能力标准学完本任务，你应获得以下能力：①能正确理解发动机基本术语及四冲程汽油机基本工作原理。②能正确认识发动机总体结构。发动机基本工作原理四冲程汽油机每一个工作循环包括4个活塞行程，即进气行程、压缩行程、做功行程及排气行程，如图3.2所示。图3.2四冲程汽油机工作原理1）进气行程活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。......
2023-08-19
汽车发动机结构与工作原理
【摘要】：压缩比是指气缸总容积与燃烧室容积之比，用ε 表示：图1－11发动机排量示意压缩比用来衡量空气或混合气被压缩的程度。其影响发动机的热效率。发动机的进气、压缩、做功、排气4 个工作过程称为一个工作循环。
1.发动机的结构
发动机是一台由多种机构和系统组成的复杂机器。现代汽车发动机的结构形式很多，发动机的具体构造也多种多样，但其基本工作原理一致，从总体功能来看，其基本结构大同小异，都是由两大机构和五大系统（柴油机是两大机构和四大系统）组成，即曲柄连杆机构、配气机构和燃料供给系统、冷却系统、润滑系统、起动系统、点火系统（柴油机没有点火系统）。
1）曲柄连杆机构
曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成，如图1－1 所示。其作用是将燃料燃烧产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。
图1－1 曲柄连杆机构示意
2）配气机构
配气机构由气门组及气门传动组组成，如图1－2 所示。其作用是定时开启和关闭进、排气门，使可燃混合气或空气可以及时充入气缸并将废气从气缸中排出，实现换气过程。
3）燃料供给系统
汽油机燃料供给系统的任务是将汽油雾化和蒸发（汽化）并和空气按一定比例均匀混合成可燃混合气，再根据发动机各种不同工况的要求，向发动机气缸内供给不同质（即不同浓度）和不同量的可燃混合气，以便在临近压缩终了时点火燃烧而放出热量使燃气膨胀做功，最后将气缸内的废气排出。汽油机燃料供给系统结构示意如图1－3 所示。
柴油机燃料供给系统的作用是不断供给发动机经过滤清的清洁燃料和空气，根据柴油机不同工况的要求，将一定量的柴油以一定压力和喷油质量定时喷入燃烧室，使其与压缩空气迅速混合并燃烧，做功后将燃烧废气排出气缸。
图1－2 配气机构示意
图1－3 汽油机燃料供给系统结构示意
4）冷却系统
冷却系统有水冷却系统和风冷却系统两种。现代汽车一般都采用水冷却系统，如图1－4 所示。其作用是将受热机件的热量散到大气中去，从而保证发动机正常工作。
5）润滑系统
润滑系统如图1－5 所示，其作用是将润滑油送至各个摩擦表面，以减轻机件的磨损，并清洗、冷却摩擦表面，延长发动机的使用寿命。
6）起动系统
图1－4 水冷却系统示意
图1－5 润滑系统示意
要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀做功，推动活塞向下运动使曲轴旋转，发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置称为发动机的起动系统。
起动系统一般由起动机、电磁开关、起动开关等组成，如图1－6 所示。
图1－6 起动系统示意
7）点火系统
点火系统一般由蓄电池、点火开关、点火线圈、火花塞等组成，按控制方式不同又分为传统点火系统和电子控制点火系统两种，如图1－7 所示。其作用是在规定时刻向气缸内提供电火花以点燃气缸中的可燃混合气。
柴油发动机由于其混合气是自行着火燃烧，故没有点火系统。
图1－7 点火系统示意
（a）传统点火系统；（b）电子控制点火系统
2.发动机基本术语
（1）上止点。上止点（Top Dead Center，TDC）是指活塞在气缸内作往返运动时，活塞顶部到达距离曲轴旋转中心最远的位置，即活塞的最高位置，如图1－8 所示。
（2）下止点。下止点（Bottom Dead Center，BDC）是指活塞在气缸内作往返运动时，活塞顶部到达距离曲轴旋转中心最近的位置，即活塞的最低位置，如图1－8 所示。
（3）活塞行程。活塞行程是指上、下止点间的距离，如图1－9 所示，用S 表示，单位为mm（毫米）。活塞由一个止点运动到另一个止点的过程（一次），称为一个冲程。
图1－8 上、下止点示意
图1－9 活塞行程、曲柄半径示意
（4）曲柄半径。曲柄半径是指与连杆大头相连接的曲柄销的中心线到曲轴回转中心线的距离，如图1－9 所示，用R 表示，单位为mm（毫米）。显然，曲轴每转一周，活塞移动两个冲程，即
（5）气缸工作容积。气缸工作容积是指活塞从一个止点移动到另一个止点所经过的容积，如图1－10 所示。气缸工作容积用Vh表示，单位为L（升）。气缸工作容积的计算公式为
式中，Vh——气缸工作容积，L；
D——气缸直径，mm；
S——活塞行程，mm。
图1－10 气缸工作容积、燃烧室容积、总容积示意
（6）燃烧室容积。燃烧室容积是指活塞位于上止点时，活塞顶上方的气缸空间容积，如图1－10 所示，用Vc表示，单位为L（升）。
（7）气缸总容积。气缸总容积是指活塞位于下止点时，活塞顶上方的气缸空间容积，如图1－10 所示，用Va表示，单位为L（升）。气缸总容积的计算公式为
（8）发动机排量。发动机排量是指发动机所有气缸工作容积之和，如图1－11 所示，用VL表示，单位为L（升）。对于多缸发动机，其计算公式为
式中，i——发动机气缸数。
