发动机的运行原理以及构造

往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油（gasoline）或柴油(diesel）。由于汽油和柴油具有不同的性质，因而在发动机的工作原理和结构上有差异。

一. 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，在吸气冲程被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。

⑴ 进气冲程（intake stroke)

活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°。在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增大，汽缸内气体压力从pr逐渐降低到pa，汽缸内形成一定的真空度，空气和汽油的混合气通过进气门被吸入汽缸，并在汽缸内进一步混合形成可燃混合气。由于进气系统存在阻力，进气终点 （图中a 点）汽缸内气体压力小于大气压力0 p ，即pa= (0.80～0.90） 0 p。进入汽缸内的可燃混合气的温度，由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到340～400K。

⑵ 压缩冲程（compression stroke)

压缩冲程时，进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力pc可达800～2 000kPa，温度达600～750K。在示功图上，压缩行程为曲线a～c。

⑶ 做功冲程（power stroke)

当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。燃烧最高压力pZ达3 000～6 000kPa，温度TZ达2 200～2 800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，到达 b 点时，其压力降至300～500kPa，温度降至1 200～1 500K。在做功冲程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。在示功图上，做功行程为曲线c-Z-b。

⑷ 排气冲程（exhaust stroke)　　

排气冲程时，排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。由于排气系统的阻力作用，排气终点r 点的压力稍高于大气压力，即pr=（1.05～1.20）p0。排气终点温度Tr=900～1100K。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。

二. 四冲程柴油机工作原理

四冲程柴油机和汽油机一样，每个工作循环也是由进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程组成。由于柴油机以柴油作燃料，与汽油相比，柴油自燃温度低、黏度大不易蒸发，因而柴油机采用压缩终点压燃着火，也叫压燃式点火，其工作过程及系统结构与汽油机有所不同.

⑴ 进气冲程

进入汽缸的工质是纯空气。由于柴油机进气系统阻力较小，进气终点压力pa= (0.85～0.95）p0，比汽油机高。进气终点温度Ta=300～340K，比汽油机低。

⑵ 压缩冲程

由于压缩的工质是纯空气，因此柴油机的压缩比比汽油机高（一般为ε=16～22）。压缩终点的压力为3 000～5 000kPa，压缩终点的温度为750～1 000K，大大超过柴油的自燃温度（约520K）。

⑶ 做功冲程

当压缩冲程接近终了时，在高压油泵作用下，将柴油以10MPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升，最高达5 000～9 000kPa，最高温度达1 800～2 000K。由于柴油机是靠压缩自行着火燃烧，故称柴油机为压燃式发动机。

⑷ 排气冲程

柴油机的排气与汽油机基本相同，只是排气温度比汽油机低。一般Tr=700～900K。对于单缸发动机来说，其转速不均匀，发动机工作不平稳，振动大。这是因为四个冲程中只有一个冲程是做功的，其他三个冲程是消耗动力为做功做准备的冲程。为了解决这个问题，飞轮必须具有足够大的转动惯量，这样又会导致整个发动机质量和尺寸增加。采用多缸发动机可以弥补上述不足。现代汽车用多采用四缸、六缸和八缸发动机。

按活塞运动方式分类：活塞式内燃机可分为往复活塞式和旋转活塞式两种。前者活塞在汽缸内作往复直线运动，后者活塞在汽缸内作旋转运动。

按照进气系统分类：内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气（非增压）式发动机和强制进气（增压式）发动机。若进气是在接近大气状态下进行的，则为非增压内燃机或自然吸气式内燃机；若利用增压器将进气压力增高，进气密度增大，则为增压内燃机。增压可以提高内燃机功率。

按照气缸排列方式分类：内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式、双列式和三列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的。双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角<180°（一般为90°）称为V型发动机，若两列之间的夹角=180°称为对置式发动机。三列式把气缸排成三列，成为W型发动机。

按照气缸数目分类：内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸、十六缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用三缸，四缸、六缸、八缸发动机。

