汽车发动机的工作原理

发动机工作过程和原理基本分析发动机是一种能量转换机构，它将燃料燃烧产生的热能转变成机械能。那么，它是怎样完成这个能量转换过程呢？也就是说它是怎样把热能转换成机械能的呢？要完成这个能量转换必须经过进气，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。即进气、压缩、作功、排气四个过程。把这四个过程叫做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。把完成一个工作循环，曲轴转两圈（720°）,活塞上下往复运动四次，称为四行程发动机。而把完成一个工作循环，曲轴转一圈（360°）,活塞上下往复运动两次，称为二行程发动机。下面介绍一下四行程发动机的工作原理和工作过程。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。（1）进气行程（图1-22）r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0.075〜0.09MPa，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（2）压缩行程（图1-23）

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0.6〜1.2MPa，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，汽油机的压缩比一般为£=6〜10。（3）作功行程（图1-24）團1切I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0.3〜0.5MPa，气体温度降低到1300〜1600K。4）排气行程（图1-25）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0.105〜0.115MPa，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。四行程柴油机的工作原理四行程柴油机和四行程汽油机的工作过程相同，每一个工作循环同样包括进气、压缩、作功和排气四个行程，但由于柴油机使用的燃料是柴油，柴油与汽油有较大的差别，柴油粘度大，不易蒸发，自燃温度低，故可燃混合气的形成，着火方式，燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机不同，下面主要分析一下柴油机和汽油机在工作过程中的不同点。四行程柴油机在进气行程中所不同的是柴油机吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气，在进气通道中没有化油器，进气阻力小，进气终了时气体压力略高于汽油机而气体温度略低于汽油机。进气终了时气体压力约为0.0785〜0.0932MPa，气体温度约为300〜370K。压缩行程压缩的也是纯空气，在压缩行程接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，柴油和空气在气缸内形成可燃混合气并着火燃烧。柴油机的压缩比比汽油机的压缩比大很多（一般为16〜22），压缩终了时气体温度和压力都比汽油机高，大大超过了柴油机的自燃温度。压缩终了时，气体压力约为3.5〜4.5MPa，气体温度约为750〜1000K，柴油机是压缩后自燃着火的，不需要点火，故柴油机又称为压燃机。柴油喷入气缸后，在很短的时间内与空气混合后便立即着火燃烧，柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的，而不象汽油机那样，混合气主要是在气缸外部的化油器中形成的。柴油机燃烧过程中气缸内出现的最高压力要比汽油机高得多，可高达6〜9MPa，最高温度也可高达2000〜2500K。作功终了时，气体压力约为0.2〜0.4MPa，气体温度约为1200〜1500K。