1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作原理

1.2.1 四沖程汽油機(jī)的工作原理

四沖程汽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是按進(jìn)氣行程、壓縮行程、做功行程和排氣行程的順序不斷循環(huán)反復(fù)的。

1.進(jìn)氣行程（圖1-9）

由于曲軸的旋轉(zhuǎn)，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)排氣門(mén)關(guān)閉，進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)。進(jìn)氣過(guò)程開(kāi)始時(shí)，活塞位于上止點(diǎn)，汽缸內(nèi)殘存有上一循環(huán)未排凈的廢氣，因此，汽缸內(nèi)的壓力稍高于大氣壓力。隨著活塞下移，汽缸內(nèi)容積增大，壓力減小，當(dāng)壓力低于大氣壓時(shí)，在汽缸內(nèi)產(chǎn)生真空吸力，空氣經(jīng)空氣濾清器與汽油混合成可燃混合氣，通過(guò)進(jìn)氣門(mén)被吸入汽缸，直至活塞向下運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)。在進(jìn)氣過(guò)程中，受空氣濾清器、進(jìn)氣管道、進(jìn)氣門(mén)等阻力影響，進(jìn)氣終了時(shí)，汽缸內(nèi)氣體壓力略低于大氣壓，約為0.075～0.09MPa，同時(shí)受到殘余廢氣和高溫機(jī)件加熱的影響，溫度達(dá)到370～400K。實(shí)際汽油機(jī)的進(jìn)氣門(mén)是在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前打開(kāi)，并且延遲到下止點(diǎn)之后關(guān)閉，以便吸入更多的可燃混合氣。

2.壓縮行程（圖1-9）

曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)都關(guān)閉，汽缸內(nèi)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(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)壓縮行程結(jié)束。此時(shí)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(dá)0.6～1.2MPa，溫度可達(dá)600～700K。壓縮比越大，壓縮終了時(shí)汽缸內(nèi)的壓力和溫度越高，則燃燒速度越快，發(fā)動(dòng)機(jī)功率也越大。但壓縮比太高，容易引起爆燃。所謂爆燃就是由于氣體壓力和溫度過(guò)高，可燃混合氣在沒(méi)有點(diǎn)燃的情況下自行燃燒，且火焰以高于正常燃燒數(shù)倍的速度向外傳播，造成尖銳的敲缸聲，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，功率下降，汽油消耗量增加以及機(jī)件損壞。輕微爆燃是允許的，但強(qiáng)烈爆燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)是很有害的，汽油機(jī)的壓縮比一般為ε=6～10。

3.做功行程（圖1-9）

做功行程包括燃燒過(guò)程和膨脹過(guò)程，在這一行程中，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)仍然保持關(guān)閉。當(dāng)活塞位于壓縮行程接近上止點(diǎn)（即點(diǎn)火提前角）位置時(shí)，火花塞產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃可燃混合氣，可燃混合氣燃燒后放出大量的熱，使汽缸內(nèi)氣體溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達(dá)3～5MPa，最高溫度可達(dá)2200～2800K，高溫高壓氣體膨脹，推動(dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機(jī)械功，除了用于維持發(fā)動(dòng)機(jī)本身繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)外，其余用于對(duì)外做功。隨著活塞向下運(yùn)動(dòng)，汽缸內(nèi)容積增加，氣體壓力和溫度降低，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，做功行程結(jié)束，氣體壓力降低到0.3～0.5MPa，氣體溫度降低到1300～1600K。

4.排氣行程（圖1-9）

可燃混合氣在汽缸內(nèi)燃燒后生成的廢氣必須從汽缸中排出去以便進(jìn)行下一個(gè)進(jìn)氣行程。當(dāng)做功接近終了時(shí)，排氣門(mén)開(kāi)啟，進(jìn)氣門(mén)仍然關(guān)閉，靠廢氣的壓力先進(jìn)行自由排氣，活塞到達(dá)下止點(diǎn)再向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，繼續(xù)把廢氣強(qiáng)制排出到大氣中去，活塞越過(guò)上止點(diǎn)后，排氣門(mén)關(guān)閉，排氣行程結(jié)束。實(shí)際汽油機(jī)的排氣行程也是排氣門(mén)提前打開(kāi)，延遲關(guān)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(shí)，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(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，又開(kāi)始了下一個(gè)新的循環(huán)過(guò)程。可見(jiàn)四沖程汽油機(jī)經(jīng)過(guò)進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)行程完成一個(gè)工作循環(huán)，這期間活塞在上、下止點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)了四個(gè)行程，相應(yīng)地曲軸旋轉(zhuǎn)了兩圈。

1.2.2 四沖程柴油機(jī)的工作原理

四沖程柴油機(jī)（圖1-10）和四沖程汽油機(jī)的工作過(guò)程相同，每一個(gè)工作循環(huán)同樣包括進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)行程，但由于柴油機(jī)使用的燃料是柴油，柴油與汽油有較大的差別，柴油黏度大，不易蒸發(fā)，自燃溫度低，故可燃混合氣的形成、著火方式、燃燒過(guò)程以及氣體溫度、壓力的變化都和汽油機(jī)不同，下面主要分析一下柴油機(jī)和汽油機(jī)在工作過(guò)程中的不同點(diǎn)。

四沖程柴油機(jī)在進(jìn)氣行程中所不同的是柴油機(jī)吸入汽缸的是純空氣而不是可燃混合氣，在進(jìn)氣通道中沒(méi)有化油器，進(jìn)氣阻力小，進(jìn)氣終了時(shí)氣體壓力略高于汽油機(jī)而氣體溫度略低于汽油機(jī)。進(jìn)氣終了時(shí)氣體壓力約為0.0785～0.0932MPa，氣體溫度約為300～370K。

