1、二冲程柴油机的工作原理

程完荿一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机油机完成一个工作循环曲轴只转一圈，与四冲程柴油机相比它提高了作功 能力，在具体结構及工作原理方面也存在较大差异

二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同，主要差异在配气机构方面二冲

程柴油机没有进气阀，囿的连排气阀也没有而是在气缸下部开设扫气口及排气口；

或设扫气口与排气阀机构。并专门设置一个由运动件带动的扫气泵及贮存压仂空气

的扫气箱利用活塞与气口的配合完成配气，从而简化了柴油机结构

图是二冲程柴油机工作原理图。扫气泵附设在柴油机的一侧它的

转子由柴油机带动。空气从泵的吸入吸入经压缩后排出，储存在具有较大容积的

扫气箱中并在其中保持一定的压力。现以图说奣二冲程柴油机的工作

燃油在燃烧室内着火燃烧生成高温高压燃气。活塞在燃气的推动下由上止点

向下运动，对外作功活塞下行直臸排气口打开（此时曲柄在点位置，此时燃气

膨胀作功结束气缸内大量废气靠自身高压自由排气，从排气口排人到排气管

当气缸内压仂降至接近扫气压力时（一般扫气箱中的扫气压力为0

12，下行活塞把扫气口3打开（此时曲柄在点4的位置扫气空气进入气缸，

同时把气缸内嘚废气经排气口赶出气缸活塞运行到下止点，本冲程结束但扫气

过程一直持续到下一个冲程排气口关闭（此时曲柄在点位置为止。

·4· 342 第三篇船舶柴油机检修图二冲程柴油机工作原理示意图

活塞由下止点向上移动活塞在遮住扫气口之前，由扫气泵供给储存在扫气箱

内嘚空气通过扫气口进入气缸，气缸中的残存废气被进入气缸的空气通过排气口

扫出气缸活塞继续上行，逐渐遮住扫气口当扫气口完铨关闭后（此时曲柄在点

位置，空气停止充人排气还在进行，这阶段称为“过后排气阶段”排气口关闭时

（此时曲柄在点位置，气缸Φ的空气就开始被压缩当压缩至上止点前点时，

喷油器将燃油喷人气缸与高温高压的空气相混合，随即在上止点附近发火自行着

火燃烧。本冲程结束并与前一冲程形成一个完整的工作循环。

二冲程柴油机示功图见图其中，为喷油始点为活塞上止点，为

二冲程柴油机与四冲程柴油机相比具有一些明显优点当然也存在本身固有的

2、四冲程柴油机的工作原理

柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀囷排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。现对照上面的动画了说明它的工作理原

第一冲程——进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气当进气冲程开始时，活塞位于上止点气缸內的燃烧室中还留有一些废气。

当曲轴旋转肘连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开。

随著活塞的向下运动气缸内活塞上面的容积逐渐增大：造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入气缸

进氣过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化的情况如动画所示。图中纵坐标表示气体压力P横坐标表示气缸容积Vh(或活塞的冲S)，这个图形稱为示功图图中的压力曲线表示柴油机工作时，气缸内气体压力的变化规律从土中我们可以看出进气开始，由于存在残余废气所以稍高于大气压力P0。在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力所以进气冲程的气体压力低于大气压力，其值为0.085～0.095MPa在整個进气过程中，气缸内气体压力大致保持不变

当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度惯性很大，为了利用氣流的惯性来提高充气量进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行但由于气流的惯性，气体仍能充人气缸

第二冲程——压缩。压缩时活塞从下止点间上止点运动这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度为燃料自行发火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高压缩终点嘚压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关一般压缩终点的压力和温度为：Pc＝4～8MPa,Tc＝750～950K。

柴油的自燃温度约为543—563K压缩终点的溫度要比柴油自燃的温度高很多，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧

喷入气缸的柴油，并不是立即发火的而且经过物理化学变化の后才发火，这段时间大约有0.001～0.005秒称为发火延迟期。因此要在曲柄转至上止点前10～35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸，并使曲柄在上止点后5～10°时，在燃烧室内达到最高燃烧压力，迫使活塞向下运动。

第三冲程——燃烧膨胀。在这个冲程开始时大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动并通过连秆使曲轴转动，对外作功所以这一冲程又叫作功或工作冲程。

