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汽车发动机是如何“动”起来的?
老侯解车 3170浏览 2019-08-08

现在的汽车上使用的基本都是往复活塞式四冲程发动机,它属于内燃机的一种,能将燃料的化学能转化为机械能并对外输出。这种发动机的历史已经有一百多年了,虽然技术上不断进步,性能和效率有了很大的提高,但其基本结构和工作原理并没有变化。

汽车发动机可以分为汽油机和柴油机两大类,它们的基本结构是一样的,都是由两大机构和五大系统组成,即曲柄连杆机构,配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系。汽油机和柴油机最大的区别是柴油机没有点火系,而且二者的燃油供给系也有很大的区别。从热效率方面来说,柴油发动机更高一些,这也是相同排量的情况下柴油发动机更省油的原因。在我国,由于柴油属于重要的战略物质,所以在乘用车上的使用受到了限制,更多的用于卡车和农用机械上。

下面我们就来说一说,汽车发动机究竟如何“动”起来的。不论汽油发动机还是柴油发动机,它们的工作原理基本都是一致的,下面我们以四冲程汽油机为例来说说发动机的基本工作原理,与柴油机的区别也会在其中单独的说明。

首先需要说明的是,发动机不会自己无缘无故的转动,必须有一个外力来给它提供原始的动力,这个外力就是由发动机的起动系统来提供的。我们将钥匙转到启动档的时候,起动机通电运转,转动发动机的曲轴,带动其它机构和系统进入工作状态,发动机才能自行运转,工作循环才能自动进行下去。如果没有启动系统,发动机是不可能工作的,有时候汽车的电瓶没电了,汽车就无法启动了,就是这个原因。当发动机正常工作后,起动系统的使命就完成了。

发动机正常工作时,它的工作循环包括四个活塞行程:进气、压缩、做功和排气。下面分别来说说它们的运动过程。

1、进气行程

在这个行程中,进气门打开,排气门关闭,活塞从上止点向下止点运动。空气和汽油的混合物被吸入气缸,在气缸内进一步混合形成可燃混合气。 当进气行程终了时,气缸内气体压力约为0.08~0.09 MPa,温度达到320~400 K。 对于柴油机来说,它吸入的是纯空气,而不是柴油与空气的混合气,并且它的进气系统中没有节气门,进气阻力小,且残余废气温度较低,同汽油机相比,进气终了时缸内气体压力略高而温度略低。

2、压缩行程

在这个行程中,进气门和排气门都关闭,活塞从下止点向上止点运动;  气缸容积逐渐变小,气缸内混合气被压缩,其压力和温度同时升高。当压缩行程终了时,混合气压力可达0.8~1.5 MPa,温度可达600~750 K。采用大压缩比,可提高压缩终了时气缸内的压力和温度,从而加快燃烧速度,提高发动机热效率,但太大容易引起“爆震”和“表面点火”,通常汽油机压缩比为9~12,柴油机压缩比为16~22。 由于柴油机的压缩比更大,压缩终了时缸内气体压力约为3~5 MPa,温度约为750~1000 K,都比汽油机的高,并且压缩终了温度超过柴油的自燃温度。

3、作功行程

在这个行程中,进排气门仍然关闭。压缩行程结束时,火花塞跳火点燃可燃混合气,火焰迅速传遍整个燃烧室,并放出大量热能;燃烧气体体积膨胀,压力、温度升高;气体压力推动活塞从上止点运动到下止点,并通过连杆推动曲轴旋转作功。燃烧最高压力可达3~6.5 MPa,最高温度可达2200~2800 K。作功终了时,气体压力降低到0.35~0.5 MPa,气体温度降低到1200~1700 K。

汽油机与柴油机最大的区别就在于此。当压缩行程结束时,喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室,由于此时气缸内温度高于柴油自燃温度,所以柴油自行着火燃烧,并形成多个火焰中心,燃烧的更加剧烈和暴力,燃烧气体最高压力6~9 MPa,最高温度也可高达1800~2500 K,作功终了时,气体压力约为0.2~0.5 MPa,温度约为1000~1200 K。所以,人们说柴油机更有劲的原因就在于此。

4、排气行程

在这个行程中,进气门关闭,排气门开启;活塞从下止点向上止点运动。膨胀过后的废气在其自身剩余压力和在活塞的推动下,经排气门排出气缸。排气行程结束后,残留在燃烧室内的少量废气称为残余废气。残余废气压力约为0.105~0.12 MPa,温度约为 900~1100 K。这个过程柴油机和汽油机差不多,只是柴油机的残余废气温度略低。

这个过程说起来很漫长,但发动机运转起来的时候,每个行程的时间都是非常短的。如果发动机以800转/分钟的怠速运转,每一个行程的时间大约只有0.035秒;如果发动机以1800转/分钟的常用转速运转,每一个行程的时间大约只有0.017秒。所以运转的速度是极快的。

由于发动机做功所需要的空气和燃料都要在这样短的时间内进入发动机燃烧室并混合燃烧,因此对发动机的进排气系统提出了极高的要求,只有让更多的燃油和空气进入发动机,发动机的动力才有可能提升。相对而言,让更多的燃油进入发动机是比较容易的,而让更多的空气进入发动机却是很困难的,所以现代发动机的每一次进步几乎都是进排气系统的改进,配气机构成为了发动机上最复杂、最精密的机构,比如现在普遍采用的可变气门正时与升程系统,进气增压系统等等。

现在应该看明白了吧,发动机在工作时首先由起动系统带动运转,然后四个行程反复循环动作,发动机就进入自动运行状态,将燃料燃烧释放的化学能转化为机械能并源源不断的对外输出,通过汽车的传动系统传递到车轮上驱动汽车飞速行驶。应该说汽车是人类最伟大的发明之一,它的出现极大的改变了人类社会的文明进程,近一百年来的社会发展远远超过了之前几千年的发展总和。


 
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