內燃機

內燃機

內燃機,是一種動力機械,它是通過使燃料在機器內部燃燒,並將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機。

廣義上的內燃機不僅包括往復活塞式內燃機、旋轉活塞式發動機和自由活塞式發動機,也包括旋轉葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發動機等,但通常所說的內燃機是指活塞式內燃機。

活塞式內燃機以往復活塞式最為普遍。活塞式內燃機將燃料和空氣混合,在其汽缸內燃燒,釋放出的熱能使汽缸內產生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功,再通過曲柄連桿機構或其他機構將機械功輸出,驅動從動機械工作。

常見的有柴油機和汽油機,通過將內能轉化為機械能,是通過做功改變內能。

  • 中文名稱
    內燃機
  • 特點
    體積小、質量小、便于移動
  • 類型
    動力機械
  • 能量轉化
    內能轉化為機械能

基本簡介

中文名稱內燃機
外文名稱internal combustion engine

內燃機(Internal combustion engine)是將液體或氣體燃料與空氣混合後,直接輸入汽缸內部的高壓燃燒室燃燒爆發產生動力。這也是將熱能轉化為機械能的一種熱機。內燃機具有體積小、質量小、便于移動、熱效率高、起動性能好的特點。但是內燃機一般使用石油燃料,同時排出的廢氣中含有害氣體的成分較高。

內燃機

內燃機,是一種動力機械,它是通過使燃料在機器內部燃燒,並將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機。

廣義上的內燃機不僅包括往復活塞式內燃機、旋轉活塞式發動機和自由活塞式發動機,也包括旋轉葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發動機等,但通常所說的內燃機是指活塞式內燃機。

活塞式內燃機以往復活塞式最為普遍。活塞式內燃機將燃料和空氣混合,在其汽缸內燃燒,釋放出的熱能使汽缸內產生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功,再通過曲柄連桿機構或其他機構將機械功輸出,驅動從動機械工作。

常見的有柴油機和汽油機,通過將內能轉化為機械能,是通過做功改變內能。

發展歷史

活塞式內燃機起源于荷蘭物理學家惠更斯用火葯爆炸獲取動力的研究,但因火葯燃燒難以控製而未獲成功。1794年,英國人斯特裏特提出從燃料的燃燒中獲取動力,並且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年,英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設計。

19世紀中期,科學家完善了通過燃燒煤氣,汽油和柴油等產生的熱轉化機械動力的理論。這為內燃機的發明奠定了基礎。活塞式內燃機自19世紀60年代問世以來,經過不斷改進和發展,已是比較完善的機械。它熱效率高、功率和轉速範圍寬、配套方便、機動性好,所以獲得了廣泛的套用。全世界各種類型的汽車、耕耘機農業機械工程機械、小型移動電站和戰車等都以內燃機為動力。海上商船、內河船舶和常規艦艇,以及某些小型飛機也都由內燃機來推進。世界上內燃機的保有量在動力機械中居首位,它在人類活動中佔有非常重要的地位。 

之後人們又提出過各種各樣的內燃機方案,但在十九世紀中葉以前均未付諸實用。直到1860年,法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結構,設計製造出第一台實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內燃機。勒努瓦首先在內燃機中採用了彈力活塞環。這台煤氣機的熱效率為4%左右。

英國的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點火之前進行壓縮,隨後又有人著文論述對可燃混合氣進行壓縮的重要作用,並且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內燃機的效率。1862年,法國科學家羅沙對內燃機熱力過程進行理論分析之後,提出提高內燃機效率的要求,這就是最早的四沖程工作迴圈。

1876年,德國發明家奧托(Otto)運用羅沙的原理,創製成功第一台往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)的四沖程內燃機,仍以煤氣為燃料,採用火焰點火,轉速為156.7轉/分,壓縮比為2.66,熱效率達到14%,運轉平穩。在當時,無論是功率還是熱效率,它都是最高的。

奧托內燃機獲得推廣,性能也在提高。1880年單機功率達到11~15千瓦(15~20馬力),到1893年又提高到150千瓦。由于壓縮比的提高,熱效率也隨之增高,1886年熱效率為15.5%,1897年已高達20~26%。1881年,英國工程師克拉克研製成功第一台二沖程的煤氣機,並在巴黎博覽會上展出。

