活塞式燃油发动机基础常识

活塞式燃油发动机基础常识；LX/NJ
　　　
活塞式燃油发动机通常是指燃油在汽缸里燃烧膨胀，推动活塞下行带动曲轴旋转，以此形式输出动力的发动机。这种发动机是目前最最接近平民百姓的实用型燃油发动机，大到火车、轮船～～，小到助力车、航模～～，可以说是随处可见；其中一些经过少许改装后，还可以使用汽体燃料。
最近几年，版友们最常接触的是踏板助力车上的燃油发动机，其实活塞式燃油发动机的范畴很大，不只是汽油机和柴油机，点火方式也不全是靠火花塞；在此写上一篇，以本版角度，将活塞式燃油发动机的一些常识简述一下，以四冲汽油机为主，作为车民常识资料，以便版内车友学习参考。
　　　
一、活塞式燃油发动机常见名词常识：
　　　　
Ａ、活塞式燃油发动机：
通常指做功形式为燃油在汽缸里燃烧、以膨胀气体推动活塞，通过连杆带动曲轴输出动力，以消耗燃油而产生动力的发动机。它的主要产品为使用化油器实施汽缸外雾化燃油、汽缸内火花塞点火的汽油机，还有使用喷油泵直接对汽缸内喷射柴油、直接燃烧作功的柴油机。
Ｂ、发动机的工作循环与冲程：
工作循环是指发动机活塞由进气、压缩、燃烧膨胀（做功）、 排气行程所组成的工作进程。发动机每完成一次进气，压缩、做功、排气的进程，称为一个工作循环，也称一个周期。
Ｃ、二冲程发动机：
凡发动机曲轴每旋转一转，即活塞上下往复运动两个行程而完成一个工作循环的发动机。按点火方式包含有：火花塞点火，压缩点火，喷油点火。按进气方式有：簧片阀进气，活塞阀进气，转盘阀进气～～～。
Ｄ、四冲程发动机：
凡发动机曲轴每旋转两转，即活塞上下往复动动四个行程而完成一个工作循环的发动机。通常以化油器供油、火花塞点火的汽油发动机和直接向汽缸里喷射燃油的柴油机为主。其外观最大特征：有复杂的换气机构－－缸头。
　　　
Ｅ、曲轴：
一根类似“弓”字形的转轴，用连杆连接活塞，通过它使活塞来回运动，完成吸气、压缩、作功、排气等功能。同时活塞也通过它将直线运动的作功力量转换为输出动力的旋转运动。
Ｆ、飞轮：
为了使活塞连续往复运动，曲轴需要靠飞轮的惯性来保持连续运转。在小型发动机中，飞轮通常与磁电机合并设计，在飞轮的内圈安置强力磁钢，使得飞轮一转动，底盘上的线圈就有点火电力输出。
Ｇ、连杆：
连接曲轴与活塞的部件，其主要功能是将曲轴的旋转运动转换成活塞的往复运动，同时也将活塞的推动力转换成曲轴的旋转运动。因其运动时的摆动幅度较大，所以需要尽量轻巧牢固。
Ｈ、曲轴箱：
将曲轴安装在内、并连接汽缸和变速机构的发动机箱体。常规二冲程发动机的曲轴箱比较简单，通常兼顾蓄汽盒的作用。四冲程发动机的曲轴箱变化较多，有时与带离合器的齿轮变速箱合为一体。
　　　　
Ｉ、活塞：
通常为圆柱形，与汽缸紧密配合形成气体空腔变化的往复运动部件，是活塞式发动机的主要特征部件。其主要作用是通过曲轴带动的往复运动，完成发动机吸气、压缩、做功、排气的冲程循环。活塞上通常有几道活塞环，起到刮油与密封的作用。
Ｊ、活塞行程：
活塞由上止点运动到下止点的距离称为行程，也称为冲程。通常活塞直径与活塞行程差不多，但根据发动机特性不同，也有活塞行程大于活塞直径或是小于活塞直径的。鉴于活塞在运行中与汽缸壁的剧烈磨擦，润滑油必不可少。
Ｋ、止点：
