第二節 往復活塞式內燃機的基本結構及基本術語
一、基本結構
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往復活塞式內燃機的工作腔稱作氣缸，氣缸內表面為圓柱形。在氣缸內作往復運動的活塞通過活塞銷與連桿的一端鉸接，連桿的另一端則與曲軸相連，構成曲柄連桿機構。因此，當活塞在氣缸內作往復運動時，連桿便推動曲軸旋轉，或者相反。同時，工作腔的容積也在不斷的由最小變到最大，再由最大變到最小，如此循環不已。氣缸的頂端用氣缸蓋封閉。在氣缸蓋上裝有進氣門和排氣門，進、排氣門是頭朝下尾朝上倒掛在氣缸頂端的。通過進、排氣門的開閉實現向氣缸內充氣和向氣缸外排氣。進、排氣門的開閉由凸輪軸控制。凸輪軸由曲軸通過齒形帶或齒輪或鏈條驅動。進、排氣門和凸輪軸以及其他一些零件共同組成配氣機構。通常稱這種結構形式的配氣機構為頂置氣門配氣機構。現代汽車內燃機無一例外地都采用頂置氣門配氣機構。構成氣缸的零件稱作氣缸體，支承曲軸的零件稱作曲軸箱，氣缸體與曲軸箱的連鑄體稱作機體。
二、基本術語
1. 工作循環
活塞式內燃機的工作循環是由進氣、壓縮、作功和排氣等四個工作過程組成的封閉過程。周而復始地進行這些過程，內燃機才能持續地作功。
2.上、下止點
活塞頂離曲軸回轉中心最遠處為上止點；活塞頂離曲軸回轉中心最近處為下止點。在上、下止點處，活塞的運動速度為零。
3.活塞行程
上、下止點間的距離 S 稱為活塞行程。曲軸的回轉半徑 R 稱為曲柄半徑。顯然，曲軸每回轉一周，活塞移動兩個活塞行程。對于氣缸中心線通過曲軸回轉中心的內燃機，其 S＝2R 。
4.氣缸工作容積
上、下止點間所包容的氣缸容積稱為氣缸工作容積。
5.內燃機排量
內燃機所有氣缸工作容積的總和稱為內燃機排量。
6.燃燒室容積
活塞位于上止點時，活塞頂面以上氣缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室，其容積稱為燃燒室容積，也叫壓縮容積。
7.氣缸總容積
氣缸工作容積與燃燒室容積之和為氣缸總容積。
| 8.壓縮比 氣缸總容積與燃燒室容積之比稱為壓縮比 e 。 壓縮比的大小表示活塞由下止點運動到上止點時，氣缸內的氣體被壓縮的程度。壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內的氣體壓力和溫度就越高。
9.工況 內燃機在某一時刻的運行狀況簡稱工況，以該時刻內燃機輸出的有效功率和曲軸轉速表示。曲軸轉速即為內燃機轉速。 10.負荷率 內燃機在某一轉速下發出的有效功率與相同轉速下所能發出的最大有效功率的比值稱為負荷率，以百分數表示。負荷率通常簡稱負荷。 | ||||||
| 第三節 往復活塞式內燃機工作原理 一、四沖程汽油機工作原理 四沖程往復活塞式內燃機在四個活塞行程內完成進氣、壓縮、作功和排氣等四個過程，即在一個活塞行程內只進行一個過程。因此，活塞行程可分別用四個過程命名。 1.進氣行程 活塞在曲軸的帶動下由上止點移至下止點。此時排氣門關閉，進氣門開啟。在活塞移動過程中，氣缸容積逐漸增大，氣缸內形成一定的真空度。空氣和汽油的混合物通過進氣門被吸入氣缸，并在氣缸內進一步混合形成可燃混合氣。 2.壓縮行程 進氣行程結束后，曲軸繼續帶動活塞由下止點移至上止點。這時，進、排氣門均關閉。隨著活塞移動，氣缸容積不斷減小，氣缸內的混合氣被壓縮，其壓力和溫度同時升高。 3.作功行程 壓縮行程結束時，安裝在氣缸蓋上的火花塞產生電火花，將氣缸內的可燃混合氣點燃，火焰迅速傳遍整個燃燒室，同時放出大量的熱能。燃燒氣體的體積急劇膨脹，壓力和溫度迅速升高。在氣體壓力的作用下，活塞由上止點移至下止點，并通過連桿推動曲軸旋轉作功。這時，進、排氣門仍舊關閉。 4.排氣行程 排氣行程開始，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，曲軸通過連桿帶動活塞由下止點移至上止點，此時膨脹過后的燃燒氣體(或稱廢氣)在其自身剩余壓力和在活塞的推動下，經排氣門排出氣缸之外。當活塞到達上止點時，排氣行程結束，排氣門關閉。
