【知识链接3】：发动机的工作原理

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。要完成这个能量转换必须经过进气、压缩、做功、排气四个过程。我们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，使发动机连续运转。

1.四冲程汽油机的工作原理

①进气行程。随着曲轴的旋转，活塞从上止点向下止点运动，这时进气门打开，排气门关闭，如图2-1所示。进气过程开始时，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、进气管道、进气门等被吸入气缸。由于进气系统的阻力，进气终了时，气缸内气体压力略低于大气压，约为0.075～0.09MPa。同时由于受残余废气和高温机件的加热，气体温度升至370～400K。

图2-1 进气行程

图2-2 压缩行程

②压缩行程。进气行程结束后，活塞在旋转曲轴的带动下，从下止点向上止点运动，如图2-2所示，这时进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，进入气缸内的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，气体压力约为0.6～1.2MPa，温度可达600～700K。

③做功行程。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混合气并迅速燃烧，这时进气门和排气门仍然保持关闭，混合气燃烧放出大量的热使气缸内的气体温度和压力急剧升高，从而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能，如图2-3所示。

做功行程开始阶段气缸内的最高压力可达3～5MPa，温度可达2200～2800K，随着活塞的下移，气缸内容积增加，气体压力和温度逐渐下降，做功行程终了时气体压力约为0.3～0.5MPa，温度约为1300～1600K。

④排气行程。当做功接近终了时，排气门开启，进气门仍然关闭，如图2-4所示，靠废气的残余压力先进行自由排气，活塞到达下止点再向上止点运动时，继续把废气强制排到大气中去，活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。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工作循环。

图2-3 做功行程

图2-4 排气行程

2.四冲程柴油机与四冲程汽油机的主要区别

①在进气行程，柴油机进入气缸的是纯空气；而汽油机进入气缸的是可燃混合气。柴油发动机混合气形成的时间比汽油发动机混合气形成的时间短。

②在压缩行程，柴油机的压缩比大，而汽油机的压缩比小。

③点火方式不同：柴油机使用压燃式点火方式，汽油机使用点燃式点火方式。

④柴油机和汽油机燃烧室的构造不同。

⑤柴油机转速低，汽油机转速高。

柴油机工作可靠，寿命长，燃油消耗率低，使用经济性好，有一定的功率储备，能适应短期超载工作，但比重量大，一般噪声较大。汽油机比重量小，噪声和振动小，但燃油消耗率高，经济性较差。

3.二冲程发动机的工作原理和工作过程

二冲程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、做功、排气四个过程组成，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，二冲程发动机与四冲程发动机工作原理不同，结构也不一样。

曲轴箱换气式二冲程汽油机，气缸上有三排孔，它是利用这三排孔在一定时刻被活塞打开或关闭来进行进气、换气和排气的。当活塞向上运动到将三排孔都关闭时（图2-5a），活塞上部形成了密闭的空间并开始压缩混合气，此时压缩过程开始；活塞继续上行，活塞下方进气孔开始打开，可燃混合气进入曲轴箱（图2-5b），此时进气过程开始；活塞接近上止点时（图2-5c），火花塞点燃混合气，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动，此时做功过程开始；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，此时排气过程开始；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2-5d），此时换气过程开始。

图2-5 二冲程汽油机工作原理

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，活塞上方进行做功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。