【汽车科普】汽车构造与原理 3.2 发动机-运转系统

汇总

目录

1.燃油供给系统

Fuel Supply System

1.1 多点喷射和单点喷射

单点喷射 SPI

  • 只在 进气管入口 处装配一个喷油器，由这一个喷油器向进气管处喷射燃油
  • 然后再由 进气歧管 把混合气 分散 各个气缸中
  • 单点喷射图示：

多点喷射 MPI

  • 每个气缸的 进气歧管 上都单独装配一个喷油器，每个喷油器 只向一个气缸 喷射燃油
  • 随着多点喷射系统制造成本的下降，现在轿车上已很少采用单点喷射了
  • 多点喷射图示：

1.2 双喷发动机

缸内直喷和缸外喷射

  • 分类依据
    • 不同的发动机将燃油与空气 混合 的地方不同，或者说 燃油喷射 的位置不一样
  • 缸外喷射：
    • 将燃油喷射到 进气道 中，与进气混合后 再进入气缸 内。
  • 缸内直喷：
    • 直接将燃油喷射入 气缸中
    • 所有的柴油发动机和部分缸内直喷汽油机。
  • 现在采用缸内直喷发动机的车辆越来越多
    • 燃油缸内直喷对提高燃油经济性、提高动力输出都很有帮助
    • 燃油缸内直喷已成为发动机先进技术的代表之一。
  • 图示：

“双喷”发动机

  • 原理：
    • 配有两套燃油喷射装置：缸内燃油直喷系统，进气道喷油器。
    • 根据行驶状况，缸内喷射与缸外喷射之间可以进行切换或共同混合喷射，确保高效的动力输出和最佳的燃油经济性。
      • 发动机冷起动时：采用缸外喷射；
      • 低中负荷时：采用混合喷射，提升转矩，降低油耗；
      • 高负荷时：采用缸内直喷，提升功率。
    • 现在，丰田、奥迪和大众的多款发动机上，都采用“双喷”发动机。
  • 双喷”发动机喷射系统示意图：

1.3 发动机燃油喷射系统

喷油时刻和喷油量

  • 对喷油时刻和喷油量的精确控制：
    • 通过控制电磁线圈的电压实现
  • 缸内直喷发动机上最先进的喷油器采用压电式喷嘴
    • 它由无数个相互叠置的微型陶瓷碟片组成。
    • 压电效应：施加电压时，陶瓷碟片的晶体结构就会发生改变
  • 给电磁线圈施予电压：
    • 碟片将以最低限度强力扩张，快速而精确地作用于控制阀
    • 控制阀则会触发喷射针，从而喷射燃油；
  • 当电磁线圈断电后:
    • 磁力消失，在压力弹簧的作用下，喷油针阀回复原位，喷油结束

高压油轨

  • 缸内直喷发动机的高压油轨系统
  • “轨”：是一个储压器，其中燃油由油泵供给，可在最高200兆帕的压强下存储燃油。
  • 高压作用 + 喷嘴上直径0.1毫米的精细小孔设计：
    • 共轨系统的喷射器能够将燃油 雾化 为极为精细的微粒
    • 从而确保 出色、均匀 的油气混合及 高效 的燃烧
  • 奥迪缸内燃油直喷发动机喷油器

发动机燃油喷射系统

1.4 燃油供给路线

燃油是怎样供给到发动机的？

  • 燃油供给路线：
    • 燃油被燃油泵从燃油箱中抽出，经过燃油滤清器，进入燃油轨道
    • 燃油在发动机电脑（ECU）的控制下 喷射 到进气道（缸外喷射）或气缸内（缸内直喷），最终参与燃烧
  • 压力调节器：
    • 由于燃油喷射的压力较大，在喷入进气歧管时可能造成 进气歧管内压力不平衡，从而 影响燃烧效率。
    • 压力调节器：当进气歧管内 压力差较大 时，压力调节器打开阀门，允许一部分燃油 流回燃油箱 中。

