發動機工作原理

三、發動機的工作原理
發動機是一種能量轉換機構，它將燃料燃燒產生的熱能轉變成機械能。那么，它是怎樣完成這個能量轉換過程呢？也就是說它是怎樣把熱能轉換成機械能的呢？要完成這個能轉換必須經過進氣，把可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸；然后將進入氣缸的可燃混合氣(或新鮮空氣)壓縮，壓縮接近終點時點燃可燃混合氣(或將柴油高壓噴入氣缸內形成可燃混合氣并引燃)；可燃混合氣著火燃燒，膨脹推動活塞下行實現對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進氣、壓縮、作功、排氣四個過程。把這四個過程叫做發動機的一個工作循環，工作循環不斷地重復，就實現了能量轉換，使發動機能夠連續運轉。把完成一個工作循環，曲軸轉兩圈(720°)，活塞上下往復運動四次，稱為四行程發動機。而把完成一個工作循環，曲軸轉一圈(360°)，活塞上下往復運動兩次，稱為二行程發動機。下面介紹一下四行程發動機的工作原理和工作過程。
1. 四行程汽油機的工作原理
四行程汽油機的運轉是按進氣行程、壓縮行程、作功行程和排氣行程的順序不斷循環反復的。
(1) 進氣行程
     由于曲軸的旋轉，活塞從上止點向下止點運動，這時排氣門關閉，進氣門打開。進氣過程開始時，活塞位于上止點，氣缸內殘存有上一循環未排凈的廢氣，因此，氣缸內的壓力稍高于大氣壓力。隨著活塞下移，氣缸內容積增大，壓力減小，當壓力低于大氣壓時，在氣缸內產生真空吸力，空氣經空氣濾清器并與化油器供給的汽油混合成可燃混合氣，通過進氣門被吸入氣缸，直至活塞向下運動到下止點。在進氣過程中，受空氣濾清器、化油器、進氣管道、進氣門等阻力影響，進氣終了時，氣缸內氣體壓力略低于大氣壓，約為0.075～0.09MPa，同時受到殘余廢氣和高溫機件加熱的影響，溫度達到370～400K。實際汽油機的進氣門是在活塞到達上止點之前打開，并且延遲到下止點之后關閉，以便吸入更多的可燃混合氣。
(2) 壓縮行程
曲軸繼續旋轉，活塞從下止點向上止點運動，這時進氣門和排氣門都關閉，氣缸內成為封閉容積，可燃混合氣受到壓縮，壓力和溫度不斷升高，當活塞到達上止點時壓縮行程結束。此時氣體的壓力和溫度主要隨壓縮比的大小而定，可燃混合氣壓力可達0.6～1.2MPa，溫度可達600～700K。
壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內的壓力和溫度越高，則燃燒速度越快，發動機功率也越大。但壓縮比太高，容易引起爆燃。所謂爆燃就是由于氣體壓力和溫度過高，可燃混合氣在沒有點燃的情況下自行燃燒，且火焰以高于正常燃燒數倍的速度向外傳播，造成尖銳的敲缸聲。會使發動機過熱，功率下降，汽油消耗量增加以及機件損壞。輕微爆燃是允許的，但強烈爆燃對發動機是很有害的，但。汽油機的壓縮比一般為ε＝6～10。
(3) 作功行程
作功行程包括燃燒過程和膨脹過程，在這一行程中，進氣門和排氣門仍然保持關閉。當活塞位于壓縮行程接近上止點(即點火提前角)位置時，火花塞產生電火花點燃可燃混合氣，可燃混合氣燃燒后放出大量的熱使氣缸內氣體溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達3～5MPa，最高溫度可達2200～2800K，高溫高壓氣體膨脹，推動活塞從上止點向下止點運動，通過連桿使曲軸旋轉并輸出機械功，除了用于維持發動機本身繼續運轉外，其余用于對外作功。隨著活塞向下運動，氣缸內容積增加，氣體壓力和溫度降低，當活塞運動到下止點時，作功行程結束，氣體壓力降低到0.3～0.5MPa，氣體溫度降低到1300～1600K。
(4) 排氣行程
可燃混合氣在氣缸內燃燒后生成的廢氣必須從氣缸中排出去以便進行下一個進氣行程。當作功接近終了時，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，靠廢氣的壓力先進行自由排氣，活塞到達下止點再向上止點運動時，繼續把廢氣強制排出到大氣中去，活塞越過上止點后，排氣門關閉，排氣行程結束。實際汽油機的排氣行程也是排氣門提前打開，延遲關閉，以便排出更多的廢氣。由于燃燒室容積的存在，不可能將廢氣全部排出氣缸。受排氣阻力的影響，排氣終止時，氣體壓力仍高于大氣壓力，約為0.105～0.115MPa，溫度約為900～1200K。
