任务二 四冲程发动机工作原理
【任务目标】
1．掌握汽油发动机活塞在气缸内的运行过程（工作原理）。
2．了解活塞运行中气缸内气体压力、温度的变化。
3．学会分析发动机活塞的上、下往复运行是如何转变为曲轴的旋转运动的。
【任务分析】
学习四冲程汽油机和四冲程柴油机的工作原理，掌握一个工作循环的四个行程，并通过二者工作原理的比较，进一步加深对四冲程发动机一个工作循环的理解，比较总结二者的差异，从中得出不同的特性。学习本任务后，同学们要明白发动机的连续转动是如何分解合成的。
【相关理论】
我们所看到的汽车发动机持续运转，实际上是通过活塞的上、下往复运动来带动连杆，通过连杆又推动曲轴的旋转。活塞在上、下运动中，实际包括四个过程，完成这样一次四个过程的循环我们把它称为一个工作循环。
四冲程发动机就是由进气过程、压缩过程、做功过程和排气过程四个行程组成一次工作循环。每一个过程的开始和结束就是一个冲程，而完成这样一个行程，需要曲轴转180º的转角，四个冲程就要转720º的转角。本任务主要介绍四冲程汽油机和四冲程柴油机的工作过程和工作原理。
一、四冲程汽油机工作原理
四冲程汽油机工作原理是：当外力推动活塞，活塞沿气缸轴线做直线往复运动时，活塞通过连杆带动曲轴做回转运动（旋转）。这个过程也是燃料在气缸内将热能转换成机械能的过程。其工作原理如图1-4，并表述如下：
图1-4 四冲程汽油机工作原理示意图
汽油机的四冲程是指进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。
（一）进气冲程
进气冲程即活塞开始时由上止点向终了时的下止点运行的全过程。在此过程中，进气门打开，排气门关闭，曲轴转过180º。
在进气冲程中，一方面由于活塞下行，在气缸内产生很大的真空度，在真空吸力作用下，汽油和空气混合成可燃混合气后被吸入气缸。进入缸内的可燃混合气，受缸壁、活塞等高温机件和上一循环高温残余废气的传热作用，温度升高，进一步蒸发汽化，此时的温度约为380K～440K。另一方面，因节气门、进气管、进气门等处有进气阻力，气缸内混合气的压力低于大气压力，约为70kPa～90kPa。
（二）压缩冲程
压缩冲程即活塞开始时由下止点向终了时的上止点运行的过程。在此过程中，进气门、排气门关闭，曲轴转过180º。
在压缩行程中，随着活塞上行，可燃混合气被压缩、气化，当活塞接近上止点时，缸内可燃混合气的密度加大，温度升高，压力增大，为点火燃烧做好准备。这时的气压约为600kPa～1 500kPa，温度约为600K～800K。
（三）做功冲程
做功冲程也叫燃烧膨胀冲程。即进、排气门关闭，活塞被火花塞点燃的可燃混合气由上止点推向下止点运行，曲轴转过180º。
做功冲程中，气体瞬时压力可达3 000kPa～5 000kPa，温度可达2 000K～2 800K。
（四）排气冲程
活塞在到达下止点前，排气门打开，进气门关闭，燃烧后的废气从排气道管中喷出，此后随着活塞的上行将废气挤出气缸，曲轴转过180º。前期为自由排气阶段，后期为强制排气阶段。
由于燃烧室占有一定的空间容积，因此，在排气终了时，不可能将废气全部排出，剩余的废气称为残余废气。排气结束时，气体压力约为105kPa～125kPa，温度约为900K～1 200K。
重点提示
Ø 在一个工作循环中，只有做功冲程对外输出动力，其余三个行程都要消耗动力。这就是发动机连续运转的唯一因素，我们可以理解为1＞3的动力输出。
Ø 一个工作循环中，每个缸的进、排气门都只开闭一次。
Ø 多缸发动机在曲轴转两圈时，所有气缸都要做功一次，而它们的做功先后顺序就是点火顺序。
知识拓展
