內燃機結構
一.分類(lèi)
內燃機的分類(lèi)方法很多，按照不同的分類(lèi)方法可以把內燃機分成不同的類(lèi)型，下面讓我們來(lái)看看內燃機是怎樣分類(lèi)的。
（1) 按照所用燃料分類(lèi)
內燃機按照所使用燃料的不同可以分為汽油機和柴油機(圖1-1)。使用汽油為燃料的內燃機稱(chēng)為汽油機；使用柴油機為燃料的內燃機稱(chēng)為柴油機。汽油機與柴油機比較各有特點(diǎn)；汽油機轉速高，質(zhì)量小，噪音小，起動(dòng)容易，制造成本低；柴油機壓縮比大，熱效率高，經(jīng)濟性能和排放性能都比汽油機好。
（2) 按照行程分類(lèi)
內燃機按照完成一個(gè)工作循環(huán)所需的行程數可分為四行程內燃機和二行程內燃機(圖1-2 )。把曲軸轉兩圈(720°)，活塞在氣缸內上下往復運動(dòng)四個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)的內燃機稱(chēng)為四行程內燃機；而把曲軸轉一圈(360°)，活塞在氣缸內上下往復運動(dòng)兩個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)的內燃機稱(chēng)為二行程內燃機。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機廣泛使用四行程內燃機。6) 按照進(jìn)氣系統是否采用增壓方式分類(lèi)
內燃機按照進(jìn)氣系統是否采用增壓方式可以分為自然吸氣(非增壓)式發(fā)動(dòng)機和強制進(jìn)氣(增壓式)發(fā)動(dòng)機(圖1-6)。汽油機常采用自然吸氣式；柴油機為了提高功率有采用增壓式的。
二.基本構造
發(fā)動(dòng)機是一種由許多機構和系統組成的復雜機器。無(wú)論是汽油機，還是柴油機；無(wú)論是四行程發(fā)動(dòng)機，還是二行程發(fā)動(dòng)機；無(wú)論是單缸發(fā)動(dòng)機，還是多缸發(fā)動(dòng)機。要完成能量轉換，實(shí)現工作循環(huán)，保證長(cháng)時(shí)間連續正常工作，都必須具備以下一些機構和系統。
（1) 曲柄連桿機構(圖1-7)
曲柄連桿機構是發(fā)動(dòng)機實(shí)現工作循環(huán)，完成能量轉換的主要運動(dòng)零件。它由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。在作功行程中，活塞承受燃氣壓力在氣缸內作直線(xiàn)運動(dòng)，通過(guò)連桿轉換成曲軸的旋轉運動(dòng)，并從曲軸對外輸出動(dòng)力。而在進(jìn)氣、壓縮和排氣行程中，飛輪釋放能量又把曲軸的旋轉運動(dòng)轉化成活塞的直線(xiàn)運動(dòng)。2) 配氣機構（圖1-8）
配氣機構的功用是根據發(fā)動(dòng)機的工作順序和工作過(guò)程，定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)，使可燃混合氣或空氣進(jìn)入氣缸，并使廢氣從氣缸內排出，實(shí)現換氣過(guò)程。配氣機構大多采用頂置氣門(mén)式配氣機構，一般由氣門(mén)組、氣門(mén)傳動(dòng)組和氣門(mén)驅動(dòng)組組成。
（3) 燃料供給系統（圖1-9）
汽油機燃料供給系的功用是根據發(fā)動(dòng)機的要求，配制出一定數量和濃度的混合氣，供入氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內排出到大氣中去；柴油機燃料供給系的功用是把柴油和空氣分別供入氣缸，在燃燒室內形成混合氣并燃燒，最后將燃燒后的廢氣排出。
（4) 潤滑系統（圖1-10）
潤滑系的功用是向作相對運動(dòng)的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實(shí)現液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機件的磨損。并對零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。潤滑系通常由潤滑油道、機油泵、機油濾清器和一些閥門(mén)等組成。（5) 冷卻系統（圖1-11）
冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)動(dòng)機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷發(fā)動(dòng)機的冷卻系通常由冷卻水套、水泵、風(fēng)扇、水箱、節溫器等組成。
