧室式，目前大部分采用直喷式共轨柴油机。直喷式柴油机的结构与汽油机类似，发动机本体的活塞、连杆、曲轴、凸轮轴、进气门、排气门等结构和设置位置几乎相同。不同的是，在汽油机火花塞的位置处安装了喷油器，并配备有以高压供给燃料的柱塞泵（或高压泵）。另外，柴油机的燃烧室由活塞在上止点位置时活塞头部的凹陷空间构成，并且因最高压力较高，因此在总体结构上比汽油机坚固。

图1-3显示了汽油机气缸的结构。活塞在气缸内进行上下往复运动。把活塞速度为0的位置称为止点（死点），最上位置称为上止点（TDC），最下位置称为下止点（BDC），把此间的距离称为行程（S），一个行程相当于曲轴旋转180°活塞移动的距离。气缸的直径称为内径或缸孔（B）。

气缸在活塞处于上止点位置时其容积达到最小V_min，这称为燃烧室容积V_c，活塞从上止点移动到下止点时的容积称为工作容积V_h。活塞在下止点位置时达到最大容积V_max，此容积为燃烧室容积和工作容积之和。汽车的排气量V_st是工作容积V_h与气缸数Z之积。

图1-2 汽油机的结构

图1-3 汽油机气缸的结构

2.工作原理

四冲程循环表示一个循环有四个行程，即进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程。一个行程相当于曲轴旋转180°，四个行程相当于曲轴旋转720°，即曲轴转动每2周完成1个循环。图1-4显示了四冲程发动机的工作原理。

①进气行程：进气门打开，活塞从上止点开始向下止点移动，点燃式发动机（汽油、LPG发动机）是把燃料与空气的混合气吸入气缸，压燃式发动机（柴油机）是仅把空气吸入到气缸内。

②压缩行程：进排气门均关闭，活塞从下止点开始上升压缩混合气（或空气）并成为高温高压状态。在压缩行程末期，点燃式发动机是通过火花塞点燃混合气，压燃式发动机是向高温状态的空气中喷射燃料并自着火。

③做功行程：在活塞上止点附近混合气发生周期性燃烧，活塞通过燃烧气体的力量从上止点被推动到下止点，以此使曲轴旋转获得功，因此又称为动力行程。

图1-4 四冲程循环发动机的工作原理

④排气行程：排气门打开，活塞从下止点开始上升，气缸内的燃烧气体被排出，以此结束一个循环。

3.气门正时

气门正时表示进、排气门的开闭时期。气门正时的选择是以气缸内进入的空气量要尽可能多为原则，即选择高的容积效率。汽油机和柴油机的气门开闭时刻不同，下面对传统汽油机的气门开闭时刻进行说明。

①进气门打开时刻（IO）：进气门打开初期空气流通面积小。因此，为了在活塞速度大的位置（空气流速大的位置）使气门打开面积达到最大，通常在BTDC（上止点前）10°～15°CA进气门开始打开。如果打开提前量过大，气门重叠量会增大。

②进气门关闭时刻（IC）：在进气行程初期空气的流通面积小，相对于气缸容积增加量的新鲜混合气进入量小，因此发生急速压力降。但是，气门逐步开大，新鲜混合气通过气缸壁进行加热，因此气缸内的压力上升，并在进气行程末期进气动能也增加，以此压力会恢复到大气压左右。如果进气门的关闭时刻过早，压力不能恢复到大气压，因此进气门的关闭时刻为ABDC（下止点后）40°～60°CA。如果比此早关闭，会降低容积效率。最佳进气门关闭时刻会受到进气惯性的影响，以此在低速状态下提早关闭，高速状态下延迟关闭。

③排气门打开时刻（EO）：排气门的打开时刻对容积效率的影响小，因此主要考虑获得尽可能大的膨胀功，并要减少排气损失这两个方面。为了提高输出功率，在低速状态下延迟打开，在高速状态下提前打开。通常，排气门的打开时刻多为BBDC（下止点前）45°～60°CA。

④排气门关闭时刻（EC）：在排气行程中，气缸内的压力在排气门的节流作用下比排气管的压力略大。为了减少残留废气量，排气门的关闭时刻为ATDC（上止点后）5°～20°CA。如果关闭时刻过于提前，则不能充分排气，残留废气量会增多，因此容积效率会降低。与此相反，如果关闭时刻过于延迟，则废气会从排气口逆流到气缸内，结果残留废气量会增多，因此容积效率降低。

综上所述，进气行程中进气门在活塞到达上止点前打开，排气行程中排气门在活塞到达上止点以后关闭，因此在上止点附近进、排气门均处于打开状态。这称为气门重叠。如果气门重叠量过大，在低速状态下残留废气量过多，容积效率会降低。相反在高速、高负荷时获得动态效果，容积效率会增大。图1-5显示了汽油机和柴油机的气门正时。图1-5b的阴影部分表示气门重叠量。