燃油供给路线示意图

1.5 汽油的存储

炭罐

  • 炭罐的必要性：
    • 潜在的危险：油箱内的燃油很容易挥发并增加油箱内部的压力，当压力到达一定值时就会产生危险。
    • 炭罐的位置： 燃油箱和发动机之间 设置一个充满活性炭的炭罐
    • 炭罐的作用：让油箱中 多余的燃油蒸气 通过 蒸气导管引入炭罐 中，由活性炭来 吸附 燃油蒸气。
  • 当汽车开动时，炭罐中吸附的燃油加入发动机燃烧的方式：
    • 电磁阀打开，新鲜空气进入炭罐，将炭罐中的燃油“吹”向进气歧管
    • 以达到节约燃油和环保的目的。

燃油箱的布置

  • 轿车的燃油箱：
    • 燃油加注后暂时储存在燃油箱中
    • 轿车的燃油箱容积多为50～80升
  • 轿车用的燃油箱的材料：大多是 高分子高密度聚乙烯塑料
    • 强度高，密封性好，
    • 容易制成符合布置空间的异形，从而可充分利用空间
    • 重量轻，耐腐蚀，抗冲击性好
    • 在燃烧时也不易爆炸等
  • 随着材料技术的进步，塑料燃油箱的优点越来越多，金属燃油箱在轿车上的应用越来越少
  • 燃油箱在车内：呈 近似对称 的方式布置的，以保持车身左右的 平衡。
    • 注：燃油加注口在车身一侧

汽油存储示意图

  • 炭罐和燃油箱
  • 奥迪A8轿车燃油箱构造图

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2.点火起动系统

Ignition Starting System

2.1 火花塞

汽油发动机上使用火花塞的原因

  • 产生燃烧的三个条件：燃料、氧气和温度。
  • 汽油发动机中：汽油和空气的混合气被压缩不足以达到混合气的燃点
  • 因此必须借助外来高温将混合气点燃

火花塞助燃原理

  • 和雷电产生的原理近似
  • 火花塞使高压导线送来的脉冲高压电放电，击穿两电极间的空气而产生高达上万伏电压的电火花，在瞬间点燃气缸中已被压缩升温的混合气

柴油发动机上没有火花塞

  • 先将气缸内的空气强力压缩，直到空气温度升高到柴油的燃点
  • 然后向气缸内喷射柴油，便可瞬间点燃柴油。

2.2 发动机启动过程

电力传输路线

  • 启动：车钥匙插进点火开关并扭动到起动档，或按下起动按钮，
  • 起动机：电路接通，蓄电池的大量电流便流入起动机和电磁离合器的线圈，起动机开始运转，
  • 曲轴转动：电磁离合器推动小齿轮和飞轮上的齿圈接合，把起动机旋转的转矩扩大传送给曲轴，带动曲轴旋转，
  • 活塞：曲轴再带动活塞上下移动。

信号传输路线

  • 在扭动点火开关的同时，发动机电脑（ECU）即得到电信号启动。
  • 它首先检验和确认钥匙中的密码是否合法，
  • 然后再指挥燃油供给系统向气缸内喷射燃油、指挥点火系统按顺序将高压电通向火花塞，
  • 点燃气缸内被压缩到燃烧室的可燃混合气，从而产生爆炸力，
  • 推动活塞下行，再推动曲轴继续旋转

发电机部分

  • 发动机转动带动附在发动机旁的发电机运转而产生电力，
  • 发电机供给点火系统及车上的电器用电，如音响、车灯等。

停止

  • 当操纵点火开关的手松开时，起动机电路被切断，这时起动机也停止运转。
  • 发动机起动后，起动机小齿轮和飞轮齿圈也会自动分开。

汽油发动机起动系统示意图

汽车起动和点火流程示意图

2.3 起动机的工作原理

  • 起动机的顶部：
    • 有一个电磁离合器
  • 当点火开关到起动档时：
    • 接通通往电磁离合器的电路。
  • 电磁离合器：
    • 通电后，推动小齿轮与飞轮接合，从而驱动发动机的飞轮旋转，最终起动发动机。
  • 当通往电磁离合器的电路断开：
    • 复位弹簧的作用下，小齿轮从发动机飞轮退出，终止起动。
  • 图示：

