活塞式內(nèi)燃機(jī)工作原理

把柱塞裝在一個一端封閉的圓筒內(nèi)，柱塞頂面與圓筒內(nèi)壁構(gòu)成一個封閉空間，如果用一個推桿將柱塞和一個輪子連接起來，則柱塞移動時，便通過推桿推動輪子旋轉(zhuǎn)，從而把空氣所得到的熱能轉(zhuǎn)化為推動輪子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。 內(nèi)燃機(jī)的工作過程，就是按照一定的規(guī)律，不斷地將燃料和空氣送入氣缸，并在氣缸內(nèi)著火燃燒，放出熱能。燃?xì)庠谖諢崮芎螽a(chǎn)生高溫高壓，推動著活塞作功，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

它是由一個獨(dú)立的發(fā)動機(jī)所構(gòu)成。工作時燃料和空氣直接送到發(fā)動機(jī)的氣缸內(nèi)部進(jìn)行燃燒，放出熱能，形成高溫、高壓的燃?xì)猓苿踊钊苿?。然后通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)對外輸出機(jī)械能。

1.氣缸體2.噴油器3.進(jìn)氣門

4.排氣門5.活塞6.連桿7.曲軸

二、內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)

在往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用是將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)變。

它是由活塞1、連桿3和曲軸4等構(gòu)成。

活塞只能沿氣缸直線往復(fù)運(yùn)動。曲軸是由兩個中心線在一直線上的軸所構(gòu)成。其中一個軸安置在機(jī)體中心孔內(nèi)，稱做主軸。主軸只能在機(jī)體座孔內(nèi)繞本身中心線轉(zhuǎn)動。另一軸通過曲柄與主軸連接在一起，稱做連桿軸。它繞著主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。連桿為兩端帶有孔的一直桿，一端與活塞相連；另一端與連桿軸相連，它隨著活塞移動和曲軸旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行擺動。

當(dāng)活塞往復(fù)運(yùn)動時，通過連桿推動曲軸繞主軸中心產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。活塞移動與曲軸轉(zhuǎn)動是相互牽連在一起的。因此，活塞移動位置與曲軸轉(zhuǎn)動位置是相對應(yīng)的。

三、單缸四沖程柴油機(jī)工作原理

活塞連續(xù)運(yùn)行四個沖程（即曲軸旋轉(zhuǎn)兩周）的過程中，完成一個工作循環(huán)（進(jìn)氣—壓縮—燃燒膨脹—排氣）的柴油機(jī)，叫做四沖程柴油機(jī)。

為了更清楚地表示出氣缸內(nèi)氣體壓力隨容積的變化情況，圖1-6-5繪出了單缸四沖程柴油機(jī)的示功圖。圖中橫座標(biāo)表示氣缸容積，從座標(biāo)表示氣缸的絕對壓力。圖中的水平虛線，表示絕對壓力為大氣壓（亦即1公斤/厘米2）。Vc、Vh分別表示燃燒室容積與氣缸工作容積。

下面對照單缸四沖程柴油機(jī)工作過程示意圖和示功圖，來說明它的工作過程9指非增壓柴油機(jī)）。 第一沖程——進(jìn)氣過程活塞從上死點(diǎn)移動到下死點(diǎn)。這時進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉。

進(jìn)氣過程開始時，活塞位于死點(diǎn)位置。氣缸內(nèi)（燃燒室）殘留著上次循環(huán)未排凈的殘余廢氣當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時，通過連桿帶動活塞向下移動，同時進(jìn)氣門打開。隨著活塞下移，氣缸內(nèi)部容積增大，壓力隨之減小，當(dāng)壓力低于大氣壓力時，外部新鮮空氣開始被吸入氣缸。直到活塞移動到死點(diǎn)位置，氣缸內(nèi)充滿了新鮮空氣。 在新鮮空氣進(jìn)入氣缸的過程中，由于受空氣濾清器、進(jìn)氣管、進(jìn)氣門等阻力的影響，使進(jìn)氣終了時氣缸內(nèi)的氣體壓力略低于大氣壓，約為0.8～0.9公斤/厘米2，又因空氣從高溫的殘余廢氣和燃燒室壁吸收熱量，故溫度可達(dá)35～50℃。

應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際柴油機(jī)進(jìn)氣門都是在活塞位于死點(diǎn)前提前打開，并且延遲到下死點(diǎn)后才關(guān)閉。原因是：若進(jìn)氣過程開始活塞下移時，進(jìn)氣門剛開始打開而不能立即開足，便造成氣缸內(nèi)產(chǎn)生部分真空，使活塞下行時產(chǎn)生較大的阻力。因此進(jìn)氣門要提前在上死點(diǎn)前便打開，則活塞開始由上死點(diǎn)下行時，進(jìn)氣門已開到最大位置，保證空氣順利進(jìn)入氣缸，從而減小活塞的下行阻力。進(jìn)氣過程中，空氣沿進(jìn)氣管被吸入氣缸時，氣流產(chǎn)生慣性作用，若使氣門推遲到下死點(diǎn)后關(guān)閉，雖然活塞已開始上行，仍可以充分利用氣流的流動慣性，使一部分新鮮空氣進(jìn)入氣缸，以保證吸入更多的空氣。由于進(jìn)氣門早開遲關(guān)，所以實(shí)際柴油機(jī)的進(jìn)氣過程都大于180°曲軸轉(zhuǎn)角，一般為220°～240°。

