发动机的工作原理

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7.23米，时速为3.5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

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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22.79千瓦、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)

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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

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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合气。

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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。

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

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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

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。

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

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料的发动机分别称为汽油机和柴油机。使用天然气、液化石油气和其它气体燃料的发动机称为气体燃料发动机。

按照冷却方式的不同，发动机可以分为水冷发动机和风冷发动机两种。利用水或冷却液作为冷却介质进行冷却的称为水冷发动机，利用空气作为冷却介质进行冷却的称为风冷发动机。

按照完成一个工作循环所需的行程数不同，内燃机可分为四行程内燃机和二行程内燃机。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机;而把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。

按照进气状态不同，活塞式内燃机可分为增压和非增压两种，若进气是在接近大气状态下进行的，则为非增压式或自然吸气式内燃机;若利用增压器将进气压力增高，进气密度增大，则为增压式内燃机。增压可以提高内燃机功率。汽油机常采用自然吸气式;柴油机为了提高功率有采用增压式的。

四、发动机的基本参数

1、排量

最常见的一个发动机参数——发动机排量。发动机排量是发动机各气缸工作容积的总和，一般用升（L）表示。而汽缸工作容积则是指活塞从上止点到下止点所扫过的气体容积，又称为单缸排量，它取决于缸径和活塞行程。发动机排量是非常重要的发动机参数，它比缸径和缸数更能代表发动机的大小，发动机的许多指标都同排气量密切相关。一般来说，排量越大，发动机输出功率越大。

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2、缸数

汽车发动机常用缸数有3缸、4缸、6缸、8缸、10缸、12缸等。

3、气缸排列形式

气缸排列形式，顾名思义，是指多气缸内燃机各个气缸排布的形式，直白的说，就是一台发动机上气缸所排出的队列形式。

主流的汽车气缸排列形式是：直列（缩写：L）；V型排列（V）；非主流的汽车气缸排列形式是W型排列（W）；水平对置发动机（H）；转子发动机（R）。

五、发动机的基本结构及布局

1、发动机的组成

汽车发动机的基本组成是由：气缸体、曲轴箱、气缸盖、汽缸垫、OHV、爆震传感器、铂金火花塞、顶置凸轮轴、分电器、缸线、活塞、火花塞、机滤、节气门、节温器、冷却系统、喷油嘴、平衡轴、启动系统、气门、曲柄连杆机构、曲轴、润滑系统、中冷器。

2、发动机的结构布局

发动机可以说是汽车上最重要的部分，而它的布置形式对于汽车的性能具有重大影响。对于轿车来说，发动机的布置位置可以简单的分为前置、中置和后置三种。目前市面上大多数车型都是采用的前置发动机，中置和后置发动机只在少数的性能跑车上使用。

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前置发动机，即发动机位前轮轴之前。前置发动机的优点是简化了车子变速器与驱动桥的结构，特别是对于目前占绝对主流的前轮驱动车型而言，发动机将动力直接输送到前轮上，省略了长长的传动轴，不但减少了功率传递损耗，也大大降低了动力传动机构的复杂性和故障率。

另外，将发动机置驾驶员的前方，在正面撞车时，发动机可以保护驾驶员免受冲击，从而提高了车的安全性。

四、发动机的常见故障及原因

1、发动机油耗过大

故障原因：

1）冷却液温度传感器失常。

2）空气流量计或进气压力传感器失常。

3）节气门位置传感器失常。

4）燃油压力过高。

5）冷起动喷油器漏油或冷起动控制失常。6）喷油器漏油。

7）氧传感器失效。

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8）点火系统故障。

9）发动机机械部件故障（缸压过低等）。

10）配气相位不正确。

11）ECU及连接器故障。

2、发动机自动熄火

故障原因：

1）进气管路真空泄漏。

2）怠速调整不当、节气门体过脏、怠速控制系统不良等造成的怠速不稳。

3）燃油压力不稳定，例如电动燃油泵电刷过度磨损或接触不良，或燃油泵滤网堵塞等。

4）废气再循环阀门阻塞或底部泄漏。

5）燃油泵电路、喷油器驱动电路等电路有接触不良等故障。

6）燃油泵继电器、EFI继电器、点火继电器不良等。

7）点火系工作不良。例如高压火弱，火花塞使用时间过久，点火正时不对，点火线圈接触不良或热态时存在匝间短路导致没有高压火花或高压火花弱，低压线路接触不良，绝缘胶损坏间

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歇搭铁等。

8）节气门位置传感器不良。

9）空气流量计或进气压力传感器有故障。

10）冷却液温度传感器、氧传感器有故障。

11）曲轴位置传感器有故障，如无转速信号(插头未插好、曲轴位置传感器信号线断、传感器定位螺钉松动、间隙失调、传感器损坏等 )；曲轴位置传感器信号齿圈断齿，会引起加速 时熄火；曲轴位置传感器内电子元件温度稳定性能差，会导致信号不正常，会引发间歇熄火故障。

12）ECU有故障。

五、发动机在国内的现状及未来发展趋势

整体处于中低端水平，在功率、安全、稳定、排放等要求上，与国际先进水平还有较大的差距。

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