2.4 接线法与汽车起动防盗

“接线法”盗车

  • 将起动机与蓄电池之间的电路接通
  • 起动机带动发动机的活塞运转，
  • 同时带动分电器工作，控制每个气缸的点火和喷油
  • 使发动机正常起动。

进化后的车辆起动防盗系统

  • 现在的发动机：
    • 取消了分电器
    • 不再用机械方式控制气缸的点火和喷油，而是由发动机电脑（ECU）控制。
    • 起动机的电源线接通：只能使起动机转动，并不能使点火和喷油系统正常工作。
  • 当车钥匙插入并扭转时，汽车上的防盗系统会识别车钥匙内密码芯片的信息
    • 确认合法后：起动燃油喷射和点火系统。
    • 否则：将拒绝喷油和点火，使车辆无法起动

2.5 蓄电池和发电机

蓄电池

  • 通常汽车上的蓄电池为铅蓄电池：
    • 它用填满海绵状铅的铅板作负极，用填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28%的稀硫酸作电解质。
    • 充电时，电能转化为化学能；放电时，化学能转化为电能。
  • 12V的蓄电池组：
    • 一个铅蓄电池的电压是2伏
    • 汽车上用的是6个铅蓄电池串联成12伏的电池组。

蓄电池与发电机的联动

  • 蓄电池的作用：

    • 把发电机产生的电能储存起来，在需要的时候供电。
    • 蓄电池不产生电能
    • 产生电能的部件：由发动机驱动的发电机。

  • 发电机与蓄电池并联使用：

    • 当发电机的电压不足而汽车所需电量较大时：蓄电池与发电机共同向用电设备供电；
    • 当发电机电压正常且发电量充足时：发电机向蓄电池充电，蓄电池储存发电机发出的部分电量。

  • 汽车发电机构造图

2.6 飞轮的作用

飞轮的作用1：储存发动机的运动能量

  • 活塞在完成的四个行程中只有一次是做功的，而进气、压缩、排气三个行程中活塞都会遇到较大的阻力
  • 利用重量和直径都较大的飞轮先把动能储存起来，便可带动曲轴平稳运转。

飞轮的作用2：

  • 外周镶有齿环，与起动机直接相连，通过起动机带动飞轮旋转从而起动发动机；

飞轮的作用3：

  • 利用飞轮圆盘的大面积，与离合器相连，从而向传动系统传递动力

飞轮的大小：

  • 小的飞轮：
    • 气缸数越多，动力重叠便越多，因此不必储存太多动能，飞轮就可以小一点
  • 大的飞轮：
    • 飞轮越重，发动机越平稳
    • 但太重的飞轮也会使发动机加速或减速都慢
  • 大小飞轮与车型选择：
    • 载货车发动机的飞轮大而重，跑车发动机的飞轮则小而轻。

2.7 发动机制动

发动机制动的原理

  • 当驾驶人完全抬起加速踏板，但不踏下离合器踏板:
    • 车辆的惯性力就会带动车轮继续旋转，进而由驱动轮通过半轴、差速器齿轮、变速器齿轮、发动机飞轮等传动机构，带动发动机曲轴旋转。
    • 此时发动机的压缩行程会产生压缩阻力，加上发动机内摩擦力和进排气阻力等，就会对驱动轮形成制动作用。
    • 这种现象就称为发动机制动。
  • 发动机制动原理示意图：

发动机制动的应用

  • 档位与制动力：
    • 档位越低，发动机制动力就越大；
    • 反之，则越小。
  • 在下长坡道路行驶时：挂入低速档
    • 利用发动机制动，可以减少制动次数，防止制动器过热引起制动力热衰减；
  • 在冰雪、湿滑路面上行驶：
    • 应用发动机制动，可以防止侧滑。

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3.发动机整体构造

Engine Structure

3.1 发动机共有多少个部件

  • 根据构造复杂程度的不同，一台发动机不可拆解的零部件总数，大概为300～600个。
  • 据称，一辆法拉利跑车的发动机约有800个独立的零部件，而布加迪威航的W16发动机约有3500个零件。

