四冲程发动机工作原理
1.基本结构组成
气缸内装有活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。
参数和概念
&O上止点：活塞运动最高位置
&O下止点：活塞最低位置
&O活塞行程：上、下止点之间的距离
&O曲柄半径：
&O气缸工作容积（气缸排量）：活塞从上止点到下止点所扫过的容积
&O发动机排量：各缸工作容积之和
3.工作原理
活塞运动过程
压力及温度变化
进排气门状态
活塞运动过程
压力及温度变化
进排气门状态
压缩比：压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比
表面点火：
活塞运动过程
压力及温度变化
进排气门状态
活塞运动过程
压力及温度变化
进排气门状态
喷油压力：1015MPA
压缩比：16---22
压缩终了空气压力：3.54.5MPA&& 发火后6---9MPa
温度：750---1000K&& 发火后：2000---2500K
转速高、质量小、工作噪声小、起动容易、制造和维修费用低
燃油消耗率高，燃油经济性差
压缩比高，燃油消耗率平均比汽油机低20%---30%，且价格低，所以燃油经济性好
转速低、质量大、制造维修费用高发动机直列四缸四冲程发动机曲拐布置简图动画演示swf
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【导读】发动机是车辆的动力源泉，是车辆的心脏。但是他们是怎么工作的呢?你或许未必知道，下面易租赁网小编以单缸汽油发动机为例，讲解一下汽油机的工作原理。
　　发动机是车辆的动力源泉，是车辆的心脏。但是他们是怎么工作的呢?你或许未必知道，下面易租赁网小编以单缸汽油发动机为例，讲解一下汽油机的工作原理。气缸内装有活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。活塞在气缸内做往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜气体和排出废气，设有进气门和排气门。
　　活塞顶离曲轴中心最远处，即活塞最高位置，称为上止点。活塞顶部离曲轴中心最近处，即活塞最低位置，称为下止点。上、下止点间的距离称为活塞行程，曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离称为曲轴半径。活塞每走一个行程相应于曲轴转角180&。对于气缸中心线通过曲轴中心线的发动机，活塞行程等于曲柄半径的两倍。
　　活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为发动机的工作容积或发动机排量，用符号VL表示。
　　四冲程发动机的工作循环包括四个活塞行程，既进气行程、压缩行程、膨胀行程(作功行程)和排气行程。
　　进气行程
　　化油器式汽油机将空气与燃料先在气缸外部的化油器中进行混合，然后再吸入气缸。进气行程中，进气门打开，排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，从而气缸内的压力降低到大气压力以下，即在气缸内造成真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。
　　压缩行程
　　为使吸入气缸内可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、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。
　　压缩终了时，活塞到达上止点，活塞上方形成很小空间，称为燃烧室。压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比，以&表示：
　　压缩比愈大，在压缩终了时混合气的压力和温度便愈高，，燃烧速度也愈快，因而发动机发出的功率愈大，经济性愈好。但压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧情况，反而会出现爆燃和表面点火等不正常燃烧现象。爆燃是由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃造成的一种不正常燃烧。爆燃时火焰以极高的速率向外传播，甚至在气体来不及膨胀的情况下，温度和压力急剧升高。同时，还会引起发动机过热，功率下降，燃油消耗量增加等一系列不良后果。表面点火是由于燃烧室内炽热表面与炽热处(如排气门头，火花塞电极，积炭处)点燃混合气产生的另一种不正常燃烧(也称为炽热点火或早燃)。表面点火发生时，也伴有强烈的敲击声(较沉闷)，产生的高压会使发动机件负荷增加，寿命降低。
　　作功行程
　　在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞即发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气被燃烧后，放出大量的热能，因此，燃气的压力和温度迅速增加，所能达到的最高压力约为3-5Mpa，相应的温度则为K。高温高压的燃气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能，除了用于维持发动机本身继续运转而外，其余即用于对外作功。
　　排气行程
　　可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个进气行程。
　　当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。在排气行程中气缸内压力稍高于大气压力，约为0.105-0.115Mpa。排气终了时，废气温度约为900-1200K。
