内燃机的工作原理

内燃机的工作原理
一、内燃机的构造和有关名词
为了说明内燃机的工作原理，首先介绍一下内燃机的构造和有关名词。

柴油机的主体部分为圆柱的气缸体4个，在气缸体内有上下移动的圆柱形活塞，为了防止燃烧气体泄漏，在活塞上装有密封气体的活塞环。

气缸体的上部为气缸盖，在气缸盖上有进气通道、排气通道以及进气门和排气门，进、排气门之间装有喷油器。

活塞中部装有活塞销，通过它与连杆上部相接，连杆下部连接曲轴，通过曲轴末端的飞轮输出功率。

内燃机在工作时活塞处于上下两个极端位置的示意图（略）。

（1）上止点（又叫上死点）活塞顶面位移到距离曲轴中心线最远时的位置。

（2）下止点（又叫下死点）活塞顶面位移到距离曲轴中心线最近时的位置。

（3）活塞冲程（又叫活塞行程）活塞的上止点与下止点间的距离，单位为毫米。

活塞移动一个行程时，曲轴旋转半圈（180度）。

因此，活塞冲程等于曲柄半径的两倍。

（4）燃烧室容积（又叫压缩室容积）活塞在上止点时，活塞顶以上（包括活塞顶部的凹坑）和气缸盖底部（包括气缸盖内部的辅助燃烧室）之是所构成空间的容积，单位为升。

（5）气缸工作容积活塞在上下止点位置时其间的气缸容积，单位为升。

（6）发动机排量一台内燃机各个气缸工作容积之和（对单缸内燃机其排量就是气缸工作容积），单位为升。

（7）气缸总容积活塞在下止点位置时，活塞上部所有密封容积，单位为升。

气缸总容积=燃烧室容积+气缸工作容积
（8）压缩比气缸总容积与燃烧室容积的比值
压缩比=气缸总容积/燃烧室容积。

BR>压缩比，表示活塞由下止点移到上止点时，气体在气缸内被压缩的程度。

压缩比越大，压缩时气体在气缸内被压缩得就越高。

柴油机压缩比的范围一般为16～20。

汽油机压缩比的范围一般为6～8。

二、内燃机的工作原理
内燃机的工作原理是利用燃料在气缸内燃烧产生的热能，通过气体受热膨胀推动活塞移动，再经过连杆传递到曲轴使其旋转做功。

内燃机在实际工作时，由热能到机械能的转变是无数次的连续转变。

而每次能量转变，都必须经历进气、压缩、作功和排气四个过程。

每进行一次进气、压缩、作功和排气叫做一个工作循环。

若曲轴每转两圈，活塞经过四个冲程完成一个工作循环的叫做四冲程内燃机；若曲轴每转一圈，活塞只经过两个冲程就完成一个工作循环的叫做二冲程内燃机。

（一）四冲程柴油机的工作过程四冲程柴油机的工作过程
1、进气冲程
进气冲程是实现吸进新鲜空气的过程。

靠飞轮旋转惯性的作用车动曲轴，将活塞由上止点位置逐渐拉向下止点，这时通过配气机构开启进气门、关闭排气门，随着活塞向下移动，气缸内的容积逐渐增大，产生真空吸力，新鲜空气不断地被吸进气缸。

活塞移动到下止点（即活塞移动一冲程），进气冲程结束，进气门关闭。

2、压缩冲程
在飞轮带动下，曲轴继续旋转推动活塞由下止点向上止点运动。

这时进、排气门均关闭，在活塞移动中气缸内的容积逐渐减小，而气体的压力和温度逐渐升高。

当活塞移动到上止点时，气缸内气体的压力可达到2940～4410千帕（30～45千克力.平方厘米），温度可达500～700摄试度（比柴油的自燃温度高150～250摄试度）。

至此活塞移动了第二个冲程，曲轴累计回转了一圈，压缩冲程终了。

3、作功冲程
当压缩冲程接近终了时，进、排气门继续关闭，喷油器开始向气缸内喷入雾状柴油，在
气缸内高温空气的作用下，油雾很快被蒸发，并与高温空气混合成可燃混合气体而迅速自行着火燃烧，放出大量热能，使气缸内气体受热发生猛烈膨胀，气体的压力迅速增到5900～8800千帕（60～90千克力/平方厘米），温度可达1500～2000摄试度。

从而产生很大的推力迫使活塞从上止点向下止点运动，并通过连杆使曲轴旋转，从而带动飞轮旋转，起储能作用，将柴油发出的热能转变为曲轴旋转的机械能。

随着活塞向下止点运动，气缸内气体的压力和温度下降。

至活塞移动到下止点，曲轴累计回转了一圈半，作功冲程终了。

4、排气冲程
由飞轮带动，曲轴继续旋转，活塞由下止点移向上止点，通过配气机构开启排气门，气缸中燃烧后的废气被向上运动的活塞挤压，经排气门排出气缸，排气的温度为300～500摄试度，压力为103～122千帕（1.05～1.25千克力/平方厘米），活塞到达上止点时，排气冲程结束，排气门关闭。

