发动机的工作原理和总体构造(2)

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（b）表面点火： 在火花塞点火之前，由于燃烧室内灼热表面（如排气门头
部、火花塞电极处、积碳处）点燃可燃混合气而产生的另一种 不正常燃烧现象，称为表面点火。
表面点火现象：
表面点火发生时，也伴有强烈的敲缸声（较沉闷），产生 的高压会使发动机机件机械负荷增加，寿命降低。
（c）汽油机压缩比的选择：
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（4）排气行程（540~720 CA ）：
当膨胀接近终了时,排气门打开, 靠废气的压力进行自由排气（排气 门开启时废气压力与大气压力之比 大于临界压力比-见热力学教材）,大 部分废气自行排出.活塞到达下止点 后再向上止点移动,继续将废气强制 排到大气中,排气终了时缸内压力稍 大于大气压力（排气阻力存在）,约 为0.105~0.115MPa,废气温度约为 900~1200K.
▪内燃机热效率高，体积小，重量轻，便于移动，起动性能好;
▪燃气轮机功率大，没有往复运动件，体积小，质量轻，振动小，噪声低，
吸入空气质量流率高，单位质量输出功率高，燃料适应性好，但连续燃烧，
单位燃油消耗率和制造成本均较高，适用于200kW以上的大功率坦克发动机、
航空发动机（螺旋桨式和旋翼式）。
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（2）气缸内直接喷射（GDI）：将汽油直接喷射入气缸内同空气混合成
可燃混合气并加以油喷射式汽油机）。
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（二）单缸汽油机基本结构：
曲柄连杆机构—气缸7内装有活塞8， 活塞通过活塞销10、连杆11与曲轴 14相连接。活塞在气缸内作往复直 线运动，通过连杆推动曲轴转动， 通过飞轮13对外输出作功。
带轮带动，将经过散热器冷却
后的冷却水泵入气缸7燃烧室周
围的冷却水套，经过气缸盖6中
的冷却水套，热水由气缸盖上
部2的021/出3/10水口流往散热器。
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（三）发动机基本术语
上止点（T.D.C.）： 活塞顶离曲轴中心最远处。
下止点（B.D.C.）：
活塞行程 S :
活塞顶离曲轴中心最近处。
曲柄半径 R : 上、下止点之间的距离。
由于燃烧室占有一定容积，因此在排 气终了时（上止点），不可能将废气排尽， 留下的这一部分废气称为残余废气。
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（d）排气行程
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二、四冲程柴油机工作原理
四冲程柴油机每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气 四个行程，相应地曲轴旋转了两周。
柴油的粘度比汽油大，不易蒸发，不可能用气缸外部的化油 器进行雾化，因此不可能采用气缸外部形成可燃混合气的方法， 唯有在高温、高压的气缸内采用高压喷射才能将柴油在很短的时 间内完全雾化。柴油的点燃性比汽油差,不适合外部能量点燃.但 柴油的自燃温度比汽油低，因此，可燃混合气的着火方式可采用 自燃（压燃）方式.
1、外燃机：燃料在机器外部燃烧，产生的热能输入到机器内部并转变成机 械能输出的热力发动机。如蒸汽机。
2、内燃机：液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热 能，然后再将热能转变成机械能输出的热力发动机。如活塞式内燃机、燃气
轮机(按热能转变成机械能的主要构件分）。
3、比较：
▪外燃机体积大，重量重，热效率低；
历时一个活塞行程，曲轴旋转180°转角。由于有进气阻力，进气终了时缸内压
力低于大气压力，约为0.075~0.09MPa；由于气缸内的可燃混合气受上一循环残
余废气和高温零件的加热，进气终了时缸内气体温度上升到370~400K。
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（a）进气行程
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！（2）压缩行程（180~360 CA）： 为了使可燃混合气能迅速燃烧，
应在避免引起爆燃和表面点火的前提下尽可能提高压缩比， 以提高发动机功率，改善燃油经济性。
当然,压缩比的提高使发动机NOX排放气体增加,受到排气污 染法规的限制,但是汽油机可以由其它方法降低NOX排放.
