单缸汽油机工作原理

单缸汽油机工作原理讲义

一．四冲程汽油机的工作原理

首先我们就以单缸为例，介绍下四冲程汽油发动机的工作原理。

我们已经知道，发动机是将化学能转化为机械能的机器，它的转化过程实际上就是工作循环的过程，简单来说就是是通过燃烧气缸内的燃料，产生动能，驱动发动机气缸内的活塞往复的运动，由此带动连在活塞上的连杆和与连杆相连的曲柄，围绕曲轴中心作往复的圆周运动，而输出动力的。

现在，我们分析一下这个过程：

一个工作循环包括有四个活塞行程（所谓活塞行程就是指活塞由上止点到下止点之间的距离的过程）：进气行程、压缩行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程。

1.进气行程

在这个过程中，发动机的进气门开启，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，从而使气缸内的压力将到大气压力以下，即在气缸内造成真空吸力，这样空气便经由进气管道和进气门被吸入气缸，同时喷油嘴喷出雾化的汽油与空气充分混合。在进气终了时，气缸内的气体压力约为－。而此时气缸内的可燃混合气的温度已经升高到370-400K。

2.压缩行程

为使吸入气缸的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，即压缩行程。此时混合气压力会增加到，温度可达600-700K。

在这个行程中有个很重要的概念，就是压缩比。所谓压缩比，就是压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比。一般压缩比越大，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。一般轿车的压缩比在8-10之间，不过现在最新上市的Polo就达到了的高压缩比，因此它的扭矩表现相对不错。但是压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧情况，反而会出现暴燃和表面点火等不正常

燃烧现象（燃油质量的影响也是占有相对重要的地位，这方面我们会在以后详细讲解）。

暴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而造成的一种不正常燃烧。暴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，形成压力波，以声速向前推进。当这种压力波撞击燃烧室壁是就发出尖锐的敲缸声。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。严重暴燃是甚至会造成气门烧毁、轴瓦破裂、火花塞绝缘体被击穿等机件损坏现象。

除了暴燃，过高压缩比的发动机还可能要面对另一个问题：表面点火。这是由于缸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（也称作炽热点火或早燃）。表面点火发生时，也伴有强烈的敲缸声（较沉闷），产生的高压会使发动机负荷增加，降低寿命。

3.膨胀行程（作功行程）

在这个过程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近上止点时，火花塞发出电火花，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，此时燃气的压力和温度迅速增加。其所能达到的最大压力可达3-5MPa,相应的温度则高达2200-2800K。高温高压的燃气推动活塞由上止点向下止点运动，通过连杆使曲柄旋转并输出机械能，除了维持发动机本身继续运转外，其余即用于对外做功。在活塞的运动过程中，气缸内容积增加，气体压力和温度都迅速下降，在此行程终了时，压力降至，温度则为1300-1600K。

4.排气行程

当膨胀行程（作功行程）接近终了时，排球门开启，考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，强制降废气强制排到大气中，这就是排气行程。在此行程中，气缸内压力稍微高于大气压力，约为。当活塞到达上止点附近时，排气行程结束，此时的废气温度约为900-1200K。

由此，我们已经介绍完了发动机的一个工作循环，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。

二．二冲程发动机原理

950发动机采用的都是小型二冲程发动机,下面就二冲程发动机的工作原理和使用维护做一个简单的说明:

一、发动机构成

二冲程汽油机一般都采用预压扫气式二冲程机，冷却方式大多是风冷,也有水冷的。按作用功能分由机械、电气、供油、气流四个系统组成。

1）机械系统包括气缸、活塞组、连杆、曲轴、箱体等。作用是实现气体密封，承受气体压力及机械力，保证一定运动关系。

2）电气系统包括磁电机、点火线圈、火花塞等。其作用是由曲轴传动磁电机产生电能、完成气缸适时高压点火。

3）供油系统由油箱、油箱开关、滤油器、输油管和化油器组成。其作用是储存和提供燃油、润滑油，并使燃油与空气混合成适当配比的可燃气。

4）气流系统包括空气滤清器、进气阀门、排气消声器等，作用是提供助燃空气，带油进气缸及降低排气噪声。

二、基本工作原理

起动力传动曲轴时，活塞组受曲轴、连杆牵连，当活塞向着气缸顶部（向上）运动时，曲轴箱产生负压，空气经空气滤清器，化油器带上的燃油。通过进气阀门吸入曲轴箱，当活塞向背离气缸部（向下）运动时，曲轴箱中可燃气被压缩，当扫气口开放时，可燃气经扫气道压入气缸，活塞再次向上运动时，可燃气在气缸中被压缩，压力和温度提高，经电器点火燃烧，受热气体压力进一步提高，气体膨胀、推动活塞向下运动带动曲轴旋转、输出动力、当排气口开放时，燃烧后的废气先由压力喷出，再由扫气气流驱扫出气缸，经消声

