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图解汽车发动机的构造和工作原理

国际金属加工网 2021年07月07日

为什么说发动机动力来自于爆炸?

汽车的动力,来自于汽油或柴油燃烧时产生的爆炸力。可是,如果把汽油放在一个盆中并把它点燃,为什么只燃烧而不爆炸呢?这是因为盆子不是密封的,而是敞口的。如果在一个密封容器中装入汽油和空气,然后点燃它们,便会产生爆炸现象。汽车发动机就是根据这个原理设计的。

如果将汽油和空气按照最适合的燃烧比例(1 14.7)混合,并对它们进行大力压缩使之温度上升,此时点燃它们就会产生更大的爆炸力。将这种力量通过一系列的机构引导到车轮上,便会推动汽车前进。

什么是内燃机和外燃机?

我们经常把汽车发动机称为内燃机,难道还有外燃机?是的,外燃机是存在的,比如原来火车上用的蒸汽机,发电厂和轮船上使用的汽轮机等,都是外燃机。它们都是利用燃料在发动机气缸的外部燃烧来产生动力的。如早期的蒸汽机,它利用燃料(木材、煤、煤气、柴油等)烧开锅炉中的水,使之产生高压蒸汽并进入气缸内,利用蒸汽压力推动活塞做功,从而产生动力。

内燃机则是相对外燃机而言的,它的燃料在气缸内燃烧。现在 , 汽车上用的汽油发动机和柴油发动机,都是内燃机。

怎样计算发动机排气量和压缩比?

气缸排气量是指活塞从下止点到上止点所扫过的气体容积,它取决于缸径和活塞行程。发动机排量是各气缸排量的总和,一般用 cc(立方厘米)、mL( 毫升)或 L(升 ) 来表示。由于气缸体是圆柱体,它的容积不太可能正好是整升数,因此才会出现1998cc2397cc 等数字,它们可近似标示为 2.0L2.4L 等。

发动机的排量越大,每次吸入的可燃混合气就越多,燃烧时产生的动力就越强。这相当于人的胃口越大,吃的就越多,可能就越有劲儿。

发动机的压缩比是指压缩前的气缸容积与压缩后的气缸容积(即燃烧室容积)之比。

汽油机燃烧原理

汽油中最主要的成分是碳氢化合物,这种物质分子中只含有碳和氢两种原子。在汽油爆炸燃烧时,碳氢化合物与吸入空气中的氧产生化学反应,其中1个碳原子和2个氧原子化合生成1个二氧化碳分子,2个氢原子和1个氧原子化合生成1个水分子。如果吸入的空气量不足,那么和碳原子结合的氧原子就会显得少,这样就不会完全生成二氧化碳,便会生成一部分一氧化碳。在爆炸燃烧的过程中,由于温度极高,还会造成空气中的氮原子被氧化生成一氧化氮和二氧化氮。因此,汽车排气中的主要成分就是一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮和二氧化氮等。

汽油机工作循环

活塞在气缸中要完成进气、压缩、做功和排气四个行程,才算是完成一个工作循环。在此期间,活塞要在气缸内上下运动各两次,曲轴则同时要旋转两周。

看一下汽车上的转速表,就会知道这个过程有多快。如果转速表的指针指向6,则表明此时的发动机转速为每分钟6000转,合计每秒钟100转,那么一个活塞每秒钟就要完成50个工作循环(一个工作循环内曲轴要转2周),也就是说在一个气缸内要爆炸50次。如果是一台4缸发动机,那么在1秒内4个气缸则要产生200次爆炸。发动机工作时的呯呯声,其实就是燃料燃烧时的爆炸声。

同理,如果转速表指针指向3,则表明此时发动机转速为每分钟3000转,合计每秒钟50转,那么一个活塞每秒钟就要完成25个工作循环,也就是说在一个气缸内要爆炸25次。如果是一台4缸发动机,那么在1秒内4个气缸则要产生100次爆炸。

为什么汽油机的动力能够源源不断?

活塞在气缸中上下移动,活塞下行到的最低点叫下止点,上行到顶点的位置称为上止点。上止点与下止点之间的距离称为行程。当活塞在上止点时,活塞顶端的空间称为燃烧室。

进气行程

活塞在气缸内自上止点向下行到下止点时,进气门打开,排气门关闭,气缸内可以产生部分的真空,将新鲜的空气和汽油的混合气吸进气缸内。

 压缩行程

进气门和排气门都关闭,活塞由下止点上行移动到上止点,将气缸的混合气压缩,进入气缸的混合气越多,活塞越接近上止点位置,压缩力越大。在压缩行程内,气缸中混合气的最大压力称为压缩力。将混合气压缩是为了使混合气混合得更均匀,且提高温度易于燃烧,得到较大的动力。

做功行程

进气门和排气门都关闭后,火花塞跳出高压电火花适时将混合气点燃,使其燃烧并爆发出强大压力,将活塞从上止点推到下止点。火花塞的高压电火花来自高压线圈,它能将火花能量放大,然后再由电子控制单元(ECU)将高压电火花按顺序分配到各个气缸,从而点燃被压缩的混合气。

排气行程

活塞自下止点上行到上止点,此时进气门关闭,排气门打开,气缸中已经燃烧过的废气由活塞向上移动时,经排气门和排气歧管排入大气。燃烧过的废气经过消声器的消声后,才不会产生太大的噪声。

转子发动机

汽车大多采用往复式发动机,因为它的活塞是直线往复运动的。不论是汽油发动机还是柴油发动机,都是如此。与往复式活塞发动机相对的,就是转子发动机,其活塞在气缸内做旋转运动。

现在所说的转子发动机,是指德国工程师菲利克斯·汪克尔在 20 世纪 50 年代设计的三角形活塞式转子发动机。因此,转子发动机也被称为汪克尔发动机。

转子发动机的主要部件结构简单,体积小,功率大,高速时运转平稳,性能较好,曾引起汽车行业的关注,纷纷进行研制试验。但是,经过几十年的试验证明,这种发动机尚无法与传统往复活塞式发动机相媲美,其活塞边缘磨损严重,油耗较高。

转子发动机的活塞呈扁平三角形,气缸是一个扁盒子,活塞偏心地置于空腔中。当活塞在气缸内做行星运动时,工作室的容积随活塞转动而发生周期性的变化,从而完成进气、压缩、做功、排气四个工作行程。活塞每转一次,完成一次四行程工作循环。四行程工作循环与往复式发动机的四行程工作循环在原理上是一样的,只不过活塞的形状和运行轨迹不一样。

 

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