曲軸繼續旋轉，活塞從上止點向下止點運動，又開始了下一個新的循環過程。可見四行程汽油機經過進氣、壓縮、作功、排氣四個行程完成一個工作循環，這期間活塞在上、下止點往復運動了四個行程，相應地曲軸旋轉了兩圈。
2. 四行程柴油機的工作原理（同上）
四行程柴油機和四行程汽油機的工作過程相同，每一個工作循環同樣包括進氣、壓縮、作功和排氣四個行程，但由于柴油機使用的燃料是柴油，柴油與汽油有較大的差別，柴油粘度大，不易蒸發，自燃溫度低，故可燃混合氣的形成，著火方式，燃燒過程以及氣體溫度壓力的變化都和汽油機不同，下面主要分析一下柴油機和汽油機在工作過程中的不同點。
四行程柴油機在進氣行程中所不同的是柴油機吸入氣缸的是純空氣而不是可燃混合氣，在進氣通道中沒有化油器，進氣阻力小，進氣終了時氣體壓力略高于汽油機而氣體溫度略低于汽油機。進氣終了時氣體壓力約為0.0785～0.0932MPa，氣體溫度約為300～370K。
壓縮行程壓縮的也是純空氣，在壓縮行程接近上止點時，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，柴油和空氣在氣缸內形成可燃混合氣并著火燃燒。柴油機的壓縮比比汽油機的壓縮比大很多(一般為16～22)，壓縮終了時氣體溫度和壓力都比汽油機高，大大超過了柴油機的自燃溫度。壓縮終了時，氣體壓力約為3.5～4.5MPa，氣體溫度約為750～1000K，柴油機是壓縮后自燃著火的，不需要點火，故柴油機又稱為壓燃機。
柴油噴入氣缸后，在很短的時間內與空氣混合后便立即著火燃燒，柴油機的可燃混合氣是在氣缸內部形成的，而不象汽油機那樣，混合氣主要是在氣缸外部的化油器中形成的。柴油機燃燒過程中氣缸內出現的最高壓力要比汽油機高得多，可高達6～9MPa，最高溫度也可高達2000～2500K。作功終了時，氣體壓力約為0.2～0.4MPa，氣體溫度約為1200～1500K。
柴油機的排氣行程和汽油機一樣，廢氣同樣經排氣管排入到大氣中去，排氣終了時，氣缸內氣體壓力約為0.105～0.125MPa，氣體溫度約為800～1000K。
柴油機與汽油機比較，柴油機的壓縮比高，熱效率高，燃油消耗率低，同時柴油價格較低，因此，柴油機的燃料經濟性能好，而且柴油機的排氣污染少，排放性能較好。但它的主要缺點是轉速低，質量大，噪聲大，振動大，制造和維修費用高。在其發展過程中，柴油機不斷發揚其優點，克服缺點，提高速度，有望得到更廣泛地應用。
3. 二行程汽油機的工作原理
二行程汽油機的工作循環也是由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣過程組成，但它是在曲軸旋轉一圈(360°)，活塞上下往復運動的兩個行程內完成的。因此，二行程發動機與四行程發動機工作原理不同，結構也不一樣。
例如曲軸箱換氣式二行程汽油機，氣缸上有三排孔，利用這三排孔分別在一定時刻被活塞打開或關閉進行進氣、換氣和排氣的。

4. 二行程柴油機的工作原理
二行程柴油機和二行程汽油機工作類似，所不同的是，柴油機進入氣缸的不是可燃混合氣，而是純空氣。例如帶有掃氣泵的二行程柴油機工作過程如下
第一行程：活塞從下止點向上止點運動，行程開始前不久，進氣孔和排氣門均以開啟，利用從掃氣泵流出的空氣使氣缸換氣。當活塞繼續向上運動進氣孔被關閉，排氣門也關閉，空氣受到壓縮，當活塞接近上止點時，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，燃油和空氣混合后燃燒，使氣缸內壓力增大。
第二行程：活塞從上止點向下止點運動，開始時氣體膨脹，推動活塞向下運動，對外作功，當活塞下行到大約2/3行程時，排氣門開啟，排出廢氣，氣缸內壓力降低，進氣孔開啟，進行換氣，換氣一直延續到活塞向上運動1/3行程進氣孔關閉結束。
5. 多缸發動機的工作原理
前面介紹的是單缸發動機的工作過程，而現代汽車發動機都是多缸發動機四行程發動機，那么，多缸四行程發動機與單缸四行程發動機的工作過程有什么區別呢？就能量轉換過程，發動機的每一個氣缸和單缸機的工作過程是完全一樣的，都要經過進氣、壓縮、作功和排氣四個行程。但是單缸發動機的四個行程中只有一個行程作功，其余三個行程不作功，即曲軸轉兩圈，只有半圈作功，所以運轉平穩性較差，功率越大，平穩性就越差。為了使運轉平穩，單缸機一般都裝有一個大飛輪。而多缸發動機的作功行程是差開的，按照工作順序作功，即曲軸轉兩圈交替作功，因此，運轉平穩，振動小。缸數越多，作功間隔角越小，同時參與作功的氣缸越多，發動機運轉越平穩。多缸機使用最多的有四缸發動機，六缸發動機和八缸發動機。