往復活塞式內燃機

活塞式內燃機的工作循環(huán)是由進氣、壓縮、做功和排氣等四個工作過程組成的封閉過程。周而復始地進行這些過程，內燃機才能持續(xù)地作功

活塞頂離曲軸回轉中心最遠處為上止點;活塞頂離曲軸回轉中心最近處為下止點。在上、下止點處，活塞的運動速度為零。

上、下止點間的距離 S 稱為活塞行程。曲軸的回轉半徑 R 稱為曲柄半徑。顯然，曲軸每回轉一周，活塞移動兩個活塞行程。對于氣缸中心線通過曲軸回轉中心的內燃機，其 S=2R 。

上、下止點間所包容的氣缸容積稱為氣缸工作容積。

內燃機所有氣缸工作容積的總和稱為內燃機排量。

活塞位于上止點時，活塞頂面以上氣缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室，其容積稱為燃燒室容積，也叫壓縮容積。

氣缸工作容積與燃燒室容積之和為氣缸總容積。

氣缸總容積與燃燒室容積之比稱為壓縮比 e 。 壓縮比的大小表示活塞由下止點運動到上止點時，氣缸內的氣體被壓縮的程度。壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內的氣體壓力和溫度就越高。?

內燃機在某一時刻的運行狀況簡稱工況，以該時刻內燃機輸出的有效功率和曲軸轉速表示。曲軸轉速即為內燃機轉速。

內燃機在某一轉速下發(fā)出的有效功率與相同轉速下所能發(fā)出的最大有效功率的比值稱為負荷率，以百分數(shù)表示。負荷率通常簡稱負荷。

1)曲軸每轉一周完成一個工作循環(huán)，作功一次。當曲軸轉速相同時，二沖程內燃機單位時間的作功次數(shù)是四沖程內燃機的兩倍。由于曲軸每轉一周作功一次，因此曲軸旋轉的角速度比較均勻。

2)二沖程內燃機的換氣過程時間短，僅為四沖程內燃機的1/3左右。另外，進、排氣過程幾乎同時進行，利用新氣掃除廢氣，新氣可能流失，廢氣也不易清除干凈。因此，二沖程內燃機的換氣質量較差。

3)曲軸箱換氣式二沖程內燃機因為沒有進、排氣門，而使結構大為簡化。

往復活塞式內燃機的工作腔稱作氣缸，氣缸內表面為圓柱形。在氣缸內作往復運動的活塞通過活塞銷與連桿的一端鉸接，連桿的另一端則與曲軸相連，構成曲柄連桿機構。因此，當活塞在氣缸內作往復運動時，連桿便推動曲軸旋轉，或者相反。同時，工作腔的容積也在不斷的由最小變到最大，再由最大變到最小，如此循環(huán)不已。氣缸的頂端用氣缸蓋封閉。在氣缸蓋上裝有進氣門和排氣門，進、排氣門是頭朝下尾朝上倒掛在氣缸頂端的。通過進、排氣門的開閉實現(xiàn)向氣缸內充氣和向氣缸外排氣。進、排氣門的開閉由凸輪軸控制。凸輪軸由曲軸通過齒形帶或齒輪或鏈條驅動。進、排氣門和凸輪軸以及其他一些零件共同組成配氣機構。通常稱這種結構形式的配氣機構為頂置氣門配氣機構?，F(xiàn)代汽車內燃機無一例外地都采用頂置氣門配氣機構。構成氣缸的零件稱作氣缸體，支承曲軸的零件稱作曲軸箱，氣缸體與曲軸箱的連鑄體稱作機體。 ?

往復活塞式內燃機所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油diesel)。由于汽油和柴油具有不同的性質，因而在發(fā)動機的工作原理和結構上有差異。

一. 四沖程汽油機工作原理

汽油機是將空氣與汽油以一定的比例混合成良好的混合氣，在進氣行程被吸入汽缸，混合氣經(jīng)壓縮點火燃燒而產(chǎn)生熱能，高溫高壓的氣體作用于活塞頂部，推動活塞作往復直線運動，通過連桿、曲軸飛輪機構對外輸出機械能。四沖程汽油機在進氣行程、壓縮行程、做功行程和排氣行程內完成一個工作循環(huán)。

(1) 進氣行程(intake stroke)

活塞在曲軸的帶動下由上止點移至下止點。此時進氣門開啟，排氣門關閉，曲軸轉動180°。在活塞移動過程中，汽缸容積逐漸增大，汽缸內氣體壓力從pr逐漸降低到pa，汽缸內形成一定的真空度，空氣和汽油的混合氣通過進氣門被吸入汽缸，并在汽缸內進一步混合形成可燃混合氣。由于進氣系統(tǒng)存在阻力，進氣終點(圖中a 點)汽缸內氣體壓力小于大氣壓力0 p ，即pa= (0.80~0.90) 0 p 。進入汽缸內的可燃混合氣的溫度，由于進氣管、汽缸壁、活塞頂、氣門和燃燒室壁等高溫零件的加熱以及與殘余廢氣的混合而升高到340~400K。

(2) 壓縮行程(compression stroke)

