汽车发动机构造与工作循环

（一）发动机的基本组成

发动机由曲轴连杆机构、配气机构、起动系、燃料供给系、点火系（柴油机无点火系）、冷却系及润滑系组成。

（二）发动机的基本术语

在图4-27中，活塞位于气缸中，活塞可在气缸内作往复直线运动，活塞通过连杆和曲轴相连，曲轴可绕其轴线旋转。

图4-27 发动机基本术语

1—气缸 2—活塞 3—连杆 4—曲轴

1）上止点：活塞离曲轴回转中心最远处，通常指活塞上行到最高位置。

2）下止点：活塞离曲轴回转中心最近处，通常指活塞下行到最低位置。

3）活塞行程：活塞上、下两止点间的距离。

4）曲柄半径：与连杆下端（即连杆大头）相连的曲柄销中心到曲轴回转中心距离。显然，曲轴每转一转，活塞移动两个行程。

5）气缸工作容积（V_h）：活塞从上止点到下止点所让出的空间容积。

6）发动机排量：发动机所有气缸工作容积之和。

7）燃烧室容积（V_c）：活塞在上止点时，活塞上方的空间叫燃烧室，它的容积叫燃烧室容积。

8）气缸总容积（V_a）：活塞在下止点时，活塞上方的容积称为气缸总容积。它等于气缸工作容积与燃烧室容积之和。

9）压缩比：气缸总容积与燃烧室容积的比值。压缩比表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。一般车用汽油机的压缩比为6～10，柴油机的压缩比为15～22。

10）发动机的工作循环：在气缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转化为机械能的一系列连续进气、压缩、做功和排气称发动机的工作循环。

11）二冲程发动机：活塞往复两个行程完成一个工作循环的称为二冲程发动机。

12）四冲程发动机：活塞往复四个行程完成一个工作循环的称为四冲程发动机。

（三）四冲程发动机的工作过程

往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油和柴油。由于汽油和柴油的不同性质，因而在发动机的工作过程和结构上有差异。

1.四冲程汽油发动机工作过程

汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气，在进气行程被吸入气缸，混合气经压缩、点火而产生热能，高温高压的气体作用在活塞的顶部，推动活塞做往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程内完成一个工作循环。

（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。空气和汽油的混合气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。

（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。

（3）做功行程 压缩行程结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，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旋转做功。这时，进、排气门仍旧关闭。

（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（或称废气）在其自身剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭。

2.四冲程柴油发动机工作过程

四冲程柴油机的工作循环同样包括进气、压缩、做功和排气四个过程，在各个活塞行程中，进、排气门的开闭和曲柄连杆机构的运动与汽油机完全相同。只是由于柴油和汽油的使用性能不同，使柴油机和汽油机在混合气形成方法及着火方式上有着根本的差别。

（1）进气行程 在柴油机进气行程中，被吸入气缸的只是纯净的空气。

（2）压缩行程 因为柴油机的压缩比大，所以压缩行程终了时气体压力高。

（3）做功行程 在压缩行程结束时，喷油泵将柴油泵入喷油器，并通过喷油器喷入燃烧室。因为喷油压力很高，喷孔直径很小，所以喷出的柴油呈细雾状。细微的油滴在炽热的空气中迅速汽化，并借助于空气的运动，迅速与空气混合形成可燃混合气。由于气缸内的温度远高于柴油的自燃点，因此柴油随即自行着火燃烧。燃烧气体的压力、温度迅速升高，体积急剧膨胀。在气体压力的作用下，活塞推动连杆，连杆推动曲轴旋转做功。

（4）排气行程 排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，燃烧后的废气排出气缸。

（四）曲柄连杆机构

1.功用

曲柄连杆机构的功用是将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。

2.组成

曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。

（1）机体组 机体组主要包括气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖和气缸垫等不动件，如图4-28所示。

图4-28 机体组

（2）活塞连杆组 活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销和连杆等主要零件组成，如图4-29所示。