　　由于燃烧室占有一定容积，因此在排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。
　　综上所述，四冲程汽油发动机经过进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程，完成一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，相应地曲轴旋转了两周。
(责任编辑：孔德昌)
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赞助商广告知识点：四冲程内燃机工作原理　　1.进气冲程。　　工作时进气门打开，排气门关闭，活塞由上止点运动到下止点，曲轴旋转180°，新鲜气体吸入气缸。　　2.压缩冲程。　　在进气终了，内燃机的进、排气门均关闭，气缸形成封闭系统，活塞开始向上运动，活塞由下止点运动到上止点，曲轴旋转180°，将气缸内的气体压缩，压力和温度均有很大提高。　　3.做功冲程。　　由于内燃机燃料燃烧，使缸内气体压力和温度急剧提高。气缸内高温高压气体膨胀做功，推动活塞由上止点运动到下止点，曲轴旋转180°。膨胀功经连杆由曲轴输出，从而把燃料的热能变为机械功。　　4.排气冲程。　　为了使能量转换过程连续地进行下去，缸内气体在膨胀做功以后，排气门打开活塞由下向上运动，将废气从排，气门排出。内燃机经过进气、压缩、膨胀和排气过程，完成一个工作循环。当活塞再次由上向下运动时，又开始了下一个工作循环。　　【总结】由此可见，四冲程内燃机在一个工作循环的四个行程中，只有一个行程是做功的，其余三个行程是做功的准备行程。因此单缸内燃机曲轴每转两周只有半周是由膨胀气体的作用使曲轴旋转，其余一周半则靠惯性维持转动，所以曲轴转速是不均匀的。　　在多缸四冲程内燃机中，每个气缸的工作过程是相同的，但是所有气缸的做功行程并不同时发生，如四缸内燃机，曲轴每转半周便有一个气缸在做功。这样内燃机气缸数增多，不仅功率增加，工作转速也更加平稳。学机械就是这么简单(teyouneng)　
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第三节 四冲程发动机的主要构造和工作过程
日17时15分
　　一、四冲发动机工作过程
　　发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力，汽车的动力性、经济性、环保性。简单讲发动机就是一个能量转换机构，即将汽油(柴油)的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀时，推动活塞作功，转变为机械能，这是发动机最基本原理。发动机所有结构都是为能量转换服务的，虽然发动机伴随着汽车走过了100多年的历史，无论是在设计上、制造上、工艺上还是在性能上、控制上都有很大的提高，其基本原理仍然未变，这是一个富于创造的时代，那些发动机设计者们，不断地将最新科技与发动机融为一体，把发动机变成一个复杂的机电一体化产品，使发动机性能达到近乎完善的程度，各世界著名汽车厂商也将发动机的性能作为竞争亮点，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，在吸气冲程被吸人汽缸，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。
　　(1)吸气冲程(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毅。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0p，即pa=(0援80耀0900p。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340K耀400K。
　　(2)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毅。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耀2000kPa，温度达600耀750K。在示功图上，压缩行程为曲线a耀c。
　　(3)做功冲程(powei 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kPa，温度TZ达K。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耀500kPa，温度降至K。在做功冲程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180毅。在示功图上，做功行程为曲线c-Z-b。
　　(4)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毅。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援05耀1援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。
　　(1)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援85耀0援95)p0，比汽油机高。进气终点温度Ta=300耀340K，比汽油机低。
　　(2)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(一般为着=16耀22)。压缩终点的压力为kPa，压缩终点的温度为750耀1000K，大大超过柴油的自燃温度(约520K)。
