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發動機基本構造

    發動機是將某一種型式的能量轉換為機械能的機器，其作用是將液體或氣體燃燒的化學能通過燃燒后轉化為熱能，再把熱能通過膨脹轉化為機械能并對外輸出動力。發動機是一部由許多結構和系統組成的復雜機器，其結構型式多種多樣，但由于基本工作原理相同，所以其基本結構也就大同小異，發動機的總體結構圖如下所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　汽油發動機

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　柴油發動機

 汽油機通常由曲柄連桿、配氣兩大機構和燃料供給、潤滑、冷卻、點火、起動五大系統組成。柴油機通常由兩大機構和四大系統組成（無點火系）。

 1．曲柄連桿機構

    曲柄連桿機構是由氣缸體、氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸和飛輪等組成。這是發動機產生動力，并將活塞的直線往復運動轉變為曲軸旋轉運動而對外輸出動力。

 2．配氣機構

    配氣機構是由進氣門、排氣門、氣門彈簧、挺桿、凸輪軸和正時齒輪等組成。其作用是將新鮮氣體及時充入氣缸，并將燃燒產生的廢氣及時排出氣缸。 

3．燃料供給系

    由于使用的燃料不同，可分為汽油機燃料供給系和柴油機燃料供給系。

    汽油燃料供給系又分化油器式和燃油直接噴射式兩種，通常所用的化油器式燃料供給系由燃油箱、汽油泵、汽油濾清器、化油器、空氣濾清器、進排氣歧管和排氣消聲器等組成，其作用是向氣缸內供給已配好的可燃混合氣，并控制進入氣缸內可燃混合氣數量，以調節發動機輸出的功率和轉速，最后，將燃燒后廢氣排出氣缸。

    柴油機燃料供給系由燃油箱、輸油泵、噴油泵、柴油濾清器、進排氣管和排氣消聲器等組成，其作用是向氣缸內供給純空氣并在規定時刻向缸內噴入定量柴油，以調節發動機輸出功率和轉速，最后，將燃燒后廢氣排出氣缸。 

4．冷卻系

    機動車一般采用水冷卻式。水冷式由水泵、散熱器、風扇、節溫器和水套（在機體內）等組成，其作用是利用冷卻水的循環將高溫零件的熱量通過散熱器散發到大氣中，從而維持發動機電動正常工作溫度。 

5．潤滑系

    潤滑系由機油泵、濾清器、油道、油底殼等組成。其作用是將潤滑油分送至各個相對運動零件的摩擦面，以減小摩擦力，減緩機件磨損，并清洗、冷卻摩擦表面。 

6．點火系

    汽油機點火系由電源（蓄電池和發電機）、點火線圈、分電器和火花塞等組成，其作用是按規定時刻及時點燃氣缸內被壓縮的可燃混合氣。 

7．起動系

    起動系由起動機和起動繼電器等組成，用以使靜止的發動機起動并轉入自行運轉狀態。

發動機工作原理

    發動機將熱能轉變為機械能的過程，是經過進氣、壓縮、作功和排氣四個連續的過程來實現的，每進行一次這樣的過程就叫一個工作循環。凡是曲軸旋轉兩圈，活塞往復四個行程完成一個工作循環的，稱為四沖程發動機。曲軸旋轉一圈，即活塞往復兩個行程完成一個工作循環的，稱為兩沖程發動機。 

1. 四沖程汽油機的工作原理： 

(1) 進氣行程。曲軸帶動活塞從上止點向下止點運動，此時，進氣門開啟，排氣門關閉。活塞移動過程中，氣缸內容積逐漸增大，形成真空度，于是可燃混合氣通過進氣門被吸入氣缸，直至活塞到達下止點，進氣門關閉時結束。

    由于進氣系統存在進氣阻力，進氣終了時氣缸內氣體的壓力低于大氣壓力，約為0.075MPa～0.09MPa。由于氣缸壁、活塞等高溫件及上一循環留下的高溫殘余廢氣的加熱，氣體溫度升高到370K～440K。

