汽车发动机原理

汽车发动机原理是什么?~

汽车发动机的工作原理主要就是把化学能转化为机械能。之所以发动机拥有充足的动力，是因为通过燃烧气缸内的燃料产生动能，使发动机气缸内的活塞往复运动，这也是一个工作循环的过程。发动机的动力是因为发动机气缸内的活塞在往复运动的同时，带动活塞上的连杆和连杆相连的曲柄燃烧，曲轴中心一直做往复的圆周运动来输出动力。

这个发动机的原理是什么？

汽车发动机的工作原理主要就是把化学能转化为机械能。
之所以发动机拥有充足的动力，是因为通过燃烧气缸内的燃料产生动能，使发动机气缸内的活塞往复运动，这也是一个工作循环的过程。
发动机的动力是因为发动机气缸内的活塞在往复运动的同时，带动活塞上的连杆和连杆相连的曲柄燃烧，曲轴中心一直做往复的圆周运动来输出动力。

一、基本理论

汽油发动机将汽油的能量转化为动能来驱动汽车，最简单的办法是通过在发动机内部燃烧汽油来获得动能。因此，汽车发动机是内燃机----燃烧在发动机内部发生。

有两点需注意：
1． 内燃机也有其他种类，比如柴油机，燃气轮机，各有各的优点和缺点。
2． 同样也有外燃机。在早期的火车和轮船上用的蒸汽机就是典型的外燃机。燃料（煤、木头、油）在发动机外部燃烧产生蒸气，然后蒸气进入发动机内部来产生动力。内燃机的效率比外燃机高不少，也比相同动力的外燃机小很多。所以，现代汽车不用蒸汽机。
相比之下，内燃机比外燃机的效率高，比燃气轮机的价格便宜，比电动汽车容易添加燃料。这些优点使得大部分现代汽车都使用往复式的内燃机。

二、燃烧是关键

汽车的发动机一般都采用4冲程。（马自达的转子发动机在此不讨论，汽车画报曾做过介绍）

4冲程分别是：进气、压缩、燃烧、排气。完成这4个过程，发动机完成一个周期(2圈)。

理解4冲程

活塞，它由一个活塞杆和曲轴相联，过程如下：

1．活塞在顶部开始，进气阀打开，活塞往下运动，吸入油气混合气
2．活塞往顶部运动来压缩油气混合气，使得爆炸更有威力。
3．当活塞到达顶部时，火花塞放出火花来点燃油气混合气，爆炸使得活塞再次向下运动。
4．活塞到达底部，排气阀打开，活塞往上运动，尾气从汽缸由排气管排出。
注意：内燃机最终产生的运动是转动的，活塞的直线往复运动最终由曲轴转化为转动，这样才能驱动汽车轮胎。

三、汽缸数

发动机的核心部件是汽缸，活塞在汽缸内进行往复运动，上面所描述的是单汽缸的运动过程，而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的（4缸、6缸、8缸比较常见）。我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类：直列、V或水平对置（当然现在还有大众集团的W型，实际上是两个V组成）。
不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用和外型上有着各自的优点和缺点，配备在相应的汽车上。

