往復活塞式內燃機

往復活塞式內燃機是指活塞在氣缸內作往復直線運動的活塞式內燃機。這種內燃機具有效率高、體積小、質量輕和功率大等一系列優點，現在技術比較成熟 ，被極其廣泛地用作汽車動力。

基本介紹

• 中文名：往復活塞式內燃機

基本內容

往復活塞式內燃機的工作腔稱作氣缸，氣缸內表面為圓柱形。在氣缸內作往復運動的活塞通過活塞銷與連桿的一端鉸接，連桿的另一端則與曲軸相連，構成曲柄連桿機構。因此，當活塞在氣缸內作往復運動時，連桿便推動曲軸旋轉，或者相反。同時，工作腔的容積也在不斷的由最小變到最大，再由最大變到最小，如此循環不已。氣缸的頂端用氣缸蓋封閉。在氣缸蓋上裝有進氣門和排氣門，進、排氣門是頭朝下尾朝上倒掛在氣缸頂端的。通過進、排氣門的開閉實現向氣缸內充氣和向氣缸外排氣。進、排氣門的開閉由凸輪軸控制。凸輪軸由曲軸通過齒形帶或齒輪或鏈條驅動。進、排氣門和凸輪軸以及其他一些零件共同組成配氣機構。通常稱這種結構形式的配氣機構為頂置氣門配氣機構。現代汽車內燃機無一例外地都採用頂置氣門配氣機構。構成氣缸的零件稱作氣缸體，支承曲軸的零件稱作曲軸箱，氣缸體與曲軸箱的連鑄體稱作機體。

往復活塞式示意圖

基本概念

工作循環

活塞式內燃機的工作循環是由進氣、壓縮、做功和排氣等四個工作過程組成的封閉過程。周而復始地進行這些過程，內燃機才能持續地作功

上、下止點

活塞頂離曲軸迴轉中心最遠處為上止點；活塞頂離曲軸迴轉中心最近處為下止點。在上、下止點處，活塞的運動速度為零。

活塞行程

上、下止點間的距離 S 稱為活塞行程。曲軸的迴轉半徑 R 稱為曲柄半徑。顯然，曲軸每迴轉一周，活塞移動兩個活塞行程。對於氣缸中心線通過曲軸迴轉中心的內燃機，其 S=2R 。

氣缸工作容積

上、下止點間所包容的氣缸容積稱為氣缸工作容積。

內燃機排量

內燃機所有氣缸工作容積的總和稱為內燃機排量。

燃燒室容積

活塞位於上止點時，活塞頂面以上氣缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室，其容積稱為燃燒室容積，也叫壓縮容積。

氣缸總容積

氣缸工作容積與燃燒室容積之和為氣缸總容積。

壓縮比

氣缸總容積與燃燒室容積之比稱為壓縮比 e 。 壓縮比的大小表示活塞由下止點運動到上止點時，氣缸內的氣體被壓縮的程度。壓縮比越大，壓縮終了時氣缸內的氣體壓力和溫度就越高。?

工況

內燃機在某一時刻的運行狀況簡稱工況，以該時刻內燃機輸出的有效功率和曲軸轉速表示。曲軸轉速即為內燃機轉速。

負荷率

內燃機在某一轉速下發出的有效功率與相同轉速下所能發出的最大有效功率的比值稱為負荷率，以百分數表示。負荷率通常簡稱負荷。

四衝程汽油機工作原理

四衝程往復活塞式內燃機在四個活塞行程內完成進氣、壓縮、作功和排氣等四個過程，即在一個活塞行程內只進行一個過程。因此，活塞行程可分別用四個過程命名。

進氣衝程

活塞在曲軸的帶動下由上止點移至下止點。此時排氣門關閉，進氣門開啟。在活塞移動過程中，氣缸容積逐漸增大，氣缸內形成一定的真空度。空氣和汽油的混合物通過進氣門被吸入氣缸，並在氣缸內進一步混合形成可燃混合氣。??

壓縮衝程

進氣衝程結束後，曲軸繼續帶動活塞由下止點移至上止點。這時，進、排氣門均關閉。隨著活塞移動，氣缸容積不斷減小，氣缸內的混合氣被壓縮，其壓力和溫度同時升高。

作功衝程

壓縮衝程結束時，安裝在氣缸蓋上的火花塞產生電火花，將氣缸內的可燃混合氣點燃，火焰迅速傳遍整個燃燒室，同時放出大量的熱能。燃燒氣體的體積急劇膨脹，壓力和溫度迅速升高。在氣體壓力的作用下，活塞由上止點移至下止點，並通過連桿推動曲軸旋轉作功。這時，進、排氣門仍舊關閉。??