（3）曲轴飞轮组 曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮、扭转减振器、带轮、正时齿轮（或链轮）等组成，如图4-30所示。

图4-29 活塞连杆组

1—第一道气环 2—第二道气环 3—油环 4—活塞 5—活塞销 5—连杆小头 6—连杆衬套 7—连杆螺栓 8—连杆轴瓦 9—连杆盖 10—连杆螺母11—锁销 12—活塞销 13—卡环

图4-30 东风6100Q—1型发动机曲轴飞轮组分解图

1—起动爪 2—起动爪锁紧垫圈 3—扭转减振器 4—带轮 5—挡油片 6—正时齿轮 7—半圆键 8—曲轴 9—主轴承上下轴瓦 10—中间主轴瓦 11—止推片 12—螺柱 13—润滑脂嘴 14—螺母 15—齿环 16—圆柱销 17—一、六气缸活塞处于上止点时的记号（钢球）

（五）配气机构

1.功用

配气机构的功用是按照发动机各缸工作过程的需要，定时地开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）得以及时进入气缸，废气得以及时排出气缸。

2.组成

以顶置式配气机构为例，配气机构由气门组和气门传动组两部分组成，其结构如图4-31所示。

（1）气门组 由气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座及气门锁片等组成。

（2）气门传动组 由挺柱、推杆、摇臂轴及支座、摇臂、调整螺钉、凸轮轴及正时齿轮等组成。

（六）汽油机燃料供给系

1.功用

汽油机燃料供给系的作用是储存、输送、清洁燃料，根据发动机不同工况的要求，配制一定数量和浓度的可燃混合气进入气缸，并在燃烧做功后，将燃烧产生的废气排至大气中。

汽油在燃烧前必须与空气形成可燃混合气。可燃混合气是按一定比例混合的汽油与空气的混合物。可燃混合气中燃料含量的多少称为可燃混合气浓度。(www.xing528.com)

可燃混合气浓度有两种表示方法：过量空气系数α和空燃比A/F。

过量空气系数是指理论上燃烧1kg燃料实际供给的空气质量与理论上完全燃烧时所需要的空气质量之比。由此可知，α=1的可燃混合气称为标准混合气；α<1的可燃混合气称为浓混合气；α>1的可燃混合气称为稀混合气。

图4-31 顶置凸轮轴4缸发动机的配气机构

空燃比是燃烧时空气质量与燃料质量之比。理论上，1kg汽油完全燃烧需要14.7kg空气，故空燃比A/F=14.7可燃混合气称为标准混合气；A/F<14.7可燃混合气称为浓混合气；A/F>14.7可燃混合气称为稀混合气。

在发动机工作时，大量的空气和燃料顺畅地充进了气缸中，在这一过程中，燃料供给装置的作用是控制供给发动机的空气量和汽油量。现代汽车的汽油供给装置大体上可分为两大类，即化油器方式和汽油喷射方式。

2.化油器式燃料供给系的组成

化油器式燃料供给系的组成如图4-32所示，主要由以下装置组成：

图4-32 化油器式燃料供给系的组成

1—汽油表 2—空气滤清器 3—化油器 4—进气管 5—排气管 6—汽油泵 7—汽油滤清器 8—排气消声器 9—油箱 10—油管

（1）燃料供给装置 包括汽油箱、汽油滤清器、汽油泵和油管等，完成汽油的储存、输送、滤清任务。

（2）空气供给装置 即空气滤清器（某些发动机上还装有进气预热装置）。

（3）可燃混合气配制装置 即化油器。

（4）可燃混合气供给和废气排出装置 包括进气管、排气管和排气消声器。

3.汽油喷射式燃料供给系的组成

电控汽油喷射式燃料供给系统的组成将在本章第6节的汽车电控发动机燃油喷射系统中讲述。

（七）柴油机燃料供给系

1.功用

完成燃料的储存、滤清和输送工作，按柴油机各种不同工况的要求，定时、定量、定压并以一定的喷油质量喷入燃烧室，使其与空气迅速而良好地混合和燃烧，最后使废气排入大气。

1）在适当的时刻将一定数量的洁净柴油增压后以适当的规律喷入燃烧室。喷油定时和喷油量各缸相同，且与柴油机运行工况相适应。喷油压力、喷油雾化质量及其在燃烧室内的分布与燃烧室类型相适应。

