汽车发动机工作原理

汽车发动机工作原理四冲程发动机工作原理四冲程发动机几乎应用于所有汽车发动机，包括汽油车和柴油车，也应用于很多两轮摩托车。四冲程发动机的每个工作循环是在活塞上下两次运动，即四个行程中完成的。工作过程由进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个行程完成一个工作循环（曲轴转两周7200），四个冲程中只有一个冲程作功，其余都是消耗功的辅助冲程发动机运转初始必须依靠外力使曲轴转动，完成进气、压缩两个冲程，做功后才能靠曲轴及飞轮储存的能量继续工作。(l)进气行程此时，活塞被曲轴带动由止点向下止点移动，同时，迸气门开启，排气门关闭。当活塞由上止点向下止点移动时，活塞上方的容积增大，汽缸内的气体压力下降，形成一定的真空度。由于进气门开启，汽缸与进气管相通，混合气被吸入汽缸。当活塞移动到下止点日寸，汽缸内充满了新鲜混合气以及上一个工作循环未排出的废气。(2)压缩行程活塞由下止点移动到上止点，进排气门关闭。曲轴在飞轮等惯性力的作用下带动旋转，通过连杆推动活塞向上移动，汽缸内气体容积逐渐减小，气体被压缩，汽缸内的混合气压力与温度随着升高。(3)燃烧膨胀行程进排气门同时关闭，火花塞点火，混合气剧烈燃烧，汽缸内的温度、压力急剧上升，高温、高压气体推动活塞向下移动，通过连杆带动曲轴旋转。在发动机工作的四个行程中，只有这个行程才实现热能转化为机械能，所以，这个行程又称为作功行程。由于柴油机是靠压缩自行着火燃烧，故称柴油机为压燃式发动机。当压缩行程接近终了时，在高压油泵作用下，将柴油以IOMPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升，最高达5000-9000kPa。(4)排气行程排气门打开，活塞从下止点移动到上止点，废气随着活塞的上行，被排出汽缸。由于排气系统有阻力，且燃烧室也占有一定的容积，所以不可能将废气排净。这部分留下来的废气称为残余废气。残余废气不仅影响充气，对燃烧也有不良影响。排气行程结束时，活塞又回到了上止点，也就完成了一个工作循环。随后，曲轴依靠飞轮转动的惯性作用仍继续旋转，开始下一个循环。如此周而复始，发动机就不断地运转起来。汽车发动机油种类汽车发动机使用的燃料不同，一般按燃料可分为柴油机油、汽油机油、通用发动机油、燃气发动机油、乙醇发动机油等。根据基础油的不同，汽车发动机油可分为矿油发动机油、半合成发动机油和合成发动机油。根据发动机工作原理不同，汽车发动机油可分为四冲程发动机油、二冲程发动机油（含二冲程汽油机油和二冲程柴油机油）。汽车发动机油黏度黏度是润滑油的主要物理化学性质，也是润滑油的一个基本性能指标。在实际应用中，机械相对运动时的摩擦热、摩擦损失、磨损、密封性和泄漏等情况都与油品的黏度有密切的关系。SAE制定了了发动机油的黏度级别SAEJ300。一些汽车厂商提出CCS试验温度不能正确反映现代汽车的发动机的冷起动条件，为此美国汽车工程师学会在2000年1月1日发表了新的SAEJ300黏度分类标准。新的SAEJ300黏度分类标准规定，CCS试验在各W级别目前的测试温度各低5℃来进行测试。由于增加苛刻度，指标放宽了1.7-2.2倍。表l-2-1列出了SAEJ300-1999对发动机油的黏度分级。这个新规格在2000年1月1日生效，同时在2001年1月1日起强制执行。汽车发动机油作用润滑作用汽油机一般有7%的燃烧能量消耗在摩擦损失上，其中活塞环与缸套间的损失约占3%，而柴油机在摩擦损失上消耗约占10%，其中直喷式柴油机活塞环与缸套间的损失约占6%-7%。发动机运转时，重要的摩擦部件有曲轴与曲轴瓦、连杆与连杆轴瓦、活塞环与缸套、凸轮与挺杆等。发动机油最重要的作用是在所有运动部件表面形成保护膜以减少摩擦，从而避免发动机部件的磨损。发动机的全部摩擦损失是机械有效功率的30%左右，改善摩擦副的润滑状态，减少摩擦损失，对提高发动机的燃料经济形势十分重要。