四、排量

混合气的压缩和燃烧在燃烧室里进行，活塞往复运动，你可以看到燃烧室容积的变化，最大值和最小值的差值就是排量，用升（L）或毫升（CC）来度量。汽车的排量一般在1.5L~4.0L之间。每缸排量0.5L，4缸的排量为2.0L，如果V型排列的6汽缸，那就是V6 3.0升。一般来说，排量表示发动机动力的大小。
影响因素
1.1 结构制造
汽车各零部件的设计制造和装配情况直接影响发动机的性能。这些因素主要来自于汽车生产厂家，与用户无多大关系。各汽车生产厂家的特约维修站应当把发动机在使用中出现的一些典型问题反馈到制造厂，以利于改进。
1.2 使用
正确使用是延长发动机使用寿命的必备条件。
1.2.1 载荷的选择
发动机载荷直接影响其零部件的强度及寿命，增加载荷时，各总成的工作负荷也随之增加，磨损量增大；如果是初驶车辆，磨损会更大。新车或大修后的车辆，为了限制其初驶期的最高速度，减少负荷，延长发动机使用寿命，一般都在化油器上安装限速片。如果过早地拆除限速片，将导致发动机过早出现异响、漏油、漏气及动力下降，使发动机的使用周期缩短。
1.2.2 燃油和润滑油的选择
燃油的选用必须符合本车规定的牌号，禁止使用低牌号的燃油，否则发动机工作时会产生爆震，使机件受到强烈的冲击和使零部件的附加载荷增加，从而加速机件的磨损。因爆震产生的高温、高压及冲击波还会破坏气缸壁上的润滑油膜，恶化机件的润滑。试验表明，某发动机在有爆震和无爆震下各工作200 h，经测定有爆震时气缸上部平均磨损量是无爆震的2倍多。另外，含杂质超标的燃油，同样会加速机件的磨损和腐蚀。
润滑油的选择，亦应符合发动机的工作需要，若发动机润滑油粘度较低，则润滑油压力就低，不能形成油膜，造成边界摩擦或干摩擦；若润滑油粘度过大，则流动性差，不利于冷车起动，同时润滑油通过机油滤清器到达润滑部位的时间长，使起动磨损增大。
润滑油的加注应适量，油面过高时，不但会增加运动阻力，降低功率，而且会使润滑油窜入气缸内燃烧，造成积碳过多；而润滑油过少时，油压低，难以形成油膜，又会造成干摩擦或边界摩擦，使磨损增加，轴承产生异响，甚至发生拉缸及烧瓦等严重事故。
1.2.3 冷起动和冷却水温度
当冷车起动时，特别是冬季起动车辆，应尽量采用预热措施或冷摇慢转低速升温的办法，禁止猛轰油门。因为发动机冷起动时，润滑油粘度较高，其到达润滑部位的时间较长。有资料证明，在气温为－15 ℃时，起动2 min后，润滑油才能流到连杆轴承及缸盖上的运动副等部位，在这一段时间内如猛踩油门，发动机转速就会迅速上升，润滑油未到达的部位形成干摩擦，加剧磨损。
当发动机温度过高时，润滑油变稀，不能很好的形成润滑油膜，同样会增大机件的磨损，还极易产生爆震。但也不可因水温高而盲目拆除节温器使发动机长期在低温下工作，这也会造成发动机过量磨损。
1.3 道 路
路面质量对车速的发挥、燃料的消耗及磨损有极大的影响，若路面是砂石或泥泞路时，行驶阻力是不断变化的；在阻力大时，发动机就工作在大负荷工况下，此时缸内的压力增大，磨损加剧。
1.4 气 候
在冬季，由于润滑油的粘度低，进入润滑部位慢，从而使发动机干摩擦的时间长；在酷热的夏天，汽车各零件处于热状态，在环境温度为40 ℃时，就会严重影响电气元件的性能，使点火系不能正常工作；另外，由于高温，润滑油变稀，油膜难以形成，使发动机干摩擦的倾向性增大。
1.5 驾 驶
驾驶技术的熟练与否也影响发动机的性能和使用寿命。
1.5.1 挡位的选择
在行驶中应掌握“高速挡不硬撑”，否则发动机长时间高速运转，使发动机没有余力，稳定性差，产生扭振和冲击，造成机件损伤；“低速挡不硬冲”，否则发动机温度增高，造成早燃及爆燃等现象，导致发动机早期磨损。
1.5.2 车速的选择
车速对各运动副的磨损量影响较大，磨损量取决于相对运动速度、正压力和摩擦系数。在高速时，活塞平均线速度较大，故相对缸体的磨损就大，尤其是燃烧不好时，碳粒形成的磨粒使磨损增大。车速低时，由于润滑油压力低，油膜刚度小，润滑条件差，也会使磨损量加大。
1.6 维护保养质量
加强对发动机的维护保养是延长发动机寿命的重要举措。除日常检查保养的项目外，要重点把好发动机的“入口”关，保持“三滤”(机油滤清器、汽车滤清器、空气滤清器)的清洁。如果“三滤”出现故障，空气中的灰尘及润滑油和燃油中的杂质大量进入气缸，从而加剧了磨料磨损。实践表明，如果空气滤清器失效，若在我国的西北或华北地区行车一天进入气缸的灰尘可高达30 g，气缸的磨损量将比正常的大100倍。

2 对 策
2.1 正确驾驶车辆
适时换挡；切忌超载；尽可能减少发动机的冷起动次数；保持一定的冷却水温度；合理选择车速。
2.2 合理选用燃油和润滑油
2.3 加强对发动机维护和定期保养

