现代工程机械发动机的工作原理

编辑：何子严　时间：11.12.20　来源：本站原创　标签：工程机械发动机工作原理　

柴油机和汽油机，四行程发动机和二行程发动机，尽管从基本工作原理上讲，它们都是燃料在气缸内燃烧，首先将化学能转变成热能，进而将热能再转化为机械能。但是，由于燃料不同和工作过程等方面存在一些重要差别，从而导致结构上的许多差异。现着重是、阐述单缸四行程柴油机的工作过程和工作原理。为了便于比较，将对二行程柴油机和四行程、二行程汽油机的工作过程也略作介绍。

一、四行程柴油机的工作原理和工作过程

为了实现“化学能→热能→机械能”这种能量形式的转化过程，并使之连续进行，构成循环运动，人们设计了如图1-1所示的装置：在圆筒形的气缸5中有一个活塞6，连杆8的上端通过活塞销7与活塞6铰接，其下端与曲轴9的连杆轴颈铰接，从而把只能作直线往复运动的活塞与只能作旋转运动的曲轴联系起来，使这两种机械运动相互转换。气缸的上端由气缸盖1封闭。另一个由专门机构控制的喷油器4，负责定时向燃烧室喷射柴油。曲轴的一端装有飞轮10，以使曲轴均匀旋转。

为便于说明发动机的工作原理及其基本组成之间的运动关系，我们给出以下术语。

活塞离曲轴回转中心最远处，通常为活塞的最高位置，称为上止点；活塞离曲轴回转中心最近处，通常为活塞的最低位置，称为下止点。上、下止点间的距离S称为活塞行程。曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离R称为曲柄半径，显然S=2R。同时曲轴每转一周，活塞移动二个行程。活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为气缸工作容积或气缸排量，用Vh表示。

式中：

D——气缸直径，mm；

S——活塞行程，mm。

多缸发动机各缸工作容积的总和称为发动机工作容积或发动机排量，用VL表示。若发动机的气缸数为i，则

活塞在上止点时，活塞上方的容积为燃烧室容积，用Vc表示，气缸总容积Va等于气缸工作容积与燃烧室容积之和，即：

气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，用ε表示。

即

它表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比越大，则压缩终了时气缸内气体的压力和温度就越高。

四行程柴油机一个工作循环经历以下四个过程，每一过程由一个活塞行程完成，如图1-2所示。

进气行程（图1-2a），曲轴旋转通过连杆带动活塞自上止点移向下止点，在此期间进气门开启，排气门关闭。由于活塞上方空间容积不断扩大，气缸内压力降至大气压力以下，新鲜空气经进气门不断被吸入气缸。

压缩行程（图1-2b），曲轴继续旋转推动活塞自下止点移向上止点，在此期间进、排气门都关闭。由于气缸内容积不断减小，空气受压缩后温度、压力随之升高，为下一步柴油的燃烧准备了有利条件。

作功行程（图1-2C）当压缩行程接近终了（即活塞接近上止点时），喷油器以高压将燃油迅速喷入气缸。雾状燃油进入高温气体后，边混合边蒸发，迅速形成可燃混合气并自行着火燃烧，产生的大量热能使气缸内的温度和压力急剧升高。此时由于进、排气门仍都关闭着，高压气体将活塞从上止点推向下止点，并通过连杆推动曲轴旋转。随着活塞下移，气缸容积不断增大，缸内气体的压力和温度也逐渐降低，这一过程实现了化学能变热能、热能变机械能地两次能量转换。

排气行程（图1-2d）曲轴继续旋转，又将活塞自下止点推向上止点，在此期间排气门开启，进气门关闭，使燃烧后的废气经排气门排出气缸外。

至此，柴油机经历了进气、压缩、作功、排气四个过程，完成了一个工作循环。由于曲轴一端装有飞轮，依靠飞轮旋转的惯性将使曲轴继续旋转，则下一个工作循环又开始，如此周而复始，使柴油机得以连续不断地运转。

由于在每一个工作循环中活塞需上下运动四个行程（曲轴转两圈），因而得名四行程柴油机。

显然，上述四个行程中只有作功行程发出能量，其余三个行程都要消耗能量。最初（起动时）这些能量需依靠外力提供，当柴油机一旦着火工作以后，则由作功行程向其余三个行程提供能量，而这三个行程又为作功行程创造必要的条件。

柴油机实际工作循环的各个过程，可以用实验方法测得的示功图加以表示，示功图是表示某一个工作循环中，随着活塞的位移，气缸中气体压力P和气体容积V之间的变化关系。

图1-3是四行程柴油机的示功图。其横坐标表示气缸容积（与活塞位置相对应），纵坐标表示气缸中的气体压力，图中po表示大气压力（即10kpa），Vc表示燃烧室容积（活塞在上止点时活塞上方的空间容积），Vb表示工作容积（活塞上、下止点之间所包含的空间容积），Va表示气缸总容积（活塞在下止点时活塞上方的空间容积）。

图中的a-b、b-c、c-d、d-a分别为进气、压缩、作功、排气四个行程的气体压力变化曲线。

a点表示进气行程开始，此时活塞开始下移，由于上一循环排气刚完。残存废气的压力略高于大气压力，因而a点得压力略高于po。随着活塞下移，气缸内压力很快降至po以下，开始吸进新鲜空气。因空气流动时沿途有阻力，故进气终了时缸内压力略低于po。

b点表示进气行程结束，压缩行程开始，此时活塞开始上移，由于空气被不断压缩，压力和温度也不断升高。压缩终了时，气压可达3000~5000kpa，温度升至500~750°C。应当指出，压缩终了时气体的压力和温度与柴油机的压缩比有关，现代柴油机的压缩比一般为16~20，甚至更高。