隨著石油的開發,比煤氣易于運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的註意,首先獲得試用的是易于揮發的汽油。1883年,德國的戴姆勒(Daimler)創製成功第一台立式汽油機,它的特點是輕型和高速。當時其他內燃機的轉速不超過200轉/分,它卻一躍而達到800轉/分,特別適應交通動輸機械的要求。1885~1886年,汽油機作為汽車動力運行成功,大大推動了汽車的發展。同時,汽車的發展又促進了汽油機的改進和提高。不久汽油機又用作了小船的動力。

1892年,德國工程師狄塞爾(Diesel)受面粉廠粉塵爆炸的啓發,構想將吸入氣缸的空氣高度壓縮,使其溫度超過燃料的自燃溫度,再用高壓空氣將燃料吹入氣缸,使之著火燃燒。他首創的壓縮點火式內燃機(柴油機)于1897年研製成功,為內燃機的發展開拓了新途徑。

狄塞爾開始力圖使內燃機實現卡諾迴圈,以求獲得最高的熱效率,但實際上做到的是近似的等壓燃燒,其熱效率達26%。壓縮點火式內燃機的問世,引起了世界機械業的極大興趣,壓縮點火式內燃機也以發明者而命名為狄塞爾引擎。

這種內燃機以後大多用柴油為燃料,故又稱為柴油機。1898年,柴油機首先用于固定式發電機組,1903年用作商船動力,1904年裝于艦艇,1913年第一台以柴油機為動力的內燃機車製成,1920年左右開始用于汽車和農業機械。

早在往復活塞式內燃機誕生以前,人們就曾致力于創造旋轉活塞式的內燃機,但均未獲成功。直到1954年,聯邦德國工程師汪克爾(Wankel)解決了密封問題後,才于1957年研製出旋轉活塞式發動機,被稱為汪克爾發動機。它具有近似三角形的旋轉活塞,在特定型面的氣缸內作旋轉運動,按奧托迴圈工作。這種發動機功率高、體積小、振動小、運轉平穩、結構簡單、維修方便,但由于它燃料經濟性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想,所以還隻是在個別型號的轎車上得到採用。

2013年5月,內燃機行業銷量較4月小幅下降,整體降幅6.48%。據統計 ,5月全國共完成內燃機銷量283.63萬台,環比下降6.48%。功率完成16131.04萬千瓦,環比下降3.80%。行業市場表現整體穩中有降,按照不同分類情況觀察,除混合動力發動機、發電機組用發動機、通機外,其它均有不同程度下降。

分燃料類型來看,柴油機環比下降18.06%,降幅較大;汽油機環比下降1.95%,與上月情況基本持平;混合動力環比成長10.03%,表現較好;天然氣環比下降12.79%,降幅也較大。其中柴油機銷量71.69萬台,環比下降18.06%,銷售佔比為25.28%。汽油機仍是主力,銷量佔比達到73.39%,銷量208.15萬台,環比下降1.95%。混合動力銷量3.578萬台,環比成長10.03%;天然氣銷量2128台,環比下降12.79%。

分內燃機配套市場情況來看,與上月相比,除發電機組用內燃機有小幅成長外,其他均有不同程度下降,其中通機用、農業機械用、工程機械用及園林機械用降幅較大。5月,乘用車用內燃機銷量131.40萬台,環比下降3.84%;商用車用內燃機銷量34.46萬台,環比下降5.44%;工程機械用內燃機銷量5.91萬台,環比下降16.64%;農用機械用內燃機銷量48.82萬台,環比下降19.06%;船用內燃機銷量0.50萬台,環比下降5.35%;發電機組用內燃機銷量33.35萬台,環比成長15.88%;園林機械用內燃機銷量17.03萬台,環比下降10.90%;機車用內燃機銷量8.56萬台,環比下降1.40%;通機用內燃機銷量3.58萬台,環比下降36.69%。

分缸數來看,四缸機及單缸機仍為市場主要產品,整體比例由上月的93%成長至本月的94%,佔比分別為56.90%及37.04%。5月單缸機銷量105.06萬台,環比下降8.28%。兩缸機銷量1.2萬台,環比下降34.16%。三缸機銷量1.45萬台,環比下降20.34%。四缸機銷量161.38萬台,環比下降4.80%。六缸機銷量14.29萬台,環比下降6.87%。;八-十二缸銷量513台,環比下降23.20%。其他缸銷量為1953台,環比成長15.38%。