按照冷却方式分类：内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。

按照行程分类：内燃机按照完成一个工作循环所需的冲程数可分为四冲程内燃机和二冲程内燃机。把曲轴转两圈（720°），活塞在气缸内上下往复运动四个冲程，完成一个工作循环的内燃机称为四冲程内燃机；而把曲轴转一圈（360°），活塞在气缸内上下往复运动两个冲程，完成一个工作循环的内燃机称为二冲程内燃机。汽车发动机广泛使用四冲程内燃机。

按气门机构种分类：侧置气门（SV）发动机、侧置凸轮轴（OHV）发动机、顶置凸轮轴（OHC）发动机、可变气门（VTEC）发动机 和Desmo气门机构发动机。

按燃油供应方式分类：化油器发动机和电喷发动机。

按照所用燃料分类：内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。

发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点，并作为评价各类发动机性能优劣的依据。发动机的性能指标主要有：动力性指标、经济性指标、环境指标、可靠性指标和耐久性指标。

1. 动力性指标

动力性指标是表征发动机做功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩、有效功率、发动机转速等作为评价指标。

⑴ 有效转矩

发动机对外输出的转矩称为有效转矩，

⑵ 有效功率

发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率，

⑶ 发动机转速

发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，

2. 经济性指标

发动机经济性指标一般用有效燃油消耗率表示。发动机每输出1kW·h的有效功所消耗的燃油量（以g为单位）称为有效燃油消耗率.

3. 环境指标　　

环境指标主要指发动机排气品质和噪声水平。由于它关系到人类的健康及其赖以生存的环境，因此各国政府都制定出严格的控制法规，以期削减发动机排气和噪声对环境的污染。当前，排放指标和噪声水平已成为发动机的重要性能指标。

排放指标主要是指从发动机油箱、曲轴箱排出的气体和从汽缸排出的废气中所含的有害排放物的量。对汽油机来说主要是废气中的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）含量；对柴油机来说主要是废气中的氮氧化物（NOx）和颗粒（PM）含量。

噪声是指对人的健康造成不良影响及对学习、工作和休息等正常活动发生干扰的声音。由于汽车是城市中的主要噪声源之一，而发动机又是汽车的主要噪声源，因此控制发动机的噪声就显得十分重要。如中国的噪声标准（GB/T 18697—2002）中规定，轿车的噪声不得大于79dB(A）。

4. 可靠性指标和耐久性指标

可靠性指标是表示发动机在规定的使用条件下，在规定的时间内，正常持续工作能力的指标。可靠性有多种评价方法，如首次故障行驶里程、平均故障间隔里程等。耐久性指标是指发动机主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间。

5. 发动机万有特性

汽车发动机的工况能在很广泛的范围内变化。当发动机的工况（即功率和转速）发生变化时，其性能（包括动力性、经济性、排放性和噪声等）也随之改变。发动机性能指标随运行工况而变化的关系称为发动机万有特性。

由于发动机的工作原理相似，基本结构也就大同小异。汽油发动机通常是两大机构五大系统组成，柴油发动机通常是由两大机构四大系统组成（无点火系）。

发动机组成

曲柄连杆机构——实现热能转换的核心，也是发动机的装配基础。

配气机构——保证气缸适时换气。

燃料系——控制每循环投入气缸燃油的数量，以调节发动机的输出功率和转速。冷却系——控制发动机的正常工作温度。

润滑系——减少摩擦力，延长发动机的使用寿命。

点火系——适时地向汽油发动机提供电火花（柴油发动机无点火系）

起动系——使曲轴旋转完成发动机起动过程。

曲柄两杆机构在做功行程时，将燃料燃烧以后产生的气体压力，经过活塞、连杆转变为曲轴旋转的转矩；然后，利用飞轮的惯性完成进气、压缩、排气3个辅助行程。曲柄连杆机构气缸曲轴箱组、活塞连杆组和曲轴飞轮组3部分组成。

