第二章内燃机的工作原理

第二章内燃机的工作原理这一章我们将系统的讲解各种类型的内燃机的工作原理以及必须的一些基础知识！第一节柴油机的基本结构和主要名词一．柴油机的主要机件和系统1．固定机件：机座、机体、主轴承、气缸盖、气缸套等。2．运动机件：曲轴、连杆、活塞、活塞销、连杆螺栓等。3．配气机构：凸轮轴、顶杆、摇臂、气阀机构（进气阀、排气阀、器阀弹簧）等。4．燃油系统：喷油泵、高压油管、喷油器等5．辅助机件：进气管和排气管等此外，对于整机而言，还有润滑、冷却、启动和控制等系统。二．内燃机的主要名词为了研究内燃机的工作原理，必须了解内燃机的几个主要名词1．上止点：活塞距曲轴中心最远的位置。2．下止点：活塞距曲轴中心最近的位置。3．活塞冲程（S）：上、下止点间的距离。4．压缩室容积（Vc）：活塞位于上止点时，活塞顶部与缸盖间的容积，又称燃烧室容积。5．气缸工作容积（Vh）：活塞上、下止点之间的容积称为一个汽缸的工作容积，它可以用气缸直径D(cm)由下式表示：Vh=[(π*D*D)/4]*S*0.001式中S--活塞冲程（cm）。6．气缸的最大容积（Va）：活塞在下止点时，气缸的容积，即气缸工作容积与压缩容积的之和：Va=Vh+Vc7．气缸的总容积V，总排量：室内燃机所有汽缸工作容积的总和。即：V=Vh*i(L)式中i--气缸数。8．压缩比：气缸最大容积与压缩室容积的比直称为压缩比。第二节四冲程柴油机的工作原理这一节介绍单缸柴油机的工作原理。首先让我们看看下面的动画：［请点击动画中（四冲程柴油机示功图）观看］柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。现对照上面的动画了说明它的工作理原。一.进气冲程第一冲程——进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开。随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大：造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入气缸。进气过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化的情况如动画所示。图中纵坐标表示气体压力P，横坐标表示气缸容积Vh(或活塞的冲S)，这个图形称为示功图。图中的压力曲线表示柴油机工作时，气缸内气体压力的变化规律。从土中我们可以看出进气开始，由于存在残余废气，所以稍高于大气压力P0。在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力，所以进气冲程的气体压力低于大气压力，其值为0.085～0.095MPa，在整个进气过程中，气缸内气体压力大致保持不变。当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度，惯性很大，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行，但由于气流的惯性，气体仍能充人气缸。二.压缩冲程第二冲程——压缩。压缩时活塞从下止点间上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行，进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：Pc＝4～8MPa,Tc＝750～950K。柴油的自燃温度约为543—563K，压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。喷入气缸的柴油，并不是立即发火的，而且经过物理化学变化之后才发火，这段时间大约有0.001～0.005秒，称为发火延迟期。因此，要在曲柄转至上止点前10～35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸，并使曲柄在上止点后5～10°时，在燃烧室内达到最高燃烧压力，迫使活塞向下运动。三.燃烧膨胀冲程第三冲程——燃烧膨胀。