汽车发动机构造与维修 教学课件 莫圣海

汽车总体构造 组成：发动机、底盘、车身、电器设备

项目一 发动机总体构造 活动一 发动机总体构造 活动二 发动机工作原理 活动三 发动机基本理论

项目一 发动机总论 知识目标： 1.掌握发动机的作用、类型和型号编制规则； 2.了解发动机的主要性能指标； 3.了解发动机的燃烧过程； 项目一 发动机总论 知识目标： 1.掌握发动机的作用、类型和型号编制规则； 2.了解发动机的主要性能指标； 3.了解发动机的燃烧过程； 4.掌握发动机的基本术语和作原理。

项目一 发动机总论 活动一 发动机总体构造 一、发动机的概述 （一）汽车发动机发展简史 项目一 发动机总论 活动一 发动机总体构造 一、发动机的概述 （一）汽车发动机发展简史 1886年，德国工程师卡尔.苯茨制造出世界上第一辆汽油发动机； 1897年，德国工程师鲁道夫.狄塞尔研制成功四冲程压燃式柴油机。后人为纪念这位发明家，把这种发动机称为“狄塞尔发动机”； 1934年，德国研制成功汽油喷射发动机（应用于军用飞机）； 1954年，德国人汪克尔发明了三角转子旋转活塞发动机； 1967年，德国博世公司推出电控燃油喷射装置，于1968年应用在德国大众汽车上。

项目一 发动机总论 活动一 发动机总体构造 （二）汽车燃料多样化 项目一 发动机总论 活动一 发动机总体构造 （二）汽车燃料多样化 石油制品的汽油和轻柴油尽管有不尽如人意之处，但是无论如何也不可否认它们是综合素质优良的汽车能源，否则将无法解释从1886年第一辆汽车问世，一直到100多年之后的今天，汽油和轻柴油仍然是汽车的基本能源。关键是石油资源总有一天要耗尽。因此，必须开发汽车代用燃料，改善能源结构。作为汽车石油的代用燃料有压缩天然气（CNG）、液化石油气（LPG）、甲醇、乙醇、煤气和氢气等。 1、压缩天然气汽车 天然气的主要成分是甲烷（CH4）。按储存的压力和形态，天然气有常压气态、高压气态和液态之分，分别称为常压天然气、压缩天然气和液化天然气。压缩天然气储存方式是目前应用天然气的主要形式。采用压缩天然气为燃料的汽车称为压缩天然气汽车。压缩天然气汽车发动机的燃料供给系与汽油机不同，包括压缩天然气钢瓶、截止阀、压力表、电磁阀、减压阀、混合器等。据统计，到1997年底，全世界有压缩天然气汽车104.69万辆。到2000年底，我国燃气汽车保有量已超过8万辆，燃气加气站已超过250个。

项目一 发动机总论 活动一 发动机总体构造 GB18047-2000汽车用压缩天然气等国家标准已发布实施，我国部分城市规定近几年内公交车全部改为压缩天然气汽车。 2、液化石油气汽车 汽车用液化石油气，是以丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）为主要成分的石油产品，汽车用丙烷和车用丙丁烷混合物2种。采用液化石油气为燃料的汽车称为液化石油气汽车。液化石油气汽车的发动机燃料供给系包括储气瓶、电磁阀、预热器、混合器等。据统计，到1997年底，全世界有液化石油气汽车401.1万辆。我国汽车用液化石油气的行业标准SY7548-1998《汽车用液化石油气》。 3、醇类汽车 醇类汽车是指以甲醇（CH4O）或乙醇（C2H6O）为燃料的汽车。值得一提的是，世界上第一台内燃机是以甲醇作为燃料的，但直到20世纪70年代以后，醇类汽车才又得到重视。目前有40多个国家和地区开发和应用了醇类汽车，尤其在盛产甘蔗的巴西，大部分汽车用纯乙醇或掺兑约20％的乙醇。在美国，有相当一部分商用汽油含

项目一 发动机总论 活动一 发动机总体构造 有10％乙醇。2000年前，美国加州有1/3的汽车燃用甲醇。由我国国家质量监督检验检疫总局负责制定GB18350-2001《变性燃料乙醇》和ＧＢ18351-2001《车用乙醇汽油》两项强制性国家标准已经发布。变性燃料乙醇和车用乙醇汽油是我国推广使用的汽车燃料。变性燃料乙醇是以玉米、小麦、薯类、甘蔗、甜菜等作为原料的。车用乙醇汽油的使用将对缓解我国石油紧缺、促进农业生产的良性循环以及保护环境等方面起到积极作用。我国在甲醇轻型客车产品开发、配套加气站建设、运行试验等方面已取得重要成果。 4、氢气汽车 氢气汽车是指用氢气直接作为燃料的汽车，以氢气为原料的燃料电池汽车也是氢气汽车，但归属于电动汽车更适宜。氢气汽车在汽车应用上的主要问题是氢气的来源和储带。地球上氢气储量十分丰富，但制取成本太高。氢气在汽车上储带十分不便，还需要开发专用发动机，从而限制了氢气汽车的发展。 综上所述，21世纪的汽车能源将打破石油占绝对优势的局面。

电动汽车是指以电能为动力的汽车。电动汽车有蓄电池式和燃料电池式、太阳能电池式等。 项目一 发动机总论 活动一 发动机总体构造 （三）汽车电动化 电动汽车是指以电能为动力的汽车。电动汽车有蓄电池式和燃料电池式、太阳能电池式等。 从20世纪70年代开始，许多国家将研制开发电动汽车作为重点。目前，世界上电动汽车的开发工作进展很快，混合动力汽车（将蓄电池和内燃机联合使用）、电动汽车技术取得突破性进展，正在走向实用阶段。我国“九五”期间，电动汽车被列为国家重点科技攻关项目。“十五”期间，混合动力汽车和燃料电池汽车又被列入国家攻关计划和“863”计划。电动汽车在21世纪将占据重要的地位。

发动机是将其他形式的能量转变为机械能的一种机械装置。汽车所采用的发动机是内燃机。内燃机是燃料在发动机内部燃烧的一种热力机。内燃机每实现一次热功转换，都要经历一系列连续的工作过程，构成一个循环，否则，就不能实现热功的转换。 本项目主要介绍四冲程往复活塞式汽油发动机和柴油发动机的总体构造、基本术语、工作原理、发动机基本理论，发动机总成从汽车上拆卸和安装及发动机主要性能指标等内容。

活动一 发动机总体构造 一、发动机类型 发动机是将某种能量转变为机械能的一种机器。它是汽车的心脏，是汽车的动力源。现代汽车用发动机主要采用的是往复活塞式内燃机。它是将燃料在气缸内燃烧，使热能直接转变成机械能的机器。

项目一 发动机总体构造 活动一 发动机总体构造 往复活塞式内燃机具有单机功率范围大（0.6-16860KW）、热效率高（汽油机略高于0.3，柴油机达0.4）、结构紧凑、体积小、质量轻、操作简单、便于起动等优点，故它被极其广泛地用作汽车动力，同时广泛应用于船舶、拖拉机、工程机械、发电机等。 （一）发动机的类型 汽车用发动机可以根据不同的特征来分类。

1、按活塞的运动方式分类 按活塞运动方式的不同，活塞式内燃机可分为往复活塞式和旋转活塞式（转子发动机）2种。前者活塞在气缸内做往复直线运动，后者活塞在气缸内做旋转运动。

项目一 发动机总体构造 活动一 发动机的总论 转子发动机 项目一 发动机总体构造 活动一 发动机的总论 转子发动机 转子发动机，又叫汪克尔发动机。它是通过活塞在气缸内的旋转来带动发动机主轴（即普通发动机的曲轴,因为不是弯曲的故不再叫曲轴）旋转的，故两者有着很大的区别。 （一）转子发动机的构造 转子发动机的核心是转子。它相当于活塞式发动机中的活塞。壳体的内部空间（或旋轮线室）总是被分成三个工作室。　在转子的运动过程中，这三个工作室的容积不停地变动，在摆线形缸体内相继完成进气、压缩、燃烧和排气四个过程。 当转子在壳体内转动时，会推动凸轴旋转；转子每转一周，凸轴会旋转三周。

项目一 发动机总体构造 当转子在壳体内运动时，由转子构成的三个缸室的体积将发生变化。 这种变化会产生一种泵作用。 让我们看看转子的一个面经历的四个发动机冲程。 进气 循环进气阶段从转子顶点经过进气口时开始。 在进气口接通缸室的那一刻，缸室的体积接近其最小值。 当转子转过进气口时，缸室的体积将增大，从而将空气、燃油混合气吸入缸室。 当缸室的顶点经过进气口时，该缸室即被密封，然后并开始压缩。

