燃气发动机与其他发动机一样,完成一个工作循环都要经过进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀做功过程和排气过程。天然气发动机中,先将压缩天然气通过减压阀减压,再通过混合器实现低压天然气和空气的混合,混合气进入气缸,在压缩过程快结束时用电火花将混合物点燃。
活塞2置于气缸中1中,通过连杆3与曲轴4相连。当活塞在气缸内上下往复运动时,通过连杆以曲轴半径R绕曲轴中心作旋转运动;反之曲轴旋转时,则可使活塞在汽缸中作往复直线运动。活塞顶离曲轴中心最远处,通常是活塞最高位置,称为上止点。活塞顶离曲轴中心最近处,通常指活塞最低位置,称为下止点。上下止点间的距离S是活塞行程。
活塞从下止点与上止点所扫过的汽缸容积称为汽缸工作容积或气缸排量,多缸发动机各气缸工作容积的总和,称为发动机工作容积或发动机排量。
当气缸在上止点时,活塞顶上方的容积被称为燃烧室容积(气缸余隙容积)。当活塞在下止点时,活塞顶上方的容积,称为气缸总容积。压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比,称为压缩比,即气缸总容积与燃烧室容积之比。从热力学观点,压缩比越大,循环的热效率越高。压缩比越高,压缩终了时缸内的气体压力和温度越高,混合气燃烧速度也越快。同时膨胀做功也充分,发动机功率越大,经济性越好。但压缩比增加到一定程度,因摩擦损失加大循环热效率趋于平缓。
柴油机靠压缩自燃,为创造柴油自然的有利条件,压缩比比较高,一般为16~22。压缩比高是柴油机具有较高燃油经济性的主要原因之一。
点燃式发动机靠外源点火。点火后的正常燃烧是由火源附近开始的火焰逐层向外传播至整个燃烧室。当压缩比高时,缸内气体压力和温度高,在燃烧室内离火花塞较远的那部分混合气有足够时间完成燃烧前的准备工作,火焰尚未传到就自行着火燃烧。新的火焰以极高的速度向外传播,甚至在气体来不及膨胀的情况下,温度、压力急剧升高,形成压力波,以音速向前推进。这种压力波撞击燃烧室壁,发出尖锐的敲缸声,这就是点燃式发动机常见的一种不正常燃烧—爆燃。
压缩比高的点燃式发动机还会引起另外一种不正常燃烧现象—表面点火。它是由于燃烧室内的灼热点或灼热表面将混合气体点燃的燃烧现象。表面点火发生在正常点火前,又称为灼热点火或早燃。表面点火时,也拌有强烈的敲击声,产生的高压会使发动机机械负荷增加,寿命和可靠性均受到影响。压缩天然气发动机,由于辛烷值高,适宜的压缩比是10~12,极限压缩比可达15,这是天然气发动机既适宜点燃式发动机又适宜压缩式发动机的重要原因。如双燃料汽车是使用预先形成的天然气与空气的混合物作为主要原料,并且双燃料发动机经常在非常稀的空燃比下工作。同时燃烧过程既迅速又广泛,减少了未燃燃料暴露在高温高压中的时间,从而减少爆燃趋势。这是柴油机可以成功改装成双燃料发动机而不必降低压缩比的重要原因。提高压缩比也是恢复燃气汽车发动机动力性,提高热效率最有效的一种手段,在优化压缩比时,应检测动力性、经济性、排放及缸内燃烧等参数均能接受的前提下来确定最佳压缩比。
内燃机是热变功的机器,热能的来源是燃料的燃烧。实现热变功由以下过程:首先要向气缸供给足够的空气或混合物,叫进气过程;将进入气缸的混合气进行压缩,提高压力和温度,叫压缩过程;用外界火源点燃被压缩的可燃混合气,燃烧后气体压力、温度升高,推动活塞运行,叫燃烧膨胀(做功过程);燃烧后的废气排出气缸,叫排气过程。这几个过程周而复始,使发动机连续运转。
完成进气、压缩、燃烧、膨胀、排气,即完成一个工作循环。若完成一个工作循环是在活塞上下一次(曲轴转一圈)时间内完成的,叫二冲程发动机。若是在活塞上下二次的时间内(曲轴转两圈)完成的,叫四冲程发动机。