3.2 某V8发动机的部件展示图

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4.发动机主运动部件

Engine Major Moving Parts

4.1 活塞的直线运动转变成曲轴的旋转运动

  • 与自行车的脚蹬子原理类似
  • 活塞相当于人的膝盖，连杆相当于人的小腿，曲轴相当于脚蹬子，当活塞上下运动时，便会带动曲轴做旋转运动

4.2 活塞是心脏中的心脏

活塞对材质和制作精度等要求非常高

  • 在发动机中，活塞的工作条件最严酷，是汽车心脏中的心脏
  • 活塞是装在气缸中做往复运动的部件，它将顶部所承受的爆炸压力传递给连杆，从而推动曲轴旋转。
  • 汽车的每一分力量都是通过活塞发出的。
  • 活塞要承受巨大的压力，和非常高的温度。
  • 在高速运转中，活塞的行进速度有时可达到20米/秒

活塞的设计特点

  • 活塞的顶部一般凹进去一点：为燃烧室留出空间。
  • 活塞设计成空心的：为了减轻活塞的重量
  • 活塞拆解结构图示：

4.3 1马力

  • 马力（horsepower）是由苏格兰科学家詹姆斯·瓦特首先提出的。
  • 马力：最早是指一匹货运马在一定时间内所做的功
  • 在正规场合或专业术语中，基本使用瓦特（W）或千瓦（kW）作为功率的标准单位，或同时用马力和千瓦来表示。
    • 1英制马力（hp）= 0.746千瓦（kW）
    • 1公制马力（ps）= 0.735千瓦（kW）

4.4 转矩

  • 发动机的动力：其实是源源不断的能量，其大小是转矩与转速的乘积。
    • 燃料在发动机内膨胀燃烧产生热能，
    • 热能使气体膨胀转变为气体的压缩势能
    • 压缩气体推动活塞做功，使势能转变为直线运动的动能。
    • 连杆活塞推动曲轴旋转，把直线运动的动能转变成旋转动能，
    • 发动机的转矩通过飞轮、离合器、变速器将动力传递下去。

4.5 曲轴和曲拐曲柄

曲轴在发动机中的位置示意：

曲轴的曲拐数目

  • 与发动机气缸数有直接关系。
  • 直列发动机：曲拐数目与气缸数相同；
  • V形发动机：曲拐数只是气缸数的一半，两个气缸共用一个曲拐。

曲轴上的曲柄长度

  • 对发动机性能有直接影响。
  • 曲柄越长：它的最大转矩输出相对也越大，但最大转速相对较低；
  • 曲柄越短：它的发动机最大转矩相对较小，但最高转速相对较高。
  • 另外，气缸的行程等于曲柄长度的2倍。

曲轴是中心轴

  • 发动机产生的动力经由活塞、连杆到曲轴，将动力传递到传动系统，使车轮转动。
  • 曲轴的旋转也会带动水泵、机油泵、发电机和凸轮轴带轮等。
  • 可以说，曲轴是发动机动力的中转轴，是中心轴。
  • 由于它是弯弯曲曲的轴，故称为曲轴

平衡重的作用

  • 曲轴：
    • 既要承受很大的力，又要高速旋转，
    • 强度必须非常高，刚性也要好，因此一般都比较粗壮，运动起来振动也较大。
  • 曲轴上的平衡重块：
    • 为了减小曲轴运转中的振动，以保证发动机运转平稳

平衡轴的作用

  • 活塞的二次振动：
    • 当活塞运行到上止点和下止点时，连杆是倾斜的，会产生一个横向力，从而使曲轴在运转时产生振动。
    • 由于活塞完成一次往复运动要产生两次振动，因此又把这种振动称为二次振动。
  • 平衡轴：
    • 在曲轴两侧设置两根平衡轴，
    • 使平衡轴的转速是曲轴的2倍，以平衡二次振动。
    • 平衡轴有链传动和齿轮传动形式，它们的转速都是曲轴的2倍。

曲轴构造图示

  • 发动机曲轴构造图：
  • 链传动的双平衡轴曲轴构造图

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5.冷却系统

Coolant System

5.1 发动机不能过热或过冷

发动机内部温度有多高？

  • 发动机内部的燃烧温度：1000℃到2500℃。
  • 燃油燃烧产生的总热量有1/3被吹散到大气中，被白白浪费掉。

为什么发动机不能过热或过冷？

  • 发动机温度过高：
    • 活塞和气门在高温下就可能发生膨胀变形，导致发动机损坏；
  • 发动机冷却不良：
    • 发动机动力输出会下降，甚至引起爆燃等不正常的燃烧现象。
  • 发动机过冷：
    • 会使汽油雾化效果变差，燃烧效率降低，燃烧不完全，进而降低动力输出，增加油耗

