第二章往复式活塞内燃机的定义与分类

易读文库第二章往复式活塞内燃机的定义与分类2.1定义活塞机器是将能量从流体（气体或液体）转移到运动的（displacer）活塞或者从活塞转移到流体的机器。它们因而算是流体能量类机器，如从动机器，吸收机械能转换为被转移流体的能量。在主动机器中，正相反，机械能在活塞或者曲柄机构上以有用功的形式释放。工作体积随活塞运动周期性变化，是活塞式发动机的工作特性。往复活塞式发动机与旋转活塞式发动机的一个区别就是活塞运动的本质不同。在往复活塞式发动机，活塞呈圆柱形，往返于气缸内的两个极限位置——“止点（deadcenter）”。术语“活塞（piston）”也常以非圆柱形式存在。在旋转活塞式发动机中，旋转的活塞负责改变工作容积。燃烧式发动机是燃烧空气和燃油的可燃混合物，将其中的化学能转化为机械能的机器。最广为人知的燃烧式发动机是内燃机和汽轮机。图表2-1是对此的概述内燃机是活塞式发动机。往复活塞发动机与旋转活塞发动机区别在于密封结构，工作容积的改变形式和活塞运动的形式。旋转活塞发动机又可以细分为旋转发动机（rotaryengine，一个内转子，一个外转子绕固定轴纯粹的旋转）和行星旋转发动机（planetaryrotaryengine，一个内转子，圆周运动的轴）。图表2-2显示了不同的工作原理。只有汪克尔发动机（Wankelengine）—一种行星活塞发动机，实现了突破。图表2-1工作过程类型开式过程闭式过程内燃外燃燃烧气体=工质燃烧气体≠工质工质的状态变化不变变化燃烧类型周期性燃烧连续燃烧发火形式自燃外缘点火机器类型发动机柴油机混合动力汽油机Rohs发动机stirling发动机蒸汽机轮机——————燃气（gas）过热蒸汽superheatedsteam蒸汽混合形式复杂多种混合heterogeneous均质混合（复杂多种混合）复杂多种混合heterogeneous（在燃烧室内）连续火焰图2-1易读文库依据工作过程区分内燃机与外燃机也是必要的。对于内燃机，工质同时也是燃烧所需的氧气的来源。燃料燃烧产生废气，必须在每个工作循环前换气。燃烧因而是周期性的，汽油机、柴油机和混合发动机（hybridengine）的区别就在于燃烧过程。对于外燃机（如斯特林发动机Stirlingengine），工作室外连续燃烧产生的热量转到工作室内的工质。这许可闭式循环工作过程（closed-circuitworkingprocess），可以使用任何燃料。只有往复活塞内燃机，循环燃烧(cyclicalcombustionisexaminedfromthispointon.)2.2分类方法potentialsforclassification由于复杂的相互关系，往复活塞式发动机的分类方法多种多样。往复活塞式发动机可以按照燃烧过程、燃料、工作的循环、混合物生成系统、换气控制系统、充量系统（chargingsystem）、构造分类。进一步的特征差异表现在——点火系统、冷却系统、负荷调节系统、用途、速度和输出graduation。然而，许多特征差异现在只有历史意义。2.2.1燃烧过程在众多燃烧过程中，最初差异只是在奥托循环和狄赛尔之间。混合发动机展现出了奥托循环和狄赛尔循环两者的特性。汽油机在外缘同步点火的作用下，燃烧压缩后的燃油和空气的混合物。柴油机，则相反，空气充量压缩后被加热到燃料起燃温度，之后液态燃料被喷入燃烧室燃烧。混合发动机以充量分层发动机和多燃料发动机Inthecaseofhybridengines,onedifferentiatesbetweenenginesfeaturingchargestratificationan2.2.2燃料气态的、业态的还有固态的燃料都在燃烧发动机中燃烧气态燃料：甲烷，丙烷，丁烷，天然气、发生炉瓦斯（generator）、高炉气（blastfurnace，主要成分CO）、生物气（污泥和填埋废弃物产生，主要是甲烷）和氢气。液体燃料清液态燃料：汽油、煤油、苯、醇类（甲醇、乙醇）、丙酮、乙醚、液化气（液化石油气、液化天然气）。重液态燃料：石油、柴油、脂肪酸甲酯（fatty-acidmethylesters-FAME）和源于欧洲的菜籽甲酯（rape-seed56methylesters-RME）、生物柴油、植物油、重油（heavyfueloils）和船用燃油（marinefueloil--MFO）混合燃油：柴油+菜籽甲酯，柴油+水，还有汽油+酒精固体燃料：煤粉（Pulverizedcoal）易读文库2.2.3工作循环工作循环的差别在于四冲程和二冲程。两者都有的是第一阶段（冲程）充量（空气或燃油蒸汽与空气的混合物）压缩，活塞下行之前点火。还有，燃烧使缸内压力提高，至到峰值；工作气在随后的冲程膨胀，对活塞做功。