清洁作用发动机特别是高强度发动机中，汽缸壁、活塞及活塞环表面的润滑油受到空气、燃烧气高温及金属的催化作用，必然要发生不同程度的分解、氧化、缩聚，生成大分子化合物。这些化合物与外来杂质、烟灰及炭粒结合在一起沉淀到活塞及活塞环表面，严重影响润滑油的润滑、冷却和密封作用。通常把燃烧室、活塞顶部、活塞环槽、气口或排气阀等处形成的一种坚硬炭质称为积炭。把由于受到高温作用而沉积在活塞裙部、汽缸套壁及轴承等处的一种硬而韧、有光泽的氧化物漆状薄膜称漆膜。把沉淀在曲轴箱边盖、油底壳及过滤器等温度较低部位的不溶于油的堆积物叫油泥。积炭、漆膜及油泥统称为沉积物。发动机油能清洁发动机也是非常重要的。烟灰、粉尘、酸性物质以及水分形成油泥和凝胶在发动机部件间堆积，会阻碍发动机的正常工作，造成磨损。油泥沉积在油泵的滤网上，会破坏系统正常供油。活塞环聚积漆膜会发生黏环，影响发动机功率。发动机油中含有清净分散剂，这些物质可以使油泥和其他沉积物分散成很细小的颗粒，悬浮在油中，从而防止油泥和漆膜的沉积，保护零部件的清洁。另外．发动机油对生成的油泥、漆膜以及磨损的金属、空气带进的尘埃等，具有清洗作用，并将其带走，经过粗、细滤清器将有害物质除去，从而保证发动机的正常运行。密封作用发动机油能形成约25cm的不均匀油膜，油膜虽然不厚，但足以形成一密封膜防止发动机功率的损失。活塞环与缸套、活塞环与环槽之间都有一定的间隙，而且表面又有微小的凹凸不平。如果活塞运动时，间隙得不到密封，燃气就会通过间隙窜入曲轴箱内，使燃烧室压力降低，从而使发动机功率降低。冷却作用燃料燃烧后产生的热量，不能全部转化为机械能。一般发动机的热效率只有25%-40c70，其余除消耗于摩擦外，还通过发动机散热以及排气系统而进人大气。冷却发动机的工作只有60%是通过冷却液或空气进行，其余须靠发动机油来冷却。事实上，冷却系统只冷却了发动机的上部，即汽缸盖、汽缸套和配气系统，而主轴箱、连杆轴承、摇臂及其轴承、活塞和其他在发动机下部的部件，主要靠发动机油冷却。其中润滑油冷却带走的热量为60-/0-14%。防锈和抗腐蚀作用发动机的腐蚀来源于水、酸、空气和润滑油的氧化产物。水是燃料的燃烧产物，硫酸是燃料中硫的氧化产物，盐酸和氢溴酸是含铅汽油铅携出剂的燃烧产物。发动机油在润滑过程中，由于温度、空气、金属的影响，自身也会氧化生成具有腐蚀作用的酸性物质，这些有害物质能加剧活塞环、钢套和轴瓦金属的腐蚀。对于锈蚀来说，水是主要因素。每升燃料在发动机里燃烧可生成1L以上的水。在寒冬季节，发动机冷启动虽然大多数水以蒸汽形式排出，但还有一些水凝结在汽缸壁或经过活塞环进入曲轴箱，由于水的作用而使发动机部件生锈。发动机油中含有防腐和防锈作用的添加剂，使油品具有中和酸和增溶酸的能力，以及抗氧化和防锈能力，从而使发动机油具有防锈和抗腐蚀作用。汽车发动机油基本性能黏度和黏温特性发动机油的黏度主要取决于低温启动时的最大黏度，以及高温高剪切下保持油膜的最低黏度。黏度太小，油膜容易破坏，密封性不好，机油消耗量增大，同时还产生磨损。黏度太大的油品流动性不好，发动机启动后长期得不到充分润滑，磨损也会增加。发动机油的黏度要求兼顾高温黏度和低温黏度，即油品应具有较好的黏温性能。一般要求低温启动温度在-5--300C时，黏度在6000-3250mPa．s范围；在150℃和106s’。高温高剪切下，最低黏度不小于3.SmPa．s。黏温性能以黏度指数表示，指数越高，黏度随温度的变化越小。发动机各润滑部位工作温度差别相当大，从环境大气温度到3000C，因此要求发动机油具有良好的黏温性能。单级油黏度指数一般在90-105，多级油黏度指数一般在120-180之间。油品的黏度决定油品的启动性。如果发动机油在启动温度下太黏稠，将会使运动部件滞动，发动机曲轴转速达不到启动转速，就启动不了发动机。流变性和泵送性(l)发动机油流变性发动机油的流变性是表示油的黏度和机械部位运动的剪切率的关系。活塞与汽缸之间，其剪切率可以从低速启动时的lOOs‘1，增加到正常运转时的300000s。。