四行程发动机

第一节　四行程发动机

发动机的基本原理是燃料在发动机气缸体内部燃烧，将所产生的热能转变为动能（机械能），输出转速和扭矩，通过传动机构驱动车辆运动。

由于使用的燃料和点火方式的不同，目前有汽油发动机和柴油发动机两种。汽油发动机通过局部改造以后，可以使用液化石油气作为燃料。

一般汽油发动机是通过汽化器（化油器）使汽油和空气混合后被吸入发动机气缸内，再用电火花使它燃烧做功。这种发动机称为汽化器式发动机。也有使汽油直接喷射到气缸内（或喷射到进气管内）和吸入气缸的空气混合，再用电火花使它燃烧而产生热能做功的，这种发动机称为直接喷射式发动机。四缸汽油发动机如图2－2所示。

图2－2　四缸汽油发动机

柴油发动机使用的燃料是柴油。一般是通过喷油泵、喷油器将柴油直接喷入发动机气缸内，和早已被吸入气缸内的空气混合，在高压高温条件下自燃而产生热能。这种发动机称为压燃式发动机。

一、发动机的工作原理

1）四行程汽油发动机的工作原理

汽油发动机必须先将燃料和空气吸入气缸，经压缩后使它燃烧发出热能，通过一定的机构转化为机械能，最后把燃烧的废气排出气缸。在气缸内进行的每一次热能转化为机械能的一系列连续过程称为发动机的一个工作循环。凡活塞往复四个单程而完成一个工作循环的，称为四行程发动机。

如图2－3所示，活塞离曲轴中心最远处，即活塞的最高位置，称为上止点。活塞离曲轴中心最近处，即活塞的最低位置称为下止点。上下止点的距离称为活塞行程。活塞从上止点到下止点所扫过的气缸容积称为气缸的工作容积，多气缸工作容积的总和称为发动机工作容积或发动机排量。

图2－4所示为单缸四行程发动机结构简图。

2－3　发动机工作原理图

图2－4　单缸四行程发动机结构简图

四行程发动机的工作循环包括四个行程，按其作用不同分为进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程，如图2－5所示。

图2－5　四行程发动机的行程

（1）进气行程：为使发动机做功，必须先把燃料和空气供入气缸。先将燃料与空气在汽化器中进行混合，然后再吸入气缸。在此过程中，进气门打开，排气门关闭，活塞被曲轴带动从上止点向下止点移动一个行程，如图2－5（a）所示。

（2）压缩行程：为了使吸入气缸内的可燃混合气能迅速燃烧，产生较大的压力，从而使发动机发出大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积变小，密度增大，温度升高，即需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程，称为压缩行程，如图2－5（b）所示。

（3）做功行程：压缩终了，燃烧室中的可燃混合气在温度和压力较高时被火花塞发出的电火花点燃而燃烧。此时进、排气门均关闭，活塞刚开始下移，燃烧着的气体不能及时充分膨胀，于是气缸内的压力和温度都迅速升高，高压气体推动活塞向下移动，并通过连杆使曲轴旋转做功，如图2－5（c）所示。

（4）排气行程：可燃混合气燃烧后变为废气。为使发动机正常工作，必须把废气排出。此过程中，排气门打开，进气门关闭，由储有相当大功能的飞轮带动曲轴旋转，并推动活塞由下止点向上止点移动，把废气由排气门排出气缸，如图2－5（d）所示。

2）四行程柴油发动机的工作原理

柴油发动机和汽油发动机一样，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。但由于柴油发动机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，故可燃混合气的形成及点火方式与汽油发动机不同。

柴油发动机在进气行程吸入的是纯空气，在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。因此，柴油发动机的可燃混合气是在气缸内部形成的。

二、发动机的构造

发动机由发动机本体、冷却系统、润滑系统、燃料供给装置和电气系统构成，其中发动机本体又包括机体、曲柄连杆结构、配气机构。

1）发动机本体

发动机本体包括了三个主要部件及机构。

（1）机体：机体包括气缸体、气缸盖、油底壳等。机体的作用是作为发动机各机构、各系统的装配基体，而其本身的许多部分又分别是曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统和润滑系统的组成部分。气缸体和气缸盖的内壁共同组成燃烧室的一部分，所以又是承受高压和高温的机件，如图2－6所示。