项目一 发动机总体构造 压缩 当转子继续在壳体内运动时，缸室的体积会变得更小，进而压缩空气、燃油混合气。 当转子的面转到火花塞处时，缸室的体积再次接近最小。这是燃烧的起点。

项目一 发动机总体构造 做功 多数转子发动机有两个火花塞， 燃烧室比较狭长。如果只有一个火花塞，火焰的蔓延速度会很慢。 当火花塞点燃空气、燃油混合气时，会迅速产生压力，驱动转子运动。燃烧的压力会驱动转子沿着缸室体积增大的方向移动。燃烧气体继续膨胀，推动转子并产生动力，直至转子的顶点再次经过排气口。

项目一 发动机总体构造 排气 当转子的顶点经过排气口时，高压燃烧气体会释放到排气装置中。 当转子继续运动时，缸室开始压缩，迫使剩余废气排出。 当缸室体积接近最小时，转子的顶点将经过进气口，整个循环再次开始。

项目一 发动机总体构造 活动一 发动机的总论 转子发动机的一个亮点是，转子的三个面始终作用于循环的某部分，在转子转满一周时，将有三个燃烧冲程。 但是请注意，转子每转一周时，输出轴将旋转三周，这意味着针对输出轴的每次旋转都有一个燃烧冲程。

项目一 发动机总体构造 （二）发动机的比较 两种发动机的优缺点比较 （1）往复式发动机： 优点： 项目一 发动机总体构造 （二）发动机的比较 两种发动机的优缺点比较 （1）往复式发动机： 优点： ①制造技术成熟，诞生已经有120多年，各种技术不断完善，是世界上应用最广的内燃机，保养维修成本低。 ②工作可靠，良好的气密性和功率传递可靠性。 ③良好的燃油经济性。 缺点： ①结构复杂，体积大、重量大。 ② 曲柄连杆机构中活塞的往复运动引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全平衡，这个惯性力大小与转速平方成正比，使发动机运转平顺性下降，限制发展高转速发动机。

项目一 发动机总体构造 ③由于四冲程往复式活塞发动机的工作方式为四个冲程中有三个冲程完全依靠飞轮惯性旋转，导致发动机的功率、扭矩输出非常的不均匀，尽管现代发动机采用了多缸和V型排列来减小这个缺点，但是不可能完全消除。 （2）转子发动机： 优点： ①体积小、重量轻，便于降低车辆重心。由于转子发动机没有曲柄连杆机构，所以大大减小了发动机高度，同时降低了车辆重心。 ②结构简单。相比较于往复式活塞发动机，转子发动机减少了曲柄连杆机构，导致了发动机机构大为简化，零件减少。 ③均匀的扭矩特性。由于转子发动机一个气缸同时有三个工作腔处于工作状态，所以扭矩输出比较于往复式活塞发动机更加均匀。 ④利于发展高速发动机，由于活塞转子与主轴转速比为1：3，故不需很高的活塞转速即可实现发动机的高转速。

项目一 发动机总体构造 缺点： ①油耗高，尾气排放难达标。因其每个气缸有三个工作腔，活塞转子每旋转一周相当于有三个作功冲程，以3000rpm和往复式活塞发动机作对比，往复式活塞发动机喷油750次/分，转子发动机相当于转速为1000rpm,但是需要喷油3000次/分，可见转子发动机油耗明显高于往复式活塞发动机，同时转子发动机的燃烧室形状不利于可燃混合气的充分燃烧，火焰传播路径长，燃油机油消耗量大，同时导致废气中污染物含量较高。 ②发动机的结构导致只能采取点燃式而不能采用压燃式，即只能用汽油作为燃料而不能用柴油。 ③由于转子发动机采用偏心轴，导致发动机振动较大。 ④功率输出轴（主轴）位置高，不利于整车布置。 ⑤转子发动机的加工制造技术高，成本比较高。

2、按所用的燃料种类分类 根据所用的燃料不同，发动机主要分为汽油发动机（简称汽油机）、柴油发动机（简称柴油机）和气体燃料发动机3类。汽油机以汽油为燃料，柴油机以柴油为燃料，而使用天然气、液化石油气和其他气体燃料的发动机称为气体燃料发动机。

气体燃料发动机： 注：LPG是液化石油气，CNG是压缩天然气，LNG是液化天然气。

项目一 发动机总体构造 活动一 发动机总体构造 3、按点火方式分类 根据点火方式不同，发动机可分为点燃式和压燃式2种。点燃式发动机利用电火花使可燃混合气着火，如汽油机。压燃式发动机则是通过喷油泵和喷油器，将燃油直接喷入气缸，使其与在气缸内经压缩后升温的空气混合，使之在高温下自燃，如柴油机。

4、按冷却方式分类 根据冷却方式不同，发动机可分为水冷式和风冷式2种。水冷式发动机以水或冷却液为冷却介质，而风冷式发动机以空气为冷却介质。汽车发动机多为水冷式。

5、按活塞行程数分类 在发动机气缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转变成机械能的一系列连续过程（进气、压缩、做功、排气）称发动机的一个工作循环。对于往复活塞式发动机，可以根据每一个工作循环所需的活塞行程数来分类。凡活塞往复4个单程完成一个工作循环的称为四冲程发动机；活塞往复2个单程即完成一个工作循环的则称为二冲程发动机。汽车发动机多为四冲程发动机。

6、按气缸数分类 发动机只有１个气缸的称单缸发动机，有2个以上气缸的称为多缸发动机。多缸发动机还可根据气缸的具体数目及其排列进一步分类。

项目一 发动机总论 7、按进气系统是否采用增压方式分类 项目一 发动机总论 活动一 发动机总体构造 7、按进气系统是否采用增压方式分类 发动机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气式（非增压式）发动机和强制进气式（增压式）发动机。若进气是在接近大气压力状态下进行的，则为自然吸气式发动机；若利用增压器将进气压力增高，进气密度增大，则为增压式发动机。增压可以提高发动机功率。随着交通密度的不断增加，对汽车加速性能的要求也越来越高，这意味着应该提高发动机的功率。因此，近年来增压式发动机备受重视，并得到了较快地发展。

拓展：有内燃机，就有外燃机！ 外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，因它是在1816年为苏格兰的R.斯特林所发明，故又称斯特林发动机。

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。

新型外燃机使用氢气作为工质(传递能量的媒介物质叫工质)，在四个封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了低噪音、低污染和低运行成本。

二、发动机总体构造 发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂的机器，其结构形式很多。由于发动机的基本原理相似，故基本构造也大同小异。传统汽油机通常由两大机构、五大系组成，而柴油机由两大机构、四大系组成。两大机构是指曲柄连杆机构和配气机构，五大系是指燃料供给系、冷却系、润滑系、点火系（柴油机无此系）和起动系。图1-1所示为发动机的总体结构，图1-2所示为发动机内部结构。 图1-1 发动机整体结构

图1-2 发动机内部结构

（一）两大机构 1．曲柄连杆机构 曲柄连杆机构包括机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组。该机构是发动机借以产生动力，并将活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力的机构。 2．配气机构 配气机构包括气门组和气门传动组。其作用是使可燃混合气及时进入气缸，并在燃烧后及时将废气从气缸中排出。 （二）五大系 1．燃料供给系 汽油机的燃料供给系由汽油箱、汽油滤清器、汽油泵、化油器（节气门体）、喷油器、供油管（燃油喷射式发动机）、空气滤清器和进气歧管等组成。其作用是向气缸内供给已配好的可燃混合气（缸内喷射式发动机为空气），并控制进入气缸内的可燃混合气的数量，以调节发动机的输出功率和转速，最后将燃烧后的废气排出气缸。柴油机燃料供给系由柴油箱、输油泵、喷油泵、柴油滤清器、喷油器、进排气管和排气消声器等组成。其作用是定时向气缸内喷入一定数量和一定压力的柴油，以调节发动机输出的功率和转速，最后将燃烧后的废气排出气缸。

2．冷却系 冷却系有水冷和风冷2种，现代汽车一般都采用水冷式。由水泵、散热器、风扇、节温器、水套等组成。其作用是利用冷却水冷却高温零件，并通过散热器将热量散发到大气中去，从而保证发动机在最适宜的温度范围内工作。 3．润滑系 润滑系由机油泵、集滤器、滤清器、油道、油底壳、调压阀和安全阀等组成。其作用是将润滑油分送至各个摩擦零件的摩擦面，以减小摩擦力，减缓机件磨损，并清洗、冷却摩擦表面，从而延长发动机使用寿命。 4．点火系 汽油机传统点火系包括电源（蓄电池和发电机）、分电器、点火线圈和火花塞等。其作用是按一定时刻向气缸内提供电火花，以点燃缸内的可燃混合气。 5．起动系 由起动机及附属设备组成。其作用是带动飞轮旋转以获得必要的动能和起动转速，使静止的发动机起动并转入自行运转状态。

