发动机工作原理及气缸工作顺序简介

发动机的功能是将燃料在气缸内燃烧产生的热能转换为机械能，对外输出动力。能量转换过程是通过不断地依次反复进行“进气—压缩—做功—排气”四个连续过程来实现的，发动机气缸内进行的每一次将热能转换为机械能的过程叫一个工作循环。

在一个工作循环内，曲轴旋转两周，活塞往复四个行程，称为四冲程发动机。

1.四冲程汽油机的工作原理

汽油机是利用汽油蒸发性较好的特性，使汽油在气缸外部通过化油器与空气混合形成可燃混合气后吸入气缸，经压缩后再用电火花点燃以获得热能。

（1）进气行程 活塞由上止点向下止点移动，进气门开启，排气门关闭，活塞上方容积逐渐增大，形成一定真空度，可燃混合气通过进气门被吸入气缸。活塞到达下止点时，曲轴转过半周，进气门关闭，进气行程结束，如图3-4a所示。

图3-4 四冲程汽油机工作循环示意图

a）进气行程 b）压缩行程 c）做功行程 d）排气行程

（2）压缩行程 活塞在曲轴的带动下，由下止点向上止点运动，进、排气门均关闭，曲轴旋转第二个半周，气缸内的可燃混合气被压缩至燃烧室内，使其温度和压力均升高。当活塞到达上止点时，压缩行程结束。此时，可燃混合气的压力约为800～1400kPa，温度约为350～450℃，如图3-4b所示。

（3）做功行程 压缩行程末，火花塞产生电火花点燃混合气并迅速燃烧，使气体温度、压力急剧升高而膨胀，推动活塞由上止点向下止点运动，并经连杆带动曲轴旋转做功。活塞到达下止点，做功行程结束。做功行程初期，气体最高压力达2940～3920kPa，瞬时温度达1800～2000℃，如图3-4c所示。

（4）排气行程 进气门仍关闭，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。废气在自身压力和活塞的挤压下，被排出气缸。活塞到达上止点，排气行程结束。此时，气体压力约为105～125kPa，温度约为600～900℃，如图3-4d所示。

2.四冲程柴油机工作原理

柴油机是在吸入气缸内的空气被压缩产生高温、高压的情况下，将柴油直接喷入气缸，与经压缩后的高温、高压空气混合自燃产生热能。

四冲程柴油机的工作循环和汽油机一样，也由进气、压缩、做功和排气四个行程组成。由于燃料性质不同，可燃混合气的形成、着火方式等与汽油机有较大区别，如图3-5所示。

（1）进气行程 如图3-5a所示，与汽油机相比，进入柴油机气缸的是纯空气。活塞从上止点向下止点移动，进气门开启，排气门关闭。此时活塞上方容积增大，气缸内压力下降，经过滤后的空气通过进气道吸入气缸。活塞移动到下止点后，进气门关闭，进气冲程结束。进气终了时气缸内的气体压强约为80～95kPa，温度约为300～340℃。

（2）压缩行程 如图3-5b所示，曲轴继续旋转，活塞由下止点向上止点运动，气缸内的纯空气被压缩到燃烧室，此时进、排气门均关闭。活塞到达上止点时，压缩冲程结束。由于柴油发动机有较高的压缩比，一般为16～22，因此，在压缩过程中，柴油喷入气缸后能够迅速与空气形成可燃混合气，并能自行着火燃烧。压缩终了时，气缸内的气体压力可达3430～4410kPa。同时温度可达500～700℃，远远超过柴油的自燃温度（当环境压力为2940kPa时柴油的自燃温度约为200℃）。

（3）做功行程 如图3-5c所示，当压缩冲程接近终了，活塞到达上止点前，柴油经喷油泵把油压提高到9800kPa以上，经喷油器呈雾状喷入燃烧室，迅速与高温高压空气形成可燃混合气，立即自行着火燃烧，气缸内的气体压力和温度急骤上升，推动活塞下行做功。此时，气缸内的最高压力可达4950～9800kPa，最高温度可达1700～2000℃。

随着活塞向下运动，活塞上方容积增大，气体压力和温度也随着降低。活塞行至下止点时做功冲程结束。此时气体压力约为294～392kPa，气体温度约为800～900℃。

（4）排气行程 如图3-5d所示，在做功冲程接近终了时，排气门开启，靠燃烧后的废气压力进行自由排气。活塞由下止点向上止点运动，继续将废气强制排到大气中去，活塞到达上止点，排气门关闭，排气冲程结束。排气终了时废气压力约为102.9～122.5kPa，废气温度约为400～700℃。

图3-5 四冲程柴油机工作循环示意图

a）进气行程 b）压缩行程 c）做功行程 d）排气行程

1—曲轴 2—连杆 3—活塞 4—气缸 5—进气道 6—进气门 7—喷油器 8—排气门 9—排气道(www.xing528.com)

由以上四冲程柴油机的工作循环可得如下结论：

①四个行程中只有做功行程产生动力，是主要行程。其余三个行程均要消耗能量，是辅助行程，但同时又是不可缺少的。

②发动机每完成一个工作循环时，曲轴旋转两周（720°），每一个行程曲轴旋转半周（180°），进气行程时进气门开启，排气行程时排气门开启，其余两个行程中进、排气门均关闭。

③柴油机起动时，需要外力使曲轴旋转，以完成进气、压缩行程，当做功行程完成后，曲轴和飞轮利用储存的能量，使柴油机的工作循环继续下去。

3.汽油机与柴油机对比

汽油机与柴油机性能对比各有优缺点，见表3-2。

表3-2 汽油机与柴油机性能对比

4.多缸四冲程发动机的工作循环

多缸发动机（两个或两个以上）的各缸活塞连杆组件都连在同一根曲轴上。为了使发动机运转平稳，必须把每缸的做功冲程均匀分布在完成一个工作循环所需的曲轴转角内，通常把发动机各个气缸的做功顺序称为气缸工作顺序。

（1）四缸四冲程发动机的工作循环 四缸四冲程发动机的气缸一般排列成一直线，曲轴上四个连杆轴颈配置在一个平面内，一、四连杆轴颈在一方，二、三连杆轴颈在另一方，两个方向互成180°，如图3-6所示。

图3-6 直列式四缸四冲程发动机曲拐布置

四缸四冲程发动机在曲轴每转两圈时，各缸内部进行做功（燃烧膨胀）一次，也就是曲轴转半圈就有一个气缸做功，所以，它的工作比单缸发动机平稳得多。四缸四冲程发动机的做功间隔角为720°/4=180°；工作顺序为1-3-4-2或1-2-4-3。工作循环情况见表3-3。

表3-3 四缸四冲程发动机工作循环情况

（2）六缸四冲程发动机工作循环情况　六缸四冲程发动机的气缸多数排列成一直线。曲轴连杆轴颈多数按下述排列：面对曲轴前端，一、六连杆轴颈在上面，二、五连杆轴颈偏左面，三、四连杆轴颈偏右面，三个方向互成120°，如图3-7所示。

对于六缸四冲程发动机，当曲轴每转动两圈时，不但各缸内部进行做功一次，且产生部分重叠，所以，它运转的平稳性比四缸四冲程发动机又有所增强。六缸四冲程发动机的做功间隔角为720°/6=120°；工作顺序为1-5-3-6-2-4。工作循环情况见表3-4。

图3-7 直列式六缸四冲程发动机曲拐布置

表3-4 六缸四冲程发动机工作循环情况