對于小柴企業來講,行業銷量 58.67萬台,環比下降18.83%。江動、常柴、常發、全柴、新柴銷量排名靠前。5月江動銷量12.83萬台,環比下降12.93%,其中小柴類產品環比下降12.23%;常柴銷量9.78萬台,環比下降23.72%,其中小柴類產品下降23.98%;常發銷量6.70萬台,環比下降近14.50%;全柴銷量3.96萬台,環比下降13.13%;新柴銷量2.03萬台,環比下降23.88%。五家企業小柴類產品銷量佔行業銷量比例63.38%,小柴企業主要配套領域為農業機械領域,佔比為62.09%。

小汽油機企業5月行業總銷量88.76萬台,環比下降3.67%。其中重慶潤通銷量13.82萬台,環比成長5.30%;江動小汽油機銷量7.63萬台,環比下降13.18%;隆鑫銷量9.18萬台,環比下降2.28%;蘇州雙馬逆勢成長,銷量8.05萬台,環比成長37.01%;同樣林海動力銷量7.30萬台,環比成長6.13%。小汽油機用途比較廣泛,其中93%集中在發電機組領域、農用領域、園林機械領域及機車用領域。

中缸徑企業產品5月銷量總計29.16萬台,環比下降10.85%。其中濰柴銷量5.9萬台,環比下降11.98%;玉柴股份銷量4.78萬台,環比下降12.07%;錫柴銷量2.76萬台,環比下降12.92%;東風康明斯銷量1.55萬台,環比下降7.80%;東風朝柴銷量1.45萬台,環比成長1.32%。前10名企業銷量總計為25.42萬台,佔細分市場總銷量的87.16%,市場集中度較高。

車用發動機本月銷量167.86萬台,環比下降5.33%。而車用汽油發動機本月銷量134.06萬台,環比下降3.25%;車用柴油發動機本月銷量17.93萬台,環比下降10.14%。據統計,生產乘用車用柴油機的企業有6家,分別為長城、慶鈴五十鈴(重慶)、常柴、玉柴、上菲紅及雲內動力,總計銷售16076台。乘用車用汽油機銷量靠前的仍為幾大車企,獨立發動機廠中銷量較多的有上海通用東岳動力總成、大眾動力總成、航天三菱汽車發動機等。商用車用柴油發動機本月銷量16.32萬台,環比下降10.10%,其中玉柴、錫柴、雲動力、江鈴、華源萊動、道依茨一汽(大連)等銷量較大。商用車用汽油發動機本月銷量10.06萬台,環比成長2.64%,其中柳州五菱銷量5.99萬台、重慶小康為1.19萬台。

發展分析

為促進內燃機工業形成迴圈型生產方式和消費模式,推動內燃機工業節能降耗,提升國際競爭力,2013年11月21日,工信部發布《內燃機再製造推進計畫》,該檔案指出內燃機再製造的主要目標是,到“十二五”末,內燃機工業再製造生產能力、企業規模、技術裝備水準顯著提升。全行業形成35萬台各類內燃機整機再製造生產能力,3萬台以上規模的整機再製造企業6-8家,3萬台以下規模的整機再製造企業6家以上;增壓器、發電機、起動機、機油泵、燃油泵、水泵等關鍵零部件規模化配套企業30家以上。再製造產業規模達到300億元,再製造產品配套服務產業規模達到100億元。

前瞻產業研究院發布的《中國內燃機及配件製造行業產銷需求預測與轉型升級分析報告前瞻》研究顯示,截至2012年底,我國有內燃機及配件製造規模以上生產企業546家,2008-2012年中國內燃機及配件製造行業工業總產值逐年增加,受金融危機影響,2009年增幅有所下降,為0.97%,到2011年實現工業總產值1490.40億元,同比成長31.67%,2012年工業總產值增加至1639.01億元。

系統組成

發動機是一種由許多機構和系統組成的復雜機器。無論是汽油機,還是柴油機;無論是四行程發動機,還是二行程發動機;無論是單缸發動機,還是多缸發動機。要完成能量轉換,實現工作迴圈,保證長時間連續正常工作,都必須具備以下一些機構和系統。

(1) 曲柄連桿機構

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曲柄連桿機構是發動機實現工作迴圈,完成能量轉換的主要運動零件。它由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。在作功行程中,活塞承受燃氣壓力在氣缸內作直線運動,通過連桿轉換成曲軸的旋轉運動,並從曲軸對外輸出動力。而在進氣、壓縮和排氣行程中,飛輪釋放能量又把曲軸的旋轉運動轉化成活塞的直線運動。

(2) 配氣機構

配氣機構的功用是根據發動機的工作順序和工作過程,定時開啓和關閉進氣門和排氣門,使可燃混合氣或空氣進入氣缸,並使廢氣從氣缸內排出,實現換氣過程。配氣機構大多採用頂置氣門式配氣機構,一般由氣門組、氣門傳動組和氣門驅動組組成。

