内燃机的构造和工作原理

内燃机是指燃料直接在发动机内部燃烧的一种热力发动机。内燃机每实现一次热功转换，要经历一系列连续过程，构成一个工作循环。内燃机由于具有热效率高、体积小、质量轻、便于移动及启动性能好等优点，广泛应用于各种车辆和农业装备等。目前，内燃机已经成为工农业发展的重要动力之一。

在农业生产中，农业装备因作业环境复杂，道路条件差，且经常处于变负荷及全负荷工作状态，所以，对其发动机有以下几点要求：

（1）有良好的动力性和经济性；

（2）噪声和振动要小，排气污染要轻；

（3）零件应有较高的耐磨性和使用可靠性；

（4）应有较高的互换性和良好的修复性能；

（5）结构简单，使用、维护、拆装简便。

下面主要阐述内燃机的总体构造、基本工作原理、主要性能指标及影响内燃机工作性能的主要因素。

（一）内燃机的分类

内燃机的结构形式很多，根据其将热能转化为机械能的主要构件的形式，可分为活塞式内燃机和燃气轮机两类。活塞式内燃机又可按活塞运动方式分为往复活塞式和旋转活塞式两种。往复活塞式内燃机在汽车、拖拉机上应用得最为广泛。活塞式内燃机根据不同的特征可以分为以下几类：

1.按所用燃料分

活塞式内燃机可分为液体燃料发动机（汽油机、柴油机等）和气体燃料发动机（天然气发动机、液化石油气发动机等）。

2.按着火方式分

活塞式内燃机可分为压燃式发动机和点燃式发动机。

同样条件下，由于柴油自燃点比汽油低，因此采用压燃式（自燃式）着火，即通过喷油泵和喷油器将柴油直接喷入发动机气缸内，在气缸内与压缩空气均匀混合后，在高压高温下自燃。

汽油自燃温度比柴油要高，因此一般采用点燃式着火，即利用火花塞发出的电火花强制点燃汽油，使其着火燃烧。

3.按工作循环的行程数分

内燃机每一次将热能转变为机械能都必须经过吸入空气、压缩和输入燃料，使混合气体着火燃烧而膨胀做功，最后排除废气的这样一系列连续过程，即完成一个工作循环。往复活塞式发动机根据每一工作循环所需活塞行程数来分，四个行程完成一个工作循环的称为四行程内燃机，两个行程完成一个工作循环的称为二行程发动机。

4.按气缸数及其排列方式分

仅有一个气缸的称为单缸内燃机，有两个及以上的称为多缸内燃机。单缸有立式、卧式，多缸有V形和对置式。

5.按冷却方式分

根据冷却方式不同，发动机可以分为水冷式和风冷式。

此外，内燃机还可按进气方式分类。不装增压器，空气靠活塞的抽吸作用进入气缸内的内燃机称为非增压式内燃机；装有增压器，并通过其提高进气压力和进气量的发动机称为增压式内燃机。

近年来，还有按气缸的气门数来给内燃机分类的方法。每个气缸设有一个进气门和一个排气门的，称为二气门内燃机；每个气缸设有两个进气门和两个排气门的，称为四气门内燃机；每个气缸设有三个进气门和两个排气门的，称为五气门内燃机。

（二）内燃机的总体构造

内燃机是由多个机构和系统组成的复杂机器。其结构形式多样，即使是同一类型的内燃机，具体构造也是多种多样。但就其总体功能而言，内燃机基本上是由以下的机构和系统组成：曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、启动系统。

1.柴油机的总体结构

柴油机通常由两大机构四大系统构成。图4-1为我国第一汽车集团公司无锡柴油机厂生产的6110B型立式6缸往复四行程压燃式水冷增压高速柴油机的纵横剖面图。

图4-1　第一汽车集团公司6110B柴油机纵横剖面图

图4-1　第一汽车集团公司6110B柴油机纵横剖面图（续）

（1）曲柄连杆机构

曲柄连杆机构主要由活塞组、连杆组、曲轴飞轮组等组成。它是柴油机运动和动力传递的核心，即通过连杆实现活塞在气缸中的往复运动与曲轴旋转运动的有机联系，将活塞的推力转变为曲轴的转矩，达到运动和动力输出的最终目的。