发动机排量是一个非常重要的特征参数，轿车就是以发动机排量的大小进行分级的——微型：VL≤1.0 L；普通级：VL＝1.0～1.6 L；中级：VL＝1.6～2.5 L；中高级：VL＝2.5～4.0 L；高级：VL＞4.0 L。
（9）压缩比。压缩比是指气缸总容积与燃烧室容积之比，用ε 表示：
图1－11 发动机排量示意
压缩比用来衡量空气或混合气被压缩的程度。其影响发动机的热效率。一般汽油发动机压缩比为8～11；柴油发动机压缩比较高，为16～22。
（10）工作循环。发动机的进气、压缩、做功、排气4 个工作过程称为一个工作循环。
3.发动机的工作原理
1）四冲程发动机的工作原理
四冲程发动机是指曲轴转两圈（720°），活塞往复运动4 次完成一个工作循环的发动机。汽油机和柴油机使用的燃料是不同的，其工作过程也存在较大差异。
四冲程汽油机的工作循环由进气、压缩、做功、排气4 个过程所组成。单缸四冲程汽油机工作循环示意如图1－12 所示。
图1－12 单缸四冲程汽油机工作循环示意
（1）进气行程。由于曲轴的旋转，活塞从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。进气行程开始时，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，经滤清的空气与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。
实际汽油机的进气门是在活塞到达上止点之前打开，并且延迟到下止点之后关闭，以便吸入更多的可燃混合气。
（2）压缩行程。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，气缸内成为封闭空间，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。
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。但压缩比太大，容易引起爆燃。
（3）做功行程。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，混合气燃烧后放出大量的热使气缸内的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。
（4）排气行程。在做功行程终了时，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活塞推动下，被排出气缸，至活塞到达上止点时，排气门关闭，排气结束。
排气行程终了时，由于燃烧室容积的存在，气缸内还存有少量废气，气体压力也因排气系统存在排气阻力而略高于大气压力。
2）二冲程发动机的工作原理
二冲程发动机是指曲轴转一圈（360°），活塞往复运动两次完成一个工作循环的发动机，其工作循环也包括进气、压缩、做功和排气4 个行程。在四冲程发动机中，常把排气行程和进气行程合称为换气过程。在二冲程发动机中换气过程是指废气从气缸内被新气扫除并取代的过程。这两种内燃机工作循环的不同之处主要在于换气过程。
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进、排气门，取而代之的是进气孔、排气孔和扫气孔。图1－13 所示为单缸二冲程汽油机工作循环示意，其工作原理如下：
图1－13 单缸二冲程汽油机工作循环示意
（1）第一行程：活塞在曲轴带动下由下止点移至上止点。
当活塞还处于下止点时，进气孔被活塞关闭，排气孔和扫气孔开启。这时曲轴箱内的可燃混合气经扫气孔进入气缸，扫除其中的废气。随着活塞向上止点运动，活塞头部首先将扫气孔关闭，扫气终止。但此时排气孔尚未关闭，仍有部分废气和可燃混合气经排气孔继续排出，其称为额外排气。当活塞将排气孔也关闭之后，气缸内的可燃混合气开始被压缩，直至活塞到达上止点，压缩过程结束。
（2）第二行程：活塞由上止点移至下止点。
在压缩过程终了时，火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃，燃烧气体膨胀做功。此时排气孔和扫气孔均被活塞关闭，唯有进气孔仍然开启。空气和汽油经进气孔继续流入曲轴箱，直至活塞裙部将进气孔关闭为止。随着活塞继续向下止点运动，曲轴箱容积不断缩小，其中的混合气被预压缩。此后，活塞头部先将排气孔开启，膨胀后的燃烧气体已成废气，经排气孔排出。至此做功过程结束，开始先期排气。随后活塞又将扫气孔开启，预压缩的可燃混合气从曲轴箱经扫气孔进入气缸，扫除其中的废气，开始扫气过程。这一行程将持续到下一个活塞行程中扫气孔被关闭时为止。
由上述工作原理可知，第一行程是在活塞上方进行换气、压缩，活塞下方进行进气；第二行程是在活塞上方进行做功、换气，活塞下方预压混合气。换气过程跨越两个行程。
二冲程发动机与四冲程发动机相比具有下列特点：
（1）由于进、排气过程几乎是完全重叠进行的，所以在换气过程中有混合气损失和废气难以排净的缺点，经济性较差。
（2）完成一个工作循环，曲轴只转一圈，当与四冲程发动机转速相等时，其做功次数比四冲程发动机多一倍。因此，运转平稳，与同排量四冲程发动机比较在理论上发出功率应是四冲程发动机的两倍，但由于换气时的混合气损失，实际上只有1.5～1.6 倍。
（3）由于没有气门机构，发动机结构较为简单。
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