二、 四沖程柴油機工作原理 四沖程柴油機的工作循環同樣包括進氣、壓縮、作功和排氣等四個過程，在各個活塞行程中，進、排氣門的開閉和曲柄連桿機構的運動與汽油機完全相同。只是由于柴油和汽油的使用性能不同，使柴油機和汽油機在混合氣形成方法及著火方式上有著根本的差別。 1.進氣行程 在柴油機進氣行程中，被吸入氣缸的只是純凈的空氣。 2.壓縮行程 因為柴油機的壓縮比大，所以壓縮行程終了時氣體壓力高。 3.作功行程 在壓縮行程結束時，噴油泵將柴油泵入噴油器，并通過噴油器噴入燃燒室。因為噴油壓力很高，噴孔直徑很小，所以噴出的柴油呈細霧狀。細微的油滴在熾熱的空氣中迅速蒸發汽化，并借助于空氣的運動，迅速與空氣混合形成可燃混合氣。由于氣缸內的溫度遠高于柴油的自燃點，因此柴油隨即自行著火燃燒。燃燒氣體的壓力、溫度迅速升高，體積急劇膨脹。在氣體壓力的作用下，活塞推動連桿，連桿推動曲軸旋轉作功。 4.排氣行程 排氣行程開始，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，燃燒后的廢氣排出氣缸。 第三節 往復活塞式內燃機工作原理
三、二沖程汽油機工作原理 二沖程內燃機的工作循環是在兩個活塞行程即曲軸旋轉一周的時間內完成的。在四沖程內燃機中，常把排氣過程和進氣過程合稱為換氣過程。在二沖程內燃機中換氣過程是指廢氣從氣缸內被新氣掃除并取代的過程。這兩種內燃機工作循環的不同之處主要在于換氣過程。 1.第一行程活塞在曲軸帶動下由下止點移至上止點。 當活塞還處于下止點時，進氣孔被活塞關閉，排氣孔和掃氣孔開啟。這時曲軸箱內的可燃混合氣經掃氣孔進入氣缸，掃除其中的廢氣。隨著活塞向上止點運動，活塞頭部首先將掃氣孔關閉，掃氣終止。但此時排氣孔尚未關閉，仍有部分廢氣和可燃混合氣經排氣孔繼續排出，稱其為額外排氣。當活塞將排氣孔也關閉之后，氣缸內的可燃混合氣開始被壓縮。直至活塞到達上止點，壓縮過程結束。
2.第二行程活塞由上止點移至下止點。 在壓縮過程終了時，火花塞產生電火花，將氣缸內的可燃混合氣點燃。燃燒氣體膨脹作功。此時排氣孔和掃氣孔均被活塞關閉，惟有進氣孔仍然開啟。空氣和汽油經進氣孔繼續流入曲軸箱，直至活塞裙部將進氣孔關閉為止。隨著活塞繼續向下止點運動，曲軸箱容積不斷縮小，其中的混合氣被預壓縮。此后，活塞頭部先將排氣孔開啟，膨脹后的燃燒氣體已成廢氣，經排氣孔排出。至此作功過程結束，開始先期排氣。隨后活塞又將掃氣孔開啟，經過預壓縮的可燃混合氣從曲軸箱經掃氣孔進入氣缸，掃除其中的廢氣，開始掃氣過程。這一過程將持續到下一個活塞行程中掃氣孔被關閉時為止。 四、 二沖程柴油機工作原理 1．第一行程活塞由下止點移至上止點。 當活塞還處于下止點位置時，進氣孔和排氣門均已開啟。掃氣泵將純凈的空氣增壓到0.12～0.14MPa后，經空氣室和進氣孔送入氣缸，掃除其中的廢氣。廢氣經氣缸頂部的排氣門排出。當活塞上移將進氣孔關閉的同時，排氣門也關閉，進入氣缸內的空氣開始被壓縮。活塞運動至上止點，壓縮過程結束。 2．第二行程活塞由上止點移至下止點。 當壓縮過程終了時，高壓柴油經噴油器噴入氣缸，并自行著火燃燒。高溫高壓的燃燒氣體推動活塞作功。當活塞下移2/3行程時，排氣門開啟，廢氣經排氣門排出。活塞繼續下移，進氣孔開啟，來自掃氣泵的空氣經進氣孔進入氣缸進行掃氣。掃氣過程將持續到活塞上移時將進氣孔關閉為止。
