四衝程發動機

發動機是汽車的動力源。汽車發動機大多是熱能動力裝置，簡稱熱力機。熱力機是藉助工質的狀態變化將燃料燃燒產生的熱能轉變為機械能。

發動機為汽車提供動力。發動機還廣泛應用於交通運輸機械、農業機械、工程機械和發電機組等各個方面。發動機種類繁多，其中四衝程發動機是最常見的一種.

四衝程發動機屬於往複活塞式內燃機,根據所用燃料種類的不同，分為汽油機、柴油機和氣體燃料發動機三類。以汽油或柴油為燃料的活塞式內燃機分別稱作汽油機或柴油機。使用天然氣、液化石油氣和其他氣體燃料的活塞式內燃機稱作氣體燃料發動機。汽油和柴油都是石油製品，是汽車發動機的傳統燃料。非石油燃料稱作代用燃料。燃用代用燃料的發動機稱作代用燃料發動機，如乙醇發動機、氫氣發動機、甲醇發動機等。

(1)工作循環(cycle)--由進氣(intake)、壓縮(compression)、做功(power)和排氣(exhaust)等四個工作過程組成的封閉過程。

(2)上、下止點--活塞頂離曲軸迴轉中心最遠處為上止點(TopDeadCenter，TDC)；活塞頂離曲軸迴轉中心最近處為下止點(BottomDeadCenter，BDC)。活塞從一個止點運動至另一個止點的過程稱為衝程(stroke)。

(3)活塞行程(pistonstroke)--上、下止點間的距離S稱為活塞行程。曲軸的迴轉半徑R稱為曲柄半徑。顯然，曲軸每迴轉1周，活塞移動2個活塞行程。對於汽缸中心線通過曲軸迴轉中心的內燃機，有S=2R。

(4)汽缸工作容積--上、下止點間所包容的汽缸容積稱為汽缸工作容積(sweptvolume)，

(5)發動機排量--發動機所有汽缸工作容積的總和稱為發動機排量(enginedisplacement)，

(6)燃燒室容積--活塞位於上止點時，活塞頂面以上汽缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室，其容積稱為燃燒室容積(clearancevolume)，也叫壓縮容積，

(7)汽缸總容積--汽缸工作容積與燃燒室容積之和稱為汽缸總容積，

(8)壓縮比--汽缸總容積與燃燒室容積之比稱為壓縮比(compressionratio)，壓縮比的大小表示活塞由下止點運動到上止點時，汽缸內的氣體被壓縮的程度。壓縮比越大，壓縮終了時汽缸內的氣體壓力和溫度就越高。轎車用汽油機的壓縮比一般為8～11。

(9)工況--內燃機在某一時刻的運行狀況簡稱工況，以該時刻內燃機輸出的有效功率和曲軸轉速表示。曲軸轉速即為內燃機轉速(speed)。

(10)負荷率內燃機在某一轉速下發出的有效功率與相同轉速下所能發出的最大有效功率的比值稱為負荷率，以百分數表示。負荷率通常簡稱負荷(load)。

往複活塞式四衝程汽油機是德國人奧托(NicolausA.Otto)在大氣壓力式發動機基礎上，於1876年發明並投入使用的。由於採用了進氣、壓縮、做功和排氣四個衝程，發動機的熱效率從大氣壓力式發動機的11%提高到14%，而發動機的質量卻降低了70%。

1892年德國工程師狄塞爾(RudolfDiesel)發明了壓燃式發動機(即柴油機)，實現了內燃機歷史上的第二次重大突破。由於採用高壓縮比和膨脹比，熱效率比當時其他發動機又提高了1倍。1956年，德國人汪克爾(F.ankel)發明了轉子式發動機，使發動機轉速有較大幅度的提高。1964年，德國NSU公司首次將轉子式發動機安裝在轎車上。

1926年，瑞士人布希(A.Buchi)提出了廢氣渦輪增壓理論，利用發動機排出的廢氣能量來驅動壓氣機，給發動機增壓。50年代后，廢氣渦輪增壓技術開始在車用內燃機上逐漸得到應用，使發動機性能有很大提高，成為內燃機發展史上的第三次重大突破。

1967年德國博世(Bosch)公司首次推出由電子計算機控制的汽油噴射系統(ElectronicFuelInjection，EFI)，開創了電控技術在汽車發動機上應用的歷史。經過30年的發展，以電子計算機為核心的發動機管理系統(EngineManagementSystem，EMS)已逐漸成為汽車、特別是轎車發動機上的標準配置。由於電控技術的應用，發動機的污染物排放、雜訊和燃油消耗大幅度地降低，改善了動力性能，成為內燃機發展史上第四次重大突破。

