浅谈发动机的组成及工作原理

　　摘要

本文简要描述了汽车发动机的发展历程，基本构造的概念和工作原理，四冲程发动机、汽油喷射系统的工作原理、润滑部位和润滑油路、冷却系统的工作原理等。发动机的工作原理是将某种能量转化为机械能的一种机器。其作用是将液体或气体燃烧的化学能转化为热能，再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力，不断循环从而带动负载的轮轴，形成了汽车的动力来源。根据所用燃料种类的不同，分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机三类。根据发功类型不同，有两冲程、四冲程发动机和转子式发动机等类型。

　关键词：汽车；发动机；气缸；机械能

1发动机的发展历程

汽车是现代生活不可缺少的交通工具，发动机是汽车的动力源。汽车发动机大多是热能动力装置，简称热力机。热力机是借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。发动机为汽车提供动力。发动机还广泛应用于交通运输机械、农业机械、工程机械和发电机组等各个方面。发动机种类繁多，其中四冲程发动机是最常见的一种。四冲程发动机属于往复活塞式内燃机，根据所用燃料种类的不同，分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机三类。以汽油或柴油为燃料的活塞式内燃机分别称作汽油机或柴油机。使用天然气、液化石油气和其他气体燃料的活塞式内燃机称作气体燃料发动机。汽油和柴油都是石油制品，是汽车发动机的传统燃料。非石油燃料称作代用燃料。燃用代用燃料的发动机称作代用燃料发动机，如乙醇发动机、氢气发动机、甲醇发动机等。往复活塞式四冲程汽油机是德国人奥托（NicolausA.0tto）在大气压力式发动机基础上，于1876年发明并投入使用的。由于采用了进气、压缩、做功和排气四个冲程，四冲程发动机的热效率从大气压力式发动机的11%提高到14%，而发动机的质量却降低了70%。

1892年德国工程师狄塞尔（RudolfDiesel)发明了压燃式发动机即柴油机，由于采用高压缩比和膨胀比，热效率比当时其他发动机又提高了1倍，实现了内燃机历史上的第二次重大突破。1926年，瑞士人布希（A.Buchi)提出了废气涡轮增压理论，利用发动机排出的废气能量来驱动压气机，给发动机增压。50年代后，废气涡轮增压技术开始在车用内燃机上逐渐得到应用，使发动机性能有很大提高，成为内燃机发展史上的第三次重大突破。1956年，德国人汪克尔（F.arkel）发明了转子式发动机，使发动机转速有较大福度的提高。1964年，德国NSU公司首次将转子式发动机安装在轿车上。1967年德国博世（Bosch)公司首次推出由电子计算机控制的汽油喷射系统（ElectronicFuelInjection,EFI)，开创了电控技术在汽车发动机上应用的历史。经过30年的发展，以电子计算机为核心的发动机管理系统（EngineManagementSystem,EMS)已逐渐成为汽车、特别是轿车发动机上的标准配置。由于电控技术的应用，发动机的污染物排放、噪声和燃油消耗大幅度地降低，改善了动力性能，成为内燃机发展史上第四次重大突破。

　2发动机的相关术语

（l）工作循环——由进气、压缩、做功和排气等四个工作步骤组成的循环的封闭的过程。

（2）上、下止点——活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点（TDC)；活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点（BDC)。活塞从一个止点运动至另一个止点的过程称为冲程。

（3）活塞行程——上、下止点间的距离S称为活塞行程。曲轴的回转半径R称为曲柄半径。显然，曲轴每回转1周，活塞移动2个活塞行程。对于汽缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机，有S=2R。

（4）汽缸工作容积——上、下止点间所形成的汽缸容积为汽缸工作容积。

（5）发动机排量——发动机所有汽缸工作容积的总和称为发动机排量。

（6）燃烧室容积——活塞位于上止点时，活塞顶面以上汽缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室，其容积称为燃烧室容积，也称压缩容积。

（7）汽缸总容积——汽缸工作容积与燃烧室容积之和称为汽缸总容积。

（8）压缩比——汽缸总容积与燃烧室容积之比就称为压缩比，压缩比的大小表示活塞由下止点运动到上止点时，汽缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大，压缩结束时汽缸内的气体压力和温度就越高。轿车用汽油机的压缩比一般为8~11。

（9）工况——内燃机在某一时刻的运行状况简称工况，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。

（10）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。负荷率常简称负荷。

　3发动机的基本工作原理

　　3.1二冲程汽油发动机

曲轴旋转一圈，活塞上下各一次，完成一个工作循环的发动机，称二冲程发动机。二冲程发动机的气缸上，设有进气孔、排气孔和换气（扫气）孔，这些孔通过活塞在气缸中上下运动时实现开与闭。