1-進(jìn)氣門(mén)；2-進(jìn)氣道；3-汽缸；4-活塞；5-連桿；6-曲軸；7-汽缸蓋；8-排氣門(mén)；9-排氣道

壓縮行程壓縮的也是純空氣，在壓縮行程接近上止點(diǎn)時(shí)，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，柴油和空氣在汽缸內(nèi)形成可燃混合氣并著火燃燒。柴油機(jī)的壓縮比比汽油機(jī)的壓縮比大很多（一般為16～22），壓縮終了時(shí)氣體溫度和壓力都比汽油機(jī)高，大大超過(guò)了柴油的自燃溫度。壓縮終了時(shí)，氣體壓力約為3.5～4.5MPa，氣體溫度約為750～1000K，柴油機(jī)是壓縮后自燃著火的，不需要點(diǎn)火，故柴油機(jī)又稱(chēng)為壓燃機(jī)。

柴油噴入汽缸后，在很短的時(shí)間內(nèi)與空氣混合后便立即著火燃燒，柴油機(jī)的可燃混合氣是在汽缸內(nèi)部形成的，而不像汽油機(jī)那樣，混合氣主要是在汽缸外部形成。柴油機(jī)燃燒過(guò)程中汽缸內(nèi)出現(xiàn)的最高壓力要比汽油機(jī)高得多，可高達(dá)6～9MPa，最高溫度也可高達(dá)2000～2500K。做功終了時(shí)，氣體壓力約為0.2～0.4MPa，氣體溫度約為1200～1500K。

柴油機(jī)的排氣行程和汽油機(jī)一樣，廢氣同樣經(jīng)排氣管排入到大氣中去，排氣終了時(shí)，汽缸內(nèi)氣體壓力約為0.105～0.125MPa，氣體溫度約為800～1000K。

柴油機(jī)與汽油機(jī)比較，柴油機(jī)的壓縮比高，熱效率高，燃油消耗率低，同時(shí)柴油價(jià)格較低，因此，柴油機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性能好，而且柴油機(jī)的排氣污染少，排放性能較好。但它的主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低，質(zhì)量大，噪聲大，振動(dòng)大，制造和維修費(fèi)用高。在其發(fā)展過(guò)程中，柴油機(jī)不斷發(fā)揚(yáng)其優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，提高速度，有望得到更廣泛地應(yīng)用。

1.2.3 二沖程汽油機(jī)的工作原理

二沖程汽油機(jī)的工作循環(huán)也是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣過(guò)程組成的，但它是在曲軸旋轉(zhuǎn)一圈（360°），活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)行程內(nèi)完成的。因此，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理不同，結(jié)構(gòu)也不一樣。

例如曲軸箱換氣式二沖程汽油機(jī)，汽缸上有三排孔，利用這三排孔分別在一定時(shí)刻被活塞打開(kāi)或關(guān)閉進(jìn)行進(jìn)氣、換氣和排氣。工作原理如下：圖1-11（a）表示活塞向上運(yùn)動(dòng)，將三排孔都關(guān)閉，活塞上部開(kāi)始?jí)嚎s，當(dāng)活塞繼續(xù)上行時(shí)，活塞下方打開(kāi)了進(jìn)氣孔，可燃混合氣進(jìn)入曲軸箱（圖1-11（b）），活塞接近上止點(diǎn)時(shí)（圖1-11（c）），火花塞點(diǎn)燃混合氣，氣體燃燒膨脹，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣孔關(guān)閉，曲軸箱內(nèi)的混合氣受到壓縮，當(dāng)活塞接近下止點(diǎn)時(shí)，排氣孔打開(kāi)，排出廢氣，活塞再向下運(yùn)動(dòng)，換氣孔打開(kāi)，受到壓縮的混合氣便從曲軸箱經(jīng)進(jìn)氣孔流入汽缸內(nèi)，并掃除廢氣（圖1-11（d））。

1-進(jìn)氣孔；2-排氣孔；3-換氣孔

第一行程：活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，事先已充滿(mǎn)活塞上方汽缸內(nèi)的混合氣被壓縮，新的可燃混合氣又從化油器被吸入活塞下方的曲軸箱內(nèi)。

第二行程：活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞上方進(jìn)行做功過(guò)程和換氣過(guò)程，而活塞下方則進(jìn)行可燃混合氣的預(yù)壓縮。

1.2.4 二沖程柴油機(jī)的工作原理

二沖程柴油機(jī)和二沖程汽油機(jī)工作類(lèi)似，所不同的是，柴油機(jī)進(jìn)入汽缸的不是可燃混合氣，而是純空氣。例如帶有掃氣泵的二沖程柴油機(jī)工作過(guò)程如下（圖1-12）：

第一行程：活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，行程開(kāi)始前不久，進(jìn)氣孔和排氣門(mén)均已開(kāi)啟，利用從掃氣泵流出的空氣使汽缸換氣。當(dāng)活塞繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣孔被關(guān)閉，排氣門(mén)也關(guān)閉，空氣受到壓縮，當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，燃油和空氣混合后燃燒，使汽缸內(nèi)壓力增大。

第二行程：活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始時(shí)氣體膨脹，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)外做功，當(dāng)活塞下行到大約2/3行程時(shí)，排氣門(mén)開(kāi)啟，排出廢氣，汽缸內(nèi)壓力降低，進(jìn)氣孔開(kāi)啟，進(jìn)行換氣，換氣一直延續(xù)到活塞向上運(yùn)動(dòng)1/3行程進(jìn)氣孔關(guān)閉時(shí)結(jié)束。