四沖程循環(huán)

如圖, 所示為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，它由汽缸10、 活塞8、連桿7、曲軸3、汽缸蓋11、機(jī)體、凸輪軸16、進(jìn)氣門25、排氣門15、氣門彈簧、曲軸齒形帶輪等組成。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的工作腔稱作汽缸，汽缸內(nèi)表面為圓柱形。在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(gòu)成曲柄連桿機(jī)構(gòu)?；钊谄變?nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，或者相反。同時(shí)，汽缸的容積在不斷的由小變大，再由大變小，如此循環(huán)不已。汽缸的頂端用汽缸蓋封閉。汽缸蓋上裝有進(jìn)氣門和排氣門。通過進(jìn)、排氣門的開閉實(shí)現(xiàn)向汽缸內(nèi)充氣和向汽缸外排氣。進(jìn)、排氣門的開閉由凸輪軸驅(qū)動(dòng)。凸輪軸由曲軸通過齒形帶或齒輪驅(qū)動(dòng)。構(gòu)成汽缸的零件稱作汽缸體，曲軸在曲軸箱內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1-油底殼 2-機(jī)油 3-曲軸 4-曲軸同步帶輪 5-同步帶 6-曲軸箱 7-連桿 8-活塞 9-水套 10-汽缸 11-汽缸蓋

12-排氣管 13-凸輪軸同步帶輪 14-搖臂 15-排氣門 16-凸輪軸 17-高壓線 18-分電器 19-空氣濾清器

20-化油器 21-進(jìn)氣管 22-點(diǎn)火開關(guān) 23-點(diǎn)火線圈 24-火花塞 25-進(jìn)氣門 26-蓄電池 27-飛輪 28-啟動(dòng)機(jī)

大部分的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，氣門都是簡單地隨著彈簧的返回而關(guān)閉。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，彈簧推動(dòng)氣門開合的時(shí)間會(huì)有所改變，而這時(shí)間的改變不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能發(fā)揮。

這個(gè)問題的解決辦法之一是連控軌道閥(Desmodromic valve)調(diào)速系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是用一個(gè)機(jī)械裝置調(diào)整氣門的開合。這樣就可以得到更高轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)。

一些設(shè)計(jì)用到額外的凸輪軸和搖桿。

這個(gè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是復(fù)雜程度高、成本高，有的制造商將其用在為摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的杜卡迪系統(tǒng)。

往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)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質(zhì)，因而在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)上有差異。

一. 四沖程汽油機(jī)工作原理

汽油機(jī)是將空氣與汽油以一定的比例混合成良好的混合氣，在進(jìn)氣行程被吸入汽缸，混合氣經(jīng)壓縮點(diǎn)火燃燒而產(chǎn)生熱能，高溫高壓的氣體作用于活塞頂部，推動(dòng)活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過連桿、曲軸飛輪機(jī)構(gòu)對(duì)外輸出機(jī)械能。四沖程汽油機(jī)在進(jìn)氣行程、壓縮行程、做功行程和排氣行程內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)。

(1) 進(jìn)氣行程(intake stroke)

活塞在曲軸的帶動(dòng)下由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)。此時(shí)進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°。在活塞移動(dòng)過程中，汽缸容積逐漸增大，汽缸內(nèi)氣體壓力從pr逐漸降低到pa，汽缸內(nèi)形成一定的真空度，空氣和汽油的混合氣通過進(jìn)氣門被吸入汽缸，并在汽缸內(nèi)進(jìn)一步混合形成可燃混合氣。由于進(jìn)氣系統(tǒng)存在阻力，進(jìn)氣終點(diǎn)(圖中a 點(diǎn))汽缸內(nèi)氣體壓力小于大氣壓力0 p ，即pa= (0.80~0.90) 0 p 。進(jìn)入汽缸內(nèi)的可燃混合氣的溫度，由于進(jìn)氣管、汽缸壁、活塞頂、氣門和燃燒室壁等高溫零件的加熱以及與殘余廢氣的混合而升高到340~400K。

(2) 壓縮行程(compression stroke)

壓縮行程時(shí)，進(jìn)、排氣門同時(shí)關(guān)閉?；钊麖南轮裹c(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°?；钊弦茣r(shí)，工作容積逐漸縮小，缸內(nèi)混合氣受壓縮后壓力和溫度不斷升高，到達(dá)壓縮終點(diǎn)時(shí)，其壓力pc可達(dá)800~2 000kPa，溫度達(dá)600~750K。在示功圖上，壓縮行程為曲線a~c。

(3) 做功行程(power stroke)

當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，由火花塞點(diǎn)燃可燃混合氣，混合氣燃燒釋放出大量的熱能，使汽缸內(nèi)氣體的壓力和溫度迅速提高。燃燒最高壓力pZ達(dá)3 000~6 000kPa，溫度TZ達(dá)2 200~2 800K。高溫高壓的燃?xì)馔苿?dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)外輸出機(jī)械能。隨著活塞下移，汽缸容積增加，氣體壓力和溫度逐漸下降，到達(dá)b 點(diǎn)時(shí)，其壓力降至300~500kPa，溫度降至1 200~1 500K。在做功行程，進(jìn)氣門、排氣門均關(guān)閉，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°。在示功圖上，做功行程為曲線c-Z-b。