壓縮行程時，進、排氣門同時關閉?；钊麖南轮裹c向上止點運動，曲軸轉動180°?；钊弦茣r，工作容積逐漸縮小，缸內混合氣受壓縮后壓力和溫度不斷升高，到達壓縮終點時，其壓力pc可達800~2 000kPa，溫度達600~750K。在示功圖上，壓縮行程為曲線a~c。

(3) 做功行程(power stroke)

當活塞接近上止點時，由火花塞點燃可燃混合氣，混合氣燃燒釋放出大量的熱能，使汽缸內氣體的壓力和溫度迅速提高。燃燒最高壓力pZ達3 000~6 000kPa，溫度TZ達2 200~2 800K。高溫高壓的燃氣推動活塞從上止點向下止點運動，并通過曲柄連桿機構對外輸出機械能。隨著活塞下移，汽缸容積增加，氣體壓力和溫度逐漸下降，到達b 點時，其壓力降至300~500kPa，溫度降至1 200~1 500K。在做功行程，進氣門、排氣門均關閉，曲軸轉動180°。在示功圖上，做功行程為曲線c-Z-b。

(4) 排氣行程(exhaust stroke)

排氣行程時，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，活塞從下止點向上止點運動，曲軸轉動180°。排氣門開啟時，燃燒后的廢氣一方面在汽缸內外壓差作用下向缸外排出，另一方面通過活塞的排擠作用向缸外排氣。由于排氣系統(tǒng)的阻力作用，排氣終點r 點的壓力稍高于大氣壓力，即pr=(1.05~1.20)p0。排氣終點溫度Tr=900~1100K。活塞運動到上止點時，燃燒室中仍留有一定容積的廢氣無法排出，這部分廢氣叫殘余廢氣。

二. 四沖程柴油機工作原理

四沖程柴油機和汽油機一樣，每個工作循環(huán)也是由進氣行程、壓縮行程、做功行程和排氣行程組成。由于柴油機以柴油作燃料，與汽油相比，柴油自燃溫度低、黏度大不易蒸發(fā)，因而柴油機采用壓縮終點自燃著火，其工作過程及系統(tǒng)結構與汽油機有所不同.

(1) 進氣行程

進入汽缸的工質是純空氣。由于柴油機進氣系統(tǒng)阻力較小，進氣終點壓力pa= (0.85~0.95)p0，比汽油機高。進氣終點溫度Ta=300~340K，比汽油機低。

(2) 壓縮行程

由于壓縮的工質是純空氣，因此柴油機的壓縮比比汽油機高(一般為ε=16~22)。壓縮終點的壓力為3 000~5 000kPa，壓縮終點的溫度為750~1 000K，大大超過柴油的自燃溫度(約520K)。

(3) 做功行程

當壓縮行程接近終了時，在高壓油泵作用下，將柴油以10MPa左右的高壓通過噴油器噴入汽缸燃燒室中，在很短的時間內與空氣混合后立即自行發(fā)火燃燒。汽缸內氣體的壓力急速上升，最高達5 000~9 000kPa，最高溫度達1 800~2 000K。由于柴油機是靠壓縮自行著火燃燒，故稱柴油機為壓燃式發(fā)動機。

(4) 排氣行程

柴油機的排氣與汽油機基本相同，只是排氣溫度比汽油機低。一般Tr=700~900K。對于單缸發(fā)動機來說，其轉速不均勻，發(fā)動機工作不平穩(wěn)，振動大。這是因為四個行程中只有一個行程是做功的，其他三個行程是消耗動力為做功做準備的行程。為了解決這個問題，飛輪必須具有足夠大的轉動慣量，這樣又會導致整個發(fā)動機質量和尺寸增加。采用多缸發(fā)動機可以彌補上述不足?，F(xiàn)代汽車用多采用四缸、六缸和八缸發(fā)動機。

循環(huán)是在上止點開始的，即活塞處在其最上方位置。當活塞在其第一次向下運動的過程(進氣沖程)中，燃料與空氣的混合體通過一個或者多個氣門注入氣缸。進氣門關閉，緊接著的壓縮沖程壓縮這種混合氣體(壓縮沖程)。

于是混合氣體在接近壓縮沖程頂點時被火花塞點燃。燃燒空氣爆炸所產(chǎn)生的推力迫使活塞向下做第三次運動(做功沖程)。第四次也就是最后一次沖程是排氣沖程，燃燒過的氣體通過排氣門排出氣缸。

通俗地講凸輪軸就是一個帶有幾個叫做凸輪的橢圓形突出體的圓柱，通過它的運動帶動氣門的運動。凸輪軸旋轉時，凸輪推動氣門(通常是通過叫做挺桿的中間部件)使之在相應的時間打開。氣門是用彈簧頂住的，當凸輪的突起不是正對著氣門時它是關閉著的。每個循環(huán)一個氣門只打開一次，也就是，曲軸旋轉兩周凸輪軸轉一周。上面圖示是雙頂置式凸輪軸發(fā)動機。

四沖程發(fā)動機比兩沖程的效率要高很多。不過需要相當多的可移動零件以及更高的制造技術。