三、发动机基本术语 发动机的基本术语如图1-3所示。 图1-3　发动机基本术语

汽油机工作原理 1、基本术语： 上止点 下止点 活塞行程（冲程） 燃烧室容积 气缸工作容积 气缸总容积 发动机工作容积（排量） 示功图

1.上止点 上止点是指活塞离曲轴回转中心最远处，即活塞的最高位置。活塞在上止点处，运动速度为零。 2.下止点 下止点是指活塞离曲轴回转中心最近处，即活塞的最低位置。活塞在下止点处，运动速度为零。 3.活塞行程 上、下止点间的距离S称活塞行程。 4.曲柄半径 曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离R（即曲轴的回转半径）称曲柄半径。曲轴每回转一周，活塞移动2个活塞行程。对于气缸中心线通过曲轴回转中心的发动机，S＝2R。 5.活塞冲程 活塞由一个止点到另一个止点运动一次的过程称活塞冲程。 6.气缸工作容积 气缸工作容积是指活塞上、下止点间的容积，也称气缸排量，以Vh表示。

7.发动机工作容积 发动机工作容积是指各气缸工作容积的总和，也称发动机排量，以VL表示。 VL＝ Vhi ＝πD ２/4 × 10６S（L） 式中　D—气缸直径（mm）； S—活塞行程（mm）； i—气缸数。 8.燃烧室容积 燃烧室容积是指活塞在上止点时，活塞顶上面的空间容积以Vc表示。 9.气缸总容积 气缸总容积是指活塞在下止点时，活塞顶以上的空间容积以Va表示。 Va＝Vh＋Vc 10.压缩比 气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，以ε表示。 ε＝Va /Vc＝(Vｈ ＋Vc)/ Vc＝1＋Vh /Vc 压缩比表示活塞由下止点移动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比愈大，压缩终了时气缸内的压力和温度就愈高。目前，一般车用汽油机的压缩比约为7～12，柴油机的压缩比一般为16～22。

问：发动机一个工作行程，活塞往复运动共几次？曲轴转几圈？凸轮轴又转几圈？ 11.工作循环 发动机将热能转变成机械能的过程，是通过进气、压缩、做功和排气4个连续过程组成的封闭过程来实现的。周而复始地进行这4个过程，发动机才能持续做功。 在发动机气缸内进行的每一次将燃料燃烧的热能转变成机械能的一系列连续过程（进气、压缩、做功、排气）称发动机的一个工作循环。 问：发动机一个工作行程，活塞往复运动共几次？曲轴转几圈？凸轮轴又转几圈？

活动二 发动机工作原理 四冲程发动机的一个工作循环包括4个活塞行程，即进气、压缩、做功和排气。四冲程发动机的每个气缸都进行这种循环，但进行的时间不同。各缸做功行程错开，可使发动机输出功率连续平稳。

一、四冲程汽油机的工作原理 （一）工作原理 1．进气行程 为使发动机做功，必须将汽油和空气混合形成可燃混合气，而后吸入气缸，这就需要一个进气行程。 在进气行程中，进气门打开，排气门关闭。活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动，如图1-4所示。由于活塞下移，活塞上方的空间容积增大，气缸内的气体压力降至大气压力以下，形成一定的真空度。在真空吸力的作用下，可燃混合气经进气门被吸入气缸，至活塞运动到下止点时，进气门关闭，停止进气，进气行程结束。由于进气系统有阻力，进气终了时气缸内压力比大气压力要低，约为0.08～0.09MPa，且气缸壁、活塞等高温机件的传导及残留高温废气的加热，气体温度有所升高，气体温度约为320～380K。

图1-4　进气行程 图1-5　压缩行程

2．压缩行程 为了使吸入气缸的可燃混合气能迅速燃烧，产生较大的压力，从而使发动机产生较大的功率，在燃烧前将可燃混合气压缩，使其体积缩小、密度加大、温度升高，即要有压缩过程。在压缩行程中，进、排气门全部关闭，活塞在曲轴带动下，由下止点向上止点运动，如图1-5所示。随着活塞的上移，活塞上方的空间容积不断减小，混合气被压缩，至活塞到达上止点时压缩行程结束。压缩终了时气缸内的气体压力约为0.8～1.5MPa，温度约为600～750K。 3．做功行程 压缩行程末，火花塞产生电火花，点燃气缸内的可燃混合气。此时，进、排气门均关闭，活塞刚开始下移，燃烧着的气体不能及时充分地膨胀，其压力和温度都迅速地升高，达到的最高压力约为3.0～5.0MPa，相应的温度可达2200～2800K。缸内的高压气体推动活塞向下移动，通过连杆驱动曲轴旋转而做功，如图1-6所示。至活塞到达下止点时，做功行程结束。做功终了时，气缸内气体压力约为0.35～0.5MPa，温度约为1200～1500K。

图1-7　排气行程 图1-6　做功行程

4．排气行程 可燃混合气燃烧做功后变成废气。为使发动机能继续工作必须把废气排出气缸，以便为下一个进气行程做准备，这就需要一个排气行程。在排气行程中，排气门打开，进气门关闭。活塞在曲轴的带动下，由下止点向上止点运动，废气在自身的剩余压力和活塞的驱赶下，经排气门排出气缸，如图1-7所示。至活塞到达上止点时，排气门关闭，排气行程结束。排气终了时，由于燃烧室容积的存在，气缸内还存在少量废气，称残余废气。气体压力也因排气系统有阻力而高于大气压。此时，气缸内气体压力约为0.105～0.12MPa，温度约为900～1100K。 排气行程结束后，进气门再次开启，又开始下一个工作循环。如此周而复始，发动机就连续运转。

（二）工作循环的特点 由上述四冲程汽油机的工作原理可知，四冲程汽油机工作循环具有以下特点： 1．发动机每完成一个工作循环曲轴转2圈（720°），进、排气门各开启1次，活塞在上、下止点间移动4次，每一行程曲轴旋转半圈（180°）。 2．在4个行程中，只有做功行程产生动力，其余3个行程则是为做功行程作准备的辅助行程，还消耗一定能量。可见，曲轴的转速是不均匀的，即发动机的运转是不平稳的。 3．混合气是利用电火花点燃的。 4．发动机起动时必须有外力将曲轴带动。 （三）多缸发动机的结构特点 由于单缸发动机功率小，转速不均匀，工作时振动大，现代汽车发动机基本上不用单缸发动机，都采用多缸发动机，用得最多的是四缸、六缸和八缸等发动机。

多缸四冲程发动机则是在曲轴转角720°内，各缸都要像单缸发动机一样完成一个工作循环。如六缸发动机，曲轴每转120°就有一个缸做功；四缸发动机，曲轴每转180°就有一个缸做功。这样，发动机的运转就比单缸发动机平稳得多。多缸发动机各缸做功行程发生的顺序，称为发动机的工作顺序或发火顺序，如国产直列六缸发动机的工作顺序为1-5-3-6-2-4；直列四缸发动机的工作顺序为1-3-4-2或1-2-4-3。多缸发动机是由多个结构相同的气缸组成的，它们一般共用一个机体、一根曲轴。曲轴的曲柄布置应该使各缸做功行程均匀分布在720°曲轴转角内。如直列四缸发动机曲轴相邻工作缸的曲柄夹角为180°，曲轴每转180°便有一个气缸做功；直列六缸发动机曲轴每转120°便有一个气缸在做功。气缸数越多，发动机工作越平稳，但结构也越复杂。

二、四冲程柴油机的工作原理 四冲程柴油机和四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、做功和排气4个行程组成。但柴油和汽油性质不同，柴油机在可燃混合气的形成、着火方式等方面与汽油机有着较大的区别。这里主要介绍柴油机与汽油机工作原理的不同之处。图1-8所示为单缸四冲程柴油机工作原理示意图。 图1-8　单缸四冲程柴油机工作原理