五、汽油機與柴油機、四沖程與二沖程內燃機的比較 以上敘述了各類往復活塞式內燃機的簡單工作原理，從中可以看出汽油機與柴油機、四沖程與二沖程內燃機的若干異同之處。 四沖程汽油機與四沖程柴油機的共同點是： 1)每個工作循環都包含進氣、壓縮、作功和排氣等四個活塞行程，每個行程各占180°曲軸轉角，即曲軸每旋轉兩周完成一個工作循環。 2)四個活塞行程中，只有一個作功行程，其余三個是耗功行程。顯然，在作功行程曲軸旋轉的角速度要比其他三個行程時大得多，即在一個工作循環內曲軸的角速度是不均勻的。為了改善曲軸旋轉的不均勻性，可在曲軸上安裝轉動慣量較大的飛輪或采用多缸內燃機并使其按一定的工作順序依次進行工作。 兩者不同之處是： 1)汽油機的可燃混合氣在氣缸外部開始形成并延續到進氣和壓縮行程終了，時間較長。柴油機的可燃混合氣在氣缸內部形成，從壓縮行程接近終了時開始，并占小部分作功行程，時間很短。 2)汽油機的可燃混合氣用電火花點燃，柴油機則是自燃。所以又稱汽油機為點燃式內燃機，稱柴油機為壓燃式內燃機。 二沖程內燃機與四沖程內燃機相比具有下列一些特點。 1)曲軸每轉一周完成一個工作循環，作功一次。當曲軸轉速相同時，二沖程內燃機單位時間的作功次數是四沖程內燃機的兩倍。由于曲軸每轉一周作功一次，因此曲軸旋轉的角速度比較均勻。 2)二沖程內燃機的換氣過程時間短，僅為四沖程內燃機的1/3左右。另外，進、排氣過程幾乎同時進行，利用新氣掃除廢氣，新氣可能流失，廢氣也不易清除干凈。因此，二沖程內燃機的換氣質量較差。 3)曲軸箱換氣式二沖程內燃機因為沒有進、排氣門，而使結構大為簡化。 為了敘述上的方便和適應習慣上的稱謂， 本軟件用文如不特別說明，則將水冷四沖程往復活塞式內燃機簡稱為發動機。
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第四節 發動機的總體構造
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發動機是一種由許多機構和系統組成的復雜機器。無論是汽油機，還是柴油機；無論是四行程發動機，還是二行程發動機；無論是單缸發動機，還是多缸發動機，要完成能量轉換，實現工作循環，保證長時間連續正常工作，都必須具備以下一些機構和系統。
汽油機由以下兩大機構和五大系統組成，即由曲柄連桿機構，配氣機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系、點火系和起動系組成；柴油機由以上兩大機構和四大系統組成，即由曲柄連桿機構、配氣機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系和起動系組成，柴油機是壓燃的，不需要點火系。
1.曲柄連桿機構
曲柄連桿機構是發動機實現工作循環，完成能量轉換的主要運動零件。它由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。
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2.配氣機構
配氣機構的功用是根據發動機的工作順序和工作過程，定時開啟和關閉進氣門和排氣門，使可燃混合氣或空氣進入氣缸，并使廢氣從氣缸內排出，實現換氣過程。(如下左圖)
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3.冷卻系統
冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時散發出去，保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作。水冷發動機的冷卻系通常由冷卻水套、水泵、風扇、水箱、節溫器等組成。(如上右圖)
4.燃料供給系統
汽油機燃料供給系的功用是根據發動機的要求，配制出一定數量和濃度的混合氣，供入氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內排出到大氣中去；柴油機燃料供給系的功用是把柴油和空氣分別供入氣缸，在燃燒室內形成混合氣并燃燒，最后將燃燒后的廢氣排出。
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5.潤滑系統
潤滑系的功用是向作相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實現液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機件的磨損。并對零件表面進行清洗和冷卻。潤滑系通常由潤滑油道、機油泵、機油濾清器和一些閥門等組成。
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| 起動系統 |
6.點火系統
在汽油機中，氣缸內的可燃混合氣是靠電火花點燃的，為此在汽油機的氣缸蓋上裝有火花塞，火花塞頭部伸入燃燒室內。能夠按時在火花塞電極間產生電火花的全部設備稱為點火系，點火系通常由蓄電池、發電機、分電器、點火線圈和火花塞等組成。
7.起動系統
要使發動機由靜止狀態過渡到工作狀態，必須先用外力轉動發動機的曲軸，使活塞作往復運動，氣缸內的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動活塞向下運動使曲軸旋轉。發動機才能自行運轉，工作循環才能自動進行。因此，曲軸在外力作用下開始轉動到發動機開始自動地怠速運轉的全過程，稱為發動機的起動。完成起動過程所需的裝置，稱為發動機的起動系。
發動機的性能指標用來表征發動機的性能特點，并作為評價各類發動機性能優劣的依據。同時，發動機性能指標的建立還促進了發動機結構的不斷改進和創新。因此，發動機構造的變革和多樣性是與發動機性能指標的不斷完善和提高密切相關的。
一、動力性指標
動力性指標是表征發動機作功能力大小的指標，一般用發動機的有效轉矩、有效功率、轉速和平均有效壓力等作為評價發動機動力性好壞的指標。
1.有效轉矩
發動機對外輸出的轉矩稱為有效轉矩，記作 Te，單位為 N·m 。有效轉矩與曲軸角位移的乘積即為發動機對外輸出的有效功。
2.有效功率
發動機在單位時間對外輸出的有效功稱為有效功率，記作 pe 單位為 KW。它等于有效轉矩與曲軸角速度的乘積。發動機的有效功率可以用臺架試驗方法測定，也可用測功器測定有效轉矩和曲軸角速度，然后用公式計算出發動機的有效功率 pe：
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3.發動機轉速
發動機曲軸每分鐘的回轉數稱為發動機轉速，用 n 表示，單位為 r/min 。發動機轉速的高低，關系到單位時間內作功次數的多少或發動機有效功率的大小，即發動機的有效功率隨轉速的不同而改變。因此，在說明發動機有效功率的大小時，必須同時指明其相應的轉速。在發動機產品標牌上規定的有效功率及其相應的轉速分別稱作標定功率和標定轉速。發動機在標定功率和標定轉速下的工作狀況稱作標定工況。標定功率不是發動機所能發出的最大功率，它是根據發動機用途而制定的有效功率最大使用限度。同一種型號的發動機，當其用途不同時，其標定功率值并不相同。有效轉矩也隨發動機工況而變化。因此，汽車發動機以其所能輸出的最大轉矩及其相應的轉速作為評價發動機動力性的一個指標。
