第三节 发动机基本术语及工作原理
一、发动机基本术语
发动机的作用是将燃料与空气进行混合并在机体内燃烧，推动活塞往复运动再带动曲轴旋转，从而将化学能转变为热能，再把热能转变为机械能向汽车提供动力。
发动机基本术语如图1-4所示。
（1）工作循环 活塞式内燃机的工作循环是由进气、压缩、做功和排气等四个工作过程组成的封闭过程。周而复始地进行这些过程，内燃机才能持续地做功。
（2）上止点（TDC）上止点是指活塞顶距曲轴旋转中心最远的位置，即活塞的最高位置，如图1-5所示。
（3）下止点（BDC）下止点是指活塞顶距曲轴旋转中心最近的距离，即活塞的最低位置如图1-6所示。
图1-4 发动机基本术语图
（4）活塞行程S活塞行程是指上、下止点间的距离。曲轴的回转半径R称为曲柄半径（即由曲轴旋转中心到曲柄销中心的距离）。显然，曲轴每回转一周，活塞移动两个活塞行程。对于气缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机。用S表示活塞行程，单位：mm。活塞由一个止点运动到另一个止点的过程，称为一个行程（S=2R），即曲轴每转一周，活塞完成两个行程，如图1-7所示。
图1-5 上止点
图1-6 下止点
图1-7 活塞行程
（5）气缸工作容积Vs气缸工作容积是指上下止点间的气缸容积，用Vs表示，单位为L。
式中 D——气缸直径（mm）；
S——活塞行程（mm）。
（6）燃烧室容积VC活塞在气缸内往复直线运动，当活塞位于上止点时，活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室容积，用VC表示。
（7）气缸总容积Va气缸工作容积与燃烧室容积之和为气缸总容积，用Va表示。
Va=VC+Vs
（8）发动机排量VL发动机所有气缸工作容积之和，用VL表示，单位为L。对于多缸发动机：
VL=Vs×i式中 i——发动机缸数；
Vs——气缸工作容积。
发动机排量是一个非常重要的特征参数，轿车是以发动机排量大小来进行分级。微型：≤1.0；普通级：1.0～1.6；中级：1.6～2.5；中高级：2.5～4.0；高级：≥4.0。
（9）压缩比ε压缩比是指气缸总容积与燃烧室容积之比，用ε表示。
压缩比是用来衡量空气或可燃混合气被压缩的程度，它直接影响发动机的热效率。一般汽油机压缩比为7～10（有的轿车可达9～14），柴油发动机压缩比较高，为16～22。压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。
（10）工况 内燃机在某一时刻的运行状况称工况，以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机转速。
（11）行程 活塞由一个止点到另一个止点运动一次的过程。
（12）工作循环 发动机完成进气、压缩、做功、排气四个行程，称为一个工作循环。
（13）负荷率 内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率，以百分数表示。负荷率通常称为负荷。
二、四冲程发动机工作原理
1.四冲程汽油机工作原理
活塞往复四个行程完成一个循环的发动机称为四冲程发动机。每个循环由进气、压缩、做功、排气四个行程组成。
（1）进气行程 活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时排气门关闭，进气门开启。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度。空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。
因为进气系统有阻力，所以进气终了时气缸内的气体压力低于大气压力，约为0.08～0.09MPa。由于进气门、气缸壁、活塞等高温零件以及前一个循环残留在气缸内的高温废气对混合气的加热，致使进气终了时气缸内的气体温度高于大气温度，约为320～380K（K热力学温度单位，t/℃=T/K-273），如图1-8a所示。
（2）压缩行程 进气行程结束后，曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点。这时进排气门均关闭。随着活塞的移动，气缸容积不断减小，气缸内的混合气被压缩，其压力和温度同时升高，压缩终了时，气缸内气体压力为0.8～1.5MPa，温度约为600～750K，如图1-8b所示。