一、气缸体曲轴箱组

1、气缸体和曲轴箱

气缸体和曲轴箱通常铸成一体，统称为气缸体，它是发动机的外壳及装配基础，一般采用优质合金铸铁或铝合金制成，其结构形式有直列型、V型、对置型3种。直列六缸发动机的气缸体。该发动机为直列六缸水冷式汽油发动机。气缸体内呈圆柱形的空间称为气缸，气缸表面称为气缸壁。气缸是气体交换、燃烧的场所，也是活塞运动的轨道。为保证活塞与气缸的密封及减少磨损，气缸壁应具有有效较高的加工精度和较低的表面粗糙度。为了使气缸在工作时的热量得到散发，在气缸体、气缸套机体之间制有能够容纳冷却液的夹层空腔，称为水套。

在气缸体的下部有7道主轴承座，用于安装曲轴飞轮组。气缸体的侧面设有挺杆室，用于安装气门传动机件。气缸体的上平面安装气缸盖，下平面安装机油盘，前端面安装正时齿轮盖，均加有衬垫并用螺栓紧固密封。气缸体的后端面安装飞轮壳。

为了增强缸体的耐磨性，延长气缸体的使用寿命，气缸体内大都镶有气缸套。气缸套分为干式和湿示两种。干式气缸套不与冷却液接触，为防止缸套向下窜动，可在上（下）止口限位。湿式缸套外表面直接与冷却液接触，为防止漏冷却液，缸套下止口处装有1～3个橡胶密封圈。

2、机油盘

机油盘的作用是储存润滑油，故俗称油底壳。它一般采用薄壁钢板冲压而成，内部设有稳油挡板以防止润滑油过分激荡，底部设有放油塞以便更换润滑油。

3、气缸盖

气缸盖的主要作用是封闭气缸上部，并与活塞顶构成燃烧室。气缸盖上有燃烧室、水套、火花塞座孔（柴油发动机有喷油器安装孔）、进排气道、气门座、气门导管座孔等。上部装有摇臂轴总成，用气缸盖罩封闭，结合面间装有密封点垫。汽油发动机气缸盖一般是整体的，但也有例外，如EQ6100—1型发动机就是两个气缸盖。气缸直径较大的柴油发动机采用一缸一盖或二缸一盖，最多不超过三缸一盖，以防止气缸盖变形。

4、气缸垫

气缸垫俗称气缸床，安装在气缸盖与气缸体之间，其作用是密封气缸体与气缸盖的结合平面，以防止漏气、漏冷却液及漏油。气缸垫多采用石棉板材料制成，有些用石棉板两面包铜皮或铁皮制成，有些用中间钢片两面贴适合应性好的乳胶石棉板制成。燃烧室孔采用双层或单层金属包边，以防燃烧气体冲坏石棉层。

配气机构的作用是根据发动机的工作顺序和各缸工作循环的要求，及时地开启和关闭进、排气门，使可燃混合气（汽油发动机）或新鲜空气（柴油发动机）进入气缸，并将废气排入大气。

一、类型及工作原理

四冲程发动机广泛采用气门凸轮式配气机构，它由气门组和气门传动组两部分组成。按其传动方式不同，可分为正时齿轮传动式和链条传动式两种；按凸轮轴的位置不同，可分为下置不同，可分为下置凸轮轴式、中置凸轮轴式和上置凸轮轴式。下置凸轮轴式配气机构，它的工作过程是：发动机工作时，曲轴通过一对互相啮合的正时齿轮带动凸轮轴旋转，当凸轮的凸尖上升到最高位置时气门开度最大。当凸轮的凸尖向下运动时，由于气门弹簧的弹力作用，气门及其传动机件恢复原位，将气道关闭。与下置凸轮轴式配气机构相比，中置和上置凸轮轴式配气机构因曲轴与凸轮轴距离较大，故多为正时链条或正时带传动。中置凸轮轴式省去了推杆；上置凸轮轴式省去了挺杆及推杆，