活塞与曲柄连杆总成相连接，活塞在气缸中就有最上和最下的两个极限位置，最上端的极限位置叫作“上止点”，它与曲轴中心线距离为最大。最下端的极限位置叫“下止点”，它与曲轴中心线的距离为最小。两止点之间的距离就是活塞运动的距离，通常叫做活塞行程，也是曲轴的转动直径。
Ｌ、 气缸工作容积：
活塞运动一个行程在气缸中所扫过的空间，即活塞的截面积 x 活塞最大行程（上止点到下止点的尺寸）＝汽缸工作容积。总的汽缸工作容积通常在发动机中被简称为“排量”，轻摩单汽缸发动机的排量多数为50～70ml。
　　　　
Ｍ、汽缸：（气缸总容积：）
通常为紧密配合活塞实现密封往复运动的圆孔套状体部件，除了有配合活塞吸气、压缩、做功、排气～～～～等作用外，还要兼顾散热、排气、扫气～～～等作用。二冲发动机的汽缸与四冲发动机的汽缸区别较大，缸壁上有扫汽口与排气口。（气缸总容积：气缸工作容积与燃烧室工作容积之和。）
Ｎ、燃烧室：
因其位置在汽缸的尽头，通常这个部件又被简称为“缸头”。燃烧室是缸头上结构最简单的凹腔，但对发动机的作用却很重要；它的容积决定的发动机的压缩比，它的形状决定了发动机的节油率与排放性。
Ｏ、燃烧室工作容积：
活塞在上止点时，活塞顶部与气缸盖中央凹顶部所组成的空间叫做燃烧室，这个空间的容积决定了该发动机的标称压缩比。而压缩比是发动机性能的一个重要结构参数，它直接影响发动机作功效率。
Ｐ、压缩比：
发动机的压缩比通常是指理论结构上的标称压缩比，简单的计算方法是： 气缸总容积除以燃烧室工作容积＝压缩比（ε）。通常一般情况下，柴油机ε＝14～22 ，汽油机ε＝6～10。实际上四冲汽油发动机由于油门不会开到最大，实际压缩比平时远远不达理论结构上的最大压缩比；而柴油机通常对进气不做控制，压缩比是固定不变的，所以压缩比效率始终比汽油发动机高些。
　　　　
Ｑ、火花塞：
在缸头燃烧室内使用高压电火花给可燃油汽实施点火的电气零件，按传统方式多配置在使用化油器的汽油发动机上。通常外电极接地，中心电极连接输出一万多伏高压电脉冲的点火线圈输出端，在适当时机放出电火花点燃汽缸里被压缩的可燃油汽。火花塞的电极很有讲究，对发动机的点火性能至关重要，通常需要自己对常规成品再实施加工改进些。
Ｒ、点火角：
原本是指高压电火花的点火时机，曲轴飞轮上止点标记相对于活塞上止点的角度。由于油汽燃烧扩展需要点时间，故使用电火花点火往往需要提前一些，提前的时机往往用飞轮上的角度来表示，故点火角通常又被称为点火提前角。
点火提前角对于发动机的性能非常关键，最佳点火角往往随同发动机的转速高低、油门大小、油汽浓度、燃烧室直径～～～而不同，其中二冲发动机与四冲发动机的点火角和点火特性又有些区别，点火角通常比四冲发动机要小些。
对于最常见的轻摩汽油发动机来来说，点火提前角多固定在２８度左右，若能在发动机中低转速时使用小一点的点火提前角，摩托车的起步性能会比较优越些。对于大排量的汽油发动机，点火角通常在２５～３５度之间变化。
对于不用火花塞的柴油机来说，喷油时机＝点火时机，也是需要看燃烧室、转速～～等情况，在活塞到达上止点前提前喷射燃油，其点火时机的原理与汽油发动机的点火提前角差不多，只是点火原理与具体细节完全不同。
Ｓ、点火器：