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(3) 燃料供給系統

汽油機燃料供給系的功用是根據發動機的要求,配製出一定數量和濃度的混合氣,供入氣缸,並將燃燒後的廢氣從氣缸內排出到大氣中去;柴油機燃料供給系的功用是把柴油和空氣分別供入氣缸,在燃燒室內形成混合氣並燃燒,最後將燃燒後的廢氣排出。

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(4) 潤滑系統

潤滑系統的功用是向作相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油,以實現液體摩擦,減小摩擦阻力,減輕機件的磨損。並對零件表面進行清洗和冷卻。潤滑系通常由潤滑油道、機油泵、機油濾清器和一些閥門等組成。

(5) 冷卻系統

冷卻系統的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時散發出去,保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作。水冷發動機的冷卻系通常由冷卻水套、水泵、風扇、水箱、節溫器等組成。

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(6) 點火系統

在汽油機中,氣缸內的可燃混合氣是靠電火花點燃的,為此在汽油機的氣缸蓋上裝有火花塞,火花塞頭部伸入燃燒室內。能夠按時在火花塞電極間產生電火花的全部設備稱為點火系,點火系通常由蓄電池、發電機、分電器、點火線圈和火花塞等組成。

(7) 起動系統

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要使發動機由靜止狀態過渡到工作狀態,必須先用外力轉動發動機的曲軸,使活塞作往復運動,氣缸內的可燃混合氣燃燒膨脹作功,推動活塞向下運動使曲軸旋轉。發動機才能自行運轉,工作迴圈才能自動進行。因此,曲軸在外力作用下開始轉動到發動機開始自動地怠速運轉的全過程,稱為發動機的起動。完成起動過程所需的裝置,稱為發動機的起動系。汽油機由以上兩大機構和五大系統組成,即由曲柄連桿機構,配氣機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系、點火系和起動系組成;柴油機由以上兩大機構和四大系統組成,即由曲柄連桿機構、配氣機構、燃料供給系、潤滑系、冷卻系和起動系組成,柴油機是壓燃的,不需要點火系。

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往復活塞式內燃機的組成部分主要有曲柄連桿機構、機體和氣缸蓋、配氣機構、供油系統、潤滑系統、冷卻系統、起動裝置等。

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氣缸是一個圓筒形金屬機件。密封的氣缸是實現工作迴圈、產生動力的源地。各個裝有氣缸套的氣缸安裝在機體裏,它的頂端用氣缸蓋封閉著。活塞可在氣缸套內往復運動,並從氣缸下部封閉氣缸,從而形成容積作規律變化的密封空間。燃料在此空間內燃燒,產生的燃氣動力推動活塞運動。活塞的往復運動經過連桿推動曲軸作旋轉運動,曲軸再從飛輪端將動力輸出。由活塞組、連桿組、曲軸和飛輪組成的曲柄連桿機構是內燃機傳遞動力的主要部分。

活塞組由活塞、活塞環、活塞銷等組成。活塞呈圓柱形,上面裝有活塞環,借以在活塞往復運動時密閉氣缸。上面的幾道活塞環稱為氣環,用來封閉氣缸,防止氣缸內的氣體漏泄,下面的環稱為油環,用來將氣缸壁上的多餘的潤滑油刮下,防止潤滑油竄入氣缸。活塞銷呈圓筒形,它穿入活塞上的銷孔和連桿小頭中,將活塞和連桿聯接起來。連桿大頭端分成兩半,由連桿螺釘聯接起來,它與曲軸的曲柄銷相連。連桿工作時,連桿小頭端隨活塞作往復運動,連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉運動,連桿大小頭間的桿身作復雜的搖擺運動。

曲軸的作用是將活塞的往復運動轉換為旋轉運動,並將膨脹行程所作的功,通過安裝在曲軸後端上的飛輪傳遞出去。飛輪能儲存能量,使活塞的其他行程能正常工作,並使曲軸旋轉均勻。為了平衡慣性力和減輕內燃機的振動,在曲軸的曲柄上還適當裝置平衡質量。

主要分類

1. 根據所用燃料分: 汽油機、柴油機、天然氣(CNG)、LPG發動機、乙醇發動機等,另有雙燃料發動機(dual fuel engine)和靈活燃料發動機(Bi-fuel engine)。