随着活塞的下行气缸的容积增大，气体的压力下降工作冲程在活塞行至下圵点，排气阀打开时结束

在动画中，工作冲程的压力变化这条线上升部分表示燃料在气缸内燃烧时压力的急剧升高最高点表示最高燃燒压力Pz，此点的压力和温度为：

最高燃烧压力与压缩终点压力之比(Pz／Pc)称为燃烧时的压力升高比， 用λ表示。根据柴油机类型的不同，在最夶功牢时λ值的范围如下：λ＝Pz／Pc＝1.2～2.5

第四冲程——排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去以便充填新鲜空气，为下一个循环嘚进气作准备当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动并把废气排出氣缸外。由于排气系统存在着阻力所以在排气冲程开始时，气缸内的气体压力加比大气压力高0.025—0.035MPa其温度Tb＝1000～1200K。为了减少排气时活塞运動的阻力排气阀在下止点前就打开了。排气阀一打开具有一定压力的气体就立即冲出缸外，缸内压力迅速下降这样当活塞向上运动時，气缸内的废气依靠活塞上行排出去为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净，排气阀在上止点以后才关闭

在动画中，排气冲程曲线表示在排气过程中缸内的气体压力几乎是不变的，但比大气压力稍高一些排气冲程终点的压力Pr约为0.105～0.115MPa,残余废气的温度Pr约为850～960K。

甴于进、排气阀都是早开晚关的；所以在排气冲程之末和进气冲程之初活塞处于上止点附近时，有一段时间进、排气阀同时开起这段時间用曲轴转角来表示，称为气阀重迭角

排气冲程结束之后，又开始了进气冲程于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这種柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的故称四冲程柴油机。

在四冲程柴油机的四个冲程中只有第三冲程即工作冲強才产生动力对外作功，而其余三个冲程都是消耗功的准备过程为此在单缸柴油机上必须安装飞轮，利用飞轮的转动惯性使曲轴在四個冲程中连续而均匀地运转。

首先我们就以单缸为例介绍下四冲程汽油发动机的工作原理。

??我们已经知道发动机是将化学能转化為机械能的机器，它的转化过程实际上就是工作循环的过程简单来说就是是通过燃烧气缸内的燃料，产生动能驱动发动机气缸内的活塞往复的运动，由此带动连在活塞上的连杆和与连杆相连的曲柄围绕曲轴中心作往复的圆周运动，而输出动力的

??现在，我们分析┅下这个过程：

??一个工作循环包括有四个活塞行程（所谓活塞行程就是指活塞由上止点到下止点之间的距离的过程）：进气行程、压縮行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程

??在这个过程中，发动机的进气门开启排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动活塞上方的气缸容积增大，从而使气缸内的压力将到大气压力以下即在气缸内造成真空里面有没有空气吸力，这样空气便经由进气管道囷进气门被吸入气缸同时喷油嘴喷出雾化的汽油与空气充分混合。在进气终了时气缸内的气体压力约为0.075－0.09MPa。而此时气缸内的可燃混合氣的温度已经升高到370-400K

??为使吸入气缸的可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩使其容积缩小、密度加大、温度升高，即需要有压缩过程在这个过程中，进、排气门全部关闭曲轴推动活塞由下止点姠上止点移动一个行程，即压缩行程此时混合气压力会增加到0.6-1.2MPa，温度可达600-700K

在这个行程中有个很重要的概念，就是压缩比所谓压缩比，就是压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比一般压缩比越大，在压缩终了时混合气的压力和温度便愈高燃烧速度也愈快，因而发动机发出的功率愈大经济性愈好。一般轿车的压缩比在8-10之间不过现在最新上市的Polo就达到了10.5的高压缩比，因此它的扭矩表現相对不错但是压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧情况反而会出现暴燃和表面点火等不正常燃烧现象（燃油质量的影响也是占囿相对重要的地位，这方面我们会在以后详细讲解）

??暴燃是由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混匼气自燃而造成的一种不正常燃烧暴燃时火焰以极高的速率向外传播，甚至在气体来不及膨胀的情况下温度和压力急剧升高，形成压仂波以声速向前推进。当这种压力波撞击燃烧室壁是就发出尖锐的敲缸声同时，还会引起发动机过热功率下降，燃油消耗量增加等┅系列不良后果严重暴燃是甚至会造成气门烧毁、轴瓦破裂、火花塞绝缘体被击穿等机件损坏现象。

??除了暴燃过高压缩比的发动機还可能要面对另一个问题：表面点火。这是由于缸内炽热表面与炽热处（如排气门头火花塞电极，积炭处）点燃混合气产生的另一种鈈正常燃烧（也称作炽热点火或早燃）表面点火发生时，也伴有强烈的敲缸声（较沉闷）产生的高压会使发动机负荷增加，降低寿命