柴油机的排气行程和汽油机一样，废气同样经排气管排入到大气中去，排气终了时，气缸内气体压力约为0.105〜0.125MPa，气体温度约为800〜1000K。柴油机与汽油机比较，柴油机的压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，同时柴油价格较低，因此，柴油机的燃料经济性能好，而且柴油机的排气污染少，排放性能较好。但它的主要缺点是转速低，质量大，噪声大，振动大，制造和维修费用高。在其发展过程中，柴油机不断发扬其优点，克服缺点，提高速度，有望得到更广泛地应用。二行程汽油机的工作原理二行程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈（360°），活塞上下往复运动的两个行程内完成的。因此，二行程发动机与四行程发动机工作原理不同，结构也不一样。例如曲轴箱换气式二行程汽油机，气缸上有三排孔，利用这三排孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、换气和排气的。工作原理如下：图1-27a表示活塞向上运动，将三排孔都关闭，活塞上部开始压缩，当活塞继续上行时，活塞下方打开了进气孔，可燃混合气进入曲轴箱（图1-27b），活塞接近上止点时（图1-27c），火花塞点燃混合气，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动，进气孔关闭，曲轴箱内的混合气受到压缩，当活塞接近下止点时，排气孔打开，排出废气，活塞再向下运动，换气孔打开，受到压缩的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内，并扫除废气（图1-27d）。二疗穆_汽专由机工作甌理a虽縮tic驕获d第一行程：活塞从下止点向上止点运动，事先已充满活塞上方气缸内的混合气被压缩，新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。第二行程：活塞从上止点向下止点运动，活塞上方进行作功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。四•二行程柴油机的工作原理二行程柴油机和二行程汽油机工作类似，所不同的是，柴油机进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。例如带有扫气泵的二行程柴油机工作过程如下（图1-28）：带扫气泵二彳亍萍亶柴亏曲机工作獗理(I箱(I箱FI?圧询Bit-23第一行程：活塞从下止点向上止点运动，行程开始前不久，进气孔和排气门均以开启，利用从扫气泵流出的空气使气缸换气。当活塞继续向上运动进气孔被关闭，排气门也关闭，空气受到压缩，当活塞接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，燃油和空气混合后燃烧，使气缸内压力增大。第二行程：活塞从上止点向下止点运动，开始时气体膨胀，推动活塞向下运动，对外作功，当活塞下行到大约2/3行程时，排气门开启，排出废气，气缸内压力降低，进气孔开启，进行换气，换气一直延续到活塞向上运动1/3行程进气孔关闭结束。五.多缸发动机的工作原理前面介绍的是单缸发动机的工作过程，而现代汽车发动机都是多缸四行程发动机，那么，多缸四行程发动机与单缸四行程发动机的工作过程有什么区别呢？就能量转换过程，发动机的每一个气缸和单缸机的工作过程是完全一样的，都要经过进气、压缩、作功和排气四个行程。但是单缸发动机的四个行程中只有一个行程作功，其余三个行程不作功，即曲轴转两圈，只有半圈作功，所以运转平稳性较差，功率越大，平稳性就越差。为了使运转平稳，单缸机一般都装有一个大飞轮。而多缸发动机的作功行程是差开的，按照工作顺序作功，即曲轴转两圈交替作功，因此，运转平稳，振动小。缸数越多，作功间隔角越小，同时参与作功的气缸越多，发动机运转越平稳。多缸机使用最多的有四缸发动机，六缸发动机和八缸发动机。汽车发动机---润滑系发动机的润滑是由润滑系来实现的。润滑系的基本任务就是将润滑油不断地供给各零件的摩擦表面，减少零件的摩擦和磨损。