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汽车发动机的工作原理与诊断

文/上海 庄开明

庄开明

本刊编委会委员

自1997年开始从事汽车机电维修工作,先后做过维修技师、技术总监和技术厂长。主修过奔驰、宝马、劳斯莱斯、凯迪拉克、丰田、大众等车型。擅长发动机电控系统、汽车车身电气、底盘电控系统的诊断。从2006年开始,从事汽车专业的理论课教学工作,著有汽车专业教材《汽车故障诊断技术和方法)和(汽车维修工艺》。

为了更好地理解和掌握发动机工作原理,并有效地进行故障诊断,提高诊断效率,让我们首先了解一下与发动机有关的术语。

一、术语

1.发动机构造术语

①上止点:活塞离曲轴轴心最远处,即活塞最高位置。

②下止点:活塞离曲轴轴心最近处,即活塞最低位置。

③活塞行程:上下止点间的距离(曲轴旋转一周即360°,活塞完成两个行程,一个活塞行程则为180°,活塞行程等于曲柄半径的2倍)。

④曲柄半径:连杆轴心到曲轴轴心的距离。

⑤汽缸容积:活塞从上止点移动到下止点形成的客积(发动机排量等于各汽缸容积之和)。

⑥燃烧室容积:活塞在上止点时,上方形成的容积。

⑦汽缸总容积:活塞在下止点时,上方形成的容积。

⑧压缩比:汽缸总容积与燃烧室容积之比。

2.发动机工作术语

①中程:发动机一个工作单元所彤成的,用曲轴旋转角度表示的真实过程。

②发动机四冲程:进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程(进气冲程、排气冲程曲轴转角大于活塞行程曲轴转角;压缩冲程、做功冲程曲轴转角小于活塞行程曲轴转角)。

⑧发动机五个过程:进气过程、压缩过程、点火燃烧过程、膨胀过程、排气过程(做功冲程由点火燃烧过程和膨胀过程组成)。

④活塞位置:是用曲轴转角表示的,活塞特殊位置就是上止点和下止点(活塞不仅有位置还有方向,即往上或往下,活塞位置的表示方法为:如上止点签x度,就是活塞处于往上移动,距上止点还有x度;上止点后x度,就是活塞处于往下移动,距上止点还有x度)。

二、发动机的工作原理及诊断方法

我们已经知道,活塞行程就是活塞从上(下)止点到下(上)止点之间的距离。由于发动机的活塞需要四个冲程才能实现一个完整工作循环,所以叉叫四冲程发动机。能实现真实循环的发动机以每一个冲程为一个工作单元,用曲轴旋转角度表示其真实过程。四个冲程分别为进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程,而做功冲程又包括点火燃烧过程和膨胀过程,所以发动机又是五过程发动机,即进气过程、压缩过程、点火燃烧过程、膨胀过程、排气过程。

每一个冲程的曲轴旋转角度都等于180°,且每一个冲程都存在真实的曲轴旋转角度。其中,进气冲程和排气冲程曲轴旋转角度都大于一个行程曲轴旋转角度180°;压缩冲程和膨胀冲程曲轴旋转角度都小于一个行程曲轴旋转角度180°。对概念的准确解读,可以更好掌握原理,便于确定诊断参数。

发动机产生故障时,故障表现的现象往往多种多样、错综复杂。一个现象可能有多个原因,一个原因可能产生多个现象。即有结果必有原因,有原因必有结果,但原因和结果并非是一一对应的关系。如果不是一一列应关系,按因果分析查找故障就是一件相当复杂的事情了。

发动机每一个冲程的工作原理是客观的、确定的,即如果发动机进气冲程正常、压缩冲程正常、做功冲程正常、排气冲程正常,则发动机工作一定正常。也就是说,如果进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程的诊断参数都正常,则发动机工作一定正常。然而,诊断参数是可知的和确定的,而且,诊断参数也是可以通过检查方法、测量方法或试验方法证明是否正确的。这就得出了结论:只要找到每个冲程的诊断参数,并证明参数是否正确,就可以确定每个冲程是否正常了。这种诊断方法就是科学的诊断技术和方法,适合机械系统、液压系统、电气系统、电控系统的诊断。

分析发动机每一个冲程的工作原理和诊断方法需要考虑:配气正时机构和曲柄连杆机构是如何保证的,工作过程及状态的描述(压力、容积、温度),主要参数和决定因素以及每一个冲程诊断方法和工具。

下面对发动机每个冲程的工作原理及诊断方法进行一一解读。

1.发动机进气冲程

(1)工作原理

①配气正时机构保证:进气门正时打开(早开占用排气行程,晚关占用压缩行程),排气门正时关闭(晚关占用进气行程)。在上止点前后,产生进气和排气重叠现象。

②曲柄连杆机构保证:活塞由上止点前往下止点后运动,进气冲程曲轴转角大于进气行程曲轴转角。

③工作过程及状态:汽缸客积增大,压力降低,产生一定真空度。可燃混合汽吸入汽缸,最终缸内压力低于大气压。

④参数:衡量进气过程完善程度的是充气系数,其数值越大越好(自然吸气发动机永远小于1)。

⑤决定因素:配气正时、气门行程、气门密封性(注:活塞环的密封性影响不大)。

结论:发动机进气量(空气量)只与配气正时、气门行程、气门密封性有关,与曲柄连杆机构无关。进排气重叠角不正常,产生回火或放炮可能。

(2)诊断方法

①诊断依据:如集气门正时、气门行程、气门密封正常,则进气冲程一定正常。如果进气(量)正常,则进气冲程一定正常。

②诊断参数:气门正时、气门行程、气门密封或进气量是故障指针。

③故障原因和部位:影响气门正时、气门行程和气门密封的决定因素,也就是内因。在正时传动机构中,例如正时点不齐、正时涨紧器失调,正时链条或皮带松。配气机构中,例如凸轮轴凸轮磨损、气门间隙过大或过小、液压挺柱失效、机油压力过高或过低、气门口下沉。

