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四冲程柴油机

发布日期:2016-10-25浏览量:1112 次

简介
发动机是汽车的动力源。汽车发动机大多是热能动力装置,简称热力机。热力机是借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。
  发动机为汽车提供动力。发动机还广泛应用于交通运输机械、农业机械、工程机械和发电机组等各个方面。发动机种类繁多,其中四冲程发动机是最常见的一种.分类
  四冲程发动机属于往复活塞式内燃机,根据所用燃料种类的不同,分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机三类。以汽油或柴油为燃料的活塞式内燃机分别称作汽油机或柴油机。使用天然气、液化石油气和其他气体燃料的活塞式内燃机称作气体燃料发动机。汽油和柴油都是石油制品,是汽车发动机的传统燃料。非石油燃料称作代用燃料。燃用代用燃料的发动机称作代用燃料发动机,如乙醇发动机、氢气发动机、甲醇发动机等。
  基本术语
  (1)工作循环(cycle)--由进气(intake)、压缩(compression)、做功(p四冲程发动机ower)和排气(exhaust)等四个工作过程组成的封闭过程。
  (2)上、下止点--活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点(TopDeadCenter,TDC);活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点(BottomDeadCenter,BDC)。活塞从一个止点运动至另一个止点的过程称为冲程(stroke)。
  (3)活塞行程(pistonstroke)--上、下止点间的距离S称为活塞行程。曲轴的回转半径R称为曲柄半径。显然,曲轴每回转1周,活塞移动2个活塞行程。对于汽缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机,有S=2R。
  (4)汽缸工作容积--上、下止点间所包容的汽缸容积称为汽缸工作容积(sweptvolume),
  (5)发动机排量--发动机所有汽缸工作容积的总和称为发动机排量(enginedisplacement),
  (6)燃烧室容积--活塞位于上止点时,活塞顶面以上汽缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室,其容积称为燃烧室容积(clearancevolume),也叫压缩容积,
  (7)汽缸总容积--汽缸工作容积与燃烧室容积之和称为汽缸总容积,
  (8)压缩比--汽缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比(compressionratio),压缩比的大小表示活塞由下止点运动到上止点时,汽缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大,压缩终了时汽缸内的气体压力和温度就越高。轿车用汽油机的压缩比一般为8~11。
  (9)工况--内燃机在某一时刻的运行状况简称工况,以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机转速(speed)。
  (10)负荷率内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率,以百分数表示。负荷率通常简称负荷(load)。
  历史发展
  发动机是汽车的动力源。汽车发动机大多是热能动力装置,简称热力机。热力机是借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。
  往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油(diesel)。由于汽油和柴油具有不同的性质,因而在发动机的工作原理和结构上有差异。
  往复活塞式四冲程汽油机是德国人奥托(NicolausA.Otto)在大气压力式发动机基础上,于1876年发明并投入使用的。由于采用了进气、压缩、做功和排气四个冲程,发四冲程发动机动机的热效率从大气压力式发动机的11%提高到14%,而发动机的质量却降低了70%。
  1892年德国工程师狄塞尔(RudolfDiesel)发明了压燃式发动机(即柴油机),实现了内燃机历史上的第二次重大突破。由于采用高压缩比和膨胀比,热效率比当时其他发动机又提高了1倍。1956年,德国人汪克尔(F.ankel)发明了转子式发动机,使发动机转速有较大幅度的提高。1964年,德国NSU公司首次将转子式发动机安装在轿车上。