所以增加汽缸数量或增加每个汽缸燃烧室的容积可以获得更多的动力。

五、发动机的其他部分

凸轮轴 控制进气阀和排气阀的开闭
火花塞 火花塞放出火花点燃油气混合气，使得爆炸发生。火花必须在适当的时候放出。
阀门 进气、出气阀分别在适当的时候打开来吸入油气混合气和排出尾气。在压缩和
燃烧时，这两个阀都是关闭的，来保证燃烧室的密封。
活塞环 在气缸壁和活塞中提出密封：
1．防止在压缩和燃烧时油气混合气和尾气泄漏进润滑油箱。
2．防止润滑油进入汽缸内燃烧。
大多“烧机油”的汽车就是因为发动机太旧：活塞环不再密封引起的（尾气管冒青烟）
活塞杆 连接活塞环和曲轴，使得活塞和曲轴维持各自的运动。
润滑油槽 包围着曲轴，里面有相当数量的油.
作者单位：(解放军汽车管理学院 蚌埠 233011)

往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油(diesel)。由于汽油和柴油具有不同的性质，因而在发动机的工作原理和结构上有差异。
一. 四冲程汽油机工作原理
汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气，在吸气冲程被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。
(1) 吸气冲程(intake stroke)
活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°。在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增大，汽缸内气体压力从pr逐渐降低到pa，汽缸内形成一定的真空度，空气和汽油的混合气通过进气门被吸入汽缸，并在汽缸内进一步混合形成可燃混合气。由于进气系统存在阻力，进气终点 (图中a 点)汽缸内气体压力小于大气压力0 p ，即pa= (0.80～0.90) 0 p 。进入汽缸内的可燃混合气的温度，由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到340～400K。
(2) 压缩冲程(compression stroke)
压缩冲程时，进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力pc可达800～2 000kPa，温度达600～750K。在示功图上，压缩行程为曲线a～c。
(3) 做功冲程(power stroke)
当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。燃烧最高压力pZ达3 000～6 000kPa，温度TZ达2 200～2 800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，到达 b 点时，其压力降至300～500kPa，温度降至1 200～1 500K。在做功冲程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。在示功图上，做功行程为曲线c-Z-b。
(4) 排气冲程(exhaust stroke)

排气冲程时，排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。由于排气系统的阻力作用，排气终点r 点的压力稍高于大气压力，即pr=(1.05～1.20)p0。排气终点温度Tr=900～1100K。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。
二. 四冲程柴油机工作原理
四冲程柴油机和汽油机一样，每个工作循环也是由进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程组成。由于柴油机以柴油作燃料，与汽油相比，柴油自燃温度低、黏度大不易蒸发，因而柴油机采用压缩终点压燃着火，也叫压燃式点火，其工作过程及系统结构与汽油机有所不同.
(1) 进气冲程
进入汽缸的工质是纯空气。由于柴油机进气系统阻力较小，进气终点压力pa= (0.85～0.95)p0，比汽油机高。进气终点温度Ta=300～340K，比汽油机低。
(2) 压缩冲程
由于压缩的工质是纯空气，因此柴油机的压缩比比汽油机高(一般为ε=16～22)。压缩终点的压力为3 000～5 000kPa，压缩终点的温度为750～1 000K，大大超过柴油的自燃温度(约520K)。
(3) 做功冲程
当压缩冲程接近终了时，在高压油泵作用下，将柴油以10MPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升，最高达5 000～9 000kPa，最高温度达1 800～2 000K。由于柴油机是靠压缩自行着火燃烧，故称柴油机为压燃式发动机。
(4) 排气冲程
柴油机的排气与汽油机基本相同，只是排气温度比汽油机低。一般Tr=700～900K。对于单缸发动机来说，其转速不均匀，发动机工作不平稳，振动大。这是因为四个冲程中只有一个冲程是做功的，其他三个冲程是消耗动力为做功做准备的冲程。为了解决这个问题，飞轮必须具有足够大的转动惯量，这样又会导致整个发动机质量和尺寸增加。采用多缸发动机可以弥补上述不足。现代汽车用多采用四缸、六缸和八缸发动机。