在这个冲程开始时，大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量，因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动，并通过连秆使曲轴转动，对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。在动画中，工作冲程的压力变化这条线上升部分表示燃料在气缸内燃烧时压力的急剧升高，最高点表示最高燃烧压力Pz，此点的压力和温度为：Pz＝6～15MPa，Tz＝1800～2200K最高燃烧压力与压缩终点压力之比(Pz／Pc)，称为燃烧时的压力升高比，用λ表示。根据柴油机类型的不同，在最大功牢时λ值的范围如下：λ＝Pz／Pc＝1.2～2.5。四.排气冲程第四冲程——排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气作准备。当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，并把废气排出气缸外。由于排气系统存在着阻力，所以在排气冲程开始时，气缸内的气体压力加比大气压力高0.025—0.035MPa，其温度Tb＝1000～1200K。为了减少排气时活塞运动的阻力，排气阀在下止点前就打开了。排气阀一打开，具有一定压力的气体就立即冲出缸外，缸内压力迅速下降，这样当活塞向上运动时，气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净，排气阀在上止点以后才关闭。在动画中，排气冲程曲线表示在排气过程中，缸内的气体压力几乎是不变的，但比大气压力稍高一些。排气冲程终点的压力Pr约为0.105～0.115MPa,残余废气的温度Pr约为850～960K。由于进、排气阀都是早开晚关的；所以在排气冲程之末和进气冲程之初，活塞处于上止点附近时，有一段时间进、排气阀同时开起，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重迭角。排气冲程结束之后，又开始了进气冲程，于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的，故称四冲程柴油机。在四冲程柴油机的四个冲程中，只有第三冲程即工作冲强才产生动力对外作功，而其余三个冲程都是消耗功的准备过程。为此在单缸柴油机上必须安装飞轮，利用飞轮的转动惯性，使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转。第三节四冲程汽油机工作原理汽油机和柴油机的工作原理基本怕同，也是在有活塞上、下往复各两次的四个行程中，完成由进气、压引、燃烧膨胀和排气四个冲程所组成的一个工作循环。但是，由于汽油机所用的燃料是汽曲，其粘度小，容易蒸发，所以可燃混合气的形成以及点火方式都和柴油机不同，气缸气缸中的燃烧过程以及气体温度、压力的变化也和柴油机不同。首先让我们看看下面的动画：一．进气冲程.在进气冲程中，活塞从上止点向下正点移动，空气由空气滤清器经过进气管道上的化油器将汽油吸出并雾化成细小的油粒与空气混合，即形成可燃混合气，而后进入气缸。由于进气系统对气流有阻力，所以进气冲程终了时，气缸内的可燃混合气的压力Pa比柴油机低，约为0.075～0.09MPa,温度Ta约为370～400K。气缸内压力的变化，如图2—6中的曲线f心所示。图中P0为大气压力，和柴油机一样，由于进气开始时，气缸内残留着上—个工作循环未排净的废气，r点的压力Ar也略高于大气压力P0。二.压缩冲程在进气冲程终了以后，进、排气阀关闭，活塞从下止点向上止点移动，可燃混合气被压缩，气体的压力和温度也随着不断升高，使那些未汽化好的汽袖进一步蒸发，并且和空气混合得更好。压缩比对汽油机的功率和经济性影响很大，因为压缩比愈大，压缩终了时可燃混合气的压刀和温度也愈高，这可使火花塞点燃混合气后燃烧速度加快，作用在活塞上的气体压力亦增高，发动机的功率和经济性也提高。但压缩比过大时，可能引起可燃混合气过早燃烧和产生爆震，爆震使汽油机零件受到冲击负荷，破坏轴承油膜，加速机件磨损。