润滑系虽然不参加发动机功能转换，却能保证发动机正常工作，使其具有较长的使用寿命。润滑系的作用润滑系的主要作用就是对发动机主要摩擦零件进行润滑。润滑系的润滑油流经各零件表面时，还会带走零件摩擦产生的热量，洗掉零件表面的金属磨屑，空气带入的尘土及燃烧产生的炭粒等杂质(这些作用对气缸壁来说，尤为重要)。在零件表面形成的油膜，还会保护零件免受水、空气和燃气的直接作用，防止零件受到化学及氧的腐蚀，润滑油有一定的粘性，可以填补缸壁与活塞环之间的微小间隙，减少气体的泄漏，起到密封作用。所以润滑油的作用除润滑外，还具有散热、清洗、保护及密封等作用。发动机的润滑方式发动机各零件的润滑强度取决于该零件的环境、相对运动速度和承受机械负荷、热负荷的大小。根据润滑强度的不同，发动机润滑系采用下面几种润滑方式：压力润滑：利用机油泵，将具有一定压力的润滑油源源不断地送到摩擦面间。形成具有一定厚度并能承受一定机械负荷而不破裂的油膜，尽量将两摩擦零件完全隔开，实现可靠的润滑。飞溅润滑：利用发动机工作时某些运动零件(主要是曲轴与凸轮轴)飞溅起的油滴与油雾，对摩擦表面进行润滑的一种方式。飞溅润滑适合于暴露零件表面，如缸壁、凸轮等；相对运动速度较低的零件，如活塞销等；机械负荷较轻的零件，如挺柱等。气缸壁采用飞溅润滑还可防止由于润滑油压力过高，油量过大，进入燃烧室导致发动机工作条件恶化。定期润滑：对一些不太重要、分散的部位，采用定期加注润滑脂的方式进行润滑，如发动机水泵轴承、发电机、起动机及分电器等总成的润滑，即采用这种方式。润滑系的组成一般发动机的润滑系组成大体相同，由下面这些装置组成。油底壳一用来贮存润滑油。在大多数发动机上，油底壳还起到为润滑油散热的作用。机油泵一将一定量的润滑油从油底壳中抽出加压后，源源不断地送至各零件表面进行润滑，维持润滑油在润滑系中的循环。机油泵大多装于曲轴箱内，也有些柴油机将机油泵装于曲轴箱外面，机油泵都采用齿轮驱动方式，通过凸轮轴、曲轴或正时齿轮来驱动。机油滤清器一用来过滤掉润滑油中的杂质、磨屑、油泥及水分等杂物，使送到各润滑部位的都是-干净清洁的润滑油。由于过滤能力与流动阻力成正比，润滑系的滤清器按过滤能分成三种，设于润滑系不同部位。机油集滤器多为滤网式，能滤掉润滑油中粒度大的杂质，其流动阻力小，串联安装于机油泵进油口之前。机油粗滤器用来滤掉润滑油中粒度较大的杂质，其流动阻力小，串联安装于机油泵出口与主油道之间。机油细滤器能滤掉润滑油中的细小杂质，但流动阻力较大，故多与主油道并联，只有少量的润滑油通过细滤器过滤。主油道一是润滑系的重要组成部分，直接在缸体与缸盖上铸出，用来向各润滑部位输送润滑油。限压阀用来限制机油泵输出的润滑油压力。旁通阀与粗滤器并联，当粗滤器发生堵塞时，旁通阀打开，机油泵输出的润滑油直接进入主油道。机油细滤器进油限压阀用来限制进入细滤器的油量，防止因进入细滤器的油量过多，导致主油道压力降低而影响润滑。润滑系还设有机油压力表、油温表等。某些热负荷较大的发动机，如越野汽车发动机和柴油发动机上，还设有润滑油散热器，对润滑油进行散热冷却。汽车底盘(四)：四轮驱动很多人都以为四轮驱动的汽车可在任何地面上跑，想去哪里就去哪里。实际上这是夸大了四驱车的能耐，就算是HUMMER，也不敢单独在野外行驶。开过四驱越野车的朋友可能都知道，在恶劣的路面上，汽车差速器使得每一轴只有一个轮可以得到驱动，而且是在不停地打滑。所以四驱车并非万能车，你必须知道四驱系统是怎么一回事。四驱系统分类四轮驱动顾名思义就是汽车四个车轮都能得到驱动力。这样一来，发动机的动力被分配给四个车轮，遇到路况不好才不易出现车轮打滑，汽车的通过能力得到相当大地改善。四驱系统主要分成两大类：半时四驱（PartTime4WD）和全时四驱（FullTime4WD）。现时，我们使用的四驱车大多是半时四驱。只要车上有专门的两驱、四驱切换拨杆或按钮，那么，这辆就是使用半时四驱的四驱车。半时四驱是四驱车最常使用的四驱系统，基本型号（一辆四驱车可能有4-6种型号，如Pajero的五种型号的引擎、变速箱和车内饰完全不一样，车价可相差近一倍）的三菱帕杰罗、L300、L400、基本型号的陆地巡洋舰PRADO、LC100、LC70、LC75、美国JEEP、五十铃TROOPER、RODEO、铃木VITARA、JIMNY等都使用半时四驱。