　　(3)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kPa，最高温度达K。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。
　　(4)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耀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。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。
　　(1)有效转矩
　　发动机对外输出的转矩称为有效转矩。
　　(2)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。
　　(3)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。如我国的噪声标准(GB/T)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
　　可靠性指标是表征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问。
　　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情况而变化的关系称为发动机万有特性。汽油机由两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。
　　1、曲柄连杆机构
　　组成：由汽缸体、汽缸盖、活塞、连杆曲轴和飞轮等机件组成。
　　功能：曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。
　　2、配气机构
　　组成：由气门、气门弹簧、凸轮轴、挺杆、凸轮轴传动机构等组件组成。
　　功能：配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。
　　3、燃料供给系统
　　组成：化油器式由汽油箱、汽油泵、汽油滤清器等组成。电控燃油喷射式由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统组成。
　　功能：汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供人气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。
　　4、点火系统
　　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。
　　5、冷却系统
　　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。
　　6、润滑系统
　　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。
　　7、起动系统
　　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。
　　三、发动机的保养
　　1、使用适当质量等级的润滑油对汽油发动机应根据进排气系统的附加装置和使用条件选用SD&SF级汽油机油；柴油发动机则要根据机械负荷选用CB&CD级柴油机油，选用标准以不低于生产厂家规定要求为准。
　　2、定期更换机油及滤芯
　　任何质量等级的润滑油在使用过程中油质都会发生变化。到一定里程之后，性能恶化，会给发动机带来种种问题。为了避免故障的发生，应结合使用条件定期换油，并使油量适中(一般以机油标尺上限为好)。机油从滤清器的细孔通过时把油中的固体颗粒和粘稠物积存在滤清器中。如滤清器堵塞，机油不能通过滤芯时，会胀破滤芯或打开安全阀，从旁通阀通过，仍把脏物带回润滑部位，促使发动机磨损，内部的污染加剧。
　　3、保持曲轴箱通风良好
　　现在大部分汽油机都装有PCV阀(曲轴箱强制通风装置)促使发动机换气，但窜气中的污染物&会沉积在PCV阀的周围，可能使阀堵塞。如果PCV阀堵塞则污染气体逆向流人空气滤清器，污染滤芯，使过滤能力降低，吸入的混合气过脏，更加造成曲轴箱的污染，导致燃料消耗增大，发动机磨损加大，甚至损坏发动机。因此，须定期保养PCV，清除PCV阀周围的污染物。
　　4、定期清洗曲轴箱
　　发动机在运转过程中，燃烧室内的高压未燃烧气体、酸、水份、硫和氮的氧化物经过活塞环与缸壁之间的间隙进入曲轴箱中，与零件磨损产生的金属粉末混在一起，形成油泥。量少时在油中悬浮，量大时从油中析出，堵塞滤清器和油孔，造成发动机润滑困难，引起磨损。此外，机油在高温时氧化会生成漆膜和积碳粘结在活塞上，使发动机油耗增大、功率下降，严重时使活塞环卡死而拉缸。因此，定期使用BG105(润滑系统高效快速清洗剂)清洗曲轴箱，保持发动机内部的清洁。
　　5、定期清洗燃油系统
　　燃油在通过油路供往燃烧室燃烧的过程中，不可避免地会形成胶质和积碳，在油道、化油器、喷油嘴和燃烧室中沉积下来，干扰燃油流动，破坏正常空燃比，使燃油雾化不良，造成发动机喘抖、爆振、怠速不稳、加速不良等性能问题。使用BG208(燃油系统强力高效清洗剂)清洗燃油系统，并定期使用BG202控制积碳的生成，能够始终使发动机保持最佳状态。
　　6、定期保养水箱
　　发动机水箱生锈、结垢是最常见的问题。锈迹和水垢会限制冷却液在冷却系统中的流动，降低散热作用，导致发动机过热，甚至造成发动机损坏。冷却液氧化还会形成酸性物质，腐蚀水箱的金属部件，造成水箱破损、渗漏。定期使用BG540(水箱强力高效清洗剂)清洗水箱，除去其中的锈迹和水垢，不但能保证发动机正常工作，而且延长水箱和发动机的整体寿命。
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