最近几年通常使用电容放电式的ＣＤＩ点火器，可以将发动机发电线圈输出的电力转换成电流脉冲，通过高压包－－火花塞放电，给汽缸里的油汽实施电火花点火。点火器的品种很多，性能好的多带有自动变化点火角的功能，以提高发动机的动力性能和节约燃油。
Ｔ、高压包：
原称呼是叫做点火线圈，其作用是将点火器输出的电流脉冲转换成上万伏的高压电脉冲，以便火花塞产生对油汽点火的电火花。因其特别害怕潮湿漏电，对绝缘性能要求很高，多是自成密封包装状态，故通常又被人简称为高压包。
在轻摩点火系统中，高压包内芯大小对点火能量有决定性作用，故玩家会选用大点的高压包。由于点火器与高压包都很怕潮湿，所以近几年出现有点火器与高压包一体化的趋势，可以简化点火线路，并以此提高点火系统的可靠性。
　　　　
Ｕ、化油器：
典型的汽油发动机配置，将汽油形成雾状按进气比例输出给汽缸的器件，同时还兼顾有调剂进气控制发动机转速的作用。化油器的品质性能对发动机的影响很大，汽油发动机几乎有一半的毛病都与化油器有关；化油器结构好坏和调节好坏，是顺利使用汽油发动机的关键，发动机的节油与排放与它关系密切。
化油器多使用在配置火花塞的汽油发动机上，其中少数也有用在压燃式航模发动机中。按结构划分通常有：比较传统老牙的碟阀式化油器，比较简洁可靠的直接拉线柱塞式化油器，用于踏板车上结构比较繁琐、容易出毛病的等压真空膜式化油器。不论哪款化油器，雾化汽油的泡沫孔、控制进气量的气口截面、主油针的曲锥度，是化油器性能的三大关键，是化油器改进性能的重点。
Ｖ、喉管：
通常是指化油器到汽缸头之间的那段通汽管，视各种摩托的设计而长短大小各有不同。一般常规设计对此件不太讲究，在本轻摩天地版中，对喉管与化油器的研究一直是这十几年来的重点。通过Ｎ多成功经验的事实证明：喉管对于汽油的挥发汽化具有特别重要意义，对于汽油发动机的启动性能与节油环保十分重要。近几年本版试验成功的四冲涡流喉管，配套本版发明的涡流蓄能器，对于踏板车性能的改进效益显著，已经成为各种摩托车改进必不可少的一项。
Ｗ、油汽浓度：
汽油发动机对燃料浓度要求很严，通常要求汽油按进气重量的1/15来配给；汽油在火花塞点火前必须全部挥发，形成均匀的可燃油汽。当油汽中汽油含量偏少时，通常叫做贫油；发动机会作功乏力、点火困难、排气管放炮～～～。当油汽中汽油含量偏高时，通常叫做富油；发动机会比较容易点火、加速有力、排污增加、耗油增多、汽缸与火花塞容易积碳～～～～。
Ｘ、蓄能器：
一种调剂四冲发动机性能的气动部件，通常连接在化油器与汽缸头之间的喉管上；特别是对于短喉管的四冲发动机，此物改善发动机性能的效益比较显著。二冲发动机通常不需要使用它，因为二冲发动机的曲轴块对汽油具有强烈的气流冲刷作用，曲轴箱本身就是一只容积很大的涡流蓄能器，对燃油的挥发和蓄容作用已经很强。
　　　　
Ｙ、变速档位：
在挂档车中，变速机构与发动机同为一体；通过变速拨杆，使变速箱内不同齿数齿轮相互组合，形成不同传动比的输出状态。通常轻摩会有二～四个挡位，使发动机形成二～四个不同的对外输出状态。通常一档的传动减速比最大，使得机车起步有力、爬坡强劲；二～四档依次为增加转速／减少力矩，以便机车高速运行。