；轴承内机油的剪切率也可以从400s“猛增至200000s-。这种急剧的剪切率变化，对于含高分子聚合物（黏度指数改进剂）和接近发动机油倾点时的油品，便会出现黏度反常现象或黏度损失现象，其黏度可以从正常值例如100℃运动黏度10-12mrT12/s下降到6-7rriFri2/s，即下降接近50%。这种高剪切率和高温度同时存在的状态对于油品黏度的影响，已经受到了重视，即规定了高温一高剪切下的黏度限值，补充原来只规定100℃时运动黏度的不足。不含黏度改进添加剂的油品，黏度不受剪切率的影响。含高分子聚合物的稠化油为二相混合体系。在低剪切率下，润滑油为牛顿液体，在高剪切率下为非牛顿液体。发动机活塞运动速度与汽缸间隙、润滑油剪切率（剪速）的关系，见表1-2-2。润滑油出现非牛顿流体性质的温度各不相同，一般在倾点3-5℃以上或浊点附近。非牛顿流体性质对发动机工作的影响，决定于摩擦面间润滑油层的剪切率。油层间的剪切率可以看作是两摩擦面相对运动的速度与其间隙的比值。活塞运动速度2.Scm/s大约相当于发动机被起动机带动的速度，这时汽缸壁油膜的剪切率大约是100-lOOOs。；活塞运动速度750cm/s相当于发动机正常工作的速度，这时汽缸壁油膜的剪切率增加到30000-300000s“。(2)发动机油泵送性发动机油在低温下石蜡析出形成网状结构，对发动机曲轴转速影响不大，但是，与油的泵送性却关系密切。在低温下，除稠化油的黏度指数改进剂引起非牛顿流体特性外，大多数润滑油还出现结构形成现象。机油泵送失败的原因，一是机油不能凭借本身重力流到滤油网处，使进油管口形成空穴；二是油泵入口的机油流速太慢。如果油箱内的油不能供给油管口以足够的油量，则会形成空穴。这时泵的油量大为减少，还会出现危险的“夹气”现象。一般认为，边界启动黏度在3000-5000mPa．s之间二但多数油会因其中含有的高分子聚合物的剪切安定性影响油的黏度：有两种方法来模拟测定油品的低温启动性能：一是作为标准测定方法的冷启动模拟试验（CCS黏度），测定油在lOOOOOOs-的剪切率下，即相似于活塞环一汽缸运动状态下的黏度值二是采用微型旋转黏度计(MRV)测定，即MRV边界泵送性，来测定内燃机油的低温泵送性。总之，高质量的内燃机油，必须既满足低温启动性，又满足低温泵送性，才能全面满足发动机的低温使用要求。清净分散性发动机油的清净分散性有两层含义：其一是指发动机油能将氧化生成的胶状物、积炭等悬浮在油中，使其不易沉积在部件上；其二是在一定程度上，表示发动机油可将已沉积在部件上的胶状物、积炭等洗涤下来÷这些沉积物在润滑油的循环中，通过机油滤清器除掉，从而保持发动机部件的清洁，减少积炭和漆膜的生成，发动机油生成沉积物的倾向，一方面取决于发动机油的质量，另一方面也取决于发动机的工作条件。在汽车发动机中T作的润滑油，由于发动机经常处于开开停停状态，实际油温度较低，容易生成油泥，落人曲轴箱中与水生成乳化物。在柴油机中，发动机的温度较高，润滑油中的沉积物以不溶于有机溶剂的含碳氧化物为主。抗氧化性在内燃机油T．作过程中，经常处于80-100C的温度下，还要不断流到100-2000C的缸套表面及150-250。C的活塞环区，还要窜到2000cc的燃烧室中，在这些温度下润滑油产生如下变化：第一，燃烧。窜到燃烧室中的油燃烧后生成灰和炭。第二，氧化。润滑油为碳氢化合物，在高温下与空气及NO、NO，和S0：等产生氧化反应，生成醇、醛、酮、酸等以及不溶于油的含氧化合物。第三，分解。高温下长链的烃类分解成小分子烃化物及气体。第四，缩合二烃的氧化物在金属催化及适当的温度下，能缩合成高分子聚合物，如漆膜、胶质及沥青质等。，这些变化使润滑油衰败，降解变质，失去润滑性能，生成的腐蚀性有机及无机酸性化合物，腐蚀了金属，加剧了磨损。高温氧化产物也是沉积物的主要单体来源。F于温度、空气以及金属的催化作用，发动机油在使用条件下容易氧化变质。油品氧化生成酸性化合物，而氧化产物又进一步氧化缩合生成大分子胶质和沥青物质，使油品黏度