3.1.1辅助行程（吸气、压缩过程）

曲轴旋转，活塞从下止点向上止点运动，当活塞上行，把扫气孔和排气孔关闭时，使已从扫气孔进入气缸的新鲜可燃混合气被压缩；由于活塞的上行，使活塞的下方的曲轴箱容积增大，产生真空吸力，把进气口的舌簧阀吸开，燃油与空气经化油器混合的可燃混合气被吸入曲轴箱，当活塞到上止点时，这一行程结束。

　3.1.2作功行程（爆燃、排气、扫气）

当活塞上行，将要接近上止点时，火花塞产生电火花，把已被压缩的可燃混合气点燃，燃烧的气体迅速膨胀，使气缸内的压力和温度急剧升高，在高压气体的推动下，迫使活塞从上止点向下止点运动，活塞通过连杆，将高压气体的推力传给曲轴使之旋转作功，使热能转变成机械能；由于活塞的下行，使曲轴箱的容积减小，压力增高，进气口的舌簧阀被关闭，进入曲轴箱的可燃混合气被预压缩；活塞继续下行时，排气孔打开，燃烧后的废气从排气孔排出；随着排气孔打开，扫气孔被打开，曲轴箱中被预压缩的可燃混合气经扫气孔进入气缸，并将废气进一步驱逐出气缸，这一过程称换气过程。

　3.1.3行程循环

作功行程结束时，一个工作循环便完成了。从上述过程中可知，在辅助行程中，活塞上方在压缩，活塞下方在进气；在作功行程中，活塞上方在作功、排气和扫气，而活塞下方对进入曲轴箱的可燃混合气进行预压缩。只要曲轴连续旋转，工作循环便能连续不断地进行。

　3.2四冲程汽油机

四冲程汽油机工作原理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，在进气行程被吸入汽缸，混合气经乐缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞项部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、由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。

　3.2.1四冲程发动机的工作原理

四行程汽油机经过进气、压缩、作功和排气行程完成一个工作循环。

A、进气行程：活塞从上止点向下止点运动，排气门关闭，进气门打开。可燃混合气通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。

B、压缩行程：曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。

C、作功行程：进气门和排气门仍然保持关闭。

当活塞位于压缩行程接近上止点（即点火提前角）位置时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高，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功，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外作功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，作功行程结束

D、排气行程：当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关团，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。

曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。在每一个工作循环中，活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。

　3.2.2汽油喷射系统工作原理

电控汽油喷射系统是利用各种传感器检测发动机的各种状态，经电脑的判断、计算，使发动机在不同工况下，均能获得合适浓度的可燃混合气电子控制喷油系统是通过空气流量计、歧管绝对压力传感器或节气门位置传感器来检测发动机进气量，电子控制单元根据各种传感器的信号进行判断、计算、修正控制喷油器喷油的持续时间，使发动机获得该工况下运行所需的最佳可燃混合气浓度。

电控汽油喷射系统由进气系统、燃油系统、点火系统和控制系统四部分组成。进气系统为发动机可燃混合气的形成提供必需的空气。空气经空气滤清器、空气流量计、节气门体、进气总管、进气歧管进入气缸。在燃油系统中，油箱中的汽油从燃油泵泵出，流经汽油滤清器到喷油器，多余的燃油经压力调节器流回油箱。电子控制单元产生的点火定时信号送给点火器，接通、断开点火线圈的初级电路，使火花塞跳火，与此同时点火器反馈给电子控制单元一个点火确认信号。

控制系统由传感器、电子控制单元和执行器组成。其核心是电子控制单元。电子控制单元通过进气歧管绝对压力传感器或空气流量计的信号计算进气量，并根据进气量和发动机的转速获得基本喷油持续时间和基本点火提前角，然后通过冷动水温度、进气温度、节气门开启角度、电瓶电压等各种工作参数进行修正，得到发动机在这一工况下运行的最佳喷油持续时间或最佳点火提前角。根据发动机的要求，电子控制单元还可控制怠速、排气再循环和其他系统。

　3.2.3润滑部位与润滑油路

润滑系的主要部件有机油泵、机油滤清器，各种阀，机油散热器以及检视设备。机油泵的功用是提高机油压力，保证机油在润滑系统内不断循环。为了保证输送到各运动零件表面的润滑油的清洁，在润滑系中还设有机油滤清器。发动机工作时，机油泵通过吸油盘从油底壳内吸入机油，并提高机油压力，通过机油滤清器滤清后，把干净的机油以一定的压力送到主油道，然后再通过各支油道送给各运动零件表面。发动机主要润滑零件有曲柄连杆机构、配气机构和传动齿轮。

　3.2.4冷却系的大小循环

通常利用节温器来控制通过散热器冷却水的流量。节温器装在冷却水循环的通路中（一般装在气缸盖的出水口)，根据发动机负荷大小和水温的高低自动改变水的循环流动路线，以达到调节冷却系的冷却强度。