④诊断思路:确定进气冲程正常,必须证明气门正时、气门行程、气门密封。确定进气量(舍空燃比)正常,必须测量进气歧管真空度或试验改变空燃比,观察发动机转速上升还是下降,或读取数据流(真空度、进气量、节气门开度、转速)参数关系。

2.发动机压缩冲程

(1)工作原理

①配气正时机构保证:进气门、排气门均关闭。

②曲柄连杆机构保证:活塞由下止点后往上止点前运动,压缩冲程曲轴转角小于压缩行程曲轴转角。

③工作过程及状态:汽缸容积减小,混合汽被压缩,压力升高,产生一定压力,汽缸压力数值略大于压缩比数值。

④参数:结构参数是压缩比。压缩比越高,最终压力温度越高,膨胀越好,动力性、经济性越好。但高压缩比会产生不正常燃烧(爆燃和表面点火),采用高号汽油可以解决爆燃。

⑤决定因素:汽缸的密封性(气门、环、汽缸垫)。由于机油具有密封性,环产生一定的自密性,一般对启动会产生影响。

结论:确定气门、活塞环和汽缸垫密封性就可以证明压缩冲程是否正常,但与配气正时机构和曲柄连杆机构无关。

(2)诊断方法

①诊断依据:如果汽缸密封性正常,则压缩冲程一定正常;如果汽缸压力值正常,视为压缩冲程正常。

②诊断参数:活塞环、汽缸垫、气门密封或汽缸压力是故障指针。

③诊断规则:由于气门密封既影响进气量叉影响压缩密封,茌诊断上视为影响进气量。

④故障原因和部位:活塞环密封(气环磨损、积炭、卡死、断裂,汽缸磨损划伤)和汽缸垫密封(汽缸与汽缸串气,汽缸与水套互串)。

⑤诊断思路:确定压缩冲程是否正常,必须证明汽缸密封或汽缸压力。确定汽缸密封性,需使用压缩空气检查漏气;确定汽缸压力,需采用测量动态压力和静态压力方法,或读取数据流等其他证明方法。

3.发动机傲功冲程

(1)工作原理

①配气正时机构保证:进气门、排气门均关闭。

②曲柄连杆机构保证:活塞由上止点前往下止点前运动,做功冲程曲轴转角小于做功行程曲轴转角。

③工工作过程及状态:包括两个过程,点火燃烧过程和膨胀过程。点火燃烧过程(把燃烧后期即压力下降期视为膨胀过程),汽缸客积基本不变,等容燃烧。当活塞位置接近上止点后10。时,压力快速达到最大值。膨胀过程,等压燃烧,汽缸客积逐渐增大,压力也逐渐下降,最终大于排气压力。

④参数:点火提前角和空燃比。

⑤决定因素:点火提前角、空燃比、点火能量(火花塞)、燃油雾化、燃油油号和品质。

结论:做功冲程取决于点火能量和提前角、燃油供给系统和电控系统、燃油牌号和品质。

(2)诊断方法

①诊断依据:如果点火正时、火花塞点火能量、空燃比、喷浊嘴品质、燃油品质牌号正常,则做功冲程正常。

②诊断参数:点火提前角、点火能量、空燃比、喷油嘴品质、燃油品质是故障指针。

③故障原因和部位:点火提前角(空气供给系统信号、反馈信号)、点火能量(点火系统)、空燃比(电控系统、燃油供给系统)、喷油嘴(雾化、量化、一致性)、燃油(油号、油品)。

④诊断思路:无分电器的视为静态点火正时,有分电器的初始位置正确视为静态点火正时(需要初始化)。动态点火正时与空气供给系统信号、反馈信号有关,动态点火正时诊断不考虑。火花塞试火(跳火距离、声音大小、火花颜色)、校验喷油嘴(怠速不平顺、加速无力、最高车速降低同时产生),确定空燃比,证明燃油供给系统是否正常。

4.发动机排气冲程

(1)工作原理

①配气正时机构保证:排气门正时打开(早开占用做功行程,晚关占用进气行程),进气门正时关闭(早开占用排气行程)。

②曲柄连杆机构保证:活塞由下止点前往上止点后运动,排气冲程曲轴转角大于排气行程曲轴转角。

③工作过程及状态:容积逐渐减小,压力下降,最终压力大于排气管压力。

④参数:残余废气系数,残余废气越多,新鲜空气越少。

⑥决定因素:排气管的背压压力(三元僵化器、消声器堵塞)。

(2)诊断方法

如果排气管的背压压力正常,或三元催化器、消声器不堵塞,则排气冲程正常;如果配气不正时,必然排气不充分,排气不充分,必然引起进气不充分,则视为进气不正常。

以上的讲解都是笔者通过学习专业知识和实际经验的总结,它只是非常有效的诊断方法之一。

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