（1）进气行程 活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动，吸入气缸的是纯空气，而不是混合气。进气终了时，气缸内气体压力约为0. 085～0 （1）进气行程 活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动，吸入气缸的是纯空气，而不是混合气。进气终了时，气缸内气体压力约为0.085～0.095MPa，温度约为310～340K。 （2）压缩行程 活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动纯空气被压缩。由于柴油机压缩比大，压缩终了时的温度和压力都比汽油机高，其压力可达3～5MPa、温度可达750～1000K。 （3）做功行程 此行程与汽油机有很大的不同。压缩行程末喷油泵泵出的高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸内的高温空气中，迅速汽化并与空气形成可燃混合气。由于此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度（约360℃左右），柴油混合气自行着火燃烧，且以后的一段时间内柴油边喷射边燃烧，使气缸内的温度、压力急剧升高，推动活塞下行做功。此行程中，瞬时压力可达6～9MPa，瞬时温度可达1800～2200K。做功终了时压力约为0.2～0.5MPa，温度约为1000～1200K。 （4）排气行程 此行程与汽油机基本相同。排气终了时，气缸内残余废气的压力约为0.105～0.12Mpa，温度约为700～900K。

三、汽油机与柴油机的比较 由上述四冲程汽油机和柴油机的工作原理可知，汽油机与柴油机比较，各有优缺点，见表1-3。 表1-3　汽油机与柴油机比较 比较项目 汽油机 柴油机 燃料 汽油 柴油 混合气形成 多为缸外 缸内 点火方式 点燃式 压燃式 热效率 30℅左右 40℅左右 燃油消耗率 高 低 升功率 大 小 转速 工作平稳性 柔和 粗暴 起动性 易 难 排放 CO、CH多、NOX、黑烟少 CO、CH少、NOX、黑烟多 结构 紧凑 欠紧凑 制造成本 使用寿命 短 长

二冲程发动机的工作原理 二冲程发动机的工作循环是在两个行程内完成的，即曲轴旋转一周的时间内完成。

发动机气缸体上有三个孔，即进气孔、排气孔和换气孔，这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭。其工作循环包含两个行程： 　 1.第一冲程：活塞自下止点向上移动，三个气孔同时被关闭后，进入气缸的混合气被压缩；在进气孔露出时，可燃混合气流入曲轴箱。（完成压缩与进气） 　 2.第二冲程：活塞压缩到上止点附近时，火花塞点燃可燃混合气，燃气膨胀推动活塞下移作功。这时进气孔关闭，密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩；当活塞接近下止点时排气孔开启，废气冲出；随后换气孔开启，受预压的可燃混合气冲入气缸，驱除废气，进行换气过程。（完成做功与排气）

二冲程发动机与四冲程发动机比较,其主要优点如下： 1）曲轴每转一周就有一个做功行程，因此相同条件下，在理论上功率等于四冲发动机的两倍。 2）做功频率高， 运转比较均匀平稳。 3）没有专门换气机构，构造简单，质量小。 4）使用方便。（附件少，维修简单） 由于结构上的原因，二冲程发动机的最大缺点就是排气不净，换气时部分新鲜可燃气随同废气排出，因此不够经济。汽车上不采用，制造费用低、构造简单、质量小、摩托车上广泛采用。

四、内燃机型号 1．内燃机型号 为了便于内燃机的生产管理、使用与维修，我国对内燃机产品名称和型号编制规则重新审定并颁布了国家标准GB/725-1991。该标准的主要内容如下： （1）内燃机产品名称均按所采用的燃料命名，如汽油机、柴油机等。 （2）内燃机型号由阿拉伯数字、汉语拼音字母和GB1883中关于气缸布置所规定的象形字符号表示。 （3）内燃机型号由下列4部分组成： ①首部 包括产品系列代号、换代符号和地方、企业代号，由制造厂根据需要自选字母表示，但需经行业标准化归口单位核准、备案。 ②中部 由缸数符号、气缸布置形式符号、冲程符号和缸径符号组成。 ③后部 由结构特征符号和用途特征符号组成。 ④尾部 为区分符号。同一系列产品因改进等原因需要区分时，由制造厂选用适当符号表示。后部与尾部可用“－”分隔。 我国内燃机型号表示方法及其含义如图1-9所示。

图1-9　内燃机型号表示方法及其含义

2．内燃机型号示例 （1）汽油机 ①462Q四缸、直列、四冲程、缸径62mm、水冷、汽车用。 ②1E65F单缸、二冲程、缸径65mm、风冷、通用型。 ③EQ6100-1六缸、直列、四冲程、缸径100mm、水冷，区分符号1表示第一种变形产品（EQ为第二汽车制造厂代号）。 （2）柴油机 ①YZ6102Q六缸、直列、四冲程、缸径102mm、水冷、汽车用（YZ为扬州柴油机厂代号）。 ②12V135Z十二缸、Ｖ形、四冲程、缸径135mm、水冷、增压、通用型。 ③12VE23OZCZ十二缸、Ｖ形、二冲程、缸径230mm、水冷、增压、船用主机、左机基本型。

内燃机常用燃料符号 符号 燃料名称 无符号 柴油 P 汽油 T 天然气 CNG 压缩天然气 LNG 液化天然气 LPG 液化石油气 Z 沼气 W 煤矿瓦斯 M 煤气 各类工业化煤气如焦炉煤气、高炉煤气等。允许M后加1个字母区分煤气的类型。 S SCZ 柴油/天然气双燃料 柴油/沼气双燃料 E 乙醇 DME 二甲醇 FME 生物柴油 甲醇

增压中冷技术 中冷增压（又称增压中冷）就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经中段冷却器冷却，然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压温度下降到50℃以下，有助于减少废气的排放和提高燃油经济性。 中冷器的作用 　　中冷器的作用是降低发动机的进气温度。那么为什么要降低进气温度呢？ 　（1）发动机排出的废气的温度非常高，通过增压器的热传导会提高进气的温度。而且，空气在被压缩的过程中密度会升高，这必然也会导致空气温度的升高，从而影响发动机的充气效率。如果想要进一步提高充气效率，就要降低进气温度。有数据表明，在相同的空燃比条件下，增压空气的温度每下降10 ℃，发动机功率就能提高3％～5％。 　　（2）如果未经冷却的增压空气进入燃烧室，除了会影响发动机的充气效率外，还很容易导致发动机燃烧温度过高，造成爆震等故障，而且会增加发动机废气中的NOx的含量，造成空气污染。

活动三 发动机基本理论 一、发动机的性能指标 发动机的性能指标包括指示性能指标、有效性能指标及标定性能指标。 （一）指示性能指标 活动三 发动机基本理论 一、发动机的性能指标 发动机的性能指标包括指示性能指标、有效性能指标及标定性能指标。 （一）指示性能指标 指示性能指标是指以可燃混合气(工质)对活塞做功为基础建立的指标，常用指示功和指示热效率表示，是用以评定发动机工作循环优劣的指标。 1.指示功Wi 在发动机示功图(图1-10)的封闭曲线分别构成两个封闭的面积，面积bczb的大小表示发动机内可燃混合气(工质)对活塞做功的多少，此时发动机做的功是正功，称为循环的指示功Wi。brab是进、排气冲程所消耗的能量，此时发动机做的功是负功，或称为泵气损失。

图1-10 四冲程发动机示功图

2.循环热效率ηi 进入气缸的可燃混合气在压缩冲程上止点附近开始着火燃烧，放出热量，使混合气的温度、压力急剧升高，混合气膨胀，推动活塞移动而转换成机械功。在膨胀结束时，混合气的温度、压力仍高于大气的温度、压力。这样，就有相当数量的热量通过排气冲程排放到大气中去，另一方面，在发动机做功循环中，还有一部分热量通过气缸壁传给冷却系统。所以，在整个实际循环中，混合气所放出的热量Q不可能全部转换为指示功。热能转换的百分率，称为发动机实际循环的热效率或指示热效率，即 ηi=Wi/Q。 式中，Wi-发动机工作循环的指示功，单位为kJ； Q-为得到指示功所消耗的燃料的热量，单位为kJ。 上式热效率称为循环热效率。实际情况表明，发动机的热效率均不高，大致范围如下： 汽油机ηi约为0.25～0.40，柴油机ηi约为0.4～0.5。

（二）有效性能指标 发动机有效性能指标主要有有效功率Pe、有效转矩Me、平均有效压力Pe、有效燃料消耗率ge。它是以发动机曲轴输出的净功率建立的指标，同时它综合反映了发动机的工作情况，对描述发动机的性能特点，比较、检测发动机性能，有着重要的指导意义。 1.有效功率Pe 有效功率是指发动机运转时由曲轴输出的功率，用Pe表示。其值可由发动机测功机实际测得。 2.有效转矩Me 转矩是指发动机运转时由曲轴输出给传动系的有效旋转力矩，用Me表示。由试验测得，转矩Me、功率Pe、转速n三者的关系可用下式表示，即 Me=9550×Pe/n 式中，Me-有效转矩，单位为N•m； Pe-有效功率，单位为kW， n-发动机转速，单位为r/min。