(4) 排氣行程(exhaust stroke)

排氣行程時(shí)，排氣門開啟，進(jìn)氣門仍然關(guān)閉，活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°。排氣門開啟時(shí)，燃燒后的廢氣一方面在汽缸內(nèi)外壓差作用下向缸外排出，另一方面通過活塞的排擠作用向缸外排氣。由于排氣系統(tǒng)的阻力作用，排氣終點(diǎn)r 點(diǎn)的壓力稍高于大氣壓力，即pr=(1.05~1.20)p0。排氣終點(diǎn)溫度Tr=900~1100K?；钊\(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，燃燒室中仍留有一定容積的廢氣無法排出，這部分廢氣叫殘余廢氣。

二. 四沖程柴油機(jī)工作原理

四沖程柴油機(jī)和汽油機(jī)一樣，每個(gè)工作循環(huán)也是由進(jìn)氣行程、壓縮行程、做功行程和排氣行程組成。由于柴油機(jī)以柴油作燃料，與汽油相比，柴油自燃溫度低、黏度大不易蒸發(fā)，因而柴油機(jī)采用壓縮終點(diǎn)自燃著火，其工作過程及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與汽油機(jī)有所不同.

(1) 進(jìn)氣行程

進(jìn)入汽缸的工質(zhì)是純空氣。由于柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)阻力較小，進(jìn)氣終點(diǎn)壓力pa= (0.85~0.95)p0，比汽油機(jī)高。進(jìn)氣終點(diǎn)溫度Ta=300~340K，比汽油機(jī)低。

(2) 壓縮行程

由于壓縮的工質(zhì)是純空氣，因此柴油機(jī)的壓縮比比汽油機(jī)高(一般為ε=16~22)。壓縮終點(diǎn)的壓力為3 000~5 000kPa，壓縮終點(diǎn)的溫度為750~1 000K，大大超過柴油的自燃溫度(約520K)。

(3) 做功行程

當(dāng)壓縮行程接近終了時(shí)，在高壓油泵作用下，將柴油以10MPa左右的高壓通過噴油器噴入汽缸燃燒室中，在很短的時(shí)間內(nèi)與空氣混合后立即自行發(fā)火燃燒。汽缸內(nèi)氣體的壓力急速上升，最高達(dá)5 000~9 000kPa，最高溫度達(dá)1 800~2 000K。由于柴油機(jī)是靠壓縮自行著火燃燒，故稱柴油機(jī)為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。

(4) 排氣行程

柴油機(jī)的排氣與汽油機(jī)基本相同，只是排氣溫度比汽油機(jī)低。一般Tr=700~900K。對(duì)于單缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，其轉(zhuǎn)速不均勻，發(fā)動(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)，振動(dòng)大。這是因?yàn)樗膫€(gè)行程中只有一個(gè)行程是做功的，其他三個(gè)行程是消耗動(dòng)力為做功做準(zhǔn)備的行程。為了解決這個(gè)問題，飛輪必須具有足夠大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣又會(huì)導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量和尺寸增加。采用多缸發(fā)動(dòng)機(jī)可以彌補(bǔ)上述不足?，F(xiàn)代汽車用多采用四缸、六缸和八缸發(fā)動(dòng)機(jī)。

循環(huán)是在上止點(diǎn)開始的，即活塞處在其最上方位置。當(dāng)活塞在其第一次向下運(yùn)動(dòng)的過程(進(jìn)氣沖程)中，燃料與空氣的混合體通過一個(gè)或者多個(gè)氣門注入氣缸。進(jìn)氣門關(guān)閉，緊接著的壓縮沖程壓縮這種混合氣體(壓縮沖程)。

于是混合氣體在接近壓縮沖程頂點(diǎn)時(shí)被火花塞點(diǎn)燃。燃燒空氣爆炸所產(chǎn)生的推力迫使活塞向下做第三次運(yùn)動(dòng)(做功沖程)。第四次也就是最后一次沖程是排氣沖程，燃燒過的氣體通過排氣門排出氣缸。

通俗地講凸輪軸就是一個(gè)帶有幾個(gè)叫做凸輪的橢圓形突出體的圓柱，通過它的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)氣門的運(yùn)動(dòng)。凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪推動(dòng)氣門(通常是通過叫做挺桿的中間部件)使之在相應(yīng)的時(shí)間打開。氣門是用彈簧頂住的，當(dāng)凸輪的突起不是正對(duì)著氣門時(shí)它是關(guān)閉著的。每個(gè)循環(huán)一個(gè)氣門只打開一次，也就是，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周凸輪軸轉(zhuǎn)一周。上面圖示是雙頂置式凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)比兩沖程的效率要高很多。不過需要相當(dāng)多的可移動(dòng)零件以及更高的制造技術(shù)。

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)屬于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī),根據(jù)所用燃料種類的不同，分為汽油機(jī)、柴油機(jī)和氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)三類。以汽油或柴油為燃料的活塞式內(nèi)燃機(jī)分別稱作汽油機(jī)或柴油機(jī)。使用天然氣、液化石油氣和其他氣體燃料的活塞式內(nèi)燃機(jī)稱作氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。汽油和柴油都是石油制品，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)燃料。非石油燃料稱作代用燃料。燃用代用燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)稱作代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，如乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)、氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)、甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)等。