与曲柄连杆机构直接相关的机体、气缸套、气缸盖和油底壳等构件，是整台柴油机所有机构和系统的支承。

（2）配气机构

配气机构主要由气门组、气门传动组和气门驱动组等组成。它严格按照柴油机既定工作循环的要求，通过气门的“早开迟闭”，将干净的新鲜空气尽可能多地适时充入气缸，并及时将废气从气缸中排出。

与配气机构直接相关的还有设置在气缸盖内的进气道和排气道及与它们连接的进气歧管和排气歧管、空气滤清器、消声灭火器等构件。增压式柴油机还专门设置了利用废气带动涡轮的增压器。

（3）燃料供给系统

燃料供给系统包括低压油路和高压油路两部分。低压油路依次由燃油箱、柴油滤清器、输油泵和低压油管等组成；高压油路依次由喷油泵及调速器、高压油管和喷油器等组成。它们根据柴油机工作循环的需要和工作负荷的变化，将清洁的高压柴油适时适量地供给喷油器，喷油器又使柴油以雾状喷入燃烧室，继而与气缸内的压缩空气得以混合并燃烧。

（4）润滑系统

润滑系统一般由机油泵、机油滤清器、限压阀、润滑油道、机油冷却器和油底壳等组成。其功能是将润滑油压送到相对运动零件的摩擦表面，达到减少摩擦阻力，减轻零件磨损，清洗运动零件表面磨屑和冷却、减震、防锈等综合效果。

（5）冷却系统

冷却系统主要由水泵、节温器、散热器、循环水套、分水管和风扇及机油散热器等组成。它使受热零件的多余热量得以散发，保证柴油机工作温度不致过高或过低。

（6）启动系统

启动系统因启动方式不同而组成各异。利用电动机启动时，包括蓄电池、电启动机、传动装置和启动按钮等；利用辅助发动机启动时，包括启动发动机、传动机构和操纵机构等。为有利于启动，多数柴油机上还没有减压机构和预热装置。因此，启动系统是借助外力使静止的柴油机启动并转入自行运转。

2.汽油机的总体结构

汽油机通常由两大机构五大系统等构成。图4-2为奥迪（Audi）A4型小轿车的汽油机结构图。

图4-2　内燃机结构

其曲柄连杆机构、配气机构、润滑系统、冷却系统和启动系统的构成与柴油机类似，这里不再赘述。但是汽油机燃料供给系统与柴油机差别较大，且汽油机还设有点火系统。

（1）燃料供给系统

传统的燃料供给系统主要由汽油箱、汽油泵、滤清器、化油器、空气滤清器、进气歧管、排气歧管和消声灭火器等组成。它根据汽油机工作循环的需要和工作负荷的变化，将清洁的汽油和空气适时适量混合成浓度合适的可燃混合气并充入气缸燃烧。

现代的燃料供给系统主要由燃油供给系统、空气供给系统和电子控制系统等组成。其中，汽油供给系统包括汽油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、汽油压力调节器、喷油器、冷启动喷油器和汽油压力缓冲器等；空气供给系统包括空气滤清器、空气流量计或进气压力传感器、节气门和怠速空气阀等；电子控制系统包括电控单元、各类传感器和执行装置等。正是基于此类电子控制燃油喷射装置的应用，汽油机的动力性和经济性显著提高，并大大降低了废气中的有害排放物。此外，汽油喷射燃油供给系统还具有结构紧凑、可靠性高、耗电量少、响应性好、成本低廉等优点，它已成功地取代了化油器式燃油供给系统，并逐步得以广泛应用。

（2）点火系统

柴油机气缸内燃油燃烧前最高温度可达773k～973k（500℃～700℃），大大超过柴油的自燃温度473k～673k（200℃～400℃），所以柴油喷入气缸后，能够在很短的时间内与空气混合后自行着火燃烧。汽油机其时缸内温度为573k～673k（300℃～400℃），低于汽油的自燃温度，不能自行着火燃烧。因而，为了保证其顺利燃烧膨胀做功，燃烧室内需要设置火花塞，用电火花引燃。通常，我们称能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部装置为汽油机的点火系统。

汽油机点火系统的功用：按汽油机各缸的点火顺序和一定的提前量，及时供给火花塞足够的高压电，使两极间产生足够强烈的电火花，保证顺利点燃混合气并膨胀做功。

（三）内燃机的基本工作原理

1.内燃机基本术语

（1）止点

上止点：活塞在气缸中运动，当活塞离曲轴中心最远时，活塞顶部所处的位置。(www.xing528.com)

