1.2 四沖程內燃機的工作原理

1.2.1 四沖程汽油機的工作原理

四沖程汽油機的運轉是按進氣行程、壓縮行程、作功行程和排氣行程的順序不斷循環反復的。

1．進氣行程

由于曲軸的旋轉，活塞從上止點向下止點運動，這時排氣門關閉，進氣門打開。進氣過程開始時，活塞位于上止點，汽缸內殘存有上一循環未排凈的廢氣，因此，汽缸內的壓力稍高于大氣壓力。隨著活塞下移，汽缸內容積增大，壓力減小，當壓力低于大氣壓時，在汽缸內產生真空吸力，空氣經空氣濾清器并與化油器供給的汽油混合成可燃混合氣，通過進氣門被吸入汽缸，直至活塞向下運動到下止點。在進氣過程中，受空氣濾清器、化油器、進氣管道、進氣門等阻力影響，進氣終了時，汽缸內氣體壓力略低于大氣壓，約為0.075～0.09MPa，同時受到殘余廢氣和高溫機件加熱的影響，溫度達到370～400K。實際汽油機的進氣門是在活塞到達上止點之前打開，并且延遲到下止點之后關閉，以便吸入更多的可燃混合氣。示功圖如圖1-18所示。

2．壓縮行程

曲軸繼續旋轉，活塞從下止點向上止點運動，這時進氣門和排氣門都關閉，汽缸內成為封閉容積，可燃混合氣受到壓縮，壓力和溫度不斷升高，當活塞到達上止點時壓縮行程結束。此時氣體的壓力和溫度主要隨壓縮比的大小而定，可燃混合氣壓力可達0.6～1.2MPa，溫度可達600～700K。壓縮比越大，壓縮終了時汽缸內的壓力和溫度越高，則燃燒速度越快，發動機功率也越大。但壓縮比太高，容易引起爆燃，將使發動機過熱，功率下降，汽油消耗量增加以及機件損壞。輕微爆燃是允許的，但強烈爆燃對發動機是很有害的，汽油機的壓縮比一般為ε=6～10，示功圖如圖1-19所示。

3．作功行程

作功行程包括燃燒過程和膨脹過程，在這一行程中，進氣門和排氣門仍然保持關閉。當活塞位于壓縮行程接近上止點（即點火提前角）位置時，火花塞產生電火花點燃可燃混合氣，可燃混合氣燃燒后放出大量的熱使汽缸內氣體溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達3～5MPa，最高溫度可達2200～2800K，高溫高壓氣體膨脹，推動活塞從上止點向下止點運動，通過連桿使曲軸旋轉并輸出機械功，除了用于維持發動機本身繼續運轉外，其余用于對外作功。隨著活塞向下運動，汽缸內容積增加，氣體壓力和溫度降低，當活塞運動到下止點時，作功行程結束，氣體壓力降低到0.3～0.5MPa，氣體溫度降低到1300～1600K。示功圖如圖1-20所示。

4．排氣行程

可燃混合氣在汽缸內燃燒后生成的廢氣必須從汽缸中排出去以便進行下一個進氣行程。當作功接近終了時，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，靠廢氣的壓力先進行自由排氣，活塞到達下止點再向上止點運動時，繼續把廢氣強制排出到大氣中去，活塞越過上止點后，排氣門關閉，排氣行程結束。實際汽油機的排氣行程也是排氣門提前打開，延遲關閉，以便排出更多的廢氣。由于燃燒室容積的存在，不可能將廢氣全部排出汽缸。受排氣阻力的影響，排氣終止時氣體壓力仍高于大氣壓力，約為0.105～0.115MPa，溫度約為900～1200K。曲軸繼續旋轉，活塞從上止點向下止點運動，又開始了下一個新的循環過程。可見四沖程汽油機經過進氣、壓縮、作功、排氣四個行程完成一個工作循環，這期間活塞在上、下止點往復運動了四個行程，相應地曲軸旋轉了兩圈。示功圖如圖1-21所示。