5.2 发动机的冷却方式

发动机都有哪些冷却方式？

  • 发动机冷却系统有水冷和风冷两种。

风冷

  • 风冷的冷却方式：
    • 在气缸体周围设计散热片，
    • 利用自然风或风扇来吹散发动机的热气，达到降低发动机温度的目的。
  • 风冷发动机的特点：
    • 气缸体内部不需要设计水套，因此结构紧凑。
    • 风冷冷却效果相对较差，仅适用于摩托车和小排量发动机。

水冷

  • 水冷是指利用冷却液来降低发动机的温度。
  • 水冷式发动机的冷却方式：
    • 通过水泵使环绕在气缸周围冷却液套中的冷却液加速流动，
    • 并把冷却液套中的冷却液引入散热器，
    • 再利用行驶时吹进的自然风和风扇吹风，使冷却液在散热器中冷却，
    • 然后再将冷却的冷却液引入冷却液套，进行周而复始的循环冷却。
  • 现在，绝大多数发动机都采用水冷式。

发动机的冷却系统

5.3 散热器的构造和原理

  • 散热器：
    • 散热器由水管和散热片组成。
    • 水管：细小扁平，呈回曲线状
    • 散热片：
      • 在水管间隙夹装很薄但层层折叠的散热片
      • 作用：增加水管的散热面积。
    • 散热流程：
      • 当自然风吹过散热片时，便会将从水管散发出的热量带走，
      • 从而起到降温冷却的作用。
  • 散热器和风扇构造图
  • 汽车发动机冷却系统示意图

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6.润滑系统

Lubrication System

6.1 发动机润滑系统

发动机润滑系统

  • 发动机润滑系统的主要作用，是向发动机各运动部件提供机油，以减少摩擦。
  • 同时，机油还能起到清洁、冷却、防锈、缓冲和密封等作用
  • 发动机润滑系统示意图


机油能起润滑作用

  • 机油分散在摩擦面上，在摩擦面之间形成隔离层，并可以四处自由流动，
  • 这样就可以避免接触面上微小凹凸颗粒之间的摩擦，从而使部件之间的相对运动更加顺畅。

机油在发动机中怎样流动？

  • 发动机不工作时：
    • 机油主要储存在油底壳。
  • 发动机运转时：
    • 机油从油底壳经机油集滤器被机油泵抽送到机油滤清器中，
    • 经机油滤清器过滤后再进入主油道，
    • 然后再通过各分油道进入润滑部位进行润滑。
    • 润滑后的机油，在重力作用下再流回到油底壳，参与再循环

机油滤清器

  • 机油是循环使用的
  • 为了不断清除润滑系统中的杂质，如金属屑、机油中的胶质等，
  • 在机油循环系统中必须装备机油滤清器，
  • 并且要定期更换，以保证它拥有较佳的过滤性能。
  • 发动机润滑循环系统图示

6.2 湿式油底壳和干式油底壳

油底壳

  • 油底壳是指发动机最下部储存机油的部件。
  • 发动机停止运转后，所有的机油都流回油底壳。
  • 当发动机起动后，机油泵从油底壳抽出机油到各个需要润滑的部件。

湿式油底壳

  • 湿式：
    • 发动机的曲轴曲拐和连杆大头在曲轴每旋转一周时都会浸入油底壳的机油内一次，从而起到润滑作用，
    • 同时曲拐每次高速浸入油液内都会激起一定的油花和油雾，还可以对曲轴和轴瓦进行润滑。
  • 马路上看到的汽车，大多采用湿式油底壳。
  • 局限性：
    • 当汽车高速过弯或者在极限越野中车身倾斜很大时会有问题
    • 离心力或者重力会造成机油聚集于油底壳的一个局部，导致部分曲拐不能浸入油液，从而影响润滑。
    • 不适合追求运动性能和越野性能的车型

干式油底壳

  • 针对湿式弱项改进的干式：
    • 发动机底部的油底壳，改成一个独立安装的机油箱，
    • 利用机油泵的压力强制将机油送到各个润滑点，
    • 并将润滑后的机油回送到机油箱。
  • 优势：
    • 不受重力和离心力的影响，这就是干式油底壳