排氣衝程

排氣衝程開始，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，曲軸通過連桿帶動活塞由下止點移至上止點，此時膨脹過後的燃燒氣體(或稱廢氣)在其自身剩餘壓力和在活塞的推動下，經排氣門排出氣缸之外。當活塞到達上止點時，排氣行程結束，排氣門關閉。

四衝程柴油機工作原理

四衝程柴油機的工作循環同樣包括進氣、壓縮、作功和排氣等四個過程，在各個活塞行程中，進、排氣門的開閉和曲柄連桿機構的運動與汽油機完全相同。只是由於柴油和汽油的使用性能不同，使柴油機和汽油機在混合氣形成方法及著火方式上有著根本的差別。

進氣衝程

在柴油機進氣行程中，被吸入氣缸的只是純淨的空氣。

壓縮衝程

因為柴油機的壓縮比大，所以壓縮行程終了時氣體壓力高。

做功衝程

在壓縮行程結束時，噴油泵將柴油泵入噴油器，並通過噴油器噴入燃燒室。因為噴油壓力很高，噴孔直徑很小，所以噴出的柴油呈細霧狀。細微的油滴在熾熱的空氣中迅速蒸發汽化，並藉助於空氣的運動，迅速與空氣混合形成可燃混合氣。由於氣缸內的溫度遠高於柴油的自燃點，因此柴油隨即自行著火燃燒。燃燒氣體的壓力、溫度迅速升高，體積急劇膨脹。在氣體壓力的作用下，活塞推動連桿，連桿推動曲軸旋轉作功。

排氣衝程

排氣行程開始，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，燃燒後的廢氣排出氣缸。

二衝程汽油機工作原理

二衝程內燃機的工作循環是在兩個活塞行程即曲軸旋轉一周的時間內完成的。在四衝程內燃機中，常把排氣過程和進氣過程合稱為換氣過程。在二衝程內燃機中換氣過程是指廢氣從氣缸內被新氣掃除並取代的過程。這兩種內燃機工作循環的不同之處主要在於換氣過程。

第一行程

當活塞還處於下止點時，進氣孔被活塞關閉，排氣孔和掃氣孔開啟。這時曲軸箱內的可燃混合氣經掃氣孔進入氣缸，掃除其中的廢氣。隨著活塞向上止點運動，活塞頭部首先將掃氣孔關閉，掃氣終止。但此時排氣孔尚未關閉，仍有部分廢氣和可燃混合氣經排氣孔繼續排出，稱其為額外排氣。當活塞將排氣孔也關閉之後，氣缸內的可燃混合氣開始被壓縮。直至活塞到達上止點，壓縮過程結束。

第二行程

在壓縮過程終了時，火花塞產生電火花，將氣缸內的可燃混合氣點燃。燃燒氣體膨脹作功。此時排氣孔和掃氣孔均被活塞關閉，惟有進氣孔仍然開啟。空氣和汽油經進氣孔繼續流入曲軸箱，直至活塞裙部將進氣孔關閉為止。隨著活塞繼續向下止點運動，曲軸箱容積不斷縮小，其中的混合氣被預壓縮。此後，活塞頭部先將排氣孔開啟，膨脹後的燃燒氣體已成廢氣，經排氣孔排出。至此作功過程結束，開始先期排氣。隨後活塞又將掃氣孔開啟，經過預壓縮的可燃混合氣從曲軸箱經掃氣孔進入氣缸，掃除其中的廢氣，開始掃氣過程。這一過程將持續到下一個活塞行程中掃氣孔被關閉時為止。

二衝程柴油機工作原理

第一行程

當活塞還處於下止點位置時，進氣孔和排氣門均已開啟。掃氣泵將純淨的空氣增壓到0.12～0.14MPa後，經空氣室和進氣孔送入氣缸，掃除其中的廢氣。廢氣經氣缸頂部的排氣門排出。當活塞上移將進氣孔關閉的同時，排氣門也關閉，進入氣缸內的空氣開始被壓縮。活塞運動至上止點，壓縮過程結束。

第二行程

當壓縮過程終了時，高壓柴油經噴油器噴入氣缸，並自行著火燃燒。高溫高壓的燃燒氣體推動活塞作功。當活塞下移2/3行程時，排氣門開啟，廢氣經排氣門排出。活塞繼續下移，進氣孔開啟，來自掃氣泵的空氣經進氣孔進入氣缸進行掃氣。掃氣過程將持續到活塞上移時將進氣孔關閉為止。

汽油機與柴油機的比較

四衝程汽油機與四衝程柴油機的共同點是：

1)每個工作循環都包含進氣、壓縮、作功和排氣等四個活塞行程，每個行程各占180°曲軸轉角，即曲軸每旋轉兩周完成一個工作循環。

2)四個活塞行程中，只有一個作功行程，其餘三個是耗功行程。顯然，在作功行程曲軸旋轉的角速度要比其他三個行程時大得多，即在一個工作循環內曲軸的角速度是不均勻的。為了改善曲軸旋轉的不均勻性，可在曲軸上安裝轉動慣量較大的飛輪或採用多缸內燃機並使其按一定的工作順序依次進行工作。

兩者不同之處是：

1)汽油機的可燃混合氣在氣缸外部開始形成並延續到進氣和壓縮行程終了，時間較長。柴油機的可燃混合氣在氣缸內部形成，從壓縮行程接近終了時開始，並占小部分作功行程，時間很短。

2)汽油機的可燃混合氣用電火花點燃，柴油機則是自燃。所以又稱汽油機為點燃式內燃機，稱柴油機為壓燃式內燃機。

二衝程與四衝程內燃機比較

1)曲軸每轉一周完成一個工作循環，作功一次。當曲軸轉速相同時，二衝程內燃機單位時間的作功次數是四衝程內燃機的兩倍。由於曲軸每轉一周作功一次，因此曲軸旋轉的角速度比較均勻。

2)二衝程內燃機的換氣過程時間短，僅為四衝程內燃機的1/3左右。另外，進、排氣過程幾乎同時進行，利用新氣掃除廢氣，新氣可能流失，廢氣也不易清除乾淨。因此，二衝程內燃機的換氣質量較差。

3)曲軸箱換氣式二衝程內燃機因為沒有進、排氣門，而使結構大為簡化。