常规的挂档摩托车在渡过磨合期后，通常可以通过改变后传动比来实施节油；最简单的做法是：将发动机输出轴上的小链轮改成大点的，同样车速下发动机的转速就可以小点，发动机的油门会大点；对于提高发动机的实际压缩比和作功效率将有很大的帮助和提高。
在挂档轻摩中，档位和后转动减速比对机车节油同样重要，当机车进入巡航状态时，应尽量使用最高档位或小的后传减速比，可以降低发动机转速、增加发动机作功效率，较大幅度地节约燃油和减少发动机磨损。
在使用皮带传动的踏板车中，变速是按发动机转速而制定的，缺少挂档车发动机使用“高车速／低转速”的节油条件，机车因此而难以节油。发动机的转速高了，燃油消耗自然多些，同时对传动系统的磨损也相对大些。
Ｚ、离合器：　
发动机与车轮传动系统中间的连接部件，可以将发动机与车轮传动系统暂时分开，以便发动机的启动与换档。通常视机车的传统设计观念，有手动离合、自动甩块～～等结构方式。挂档摩托车多使用手动离合器，便于车手直接控制。踏板车多使用自动离合器，以便驾驶简单。最近流行的弯梁摩托，多采用自动离合器配合齿轮变速档，有操作简单、节油耐用的优点，是一种比较方便车民的合理设计。
　　　　
二、二冲程发动机的工作原理：
　　　
活塞由下止点往上止点运动，完成进气和压缩工作过程，属于活塞往复运动的第一个行程。活塞由上止点向下止点运动，完成燃烧膨胀（作功）和排气的工作过程，属于活塞往复运动的第二个行程。如此运作可以使发动机在每一转中都包含有四个冲程的过程和效果，压缩和简化了发动机的运转程序。
其结构原理是：在汽缸壁上开有固定的排气口与进气口（进气口通常又叫做扫气口。）当活塞由下止点向上止点运动到1/4行程时，活塞会关闭进气口和排气口时，排气和换气过程全部终止，气缸内的新鲜可燃混合汽开始压缩。
活塞向上移动的同时，活塞下面曲轴箱的容积逐渐增大，使曲轴箱内气压下降形成真空度。当曲轴箱内真空度达到一定程度时，簧片阀自动开启，经化油器雾化的汽油和新鲜空气被吸入曲轴箱内，继续汽化挥发和搅拌均匀。
当活塞继续向上运动将要接近上止点时，火花塞发出电火花，将已被压缩紧密的可燃油汽点燃。点燃后的油汽迅速燃烧膨胀，使燃烧室内油汽的温度和压力急剧升高，推动活塞向下运动，活塞通过连杆、曲轴，将油汽燃烧膨胀的力量转化成发动机曲轴对外出力的旋转运动。
当活塞由上止点向下止点运动时，曲轴箱内的气压将随容积的减小而增大，簧片阀就会自动关闭，此时进入曲轴箱内的油汽开始被压缩。当活塞下行至排气口开启时，废气会通过排气口、排气管、消音器排出。当活塞再继续下行至进气口开启时，曲轴箱内被预先压缩的新鲜油汽会通过扫气口进入气缸，并驱使气缸内残余废气进一步排出，这个过程称为扫气过程。
在活塞上行压缩新鲜油汽时，对曲轴继续运动会有阻力，此时曲轴的运动靠紧密连接曲轴的飞轮来维持。飞轮不但靠旋转运动的惯性维持和缓和发动机的转速，同时还有内部的磁电机作用，可以给点火器提供点火电力。在这么多部件如此紧密配合与相互作用下，二冲发动机便可完善地完成每一个工作循环。
　　　　
三、传统二冲程发动机的优点和缺点 ：
　　　　
１、每转一转就有油汽被点燃爆发做功一次，因此功率偏高、运转平稳。
２、与四冲程发动机相比，容易提高转速，转速相同时则功率会偏大些。
３、不需要四冲那样繁杂的换气机构，零部件较少，保养方便造价低廉。
４、简化的换气结构使得运转内阻减少很多，运行振动较小、噪音降低。