按發動機在一個工作循環期間活塞往複運動的行程數，分為四衝程和二衝程發動機。在一個工作循環中活塞往複四個行程的內燃機稱作四衝程往複活塞式內燃機，而活塞往複兩個行程完成一個工作循環的則稱作二衝程往複活塞式內燃機。

往複活塞式內燃機所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油(diesel)。由於汽油和柴油具有不同的性質，因而在發動機的工作原理和結構上有差異。

汽油機是將空氣與汽油以一定的比例混合成良好的混合氣，在進氣行程被吸入汽缸，混合氣經壓縮點火燃燒而產生熱能，高溫高壓的氣體作用於活塞頂部，推動活塞作往複直線運動，通過連桿、曲軸飛輪機構對外輸出機械能。四衝程汽油機在進氣行程、壓縮行程、做功行程和排氣行程內完成一個工作循環。

(1)進氣行程(intakestroke)

活塞在曲軸的帶動下由上止點移至下止點。此時進氣門開啟，排氣門關閉，曲軸轉動180°。在活塞移動過程中，汽缸容積逐漸增大，汽缸內氣體壓力從pr逐漸降低到pa，汽缸內形成一定的真空度，空氣和汽油的混合氣通過進氣門被吸入汽缸，並在汽缸內進一步混合形成可燃混合氣。由於進氣系統存在阻力，進氣終點(圖中a點)汽缸內氣體壓力小於大氣壓力0p，即pa=(0.80～0.90)0p。進入汽缸內的可燃混合氣的溫度，由於進氣管、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餘廢氣的混合而升高到340～400K。

(2)壓縮行程(compressionstroke)

壓縮行程時，進、排氣門同時關閉。活塞從下止點向上止點運動，曲軸轉動180°。活塞上移時，工作容積逐漸縮小，缸內混合氣受壓縮后壓力和溫度不斷升高，到達壓縮終點時，其壓力pc可達800～2000kPa，溫度達600～750K。在示功圖上，壓縮行程為曲線a～c。

(3)做功行程(powerstroke)

當活塞接近上止點時，由火花塞點燃可燃混合氣，混合氣燃燒釋放出大量的熱能，使汽缸內氣體的壓力和溫度迅速提高。燃燒最高壓力pZ達3000～6000kPa，溫度TZ達2200～2800K。高溫高壓的燃氣推動活塞從上止點向下止點運動，並通過曲柄連桿機構對外輸出機械能。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b點時，其壓力降至300～500kPa，溫度降至1200～1500K。在做功行程，進氣門、排氣門均關閉，曲軸轉動180°。在示功圖上，做功行程為曲線c-Z-b。

(4)排氣行程(exhauststroke)

排氣行程時，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，活塞從下止點向上止點運動，曲軸轉動180°。排氣門開啟時，燃燒后的廢氣一方面在汽缸內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。由於排氣系統的阻力作用，排氣終點r點的壓力稍高於大氣壓力，即pr=(1.05～1.20)p0。排氣終點溫度Tr=900～1100K。活塞運動到上止點時，燃燒室中仍留有一定容積的廢氣無法排出，這部分廢氣叫殘餘廢氣。

四衝程柴油機和汽油機一樣，每個工作循環也是由進氣行程、壓縮行程、做功行程和排氣行程組成。由於柴油機以柴油作燃料，與汽油相比，柴油自燃溫度低、黏度大不易蒸發，因而柴油機採用壓縮終點自燃著火，其工作過程及系統結構與汽油機有所不同.

(1)進氣行程

進入汽缸的工質是純空氣。由於柴油機進氣系統阻力較小，進氣終點壓力pa=(0.85～0.95)p0，比汽油機高。進氣終點溫度Ta=300～340K，比汽油機低。

(2)壓縮行程

由於壓縮的工質是純空氣，因此柴油機的壓縮比比汽油機高(一般為ε=16～22)。壓縮終點的壓力為3000～5000kPa，壓縮終點的溫度為750～1000K，大大超過柴油的自燃溫度(約520K)。

(3)做功行程

當壓縮行程接近終了時，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，在很短的時間內與空氣混合后立即自行發火燃燒。汽缸內氣體的壓力急速上升，最高達5000～9000kPa，最高溫度達1800～2000K。由於柴油機是靠壓縮自行著火燃燒，故稱柴油機為壓燃式發動機。

(4)排氣行程

柴油機的排氣與汽油機基本相同，只是排氣溫度比汽油機低。一般Tr=700～900K。對於單缸發動機來說，其轉速不均勻，發動機工作不平穩，振動大。這是因為四個行程中只有一個行程是做功的，其他三個行程是消耗動力為做功做準備的行程。為了解決這個問題，飛輪必須具有足夠大的轉動慣量，這樣又會導致整個發動機質量和尺寸增加。採用多缸發動機可以彌補上述不足。現代汽車用多採用四缸、六缸和八缸發動機。