当发动机在正常热状态下工作时，即水温高于80C，节温器阀门打开了通往散热器的通道，同时关闭了通往水泵的旁通管，冷却水全部流经散热器，形成大循环；当冷却水温低于70C时，节温器阀门关闭了通往散热器的通道，同时打开了通往水泵的旁通管，水套内的水只能由旁通孔流出经旁通管进入水泵，又被水泵压入发动机水套，此时冷却水并不流经散热器，只在水套与水泵之间进行小循环，从而防止发动机过冷；当发动机的冷却水温在70~80C范围内，通往散热器的通道和通往水泵的旁通管均处于半开闭状态，此时一部分水进行大循环，而另一部分水进行小循环。

　3.3转子发动机

还有一种不为大部分人所熟知的发动机，那就是转子发动机，又叫汪克尔发动机。我们日常经常看到的为活塞往复运动形式的发动机，即活塞在汽缸内作往复的直线运动，通过曲轴把活塞的直线运动转化为曲轴的旋转，而转子发动机没有这个转化过程，它是通过活塞在汽缸内的旋转来带动发动机主轴（即普通发动机的曲轴,因为不是弯曲的故不再叫曲轴）旋转的，故两者汽车发动机工作原理有着很大的区别。

　4发动机的构造

发动机是一部由许多结构和系统组成的复杂机器，其结构型式多种多样，但由于基本工作原理相同，所以其基本结构也就大同小异。汽油机通常由曲柄连杆、配气两大机构和燃料供给、润滑、冷却、点火、起动五大系统组成。柴油机通常由两大机构和四大系统组成（无点火系)。

　4.1曲柄连杆机构

曲柄连杆机构的作用是将活塞在做功冲程中，由于燃气膨胀作功产生的直线运动转变为曲轴的旋转运动；而在其他冲程（进气、压缩、排气）中，曲柄连杆机构则执行着相反的任务，即把曲轴的旋转力传给活塞，使活塞产生直线运动。

　4.2配气机构

配气机构是由进气门、排气门、气门弹簧、挺杆、凸轮轴和正时齿轮等组成。配气机构的作用是保证活塞在一定的位置时，开启和关闭气门，使可燃混合气进入气缸内，并使废气排出气缸。

　4.3燃料供给系

燃料供给系的作用是将空气与汽油形成可燃混合气，并根据发动机负荷大小定量，均匀地将混合气分配到各气缸，并将燃烧过的废气排出气缸外。燃料供给系可分为汽油机燃料供给系和柴油机燃料供给系。汽油燃料供给系又分化油器式和燃油直接喷射式两种，通常所用的化油器式燃料供给系由燃油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进排气歧管和排气消声器等组成，其作用是向气缸内供给已配好的可燃混合气，并控制进入气缸内可燃混合气数量，以调节发动机输出的功率和转速，最后，将燃烧后废气排出气缸。

缸内直喷又称FSI(Fuel Stratified Injection)，即燃料分层喷射技术，将燃油由喷嘴直接喷入缸内。该技术可以进一步提高汽油机热效率与降低汽油机排放。这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用。FSI技术采用了两种不同的燃烧模式,即均质然烧模式和分层燃烧模式。均质燃烧模式是指在进气行程后期向燃烧室内喷入燃油，在进气行程与压缩行程中完成与空气的充分混合，并在点火时刻使缸内形成较为均匀的混合气，确保稳定点火。分层燃烧模式是指在压缩行程喷入燃油，随着压缩行程的进行，燃油与空气混合，直至点火时刻，从火花塞处至缸壁，燃油浓度由浓到稀，保证有效点火，火焰传播也正常，从而提高燃油经济性。

柴油机燃料供给系由燃油箱、输油泵、喷油泵、柴油滤清器、进排气管和排气消声器等组成，其作用是向气缸内供给纯空气并在规定时刻向缸内喷入定量柴油，以调节发动机输出功率和转速，最后，将燃烧后废气排出气缸。

　4.4冷却系

冷却系的作用是对发动机中与高温气体接触的气缸体、气缸盖、气门、活塞等机件进行冷却，以保证这些零件不因过热而损坏，从而使发动机工作可靠。

4.5润滑系

润滑系由机油泵、滤清器、油道、油底壳等组成。其作用是将润滑油分送至各个相对运动零件的摩擦面，以减小摩擦力，减缓机件磨损，并清洗、冷却摩擦表面。

　4.6点火系

点火系由电源（蓄电池和发电机）、点火线圈、分电器和火花塞等组成，其作用是按规定时刻及时点燃气缸内被压缩的可燃混合气。

　4.7起动系

由起动机和起动继电器等组成，用以使静止的发动机起动并转入自行运转状态。

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