图2－6　气缸体

（2）曲柄连杆机构：曲柄连杆机构是往复活塞式发动机的重要组成部分。它可以分为两组：活塞连杆组和曲轴飞轮组（图2－7、图2－8），前者由活塞、活塞环、活塞销、连杆组成，后者由曲轴和飞轮组成。连杆小端用活塞销与活塞连接在一起，连杆大端与偏离曲轴中心线的连杆轴颈相连；曲轴通过本身的主轴颈支承在机体上。燃烧气体的压力直接作用在活塞上，推动活塞作往复直线运动，然后经连杆和曲轴将活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，从而获得所需的扭矩和转速。发动机所产生的动力，大部分传给车辆的传动系统，小部分通过其他的传动装置驱动其他机构。

图2－7　曲柄连杆结构

图2－8　曲轴飞轮组

做往复运动的机件（如活塞）的线速度是很大的。因此，机体与曲柄连杆机构的工作条件的特点是高温、高压、高速和化学腐蚀。

（3）配气机构：配气机构的功用是按照发动机每一个气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气口，使新鲜可燃混合气（汽油发动机）或空气（柴油发动机）得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排除，如图2－9所示。

2）冷却系统

发动机工作过程中，可燃混合气燃烧时，气缸内气体温度可高达1　800～2000℃。直接与高温气体接触的零部件（气缸体、气缸盖、活塞等）若不及时加以冷却，运动机件将会因热膨胀而改变了正常间隙，或因润滑油高温失效而卡死；各机件也可能因高温而导致其机械强度降低甚至破坏其金属内部分子结构而损坏。因此，为保证发动机正常工作，必须对这些高温条件下工作的机件加以冷却。

图2－9　配气机构

目前车辆发动机冷却的方式一般有两种：水冷式和风冷式。但水冷式应用更广泛。图2－10所示为发动机强制循环式水冷却系统示意图。水冷却系统主要由以下部件组成：散热器、风扇、水泵、节温器、水管等。

图2－10　发动机循环式水冷却系统示意图

（1）散热器—水箱：水箱其主要组成部分为上贮水箱、下贮水箱和散热器芯等，顶部有加水口，冷却水由此注入整个冷却系统，然后将水箱盖严密盖住。目前车辆上多采用闭式水冷却系统，这种水冷却系统的水箱盖具有自动阀门，发动机热状态正常时阀门关闭，将冷却系统与大气隔开，防止水蒸气溢出，使冷却系统内的压力稍高于大气压力，从而可增高冷却水的沸点。

水箱上的上、下水管接口通过水管与发动机连接，在水泵的作用下，将发动机内的高温通过水的流动传递到水箱，再在风扇的作用下，将贮存在水箱表面散热片上的热量扩散到大气，从而达到降温的目的。

在发动机热态下开启水箱盖时，特别注意应缓慢旋开，使冷却系统内的压力逐渐降低，以免出现被热水烫伤事故。

水箱底部安装有放水开关，便于冬天放尽冷却水，防止水结冰而破坏水箱。放水时打开各放水开关，打开水箱盖。

（2）风扇：风扇通常安装在散热器后面，并与水泵同轴，当风扇旋转时，对空气产生吸力，使之沿轴向流动。空气流由前向后通过散热器芯的冷却水加速冷却，从而加强了冷却系统对发动机的冷却作用。风扇通常和发电机一起由曲轴皮带轮通过三角皮带驱动。为了使皮带传动正常工作，通常将发电机的支架做成可移动式的，以便调节皮带的紧度。风扇皮带的紧度要求一般是用大拇指压下皮带（约有4千克力左右）时产生10～15mm的挠度为宜。

（3）水泵：水泵的作用是对冷却水加压，使水在冷却系统中加速循环流动。

（4）节温器：通过散热器的冷却水的流量，一般是由节温器来控制的。节温器装在冷却水循环的道路中（一般装在气缸盖出水口处）。

发动机冷却系统的工作状态对发动机的功率有一定程度的影响，在某种程度上还会影响发动机的使用寿命，因此应经常检查冷却系统工作状态。一般采用水冷却系统时，冷却水的温度在80～90℃之间。

3）润滑系统

发动机工作时，受力零件的相对运动（转动或滑动）表面之间必然会产生摩擦，因而将产生很大的摩擦力，其结果不仅增大了发动机内部的功率消耗，而且使零件工作表面迅速磨损，同时由于摩擦产生大量的热量，从而会导致某些零件表面熔损，致使发动机无法运转。因此，为保证发动机正常工作，必须对相对运动的零件表面加以润滑，亦即在摩擦表面上覆盖一层润滑油，使金属表面间隔一层薄的油膜以减小摩擦阻力，减小机件磨损，降低功率损耗，从而延长发动机的寿命。由于发动机的运动部件较多，对此，必须有一个润滑系统对各运动部件供给润滑油。流动的润滑油不仅可以减少摩擦及清除摩擦表面上的磨屑等杂质，而且还能冷却摩擦表面。此外，气缸壁和活塞环上的油膜能提高气缸的密封性。