器排出机外，进气、压缩、膨胀、排气、周而复始，曲轴就不断旋转，做功。

三、汽油机的特点和分类

“汽油机”这个名词可泛指各类动力机，产生动力的能源不同，动力机可分为电动机、风力发动机、水力发动机等。作为移动动力用的发动机，以热能转变为机械能的热力发动机最为普遍，热机的“热”是燃料通过燃烧产生的，燃烧在发动机内进行的，这种发动机称为内燃机，内燃机也有活塞式和旋转叶轮式结构，常见的内燃机是往复活塞式，随使用的燃料不同，内燃机又可分为汽油机、柴油机、煤油机等，汽油机是燃用汽油的内燃机。

往复活塞式发动机的活塞在气缸中作直线往复运动，通过连杆对曲轴销的可动联接，使曲轴传动，“往复”二字是在出现旋转活塞内燃机后才加上去的。

四、二冲程循环汽油机

活塞经过两个冲程就可完成一个工作循环的四个过程，这种汽油机称二冲程循环汽油机。

五、燃烧的必要条件

热机都需要燃烧，燃烧是可燃物质的剧烈氧化反应，同时发出有光的火焰，并放出热量的一种化学现象。

要燃烧必须同时具备三个条件：

1) 燃料

在汽油机中的燃料就是汽油。

2）助燃剂

绝大部分燃烧是以空气中的氧气作为助燃剂。

３）燃烧温度

使燃料和助燃剂开始起剧烈氧化反应的临界温度，例如普通的纸是一种燃料，处在空气中的纸既有了燃料，又有了助燃剂，当点火引燃，使纸升温到燃烧温度时，三个条件同时具备，才发生纸的燃烧，常见的燃烧是连续燃烧，它暴露在空气中，助燃剂是取之不尽的，只要保持燃烧温度和燃料供应，燃烧可一直延续下去，活塞式内燃机的燃烧是间隙燃烧，气缸中的燃料和助燃剂是封闭的、限量的，一旦烧完，燃烧立即停止，如再要燃烧，必须重新充入燃料和助燃剂，再次引燃，汽油和空气的混合气称可燃气，要提高燃烧速度，必

须提高引燃前可燃气的温度，汽油机的压缩并未使可燃气达到燃烧温度，必须点火引燃。

六、磁电机

发电机是通过线圈切割磁力线发电的。励磁磁场一般由转子产生。采用永久磁铁产生励磁磁场发电的发电机称磁电机，励磁磁场由转子产生。磁电机转子直接装在曲轴上，其转子兼作储放旋转惯性能量的风扇，对缸体作强制冷却。转子与线圈的位置不同，转子是在轴上定心的，线圈铁芯用两只螺钉固定，安装时必须校正气隙。气隙减少，点火提前角会加大；气隙增大，提前角会减小，并使点火强度减弱，气隙过大可能点不着火。气隙一般为－0.40mm，有规定的按规定值。

七、点火系统

1) 点火提前角

汽油机内的燃烧是迅速的，但总存在一定的燃烧时间。当可燃气点火引燃后，随着燃烧的进行，气体的温度和压力升高。在燃烧基本结束时，散热使气体温度逐渐下降，活塞下降也使温度降低。在升与降之间总存在着一个最大的气体压力，出现最大压力时的曲轴位置称为最大（燃烧）压力点。从点火到最大压力点，曲轴转过了一定的角度。确定了最大压力点，也就确定了点火点。以上止点为基准的点火角度称点火提前角。

若最大压力点产生在上止点前，可能产生曲轴反转。最大压力点在上止点后太近，机件受到冲击力大，易受损坏，但推动曲轴传动的作用不大，汽油机功率小，噪声大，称点火过早。最大压力点在上止点后太远，曲轴受膨胀气体作用力推动的角度减小，且最大燃烧压力也小，汽油机功率也小，称点火过迟。只有最大压力点出现在上止点后15o左右时，汽油机功率最佳，能达到这样要求的点火相位角是最佳点火角度。

对一台汽油机来说，最佳点火提前角并非是个固定值，它应随曲轴转速的提高而需稍有提高，也应随负荷的变化而变化。除指明特定外转速，一般标明的点火提前角是指怠速转速时点火提前角。

八、火花塞的故障与维护

火花塞的故障主要发生在裙部与电极。

（１）正常

正常指空燃比合适、点火提前角合适、火花塞热值合适、燃烧室燃烧正常，即无炽热点火，也无漏电断火。正常情况下，火花塞几乎无积炭，干燥，电极基本无烧蚀、呈浅褐色（铁锈色）或表面略带浅灰色细粉。维护时只要揩拭掉些微沉积残渣，可继续使用。

