1.1.3 單缸四沖程發(fā)動機(jī)的工作原理

1.單缸四沖程汽油機(jī)工作原理

四沖程汽油機(jī)在轎車上使用最多，其工作循環(huán)如圖1-3所示。

圖1-3 單缸四沖程汽油機(jī)工作循環(huán)圖

a）進(jìn)氣 b）壓縮 c）做功 d）排氣

為了研究汽車工作循環(huán)中氣體壓力p和相應(yīng)的活塞所在不同位置的氣缸工作容積V之間的變化關(guān)系，常用發(fā)動機(jī)循環(huán)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(fā)動機(jī)整個工作循環(huán)中氣體在單個氣缸內(nèi)所做的功。

（1）進(jìn)氣行程 如圖1-3a所示，進(jìn)氣行程曲軸帶動活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動，進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，氣缸內(nèi)活塞上方容積增大，進(jìn)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(jīng)進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣門吸入氣缸。由于進(jìn)氣時間短且進(jìn)氣系統(tǒng)存在壓力，進(jìn)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(jī)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(jìn)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(biāo)之差即表示氣缸內(nèi)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(fā)動機(jī)能發(fā)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(jìn)氣行程終了時，活塞自下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動，曲軸由180°轉(zhuǎn)到360°，此時，進(jìn)、排氣門均關(guān)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(xù)到活塞到達(dá)上止點(diǎn)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(fā)動機(jī)示功圖

a）進(jìn)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(fā)動機(jī)發(fā)出的功率便愈大，動力性和經(jīng)濟(jì)性愈好。但壓縮比過大時，不僅不能進(jìn)一步改善燃燒狀況，反而會出現(xiàn)爆燃和表面點(diǎn)火等不正常燃燒現(xiàn)象。爆燃是由于氣體壓力和溫度過高，在燃燒室內(nèi)離點(diǎn)燃中心較遠(yuǎn)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(jìn)。這種壓力波撞擊燃燒室壁時便發(fā)出尖銳的敲擊聲，俗稱敲缸。爆燃還會引起發(fā)動機(jī)過熱、功率下降、工作不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速下降、發(fā)動機(jī)有較大振動、燃油消耗量增加等一系列不良后果。嚴(yán)重時甚至造成氣門燒毀、軸承破裂、火花塞絕緣體擊穿等機(jī)件損壞現(xiàn)象。表面點(diǎn)火（或熾熱點(diǎn)火）是由于燃燒室內(nèi)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(diǎn)燃混合氣之前產(chǎn)生的另一種不正常燃燒（也稱為早燃）。表面點(diǎn)火發(fā)生時，也伴有強(qiáng)烈的敲擊聲（較沉悶），所產(chǎn)生的高壓會使發(fā)動機(jī)機(jī)件負(fù)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(diǎn)火的發(fā)生。此外，壓縮比提高還受到排氣污染法規(guī)限制。許多國家生產(chǎn)的汽油機(jī)，其壓縮比出現(xiàn)了下降的趨勢。

（3）做功行程 如圖1-3c所示，在這個行程中進(jìn)、排氣門仍關(guān)閉。當(dāng)活塞在壓縮行程接近上止點(diǎn)時，裝在氣缸蓋上的火花塞在高壓電作用下產(chǎn)生電火花，點(diǎn)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?xì)獾膲毫蜏囟燃眲∩撸鐖D1-4c曲線cz所示。最高壓力p為3～5MPa，相應(yīng)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(diǎn)下行，帶動曲軸從360°旋轉(zhuǎn)到540°，并輸出機(jī)械能，能量除了維持發(fā)動機(jī)本身繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)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(nèi)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(diǎn)，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(jìn)行下一個進(jìn)氣行程。如圖1-3d所示，當(dāng)膨脹過程接近終了時，進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門開啟，曲軸通過連桿推動活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動，曲軸由540°旋轉(zhuǎn)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(jìn)入大氣之中。活塞到上止點(diǎn)附近時，排氣行程結(jié)束。

如圖1-4d所示，這一行程用曲線br表示。由于排氣系統(tǒng)存在排氣阻力，所以在排氣終了時氣缸內(nèi)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(shù)表示，殘余廢氣系數(shù)是表征排氣是否徹底的一個非常重要的參數(shù)。

2.單缸四沖程柴油機(jī)工作原理

四沖程柴油機(jī)的工作原理與四沖程汽油機(jī)一樣，每個工作循環(huán)也要經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個行程，如圖1-5所示。由于柴油機(jī)用的燃料是柴油，其所含化學(xué)成分穩(wěn)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(jī)可燃混合氣的形成與點(diǎn)火方式都與汽油機(jī)不同。柴油機(jī)在進(jìn)氣行程中吸入的是純空氣。在壓縮行程接近終了時，柴油經(jīng)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(jī)的混合氣一般是在氣缸外面的進(jìn)氣管道內(nèi)形成）。由于柴油機(jī)壓縮比高，壓縮終了的壓力可達(dá)3～5MPa，溫度可達(dá)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(nèi)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(yùn)動并帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。

圖1-5 四沖程柴油機(jī)工作循環(huán)

a）進(jìn)氣 b）壓縮 c）做功 d）排氣 1—進(jìn)氣門 2—進(jìn)氣管 3—?dú)飧?4—活塞 5—連桿 6—曲軸 7—噴油器 8—排氣門 9—排氣管