下止点：活塞在气缸中运动，当活塞离曲轴中心最近时，活塞顶部所处的位置。

图4-3　内燃机的结构

1—气缸盖 2—排气门 3—进气门 4—喷油器 5—气缸 6—活塞 7—活塞销 8—连杆 9—主轴承 10—曲轴 11—曲柄 12—飞轮

（2）活塞行程

活塞从一个止点运动到另一个止点所经过的距离叫作活塞行程，常用字母“S”表示，即曲轴每转半圈（180°），活塞运动一个行程。

（3）容积

①燃烧室容积：活塞位于上止点时，活塞顶部与气缸盖之间的空间容积。常用“Vo”表示。

②气缸工作容积：活塞从上止点运动到下止点时，它所扫过的空间容积。常用Vh表示，即

式中，D为气缸直径（cm），S为活塞行程（cm）。

③气缸总容积：活塞位于下止点时，活塞顶部与气缸盖之间的空间容积，常用“Va”表示，即

Va＝Vo+Vh

（4）压缩比

气缸总容积与燃烧室容积之比值，常用“ε”表示，即

压缩比表示活塞从下止点运动到上止点时，气体在气缸内被压缩的程度。不同类型的内燃机对压缩比的要求不同，柴油机较高（ε＝15～22），汽油机较低（ε＝6～10）。

（5）活塞总排量

多缸内燃机所有气缸工作容积之和，用“Vz”表示，即

Vz＝Vh·I

式中，I为气缸数。

（四）四行程内燃机工作原理

1.四行程汽油机工作原理

现代汽车发动机的构造如图4-4所示。

图4-4　汽车发动机的构造（菲亚特发动机）a

1—油底壳 2—曲轴带轮 3—曲轴 4—连杆 5—水泵带轮 6—水泵 7—活塞 8—气缸盖 9—加机油盖 10—火花塞 11—气缸体 12—飞轮

图4-4　汽车发动机的构造（菲亚特发动机）b

13—发电机 14—排气管 15—排气凸轮轴 16—气门 17—气门弹簧 18—进气凸轮轴 19—空气滤清器 20—节气门 21—分电器 22—机油滤清器 23—机油泵 24—集滤器（《汽车构造》，陈家瑞主编，2002年）

为使内燃机产生动力，必须先将燃料和空气送入气缸，经压缩后使之燃烧产生热能，燃烧后膨胀的气体推动气缸内的活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接，从而使曲轴旋转，将热能转变成机械能，最后再将燃烧后的废气排出气缸。至此，内燃机完成一个工作循环。

活塞在气缸内往复四个行程即曲轴旋转两周完成一个工作循环的内燃机，称为四行程内燃机。活塞的四个行程分别为：进气行程、压缩行程、膨胀行程（做功行程）和排气行程。通常利用示功图表示活塞在不同位置时气缸内压力的变化情况，分析工作循环中气体压力p与相应活塞不同位置的气缸容积V之间的变化关系，其中，曲线围成的面积表示单个气缸内一个工作循环中的气体所做的功。四行程汽油机的示功图如图4-5所示：

图4-5　四行程汽油机的示功图

a进气行程 b压缩行程 c做功行程（膨胀行程）d排气行程

（1）进气行程（图4-5a）化油器式汽油机将空气与燃料在气缸外的化油器中进行混合，形成可燃混合气并被吸入气缸。

进气过程中，进气门开启，排气门紧闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，气缸内的压力降低到大气压以下，从而产生真空吸力。这样，可燃混合气便经过进气管道和进气门被吸入气缸。由于进气系统中的阻力，在进气终了时，缸内气体压力略低于大气压，约为0.075MPa～0.09MPa。同时吸入的可燃混合气与气缸壁、活塞顶等高温机件接触，以及和前一循环完成后残留缸内的高温废气混合，致使可燃混合气温度高达370k～400K。曲线ra位于大气压力线以下，它与大气压力线纵坐标之差为活塞在缸内各位置时的真空度。

（2）压缩行程（图4-5b）为使吸入气缸的混合气迅速燃烧，产生较大压力，进而使内燃机发出较大功率，混合气燃烧前必须将其压缩，使其体积缩小、密度增大、温度升高。因此，在进气行程终了时要立即进入压缩行程。在此行程中，进气门、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程。

