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新闻主题	发动机工作原理简单解释

 

摘要：发动机的基本工作原理是利用燃料和氧气燃烧产生的热能来产生机械能量。发动机是由活塞，连杆，缸体，曲轴，凸轮轴，点火系统，排气系统，燃油系统等几大部件组成的，它们通过某种形式的运动来产生机械能量。发动机的工作过程可以分为四个阶段：吸气，压缩，燃烧和排气。发动机是柴油发电机组的核心驱动部件，它的工作原理和操作方式对柴油发电机组的功率输出和运行起着决定性的作用。

 

一、发动机概述

 

       现代使用往复活塞式内燃机，其特点是燃料在其发动机内部燃烧，将其所产生的热能转变为机械能。外形如图1所示，基本工作原理如图2所示。

1、发动机的分类

（1）根据所用燃料不同，有柴油机（用柴油）、汽油机（用汽油）。

（2）根据工作原理可分为四冲程和二行程两种。

（3）根据气缸数目，有单缸和多缸（如2缸、4缸、6缸、8缸、12缸等）。

（4）根据气缸排列方法，有直列式、V型、星型等。

（5）根据冷却方法不届，有水冷式和风冷式。

（6）根据额定转速不同，有低速（600r/min以下）、高速（1000r/min以上）和介述两者之间的为中速。

（7）根据进气方式不同，有自吸式（或称非增压式）与增压式。

2、名词解释

（1）上死点——活塞在气缸中能达到的最上端位置。

（2）下死点——活塞在气缸中能达到的最下端位置。

活塞行程——活塞从上死点移动到下死点，或从下死点移动到上死点所运动过的距离叫活塞行程，叫冲程。常用S表示，S＝2R，即等于曲轴半径R也的两倍，相当于曲柄回转180°。

（3）气缸直径一一气缸通称直径，常用D表示，单位为mm。

（4）燃烧室容积-活塞位于上死点时，活塞顶与气缸盖底面之空间叫燃烧室，其容积为燃烧室容积，以Vc表示。

（5）气缸工作容积-活塞从上死点移动到下死点，所扫过的空间容积叫气缸的工作容积，以Vs表示，它等于Vs＝1/4－π D²S。

（7）气缸总容积-活塞在下死点时，活塞顶以上的全部空间称气缸总容积，即燃烧室容积与气缸工作容积之和，以Va表示。

（8）压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比值称为压缩比，以ε表示。压缩比越大，压缩终了时的压力与温度就越高，它是发动机的一个重要参数。

（9）标定功率（额定功率Ne）-发动机在额定转速时能向外输出的最大功率，Ne是指在一定条件下，连续12h正常运转的最大功率。单位为KW。1马力＝0.735KW。标定功率分为15分钟功率、1小时功率、12小时功率、持续功率。

      通常与发电机配套的柴油机选用12h功率和持续功率作为标定功率。当选用12h功率作为标定功率时，说明柴油机在标定功率下（标准环境状况时）连续运行时间为12h，其中包括超过10％标定功率情况下连续运行lh；当选用持续功率作为标定功率时，表示柴油机允许长期连续运行，其中包括可超过10％标定功率情况下运行lh。通常持续功率为12h功率的90％。

（10）燃油消耗率ge-是计量发动机经济性的指标，单位是g/KWh。指在1h内，输出1KW功率所消耗燃油的克数。

 

图1  柴油发动机三维几何模型图

图2  发动机工作原理示意图

 

二、柴油机原理与结构

 

1、四冲程柴油机的基本工作原理

      柴油发动机燃料燃烧的热能转变为机械能是在气缸中通过进气、压缩、作功（燃烧和膨胀）、排气四个行程（也称一个工作循环）来完成的，故称四冲程柴油发动机。

（1）进气行程

      如图3所示。此时进气门打开，排气门关闭。曲轴沿箭头方向旋转，活塞从上死点往下移动，活塞顶部让出的空间不断增大，其空间形成一定的真空度，气缸内压力低于外界大气压，于是外界空气就经过进气门被吸入气缸中。当活塞到了下死点时，曲轴回转了半转。（计180°），气缸内充满了空气，但因受空气滤清器与进气门的阻挡，气缸内压力略低于大气压。进气终了时，气缸内压力为0.07～0.1MPa，温度为5℃至30℃。

