1.1.3 单缸四冲程发动机的工作原理

1.单缸四冲程汽油机工作原理

四冲程汽油机在轿车上使用最多，其工作循环如图1-3所示。

图1-3 单缸四冲程汽油机工作循环图

a）进气 b）压缩 c）做功 d）排气

为了研究汽车工作循环中气体压力p和相应的活塞所在不同位置的气缸工作容积V之间的变化关系，常用发动机循环示功图来表示。如图1-4所示，示功图中曲线所围成的面积表示发动机整个工作循环中气体在单个气缸内所做的功。

（1）进气行程 如图1-3a所示，进气行程曲轴带动活塞从上止点向下止点运动，进气门开启，排气门关闭，气缸内活塞上方容积增大，进气行程压力小于外界大气压，形成一定真空度，可燃混合气经进气歧管、进气门吸入气缸。由于进气时间短且进气系统存在压力，进气终了气缸压力略低于大气压力，为0.074～0.093MPa。气体由于与气缸壁之间存在摩擦，同时在高温机件和残余废气加热下，它的温度上升到80～130℃。

在图1-4a示功图上，进气行程用曲线ra表示。曲线ra位于大气压力线下，它与大气压力线纵坐标之差即表示气缸内的真空度。

（2）压缩行程 为了使可燃混合气能迅速、完全、集中地燃烧，使发动机能发出更大的功率，燃烧前必须将可燃混合气压缩。如图1-3b所示，在进气行程终了时，活塞自下止点向上止点移动，曲轴由180°转到360°，此时，进、排气门均关闭。随着气缸的容积不断缩小，可燃混合气受到压缩，其温度和压力不断升高。压缩行程一直继续到活塞到达上止点时为止，此时，可燃混合气被压缩到活塞上方的很小空间，即燃烧室中。压缩终了时，可燃混合气的温度为327～427℃，可燃混合气压力为0.6～1.5MPa。如图1-4b所示，压缩行程用曲线ac表示。

图1-4 四冲程发动机示功图

a）进气行程 b）压缩行程 c）做功行程 d）排气行程

压缩终了时可燃混合气的压力和温度取决于压缩比，压缩比愈大，燃烧速度愈快，因而发动机发出的功率便愈大，动力性和经济性愈好。但压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧状况，反而会出现爆燃和表面点火等不正常燃烧现象。爆燃是由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远及具有高温处（如排气门头部、火花塞电极和积炭处）可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。爆燃时火焰以极高的速率向外传播，在气体来不及膨胀的情况下，由于温度和压力急剧升高，形成压力波，以较高速度向前推进。这种压力波撞击燃烧室壁时便发出尖锐的敲击声，俗称敲缸。爆燃还会引起发动机过热、功率下降、工作不稳定、转速下降、发动机有较大振动、燃油消耗量增加等一系列不良后果。严重时甚至造成气门烧毁、轴承破裂、火花塞绝缘体击穿等机件损坏现象。表面点火（或炽热点火）是由于燃烧室内炽热表面与炽热处（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）在火花塞点燃混合气之前产生的另一种不正常燃烧（也称为早燃）。表面点火发生时，也伴有强烈的敲击声（较沉闷），所产生的高压会使发动机机件负荷增加、活塞和连杆损坏及气门、火花塞、活塞等零件过热，寿命降低。

因此，在提高压缩比时，必须注意防止爆燃和表面点火的发生。此外，压缩比提高还受到排气污染法规限制。许多国家生产的汽油机，其压缩比出现了下降的趋势。

（3）做功行程 如图1-3c所示，在这个行程中进、排气门仍关闭。当活塞在压缩行程接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞在高压电作用下产生电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气燃烧后，放出大量的热能，使燃气的压力和温度急剧升高，如图1-4c曲线cz所示。最高压力p为3～5MPa，相应的温度为1927～2527℃且体积迅速膨胀。此时活塞被高压气体推动从上止点下行，带动曲轴从360°旋转到540°，并输出机械能，能量除了维持发动机本身继续运转消耗一部分外，其余部分都用于对外做功，所以该行程称为做功行程。

示功图上，曲线zb表示活塞向下移动时，气缸内容积增加，气体压力和温度都在降低。在做功行程终了的b点，压力降到0.3～0.5MPa，温度则降为1027～1327℃。

（4）排气行程 可燃混合气体燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个进气行程。如图1-3d所示，当膨胀过程接近终了时，进气门关闭，排气门开启，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动，曲轴由540°旋转到720°。废气在自身残余压力和活塞的推力作用下从气缸中排出，进入大气之中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。

如图1-4d所示，这一行程用曲线br表示。由于排气系统存在排气阻力，所以在排气终了时气缸内压力稍高于大气压力，为0.102～0.120MPa，废气温度为627～927℃。

燃烧室占有一定容积，故排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。残余废气量占总气量的比例一般用残余废气系数表示，残余废气系数是表征排气是否彻底的一个非常重要的参数。

2.单缸四冲程柴油机工作原理

四冲程柴油机的工作原理与四冲程汽油机一样，每个工作循环也要经历进气、压缩、做功、排气四个行程，如图1-5所示。由于柴油机用的燃料是柴油，其所含化学成分稳定性差、自燃性好，又因柴油粘度大且随温度的下降而增加，使柴油机可燃混合气的形成与点火方式都与汽油机不同。柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气（而汽油机的混合气一般是在气缸外面的进气管道内形成）。由于柴油机压缩比高，压缩终了的压力可达3～5MPa，温度可达530～730℃，大大超过柴油自燃温度，故立即自行着火燃烧，使气缸内压力、温度急剧升高，瞬时压力为5～10MPa，瞬时温度为1530～1930℃。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转。

图1-5 四冲程柴油机工作循环

a）进气 b）压缩 c）做功 d）排气 1—进气门 2—进气管 3—气缸 4—活塞 5—连杆 6—曲轴 7—喷油器 8—排气门 9—排气管