C点表示压缩行程结束，作功行程开始。活塞开始往下运动。由于柴油喷入气缸后需经一段准备时间才能着火，而且喷油和燃烧都要延续一段时间，所以实际情况喷油开始和燃烧开始的时刻不在c点，而分别提前到上止点前的c′和c″。提前的结果，使燃烧恰好在c点前后形成迅速燃烧，从而出现压力几乎直线上升的c-z段。Z点得压力高达6000~9000kpa，称为最大爆发压力，温度高达1800~2000°C。当然烧基本结束（Z′点）后，随着活塞被推动继续下移，容积增大，气体压力和温度也很快下降。

d点表示作功行程结束，排气行程开始。此时活塞开始上移。直至a点，排气行程结束，由于废气排出时有阻力，所以此时气缸内废气压力仍略高于大气压力。完成一个工作循环，紧接着下一个工作循环又开始。应当指出，示功图中标有“+”号的面积（严格说应该是标有“+”号的面积减去标有“-”号的面积，即二者之差值）代表了这一工作循环内燃烧气体对活塞所作功的大小。当柴油机大负荷工作时此面积大，小负荷工作时此面积小。此外示功图还可以用来比较不同柴油机在相同的供油条件下燃烧和热损失的情况。面积大者，表示该柴油机燃烧情况较好，热量损失较少，热效率较高。

二、四行程汽油机的工作过程

汽油机与柴油机由于所用燃料的性质差异，其工作原理和工作过程有某些重要差别。图1-4和图1-5分别为汽油机工作示意图和四行程汽油机的示功图。

四行程汽油机与四行程柴油机工作过程的主要区别在于：

1.汽油机进气行程吸入气缸的不是纯空气，而是在气缸外部已初步形成的可燃混合气。方法是在进气通道上装有化油器（图1-4），当高速空气通过化油器喉管12时，由于汽油粘度小，挥发性好，汽油从喷孔13被吸出并吹散。吹散的汽油滴在气流中一边汽化一边与空气混合，成为可燃混合气进入气缸。

2.由于汽油机压缩行程所压缩的是可燃混合气而不是纯空气，所以压缩比要小得多，一般为ε=6~9，否则点火后容易自燃，使着火时刻失去控制。

3.由于同样的理由，汽油机必须采用电火花点火，由专门机构准确控制点火时刻。

4.由于汽油机的可燃混合气经过进气和压缩两个行程的准备，汽油充分汽化，油气混合均匀，比柴油机的准备过程充分得多，一旦着火，燃烧速度极快。从汽油机的示功图（图1-5）上可以看到，c′点开始点火燃烧，c点前后形成迅速燃烧期，由于燃烧速度快，c-z段的气体压力直线上升，燃烧持续时间短，因而一般汽油机的转速比柴油机高。

表1-1是四行程内燃机满负荷工作时，示功图上几个特殊点的压力和温度范围。

三、二行程汽油机工作过程

二行程发动机的工作循环也包括进气、压缩、作功和排气四个过程，但它是在活塞往复运动两个行程内完成的，图1-6为二行程汽油机工作循环示意图。

第一行程

在曲轴旋转的带动下，活塞由下止点向上止点运动，当活塞上行至关闭换气孔和排气孔时（图1-5a），已进入气缸的的新鲜混合气开始被压缩，直到活塞到达上止点，压缩结束。

第二行程

当活塞接近上止点时（图1-5c），火花塞产生电火花，点燃混合气，燃烧后形成的高温、高压气体推动活塞从上止点向下止点运动作功，当活塞下行到关闭进气孔后，活塞下方曲轴箱内的可燃混合气被预压。

当活塞下行到排气孔开启时（图1-6d），部分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，曲轴箱内经过预压的可燃混合气经换气孔进入气缸，并扫除气缸内的废气，这一过程称换气过程，它一直延续到下一行程活塞再次关闭换气孔和排气孔为止。

由上可知，第一行程活塞上方进行换气、压缩，活塞下方为进气，第二行程活塞上方进行作功、换气，活塞下方为预压缩，换气过程纵跨两个行程。

排气孔的位置应保证使作功过程约为活塞全行程的2/3，它稍高于换气孔，以便作功过程结束时靠气缸内气体的剩余压力排气。这既有利于排气干净，也可使气缸内压力降低，便于从换气孔进入新鲜混合气。

活塞顶做成特殊形状，将新鲜混合气引向上部，这样即可以防止新鲜混合气大量地混入废气，并随废气一起排出气缸造成浪费，又可驱除废气，使排气更为彻底。但是尽管如此，要完全避免可燃混合气的损失，是不可能的。

通过上述分析可知，二行程汽油机在换气时由于有混合气损失，所示经济性差，在大中型机械车辆上的运用受到了限制。但由于其结构简单、质量轻、制造费用低等优点，作为工程机械柴油主机的起动机和摩托车、微型汽车等小排量发动机被采用。

四、二行程柴油机工作过程

二行程柴油机的工作循环与二行程汽油机工作循环也有很多相似之处，所不同的主要是进入气缸的不是可燃混合气，而使纯空气。图1-7为带有换气泵的二行程柴油机工作循环示意图。新鲜空气由换气泵提高压力（约为0.12~0.14MPa）后经气缸外部的空气室和气缸壁上的进气孔进入气缸内，而废弃则经由专设的排气门排出。