汽车发动机的工作原理与诊断

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来源：《汽车维修与保养》 2015年第6期

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。