发动机工作原理 2019-04-28 09:40:43 |
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发动机工作原理
发动机是汽车的动力源。汽车发动机大多是热能动力装置，简称热力机。热力机是借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。
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。
四冲程发动机又分为四冲程汽油机和四冲程柴油机，两者的主要区别是点火方式不同。汽油机是火花塞点火，而柴油机是压燃。
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，在进气行程被吸入汽缸，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行程、压缩行程、做功行程和排气行程内完成一个工作循环。
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。
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ε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。
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2200-2800K。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。
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。
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