3．平均有效压力P 发动机在单位气缸容积中所做的有效功，称为有效压力P。平均有效压力可由下式计算： P=30тPe/iVhn×103式中，P-平均有效压力，单位为kPa。 т-发动机冲程数； i-气缸数； Pe-有效功率，单位为kW； n-发动机转速，单位为r/min。 平均有效压力越高，表示发动机单位气缸工作容积中所做的有效功越大。因此，可用平均有效压力来比较各种不同排量发动机的动力性。P的大致范围是：汽油机P约为588～981kPa；柴油机P约为588～883kPa。 4．有效燃油消耗率ge。 单位有效功的燃油消耗量称为有效燃油消耗率或有效耗油率，用ge表示，即 Ge=GT/Pe×103 式中，GT一发动机单位时间内的实际耗油量，单位为kg/h； Pe-发动机的有效功率，单位为kW。

发动机铭牌上标示的有效功率、有效转矩、有效燃油消耗率等性能指标即为标定指标。 ge越小，表示发动机曲轴输出的净功率所消耗的燃料越少。发动机产品说明书中通常给出发动机的最低燃油消耗率。ge实际上随发动机的工作状况的改变而发生变化。ge值的大致范围：汽油机ge约为270～410g/(kW•h)，柴油机ge约为215～285g/(kW•h)。 （三）标定性能指标 发动机铭牌上标示的有效功率、有效转矩、有效燃油消耗率等性能指标即为标定指标。 铭牌上所给出的有效功率和有效转矩都是最大值，有效燃油消耗率则为最小值。 在标定发动机的有效功率时，考虑到发动机运用场合，通常给出两种或两种以上的标定功率，如15min功率、1h功率、12h功率及24h功率等，分别表示发动机连续工作15min、1h、12h和24h，允许发动机发出的最大功率。 根据国家有关标准规定，在标定的有效功率和有效转矩时，应同时注明相应转速。

二、四冲程发动机的充气效率 换气过程常用的评价指标有：循环充量，充气效率和单位时间充量。 （一）循环充量△G （二）充气效率（充气系数）ηV 实际进入气缸的新鲜空气量△G与大气状态下充满气缸工作容积的新鲜空气量△GO之比，称为充气故障ηV： ηV=△G/△GO 所谓进气状态是指当前、当地的大气状态（非增压机型）和增压器压气机出口的气体状态（增压机型）。

充气效率ηV是评价发动机换气过程完善程度的指标，它不受气缸容积的影响。 在发动机试验台上，测出某工况时空气进入发动机的流量G(kg/s)，计算出大气状态下该工况时能充入发动机的空气量GO G0=iVhnγ/2×60 式中：γ-空气密度，kg/m3。 则充气效率：ηV=△G/△GO 充气效率ηV的一般范围：汽油机：0.75～0.85； 柴油机：0.75～0.9。 从式中可见，大气状态下能充入气缸工作容积的空气量△GO是常数，与发动机转速无关。因此，充气效率ηV随转速n变化的趋势与循环充量△G随转速n变化的趋势相同。

图1-11 单位时间充量及循环充量随转速的变化趋势 （三）单位时间充量G 单位时间内进入气缸内的新鲜充量的质量，称为单位时间充量G。单位时间充入的新气量与发动机有效功率紧密相关。汽油机单位时间充量愈大，单位时间内燃烧的气体数量愈多，单位时间内做的功愈多，因而功率愈大；柴油机单位时间充量愈大，单位时间内喷入气缸的柴油量可以相应增加，因而功率也可以提高。显然，发动机的功率首先取决于单位时间充量的大小。 单位时间充量G的表达式： G=△Gni/2×60，kg/s 式中：i—缸数。 单位时间充量G及循环充量△G随转速n变化的趋势如图1-11示。 图1-11 单位时间充量及循环充量随转速的变化趋势

充气效率与有效功率的关系，从下面的计算式可进一步看出，ηV高，则发动机的功率与转矩可以增加。（证明从略） 从图中可见，在较低的转速范围内，随着转速的增加，循环充量△G也增加，从上式可见使单位时间充量增加很快。当循环充量△G达到最大值后，转速增加，循环充量有所下降，致使单位时间充量的增长减慢。此后，转速继续增加，单位时间充量逐渐接近于一个极限值。这是因为进气通过气门口的流速达到声速时，单位时间充量△G（流量）达到了极限。 充气效率与有效功率的关系，从下面的计算式可进一步看出，ηV高，则发动机的功率与转矩可以增加。（证明从略） 有效功率：Pe=k1n/αηvηiηm，kw 转矩：Me=(k2/α)ηvηiηm，N•m 式中：k1 ,k2—每种发动机的常数； α—过量空气系数。 上两式表明：采用较浓混合气(α<1)，转速高，循环充量大(充气效率大)，循环热转换为指示功的效率高，发动机机械损失小，才能使发动机的有效功率大；同样，采用较浓的混合气，充气效率、指示效率、机械效率的乘积大，才能使发动机的转矩大。

图1-12 进气门迟闭角对充气效率和有效功率的影响 （四）影响充气效率的主要因素 充气效率增大，使发动机的功率及转矩增大，分析影响充气效率的因素，具有重要的意义。 影响的因素主要有以下几个方面： 1．转速和配气相应的影响 图1-12示为进气门迟闭角对充气效率和有效功率的影响。图中的实线为进气门迟闭角为40º时的情况，虚线为迟闭角改为60º时的情况。可见,在低转速时,由于ηv在60º迟闭角时下降了，所以有效功率较低；高转速时，由于ηv增加，所以有效功率提高。 图1-12 进气门迟闭角对充气效率和有效功率的影响

2．负荷的影响 汽油机在一定转速下，负荷(阻力矩)减少，节气门开度要相应减少，进气流动的阻力增大，使循环充量、充气效率及单位时间充量均下降。柴油机在一定转速下，负荷减少，循环充量、充量效率、单位时间充量基本不变，只是循环喷入燃烧室内的燃油量相应减少。 3．空气滤清器的影响 装空气滤清器是为了减少进入气缸的灰尘，减少发动机气缸的磨损。因而空气滤清器应经常维护，使滤清效果好又不使进气阻力过大，否则充气性能会大为下降，使发动机的功率及转矩下降，并使油耗增加。 4．压缩比的影响 提高压缩比，燃烧室相对减少，残余废气量相对下降，吸气开始时废气膨胀占有的体积小，废气对新气的加热相对减少，从而使充气效率提高。 5．进气管的影响 进气管要有足够的通道断面，拐弯处应有较大的圆角，管内表面应光滑而无积炭，安装时进、排气接口垫应对准，这有利于提高充气效率。 6．进气加热的影响 汽油机的进、排气管常铸成一体，以利用排气管加热进气管，这对汽油的蒸发有利。但加热过多又会使空气的密度下降较大，使充气系数降低。有的汽油机在排气管内装有阀，用来调节对进气管的加热程度。 柴油机的进气管内没有燃油的蒸发问题，不需要进气加热，进气口常设在发动机罩之外。

提高发动机充气效率，主要从以下几个方面着手： 1．降低进气系统的阻力损失，提高进气终了的压力具体的措施有： （1）减小空气滤清器阻力； （五）提高发动机充气效率的措施 提高发动机充气效率，主要从以下几个方面着手： 1．降低进气系统的阻力损失，提高进气终了的压力具体的措施有： （1）减小空气滤清器阻力； （2）减小进气管的沿程阻力和局部阻力；如加大通道面积、减小进气管和截面突变，保持管道内表面光滑； （3）减小进气道阻力； （4）减小进气门处的流动阻力。如加大进气直径以增加流通能力；增加气门数以增加流通截面，如三气门、四气门、五气门，如图1-13所示； （5）改进凸轮的廓线设计，加大进气门开启时间与截面。 (a)三气门 (b)四气门 (c)五气门 图1-13 多气门内燃机

2．降低排气系统的阻力损失，减少缸内残余废气，主要减小气门、 排气道与排气管的阻力。 3．减少高温零件在进气过程中对工质的加热主要维持发动机冷却系技术状况良好，分置进、排气管。 4．合理利用换气过程的动态效应，在压缩波到达进气门处时关闭进气门，在膨胀波到达排气门处时关闭排气门。 5．合理选择配气相位。 6．采用可变配气相位与可变进气系统，以提高气门的流通能力。如利用波动效应、惯性效应与通过旋转件的转动来改变进气管长度和容积的可变进气系统。如惯性增压式电控可变进气机构的充气效率的改进。