主要机件

1、气门组

气门组一般由气门、气门座、气门导管、气门油封、气门弹簧和气门锁片等组成。

⑴气门气门分为进气门和排气门两种，其作用是分别用来关闭进、排气道。气门由头部和杆部组成，头部制成锥形，与气门座的锥面配合。头部锥角，一般为45°。同一台发动机的进气门头部直径大于排气门头部直径，以提高发动机的充气量。气门杆部为圆柱形，与气门导管内孔配合，杆的端部制有环槽，用来安装气门弹簧座锁片。⑵气门座气门座用来保证气门密封，并将气门头部的热量传给气缸盖。气门座一般用特种合金制成环状，紧密地镶在气缸盖上。

⑶气门导管气门导管用来引导气门作往复直线运动，保证气门与气门座闭合位置正确。为防止气缸盖上润滑油从气门与气门导管之间的间隙进入燃烧室，气门导管上端装有气门油封。

⑷气门弹簧 气门弹簧是圆柱形螺旋弹簧，它可使气门迅速关闭，并使气门头部与气门座相互压紧，保证密封。

2、气门传动组

气门传动组的作用是按照发动机的工作顺序，适时地开启和关闭气门，并保证气门有足够的开度。

⑴凸轮轴凸轮轴用于控制气门开闭，并驱动汽油泵、机油泵和分电器等机件工作。凸轮轴上制有进气凸轮、排气凸轮、轴颈、驱动机油泵及分电器的齿轮、推动汽油泵摇臂的偏心轮等，进气和排气凸轮是凸轮轴的重要组成部分，它们在凸轮轴上的排列顺序由进、排气道的布置来决定。

⑵正时齿轮及正时链条或正时带轮 曲轴与凸轮轴的传动通常是由正时齿轮、正时链条或正时传动带来完成的，如CA6102、BJ492Q型发动机为正时齿轮传动；北京切诺基汽车发动机为正时链条传动；上海桑塔纳汽车发动机为正时带传动。四冲程发动机曲轴旋转两周，凸轮轴应旋转应一周，使进、排气门各开、闭一次，并且气门开闭时机须与各缸工作循环的需要相适应。因此，无论是齿轮传动还是链条传动，都必须按照规定的记号装配，其记号一般为轮齿部位的凹坑。

⑶气门挺杆挺杆的作用是将凸轮的推力传给推杆或气门。挺杆的类型有菌型、筒形非液压式、筒形液压式等，筒形液压式等，筒形液压式挺杆无气门间隙，可以减少发动机的噪声，但精度要求严、成本高，多应用于高级轿车发动机。

⑷气门推杆其作用是将挺杆的推力传给摇臂，驱动气门开启。推杆的上、下端头经热处理并抛磨，以提高耐磨性；杆身有实心和空心两种。

⑸摇臂及摇臂轴总成其作用是改变推杆（下置凸轮轴式）、挺杆（中置凸轮轴式）或凸轮（上置凸轮轴式）的推力方向，使气门开启。摇臂轴总成固定在气缸盖上部，主要由摇臂、摇臂轴支座等组成，摇臂制成两臂不等长，这样使挺杆、推杆以较小的升程就能获得气门较大的开度。摇臂长臂一端与气门杆相对应，短臂一端装有调整螺钉及螺母，用来调整气门脚间隙。摇臂轴为空心轴，与摇臂轴支座、摇臂有贯通的润滑油道，以润滑配气机构部分的摩擦表面。