因此汽油机的压缩比不能过大，一般为５～8.５，个别可达9.5～10。由此可见，汽油机的压缩比比柴油机低的多。压缩终点的气体压力和温度也比柴油机低，一般Pc=0.8～1.4MPa，Tc＝600～700K。由于混台气燃烧需要一定时间，为了提高热量利用率，汽油机需在上止点前10～30°CA(曲轴转角)提前点火。点火过早或过迟都会使汽油机功率降低。三.燃烧膨胀冲程可燃混合气由火花塞点火后，立即放出大量的热，使气缸内气体的温度和压力急剧升高，最高温度Tz可达2200～2700K，最高燃烧压力Pz可达3～5MPa。高压气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点移动，并通过连杆使曲轴旋转而作功。由图可见，点火后，压力突然上升，曲线变化比柴油机更陡一些。在膨胀冲程终点b，压力Pb降低到0.4～0.5MPa，温度Tb降到1200～1500K。四.排气冲程汽油机的排气冲程与柴油机的排气冲程基本相同。在排气冲程中，气体温度和压力进一步降低，[如动画中曲线所示]。排气终点的压力Pr约为0.105～0.115MPa，残余废气的温度Tr约为850～950K。可以看出示功图的形状和四冲程柴油机的示功图形状相似。不过由于可燃混合气形成的方法不同，压缩比较小，所以进气线、压缩钱、膨胀线和排气线的变化情况不一样，各特征点的温度和压力值也不同。五、四冲程柴油视与汽油机的比较四冲程柴油机和汽油机比较，具有下列优点：(1)柴油机的压缩比较高，气体膨胀较充分，热量利用程度较好，燃油消耗率比汽油机少30一40％左右。同时，柴油的价格比汽油便宜。因此，柴油机的使用经济性较好。(2)柴油的密度比汽油大，相同容积的油箱可贮存较多重量的柴油。(3)柴油比汽油容易储存和保管，不易发生火灾。特别是在舰艇上采用柴油机以减少作战中的火灾危险性。(4)柴油机排气污染少。(5)有利于改成多种燃料工作的多燃料内燃机，而使用柴油、汽油、煤油等工作。在作战条件下，可以就便用油。(6)有利于采用增压方法提高功率、降低燃油消耗率。柴油机的缺点是：(1)柴油机燃烧时气体压力较高，为了保证受力零件的强度与刚度，机件比较笨重，同时，由于可燃混合气形成方法与汽油机不同，限制了转速的提高。因而，在功率相同的情况下，柴油机的尺寸和重量比汽油机大。(2)由于柴油不易蒸发，柴油机低温起动性不如汽油机好。(3)柴油机工作过程粗暴，噪音较大。(4)柴油机每千瓦的金属用量较多，重要零件还要采用较好的材料，制造成本较高。目前，船舶、内燃机车、重型汽车、拖拉机等从经济性方面考虑，绝大多数采用柴油机。第四节二冲程柴油机的工作原理在四冲程柴油机中，活塞走四个冲程才完成一个工作循环，其中两个冲程(进气和排气)，活塞的功用相当于一个空气泵。在二冲程柴油机中，曲轴每转一转，即活塞每两个冲程就完成一个工作循环，而进气和排气过程是利用压缩及工作过程的一部分来完成的，所以二冲程柴油机的活塞没有空气泵的作用，为了排除燃烧后的废气，并把新鲜空气充满气缸，必须在柴油机上安装专用的扫气泵(增压器)。下面的动画是气阀式直流换气的二冲程柴油机的工作原理图。这种发动机的构造主要有以下特点：(1)进气孔2布置在气缸下部，其高度约为活塞行程的10～20％左右。进气孔的打开和关闭，由气缸内运动的活塞来控制；(2)排气阀布置在气缸盖上，由凸轮轴驱动，保证在曲轴转一转时，气阀打开一次；(3)扫气泵3，由发动机通过传动齿轮传动，它将吸人的空气压缩至pk=0.123～0.13MPa，送入气缸周围的贮气室1中，用于清除气缸内的废气和充填新鲜空气。二冲程发动机的工作原理如下：第一冲程——活塞从下止点向上止点运动。当活塞处于下止点时，排气阀和进气孔早已打开，贮气室l中的压缩空气便进入气缸内，并冲向排气阀，这动产生清除废气的作用，同时也使气缸内充满新空气。当活塞由下止点向上止点运动时，进气孔首先由活塞关闭，然后排气阀也关闭；空气在气缸内受到压缩。第二冲程——活塞从上止点向下止点运动。活塞行至上止点前，喷油器将燃油喷入燃烧室中，压缩空气所产生的高温，立刻点燃雾化的燃油，燃烧所产生的压力，推动活塞下行，直到排气阀再打开时为止。燃烧后的废气在内外压力差的作用下，自行从排气阀排出。当进气