4.平均有效壓力
單位氣缸工作容積發出的有效功稱為平均有效壓力，記作 pme，單位為 MPa 。顯然，平均有效壓力越大，發動機的作功能力越強。
二、 經濟性指標 發動機經濟性指標包括有效熱效率和有效燃油消耗率等。 1.有效熱效率 燃料燃燒所產生的熱量轉化為有效功的百分數稱為有效熱效率，記作 ηe。顯然，為獲得一定數量的有效功所消耗的熱量越少，有效熱效率越高，發動機的經濟性越好。 2.有效燃油消耗率 發動機每輸出 1kW 的有效功所消耗的燃油量稱為有效燃油消耗率，記作 be，單位為 g/（kW·h）。
Pe—發動機的有效功率，kW。 顯然，有效燃油消耗率越低，經濟性越好。 三、強化指標 強化指標是指發動機承受熱負荷和機械負荷能力的評價指標，一般包括升功率和強化系數等。 1.升功率 發動機在標定工況下，單位發動機排量輸出的有效功率稱為升功率。升功率大，表明每升氣缸工作容積發出的有效功率大，發動機的熱負荷和機械負荷都高。 2.強化系數 平均有效壓力與活塞平均速度的乘積稱為強化系數。活塞平均速度是指發動機在標定轉速下工作時，活塞往復運動速度的平均值。 四、緊湊性指標 緊湊性指標是用來表征發動機總體結構緊湊程度的指標，通常用比容積和比質量衡量。 1.比容積 發動機外廓體積與其標定功率的比值稱為比容積。 2.比質量 發動機的干質量與其標定功率的比值稱為比質量。干質量是指未加注燃油、機油和冷卻液的發動機質量。比容積和比質量越小，發動機結構越緊湊。 五、環境指標 環境指標用來評價發動機排氣品質和噪聲水平。由于它關系到人類的健康及其賴以生存的環境，因此各國政府都制定出嚴格的控制法規，以期消減發動機排氣和噪聲對環境的污染。 六、可靠性指標 可靠性指標是表征發動機在規定的使用條件下，正常持續工作能力的指標。可靠性有多種評價方法，如首發故障行駛里程、平均故障間隔里程、主要零件的損壞率等。 七、耐久性指標 耐久性指標是指發動機主要零件磨損到不能繼續正常工作的極限時間。通常用發動機的大修里程，即發動機從出廠到第一次大修之間汽車行駛的里程數來衡量。 八、工藝性指標 工藝性指標是指評價發動機制造工藝性和維修工藝性好壞的指標。發動機結構工藝性好，則便于制造，便于維修，就可以降低生產成本和維修費用。 九、內燃機速度特性 汽車發動機的工況在很廣泛的范圍內變化。當發動機的工況(即功率和轉速)發生變化時，其性能(包括動力性、經濟性、排放性和噪聲等)也隨之改變。因此，在評價和選用發動機時就必須考察它在各種工況下的性能，才能全面判斷其好壞及能否滿足汽車的要求。 發動機性能指標隨調整狀況及運行工況而變化的關系稱為發動機特性，利用特性曲線可以簡單而又方便地評價發動機性能。 發動機的有效功率 Pe、有效轉矩 T
發動機負荷率的定義，如果利用發動機的速度特性來說明負荷率或負荷的概念就更為清楚。曲線I為外特性，曲線II、III為部分速度特性。在 n＝3500r/min時，若節氣門全開，可得到該轉速下可能發出的最大功率45KW。但如果不全開而開到II和III的位置，則同樣轉速下只能發出32KW和20KW的功率。根據上述定義，可求出 a、b、c 和 d 四個工況下的負荷值： 工況 a 負荷為零(稱為發動機空轉工況)； 工況 b 負荷＝20/45×100％＝44.4％； 工況 c 負荷＝32/45 ×100％＝71.1％； 工況 d 負荷＝45/45×100％＝100％(即發動機全負荷) |