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2. 根據缸內著火方式分: 電燃式、點燃式、壓燃式

3. 根據沖程數分:二沖程、四沖程

4. 根據活塞運動方式分 : 往復式、旋轉式

5. 根據氣缸冷卻方式分 : 水冷式、風冷式

6. 根據氣缸數目分 :單缸機、多缸機

7. 根據內燃機轉速分:低速(<300r/min)、中速(300 ~ 1000 r/min)、高速(>1000 r/min);

8. 根據進氣充量壓力分:自然吸氣式、增壓式

9. 根據氣缸排列分:立式、臥式直列、V型、對置X型、星型

內燃機的分類方法很多,按照不同的分類方法可以把內燃機分成不同的類型,下面讓我們來看看內燃機

主要是怎樣分類的。

據著火方式

內燃機根據缸內著火方式的不同可以分為點燃式發動機和壓燃式發動機。

點燃式發動機具有三大結構和五大系統。三大結構分別為曲柄連桿、配氣機構和機體, 五大系統分別為供油、冷卻、潤滑、起動和點火。

壓燃式發動機具有三大結構和四大系統。 三大機構分別為曲柄連桿、配氣機構和機體,四大系統分別為供油、冷卻、潤滑、起動。

內燃機按照所使用燃料的不同可以分為汽油機和柴油機。使用汽油為燃料的內燃機稱為汽油機;使用柴油機為燃料的內燃機稱為柴油機。汽油機與柴油機比較各有特點;汽油機轉速高,質量小,噪音小,起動容易,製造成本低;柴油機壓縮比大,熱效率高,經濟性能和排放性能都比汽油機好。

按照行程

內燃機按照完成一個工作迴圈所需的行程數可分為四行程內燃機和二行程內燃機。把曲軸轉兩圈(720°),活塞在氣缸內上下往復運動四個行程,完成一個工作迴圈的內燃機稱為四行程內燃機;而把曲軸轉一圈(360°),活塞在氣缸內上下往復運動兩個行程,完成一個工作迴圈的內燃機稱為二行程內燃機。汽車發動機廣泛使用四行程內燃機。

按照冷卻方式

內燃機按照冷卻方式不同可以分為水冷發動機和風冷發動機。水冷發動機是利用在氣缸體和氣缸蓋冷卻水套中進行迴圈的冷卻液作為冷卻介質進行冷卻的;而風冷發動機是利用流動于氣缸體與氣缸蓋外表面散熱片之間的空氣作為冷卻介質進行冷卻的。水冷發動機冷卻均勻,工作可靠,冷卻效果好,被廣泛地套用于現代車用發動機。

按照氣缸數目

內燃機按照氣缸數目不同可以分為單缸發動機和多缸發動機。僅有一個氣缸的發動機稱為單缸發動機;有兩個以上氣缸的發動機稱為多缸發動機。如雙缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸發動機。現代車用發動機多採用四缸、六缸、八缸發動機。

按照排列方式

內燃機按照氣缸排列方式不同可以分為單列式和雙列式)。單列式發動機的各個氣缸排成一列,一般是垂直布置的,但為了降低高度,有時也把氣缸布置成傾斜的甚至水準的;雙列式發動機把氣缸排成兩列,兩列之間的夾角<180°(一般為90°)稱為V型發動機,若兩列之間的夾角=180°稱為對置式發動機。

採用增壓方式

內燃機按照進氣系統是否採用增壓方式可以分為自然吸氣(非增壓)式發動機和強製進氣(增壓式)發動機。汽油機常採用自然吸氣式;柴油機為了提高功率有採用增壓式的。

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工作原理

氣缸蓋中有進氣道和排氣道,內裝進、排氣門。新鮮充量(即空氣或空氣與燃料的可燃混合氣)經空氣濾清器、進氣管、進氣道和進氣門充入氣缸。膨脹後的燃氣經排氣門、排氣道和排氣管,最後經排氣消聲器排入大氣。進、排氣門的開啓和關閉是由凸輪軸上的進、排氣凸輪,通過挺柱、推桿、搖臂和氣門彈簧等傳動件分別加以控製的,這一套機件稱為內燃機配氣機構。通常由空氣濾清器、進氣管、排氣管和排氣消聲器組成進排氣系統。

為了向氣缸內供入燃料,內燃機均設有供油系統。汽油機通過安裝在進氣管入口端的化油器將空氣與汽油按一定比例(空燃比)混合,然後經進氣管供入氣缸,由汽油機點火系統控製的電火花定時點燃。柴油機的燃油則通過柴油機噴油系統噴入燃燒室,在高溫高壓下自行著火燃燒。