至此，活塞移动了四个冲程，曲轴累计回转两圈。

上述四个冲程完成后，即完成了一个工作循环。

当活塞再次从上止点移向下止点时，又开始了第二个工作循环。

这样周而复始，柴油机连续运转，不断向外输出动力。

在这个工和循环中曲轴回转了两圈，活塞经过了四个冲程，所以称这种柴油机为四冲程柴油机。

（二）四冲程汽油机的工作过程
四冲程汽油机的工作过程与四冲程柴油机的工作过程基本相同，每一个工作循环同样有进气、压缩、作功、排气四个冲程。

其主要区别有以下几点：
1、在进气过程中，进入气缸的不是纯空气，而是空气与汽油相混合的可燃混合气。

在进气通道上装有化油器，空气在进气冲程的吸力作用下，以较高的流速流经化油器，将被吸入化油器喉管的汽油吹散和雾化，形成可燃混合气进入气缸。

2、汽油机吸入的混合气是由电火花强制点火，而不是压缩自燃（压缩比较小，压力和温度都比较低，不足以引起自燃）。

在气缸兽上装有火花塞，当活塞在压缩冲程运行到临近上止点时，炎花塞在高压电的作用下产生电火花将可燃混合气点燃。

从以上柴油机和汽油机的工作过程中可以见到在工作循环中只有一个作功冲程是活塞驱动曲轴旋转而作功的，其它三个冲程都是为作功冲程作准备，均需要由曲轴带动活塞运动，要消耗一部分能量。

因此，在曲轴的一端均装有一转动惯量较大的飞轮。

在作功冲程驱动曲轴及飞轮旋转，产生转动惯量带动在气缸中运动的。

另外，单缸四冲程内燃机曲轴每旋转两圈只有半圈（作功冲程）作功，运转不均匀，所以会产生较大的震动，因此在单缸机上都有尺寸较大的、重量较重的飞轮来储存能量，保持运转的平稳性。

（三）多缸四冲程内燃机的工作过程
具有两个或两个以上气缸的内燃机称为多缸内燃机。

若单机要求较大的功率时，采用单缸内燃机则需加大气缸的直径和冲程，相应的零部件都要加大尺寸，使机器相当笨重。

运动部件的运动惯量增大，难以平衡，导致工作起来不稳定，震动较大。

因此，较大功率的内燃机，一般都不采用单缸加大缸径方式，而是采用较小缸径、多缸的型式。

由于多缸内燃机的作功冲程是相互交替均匀分配的，所以多缸比单缸内燃机旋转均匀、工作稳定。

多缸四冲程内燃机可视为由多个单缸机共用一根曲轴和一个大机体组合而成的,每个气缸与单缸机一样各自完成本身的工作循环,只是各气缸的作功冲程相互错开,使各缸的同一冲程按一定的工作顺序排列组合。

二缸四冲程内燃机曲轴的两个曲柄位于同一平面内，方位相反而相互错开180度。

三缸四冲程内燃机曲轴的曲柄夹角互为120度，其工作顺序为12--3缸或1--3--2缸两种方式。

三缸四冲程内燃机作功间隔是均匀的，在每一缸的作功冲程后都有60度的间歇时间，下缸才开始作功，三缸机运转平稳，是小缸径多缸机的发展方向。

（四）二冲程内燃机的工作过程
四冲程内燃机的曲轴旋转两圈，活塞经过了四个冲程才完成一个工作循环；而二冲程内
燃机的曲轴转一圈，活塞经过两个冲程就可完成一个工作循环，这是四冲程与二冲程内燃机的基本区别。

第一冲程：当活塞从下止点向上止点运动时，活塞起着一个上挤下吸的作用。

在运动中活塞关闭了换气孔和排气孔，在活塞的上部使进入气缸内燃机混合气受到压缩。

当活塞继续上升，活塞的下部将进气孔打开时，开始吸气，由于曲轴箱的容积不断增加，产生吸力，化油器中的可燃混合气便被吸入曲轴箱。

第二冲程：当活塞接近上止点时，火花塞点燃被压缩的可燃混合气，活塞起着上推下压作用。

在活塞上方燃气膨胀产生的压力使活塞向下移动而作功。

当活塞继续向下移动时，在活塞的下方首先关闭气孔，使曲轴箱内的可燃混合气受到挤压，当继续向下移动时，排气孔被打开，气缸中的废气受到燃气压力的作用自行排出。

当活塞再向下移动时，换气孔被打开，曲轴箱内受挤压的可燃气体经换气孔进入气缸，并帮助驱扫废气。

该扫气过程实际上是排气和进气两个工作过程的结合，一直到活塞经过下止点后，再向上运动将换气孔和排气孔封闭后才结束。

由此可知，二冲程汽油机没有一个单独的进气和排气冲程，进气和排气过程分别是与压缩和作功的过程同时进行的。

所以，二冲程汽油机曲轴转一圈，活塞走两个冲程即完成一个工作循环。