(2) 壓縮行程。進氣行程結束時，活塞在曲軸的帶動下，從下止點向上止點運動，氣缸內容積逐漸減小。此時進、排氣門均關閉，可燃混合氣被壓縮，至活塞到達上止點時壓縮結束。壓縮過程中，氣體壓力和溫度同時升高，并使混合氣進一步均勻混合，壓縮終了時，氣缸內的壓力約為0.6MPa～1.2MPa，溫度約為600K～800K。 

(3) 作功行程。在壓縮行程末，火花塞產生電火花點燃混合氣，并迅速燃燒，使氣體的溫度、壓力迅速升高，從而推動活塞從上止點向下止點運動，通過連桿使曲軸旋轉作功，至活塞到達下止點時作功結束。

    作功開始時氣缸內氣體壓力、溫度急劇上升，瞬間壓力可達3MPa～5MPa，瞬時溫度可達2200K～2800K。 

(4) 排氣行程。在作功行程接近終了時，排氣門打開，進氣門關閉，曲軸通過連桿推動活塞從下止點向上止點運動。廢氣在自身剩余壓力和在活塞推動下，被排出氣缸，至活塞到達上止點時，排氣門關閉，排氣結束。因排氣系統存在排氣阻力，排氣沖程終了時，氣缸內壓力略高于大氣壓力，約為0.105MPa～0.115MPa，溫度約為900K～1200K。 
2．四沖程柴油機的工作原理：

    由于使用燃料的性質不同，四沖程柴油機的可燃混合氣的形成和著火方式與汽油機有很大區別。下面主要敘述柴油機與汽油機工作循環的不同之處。

(1) 進氣行程。進氣行程中進入氣缸的不是可燃混合氣，而是純空氣。 

(2) 壓縮行程。壓縮行程中將進入氣缸的純空氣壓縮，由于柴油的壓縮比大，約為15～22，壓縮終了的溫度和壓力都比汽油機高，壓力可達3MPa～5MPa，溫度可達800K～1000K。 

(3)作功行程。在壓縮行程終了時，噴油泵將高壓柴油經噴油器呈霧狀噴入氣缸內的高溫高壓空氣中，被迅速汽化并與空氣形成混合氣。由于氣缸內的溫度高于柴油的自燃溫度（約500K左右），柴油混合氣便立即自行著火燃燒，且此后一段時間內邊噴油邊燃燒，氣缸內壓力和溫度急劇升高，推動活塞下行作功。

    作功行程中，瞬時壓力可達5MPa～10MPa，瞬時溫度可達1800K～2200K。 

(4)排氣行程。此行程與汽油機基本相同。

    由上述四行程汽油機和柴油機的工作循環可知，兩種發動機工作循環的基本內容相似。四個行程中只有作功行程產生動力，其他三個行程是為作功行程做準備工作的輔助行程，都要消耗一部分能量。發動機起動時的第一個循環，必須有外力將曲軸轉動，以完成進氣和壓縮行程。當作功行程開始后，作功能量便通過曲軸儲存在飛輪內，以維持以后的循環得以繼續進行。 

3．二沖程汽油機的工作原理：

    二沖程發動機工作循環也包括進氣、壓縮、作功和排氣四個過程，但它是在活塞往復兩個行程內完成的。

(1)第一行程。活塞從下止點向上止點移動，當活塞上行至關閉換氣孔和排氣孔時，已進入氣缸的可燃混合氣被壓縮，活塞繼續上移至上止點時，壓縮結束。與此同時，活塞上行時，其下方曲軸箱內形成一定真空度。當活塞上行至進氣孔開啟時，新鮮的可燃混合氣被吸入曲軸箱，至此，第一行程結束。 

(2)第二行程。活塞接近上止點時，火花塞產生電火花點燃被壓縮的可燃混合氣。燃燒形成的高溫、高壓氣體推動活塞下行作功。當活塞下行到關閉進氣孔后，曲軸箱內的混合氣被預壓縮；活塞繼續下行至排氣孔開啟時，燃燒后廢氣靠自身壓力經排氣孔排出；緊接著，換氣孔開啟，曲軸箱內經預壓的混合氣進入氣缸，并排除氣缸內殘余廢氣。這一過程稱換氣過程，它將一直延續到下一行程活塞再上行關閉換氣孔和排氣孔為止。活塞下行到下止點時，第二行程結束。