6.3 水平对置发动机的润滑系统更复杂

  • 水平对置发动机的难点：
    • 水平对置发动机的气缸都呈横卧形状，而且是对向排列，
    • 因此，要将机油抽送到气缸各处参与润滑，其难度比直列或V形发动机要大得多。
    • 参与润滑后的机油无法在重力作用下流回油底壳，必须通过机油泵才能回送到机油箱。
  • 保时捷水平对置6缸发动机润滑系统示意图:
    • 使用了5个机油泵，才确保发动机润滑系统正常运行。

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7.柴油发动机

Diesel Engine

7.1 柴油发动机

汽车的两种燃料

  • 马路上的汽车主要使用两种燃料：汽油和柴油。
  • 汽油的发动机：在轿车等乘用车
  • 柴油发动机：大货车、大客车和工程车等需要大力量而不需要跑太快的汽车

柴油发动机：压燃式内燃机

柴油发动机利用气体被压缩后温度会上升的原理，用活塞压缩进入气缸的空气；当空气温度上升到柴油燃点温度时，用喷油器将柴油喷成雾状射入气缸；柴油一旦与灼热的空气相遇，即发生燃烧；燃烧所产生的高温高压燃气在气缸内膨胀，从而推动活塞做功。柴油是在高温高压之下“自燃”的，不是被点燃的，所以柴油发动机不需要点火系统。

柴油发动机的特性和应用

  • 汽油发动机：
    • 转速更快，但力量相对较小；
  • 柴油发动机：
    • 更有劲儿，但转速不是太高，
    • 柴油发动机更适合对车速要求不高但对力量要求更高的车型。
  • 随着技术的发展，一些柴油发动机被应用在轿车上，甚至作为跑车的动力系统。
    • 尤其在欧洲，柴油发动机在轿车上的应用非常普遍

柴油发动机构造图

7.2 柴油发动机的工作行程

1.进气行程

  • 进气门打开，排气门关闭，空气从进气门被吸入气缸，然后进气门关闭。

2.压缩行程

  • 活塞上升并压缩吸入的空气，使空气温度升高。
  • 喷油器将燃油喷入气缸，并混入热空气中

3.做功行程

  • 柴油与空气的混合气越来越热，以至于温度升高到可以自燃。
  • 混合气燃烧爆炸的力量将活塞向下推动，并通过连杆推动曲轴旋转。

4.排气行程

  • 排气门打开。
  • 旋转的曲轴推动活塞向上运动，活塞将燃烧后的废气从排气门推出气缸。

柴油发动机工作行程示意图

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8.转子发动机

Rotary Engine

8.1 转子发动机

往复式发动机

  • 汽车大多采用往复式发动机，因为它的活塞是直线往复运动的。
  • 不论是汽油发动机还是柴油发动机，都是如此。

转子发动机

  • 与往复式活塞发动机相对的，就是转子发动机，
  • 其活塞在气缸内做旋转运动。

转子发动机的历史

  • 德国工程师菲利克斯·汪克尔在20世纪50年代设计的三角形活塞式转子发动机。
  • 因此，转子发动机也被称为汪克尔发动机。

转子发动机特性

  • 主要部件结构简单，体积小，功率大，
  • 高速时：运转平稳，性能较好，
  • 但，试验证明，这种机型无法与传统往复活塞式发动机相媲美，
    • 其边缘磨损严重，油耗较高。

8.2 转子发动机的构造和原理

转子发动机的构造

  • 活塞呈扁平三角形，
  • 气缸是一个扁盒子，
  • 活塞偏心地置于空腔中。

转子发动机的行程

  • 当活塞在气缸内做行星运动时：
    • 工作室的容积随活塞转动而发生周期性的变化，
    • 从而完成进气、压缩、做功、排气四个工作行程。
  • 活塞每转一次，完成一次四行程工作循环。
  • 四行程工作循环：
    • 与往复式发动机的四行程工作循环在原理上是一样的，
    • 只不过活塞的形状和运行轨迹不一样。

转子发动机工作行程示意图

转子发动机构造图示

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END

posted @ 2023-11-22 10:29  anliux  阅读(633)  评论(0)  编辑  收藏  举报