这是两者共有的。四冲程过程需要多两个冲程，以除去燃烧室内燃烧废气，填充新鲜充量。2.2.4混合物形成燃机可以混合物生成方式区分。外部生成混合物：燃油空气混合物在进气管内形成内部生成混合物：混合物在工作室内形成根据混合物生成质量分类：均质混合物生成：汽油机化油器和进气歧管喷射，或者汽油机进气行程直喷非均质混合生成：柴油机在极短的时间喷射和缸内直喷汽油机（GDI）根据混合物生成位置分类：直接喷入工作室，如直喷柴油机和GDI发动机。喷射可以是air-directed,jet-directed,orwall-directed非直喷入附属燃烧室，如预燃室（antechamber）、预燃室（swirl-chamber）和（air-chamber）柴油机进气歧管喷射(汽油机)2.2.5换气控制gasexchangecontrol气门、气道和滑动气门正时系统用于换气控制。顶置和侧置（overheadandside-actuated）发动机的区别在于气门正时机构不同。顶置执行机构的发动机有顶置气门，例如随着活塞到上止点，气门向同样的方向运动实现关闭；侧置气门执行机构发动机，有垂直气门，在活塞向下止点运动时，气门向同样的方向运动，实现关闭。现代四冲程发动机只用顶置气门（OHV）布置。二冲程发动机主要采用气孔正时系统（port-timingsystem）。2.2.6增压普通吸气发动，新鲜充量（空气或者混合气）通过活塞运动被吸入气缸（自然吸气）。机械增压通过预压缩，提高了充量的量。机械增压的最初目的是提高功率和扭矩输出，降低燃油消耗和废气排放。图2-3列出可能的机械增压形式。最广为应用的并且有效的机械增压是使用压气机的自动机械增压。机械增压：压气机直接由发动机带动废气涡轮增压：涡轮（废气涡轮）驱动压气机。无压气机，利用进气和排气系统的气体动力学来提升充量的方法也有使用。2.2.7结构布置configuration在120多年的内燃机历史上，出现了众多的气缸布置形式，但是只有少数标准布置经受住了时间的考验。车用发动机气缸数从单缸到12缸；航空发动机高达28缸，或者甚至高达48缸。56缸的高性能发动机也曾被制造。易读文库目前的重要布置形式直列发动机V型机——每个曲柄销对应两个连杆。常见V型夹角有45度,60度,90度和180度。VR发动机夹角15度，每个连杆都有单独的曲柄销W型发动机（三排气缸，一根曲轴）——在每个case，每个曲柄销对应三个连杆。有两排VR气缸组成的V型发动机被称之为V-VR发动机，也被称为W型发动机。易读文库水平对置发动机（boxer或flat-opposed）发动机——与180度夹角的V型机不同，每个连杆对应一个曲柄销。曲柄连杆机构已经证明其在发动机设计上的价值。Trunk活塞发动机与十字头发动机是其变形。Slidercrank机构和凸轮发动机在以后章节会讲，还有无曲轴发动机(curved-plate,curved-track,andswash-plateengines)。单或双作用发动机（Single-anddouble-actingengines）根据其作用方式区分，取决于燃气只在活塞的一侧还是两侧作用。双活塞发动机（double-pistonengine）的燃烧室由两个活塞组成，活塞要么对置（对置活塞发动机opposed-pistonengine），要么并置concurrent（U-pistonengine）。易读文库2.2.8点火点燃或自燃2.2.9冷却发动机可以冷却保护零部件和润滑油，分为直接冷却和间接冷却。直接冷却利用空气完成，配备风扇，也可以不配。间接冷却时，发动机由水/防冻剂/防锈剂corrosioninhibitors的混合物冷却，或者用油（液体冷却）。经过热交换器将发动机的热量散到环境中。2.2.10负荷调整loadadjustment发动机输出P所以可以通过改变n和M（负荷）到达需要的功率。量控制和充量控制——定空气过量系数λ，控制流入气缸的混合物的量质控制——对于柴油机和GDI汽油机的某些工作段，燃油按需计量，喷射量是变化的，而进气流量几乎是固定的（可变空气过量系数λ）2.2.11应用陆地车辆/船舶/飞机/农用机械和车辆/商用和工业应用/固定发动机易读文库2.1.12速度和输出等级graduation发动机功率从模型发动机0.1kW到50000kW的大型商用。发动机转速也取决于输出功率和大小。低速机，例如船用柴油机60-200rpm中速机，中速柴油机转速范围200-1000rpm；中速汽油机最高转速小于4000rpm高速机，例如摩托车（柴油机最高转速大于4000rpm；汽油机转速大于4000rpm）跑车和赛车发动机的转速高达22000rpm。