4.指示线图

利用压力表测量气缸内的压力p，p随曲轴角度θ（或气缸容积V、时间t）的压力变化关系线图称为指示线图或示功图（p-θ线图、p-V线图、p-t线图）。图1-6显示了汽油机的p-θ线图。曲线图中纵轴为气缸内压力p和热发生率，横

图1-5 四冲程发动机的气门正时

图1-6 p-θ线图和工作原理

轴为曲轴角度θ。从图中可以看出，曲轴每旋转720°CA即每2周重复进气、压缩、膨胀做功和排气行程，图中还显示了各位置进、排气门的打开时刻和关闭时刻、点火时期、燃烧、燃烧压力、热发生率、起动机起动压力等。这里所谓的起动机起动压力是指利用起动机带动发动机旋转时气缸内的压力。

5.汽油机和柴油机的不同点

汽车以四冲程发动机为主，分为点燃式发动机和压燃式发动机。

点燃式发动机（SI）把空气与燃料（汽油、LPG）以约15：1混合的可燃混合气在气缸内以压缩比为10左右进行压缩后，利用火花塞点火并燃烧40°～60°CA时间，此时燃烧气体会达到最高压力5MPa、最高温度2600K左右。点燃式发动机采用预混合燃烧，适合于小型低输出功率，因而多使用在乘用车上，多用于汽油机。输出功率的控制以过量空气系数λ=1的状态下运行的发动机，其燃料量与空气量成比例，以通过在进气系统中设置节气门开度来控制空气量的多少，稀薄燃烧汽油机在λ>1的状态下运行，因此与柴油机一样通过燃料喷射量来控制输出功率。

压燃式发动机（CI）仅空气进入到气缸内，以压缩比15以上进行压缩，使空气达到700～800K、40个大气压以上的高温、高压空气，并在15°BTDC（喷射时刻）时通过高压喷油器喷射燃料。在40°～60°CA的喷射期间以高压进行喷射的燃料雾气的平均粒径为20～100μm左右，燃料被气化与周围空气相互扩散混合形成可燃混合气层，在高温条件下自发着火（或同时着火），在约为60°CA的燃烧期间进行周期性燃烧，这称为扩散燃烧。使用的燃料为自发着火温度较低的柴油燃料。压缩着火发动机通常使用在所需输出功率较大的客车、货车等车辆上，多采用柴油机。

柴油机始终在过量空气系数λ>1的稀薄混合气状态运行，压缩比高，初期燃烧速度较快，因此燃烧最高压力可以达到10MPa的高压。总体上，即使为稀薄混合气，燃料喷雾粒子附近形成可燃混合气可以燃烧，因此输出功率以燃料喷射量来进行控制。在λ=1的状态下运行的汽油机以进气空气量（或混合气量）控制负荷，压缩压力低，火焰速度小，最高压力也低。但是，柴油机即使负荷发生变化，初期燃料喷射量变化也不大，因此初期燃烧速度和最高压力的变化都不大。

柴油机的特征如下：

①仅空气吸入并压缩，因此可以做到大压缩比。因为没有节气门，在部分负荷状态下进气没有节流直接进入到气缸内，因此泵气损失小，热效率和燃料效率良好。汽油机的压缩比因爆燃问题受到限制，因此压缩比不能增大到一定界限以上。

②燃料多样化。在低速状态运行的中型、大型发动机使用较低级的重油也是可能的。

③因自发着火能用于大型气缸，因此适合于大型发动机。汽油机如果气缸内径过大，容易发生爆燃，因此受到限制。

④因燃烧最高压力大，振动较大，所以发动机缸体的强度要大，发动机重量增加和机械损失较大，并且不能实现高转速，起动较困难，因此使用上不太便利，成本也较高。

⑤扩散型燃烧不能完全利用燃烧室内的空气，因此与预混合燃烧的汽油机相比，比功率（或单位功率）小。

⑥因为是扩散燃烧，空气不足的部分会不完全燃烧，容易生成炭烟。炭烟会与机油混合，降低机油的品质。

柴油机因具有上述优缺点，因此主要在重视燃料经济性的中型以上客车、货车和船舶用发动机上使用，但随着降振、降噪等技术和小型高速化技术的发展，目前在乘用车上也逐步普及应用。鉴于柴油机在燃料经济性和低二氧化碳排放量等方面的优势，欧洲新车销售量的50%以上为柴油机车辆。汽油机与柴油机的差异显示见表1-3。

表1-3 汽油机与柴油机的差异