由于发动机各运动零件的工作条件不同，所承受的载荷及相对运动的速度也不同，所以要求的润滑条件也不相同，因而应采取不同的润滑方式。曲轴主轴承、连杆轴承及凸轮轴轴承等处承受的载荷及相对运动速度较大，需要一定的压力将润滑油输送到摩擦表面中，方能形成油膜，保证润滑，这种润滑方式称为压力润滑。发动机润滑系统，主要由以下部件组成：

（1）机油泵：机油泵是利用发动机的曲轴或凸轮轴带动，其结构形式通常采用外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵或摆线泵。机油泵的工作原理与液压传动系统油泵的工作原理是一样的。

（2）机油滤清器：机油通过摩擦面之前，经过滤清器滤清的次数越多，则机油越清洁。但滤清次数越多，机油流动阻力也越大。为解决滤清与油路通畅的矛盾，在润滑系统中一般装有几个不同滤清功能的滤清器，如集油器、粗滤器、精滤器，分别并联和串联在主油道中，这样既能使机油得到较好的滤清，而又不会造成很大的流动阻力。

（3）机油散热器：在有些发动机上，为使机油保持在最有利的温度范围内工作，装有机油散热器，其结构与冷却系统水散热器类似。

4）燃料供给系统

（1）汽油发动机燃料供给系统：汽油发动机所用的燃料是汽油。汽油在未输入气缸前，须先喷散成雾状（雾化）和蒸发，并按一定的比例与空气混合形成均匀的混合气，可燃混合气中燃油含量的多少称为可燃混合气浓度。一般汽油发动机燃油供给系统的组成如图2－11所示，它包括如下几个主要装置：

图2－11　燃料供给系统示意图

1—油面指示表；2—空气滤清器；3—汽化器；4—进气管；5—排气管；6—汽油泵；7—汽油滤清器；8—排气消音器；9—油管；10—汽油箱

①燃料供给装置：包括汽油箱、汽油滤清器、汽油泵、油管，用以完成汽油的贮存、输送及清洁的任务。汽油泵的作用是将汽油从油箱吸出，经油管和汽油滤清器，然后泵入汽化器浮子室。

②空气供给装置：空气滤清器，在某些车型上还装有进气消音器。空气滤清器的作用是清除进入汽化器的空气中所含的尘土和砂粒，以减少气缸、活塞和活塞环的磨损。实践证明，若不装空气滤清器，气缸磨损将增加8倍，活塞磨损将增加3倍，活塞环磨损将增加9倍。

③可燃混合气形成装置：汽化器（化油器）。

④可燃混合气供给和废气排出装置：包括进气管、排气管和消音器。

进气管的作用是将汽化器所供给的可燃混合气分别送到发动机的各个气缸，排气管的作用是汇集各气缸的废气，从消音器里排出。

（2）柴油发动机燃料供给系统

①燃油供给部分：主要由油箱、输油泵、低压油管、滤清器、喷油泵、高压油管、喷油器和回油管等组成，如图2－12所示。

图2－12　柴油发动机燃料供给系统示意图

从柴油箱到油泵入口的这段油路中的油压是由输油泵建立的，输油泵的出油压力一般为0．15～0．3MPa，故这段油路称为低压油路。低压油路只用以向喷油泵供给滤清的燃油。从喷油泵到喷油器这段油路的油压是由喷油泵建立的，油压一般在10MPa以上，故这段油路称为高压油路，其作用是增大燃油压力，使柴油通过喷油器呈雾状喷入燃烧室，与空气混合而形成可燃混合气。

a．喷油器：喷油器的功用是将柴油雾化成较细的颗粒，并把它均匀地分布到燃烧室中。根据柴油发动机混合气形成与燃烧的要求，喷油器应具有一定的喷射压力和射程以及合适的喷注锥角。此外，喷油器在规定的停止喷油时刻应能迅速地切断燃油的供给，不发生燃油的滴漏现象。

b．喷油泵：喷油泵的作用是根据发动机不同的工作状况，将一定量的燃油提高到一定的压力，按照规定的时间通过喷油器供入气缸。多缸柴油发动机的喷油泵还应保证：各缸的供油次序应符合选定的发动机发火次序；各缸供油量均匀，不均匀度在标定工况下应不大于4%；各缸供油提前角一致，相差不能大于0．5°曲轴转角。为了避免喷油器的滴漏现象，喷油泵必须保证供油停止迅速。

