浅墨微澜 / 机械 / 2006年6月26日

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2006年6月26日

2010-01-31  浅墨微澜
内燃机结构
 

一.分类


  内燃机的分类方法很多,按照不同的分类方法可以把内燃机分成不同的类型,下面让我们来看看内燃机是怎样分类的。
  (1) 按照所用燃料分类


  内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机(图1-1)。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机;使用柴油机为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点;汽油机转速高,质量小,噪音小,起动容易,制造成本低;柴油机压缩比大,热效率高,经济性能和排放性能都比汽油机好。
  (2) 按照行程分类


  内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机和二行程内燃机(图1-2 )。把曲轴转两圈(720°),活塞在气缸内上下往复运动四个行程,完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机;而把曲轴转一圈(360°),活塞在气缸内上下往复运动两个行程,完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。6) 按照进气系统是否采用增压方式分类


  内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气(非增压)式发动机和强制进气(增压式)发动机(图1-6)。汽油机常采用自然吸气式;柴油机为了提高功率有采用增压式的。
  

二.基本构造


  发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机,还是柴油机;无论是四行程发动机,还是二行程发动机;无论是单缸发动机,还是多缸发动机。要完成能量转换,实现工作循环,保证长时间连续正常工作,都必须具备以下一些机构和系统。
  (1) 曲柄连杆机构(图1-7)


  曲柄连杆机构是发动机实现工作循环,完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中,活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动,通过连杆转换成曲轴的旋转运动,并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中,飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。2) 配气机构(图1-8)


  配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程,定时开启和关闭进气门和排气门,使可燃混合气或空气进入气缸,并使废气从气缸内排出,实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构,一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。
  (3) 燃料供给系统(图1-9)


  汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求,配制出一定数量和浓度的混合气,供入气缸,并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去;柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸,在燃烧室内形成混合气并燃烧,最后将燃烧后的废气排出。
  (4) 润滑系统(图1-10)


  润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油,以实现液体摩擦,减小摩擦阻力,减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。(5) 冷却系统(图1-11)


  冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。
  (7) 点火系统(图1-12)


  在汽油机中,气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的,为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞,火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系,点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。
  (8) 起动系统(图1-13)


  要使发动机由静止状态过渡到工作状态,必须先用外力转动发动机的曲轴,使活塞作往复运动,气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功,推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转,工作循环才能自动进行。因此,曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程,称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置,称为发动机的起动系。
  汽油机由以上两大机构和五大系统组成,即由曲柄连杆机构,配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成;柴油机由以上两大机构和四大系统组成,即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成,柴油机是压燃的,不需要点火系。

发动机是一种能量转换机构,它将燃料燃烧产生的热能转变成机械能。那么,它是怎样完成这个能量转换过程呢?也就是说它是怎样把热能转换成机械能的呢?要完成这个能量转换必须经过进气,把可燃混合气(或新鲜空气)引入气缸;然后将进入气缸的可燃混合气(或新鲜空气)压缩,压缩接近终点时点燃可燃混合气(或将柴油高压喷入气缸内形成可燃混合气并引燃);可燃混合气着火燃烧,膨胀推动活塞下行实现对外作功;最后排出燃烧后的废气。即进气、压缩、作功、排气四个过程。把这四个过程叫做发动机的一个工作循环,工作循环不断地重复,就实现了能量转换,使发动机能够连续运转。把完成一个工作循环,曲轴转两圈(720°),活塞上下往复运动四次,称为四行程发动机。而把完成一个工作循环,曲轴转一圈(360°),活塞上下往复运动两次,称为二行程发动机。下面介绍一下四行程发动机的工作原理和工作过程。

1. 四行程汽油机的工作原理

四行程汽油机(图1-21)的运转是按进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程的顺序不断循环反复的。
图1-21

  

(1) 进气行程 (图1-22)

由于曲轴的旋转,活塞从上止点向下止点运动,这时排气门关闭,进气门打开。进气过程开始时,活塞位于上止点,气缸内残存有上一循环未排净的废气,因此,气缸内的压力稍高于大气压力。随着活塞下移,气缸内容积增大,压力减小,当压力低于大气压时,在气缸内产生真空吸力,空气经空气滤清器并与化油器供给的汽油混合成可燃混合气,通过进气门被吸入气缸,直至活塞向下运动到下止点。在进气过程中,受空气滤清器、化油器、进气管道、进气门等阻力影响,进气终了时,气缸内气体压力略低于大气压,约为0.075~0.09MPa,同时受到残余废气和高温机件加热的影响,温度达到370~400K。实际汽油机的进气门是在活塞到达上止点之前打开,并且延迟到下止点之后关闭,以便吸入更多的可燃混合气。
图1-22

(2) 压缩行程(图1-23)