Ø 以上为单缸四冲程发动机工作过程。单缸发动机工作时，做功行程的转速比其余三个行程的转速要大，所以曲轴转速是不均匀的，故单缸发动机存在工作不平稳、振动大的缺陷。实践证明，多缸发动机能很好地解决这一问题。现代汽车多采用四缸、六缸或八缸发动机。多缸发动机每个气缸内的工作过程都是相同的，但各缸间的做功时刻是均匀错开的。其错开的角度为曲轴每转两圈，所有缸都要做一次功，即多缸发动机各缸的做功行程间隔角为720/i（i为气缸数）。气缸数越多，发动机工作越平稳，但结构复杂，尺寸和质量增加。
Ø 温度的度量单位在工程和科学界里有三种，分别是摄氏度（℃）、华氏度（℉）和开尔文温度（K）三种。它们之间的换算如下：
0℃ ＝ 32℉，1℃＝(32+1.8) ℉；-273℃＝0K
二、四冲程柴油机工作原理
（1）因柴油和汽油性质不同，柴油不易蒸发，但其混合气的自燃点却比汽油混合气的低（柴油为350℃～380℃左右，汽油为510℃～530℃左右）。因此，柴油机在可燃混合气的形成、着火方式等方面与汽油机有较大区别。
（2）柴油机在混合气着火时是靠压燃（压缩后的空气温度约为800～1 000K，高于柴油的自燃点），而汽油机是靠火花塞产生高压电火花来点燃的。
（3）柴油机进气冲程时，吸入气缸内的是纯空气，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，在压缩接近终了时通过喷油器进行气缸内喷油，在很短的时间内与压缩后的高温空气混合燃烧。因此，这种发动机的可燃混合气是在气缸内形成的。
（4）由于柴油机压缩比高，所以压缩终了时气缸内的压力和温度都比汽油机高，压力可达3.5MPa～4.5MPa，温度高达477℃～723℃，远远超过了柴油的自燃点。故喷入气缸内的柴油与空气在很短的时间内雾化、蒸发、混合便立即自行着火燃烧。气缸内气压急剧上升，高达6MPa～9MPa，温度高达1 723℃～2 223℃。在高压气体的作用下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而做功，废气同样经排气管排入环境大气。
（5）四冲程柴油机工作原理和四冲程汽油机相似，也是以连杆为纽带，活塞与曲轴进行“你推我，我推你”的进行热能和机械能的转换过程。其工作原理如图1-5所示。
图1-5 四冲程柴油机工作原理
（6）四冲程柴油机与四冲程汽油机一样，每个工作循环也包括进气、压缩、做功和排气四个冲程。参照汽油机工作循环的四个冲程，请同学们根据图1-5，表述四冲程柴油机工作循环进气、压缩、做功和排气四个冲程。
三、汽油机与柴油机的比较
由四冲程汽油机和四冲程柴油机的工作过程可知，两者的工作原理基本相同，但又有些许区别，详见下表。
汽油机与柴油机的区别
【工作页】
一、填空题。
1．汽油机以汽油为燃料，采用________点火燃烧；柴油机以柴油为燃料，在高温、高压下，油气混合后________燃烧。
2．由前往后看发动机时，在进气冲程的过程中，曲轴是从________点到________点沿着方向转动的，活塞则是由________点到________点的运行过程；而在做功冲程时，曲轴是从
________点到________点沿着________方向转动的，活塞则是由________点到______点的运行过程。3．发动机按着火方式不同，可分为_______发动机和_______发动机；按完成一个工作循环，活塞冲程数的不同分为_______发动机和_______发动机。
二、名词解释。
1．上止点：
2．下止点：
3．活塞行程：
4．压缩比：
5．发动机排量：
三、问答题。
1．简述四冲程汽油机工作原理。
2．四冲程汽油机与四冲程柴油机工作原理有哪些不同点？
四、分析题。
有两个人进行这样的争论：一个人说汽油机比柴油机好，汽油机排出来的废气几乎看不出来烟色，污染小；另一个人说柴油机比汽油机好，柴油机省油，动强大。你能给他们评判一下吗？
通过对任务二的学习，你能给自己和老师一个评价吗？
1. 老师的讲解生动、形象，态度和蔼可亲吗？ （ ）
2. 工作页是独立完成的吗？给自己一个客观的评价。（ ）
［成绩等级］_____________
