活塞式內燃機工作原理

把柱塞裝在一個一端封閉的圓筒內，柱塞頂面與圓筒內壁構成一個封閉空間，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，從而把空氣所得到的熱能轉化為推動輪子旋轉的機械能。 內燃機的工作過程，就是按照一定的規律，不斷地將燃料和空氣送入氣缸，并在氣缸內著火燃燒，放出熱能。燃氣在吸收熱能后產生高溫高壓，推動著活塞作功，將熱能轉化為機械能。

它是由一個獨立的發動機所構成。工作時燃料和空氣直接送到發動機的氣缸內部進行燃燒，放出熱能，形成高溫、高壓的燃氣，推動活塞移動。然后通過曲柄連桿機構對外輸出機械能。

1.氣缸體2.噴油器3.進氣門

4.排氣門5.活塞6.連桿7.曲軸

二、內燃機的機械傳動機構

在往復式內燃機中，曲柄連桿機構的作用是將活塞的往復直線運動變成曲軸的旋轉運動，以實現熱能和機械能的相互轉變。

它是由活塞1、連桿3和曲軸4等構成。

活塞只能沿氣缸直線往復運動。曲軸是由兩個中心線在一直線上的軸所構成。其中一個軸安置在機體中心孔內，稱做主軸。主軸只能在機體座孔內繞本身中心線轉動。另一軸通過曲柄與主軸連接在一起，稱做連桿軸。它繞著主軸進行旋轉。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而進行擺動。

當活塞往復運動時，通過連桿推動曲軸繞主軸中心產生旋轉運動。活塞移動與曲軸轉動是相互牽連在一起的。因此，活塞移動位置與曲軸轉動位置是相對應的。

三、單缸四沖程柴油機工作原理

活塞連續運行四個沖程（即曲軸旋轉兩周）的過程中，完成一個工作循環（進氣—壓縮—燃燒膨脹—排氣）的柴油機，叫做四沖程柴油機。

為了更清楚地表示出氣缸內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的示功圖。圖中橫座標表示氣缸容積，從座標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）。 第一沖程——進氣過程活塞從上死點移動到下死點。這時進氣門打開，排氣門關閉。

進氣過程開始時，活塞位于死點位置。氣缸內（燃燒室）殘留著上次循環未排凈的殘余廢氣當曲軸旋轉時，通過連桿帶動活塞向下移動，同時進氣門打開。隨著活塞下移，氣缸內部容積增大，壓力隨之減小，當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位置，氣缸內充滿了新鮮空氣。 在新鮮空氣進入氣缸的過程中，由于受空氣濾清器、進氣管、進氣門等阻力的影響，使進氣終了時氣缸內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35～50℃。

應當指出，實際柴油機進氣門都是在活塞位于死點前提前打開，并且延遲到下死點后才關閉。原因是：若進氣過程開始活塞下移時，進氣門剛開始打開而不能立即開足，便造成氣缸內產生部分真空，使活塞下行時產生較大的阻力。因此進氣門要提前在上死點前便打開，則活塞開始由上死點下行時，進氣門已開到最大位置，保證空氣順利進入氣缸，從而減小活塞的下行阻力。進氣過程中，空氣沿進氣管被吸入氣缸時，氣流產生慣性作用，若使氣門推遲到下死點后關閉，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入氣缸，以保證吸入更多的空氣。由于進氣門早開遲關，所以實際柴油機的進氣過程都大于180°曲軸轉角，一般為220°～240°。

第二沖程——壓縮過程活塞由下死點移動到上死點，在這期間，進、排氣門全部關閉。

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

為了實現高溫氣體引燃柴油的目的，柴油機都具有較大的壓縮比，使壓縮終了時，氣缸內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生的熱能，要求燃燒過程能夠在活塞移動到上死點略后位置迅速完成，以使燃燒后的氣體充分膨脹多做功，使柴油機效率提高。但是，由于燃料噴入氣缸內時，必須經過一定的著火準備階段，才能實現燃燒（詳見本書第六章第二節）。因此，實際柴油機工作中，在壓縮沖程結束前（約在上死點前10°～35°），開始將燃料噴入氣缸內。在示功圖上，m點表示噴油開始時間。

第三沖程——燃燒膨脹過程活塞又從上死點移動到下死點。此時，進、排氣門仍然都關閉著。噴入氣缸內的燃料在高溫空氣中著火燃燒，產生大量熱能，使氣缸內的溫度、壓力急劇升高。高溫、高壓氣體推動活塞向下移動，通過連桿，帶動曲軸轉動。因為只有這一行程才實現熱能轉化為機械能，因此，通常把該行程叫做工作行程。

在燃燒與膨脹過程中，氣缸內氣體的最高溫度可達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點。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點表示燃燒壓力Pz（又稱做最大爆發壓力）。

第四沖程——排氣過程活塞又從下死點移動到上死點。此時，排氣門打開，進氣門關閉。

排氣過程開始時，活塞位于下死點，氣缸內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，氣缸內的氣體還具有較大的壓力，如果排氣門在下死點位置時才打開，而不能瞬時間開足便影響廢氣及時的排出，氣缸內的壓力也不能迅速降低，使活塞向上運動受到很大的阻力，消耗較多的能量。因此，在實際柴油機工作中，排氣門都在活塞移動到下死點前提前打開（一般在下死點前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。

當活塞上移到上死點時，排氣門并不馬上關閉，而要推遲到進氣過程開始后。如前所述，因為進氣門提前在排氣過程結束前打開，這樣便形成進、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的廢氣排出去，使氣缸內充填更多的新鮮空氣。

曲軸依靠盡輪轉動的慣性作用繼續旋轉，上述各過程又重復進行。如此周期循環地工作，實現柴油機連續不斷地運轉。