1.1.3 單缸四沖程發動機的工作原理

1.單缸四沖程汽油機工作原理

四沖程汽油機在轎車上使用最多，其工作循環如圖1-3所示。

圖1-3 單缸四沖程汽油機工作循環圖

a）進氣 b）壓縮 c）做功 d）排氣

為了研究汽車工作循環中氣體壓力p和相應的活塞所在不同位置的氣缸工作容積V之間的變化關系，常用發動機循環示功圖來表示。如圖1-4所示，示功圖中曲線所圍成的面積表示發動機整個工作循環中氣體在單個氣缸內所做的功。

（1）進氣行程 如圖1-3a所示，進氣行程曲軸帶動活塞從上止點向下止點運動，進氣門開啟，排氣門關閉，氣缸內活塞上方容積增大，進氣行程壓力小于外界大氣壓，形成一定真空度，可燃混合氣經進氣歧管、進氣門吸入氣缸。由于進氣時間短且進氣系統存在壓力，進氣終了氣缸壓力略低于大氣壓力，為0.074～0.093MPa。氣體由于與氣缸壁之間存在摩擦，同時在高溫機件和殘余廢氣加熱下，它的溫度上升到80～130℃。

在圖1-4a示功圖上，進氣行程用曲線ra表示。曲線ra位于大氣壓力線下，它與大氣壓力線縱坐標之差即表示氣缸內的真空度。

（2）壓縮行程 為了使可燃混合氣能迅速、完全、集中地燃燒，使發動機能發出更大的功率，燃燒前必須將可燃混合氣壓縮。如圖1-3b所示，在進氣行程終了時，活塞自下止點向上止點移動，曲軸由180°轉到360°，此時，進、排氣門均關閉。隨著氣缸的容積不斷縮小，可燃混合氣受到壓縮，其溫度和壓力不斷升高。壓縮行程一直繼續到活塞到達上止點時為止，此時，可燃混合氣被壓縮到活塞上方的很小空間，即燃燒室中。壓縮終了時，可燃混合氣的溫度為327～427℃，可燃混合氣壓力為0.6～1.5MPa。如圖1-4b所示，壓縮行程用曲線ac表示。

圖1-4 四沖程發動機示功圖

a）進氣行程 b）壓縮行程 c）做功行程 d）排氣行程

壓縮終了時可燃混合氣的壓力和溫度取決于壓縮比，壓縮比愈大，燃燒速度愈快，因而發動機發出的功率便愈大，動力性和經濟性愈好。但壓縮比過大時，不僅不能進一步改善燃燒狀況，反而會出現爆燃和表面點火等不正常燃燒現象。爆燃是由于氣體壓力和溫度過高，在燃燒室內離點燃中心較遠及具有高溫處（如排氣門頭部、火花塞電極和積炭處）可燃混合氣自燃而造成的一種不正常燃燒。爆燃時火焰以極高的速率向外傳播，在氣體來不及膨脹的情況下，由于溫度和壓力急劇升高，形成壓力波，以較高速度向前推進。這種壓力波撞擊燃燒室壁時便發出尖銳的敲擊聲，俗稱敲缸。爆燃還會引起發動機過熱、功率下降、工作不穩定、轉速下降、發動機有較大振動、燃油消耗量增加等一系列不良后果。嚴重時甚至造成氣門燒毀、軸承破裂、火花塞絕緣體擊穿等機件損壞現象。表面點火（或熾熱點火）是由于燃燒室內熾熱表面與熾熱處（如排氣門頭部、火花塞絕緣體或零件表面熾熱的沉積物等）在火花塞點燃混合氣之前產生的另一種不正常燃燒（也稱為早燃）。表面點火發生時，也伴有強烈的敲擊聲（較沉悶），所產生的高壓會使發動機機件負荷增加、活塞和連桿損壞及氣門、火花塞、活塞等零件過熱，壽命降低。

因此，在提高壓縮比時，必須注意防止爆燃和表面點火的發生。此外，壓縮比提高還受到排氣污染法規限制。許多國家生產的汽油機，其壓縮比出現了下降的趨勢。

（3）做功行程 如圖1-3c所示，在這個行程中進、排氣門仍關閉。當活塞在壓縮行程接近上止點時，裝在氣缸蓋上的火花塞在高壓電作用下產生電火花，點燃被壓縮的可燃混合氣。可燃混合氣燃燒后，放出大量的熱能，使燃氣的壓力和溫度急劇升高，如圖1-4c曲線cz所示。最高壓力p為3～5MPa，相應的溫度為1927～2527℃且體積迅速膨脹。此時活塞被高壓氣體推動從上止點下行，帶動曲軸從360°旋轉到540°，并輸出機械能，能量除了維持發動機本身繼續運轉消耗一部分外，其余部分都用于對外做功，所以該行程稱為做功行程。

示功圖上，曲線zb表示活塞向下移動時，氣缸內容積增加，氣體壓力和溫度都在降低。在做功行程終了的b點，壓力降到0.3～0.5MPa，溫度則降為1027～1327℃。

（4）排氣行程 可燃混合氣體燃燒后生成的廢氣，必須從氣缸中排除，以便進行下一個進氣行程。如圖1-3d所示，當膨脹過程接近終了時，進氣門關閉，排氣門開啟，曲軸通過連桿推動活塞從下止點向上止點運動，曲軸由540°旋轉到720°。廢氣在自身殘余壓力和活塞的推力作用下從氣缸中排出，進入大氣之中。活塞到上止點附近時，排氣行程結束。

如圖1-4d所示，這一行程用曲線br表示。由于排氣系統存在排氣阻力，所以在排氣終了時氣缸內壓力稍高于大氣壓力，為0.102～0.120MPa，廢氣溫度為627～927℃。

燃燒室占有一定容積，故排氣終了時，不可能將廢氣排盡，留下的這一部分廢氣稱為殘余廢氣。殘余廢氣量占總氣量的比例一般用殘余廢氣系數表示，殘余廢氣系數是表征排氣是否徹底的一個非常重要的參數。

2.單缸四沖程柴油機工作原理

四沖程柴油機的工作原理與四沖程汽油機一樣，每個工作循環也要經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個行程，如圖1-5所示。由于柴油機用的燃料是柴油，其所含化學成分穩定性差、自燃性好，又因柴油粘度大且隨溫度的下降而增加，使柴油機可燃混合氣的形成與點火方式都與汽油機不同。柴油機在進氣行程中吸入的是純空氣。在壓縮行程接近終了時，柴油經噴油泵將油壓提高到10MPa以上，通過噴油器噴入氣缸，與壓縮后的高溫空氣混合，形成可燃混合氣（而汽油機的混合氣一般是在氣缸外面的進氣管道內形成）。由于柴油機壓縮比高，壓縮終了的壓力可達3～5MPa，溫度可達530～730℃，大大超過柴油自燃溫度，故立即自行著火燃燒，使氣缸內壓力、溫度急劇升高，瞬時壓力為5～10MPa，瞬時溫度為1530～1930℃。在高壓氣體推動下，活塞向下運動并帶動曲軸旋轉。

圖1-5 四沖程柴油機工作循環

a）進氣 b）壓縮 c）做功 d）排氣 1—進氣門 2—進氣管 3—氣缸 4—活塞 5—連桿 6—曲軸 7—噴油器 8—排氣門 9—排氣管