（7) 點(diǎn)火系統（圖1-12）
在汽油機中，氣缸內的可燃混合氣是靠電火花點(diǎn)燃的，為此在汽油機的氣缸蓋上裝有火花塞，火花塞頭部伸入燃燒室內。能夠按時(shí)在火花塞電極間產(chǎn)生電火花的全部設備稱(chēng)為點(diǎn)火系，點(diǎn)火系通常由蓄電池、發(fā)電機、分電器、點(diǎn)火線(xiàn)圈和火花塞等組成。
（8) 起動(dòng)系統（圖1-13）
要使發(fā)動(dòng)機由靜止狀態(tài)過(guò)渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉動(dòng)發(fā)動(dòng)機的曲軸，使活塞作往復運動(dòng)，氣缸內的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動(dòng)活塞向下運動(dòng)使曲軸旋轉。發(fā)動(dòng)機才能自行運轉，工作循環(huán)才能自動(dòng)進(jìn)行。因此，曲軸在外力作用下開(kāi)始轉動(dòng)到發(fā)動(dòng)機開(kāi)始自動(dòng)地怠速運轉的全過(guò)程，稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機的起動(dòng)。完成起動(dòng)過(guò)程所需的裝置，稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機的起動(dòng)系。
汽油機由以上兩大機構和五大系統組成，即由曲柄連桿機構，配氣機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系、點(diǎn)火系和起動(dòng)系組成；柴油機由以上兩大機構和四大系統組成，即由曲柄連桿機構、配氣機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系和起動(dòng)系組成，柴油機是壓燃的，不需要點(diǎn)火系。
發(fā)動(dòng)機是一種能量轉換機構，它將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉變成機械能。那么，它是怎樣完成這個(gè)能量轉換過(guò)程呢？也就是說(shuō)它是怎樣把熱能轉換成機械能的呢？要完成這個(gè)能量轉換必須經(jīng)過(guò)進(jìn)氣，把可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸；然后將進(jìn)入氣缸的可燃混合氣(或新鮮空氣)壓縮，壓縮接近終點(diǎn)時(shí)點(diǎn)燃可燃混合氣(或將柴油高壓噴入氣缸內形成可燃混合氣并引燃)；可燃混合氣著(zhù)火燃燒，膨脹推動(dòng)活塞下行實(shí)現對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)過(guò)程。把這四個(gè)過(guò)程叫做發(fā)動(dòng)機的一個(gè)工作循環(huán)，工作循環(huán)不斷地重復，就實(shí)現了能量轉換，使發(fā)動(dòng)機能夠連續運轉。把完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸轉兩圈(720°)，活塞上下往復運動(dòng)四次，稱(chēng)為四行程發(fā)動(dòng)機。而把完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸轉一圈(360°)，活塞上下往復運動(dòng)兩次，稱(chēng)為二行程發(fā)動(dòng)機。下面介紹一下四行程發(fā)動(dòng)機的工作原理和工作過(guò)程。
1. 四行程汽油機的工作原理
四行程汽油機（圖1-21）的運轉是按進(jìn)氣行程、壓縮行程、作功行程和排氣行程的順序不斷循環(huán)反復的。
圖1-21
(1) 進(jìn)氣行程 （圖1-22）