压缩行程有利于混合气的迅速燃烧并可提高内燃机的有效热效率。一般压缩比为ε=7～10，ε太大容易发生不正常燃烧。
（3）做功行程 压缩结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生火花，将气缸内的可燃混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴转动。这时，进排气门仍旧关闭，如图1-8c所示。
在做功行程中，燃烧气体最大压力可达3～6.5MPa，最高温度可达2200～2800K，随着活塞下止点移动，气缸容积不断增大，气体温度和压力逐渐降低。在做功结束时，压力约为0.35～0.5MPa，温度约为1200～1500K。
（4）排气行程 排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点，此时膨胀过后的燃烧气体或废气在其自身剩余压力和活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气门行程结束，排气门关闭，如图1-8d所示。
图1-8 四冲程汽油机工作原理图
a）进气行程 b）压缩行程 c）做功行程 d）排气行程
排气行程终了时，在燃烧室内的残留少量废气，称为残余废气。因为排气系统有阻力，所以残余废气的压力比大气压力略高，约为0.105～0.12MPa，温度约为900～1100K。
至此，四冲程汽油机经过进气、压缩、做功和排气四个行程完成一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复运动四个行程，曲轴旋转两周，即每一个行程有180°曲轴转角。
2.四冲程柴油机工作原理
四冲程柴油机和四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气四个行程组成。由于所使用燃料的性质不同，在可燃混合气的形成和着火方式上与汽油机有很大区别，如图1-9所示。
图1-9 柴油机工作循环原理图
（1）进气行程 进气行程不同于汽油机的是，进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。由于进气阻力比汽油机小，上一行程残留的废气温度也比汽油机低，进气行程终了的压力约为0.085～0.095MPa，温度约为320～350K。
（2）压缩行程 压缩行程不同于汽油机的是，压缩的是纯空气，由于柴油的压缩比大，压缩终了的温度和压力都比汽油机高，压力可高达3～5MPa，温度可高达800～1000K。
（3）做功行程 此行程与汽油机有很大差异，压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸内的高温高压空气中，被迅速汽化并与空气形成混合气，由于此时气缸内的空气温度远高于柴油的自燃温度（约500K左右），柴油混合气便立即自行着火燃烧，且此后一段时间内边喷油边燃烧，气缸内压力和温度急剧升高，推动活塞下行做功。做功行程中，瞬时压力可达6～10MPa，瞬时温度可达1800～2200K。做功行程终了时压力约为0.2～0.4MPa，温度约为1200～1500K。注：柴油燃点300～500℃。
（4）排气行程 此行程与汽油机基本相同。排气行程终了时的气缸压力约为0.105～0.125MPa，温度约为800～1000K。
3.大众缸内直喷发动机的工作模式
缸内直喷发动机还常有分层充气、均质稀混合气和均质混合气三种工作模式，如图1-10所示。
（1）分层充气模式
1）进气过程如图1-11所示。
图1-10 三种工作模式
在分层充气模式时，节气门打开，以减少节流损失。进气歧管翻转阀工作，封住各进气歧管的下进气道，使空气运动加速。此时气缸处于进气行程，被吸进来的空气以涡流形式通过上部的进气通道加速进入气缸活塞顶部的特殊形状加剧了气流的涡流效果，如图1-12所示。
图1-11 进气歧管翻转阀工作以封住各进气歧管的下进气道
图1-12 空气呈旋转状态进入气缸