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（3）作功（膨胀）行程： （360~540CA）
进、排气门仍关闭。当压缩行程接 近终了时，气缸盖上的火花塞发出电火 花，点燃被压缩的可燃混合气，放出大 量的热能，使气缸内的压力和温度迅速 增加，所能达到的最大压力PZ约为 3~5MPa，相应温度为2200~2800K。
的废气经过排气门3、排气管排入
大气中。
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点火系—气缸内的新鲜可燃混 合气经过压缩后由气缸盖上伸
入燃烧室内的火花塞5产生的 电火花点燃。
润滑系—机油泵17由配气凸轮 轴上的涡轮涡杆驱动，将油底
壳16内的机油吸入加压并经过 机油管15、润滑油道泵入到各 运动件的摩擦部位进行润滑。
冷却系—水泵9由曲轴14上的皮
3、按每个工作循环所需的活塞冲程数分： （1）四冲程发动机； （2）二冲程发动机。
4、按冷却方式分： （1）水冷发动机； （2）风冷发动机。
5、按进气方式分： （1）自然吸气式发动机（非增压式发动机）； （2）强制吸气式（增压式发动机）,又分机械增压和废气 涡轮增压；单级增压和多级增压；
6、按气缸数分： （1）单缸发动机 ； （2）多缸发动机；
使发动机发出更大功率，燃烧前必须 将可燃混合气压缩，使其容积缩小， 密度加大，温度升高。此时，进、排 气门均关闭，活塞从下止点向上止点 移动，曲轴旋转180 CA。
压缩终了时，可燃混合气的压力、 温度取决于压缩比的大小。 愈大，压 缩终了时的可燃混合气的压力、温度 愈高，燃烧速度愈快，发动机发出功 率愈大，经济性愈好，但汽油机的压 缩比过高会引起爆燃和表面点火等不 正常的燃烧现象，一般在6~9之间，现 代轿车汽油机的在9~11之间。
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（b）压缩行程
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（a）爆燃： 由于压缩比过高导致压缩终了时气体压力和温度过高，在
火花塞点火之后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现象，称为爆燃。
爆燃现象：
爆燃时，火焰以极高的速率传播，温度和压力急剧升高， 形成压力波，以声速推进，当这种压力波撞击燃烧室壁时就发 出尖锐的敲缸声。同时还会引起发动机过热、功率下降、燃油 消耗率增加等一系列不良后果，严重爆燃时甚至造成排气门烧 废、轴瓦破裂、活塞顶熔穿、火花塞绝缘体被击穿等机件损坏 现象。
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转 子 式 发 动 机 工 作 原 理
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往复活塞式内燃机:
1、按所用的燃料分： （1）液体燃料发动机；汽油机（gasoline engine）； 柴油机（diesel engine）。
（2）气体燃料发动机：压缩天然气发动机（CNG）； 液化石油气发动机（LPG）。 2、按
发火方式分：（1）点燃式发动机（如汽油机、气体燃料发动机）； （2）压燃式发动机（如柴油机）。
曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离。
气缸工作容积Vh：活（塞气从缸上排止量点 ）到。下止点所扫过的气缸容积
发动机工作容积VL：多缸发动机各气缸工作容积 的总和 （发动机排量） 。
VL=
式中：D——气缸直径（cm） S——活塞行程（cm）
i ——气缸数 燃烧室容积VC ：活塞在上止点时，活塞顶上方的气缸容积
（或气缸最小容积）。
气缸总容积Va ： 活塞在下止点时，活塞顶上方的 气缸容
积（或气缸最大容积）( Va= VC+ Vh )
压缩比 ： 气缸总容积与燃烧室容积之比。
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（ =Va / VC =1+ Vh/ VC ）
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（四）四冲程发动机的工作循环：
在发动机内，每一次将热能转变成机械能都必须经过吸入新鲜充量(空气或可 燃混合气)、压缩(当新鲜充量为空气时还要输入燃料)，使之发火燃烧而膨胀作功， 然后将生成的废气排出气缸这样一系列连续过程，称为一个工作循环。四冲程发
（一）柴油机压缩比的选择依据
柴油机压缩比远较汽油机的压缩比高，这是因为 柴油机采用压燃的着火方式，为了保证发动机良好的 冷起动性能，压缩比远较汽油机的高。
柴油机压缩比应在保证良好的冷起动性能前提下 尽可能低，因为过高的压缩比会导致发动机工作粗暴， 而且，发动机的循环热效率随着压缩比的增加已接近 缓慢，增加不明显，对燃油经济性并没有带来多大改 善.此外,压缩比的提高使发动机NOX排放气体增加,受到 排气污染法规的限制,
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• 在构造上，涡轮轴发动机也有进气道、压气机、燃烧室和尾喷管等燃 气发生器基本构造，但它一般都装有自由涡轮，如图所示，前面的是 两级普通涡轮，它带动压气机，维持发动机工作，后面的二级是自由 涡轮，燃气在其中作功，通过传动轴专门用来带动直升机的旋翼旋转， 使它升空飞行。此外，从涡轮流出来的燃气，经过尾喷管喷出，可产 生一定的推力，由于喷速不大，这种推力很小，如折合为功率，大约 仅占总功率的十分之一左右。有时喷速过小，甚至不产生什么推力, 因此退化成了排气管。。
1、化油器式汽油机：汽油和空气在化油器内混合成可燃混合气，再输入
发动机气缸并加以压缩，然后用电火花使之点火燃烧发热而作功——传统式。
2、汽油喷射式汽油机： （1）进气管内喷射（PFI）： 将汽油喷射入进气管内，同空气混合成可
燃混合气，再输入发动机气缸并加以压缩，然后用电火花使之点火燃烧发热而 作功——（现代轿车PFI电控汽油喷射式汽油机）。
比较：转子发动机与往复活塞式发动机相比，优点是取消了
连杆，发动机体积小，重量轻，转速高，吸入空气质量流率高，
单位质量输出功率高；单位气缸工作容积或单位发动机重量输
出功率大。现代转子发动机燃油消耗率水平接近往复活塞式发
动机，但高速旋转的转子气密封困难，工作可靠性、耐久性差，
制造成本高。
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高温、高压燃气推动活塞从上止点向 下止点移动，通过连杆使曲轴旋转并通过 飞轮输出机械能，除了一部分用于维持发 动机继续运转外，其余大部分机械能用于 对外作功，期间曲轴旋转180CA，膨胀终 （c）作功（膨胀）行程 了时，压力降至0.3~0.5MPa，相应温度则 降为1300~1600K。