由于曲軸的旋轉，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運動(dòng)，這時(shí)排氣門(mén)關(guān)閉，進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)。進(jìn)氣過(guò)程開(kāi)始時(shí)，活塞位于上止點(diǎn)，氣缸內殘存有上一循環(huán)未排凈的廢氣，因此，氣缸內的壓力稍高于大氣壓力。隨著(zhù)活塞下移，氣缸內容積增大，壓力減小，當壓力低于大氣壓時(shí)，在氣缸內產(chǎn)生真空吸力，空氣經(jīng)空氣濾清器并與化油器供給的汽油混合成可燃混合氣，通過(guò)進(jìn)氣門(mén)被吸入氣缸，直至活塞向下運動(dòng)到下止點(diǎn)。在進(jìn)氣過(guò)程中，受空氣濾清器、化油器、進(jìn)氣管道、進(jìn)氣門(mén)等阻力影響，進(jìn)氣終了時(shí)，氣缸內氣體壓力略低于大氣壓，約為0.075～0.09MPa，同時(shí)受到殘余廢氣和高溫機件加熱的影響，溫度達到370～400K。實(shí)際汽油機的進(jìn)氣門(mén)是在活塞到達上止點(diǎn)之前打開(kāi)，并且延遲到下止點(diǎn)之后關(guān)閉，以便吸入更多的可燃混合氣。
圖1-22
(2) 壓縮行程（圖1-23）
曲軸繼續旋轉，活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運動(dòng)，這時(shí)進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)都關(guān)閉，氣缸內成為封閉容積，可燃混合氣受到壓縮，壓力和溫度不斷升高，當活塞到達上止點(diǎn)時(shí)壓縮行程結束。此時(shí)氣體的壓力和溫度主要隨壓縮比的大小而定，可燃混合氣壓力可達0.6～1.2MPa，溫度可達600～700K。壓縮比越大，壓縮終了時(shí)氣缸內的壓力和溫度越高，則燃燒速度越快，發(fā)動(dòng)機功率也越大。但壓縮比太高，容易引起爆燃。所謂爆燃就是由于氣體壓力和溫度過(guò)高，可燃混合氣在沒(méi)有點(diǎn)燃的情況下自行燃燒，且火焰以高于正常燃燒數倍的速度向外傳播，造成尖銳的敲缸聲。會(huì )使發(fā)動(dòng)機過(guò)熱，功率下降，汽油消耗量增加以及機件損壞。輕微爆燃是允許的，但強烈爆燃對發(fā)動(dòng)機是很有害的，汽油機的壓縮比一般為ε＝6～10。
圖1-23
(3) 作功行程（圖1-24）
作功行程包括燃燒過(guò)程和膨脹過(guò)程，在這一行程中，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)仍然保持關(guān)閉。當活塞位于壓縮行程接近上止點(diǎn)(即點(diǎn)火提前角)位置時(shí)，火花塞產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃可燃混合氣，可燃混合氣燃燒后放出大量的熱使氣缸內氣體溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達3～5MPa，最高溫度可達2200～2800K，高溫高壓氣體膨脹，推動(dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運動(dòng)，通過(guò)連桿使曲軸旋轉并輸出機械功，除了用于維持發(fā)動(dòng)機本身繼續運轉外，其余用于對外作功。隨著(zhù)活塞向下運動(dòng)，氣缸內容積增加，氣體壓力和溫度降低，當活塞運動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，作功行程結束，氣體壓力降低到0.3～0.5MPa，氣體溫度降低到1300～1600K。
圖1-24
(4) 排氣行程（圖1-25）
可燃混合氣在氣缸內燃燒后生成的廢氣必須從氣缸中排出去以便進(jìn)行下一個(gè)進(jìn)氣行程。當作功接近終了時(shí)，排氣門(mén)開(kāi)啟，進(jìn)氣門(mén)仍然關(guān)閉，靠廢氣的壓力先進(jìn)行自由排氣，活塞到達下止點(diǎn)再向上止點(diǎn)運動(dòng)時(shí)，繼續把廢氣強制排出到大氣中去，活塞越過(guò)上止點(diǎn)后，排氣門(mén)關(guān)閉，排氣行程結束。實(shí)際汽油機的排氣行程也是排氣門(mén)提前打開(kāi)，延遲關(guān)閉，以便排出更多的廢氣。由于燃燒室容積的存在，不可能將廢氣全部排出氣缸。受排氣阻力的影響，排氣終止時(shí)，氣體壓力仍高于大氣壓力，約為0.105～0.115MPa，溫度約為900～1200K。曲軸繼續旋轉，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運動(dòng)，又開(kāi)始了下一個(gè)新的循環(huán)過(guò)程?？梢?jiàn)四行程汽油機經(jīng)過(guò)進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)行程完成一個(gè)工作循環(huán)，這期間活塞在上、下止點(diǎn)往復運動(dòng)了四個(gè)行程，相應地曲軸旋轉了兩圈。