三、汽油机的燃烧过程 将燃料的化学能转变为热能的过程，称为发动机的燃烧过程。它是发动机整个工作循环的主要过程。在此介绍汽油的组成与主要性能指标，讨论传统的汽油机燃烧形式，即均匀混合气的燃烧过程。 汽油机燃烧过程的特点： 1．燃料与空气借助于化油器或喷射装置，在缸外进行混合，混合时间长，混合均匀； 2．压缩终了前通过外源(火花塞)点火，着火时间、地点一定； 3．着火后火焰扩散，适当的涡流运动可以加速火焰传播； 4．通过改变混合气的数量来调节负荷。

（一）汽油性能指标 汽油的使用性能指标主要有蒸发性和抗爆性，这两个指标对发动机性能影响很大。 1.汽油的蒸发性 汽油应该是快速地、无杂质地蒸发，衡量指标是10％、50％、90％蒸发温度。10％蒸发温度标志汽油的起动性。10％蒸发温度低，起动性好，但太低了容易引起气阻、在油箱和化油器中蒸发损失增加。该温度太高，则冷起动困难。 50％蒸发温度标志汽油的平均蒸发性。该温度低，可以缩短暖车时间，但太低了则会导致化油器结冰；太高，则汽油机冷机的过渡特性差。 90％蒸发温度标志中含有难以蒸发的重质成分，该温度太高，在燃烧室内易形成杂质，并稀释润滑油。 2.汽油抗爆性 抗爆性是指汽油在燃烧室内燃烧时抵抗爆燃的能力，其评定指标是辛烷值。在汽油机燃烧过程中，随着压缩比及气缸内气体温度提高，可能出现一种不正常的自燃现象，称为爆震燃烧，简称爆燃。汽油辛烷值越高，抗爆性越强，就能承受发动机采用较高压缩比而不发生爆燃，有利于提高汽油机的经济性。

注：90号汽油，08、09年开始被淘汰，逐渐退出市场。 燃料的品质是影响爆燃的重要因素。为提高汽油的辛烷值，过去常在汽油中添加少量的四乙基铅抗爆剂，能产生显著的抗爆效应。但四乙基铅有毒，一方面会产生铅毒排入大气，直接危害环境，另一方面会导致排气催化净化器迅速失效，因此目前已严格限制使用。为了便于识别，含四乙基铅的汽油加有染色剂，使之成红棕色或蓝色。这种汽油不能吸吮，也不能用来洗手。 3.国产汽油规格 据1989年颁布的标准，我国车用汽油有90号、93号(京92号)、97号（京95号）三种牌号，牌号数字表示研究法(RON)测定的辛烷值。注意：并不是牌号越高越好，要根据发动机压缩比合理选择汽油标号。 注：90号汽油，08、09年开始被淘汰，逐渐退出市场。

汽油直接喷射系统混合气的形成是在进气管或气缸中进行的。喷油器将来自供油系统具 （二）汽油机混合气的形成 汽油机的混合气形成有两种方式：一种是化油器式，即利用化油器在气缸外部形成大体均匀的可燃混合气，靠控制节气门开度调节混合气数量。现在化油器式发动机基本被淘汰。另一种汽油直接喷射式，即利用喷油器在一定压力下直接向进气管、进气道或气缸内喷射汽油，与吸入的空气相混合形成可燃混合气，汽油喷射大多数是靠机械或电脑根据发动机进气量或进气管压力等参数来控制。 汽油直接喷射系统混合气的形成是在进气管或气缸中进行的。喷油器将来自供油系统具 有一定压力的汽油喷到各缸进气道的进气门前(多点喷射)或喷到节气门前方的进气管内(单点喷射)或直接喷入气缸(缸内喷射)，与来自空气供给系统的新鲜空气在缸外(进气管喷射)或缸内(缸内喷射)相混合形成可燃混合气。

根据喷油器安装位置的不同

根据喷油器安装位置的不同 节气门 喷油器 节气门 单点喷射 多点喷射

（三）汽油机的燃烧过程 汽油机的燃烧过程包括着火和燃烧两部分。从压缩行程上止点前火花塞点火开始到膨胀行程燃料基本上烧完为止，燃烧持续较短(约占25º～40º曲轴转角)，其燃烧过程接近于定容燃烧。 1．燃烧简介 燃烧是燃油中的碳原子和氢原子与空气的氧原子剧烈氧化反应的过程，并伴有发热、发光的现象。假设氮在燃烧前后不参加化学反应，则完全燃烧的最终产物只有C02、H20和N2。 发动机工作时，实际供给的空气量不一定等于理论空气量(1kg燃料实际完全燃烧理论上所需的空气量）。燃烧1kg燃料提供的空气量L与理论上所需空气量L0之比，称为过量空气系数α，那α=L/L0。它是我国通用的可燃混合气成分指标。 欧美各国及日本一般都直接以混合气所含空气质量A与燃料质量F之比 — 空燃比A/F来表示可燃混合气成分。理论上，1kg汽油完全燃烧所需要的最少空气量约为14.7kg，被称为理论空气量。 把过量空气系数α=1，空燃比A/F=14.7的可燃混合气叫做理论混合气；α<1，A/F<14.7的可燃混合气叫做浓混合气；α>1，A/F>14.7的可燃混合气叫做稀混合气。

2．汽油机的着火 汽油和空气形成的可燃混合气必须经过着火阶段才能进行燃烧。而着火，是指混合气的氧化反应加速、温度升高、以致引起空间某一位置最终有某个火焰出现的过程。汽油机采用电火花点火的方式使可燃混合气着火。 在火花塞点火之前，气缸内已形成了均匀混合气，混合气受到缸壁和残余废气的加热，被压缩后压力与温度升高，并产生缓慢的分解和氧化，处于容易着火状态。当火花塞电极间跳火，经历了高温着火后，在已燃气体与未燃的工质之间的一个很窄的范围(火焰前锋)内通过活化分子的传热和对流而燃烧放热。在燃烧室造型没有很大偏差及工质基本处于静止状态下，火焰基本上以球形的形状向外扩展。但实际上，燃烧室的形状影响工质的涡流运动，从而影响火焰扩散，改变火焰前锋的形状。 点火能否成功，与火花点火放出的热量大小和混合气的浓度有关。火花点火放出的热量太小，混合气的浓度过浓或过稀，火焰均不能传播，汽油机混合气浓度的着火界限，一般为α=0.5～1.3之间。

3．正常燃烧过程 为了提高汽油机的动力性和经济性，充入气缸的可燃混合气燃烧要完全、及时和正常。因为：只有完全燃烧，才能喜充分利用燃油的热能；只有及时燃烧，在上止点后12º～18º曲轴转角内燃烧完毕，才能使燃气具有更高的温度和压力，对活塞的推力大，使热能更多的转变为机械功；只有正常燃烧，才能保持发动机稳定、可靠的工作。 图1-14所示为汽油机工作过程中缸内压力的变化关系。其中的虚线表示不点火时的情况，实线为点火时情况。根据压力变化的特征，把燃烧过程分为三个阶段：着火延迟期、急燃期、补燃期。 图1-14 汽油机工作过程中缸内压力的变化关系

（1）着火延迟期 气缸内的混合气，随着压缩过程使其压力和温度进一步提高，加速了氧化反应的速度。但是，由于汽油机的压缩比较低和混合气的自燃温度比较高，不容易自燃。在压缩到接近上止点的时候，火花塞电极间跳过火花(θ为点火提前角)，火花能量使电极附近的混合气氧化反应加快，所放出的热量使该局部混合气温度迅速升高，这又会使局部氧化进一步加快。这种反应进行到一定程度，就出现发火区，形成火焰中心。从火花塞电极间跳过火花(点1)起，到形成火焰中心(点2)为止的这段时间，称为着火延迟期。图中用I阶段表示，由于只是在火焰中心附近的局部范围内有剧烈的氧化反应，因而图中的压力线没有明显地偏离压缩线，即没有明显的压力升高现象。 （2）急燃期 从火焰中心形成起，火焰前锋以20m/s～30m/s的速度，按近似球面的形状向未燃混合气推进，直到火焰掠过整个燃烧室，主要部分混合气燃烧完毕，因而出现最高压力(点3)为止。这段时间称为急燃期，图中用II阶段表示。 急燃期是燃烧过程的主要阶段，它对发动机性能影响很大。实践证明，以曲轴转角计算的压力升高率为170kPa/(º)～240kPa/(º)，且火焰中心形成在上止点前12º～15º曲轴转角，最高压力出现在上止点后12º～18º曲轴转角时，示功图有最大面积，循环功最多。这时对应的点火提前角θ，称为最佳点火提前角。