  1926年,瑞士人布希(A.Buchi)提出了废气涡轮增压理论,利用发动机排出的废气能量来驱动压气机,给发动机增压。50年代后,废气涡轮增压技术开始在车用内燃机上逐渐得到应用,使发动机性能有很大提高,成为内燃机发展史上的第三次重大突破。
  1967年德国博世(Bosch)公司首次推出由电子计算机控制的汽油喷射系统(ElectronicFuelInjection,EFI),开创了电控技术在汽车发动机上应用的历史。经过30年的发展,以电子计算机为核心的发动机管理系统(EngineManagementSystem,EMS)已逐渐成为汽车、特别是轿车发动机上的标准配置。由于电控技术的应用,发动机的污染物排放、噪声和燃油消耗大幅度地降低,改善了动力性能,成为内燃机发展史上第四次重大突破。
  按发动机在一个工作循环期间活塞往复运动的行程数,分为四冲程和二冲程发动机。在一个工作循环中活塞往复四个行程的内燃机称作四冲程往复活塞式内燃机,而活塞往复两个行程完成一个工作循环的则称作二冲程往复活塞式内燃机。
  四冲程汽油机工作原理
  汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气,在进气行程被吸入汽缸,混合气经压缩点火燃烧而产生热能,高温高压的气体作用于活塞顶部,推动活塞作往复直线运动,通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程内完成一个工作循环。
  进气行程(intakestroke)
  活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时进气门开启,排气门关闭,曲轴转动180°。在活塞移动过程中,汽缸容积逐渐增大,汽缸内气体压力从pr逐渐降低到pa,汽缸内形成一定的真空度,空气和汽油的混合气通过进气门被吸入汽缸,并在汽缸内进一步混合形成可燃混合气。由于进气系统存在阻力,进气终点(图中a点)汽缸内气体压力小于大气压力0p,即pa=(0.80~0.90)0p。进入汽缸内的可燃混合气的温度,由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的四冲程发动机加热以及与残余废气的混合而升高到340~400K。
  压缩行程(compressionstroke)
  压缩行程时,进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动,曲轴转动180°。活塞上移时,工作容积逐渐缩小,缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高,到达压缩终点时,其压力pc可达800~2000kPa,温度达600~750K。在示功图上,压缩行程为曲线a~c。
  做功行程(powerstroke)
  当活塞接近上止点时,由火花塞点燃可燃混合气,混合气燃烧释放出大量的热能,使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。燃烧最高压力pZ达3000~6000kPa,温度TZ达2200~2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动,并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移,汽缸容积增加,气体压力和温度逐渐下降,到达b点时,其压力降至300~500kPa,温度降至1200~1500K。在做功行程,进气门、排气门均关闭,曲轴转动180°。在示功图上,做功行程为曲线c-Z-b。
  排气行程(exhauststroke)
  排气行程时,排气门开启,进气门仍然关闭,活塞从下止点向上止点运动,曲轴转动180°。排气门开启时,燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出,另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。由于排气系统的阻力作用,排气终点r点的压力稍高于大气压力,即pr=(1.05~1.20)p0。排气终点温度Tr=900~1100K。活塞运动到上止点时,燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出,这部分废气叫残余废气。
  四冲程柴油机工作原理
  四冲程柴油机和汽油机一样,每个工作循环也是由进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程组成。由于柴油机以柴油作燃料,与汽油相比,柴油自燃温度低、黏度大不易蒸发,因而柴油机采用压缩终点自燃着火,其工作过程及系统结构与汽油机有所不同.