    由上兩個行程可知：第一行程時，活塞上方進行換氣、壓縮，活塞下方進行進氣；第二行程時，活塞上方進行作功、換氣，活塞下方預壓混合氣。換氣過程跨越二個行程。

發動機活塞

    活塞的主要作用是承受氣缸中氣體壓力并通過活塞銷和連桿傳給曲軸。此外，活塞還與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室，

  由于活塞頂部直接與高溫燃氣接觸，承受很高的熱負荷；活塞還承受周期性變化的的氣體壓力和慣性力的作用， 因此要求活塞應有足夠的強度和剛度，質量盡可能小，導熱性能要好，要有良好的耐熱性、耐磨性，溫度變化時，尺寸及形狀的變化要小。

    汽車發動機目前廣泛采用的活塞材料是鋁合金，有的柴油機上也采用合金鑄鐵或耐熱鋼制造活塞。

    活塞的基本結構可分為頂部、頭部和裙部三個部分。 

1.活塞頂部。活塞頂部是燃燒室的組成部分，用來承受氣體壓力。根據不同的目的和要求，活塞頂部制成各種不同的形狀：常見的有平頂活塞、、凸頂活塞、凹頂活塞及成型頂活塞。 

(2)活塞頭部。活塞頭部是活塞環槽以上的部分。其主要作用是承受氣體壓力，并傳給連桿；與活塞環一起實現對氣缸的密封；將活塞頂所吸收的熱量通過活塞環傳給氣缸壁。

    活塞頭部切有若干道用以安裝活塞環的環槽。汽油機活塞一般有3～4道環槽，上面2～3道用以安裝氣環，下面一道用以安裝油環。在油環槽底面上鉆有若干徑向小孔，以使被油環從氣缸壁上刮下來的多余機油經過這些小孔流回油底殼。 

(3)活塞裙部。活塞環槽以下的部分稱為活塞裙部。其作用是引導活塞在氣缸內作往復運動，并承受側壓力。

直列式氣缸體

    氣缸體與上曲軸箱常鑄成一體，稱為氣缸體－曲軸箱，簡稱氣缸體。氣缸體上部有一個或數個為活塞在其中運動作導向的圓柱形空腔，稱為氣缸；下部為支撐曲軸的曲軸箱，其內腔為曲軸運動的空間。

    氣缸體是發動機各個機構和系統的裝配基體，并由它來保持發動機各運動件相互之間的準確位置關系。

    為了使氣缸散熱，在氣缸外部制有水套（水冷式發動機）或散熱片（風冷式發動機）。

    在上曲軸箱有前后壁和中間隔板，其上制有主軸承座孔，有的發動機還制有凸輪軸軸承座孔。為了這些軸承的潤滑，在側壁上鉆有主油道，前后壁和中間隔板上鉆有分油道。 

    發動機氣缸排列常見的有單列式和雙列式兩種形式：單列式（直列式）發動機的各個氣缸排成一列，一般是垂直布置。但為了降低發動機的高度，有時也把氣缸布置成傾斜甚至水平的。雙列式發動機左、右兩列氣缸中心線的夾角γ＜180°者稱為V型發動機。

發動機相關術語

(1)上止點－－活塞離曲軸旋轉中心最遠處，通常即活塞的最高位置。 

(2)下止點－－活塞離曲軸旋轉中心最近處，通常即活塞的最低位置。 

(3)活塞行程－－上、下兩止點間的距離。 

(4)沖程－－活塞由一個止點到另一個止點運動一次的過程。 

(5)曲軸半徑－－曲軸與連桿大端連接的中心到曲軸旋轉中心的距離。 

(6)氣缸工作容積－－活塞從上止點到下止點所讓出的空間的容積。 

(7)發動機工作容積－－發動機所有氣缸工作容積之和，也稱發動機的排量。 

(8)燃燒室容積－－活塞在上止點時，活塞頂上面的空間叫燃燒室，它的容積稱燃燒室容積。 

(9)氣缸總容積－－活塞在下止點時，活塞頂上面整個空間的容積，它等于氣缸工作容積與燃燒室容積之和。 

(10)壓縮比－－氣缸總容積與燃燒室容積的比值。

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