为了在柴油发动机启动时排除整个油路中的空气，将柴油充满喷油泵，在输油泵上还装有手动输油泵。

②空气供给部分：由空气滤清器、进气管和气缸盖内的进气道等组成。

混合气形成部分是燃烧室。柴油发动机供给系统中的空气滤清器、进气管、排气管、排气消音器等功用、构造和工作原理与汽油发动机供给系统基本相同，不再阐述。

③燃烧室：柴油发动机混合气形成与燃烧与汽油发动机有很大的不同。在汽油发动机中，易蒸发的汽油在汽化器中即开始与空气混合，这种混合气形成过程在进气管和气缸中继续进行，一直到压缩过程的终了。因此，可以认为在火花塞跳火时，燃料和空气已经完全混合好，形成了均匀的汽油空气混合气。

柴油发动机在进气过程中进入气缸的是纯空气，在压缩行程接近终了时，柴油才从喷油器呈雾状喷入气缸，随即发火燃烧，故混合气形成时间极短，实际上，柴油喷入气缸时，气缸内的压力在3MPa以上，空气温度已达到600℃以上，远远超过了柴油的自燃温度，但柴油也不会一经喷入气缸就立即着火燃烧，而是稍有滞后，这个滞后过程被称为“着火落后期”。

由于柴油发动机的混合气形成和燃烧是在燃烧室内进行的，所以燃烧室的结构形式直接影响到所形成混合气的品质和燃烧状况。按结构形式不同，燃烧室可分为直接喷射式燃烧室和分隔式燃烧室两大类。

a．直接喷射式燃烧室：直接喷射式燃烧室是由活塞顶与气缸盖内壁所包围形成的单一内腔。采用这种燃烧室时，一般采用多孔喷油器，将柴油直接喷射到燃烧室中，借喷出油柱的形状和燃烧室形状的吻合以及室内空气的涡流运动，迅速形成混合气。

b．分隔式燃烧室：这种燃烧室内腔被分隔为两部分，一部分位于活塞顶与缸盖下平面之间，燃烧过程主要在这里进行，称为主燃烧室；另一部分位于气缸盖体内，称为辅助燃烧室。这两部分由一个或几个通道相连。其形式有两种：涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室。

5）发动机电气系统

车辆的各个部位使用了各种电气件，与发动机相关的电气件称为“发动机电气系统”。该电气系统可以分为启动系统、点火系统、充电系统三个系统，电流在其中循环。在发动机电气系统中只有汽油发动机有点火系，它往往把很低的电压提高1000倍，使火花塞产生火花，把点火正时地分配到每个气缸的火花塞。

图2－13所示为发动机电气系统结构简图。

发动机的电力做如下循环。

①转动启动开关启动发动机。

②电流从蓄电池流到启动电机，带动飞轮齿圈使发动机旋转。

③活塞往复直线运动，压缩混合气。

④同时，凸轮驱动系统使分电器工作，在内藏凸轮的作用下，点火打开，在点火线圈产生高压电流，利用分电器上部的转子传送到各气缸的火花塞产生火花。

图2－13　汽油发动机电气系统结构图

⑤用该火花点火，爆发产生的混合气体的膨胀力做功推动活塞运动，发动机发出功率，同时带动发电机发电，并向蓄电池充电。

（1）蓄电池：蓄电池的结构是在电解液中插入正极板和负极板式的湿电池，每两张铅板相向放入壳内，加入稀硫酸（硫酸和蒸馏水），通过化学反应将化学能转变为电能。图2－14所示是大多数车辆使用的铅蓄电池。

图2－14　蓄电池

（2）启动电机：启动电机是启动发动机的装置，打开启动电机开关，从蓄电池流出的电流使启动电机旋转，同时被单向离合器压动的小齿轮与发动机曲轴上的飞轮齿圈直接啮合，进行旋转。减速比大约是10∶1。当发动机工作时，由于单向离合器的作用，不会传递来自发动机的回转力，小齿轮即脱离曲轴上的飞轮齿圈，回到原来位置，如图2－15所示。

图2－15　启动电机

（3）发电机：目前车辆上主要使用硅整流交流发电机。与过去使用的直流发电机相比，硅整流交流发电机具有如下优点：

①重量相同时发电能力强一倍以上；

②转速范围大。直流发电机转速只能在700r／min左右，而硅整流交流发电机的转速则可高达12000r／min，能满足发动机日益向高速发展的需要，而且在发动机怠速时也能充电；

③结构简单，工作可靠，使用寿命长。