  进气行程
  进入汽缸的工质是纯空气。由于柴油机进气系统阻力较小,进气终点压力pa=(0.85~0.95)p0,比汽油机高。进气终点温度Ta=300~340K,比汽油机低。
  压缩行程
  由于压缩的工质是纯空气,因此柴油机的压缩比比汽油机高(一般为ε=16~22)。压缩终点的压力为3000~5000kPa,压缩终点的温度为750~1000K,大大超过柴油的自燃温度(约520K)。
  做功行程
  当压缩行程接近终了时,在高压油泵作用下,将柴油以10MPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中,在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升,最高达5000~9000kPa,最高温度达1800~2000K。由于柴油机是靠压缩自行着火燃烧,故称柴油机为压燃式发动机。
  排气行程
  柴油机的排气与汽油机基本相同,只是排气温度比汽油机低。一般Tr=700~900K。对于单缸发动机来说,其转速不均匀,发动机工作不平稳,振动大。这是因为四个行程中只有一个行程是做功的,其他三个行程是消耗动力为做功做准备的行程。为了解决这个问题,飞轮必须具有足够大的转动惯量,这样又会导致整个发动机质量和尺寸增加。采用多缸发动机可以弥补上述不足。现代汽车用多采用四缸、六缸和八缸发动机。
  基本结构
  如图,所示为单缸发动机的基本结构,它由汽缸10、活塞8、连杆7、曲轴3、汽缸盖11、机体、凸轮轴16、进气门25、排气门15、气门弹簧、曲轴齿形带轮等组成。往复活塞式内燃机的工作腔称作汽缸,汽缸内表面为圆柱形。在汽缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接,连杆的另一端则与曲轴相连,构成曲柄连杆机构。活塞在汽缸内作往复运动时,连杆推动曲轴旋转,或者相反。同时,汽缸的容积在不断的由小变大,再由大变小,如此循环不已。汽缸的顶端用汽缸盖封闭。汽缸盖上装有进气门和排气门。通过进、排气门的开闭实现向汽缸内充气和向汽缸外排气。进、排气门的开闭由凸轮轴驱动。凸轮轴由曲轴通过齿形带或齿轮驱动。构成汽缸的零件称作汽缸体,曲轴在曲轴箱内转动。
  发动机1—油底壳2—机油3—曲轴4—曲轴同步带轮5—同步带6—曲轴箱7—连杆8—活塞9—水套10—汽缸11—汽缸盖
  12—排气管13—凸轮轴同步带轮14—摇臂15—排气门16—凸轮轴17—高压线18—分电器19—空气滤清器
  20—化油器21—进气管22—点火开关23—点火线圈24—火花塞25—进气门26—蓄电池27—飞轮28—启动机
分类
四冲程发动机属于往复活塞式内燃机,根据所用燃料种类的不同,分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机三类。以汽油或柴油为燃料的活塞式内燃机分别称作汽油机或柴油机。使用天然气、液化石油气和其他气体燃料的活塞式内燃机称作气体燃料发动机。汽油和柴油都是石油制品,是汽车发动机的传统燃料。非石油燃料称作代用燃料。燃用代用燃料的发动机称作代用燃料发动机,如乙醇发动机、氢气发动机、甲醇发动机等。
基本术语
(1)工作循环(cycle)--由进气(intake)、压缩(compression)、做功(p四冲程发动机ower)和排气(exhaust)等四个工作过程组成的封闭过程。
  (2)上、下止点--活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点(TopDeadCenter,TDC);活塞顶离曲轴回转中心最近处为下止点(BottomDeadCenter,BDC)。活塞从一个止点运动至另一个止点的过程称为冲程(stroke)。
  (3)活塞行程(pistonstroke)--上、下止点间的距离S称为活塞行程。曲轴的回转半径R称为曲柄半径。显然,曲轴每回转1周,活塞移动2个活塞行程。对于汽缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机,有S=2R。
  (4)汽缸工作容积--上、下止点间所包容的汽缸容积称为汽缸工作容积(sweptvolume),
  (5)发动机排量--发动机所有汽缸工作容积的总和称为发动机排量(enginedisplacement),
  (6)燃烧室容积--活塞位于上止点时,活塞顶面以上汽缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室,其容积称为燃烧室容积(clearancevolume),也叫压缩容积,
  (7)汽缸总容积--汽缸工作容积与燃烧室容积之和称为汽缸总容积,
  (8)压缩比--汽缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比(compressionratio),压缩比的大小表示活塞由下止点运动到上止点时,汽缸内的气体被压缩的程度。压缩比越大,压缩终了时汽缸内的气体压力和温度就越高。轿车用汽油机的压缩比一般为8~11。
  (9)工况--内燃机在某一时刻的运行状况简称工况,以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机转速(speed)。
  (10)负荷率内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率,以百分数表示。负荷率通常简称负荷(load)。