半时四驱的使用可分两种状态：一种是两驱，汽车只有两个车轮得到动力，与普通汽车没有区别；另一种则是四驱，此时汽车前后轴以50：50的比例平均分配动力。半时四驱历史悠久，其优点是结构简单、可靠性大，加装自由轮毂（FreeWheelHub）后更加省油。全时四驱是使汽车四个车轮一直保持有驱动力的四驱系统。若要细分全时四驱系统，可分成固定扭矩分配（前后50：50比例分配）和变扭矩分配（前后动力分配比例可变）两大类。全时四驱也有很长的历史，可靠性更大，但其耗油量较大。两种四驱系统比较半时四驱靠操作分动器实现两驱与四驱的切换。由于分动器内没有中央差速器，所以半时四轮驱动的汽车不能在硬地面（铺装路面）上使用四驱，特别是在弯道上不能顺利转弯。这是因为半时四驱在分动器内没有中央差速器，而无法把前后轴的转速调整所致。汽车转向时，前轮转弯半径比同侧的后轮要大，路程走得多，因此前轮的转速要比后轮快；以至四个车轮走的路线完全不一样，所以半时四驱只可以在车轮打滑时才挂上四驱。一回到摩擦力大的铺装路面应马上改回两驱，不然的话，轮胎、差速器、传动轴、分动器都会损坏。不少半时四驱前轮都可以装上自由轮毂（FREEWHEELHUB），这是一个很好的手动离合器，在不用四驱时，它可以断开前轮与传动半轴的连接，从而把车轮和左右传动半轴、差速器、传动轴、分动器的摩擦力都减去，达到省油和延长CVJOIN（万向节，constantvelocityjoint）和分动器齿轮寿命的目的。又可以降低车内噪声，是一个十分好的设计（WARN和ARB都有这产品给SUZUKI、LANDROVER、HILUX、PRANDO、PAJERO、NISSANCHEROKEE等半时四驱吉普车使用）。所以驾驶半时四驱车必须小心，其四驱不可以在硬路面（铺装路面）上使用；下雨天也不可以用；有冰或雪地则可以用，而一旦离开冰雪路面应马上改回两驱。全时四驱系统内有三个差速器：除了前后轴各有一个差速器外，在前后驱动轴之间还有一个中央差速器。这使全时四驱避免了半时四驱的固有问题（在硬路面不能用四驱的问题）：汽车在转向时，前后轮的转速差会被中央差速器吸收。所以，全时四驱在硬路面（铺装路面）、下雨时有更可靠的四轮抓着力，比半时四驱优越。但到了冰雪，沼泽地就必须把中央差速器锁上（否则可能无法前进）；回到不滑的硬路（铺装路），马上要把中央差速器锁解开。有些全时四驱的中央差速器比较先进，一般情况下它可以把汽车动力平分给前后轴。当车轮出现打滑时，它会自动把中央差速器锁上。在第一代RangeRover自动变速车型中就可以找到这种设备，它是大众汽车发明的粘性防滑差速器。此系统同时也常被Audi的四驱车所使用。这种系统在小车上表现很好（类似的限滑差速器在现代的四驱轿车上被广泛使用，可有效提高行驶的安全性等），但在大四驱车上，它就没有差速器手动锁来得可靠。所以，新一代RangeRover已不再使用这一系统了。另外，有一些四驱车使用看起来像全时四驱的智能四驱系统。这些系统平时是以前驱为主，当前轮打滑时，动力会部分转移后轮，帮助前轮使汽车行驶（可理解为智能的半时四驱），如本田CRV、HRV等就是使用这种系统（不少平价SUV包括CRV,HRV，凌志RX300丰田RAV4等都可能省去四驱系统而只是前轮驱动，购买时请注意）。这种系统并不可靠，但有新意（一般由前置前驱的轿车系统改进而来）。从大四驱越野车的驱动系统来看，我个人喜欢半时四驱和有手动中央差速锁的全时四驱车，其它的智能四驱系统都是没有必要的。因为，时间证明了半时四驱和全时四驱带中央差速锁是最可靠的四驱系统。无可否认，智能四驱系统十分适合小汽车用。因为一般市民开车并不需要了解驱动结构，只要汽车会走就可以了。全自动是最简单的选择。现在，有的四驱车标榜可以实现半时四驱和全时四驱的切换，我认为这是画蛇添足，只是车商为了增加新意的做法。如美国JEEP中顶级Cherokee、GrandCherokeeEvolution、日本顶级Pajero3.5GDI等。它们还都有一个共同的缺点，就是不能装上自由轮毂（FreeWheelHub），在用两驱时不能真正起到的省油作用。