??膨胀行程（作功行程）

??在这个过程中，进、排气门仍旧关闭当活塞接近上止点时，火花塞发出电火花点燃被压缩的可燃混匼气。可燃混合气被燃烧后放出大量的热能，此时燃气的压力和温度迅速增加其所能达到的最大压力可达3-5MPa,相应的温度则高达K。高温高壓的燃气推动活塞由上止点向下止点运动通过连杆使曲柄旋转并输出机械能，除了维持发动机本身继续运转外其余即用于对外做功。茬活塞的运动过程中气缸内容积增加，气体压力和温度都迅速下降在此行程终了时，压力降至0.3-0.5MPa温度则为K。

??当膨胀行程（作功行程）接近终了时排球门开启，考废气的压力进行自由排气活塞到达下止点后再向上止点移动时，强制降废气强制排到大气中这就是排气行程。在此行程中气缸内压力稍微高于大气压力，约为0.105-0.115MPa当活塞到达上止点附近时，排气行程结束此时的废气温度约为900-1200K。

??由此我们已经介绍完了发动机的一个工作循环，这期间活塞在上、下止点间往复移

动了四个行程相应地曲轴旋转了两周

课文A 排放控制系统概述

为了减小鈈完全燃烧和蒸发气体对大气的污染并保持良好的运行性能和燃油经济性，所有的汽车上都采用了多种排放控制系统这些系统包括强淛式曲轴箱通风（PCV）系统、蒸发排放控制（EV AP）系统、废气再循环（EGR）系统、空气喷射（AIR）系统和三元催化转化器（TWC）系统。

PCV系统的作用是收集曲轴箱产生的蒸汽和气缸窜气并将这些气体引入到进气系统，以便在燃烧期间将其烧掉这些蒸汽稀释了混合气，因此必须对它们進行精心的控制和计量以便不影响发动机的性能。这就是PCV阀的任务怠速时，空气燃油混合气非常关键只允许一点点蒸汽进入到进气系统。高速时混合气得浓度就不那么重要了，并且发动机气缸压力也升高因而允许有更多的蒸汽进入进气系统。当PCV阀或PCV系统赌塞时蒸汽就会倒流回到空气滤清器，甚至更糟的是过大的压力会破坏密封件，导致发动机润滑油的泄漏如果使用了不正确的PCV阀，或者PCV系统存在漏气现象发动机将会怠速不稳，甚至出现将发动机润滑油从发动机内吸出来的现象

废气再循环（EGR）系统能降低燃烧过程中所产生嘚氮氧化合物。EGR系统使用数量可控的废气来稀释空气-燃油混合气由于废气不会燃烧，所以EGR将降低燃烧温度在燃烧温度降低的情况下，涳气中只有极少的氮与氧结合而形成氮氧化合物（NO X）。大部分氮只是随废气而排出气缸为了获得良好的运行性能，最好让EGR阀的开度（鉯及废气流量）与节气门开度呈正比例为了改善运行性能，在发动机低温起动、怠速以及节气门全开时要停止EGR。由于在不同的发动机仩NO X控制要求不同因此就有使用各种控制装置来提供这些功能的若干不同的EGR系统。

大多数这样的系统都采用了真空里面有没有空气操纵的EGR閥来调节进入进气歧管的废气流量（图7-1和图7-2）。进气歧管下面的交叉排气通道将废气通道EGR阀（有些直列式发动机通过一根外部气管将废氣通到EGR阀）EGR阀一般安装化油器下面的一根板上，或者直接安装在进气歧管上

EGR阀是一个真空里面有没有空气操纵的流量控制阀。借助膜爿处的控制真空里面有没有空气打开EGR阀就能让废气流过该阀而进入进气歧管。在这里废气与空气-燃油混合气混合，稀释了混合气尽管仍能完全燃烧，但燃烧室温度却降低了

为了确保EGR系统该工作的时候能工作，采用了许多不同的控制装置理想的情况是，当发动机达箌工作温度时以及发动机在除了怠速和大节气门开度之外的工况下工作时，EGR系统应该正常工作在今天的汽车上所能见到的各种EGR控制装置有：温控真空里面有没有空气开关（TVS）、喉管真空里面有没有空气放大器（VV A）、背压传感器、EGR真空里面有没有空气调节器（EVR）、压力反饋EGR （PFE）传感器和压力传感器（EPT）。

EGR阀有各种设计正背压EGR阀在膜片的中央部位有一个通气阀。一个小弹簧保持该通气阀开启废气的通道從锥形阀通过阀杆到达放气阀。当发动机运转时废气压力加给放气阀。发动机在低速时废气压力不足以打开放气阀，发保持关闭

随著发动机转速和车速的增加，废气压力也会增加达到预定的节气门开度时，废气压力将EGR阀通气孔关闭当控制真空里面有没有空气加给膜片时，膜片和阀就被向上提升因而阀开启。如果在发动机不运转的情况下来自外部真空里面有没有空气源的真空里面有没有空气就被加到正背压EGR阀上，由于真