圖1-25
2. 四行程柴油機的工作原理
四行程柴油機（圖1-26）和四行程汽油機的工作過(guò)程相同，每一個(gè)工作循環(huán)同樣包括進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個(gè)行程，但由于柴油機使用的燃料是柴油，柴油與汽油有較大的差別，柴油粘度大，不易蒸發(fā)，自燃溫度低，故可燃混合氣的形成，著(zhù)火方式，燃燒過(guò)程以及氣體溫度壓力的變化都和汽油機不同，下面主要分析一下柴油機和汽油機在工作過(guò)程中的不同點(diǎn)。
圖1-26
四行程柴油機在進(jìn)氣行程中所不同的是柴油機吸入氣缸的是純空氣而不是可燃混合氣，在進(jìn)氣通道中沒(méi)有化油器，進(jìn)氣阻力小，進(jìn)氣終了時(shí)氣體壓力略高于汽油機而氣體溫度略低于汽油機。進(jìn)氣終了時(shí)氣體壓力約為0.0785～0.0932MPa，氣體溫度約為300～370K。 壓縮行程壓縮的也是純空氣，在壓縮行程接近上止點(diǎn)時(shí)，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，柴油和空氣在氣缸內形成可燃混合氣并著(zhù)火燃燒。柴油機的壓縮比比汽油機的壓縮比大很多(一般為16～22)，壓縮終了時(shí)氣體溫度和壓力都比汽油機高，大大超過(guò)了柴油機的自燃溫度。壓縮終了時(shí)，氣體壓力約為3.5～4.5MPa，氣體溫度約為750～1000K，柴油機是壓縮后自燃著(zhù)火的，不需要點(diǎn)火，故柴油機又稱(chēng)為壓燃機。 柴油噴入氣缸后，在很短的時(shí)間內與空氣混合后便立即著(zhù)火燃燒，柴油機的可燃混合氣是在氣缸內部形成的，而不象汽油機那樣，混合氣主要是在氣缸外部的化油器中形成的。柴油機燃燒過(guò)程中氣缸內出現的最高壓力要比汽油機高得多，可高達6～9MPa，最高溫度也可高達2000～2500K。作功終了時(shí)，氣體壓力約為0.2～0.4MPa，氣體溫度約為1200～1500K。 柴油機的排氣行程和汽油機一樣，廢氣同樣經(jīng)排氣管排入到大氣中去，排氣終了時(shí)，氣缸內氣體壓力約為0.105～0.125MPa，氣體溫度約為800～1000K。 柴油機與汽油機比較，柴油機的壓縮比高，熱效率高，燃油消耗率低，同時(shí)柴油價(jià)格較低，因此，柴油機的燃料經(jīng)濟性能好，而且柴油機的排氣污染少，排放性能較好。但它的主要缺點(diǎn)是轉速低，質(zhì)量大，噪聲大，振動(dòng)大，制造和維修費用高。在其發(fā)展過(guò)程中，柴油機不斷發(fā)揚其優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，提高速度，有望得到更廣泛地應用。 3. 二行程汽油機的工作原理 二行程汽油機的工作循環(huán)也是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣過(guò)程組成，但它是在曲軸旋轉一圈(360°)，活塞上下往復運動(dòng)的兩個(gè)行程內完成的。因此，二行程發(fā)動(dòng)機與四行程發(fā)動(dòng)機工作原理不同，結構也不一樣。 例如曲軸箱換氣式二行程汽油機，氣缸上有三排孔，利用這三排孔分別在一定時(shí)刻被活塞打開(kāi)或關(guān)閉進(jìn)行進(jìn)氣、換氣和排氣的。工作原理如下：圖1-27a 表示活塞向上運動(dòng)，將三排孔都關(guān)閉，活塞上部開(kāi)始壓縮，當活塞繼續上行時(shí)，活塞下方打開(kāi)了進(jìn)氣孔，可燃混合氣進(jìn)入曲軸箱（圖1-27 b），活塞接近上止點(diǎn)時(shí)（圖1-27c），火花塞點(diǎn)燃混合氣，氣體燃燒膨脹，推動(dòng)活塞向下運動(dòng)，進(jìn)氣孔關(guān)閉，曲軸箱內的混合氣受到壓縮，當活塞接近下止點(diǎn)時(shí)，排氣孔打開(kāi)，排出廢氣，活塞再向下運動(dòng)，換氣孔打開(kāi)，受到壓縮的混合氣便從曲軸箱經(jīng)進(jìn)氣孔流入氣缸內，并掃除廢氣（圖1-27d）。