示功图曲线ac表示当活塞到达上止点时，混合气被压入活塞上方很小的燃烧室中。可燃混合气的压力pc高达0.6MPa～1.2MPa，温度可达600k～700k。气缸中气体压缩前最大容积与压缩后最小容积之比即为压缩比ε。现代汽油机压缩比有的高达9～11，例如上海大众生产的桑塔纳2000轿车发动机的压缩比为9.5∶1。

（3）做功行程（图4-5c）在此行程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近压缩行程上止点时，气缸盖上的火花塞即发出电火花，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，其压力和温度迅速增加，所能达到的最高压力Pz约3MPa～5MPa，相应温度为2200k～2800k。高温、高压燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能。

示功图曲线zb表示活塞向下移动时，气缸容积逐渐增加，其内气体压力和温度逐渐降低，在做功行程终了的b点，压力降至0.3MPa～0.5MPa，温度则降为1300k～1600k。

（4）排气行程（图4-5d）可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个工作循环。

当做功行程接近终了时，排气门开启，依靠废气的压力进行自由排气；当活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排入大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。

示功图曲线br表示排气行程中，气缸内压力约高于大气压力0.105MPa～0.115MPa。排气终了时，废气温度约为900k～1200k。

由于燃烧室具有一定的容积，排气终了时不可能将废气排尽，留下的废气称为残余废气。

压缩比越大，压缩终了时的混合气压力和温度越高，燃烧速度就越快，从而使内燃机发出的功率增大，热效率提高，更经济。压缩比过大，不仅不能改善燃烧状况，反而会引起爆燃和表面点火等不正常燃烧现象。爆燃是由于可燃混合气压力和温度过高，使燃烧室内离点燃中心较远处的可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。此时，火焰以极高的速率传播，温度和压力急剧升高，形成压力波，以致撞击燃烧室并产生尖锐的敲击声。同时，爆燃还会引起内燃机过热、功率下降、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、轴瓦破裂、活塞烧顶、火花塞绝缘体被击穿等损坏现象。表面点火是燃烧室内炽热表面如排气门头、火花塞电极、积炭点燃混合气产生的另一种不正常燃烧现象。表面点火发生时，也会伴有强烈的敲击声，产生的高压会使机件负荷增加，寿命降低。

（五）四行程柴油机工作原理

四行程柴油机是压燃式内燃机，其每一工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。和汽油机的不同之处在于柴油黏度较大，自燃温度较汽油低，致使可燃混合气的形成及点火方式与汽油机不同。

图4-6　四行程柴油机工作原理图

1—喷油器 2—排气门 3—进气门 4—气缸 5—喷油泵 6—活塞 7—连杆 8—曲轴

1.进气行程（图4-6a）此行程进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。

2.压缩行程（图4-6b）此行程气缸内只有纯空气和上一循环未排尽的废气。由于柴油机压缩比一般高达16～22，致使压缩终了时压力可达3.5MPa～4.5MPa，温度可高达750k～1000k。

3.做功行程（图4-6c）压缩行程末，喷油泵以高压柴油雾化并通过喷油器喷入气缸，在很短的时间内，雾状柴油汽化并与空气混合，在气缸内形成可燃混合气。由于此时缸内温度远高于柴油的自燃温度（约500k），致使柴油立即着火燃烧，且此后一段时间内喷油器保持喷油，气缸内压力急剧上升到6MPa～9MPa，温度上升到2000k～2500k。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转做功。做功行程终了时，气缸内压力为0.2MPa～0.4MPa，温度为1200k～1500k。

4.排气行程（图4-6d）排气终了时，气缸内压力为0.105MPa～0.125MPa，温度为800k～1000k。

由此可见，汽油机的混合气是在气缸外部的化油器中形成的，而柴油机的混合气是在气缸内部形成的。汽油机靠火花塞强制点火，而柴油机则靠自燃。

（六）四冲程内燃机的工作特点

1.内燃机每一工作循环，曲轴旋转两周，每一行程曲轴旋转半周，进气行程是进气门开启，排气行程是排气门开启，另两个行程时进、排气门均为关闭状态。

2.四个行程中，只有做功行程产生动力，其他三个行程为做功行程的辅助行程。

3.内燃机实现一个工作循环，必须靠外力使曲轴旋转并完成进气、压缩行程，待着火并完成做功行程，则依靠曲轴和飞轮贮存足够的能量使之能自行完成以后的行程。