５、结构相对简单许多，使用可靠许多；便于野外维修保养，适于摩托。
６、因汽缸内残余废气偏多，油汽燃烧温度不会过高，少有氮氧类排污。
　　　
１、汽缸进气和排气过程时间短，换气不够彻底，油汽有短路泄漏损耗。
２、气缸壁四侧都有进气口或排气口，活塞环接触到这一地带容易磨损。
３、由于进气时间短＝冷却作用差些，排气口在气缸壁，汽缸容易过热。
４、因润滑油会进入汽缸被烧去，所以消耗稍多些，尾气排放成份欠佳。
５、由于油汽中含氧量低，燃料中有润滑油，火花塞与活塞环容易积碳。
６、因排气中有润滑油的焦碳，排气管容易被积碳渐渐堵塞，很难清理。
　　　　
四、四冲程发动机的工作原理：
　　　　
第一行程＝进气行程：当活塞运动到上止点前某一曲柄转角时，进气阀门被开启，排气阀则在上止点后的某一曲轴转角点关闭。当活塞由上止点向下止点运动时，活塞上方的气缸容积增大，使气缸内形成真空发展，由化油器过来的可燃混合油汽因此被吸入气缸。当活塞下行至下止点后某一曲柄转角时，进气阀门关闭，此时进气工作过程结束。
　　　　
第二行程＝压缩行程：当进气过程结束后，进气门和排气门都处于关闭状态，活塞由下止点向上止点运动，此时气缸内的可燃混合气开始被压缩。在压缩行程的后期，汽缸内的可燃油汽可以达到７～１５个大气压，温度达到摄氏三百～五百度，给火花塞打火点燃油汽提供了一定的基础条件。（活塞压缩汽缸内的油汽需要消耗能量，此时曲轴的连续运动靠飞轮的惯性来提供。）
　　　　
第三行程＝油汽燃烧膨胀作功行程：在压缩行程末期，当活塞向上行至上止点前某一曲柄转角时，火花塞电极间发出电火花，将被压缩的可燃油汽点燃。燃烧的油汽使气缸内的温度和压力急剧升高，此时汽缸内的瞬间温度最高接近摄氏两千度，最大气压可达十五～五十个大气压。活塞在此高温高压气体的作用下，被推动由上止点向下止点运动，且通过连杆驱动曲轴旋转对外出力。
　　　　
第四行程＝排气行程：在燃烧膨胀行程后期，当活塞行至下止点前某一曲轴转角时，排气阀门开启，废气通过排气门开始排出。曲轴继续旋转推动活塞由下止点向上止点运动，最后将废气全部推挤出气缸。（实际上不会是全部，燃烧室的凹腔内还残余不少废气。）此排气过程直到活塞行至上止点后某一曲轴转角，排气阀门被关闭时，才算完全终止。
　　　　
五、四冲程发动机的优点与缺点
　　　　
１、四个行程各自单独进行，因此工况明确效率较高，可用单纯燃油。
２、不存在二冲程发动机那样的窜气回流油汽损失，燃油消耗率低些。
３、汽缸与缸头换气系统依靠润滑系统润滑和散热，发动机不易过热。
４、进气过程、压缩过程时间长，汽缸容易冷却；做功容积效率较高。
５、每转两圈才作功一次，热负荷比二冲机小，变形、烧蚀等问题小。
６、低速运转比较平稳，适于大排量汽缸，适于设计成大功率发动机。
　　　　
１、由于曲轴转两圈才燃烧作功一次，所以运转不够平稳，难免振动。
２、气门配气机构复杂，零部件多，保养困难，配件繁多，维修不便。
３、因配气机构繁杂耗功，内阻与噪音较大；发动机因此而内耗很大。
４、由于机内换气机构阻力很大，机车基础耗油率较高，滑行距离短。
５、因油汽含氧量较足，燃烧的高温会产生些污染环境的氮氧化合物。
６、因燃烧的高温会产生些氮氧化合物，发动机的排气管容易被腐蚀。