2）在每一个工作循环内，各气缸均喷油一次，喷油次序与气缸工作顺序一致。

3）根据柴油机负荷的变化自动调节循环供油量，以保证柴油机稳定运转，尤其要稳定怠速，限制超速。

4）储存一定数量的柴油，保证汽车的最大续驶里程。

图4-33 直列柱塞泵柴油机燃料供给系的组成

1—柴油箱 2—粗滤器 3—输油泵 4—手油泵 5—喷油泵 6—低压油管 7—细滤器 8—放气螺钉 9—喷油器 10—回油管 11—限压阀

2.组成

柴油机燃油供给系由柴油供给装置、空气供给装置、混合气形成装置和废气排出装置四个部分组成，直列柱塞泵柴油机燃料供给系的组成如图4-33所示。

柴油供给装置主要由柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等零部件组成，其作用是完成燃料的储存、滤清和输送工作。

空气供给装置主要由空气滤清器、进气管道组成。

柴油机混合气形成的装置是燃烧室。

废气排出装置主要由排气管道、消声器组成。

（八）冷却系

1.功用

发动机工作时，由于燃料的燃烧，气缸内气体温度高达1927～2527℃，使发动机零部件温度升高，特别是直接与高温气体接触的零件，若不及时冷却，则难以保证发动机正常工作。

冷却系的功用就是保持发动机在最适宜的温度（80～90℃）范围内工作。

2.组成

目前汽车发动机均采用强制循环式水冷却系，它主要由风扇、水泵、散热器、水管、冷却液温度表和冷却液温度传感器等组成，如图4-34所示。

图4-34 桑塔纳轿车用发动机冷却系统

1—散热器 2—风扇 3—水泵 4—机体进水口（进入气缸体、气缸盖水套） 5—旁通水 6—暖气回水进水泵水管 7—机体冷却水出口与散热器进水口接管 8—散热器出水管 9—膨胀水箱

（九）润滑系

1.功用

在发动机运转时，必须向各润滑部位提供机油进行润滑。润滑系的作用就是不断地使机油循环，从而润滑发动机的各个部位，使发动机的各个零件都能发挥出最大的性能。归纳起来如下：

（1）润滑 将零件间的直接摩擦变为间接摩擦，减少零件磨损和功率损耗。

（2）密封 利用机油的粘性，提高零件的密封效果。如活塞与气缸套之间保持一层油膜，增强了活塞的密封作用。

（3）冷却 通过机油的循环，将零件摩擦时产生的热量带走。

（4）清洗 利用机油的循环，将零件相互摩擦时产生的金属屑带走。

（5）防锈 将零件表面附上一层润滑油膜，可以防止零件表面被氧化锈蚀。

（6）缓冲作用 在相对运动的零件表面形成油膜，吸收冲击减小振动。

根据发动机类型和润滑部位不同，其润滑方式也不同。

2.组成

润滑系主要由油底壳、机油泵、滤清装置、限压阀、压力表、机油尺、油道和油管等组成，如图4-35所示。

发动机工时，机油泵将机油从油底壳吸入，并压送到机油滤清器，经滤清器后的机油流入主油道，然后分别流入各曲轴轴承、凸轮轴轴承、连杆轴承等处，最后又重新回到油底壳。

由于轿车发动机转速高、功率大、凸轮轴多为顶置，机油泵一般由中间轴驱动，配气机构多采用液力挺柱，在主油道与机油泵之间多用单级全流式滤清器，以简化滤清系统。集滤器为固定淹没式，避免机油泵吸入表面泡沫，保证润滑系工作可靠。

图4-35 轿车发动机润滑系的组成及润滑油路