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汽车发动机
作者:newzpp 来源: 阅读次数:10914次 发布日期:2012年12月24日

  汽车的动力来自发动机,发动机是汽车的心脏,以下介绍汽车发动机的工作方式及原理等。
  
  发动机是汽车的心脏,为汽车的行走提供动力,关系着汽车的动力性、经济性、环保性。简单来说,发动机就是一个能量转换机构,即将汽油(柴油)或天然气的热能,通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀,推动活塞作功,转变为机械能,这是发动机最基本的原理。发动机的所有结构都是为能量转换服务的,发动机伴随着汽车走过了100多年的历史,无论是在设计、制造、工艺还是在性能、控制方面都有很大的提高,但其基本原理仍然没有改变。这是一个富于创造的时代,那些发动机的设计者们,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,现在的汽车发动机不仅注重汽车动力的体现,更加注重能源消耗、尾气排放等与环境保护相关的方面,从而使人们在悠闲的享受汽车文化的同时,也能保护环境、节约资源。
  
  术语
  
  上止点
  
  活塞顶所能到达的最高点位置。
  
  下止点
  
  活塞顶所能到达的最低点位置。
  
  活塞行程
  
  上、下止点间的距离。
  
  冲程
  
  活塞完成一个行程的过程叫冲程。
  
  燃烧室容积
  
  活塞位于上止点时,活塞顶上方的空间。
  
  气缸工作容积
  
  活塞从上止点运行到下止点所让出的容积。
  
  多气缸发动机,各气缸工作容积之和,叫发动机工作容积,也叫发动机排量。
  
  气缸总容积
  
  活塞位于下止点时,活塞顶上方的容积。
  
  压缩比
  
  气缸总容积与燃烧室容积的比值。
  
  压缩比表示进入气缸内的气体被压缩的程度,它是发动机的一个重要参数。在一定范围内适当提高压缩比,可以改善发动机的经济性和动力性。汽油发动机的压缩比一般为6~10,柴油发动机的压缩比一般为16~22。
  
  工作循环
  
  汽车的每一个工作循环包括进气、压缩、作功和排气过程,即完成进气、压缩、作功和排气四个过程叫一个工作循环。
  
  工作方式
  
  工作方式是指的这款发动机的特征,分为:自然吸气、涡轮增压、机械增压和双增压。
  
  1、自然吸气就不用解释了,就是利用负压来自主把空气吸入发动机。
  
  2、涡轮增压利用排气的废气推动涡轮,强制把空气压入汽缸。
  
  3、机械增压是发动机直接输出一个传动轴连通增压器,强制把空气压入汽缸。
  
  4、机械+涡轮增压,顾名思义就是含有这两种增压形式的发动机。
  
  原理
  
  四冲程汽油机
  
  往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油(diesel)。由于汽油和柴油具有不同的性质,因而在发动机的工作原理和结构上有差异。
  
  一.四冲程汽油机工作原理
  
  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冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。
  
  ⑴进气冲程(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°。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=(0.80~0.90)0p。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340~400K。
  
  ⑵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°。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800~2000kPa,温度达600~750K。在示功图上,压缩行程为曲线a~c。
  
  ⑶做功冲程(power 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3000~6000kPa,温度TZ达2200~2800K。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300~500kPa,温度降至1200~1500K。在做功冲程,进气门、排气门均关闭,曲轴转动180°。在示功图上,做功行程为曲线c-Z-b。
  
  ⑷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°。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=(1.05~1.20)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.
  
  ⑴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=(0.85~0.95)p0,比汽油机高。进气终点温度Ta=300~340K,比汽油机低。
  
  ⑵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ε=16~22)。压缩终点的压力为3000~5000kPa,压缩终点的温度为750~1000K,大大超过柴油的自燃温度(约520K)。
  
  ⑶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100MPa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5000~9000kPa,最高温度达1800~2000K。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。
  
  ⑷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=700~900K。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。
 

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