差速器简单说前面已多次谈到差速器，可能有人连差速是什么也不太了解。要知道差速器对汽车来说是相当重要的。你必须对它有个认识，否则很难继续深入探讨。差速器是把两个传动半轴（传动半轴直接连着左右车轮）连起来，通过齿轮组的特殊设计，两半轴（左右车轮）可以实现不同速度旋转，而不会出问题。差速器是1825年由法国人发明的。它是汽车工业发展中十分重要的一环，要是没有差速器，汽车就无法实现顺利地转弯。由于车子在转弯时左右轮转速不一样，内侧车轮转得慢、外侧车轮转得快，驱动轴如何能传递动力而不干扰车轮的正常转速呢？靠的就是差速器，如果没有差速器，汽车在路面上就不能实现转弯（差速器种类及原理，解释起来需要较大篇幅，在此不冗述）。在汽车发明的初期，道路条件很差。所以早在1902年，第一辆四驱车就已经诞生，但由于成本问题，加上CVJOJN万向节还没有达到成熟的地步，所以，四驱车并没有被大量生产。到了第一次世界大战，四驱车的可靠性得到认同，促使军队投入大量资金去制造全轮驱动的汽车。今日，全时四驱已十分流行三差速器的设计，它们可以在硬路（铺装路面）使用四驱系统而不会互相干涉。解决差速器的缺陷差速器的结构精巧，可巧妙地抵消不同车轮间的转速差，但它又有致命的弱点。就是碰到恶劣路面如沙、泥地时，只要一个车轮陷入打滑状态，差速器另一端的车轮会完全丧失动力而一动不动。为解决这个问题，你必须为你的差速器装上LSD防滑差速器或AIRLOCK气动差速锁，把差速器的齿轮组部分完全锁止,使差速作用临时失效。现代不少四驱车都装有差速器锁。在越野时可自动或手动地锁上差速器；如果你的四驱车没有差速器锁，那么，只要自己装上前后差速锁，在越野时可以发挥出真正的四驱本色。如今，有不少车装有ATRC（ACTIVETRC）、TT4（TORQUETRACK4）等牵引力控制系统。当前或后轴轮胎发生空转打滑时，汽车会对空转轮施以制动力。由于差速器的结构使得其驱动力自动转往另外一边的车轮。这看起来很方便，在理论上十分好，但在攀爬高山和沼泽地时这套系统容易出现故障。这个连HUMMER身上的TT4也不例外，有时甚至连刹车系统也同时出现故障。所以我自己的HUMMER也再加上了前后两组ARBAIRLOCK（ARB品牌的手动控制气动差速器锁，这是一种改装用的限滑差速器锁），手动的差速锁是最可靠的。L.S.D（LimitedSlipDifferential）限（防）滑差速器有许多种，但适合越野的不多。只有50%，75%和100%的限滑率才适合真正的越野。5%，25%的防滑差速器并不适合真正的越野，最起码应有50%。但50%和75%LSD在硬路U形转弯时会发出一点“滴、滴”声，因为它是用离合器的原理。而100%锁止的Airlock则是所有LSD中最好的一组，它是唯一可完全锁止差速器的装置（回到硬路面又可恢复一般差速器功能），是通过压缩空气来推动的。奔驰G系原装有三个用油压推动的差速器锁，而LC100、LC90、日产等四驱车也可以加装这种配件，Airlock在四驱车专门店都可以找到。如果你还不能理解为什么要装差速器锁的话，希望我平时玩四驱车曾出现各种车轮离地打滑的状况能帮助你理解这一原理。2H是半时四驱车在硬路面时使用的4H是半时四驱车在沙、泥、雪地时使用的4L是半时四驱车攀爬1：4以上的大斜坡或是更大的拖力和驱动扭力在野地时使用N是被拖时用的或都使用本地的PTO（PowertakeOff,除车轮外其它的动力输出），如绞盘时才可以用，因为当挂上了N,四个轮都没有动力，但如装有PT0,动力会转向PT0那里4H是全时四驱在马路上用的4HLC是全时四驱碰到有车轮打滑时使用，在沙、泥和雪地一定要把中央差速器锁上4LLC是全时四驱攀爬1：4以上的大坡或需要更大的拖力（拖动3-5吨以上卡车用）和驱动扭矩的情况下使用N和以上一样，全车没有驱动力，引擎离合器、波箱不能把动力传给分动器1、这辆LANDROVER1106X6前悬挂行程用尽了，左轮离地，差速器会把所有动力传去左轮。如果这车没有装上防滑差速器锁，只有用绞盘拖回平地。2、一般前置引擎的越野皮卡在陷入大坑时，用尽悬挂行程后轮会离地。所以，一般LSD和AIRLOCK首先一定是装在后轴。3、一般前置引