发动机地工作原理

发动机的工作原理及发展趋势

摘要：

发动机在汽车生产方面起着核心性作用，而我国发动机产业由于起步较晚，相对于国外的发动机产业来说在动力性、经济性、环保性方面都不理想。近20 年来, 面对世界石油资源日趋枯竭给社会发展带来的压力，世界汽车界不停地在寻找实现汽车工业可持续发展的解决方法。

一、引言

发动机是的工业的心脏，生活的助力器，它与我们的生活密不可分。

发动机在国外的发展已有上百年的历史了，但国内的发动机制造技术却还处于起步阶段，本文主要讨论汽车发动机的发展史、工作原理、种类、故障原因及国内发动机的未来发展趋势。掌握国内发动机的工作生产需求方向，了解国内现有的发动机生产工艺，是在今后的发动机制造生产中不可缺少的基础。

二、发动机的发展史

18世纪中叶，瓦特发明了蒸气机，此后人们开始设想把蒸汽机装到车子上载人。法国的居纽是第一个将蒸汽机装到车子上的人。1770年，居纽制作了一辆三轮蒸汽机车。这辆车全长米，时速为公里,是世界上第一辆蒸汽机车。

1858年，定居在法国巴黎的里诺发明了煤气发动机，并于1860年申请了专利。发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽，使用电池和感应线圈产生电火花，用电火花将混合气点燃爆发。这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等。煤气机是内燃机的初级产品，因为煤气发动机的压缩比为零。

1867年，德国人奥托受里诺研制煤气发动机的启发，对煤气发动机进行了大量的研究，制作了一台卧式气压煤气发动机，后经过改进，于1878年在法国举办的国际展览会上展出了他制作的样品。由于该发动机工作效率高，引起了参观者极大的兴趣。在长期的研究过程中，奥托提出了内燃机的四冲程理论，为内燃机的发明奠定了理论基础。德国人奥姆勒和卡尔·本茨根据奥托发动机的原理，各自研制出具有现代意义的汽油发动机，为汽车的发展铺平了道路。

1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机，并取得了制造这种发动机的专利权。

1957年，德国人汪克尔发明了转子活塞发动机，这是汽油发动机发展的一个重要分支。转子发动机的特点是利用内转子圆外旋轮线和外转子圆内旋轮线相结合的机构，无曲轴连杆和配气机构，可将三角活塞运动直接转换为旋转运动。它的零件数比往复活塞式汽油少40%，质量轻、体积小、转速高、功率大。1958年汪克尔将外转子改为固定转子为行星运动，制成功率为千瓦、转速

为5500转/分的新型旋转活塞发动机。该机具有重要的开发价值，因而引起各国的重视。日本东洋公司（马自达公司）买下了转子发动机的样机，并把转子发动机装在汽车上，可以说，转子发动机生在德国，长在日本。

三、发动机的工作原理及分类

一、发动机的工作原理

发动机的工作原理主要包括进气、压缩、作功、排气四个过程。要完成热能向机械能的转换必须经过进气，把可燃混合气(或新鲜空气)引入气缸;然后将进入气缸的可燃混合气(或新鲜空气)压缩，压缩接近终点时点燃可燃混合气(或将柴油高压喷入气缸内形成可燃混合气并引燃);可燃混合气着火燃烧，膨胀推动活塞下行实现对外作功;最后排出燃烧后的废气。

图1. 内燃式发动机总体构造

进气、压缩、作功、排气四个过程即为发动机的一个工作循环，工作循环

不断地重复，就实现了能量转换，使发动机能够连续运转。

其中，完成一个工作循环，曲轴转1圈(360°)，活塞上下往复运动2次，称为二行程发动机。而把完成一个工作循环，曲轴转2圈(720°)，活塞上下往复运动四次，称为四行程发动机（如图1所示）。

二、四行程汽油机的工作原理

四行程汽油机的运转是按进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程的顺序不断循环反复的（如图2所示）。

1）进气行程

由于曲轴的旋转，活塞从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。进气过程开始时，活塞位于上止点，气缸内残存有上一循环未排净的废气，因此，气缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，当压力低于大气压时，在气缸内产生真空吸力，空气经空气滤清器并与化油器供给的汽油混合成可燃混合气，通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。

在进气过程中，受空气滤清器、化油器、进气管道、进气门等阻力影响，进气终了时，气缸内气体压力略低于大气压，约为～，同时受到残余废气和高温机件加热的影响，温度达到370～400K。

实际汽油机的进气门是在活塞到达上止点之前打开，并且延迟到下止点之后关闭，以便吸入更多的可燃混合气。

图2 四行程发动机内部工作原理

2）压缩行程

曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到

达上止点时压缩行程结束。此时气体的压力和温度主要随压缩比的大小而定，可燃混合气压力可达～，温度可达600～700K。

压缩比越大，压缩终了时气缸内的压力和温度越高，则燃烧速度越快，发动机功率也越大。但压缩比太高，容易引起爆燃。

所谓爆燃就是由于气体压力和温度过高，可燃混合气在没有点燃的情况下自行燃烧，且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播，造成尖锐的敲缸声。会使发动机过热，功率下降，汽油消耗量增加以及机件损坏。轻微爆燃是允许的，但强烈爆燃对发动机是很有害的。

3）作功行程

作功行程包括燃烧过程和膨胀过程，在这一行程中，进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点(即点火提前角)位置时，火花塞产生电火花点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高，最高压力可达3～5MPa，最高温度可达2200～2800K，高温高压气体膨胀，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功，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外作功。

随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度降低，当活塞运动到下止点时，作功行程结束，气体压力降低到～，气体温度降低到1300～1600K。4）排气行程

可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。当作功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，靠废气的压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排出到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。

实际汽油机的排气行程也是排气门提前打开，延迟关闭，以便排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在，不可能将废气全部排出气缸。受排气阻力的影响，排气终止时，气体压力仍高于大气压力，约为～，温度约为900～1200K。

曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。可见四行程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环，这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。

三、发动机的分类

根据所用燃料不同，发动机可以分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机。以汽油或柴油为燃料的发动机分别称为汽油机和柴油机。使用天然气、液化石