汽油机的不正常燃烧，包括爆震燃烧和表面点火。 （3）补燃期 混合气中汽油蒸发不良及与空气混合不均匀时，部分颗粒较大的燃油在火焰前锋掠过时，只是表层燃油被燃烧，未燃烧的部分需要在补燃期内燃烧。此外，燃烧产物C02、H20中，有少部分在高温的作用下会分解为H2，O2，CO等产物，这称为热分解现象。在膨胀过程中，因工质温度下降，热分解产物又可继续燃烧、放热。这就形成了补燃期。图中用Ⅲ阶段表示。 补燃是在活塞下行中进行的,这时气缸容积已明显扩大，故补燃产生的热量不能有效地转变为功，反而使排气温度增加,热效率下降。因此，希望尽可能减少补燃。 4．不正常燃烧 汽油机的不正常燃烧，包括爆震燃烧和表面点火。

（1）爆震燃烧（简称爆燃） ①现象与危害 汽油机燃烧过程中，燃烧室内有明显的火焰前锋在推进。在火焰前方的未燃混合气受到已燃混合气强烈的压缩和热辐射作用，其压力和温度都急剧增高。如果火焰前锋到达以前，未燃混合气已达到它的自燃温度而自行着火，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播，这种现象称为爆燃。高速摄影的观察表明：爆燃时，爆燃形成的火焰中心向外传播的速度达100m/s～300m/s，使未燃混合气瞬间燃烧完毕，气体的容积来不及膨胀，局部温度和压力猛烈增加，和周围的气体压力不平衡而产生冲击波。这种冲击波以超音速传播，撞击燃烧室壁，发出频率达3000Hz～5000Hz的尖锐的金属敲击声。 因而，汽油机的爆燃现象就是燃烧室内末端混合气的自燃现象 虽然爆燃时的最高压力很高，但它是以冲击波的形式出现，不是以均匀压力推动活塞，而像用榔头不断敲击活塞似的，不能使燃气对活塞作功更多。汽车在低速上坡时，允许有很轻微的短时间的爆燃。因为轻微的爆燃可以使燃烧过程缩短，有利于提高有效功率，但是不允许严重的爆燃，严重的爆燃会有下列危害：

a.机件过载 强烈爆燃时的冲击波使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件过载，使机件变形，甚至使机件损坏。 b.机件烧损 爆燃时，汽油机燃烧终了的温度可达2000℃～2500℃，而活塞顶、燃烧室壁及气缸壁的温度仅为200℃～300℃。除了冷却水的作用外，能够维持这样低温度的原因，是在这些壁面上形成了气体的附面层，它起了隔热的作用。强烈爆燃的冲击波会破坏这一附面层，使机件直接与高温燃气接触，而严重爆燃时局部燃气温度可达到4000℃以上，使活塞头部和气门等机件烧损。 c.性能指标下降 严重爆燃时的局部高温，产生严重的热分解现象，燃烧产物分解为CO、H2、02、NO及游离碳的现象增多。游离碳已不能再燃烧，形成排气冒烟。CO、H2、02等在膨胀过程中重新燃烧，使补燃增加，排气温度增高，附面层破坏，向缸壁散出的热量增加，发动机过热，有效功率降低，有效耗油率增加。 严重爆燃时，即使机件没有损坏，其寿命也会降低。试验表明，严重爆燃时气缸的磨损量比正常燃烧时大27倍左右。

在发动机的设计和使用中，应采取各种措施来防止爆燃的产生。 ②预防措施 预防发动机产生爆燃的措施，主要有：使用抗爆性强的汽油可以避免爆燃的产生；在汽油中加入少量抗爆添加剂，可提高汽油的辛烷值，使其抗爆性增强，但现在已严格控制加铅汽油的使用；使用中应根据发动机的压缩比选用相应牌号的汽油。另外，也可以通过改变结构因素如减小压缩比、采用双火塞等以及改变运行因素如负荷、转速等措施。 （2）表面点火 不靠火花塞点火而由燃烧室内炽热物点燃混合气的燃烧现象，称为表面点火。它是由燃烧室内炽热物作为点火源而形成的新的着火现象，是一种不正常的燃烧现象。燃烧室内炽热物如：过热的火花塞电极、热的排气门、热的燃烧表面沉积物等。由表面点火产生的新的火焰前锋也以正常的速度传播。 在正常火花塞点火前的表面点火称为“早火”，正常火花塞点火后的表面点火称为“后火”。 表面点火的结果是使得缸内压力急剧升高，噪声加强，向活塞、缸壁的传热增加，活塞缸套间结焦，“早火”相当于将点火提前角提前，“后火”虽有可能加快燃烧速度，但是，表面点火的最大问题是点火的无规律性，这将导致燃烧过程的不稳定与工作过程的粗暴，使动力性、经济性都受到影响。避免表面点火的有效措施是采用低馏程的燃料与不易结焦的润滑油。 表面点火不同于爆燃，表面点火是由于热表面点燃混合气，而爆燃则是由于燃烧室内末端混合气的自燃产生的。爆燃与表面点火之间又存在相互影响，表面点火会促使爆燃的产生。

5．使用因素对燃烧过程的影响 （1）进气初始态压力、温度 降低进气初始态压力、温度，可以避免爆燃与表面点火时产生。从这一点来看，汽油机实现增压的难度比柴油机要大。 （2）点火提前角 将点火提前角增大，缸内最高压力、温度增加，终燃混合气受到挤压和热辐射的影响增强，其自行着火所需的时间减少，这个作用比由于缸内压力和温度的升高所引起的火焰速度的加快要明显，故爆燃倾向增加。因而，为避免爆燃时产生，往往减小点火提前角。 （3）α(混合气浓度)的影响 混合气浓度为a=0.8～0.9时，火焰传播速度最大，但终燃混合气的着火延迟期也最短。 （4）转速 发动机转速增加时，火焰传播速度加快，燃烧速度加快，易产生爆燃的部位在自燃准备尚未完成时，火焰前锋已经到达，爆燃趋势减弱。 （5）负荷 发动机负荷减小时，由于残余废气的稀释作用增大，火焰传播速度下降，燃烧的最高温度与压力下降，使爆燃的倾向减小。 （6）燃烧沉积物的影响 附于燃烧室壁面的沉积物相当于一个热源，对终燃混合气起到加热作用，因此可能会使爆燃和表面点火的倾向增大。

（四）汽油机的燃烧室 根据配气机构的布置，燃烧室可以分为侧置气门式和顶置气门式两种。侧置气门式燃烧室已不大采用。目前多采用顶置气门式燃烧室。顶置气门式燃烧室归纳起来有碗形燃烧室、楔形燃烧室、浴盆形燃烧室、半球形燃烧室等几种，如图1-15所示。 浴盆形燃烧室 楔形燃烧室 半球形燃烧室 碗形燃烧室 图1-15 燃烧室形状

四、柴油机的燃烧过程 同汽油机一样，柴油机的燃烧过程也将直接影响发动机的性能指标。但柴油机的工作过程又不同于汽油机，其工作过程的特点： 1．吸入气缸的是新鲜空气，被压缩的是新鲜空气； 2．柴油通过高压喷入气缸，在缸内形成可燃混合气； 3．柴油和空气混合时间极短； 4．缸内混合气成分不均匀，且不断变化； 5．没有外源点火，只是靠压缩自燃； 6．混合与燃烧重叠进行； 7．质调节，即负荷和转速不是通过进气节流，而是通过燃料量来调节； 对柴油机燃烧的基本要求： 1．燃烧及时。这将影响作功的质量、放热量的有效利用； 2．燃烧完全。这会影响到放热量、作功和排放。 因此，对于柴油机来说，及时形成可燃混合气最为重要。