（2）压缩行程

      如图4所示。曲轴继续沿箭头方向旋转，这时进气门已经关闭，排气门仍然关看，因而活塞上行就压缩空气。空气被压缩后，由于其体积的缩小，气体的密度就增加，因而它的压力和温度都随着增加。直到活塞移动到上死点，即压缩终了。此时曲轴又回转了半周（计360°）。这时缸内气体由最大容积减少到最小的容积。当压缩终了时，压力为3～5MPa，温度可达600～700℃，大大超过了柴油在此压力下的自然温度。空气的体积也由最大的气缸总容积被压缩到最小的燃烧室容积，可见压缩比愈大，压缩力也愈大，发动机功率和经济性就能增加。但压缩比的提高是有一定限度的。否则将影响热效率并使机体受力过大导致发动机工作不正常。（压缩比的大小，已由制造厂决定，使用维护时必须保持其原有的比值）。

 

图3  柴油机进气行程(以自然吸气为例)

图4  柴油机压缩行程

 

（3）作功行程

      如图5所示。此时，进、排气门仍关闭着。气缸顶部的喷油嘴开始向气缸内喷射柴油。喷油嘴是以高压（17～21MPa的压力）将柴油喷入气缸中，故喷出的是雾状柴油。当雾化了的柴油与气缸内的高压、高温气体相遇后，很快着火燃烧并迅速蔓延，使燃烧加剧。由于热膨胀的作用，气缸内很快形成高温高压气体（最高压力6～100Pa；最高温度达1800～2000℃），推动活塞向下移动，通过曲柄连杆机构推动曲轴旋转，向外传递动力。当活塞到达下死点时，完成作功行程，同时曲轴又回转了半周（计540°），燃烧基本结束，气缸内的压力和温度急剧下降，压力降至0.2～0.5MPa，温度降至600～750℃。

（4）排气行程

      如图6所示。此时排气门打开，进气门关网，曲柄沿箭头方向继续转动，活塞则从下死点向上移动，把燃烧后的废气从气缸中经排气门排出直到上死点，这时排气结束，曲轴又回转了半周（计720°）。当活塞再往下移动时，第二次循环又开始了。如此往复运动，使柴油机不断地转动，产生动力对外作功。

      在四个行程中，只有第三个行程是作功行程，其余三个行程实为耗功行程，但又是必须的辅助行程。

 

图5  柴油机做功行程

图6  柴油机排气行程

 

2、四冲程柴油机的基本构造

      四冲程柴油机其结构型式很多，具体构造也有所区别。但发动机的总体结构基本相似。即具有带机体的两大机构和四大系统：

（1）带机体的曲轴连杆机构。

      主要包括气缸体、气缸盖、活塞、活塞环、活塞销、连杆、曲轴、飞轮、轴承和曲轴箱等。这是组合各机构使发动机借以产生动力并传递动力的机构，即通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动输出动力。

（2）配气和进排气机构。

      主要包括进气门、排气气门、凸轮轴及时规齿轮，挺杆、推杆、进气歧管、空气滤清器。排气歧管、排气管和消声器（增压式柴油机另有增压器）等。其作用是按发动机工作顺序开、闭进、排气门，使新鲜空气充入气缸中，并排出燃烧后的废气。

（3）燃料供给系统。

      主要包括柴油箱、输油泵、滤清器、喷油泵和调速器。喷油器及油管等。其作用是定时定量地向各个气缸喷射柴油，与空气混合后形成可压燃的混合气体。

（4）润滑系统。

      主要包括油底壳、机油泵、机油限压阀、机油滤清器、油压表及感压器。油温表及感温器等。其作用是将润滑油供给摩擦部位，减轻磨损，冷却机体，并清洁摩擦表面和保护摩擦表面，不受氧化和锈蚀。