曲轴继续旋转,活塞从下止点向上止点运动,这时进气门和排气门都关闭,气缸内成为封闭容积,可燃混合气受到压缩,压力和温度不断升高,当活塞到达上止点时压缩行程结束。此时气体的压力和温度主要随压缩比的大小而定,可燃混合气压力可达0.6~1.2MPa,温度可达600~700K。压缩比越大,压缩终了时气缸内的压力和温度越高,则燃烧速度越快,发动机功率也越大。但压缩比太高,容易引起爆燃。所谓爆燃就是由于气体压力和温度过高,可燃混合气在没有点燃的情况下自行燃烧,且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播,造成尖锐的敲缸声。会使发动机过热,功率下降,汽油消耗量增加以及机件损坏。轻微爆燃是允许的,但强烈爆燃对发动机是很有害的,汽油机的压缩比一般为ε=6~10。
图1-23

  

(3) 作功行程(图1-24)

作功行程包括燃烧过程和膨胀过程,在这一行程中,进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点(即点火提前角)位置时,火花塞产生电火花点燃可燃混合气,可燃混合气燃烧后放出大量的热使气缸内气体温度和压力急剧升高,最高压力可达3~5MPa,最高温度可达2200~2800K,高温高压气体膨胀,推动活塞从上止点向下止点运动,通过连杆使曲轴旋转并输出机械功,除了用于维持发动机本身继续运转外,其余用于对外作功。随着活塞向下运动,气缸内容积增加,气体压力和温度降低,当活塞运动到下止点时,作功行程结束,气体压力降低到0.3~0.5MPa,气体温度降低到1300~1600K。
图1-24

  

(4) 排气行程(图1-25)

可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。当作功接近终了时,排气门开启,进气门仍然关闭,靠废气的压力先进行自由排气,活塞到达下止点再向上止点运动时,继续把废气强制排出到大气中去,活塞越过上止点后,排气门关闭,排气行程结束。实际汽油机的排气行程也是排气门提前打开,延迟关闭,以便排出更多的废气。由于燃烧室容积的存在,不可能将废气全部排出气缸。受排气阻力的影响,排气终止时,气体压力仍高于大气压力,约为0.105~0.115MPa,温度约为900~1200K。曲轴继续旋转,活塞从上止点向下止点运动,又开始了下一个新的循环过程。可见四行程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环,这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程,相应地曲轴旋转了两圈。
图1-25

  

2. 四行程柴油机的工作原理

四行程柴油机(图1-26)和四行程汽油机的工作过程相同,每一个工作循环同样包括进气、压缩、作功和排气四个行程,但由于柴油机使用的燃料是柴油,柴油与汽油有较大的差别,柴油粘度大,不易蒸发,自燃温度低,故可燃混合气的形成,着火方式,燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机不同,下面主要分析一下柴油机和汽油机在工作过程中的不同点。
图1-26

  

四行程柴油机在进气行程中所不同的是柴油机吸入气缸的是纯空气而不是可燃混合气,在进气通道中没有化油器,进气阻力小,进气终了时气体压力略高于汽油机而气体温度略低于汽油机。进气终了时气体压力约为0.0785~0.0932MPa,气体温度约为300~370K。 压缩行程压缩的也是纯空气,在压缩行程接近上止点时,喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室,柴油和空气在气缸内形成可燃混合气并着火燃烧。柴油机的压缩比比汽油机的压缩比大很多(一般为16~22),压缩终了时气体温度和压力都比汽油机高,大大超过了柴油机的自燃温度。压缩终了时,气体压力约为3.5~4.5MPa,气体温度约为750~1000K,柴油机是压缩后自燃着火的,不需要点火,故柴油机又称为压燃机。 柴油喷入气缸后,在很短的时间内与空气混合后便立即着火燃烧,柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的,而不象汽油机那样,混合气主要是在气缸外部的化油器中形成的。柴油机燃烧过程中气缸内出现的最高压力要比汽油机高得多,可高达6~9MPa,最高温度也可高达2000~2500K。作功终了时,气体压力约为0.2~0.4MPa,气体温度约为1200~1500K。 柴油机的排气行程和汽油机一样,废气同样经排气管排入到大气中去,排气终了时,气缸内气体压力约为0.105~0.125MPa,气体温度约为800~1000K。 柴油机与汽油机比较,柴油机的压缩比高,热效率高,燃油消耗率低,同时柴油价格较低,因此,柴油机的燃料经济性能好,而且柴油机的排气污染少,排放性能较好。但它的主要缺点是转速低,质量大,噪声大,振动大,制造和维修费用高。在其发展过程中,柴油机不断发扬其优点,克服缺点,提高速度,有望得到更广泛地应用。 3. 二行程汽油机的工作原理 二行程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成,但它是在曲轴旋转一圈(360°),活塞上下往复运动的两个行程内完成的。因此,二行程发动机与四行程发动机工作原理不同,结构也不一样。 例如曲轴箱换气式二行程汽油机,气缸上有三排孔,利用这三排孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、换气和排气的。工作原理如下:图1-27a 表示活塞向上运动,将三排孔都关闭,活塞上部开始压缩,当活塞继续上行时,活塞下方打开了进气孔,可燃混合气进入曲轴箱(图1-27 b),活塞接近上止点时(图1-27c),火花塞点燃混合气,气体燃烧膨胀,推动活塞向下运动,进气孔关闭,曲轴箱内的混合气受到压缩,当活塞接近下止点时,排气孔打开,排出废气,活塞再向下运动,换气孔打开,受到压缩的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内,并扫除废气(图1-27d)。

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