（一）柴油的主要性能指标 柴油是柴油机的主要燃料，它分重柴油和轻柴油两类。重柴油多用于转速1000r/min以下的中、低速柴油机；轻柴油多用于转速1000r/min以上的高速、中高速大功率柴油机。柴油的物理化学性质对柴油机的着火和燃烧影响很大。 1．着火性 柴油的着火性是指柴油的自燃能力，其评定指标是十六烷值，十六烷值越高着火性越好。 着火性好的柴油，喷人气缸后能及时着火燃烧，柴油机工作柔和，冷起动性能也随之改善；若着火性能差，燃烧前所需的物理、化学准备时间长，着火后压力升高率过高，导致柴油机工作粗暴。 一般柴油的十六烷值限制在65以下，十六烷值太高，容易裂化，导致排气冒黑烟，经济性下降。 2．蒸发性 柴油的蒸发性用馏程表示。将柴油加热，分别测定蒸发出50％、90％和95％的馏分温度。 馏出50％的温度低，说明这种燃烧轻馏分多，蒸发性好，有利于混合气的形成和燃烧。但若轻馏分过多，着火前蒸发油气过多，会使柴油机工作粗暴。90％和95％馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分。重馏分过多，在气缸中不易蒸发，与空气混合不均匀，则燃烧不完全，易产生冒烟和积炭。

3．粘度 柴油的粘度用来表示柴油的雾化性。粘度低，则容易形成混合气。若粘度过低，会加剧喷油泵及喷油器之间的精密偶件表面之间的磨损；若粘度过高，流动阻力增加，柴油从喷油器喷出时的雾化性差，不易形成均匀的混合气。因而，柴油应具有适中的粘度。 4．凝点 柴油的凝点用来表示柴油的低温流动性。它是指柴油冷却到开始失去流动性的温度。国产轻柴油的牌号是按凝点编定的，如O号柴油的凝点为O℃。好的柴油应具有低的凝点。若疑点过高，不利于燃烧的正常供给，尤其在低温条件下工作。可能造成油路堵塞。选用柴油时，一般要求其凝点比最低工作环境温度低3℃～5℃以上。 （二）柴油机混合气的形成 柴油机混合气的形成，是指燃料自喷入气缸至着火及燃烧的整个阶级中所发生的破碎、雾化、汽化并与空气之间相互渗透和扩散的过程，它直接决定着燃烧质量。由于柴油的蒸发性差，因此柴油机采用高压喷射的方法，即在压缩行程接近终了时，借助喷油器将柴油喷入燃烧室，与气缸中高温、高压的空气混合形成可燃混合气。经过一系列物理化学准备后，着火燃烧；随后，混合气的形成与燃烧便重叠进行，即一边喷油、混合和一边燃烧。

柴油机的混合气形成与汽油机相比有两个最显著的特点：混合气形成在气缸内部；混合气形成时间较短。柴油机混合气形成的理想过程应该是燃料喷人燃烧室后在尽可能短的时间内与周围空气均匀雾化、混合，形成可燃混合气；着火后继续喷入的燃料应及时得到足够的空气和混合能量，以便迅速混合，力求避免燃料直接进入高温缺氧区域，引起裂化。 柴油机混合气形成依靠两方面作用：燃料喷雾；组织空气运动。空气运动可以促使柴油很快在整个燃料室空间得以均匀分布，加速混合气形成。 1．形成混合气的两种基本方式 按混合气形成的原理分，柴油机可燃混合气的形成方式有两种：空间雾化混合和油膜蒸发混合。 （1）空间雾化混合方式 直接将柴油喷射到燃烧室空间，经雾化、蒸发与空气混合，形成雾状混合物的方式，称为空间雾化混合方式。为了使混合迅速而均匀，要求采用雾化质量较好的多孔喷油器，并使喷油束与燃烧室形状相配合；在燃烧室内组织适当的空气运动，使油束中油滴在运动中与空气分子之间产生摩擦和碰撞，进一步分裂细化。相对运动速度越高，这种摩擦和碰撞越激烈，分裂后的油滴直径越小，数量越多，总的蒸发表面积也越大，混合气也越均匀。 空间雾化混合方式的优点：混合气形成速度快，燃烧过程比较稳定，对转速范围的适应性强。其缺点：燃料在着火以前形成的混合气较多，使燃烧过程较为粗暴，并生成较多的NOx。若油滴蒸发、雾化速度不及燃烧速度快，将产生不完全燃烧。

（2）油膜蒸发混合方式 将柴油顺着气流的运动方式，涂到燃烧室壁面，形成油膜，油膜受热蒸发，并与空气混合形成均匀混合气的方式，称为油膜蒸发混合方式。燃烧室壁温、油膜厚度和空气与油膜的相对速度是混合气形成的决定性因素。 油膜蒸发混合方式的优点：完全是气相混合，通过油膜的蒸发和吹拂气流的旋转运动还可以实现分层燃烧，做到既无碳烟，又可控制燃烧速度，限制燃烧压力的急剧升高，从而控制噪声和传动装置的机械负荷，通过轴针式喷油嘴的截面的控制可改善噪声和减少NOx。同时对喷油系统要求降低。其缺点：油膜蒸发的速度受壁温、油膜厚度和气流运动的影响很大。因此，对供油、进气和燃烧室匹配要求较高，燃烧不及空间雾化稳定，冷起动性能差、怠速及低负荷时HC排放较高。 2．影响混合气形成的主要因素 影响混合气形成的主要因素包括：燃料喷雾、气流运动、燃烧室结构等。 （1）燃料的喷雾对混合气形成的影响 （2）空气运动对混合气形成的影响

（三）柴油机的燃烧过程 柴油机的燃烧过程，是从压缩行程上止点前喷油开始到作功行程燃烧终了为止的整个过程。它所占时间很短(约为50º～70º曲轴转角，高速柴油机只有O.003s～O.006s)，整个过程非常复杂。 1．柴油机的着火 柴油机利用柴油化学安定性差，易自燃的特点，采用压缩自燃的方式使可燃混合气着火。 在压缩行程末期将柴油喷入气缸，形成可燃混合气，它的着 火需要具备两个条件： （1）合适的混合气浓度。着火是在油滴外油雾浓度在着火界限(O.5<a<1.4)内的区域首松散，油粒细，则柴油雾化好，混合气均匀。 先着火。着火区通过燃料的蒸发来补充。高浓度和高温度区在缺氧的情况下通过脱氧、裂化、聚合、凝结点及聚集而形成碳烟。 （2）合理的混合气温度。混合气的温度必须高于不用外部点燃而自行着火的最低温度，即自燃温度。随着混合气温度升高，着火界限可以有所扩大。

柴油机的燃烧过程可分为四个阶段：着火延迟期、速燃期、缓燃期和补燃期。如图1-16所示。 2、柴油机的燃烧过程 柴油机的燃烧过程可分为四个阶段：着火延迟期、速燃期、缓燃期和补燃期。如图1-16所示。 图1-16 柴油机的燃烧过程

（1）着火延迟期(滞燃期) 从喷油开始(点1)到压力脱离压缩线开始急剧上升(点2)止，这一阶段称为着火延迟期。图中的线12段所示。 着火延迟期的长短受气缸内的温度与压力等因素的影响，是控制与改善整个燃烧过程的关键。 （2）速燃期(急燃期) 从压力偏离压缩线的点2开始到最高压力点为3止，这一阶段称为速燃期。图中的线23段所示。 缸内的多个火焰中心一旦着火后，着火延迟期中已喷入缸内的柴油几乎一齐燃烧，在很短的时间内，产生很高的压力，使缸内的压力升高率很大，而这个时间又很短，接近于等容燃烧。这阶段的放热量为循环放热量的1/3左右，产生的最高压力达5.4MPa～8.8MPa,最高压力约在压缩行程后6º～15º的曲轴转角处出现。

（3）缓燃 从最高压力点3开始到气缸内工质温度达到最高点4为止，这一阶段称为缓燃期。图中的线34段所示。 这一阶段内有较多的柴油燃烧，同时气缸的容积在不断地增加，结果是气缸内温度继续增高，工质的压力几乎不变、稍有上升或稍有下降，接近于等压燃烧。这阶段结束时的放热量约占循环放热量的70％～80％，最高温度为1970K～2270K，最高温度点出现在上止后20º～35º的曲轴转角处。 （4）补燃期(后燃期) 从出现最高温度点4开始到柴油基本烧完为止，这一阶段称为补燃期。当放热量已达循环放热量的95％～97％时，即认为补燃期结束。 柴油机中柴油与空气形成混合气的时间很短，不容易充分蒸发和混合均匀。总有一些燃油不能及时燃烧，拖延到膨胀过程中继续进行，形成补燃。补燃的热量是活塞已远离上止点才放出，作功的效果差，且使排气温度增高，耗油率加大。所以，使用中应着重从保证喷雾质量，保持压缩终了的温度和压力方面采取措施，来减少补燃。

（四）影响柴油机燃烧过程的主要因素 1．燃油性质 2．喷油定时 3．喷油规律 4．雾化质量 5．燃烧室内的工质运动和换气质量 6．燃烧室的热力状态 7．转速 8．负荷