一、基本理论

汽油发动机将汽油的能量转化为动能来驱动汽车，最简单的办法是通过在发动机内部燃烧汽油来获得动能。因此，汽车发动机是内燃机----燃烧在发动机内部发生。

有两点需注意:
1. 内燃机也有其他种类，比如柴油机，燃气轮机，各有各的优点和缺点。
2. 同样也有外燃机。在早期的火车和轮船上用的蒸汽机就是典型的外燃机。燃料（煤、木头、油）在发动机外部燃烧产生蒸气，然后蒸气进入发动机内部来产生动力。内燃机的效率比外燃机高不少，也比相同动力的外燃机小很多。所以，现代汽车不用蒸汽机。
相比之下，内燃机比外燃机的效率高，比燃气轮机的价格便宜，比电动汽车容易添加燃料。这些优点使得大部分现代汽车都使用往复式的内燃机。

二、燃烧是关键

汽车的发动机一般都采用4冲程。（马自达的转子发动机在此不讨论，汽车画报曾做过介绍）

4冲程分别是:进气、压缩、燃烧、排气。完成这4个过程，发动机完成一个周期(2圈)。

理解4冲程

活塞，它由一个活塞杆和曲轴相联，过程如下:

1.活塞在顶部开始，进气阀打开，活塞往下运动，吸入油气混合气
2.活塞往顶部运动来压缩油气混合气，使得爆炸更有威力。
3.当活塞到达顶部时，火花塞放出火花来点燃油气混合气，爆炸使得活塞再次向下运动。
4.活塞到达底部，排气阀打开，活塞往上运动，尾气从汽缸由排气管排出。
注意:内燃机最终产生的运动是转动的，活塞的直线往复运动最终由曲轴转化为转动，这样才能驱动汽车轮胎。

三、汽缸数

发动机的核心部件是汽缸，活塞在汽缸内进行往复运动，上面所描述的是单汽缸的运动过程，而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的（4缸、6缸、8缸比较常见）。我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类:直列、V或水平对置（当然现在还有大众集团的W型，实际上是两个V组成）。
不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用和外型上有着各自的优点和缺点，配备在相应的汽车上。

四、排量

混合气的压缩和燃烧在燃烧室里进行，活塞往复运动，你可以看到燃烧室容积的变化，最大值和最小值的差值就是排量，用升（L）或毫升（CC）来度量。汽车的排量一般在1.5L~4.0L之间。每缸排量0.5L，4缸的排量为2.0L，如果V型排列的6汽缸，那就是V6 3.0升。一般来说，排量表示发动机动力的大小。
影响因素
1.1 结构制造
汽车各零部件的设计制造和装配情况直接影响发动机的性能。这些因素主要来自于汽车生产厂家，与用户无多大关系。各汽车生产厂家的特约维修站应当把发动机在使用中出现的一些典型问题反馈到制造厂，以利于改进。
1.2 使用
正确使用是延长发动机使用寿命的必备条件。
1.2.1 载荷的选择
发动机载荷直接影响其零部件的强度及寿命，增加载荷时，各总成的工作负荷也随之增加，磨损量增大；如果是初驶车辆，磨损会更大。新车或大修后的车辆，为了限制其初驶期的最高速度，减少负荷，延长发动机使用寿命，一般都在化油器上安装限速片。如果过早地拆除限速片，将导致发动机过早出现异响、漏油、漏气及动力下降，使发动机的使用周期缩短。
1.2.2 燃油和润滑油的选择
燃油的选用必须符合本车规定的牌号，禁止使用低牌号的燃油，否则发动机工作时会产生爆震，使机件受到强烈的冲击和使零部件的附加载荷增加，从而加速机件的磨损。因爆震产生的高温、高压及冲击波还会破坏气缸壁上的润滑油膜，恶化机件的润滑。试验表明，某发动机在有爆震和无爆震下各工作200 h，经测定有爆震时气缸上部平均磨损量是无爆震的2倍多。另外，含杂质超标的燃油，同样会加速机件的磨损和腐蚀。
润滑油的选择，亦应符合发动机的工作需要，若发动机润滑油粘度较低，则润滑油压力就低，不能形成油膜，造成边界摩擦或干摩擦；若润滑油粘度过大，则流动性差，不利于冷车起动，同时润滑油通过机油滤清器到达润滑部位的时间长，使起动磨损增大。
润滑油的加注应适量，油面过高时，不但会增加运动阻力，降低功率，而且会使润滑油窜入气缸内燃烧，造成积碳过多；而润滑油过少时，油压低，难以形成油膜，又会造成干摩擦或边界摩擦，使磨损增加，轴承产生异响，甚至发生拉缸及烧瓦等严重事故。
1.2.3 冷起动和冷却水温度
当冷车起动时，特别是冬季起动车辆，应尽量采用预热措施或冷摇慢转低速升温的办法，禁止猛轰油门。因为发动机冷起动时，润滑油粘度较高，其到达润滑部位的时间较长。有资料证明，在气温为－15 ℃时，起动2 min后，润滑油才能流到连杆轴承及缸盖上的运动副等部位，在这一段时间内如猛踩油门，发动机转速就会迅速上升，润滑油未到达的部位形成干摩擦，加剧磨损。
当发动机温度过高时，润滑油变稀，不能很好的形成润滑油膜，同样会增大机件的磨损，还极易产生爆震。但也不可因水温高而盲目拆除节温器使发动机长期在低温下工作，这也会造成发动机过量磨损。
1.3 道 路
路面质量对车速的发挥、燃料的消耗及磨损有极大的影响，若路面是砂石或泥泞路时，行驶阻力是不断变化的；在阻力大时，发动机就工作在大负荷工况下，此时缸内的压力增大，磨损加剧。
1.4 气 候
在冬季，由于润滑油的粘度低，进入润滑部位慢，从而使发动机干摩擦的时间长；在酷热的夏天，汽车各零件处于热状态，在环境温度为40 ℃时，就会严重影响电气元件的性能，使点火系不能正常工作；另外，由于高温，润滑油变稀，油膜难以形成，使发动机干摩擦的倾向性增大。
1.5 驾 驶
驾驶技术的熟练与否也影响发动机的性能和使用寿命。
1.5.1 挡位的选择
在行驶中应掌握“高速挡不硬撑”，否则发动机长时间高速运转，使发动机没有余力，稳定性差，产生扭振和冲击，造成机件损伤；“低速挡不硬冲”，否则发动机温度增高，造成早燃及爆燃等现象，导致发动机早期磨损。
1.5.2 车速的选择
车速对各运动副的磨损量影响较大，磨损量取决于相对运动速度、正压力和摩擦系数。在高速时，活塞平均线速度较大，故相对缸体的磨损就大，尤其是燃烧不好时，碳粒形成的磨粒使磨损增大。车速低时，由于润滑油压力低，油膜刚度小，润滑条件差，也会使磨损量加大。
1.6 维护保养质量
加强对发动机的维护保养是延长发动机寿命的重要举措。除日常检查保养的项目外，要重点把好发动机的“入口”关，保持“三滤”(机油滤清器、汽车滤清器、空气滤清器)的清洁。如果“三滤”出现故障，空气中的灰尘及润滑油和燃油中的杂质大量进入气缸，从而加剧了磨料磨损。实践表明，如果空气滤清器失效，若在我国的西北或华北地区行车一天进入气缸的灰尘可高达30 g，气缸的磨损量将比正常的大100倍。