2）喷油过程如图1-13所示。当活塞处于压缩行程，喷油开始于约上止点前60°CA（曲轴转角）时，喷油结束于约上止点前45°CA时，喷油器喷射的燃油被喷射到活塞的凹坑内。喷油时刻对混合气的形成有很大影响。在到达点火时间之前的很短时间里，以50～100bar的压力向火花塞附近喷射燃油，燃油喷射角非常小（平），燃油雾气不与活塞顶部接触。
图1-13 喷油器喷油过程
图1-14 混合气形成过程
3）混合气形成过程如图1-14所示。混合气形成只发生在40°CA～50°CA，如果曲轴转角小于这个范围则无法点燃混合气；如果曲轴角大于这个范围，则混合气就变成均质充气了，空燃比λ=1.6～3。
4）做功燃烧过程如图1-15所示。当混合气形成分层时，即火花塞处混合气较浓，远离火花塞处混合气较稀，火花塞点火，使混合好的气雾点燃做功。混合好的气雾周围的气体起到隔离作用，气缸壁热损耗小，发动机热效率提高。节气门不能完全打开，因为总要保持一定的真空（用于活性炭罐装置和废气再循环装置）。发动机产生的转矩可以通过喷油量来调节，进气量和点火角度对于转矩影响很小。
（2）均质稀混合气模式
1）进气过程。均质稀混合气模式的进气过程与分层充气模式相似，此时，节气门大开，进气歧管翻转关闭各进气歧管的下进气道，使空气加速运动，并呈旋转状进入气缸，如图1-16所示。
图1-15 燃烧做功过程
图1-16 进气过程（均质稀混合气模式）
2）喷油过程。均质稀混合气模式的喷油始点是在进气行程进行的，喷油在点火上止点前300°CA时喷入（吸气行程），且控制过量空气系数（空燃比）λ≈1.55，如图1-17所示。
3）混合气形成。均质稀混合气模式的混合气形成有足够的时间，混合均匀，形成较稀的均质混合气，如图1-18所示。
图1-17 喷油在点火上止点前300°CA时喷入（吸气行程）
图1-18 形成较稀的均质混合气
4）点燃做功过程。对于均质稀混合气模式，点火时刻有较大的范围优化控制，可自由选择，燃烧发生在整个燃烧室内，如图1-19所示。
（3）均质混合气模式
1）进气过程。在均质混合气模式，节气门的开度是由加速踏板位置传感器的信号来控制的。进气歧管翻转阀是根据发动机的负载和转速来控制的，可打开、关闭、部分关闭进气歧管的下进气道，如图1-20所示。
图1-19 均质稀混合气点燃做功
图1-20 进气过程（均质混合气模式）
2）喷油过程。均质混合气模式的喷油时刻与均质稀混合气模式相同，即在点火上止点前300°CA时喷入燃油，如图1-21所示，但此模式的过量空气系数λ=1。
3）混合气形成。均质混合气模式的混合气形成时间也较长，使混合气能充分混合，形成均质混合气，如图1-22所示。
图1-21 喷油过程
图1-22 形成均质混合气
4）点燃做功过程。对于均质混合气模式，点火时刻也有较大的范围，根据发动机的负荷、转速以及其他传感器信号来进行精确控制，如图1-23所示。
4.HOSP（Homogen Split，均质分开）工作模式
（1）TSI汽油直接喷射 发动机绝大部分工作范围λ=1，除了以下阶段：
1）起动阶段：燃油空气分层高压起动。
2）起动几秒之后：均质分开。
3）暖机阶段发动机控制双喷射。
4）冷却液温度为80℃或更高，燃油喷射与进气同步，发动机转速达到3000r/min，进气翻板打开。
图1-23 点燃做功（均质混合模式）
5）喷射时刻：进气翻板位置关闭，节气门开启且开度较大，第一次喷油在上止点前大约300°CA，第二次喷油量较少，在上止点前大约60°CA。
6）点火时刻延迟，排气门打开，废气温度快速升高。三元催化转化器很快达到正常工作温度，进气道翻板关闭：功率<29%且转速为1750～5000r/min，如图1-24所示。
（2）TSI暖机二次喷射
1）为了迅速加热三元催化转化器。在吸气过程中，距点火上止点大约300°CA时喷入部分燃油，如图1-25所示，这部分燃油由于时间较长可均匀混合。
图1-24 进气道翻板关闭关系图
图1-25 点火上止点大约300°CA时 喷油（吸气过程）
2）在压缩过程中，距点火上止点约60°CA进行第二次喷射，如图1-26所示。
3）由此在火花塞附近形成了较浓的混合气，这种情况下可较晚点火，如图1-27所示，且可以保证发动机稳定运行。
4）二次喷射方式的λ值为1，因为排气门早已打开，排气温度升高很快，所以三元催化转化器在很短时间内（30～40s）即达到其工作温度（350℃）。
图1-26 点火上止点约60°CA进行第二次喷油
图1-27 燃烧排气门打开