（２）积炭污损

积炭火花塞干燥、附有无光泽的黑色炭层沉积。严重时炭层呈毛茸状。积炭会导致漏电断火。可燃气过浓、火花塞热值偏高、点火弱或电极间隙过大都会引起积炭。清除炭层后火花塞仍可使用。

（3）过热使用

裙部干燥呈白色或浅灰色，严重时瓷管表面有局部疏松隆起。电极明显烧蚀，中心电极近端而有一圈烧蚀，并有瘤状微粒粘着。可燃气过稀、火花塞热值偏低或漏气、点火过早或汽油机过热，都会引起过热烧损，以更新为好。

（4）机油污损

火花塞头有机油，光亮油黑，湿腻。混合油中机油过多、曲轴油封漏油、火花塞热值偏低、怠速或低速运转时间过长，都会引起机油污损。无专用清洗液较难清除。火花塞的电极间隙是重要技术数据，应按说明书数值调整。无触电点火一般为－0.7mm。间隙过大，汽油机高速性能不好；过小，低速性能不好。

九、高压及高压帽

点火线圈输出高电压，用厚绝缘的高压线输送。高压线与火花塞的连接，是用铜丝弹簧连接而成。弹簧外面套橡胶接头，称高压帽。

十、二冲程汽油机的润滑

机件相互运动存在摩擦，为降低摩擦温度和机件磨损，并减少摩擦功率损失，都需要润滑。汽缸、活塞组之间产生着燃烧，温度很高，更需进行润滑。曲轴箱预压扫气式二冲程机，曲轴箱有时虽对汽缸封闭，有时却要相通的。扫气道开通时，有扫气气流高速流动，只要曲轴箱中存有积油，马上会被吹到汽缸中去。少量润滑油进入汽缸会引起汽油机冒黑烟，并加快积炭，大量机油进入汽缸会使火花塞不能点火，引起汽油机熄火。二冲程机既要润滑，又不允许有过多的机油窜入汽缸，必须采用特殊的润滑方式，并采用特殊的机油,950发动机要求使用高品质的全合成机油.

混合燃料经化油器雾化成颗粒，经受曲轴箱压缩，汽油逐渐汽化，融溶于汽油中的机油缩成更小的微粒，一部分悬浮在可燃气中，经受不完全燃烧后排出汽缸，一部分粘附于运动件摩擦面的机油起到了润滑作用，粘附于非摩擦面的机油受气流吹拂，有部分溅起，其余沿壁面逐渐滑移入汽缸，除对汽缸、活塞组有一定润滑作用外，又被扫七气流喷散。根据发动机的不同一般采用25:1, 30:1, 50:1等混合比,燃油混合后要尽快用完,长期放置的混合油不能使用.

十一、减压阀（供油）

以弹性薄片－－簧片作开闭元件的单向阀、簧片阀的开闭与曲轴转角无特定关系、只受簧片两面气体作用力的控制，是不对称开闭，活塞上行时曲轴箱出现负压，簧片被曲轴箱内外压力差顶开，进气阀开启；活塞下行时，曲轴箱内气体压力回升，当进气冲力小于一定值时，簧片内外压力差小于簧片弹力，簧片弹回阀座，进气阀门关闭，发动机的转速变动，进气冲力变动，簧片的开关时间也变动，簧片阀能开启早、关闭早，进气冲量较活塞阀充分，且阀门开闭早晚能随曲轴转速变动。

化油器的作用和分类

作用：化油器是利用汽油机进气气流，把吸出的汽油吹成微粒（雾化），使汽油增大与空气的接触面积，并迅速汽化的部件，又称汽化器。

分类：

化油器的构造型式很多，按供油部分结构分，有浮子式和膜片式。膜片式化油器没有油池，不怕翻转倾倒，因此大多数动力伞汽油机上采用这种,品牌大多为WALBRO,因有自吸泵，油箱可低于化油器。950汽油机用的是浮子式化油器。

空燃比

汽油的主要成分是C和H。理想的燃烧是C+O2→CO2（二氧化碳），2H+O→H2O（水）。在完成全燃烧时，空气（A）对燃油（F）的重量比为~。A/F称为空燃比，A/F=称理论空燃比。

气缸中的燃烧，随汽油机工作状况（简称工况）的不同，要求的空燃比也不同。实际空

燃比高于理论空燃比，即空气多于需要，称可燃气稀；实际空燃比低于理论空燃比，即空气少于需要，称可燃气浓。过浓或过稀的可燃气，燃烧效果都差，且燃烧速度降低。当空燃比约为7时，产生缺氧熄火；空燃比约为20时，产生缺油熄火。

重负荷空燃比~14.5克（空气）:1克（燃料）

节气门全开，汽油机转速被负荷压低到最大扭矩转速附近，进气流速较高速时低，进气真空度比高速低，化油器出油比高速时少，但燃烧温度较高，油耗较高。