一、作用

汽油发动机燃料系的作用是根据发动机不同工作情况的需要，将纯净的空气和汽油配制成适当比例的可燃混合气，送入各个气缸进行燃烧后所产生的废气排入大气中。

二、类别及性能对比

汽油机燃料系，按照可燃混合气形成方式的不同，可分为化油器式燃料系和汽油喷射式燃料系两种。两种型式的燃料的燃料系，在汽车上都有应用，汽油喷射式燃料系在汽车上得到了更快的推广。化油器式燃料系曾经在汽车上有着广泛的应用。这种结构的汽油机燃料系，具有工作可靠、结够简单、使用方便和成本较低的特点。但是，化油器不能满足现代汽车进一部降低排污和提高动力性、经济性的迫切要求，而逐渐丧失昔日的主流地位。为了克服化油器式燃料系的上述缺点，人们在发展化油器式燃料系的同时，一直在寻求别的更好的混合气形成方法。在20世纪50年代，对汽油喷射技术的研究还只是一个序幕。当时的研究重点是如何提高发动机的输出功率和瞬间反应性能，而对燃油经济性考虑少，对排放污染则尚未触及，对于电子控制系统的优点也认识不足。1967年，Bosch公司推出了D-Jetronic电子控制汽油喷射系统，迎来了发动机电控技术百花竟开的春天。排放法规出台和汽油危机这两个方面的压力，加上电子技术的飞速发展，使此后的电喷技术发展驶上了快车道。1981年，热线式空气质量流量计的推出，提高了对空燃比的控制误差。尤其是微机的加入以及微机速度、容量的提高，使控制功能越来越完善。进气道汽油喷射由简单的多点喷射技术发展到顺序喷射，进一步改善了排放和瞬态性能。多种传感器的应用，控制器能了解整个发动机的运行条件和环境条件，进而针对不同工作模式进行智能化控制。随车故障诊断系统能对喷射系统以致控制器本身进行检测，提高了使用的可靠性和维修的便利。由于这些原因，电控汽油喷射系统得到了迅速的产业化发展。相比而言，汽油喷射式燃料系具有以下优点：① 进气管道中没有狭窄的喉管，空气流动阻力小，充气性能好，有利于提高发动机的输出功率。② 混合气的各缸分配均匀性能好。③ 可以随着汽车运行工矿的变化而相应地配置最佳的可燃混合气浓度，确保发动机的动力性、经济性，特别时降低排气污染的要求。④ 具有良好的加速等过度性能。 汽油喷射式燃料系在发展过程中尚需解决的主要的问题是系统的布置复杂和制造成本较高。

基本组成

化油器式燃料系的基本组成，它可分为汽油供给装置（包括汽油箱、汽油滤清器、汽油泵）、空气供给装置（包括空气滤清器、进气消声器、冷暖风转换机构等）、混合气形成装置（化油器）、进气和排气装置（包括进气支管、排气支管和消声器）。

组成：传统式由蓄电池、发电机、点火线圈、断电器、火花塞等组成。普通式和传统式点火系统类似，只是用电子元件取代了断电器。电子点火式全部是全电子点火系统，完全取消了机械装置，由电子系统控制点火时刻，包括蓄电池、发电机、点火线圈、火花塞和电子控制系统等。

功能：在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系。

组成：水冷式由水套、水泵、散热器、风扇、节温器等组成。风冷式由风扇和散热片等组成。

功能：冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。

组成：由机油泵、集滤器、限压阀、油道、机油滤清器等组成。

功能：润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。

组成：由起动机及其附属装置组成。功能：要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。

下面以单缸发动机为例，介绍发动机的基本结构，它由汽缸10、活塞8、连杆7、曲轴3、汽缸盖11、机体、凸轮轴16、进气门25、排气门15、气门弹簧、曲轴齿形带轮等组成。往复活塞式内燃机的工作腔称作汽缸，汽缸内表面为圆柱形。在汽缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴相连，构成曲柄连杆机构。活塞在汽缸内作往复运动时，连杆推动曲轴旋转，或者相反。同时，汽缸的容积在不断的由小变大，再由大变小，如此循环不已。汽缸的顶端用汽缸盖封闭。汽缸盖上装有进气门和排气门。通过进、排气门的开闭实现向汽缸内充气和向汽缸外排气。进、排气门的开闭由凸轮轴驱动。凸轮轴由曲轴通过齿形带或齿轮驱动。构成汽缸的零件称作汽缸体，曲轴在曲轴箱内转动。

1—油底壳 2—机油 3—曲轴 4—曲轴同步带轮 5—同步带 6—曲轴箱 7—连杆 8—活塞 9—水套 10—汽缸 11—汽缸盖

12—排气管13—凸轮轴同步带轮 14—摇臂 15—排气门 16—凸轮轴 17—高压线 18—分电器 19—空气滤清器

20—化油器 21—进气管 22—点火开关23—点火线圈 24—火花塞 25—进气门 26—蓄电池 27—飞轮 28—启动机