（5）冷却系统。

      主要包括水散热器、水泵、水套、节温器、进水管、出水管、放水开关、水温表及感温器、风扇等。其作用是利用冷却介质把受热零件的热量及时传递到大气中，以保持发动机在适宜的温度下工作。

（6）起动系统。

      主要包括电源（蓄电池、电流电压调节器、发电机）。起动机和便于低温起动的附属装置（如进气管预热装置，压力雾化火焰起动装置，乙醚起动装置和起动预热器等）。

 

三、汽油机的原理与结构

 

1、工作原理

       四冲程汽油机的工作原理与柴油机一样，也是包括进气、压缩、作功与排气四个行程，示功图如图3、图4所示。其不同之处是燃料供给方式与点燃方式不一样，主要区别为：

① 汽油机的燃料是在进气时，随吸入的新鲜气体在汽化器内与吸出的汽油混合成各种所需混合气体再吸入气缸中压缩；

② 汽油机的压缩比也比柴油的低。ε＝6.5-7.2：1，而柴油机ε＝16～22：1；

③ 汽油机气缸中的可燃混合气体，在压缩终了时是通过安装在活塞顶部的一个火花塞发出的强烈的电火花来点燃的。

④ 柴油机与汽油机相比，柴油机热效率比较高，省油使用经济性好，使用寿命长、扭矩大，工作安全可靠。缺点是工作噪音大、粗暴，要求受力零件强度高，因而零件的尺寸和重量较大，制造成本也较高。与此相反，汽油机具有结构轻巧、制造方便、工作平稳和起动容易等优点，但不适宜重负荷工作。

2、基本结构

      四冲程汽油机的构造形式与柴油机基本相同。所不同的是因燃料（汽油）的供给方式和着火方式不一样，其系统的构造形式有一定的区别。

（1）燃料供给系统

① 汽油机的燃料供给系统的组成由汽油箱、汽油泵、汽油滤清器，汽化器（又名化油器，现在新系列的发动机全部已改为电喷）等。

② 汽化器专门用来将空气和汽油在进入汽缸前制配成各种数量和质量的混合气体，再吸入气缸。发动机的工况是通过操纵汽化器内的节气门和阻风门来控制转速与负荷的。发动机的工作状况有起动、怠速、中等负荷、全负荷、突然加速五种工况。

③ 汽油发动机为了提高进气压力，增加充气量，有些也采用增压器，使发动机的功率增加，机械效率上升，污染减少等，尤其在高原（西藏高原海拨4000m以上），或空中运行欲保持马力不变，更加需要采用增压器。

（2）点火系统

      汽油机进入气缸内的空气和汽油的混合气体是依靠电火花来点燃的。

① 点火系统的作用

      按照发动机的工作顺序，准确、可靠地产生高压电火花，点燃经压缩后的可燃混合气体。点火系统由电源（蓄电池、电流电压调节器、发电机）、点火开关（电钥匙）、点火线圈、附加电阻、电容器、分电断续器、火花塞、低压电线和高压电线组成。

② 工作原理

      发动机启动，必须打开点开关，随着外力使发动机转动（启动后也不能关闭，否则，发动机马上熄灭）。分电断续器（内由分电器、断续器、离心式调节器、真空式调节器等组成），即开始接通和切断点火线圈内的一次线圈使磁场变化，从而感应点火线圈的二次线圈使之产生高压电（约10000～18000V），再通过分电器，将高压电按发动机工作顺序引至各缸的火花塞，在火花塞间隙处跳火，点燃压缩后的混合气体。

      离心式和真空式调节器均是自动调节点火时间的机构。

 

图7  发动机示功图（P-V图）

图8  发动机压力图（P-φ图）

 

四、二冲程发动机的基本工作原理

 

