第2章 汽车发动机
第1节 发动机概述
2.1.1 汽车发动机的类型与构造
2.1.1.1 汽车发动机的类型
常见的汽车发动机有汽油发动机（以下简称汽油机）和柴油发动机（以下简称柴油机），这两种发动机最大的区别在于使用燃料的不同。燃料特性的不同决定了它们的机构也不同。例如，汽油机比柴油机多了一个点火系统，因为柴油机采用压燃方式，无须点火，在气缸压缩温度达到着火点后可自行燃烧。
汽车发动机的分类如图2-1所示。
图2-1 汽车发动机的分类
2.1.1.2 汽车发动机的构造
汽车发动机是由机体组、曲柄连杆机构和配气机构，以及燃料供给、点火、起动、润滑、冷却5个系统组成的。汽车发动机组成部件的构造如图2-2所示。
图2-2 汽车发动机组成部件的构造
2.1.2 汽车发动机的工作原理
2.1.2.1 汽油机的工作原理
四冲程汽油机是最常用的一种汽车发动机，它的工作循环如图2-3所示。
图2-3 四冲程汽油机的工作循环
（1）进气行程。进气门开启，排气门关闭，活塞从上止点向下止点运动，活塞上方的容积增大，导致气缸内的压力降至大气压力以下，即在气缸内产生真空吸力，从而使可燃混合气（歧管燃油喷射）或新鲜空气（缸内燃油直喷）经进气歧管和进气门被吸入气缸。
（2）压缩行程。为使吸入气缸的可燃混合气能迅速燃烧，需要在燃烧前将其压缩。在压缩行程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点运动，将可燃混合气压至燃烧室。
（3）做功行程。在压缩行程终了时，进、排气门仍关闭，喷油器向气缸内喷射燃油（直喷型发动机），同时火花塞产生电火花点燃混合气，驱使活塞迅速下行并通过连杆推动曲轴旋转做功。
（4）排气行程。可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排出，以便进入下一个进气行程。在做功行程终了时，排气门开启，依靠废气的压力进行自由排气，当活塞到达下止点后再向上运动时，废气被强制排出气缸。
2.1.2.2 柴油机的工作原理
进气、压缩、燃烧膨胀和排气这4个行程共同构成四冲程柴油机的工作循环，如图2-4所示。
图2-4 四冲程柴油机的工作循环
（1）进气行程。该行程的任务是使气缸内充满新鲜空气。当曲轴旋转肘，连杆驱使活塞由上止点向下止点运动，与曲轴相联的传动机构打开进气门。随着活塞向下运动，活塞上方的容积逐渐增大，导致气缸内的空气压力低于进气管的压力，空气由此不断被吸入气缸中。
（2）压缩行程。压缩时活塞从下止点向上止点运动，当活塞上行、进气门关闭后，气缸内的空气受到压缩，随着容积不断减小，空气的压力和温度不断升高，柴油机的压缩比为15～23（为汽油发动机的2～3倍），燃烧室温度可达500～800℃。
（3）燃烧膨胀行程。当活塞即将到达上止点时，喷油器将高压燃油喷入已达到高压和高温的空气中，空气的高温使燃油自燃。由于燃烧时放出了大量的热量，导致气体的压力和温度迅速升高，活塞在高温高压气体的作用下向下运动，并通过连杆使曲轴转动，对外做功。燃烧膨胀行程又称为做功或工作行程。
（4）排气行程。排气行程的任务是将膨胀后的废气排出，以便充填新鲜空气，为下个循环的进气做准备。当活塞到达下止点附近时，排气门开启，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，将废气排出气缸。
2.1.3 汽车发动机术语解析
汽车发动机的基本术语如图2-5所示，下面给出具体的解析。
图2-5 汽车发动机的基本术语
（1）上止点：活塞在气缸内做往复直线运动时向上所能到达的最高位置。
（2）下止点：活塞在气缸内做往复直线运动时向下所能到达的最低位置。
（3）活塞行程：活塞在上、下止点间运动的距离，即上、下止点间的距离。
（4）燃烧室容积：活塞处于上止点时，其顶部与气缸盖之间的容积。
（5）气缸总容积：活塞处于下止点时，其顶部与气缸盖之间的容积。
（6）气缸工作容积：气缸总容积与燃烧室容积之差，即活塞在上、下止点间运动所扫过的容积。
（7）压缩比：发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积（燃烧室容积）之比表示，如图2-6所示。压缩比与发动机的性能有很大关系，通常低压缩比指的是压缩比低于10，高压缩比则大于10，相对来说，压缩比越高，发动机的动力越强。
图2-6 发动机的压缩比
（8）连杆长度：连杆大头孔中心到连杆小头孔中心的距离。
（9）曲轴半径：曲轴连杆下端的连接中心到曲轴中心的距离。
（10）空燃比：表示空气和燃料质量的混合比，将实际空燃比与理论当量空燃比（14.7）的比值定义为过量空气系数，用λ表示，如图2-7所示。
图2-7 空燃比
（11）排量：多缸发动机的各缸工作容积之和，如图2-8所示。
（12）功率：发动机在单位时间内所做的功。它是表示汽车行驶快慢的指标。通俗地说，发动机功率越大，表示汽车速度越高。
图2-8 发动机排量示意图
（13）转矩：发动机曲轴端所发出的力矩。它是体现汽车加速能力的指标。通俗地说，转矩越大，汽车的瞬时加速能力越强。
（14）爆燃：在压缩行程还未到达设计的点火位置时，燃气混合物自行点火燃烧，燃烧所产生的巨大冲击力与活塞的运动方向相反，导致发动机抖动的现象。爆燃分为有感爆燃与无感爆燃两种，有感爆燃通常会引起发动机抖动，甚至是车身的抖动；无感爆燃的主要表现是发动机噪声增大。
（15）怠速：发动机空转时的一种工作状况。在发动机运转时，如果完全放松加速踏板，发动机即进入怠速状态。发动机怠速运转时的转速称为怠速转速，它是维持发动机在没有做功的情况下正常运转的最低转速。怠速转速可以通过调整节气门开度和空气流量计的怠速螺钉等来调整。一般来讲，怠速转速以发动机不抖动时的最低转速为最佳。发动机的正常怠速转速一般为（850±50）r/min。