第二沖程——壓縮過程活塞由下死點(diǎn)移動到上死點(diǎn)，在這期間，進(jìn)、排氣門全部關(guān)閉。

壓縮過程開始時，活塞位于下死點(diǎn)。曲軸在飛輪慣性作用下帶動旋轉(zhuǎn)，通過連桿推動活塞向上移動。氣缸內(nèi)容積逐漸減小，新鮮空氣被壓縮，壓力和溫度隨著升高。

為了實(shí)現(xiàn)高溫氣體引燃柴油的目的，柴油機(jī)都具有較大的壓縮比，使壓縮終了時，氣缸內(nèi)氣體溫度比柴油的自燃溫度高出200～300℃，即500～750℃（柴油的自燃溫度約為200～300℃），而壓力約炒30～50公斤/厘米2。 為了充分利用燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能，要求燃燒過程能夠在活塞移動到上死點(diǎn)略后位置迅速完成，以使燃燒后的氣體充分膨脹多做功，使柴油機(jī)效率提高。但是，由于燃料噴入氣缸內(nèi)時，必須經(jīng)過一定的著火準(zhǔn)備階段，才能實(shí)現(xiàn)燃燒（詳見本書第六章第二節(jié)）。因此，實(shí)際柴油機(jī)工作中，在壓縮沖程結(jié)束前（約在上死點(diǎn)前10°～35°），開始將燃料噴入氣缸內(nèi)。在示功圖上，m點(diǎn)表示噴油開始時間。

第三沖程——燃燒膨脹過程活塞又從上死點(diǎn)移動到下死點(diǎn)。此時，進(jìn)、排氣門仍然都關(guān)閉著。噴入氣缸內(nèi)的燃料在高溫空氣中著火燃燒，產(chǎn)生大量熱能，使氣缸內(nèi)的溫度、壓力急劇升高。高溫、高壓氣體推動活塞向下移動，通過連桿，帶動曲軸轉(zhuǎn)動。因?yàn)橹挥羞@一行程才實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因此，通常把該行程叫做工作行程。

在燃燒與膨脹過程中，氣缸內(nèi)氣體的最高溫度可達(dá)1700～2000℃，最高壓力為60～90公斤/厘米2。隨著活塞被推動著下移，氣缸容積逐漸增大，氣體隨之逐漸減小數(shù)點(diǎn)。示功圖的c—z—b線表示出這一過程中氣缸容積與壓力變化的情況。在這一曲線上，幾乎垂直的c—z線段，表示出燃料急劇燃燒時壓力的升高程度。z點(diǎn)表示燃燒壓力Pz（又稱做最大爆發(fā)壓力）。

第四沖程——排氣過程活塞又從下死點(diǎn)移動到上死點(diǎn)。此時，排氣門打開，進(jìn)氣門關(guān)閉。

排氣過程開始時，活塞位于下死點(diǎn)，氣缸內(nèi)充滿著燃料并膨脹作功的廢氣。排氣門打開后，廢氣隨著活塞上移，被排出氣缸之外。

燃燒膨脹終了時，氣缸內(nèi)的氣體還具有較大的壓力，如果排氣門在下死點(diǎn)位置時才打開，而不能瞬時間開足便影響廢氣及時的排出，氣缸內(nèi)的壓力也不能迅速降低，使活塞向上運(yùn)動受到很大的阻力，消耗較多的能量。因此，在實(shí)際柴油機(jī)工作中，排氣門都在活塞移動到下死點(diǎn)前提前打開（一般在下死點(diǎn)前40°～60°）。這樣可使廢氣在較大的壓差下，自行流出氣缸，使氣缸內(nèi)的壓力迅速下降。大大減小活塞上移的阻力，降低排氣過程的消耗功。

當(dāng)活塞上移到上死點(diǎn)時，排氣門并不馬上關(guān)閉，而要推遲到進(jìn)氣過程開始后。如前所述，因?yàn)檫M(jìn)氣門提前在排氣過程結(jié)束前打開，這樣便形成進(jìn)、排氣門同時開啟的一段重合時間。在某種情況下（例如增壓），還可以利用新鮮空氣將殘存在氣缸內(nèi)的廢氣排出去，使氣缸內(nèi)充填更多的新鮮空氣。

曲軸依靠盡輪轉(zhuǎn)動的慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，上述各過程又重復(fù)進(jìn)行。如此周期循環(huán)地工作，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)連續(xù)不斷地運(yùn)轉(zhuǎn)。