      二冲程柴油机的全部工作循环是在活塞的二个冲程内即曲轴旋转一周（360°）完成的。它的进气和排气不像四冲程柴油机那样有单独的冲程，而是在压缩和作功二个冲程内进行的。在二冲程柴油机中，新鲜空气是由扫气泵压入气缸的。废气除了一部分依靠废气与大气的压力差自由地排出外，其余部分是由压入气缸中的新鲜空气所挤出，这个挤出的过程称为扫气过程。

      二冲程柴油机有直流扫气和弯流扫气等类型，但它们的工作原理都是相同的。现以气口一气阀直流扫气二冲程柴油机为例说明二冲程柴油机的工作原理。

（1）第一冲程--扫气和压缩。

      活塞从下死点上行时，在遮闭扫气口之前，新鲜空气通过扫气泵、扫气口压入气缸内，把气缸中的废气挤出。随着活塞的上行，扫气口逐渐被遮闭，当活塞把扫气口完全遮闭时（P-V图中的点1），排气阀也差不多在这时关闭，压缩过程开始进行。当活塞到达2时，喷油开始，到达上死点时，气缸内的空气压力达到3.5-4.5兆帕（35-45千克力/厘米²），温度达到700-800℃。

（2）第二冲程--工作和排气。

      当活塞到达上死点前10-300的位置时，柴油开始从喷油器以雾状喷入气缸，与气缸内的高温气体混合后，即自行发火燃烧（P-V图中2-3曲线），燃烧所产生的燃气推动活塞下行做功。燃烧时最高压力达5-8兆帕（50-80千克力/厘米²），最高温度达1600-1800℃。

（3）在以后的运行中，燃烧产物发生膨胀，直到排气阀打开时为止（点4）。排气阀打开的时间，比活塞掀开扫气口的时间稍早，这样就有一段自由排气过程（点4-5）。当扫气口打开时，气缸内的压力可以从300-500千帕（3-5克力/厘米²）降低到接近大气压力。

（4）当曲轴从点5经过点6（下死点）转到点1的期间内，气缸内进入了扫气空气，继续进行残余废气的排除工作。

（5）气缸内充气过程的终点（点1）是由扫气口和排气阀关闭的时刻来决定的，排气阀有的与进气口同时关闭，有的或稍早一点。在二冲程柴油机中，进气过程终点气缸内压力一般都高于大气压力，其值与扫气空气压力有关。

（6）活塞再上行时，第一冲程又开始，工作循环依上述程序重复进行。

 

五、多缸发动机的工作次序

 

     以上所述，无论是四冲程还是二行程发动机，每个工作循环中，只有作功行程是对外作功的，其余行程都是辅助行程。它们不仅不对外作功，而且还要消耗一部分能量（用于压缩气体和克服进、排气的阻力），这将使发动机运转不均匀，且难以起动。为了改善运转均匀性，便要应用多缸发动机。

       在多缸发动机中，各缸共用一根曲轴，每个气缸内部都进行着相同的工作循环，每个活塞都承受着作功压力而且都推动同一根曲轴旋转。如果将各缸作功行程合理地错开，就能使曲轴旋转的均匀性大大提高，飞轮的尺寸和重量，则可大为减少。

（1）如四缸四冲程发动机常用的工作次序为1-3-4-2，有的为（1-2-4-3），此时各缸的相互关系见表1。

（2）六缸四冲程发动机六个曲柄按1-5-3-6-2-4在圆周方向各间隔120°，在曲轴每两转（即720°）内各缸交替作功的间隔为720/6＝120°。各缸完成四个行程，见表2。

表1    四缸四冲程发动机（1-3-4-2）工作次序

表2    六缸四冲程发动机（1-5-3-6-2-4）工作次序

总结：

      内燃机是一种将热能转化为机械能的发动机，具有高效节能、功率密度大、启动方便、适应性强和维护简单等特点。内燃机的工作原理包括进气、压缩、燃烧和排气四个阶段，通过燃烧产生的高温高压气体推动活塞运动，从而将热能转化为机械能。内燃机广泛应用于移动电站、集装箱柴发机组以及固定式发电机组等领域。

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