2 对 策
2.1 正确驾驶车辆
适时换挡；切忌超载；尽可能减少发动机的冷起动次数；保持一定的冷却水温度；合理选择车速。
2.2 合理选用燃油和润滑油
2.3 加强对发动机维护和定期保养

所以增加汽缸数量或增加每个汽缸燃烧室的容积可以获得更多的动力。

五、发动机的其他部分

凸轮轴 控制进气阀和排气阀的开闭
火花塞 火花塞放出火花点燃油气混合气，使得爆炸发生。火花必须在适当的时候放出。
阀门 进气、出气阀分别在适当的时候打开来吸入油气混合气和排出尾气。在压缩和
燃烧时，这两个阀都是关闭的，来保证燃烧室的密封。
活塞环 在气缸壁和活塞中提出密封:
1.防止在压缩和燃烧时油气混合气和尾气泄漏进润滑油箱。
2.防止润滑油进入汽缸内燃烧。
大多“烧机油”的汽车就是因为发动机太旧:活塞环不再密封引起的（尾气管冒青烟）
活塞杆 连接活塞环和曲轴，使得活塞和曲轴维持各自的运动。
润滑油槽 包围着曲轴，里面有相当数量的油.
作者单位:(解放军汽车管理学院 蚌埠 233011)。

1、发动机的主要目的是将汽油转换为运动，以便汽车能够开动。

2、活塞运动到气缸顶部，排气门打开；活塞向下运动，压缩气缸中的空气和汽油混合物。

3、活塞向上返回以压缩燃油/空气混合物。

4、达其冲程的底部后，排气门开启，废气被排出气缸并进入排气尾管。就完成了发动机工作的一个行程。

5、燃烧室是发生压缩和燃烧过程的地方，随活塞的上下运动容积发生改变。

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