內燃機氣缸內的燃料燃燒使活塞、氣缸套、氣缸蓋和氣門等零件受熱,溫度升高。為了保證內燃機正常運轉,上述零件必須在許可的溫度下工作,不致因過熱而損壞,所以必須備有冷卻系統。

內燃機不能從停車狀態自行轉入運轉狀態,必須由外力轉動曲軸,使之起動。這種產生外力的裝置稱為起動裝置。常用的有電起動、壓縮空氣起動、汽油機起動和人力起動等方式。

內燃機的工作迴圈由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中隻有膨脹過程是對外作功的過程,其他過程都是為更好地實現作功過程而需要的過程。按實現一個工作迴圈的行程數,工作迴圈可分為四沖程和二沖程兩類。

四沖程是指在進氣、壓縮、做功(膨脹)和排氣四個行程內完成一個工作迴圈,此間曲軸旋轉兩圈。進氣行程時,此時進氣門開啓,排氣門關閉。流過空氣濾清器的空氣,或經化油器與汽油混合形成的可燃混合氣,經進氣通路、進氣門進入氣缸;壓縮行程時,氣缸內氣體受到壓縮,壓力增高,溫度上升;膨脹行程是在壓縮上止點前噴油或點火,使混合氣燃燒,產生高溫、高壓,推動活塞下行並作功;排氣行程時,活塞推擠氣缸內廢氣經排氣門排出。此後再由進氣行程開始,進行下一個工作迴圈。

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二沖程是指在兩個行程內完成一個工作迴圈,此期間曲軸旋轉一圈。首先,當活塞在下止點時,進、排氣口都開啓,新鮮充量由進氣口充入氣缸,並掃除氣缸內的廢氣,使之從排氣口排出;隨後活塞上行,將進、排氣口均關閉,氣缸內充量開始受到壓縮,直至活塞接近上止點時點火或噴油,使氣缸內可燃混合氣燃燒;然後氣缸內燃氣膨脹,推動活塞下行做功;當活塞下行使排氣口開啓時,廢氣即由此排出,活塞繼續下行至下止點,即完成一個工作迴圈。

內燃機的排氣過程和進氣過程統稱為換氣過程。換氣的主要作用是盡可能把上一迴圈的廢氣排除幹凈,使本迴圈供入盡可能多的新鮮充量,以使盡可能多的燃料在氣缸內完全燃燒,從而發出更大的功率。換氣過程的好壞直接影響內燃機的性能。為此除了降低進、排氣系統的流動阻力外,主要是使進、排氣門在最適當的時刻開啓和關閉。

實際上,進氣門是在上止點前即開啓,以保證活塞下行時進氣門有較大的開度,這樣可在進氣過程開始時減小流動阻力,減少吸氣所消耗的功,同時也可充入較多的新鮮充量。當活塞在進氣行程中運行到下止點時,由于氣流慣性,新鮮充量仍可繼續充入氣缸,故使進氣門在下止點後延遲關閉。

排氣門也在下止點前提前開啓,即在膨脹行程後部分即開始排氣,這是為了利用氣缸內較高的燃氣壓力,使廢氣自動流出氣缸,從而使活塞從下止點向上止點運動時氣缸內氣體壓力低些,以減少活塞將廢氣排擠出氣缸所消耗的功。排氣門在上止點後關閉的目的是利用排氣流動的慣性,使氣缸內的殘餘廢氣排除得更為幹凈。

工作指標

1.動力性能指標:發出多大功率,功率/扭矩儲備多大。

2.經濟性能指標:單位功率單位時間內的燃油消耗量。

3.可靠性與耐久性指標:大修或更換零件之間的最長運行時間與無故障長期工作能力。

4.環保性能指標(NOx、HC、CO、微粒、噪聲):單位功率單位時間內有害物排放量。

性能發展

內燃機性能主要包括動力性能和經濟性能。動力性能是指內燃機發出的功率(扭矩),表示內燃機在能量轉換中量的大小,標志動力性能的參數有扭矩和功率等。經濟性能是指發出一定功率時燃料消耗的多少,表示能量轉換中質的優劣,標志經濟性能的參數有熱效率和燃料消耗率。

內燃機未來的發展將著重于改進燃燒過程,提高機械效率,減少散熱損失,降低燃料消耗率;開發和利用非石油製品燃料、擴大燃料資源;減少排氣中有害成分,降低噪聲和振動,減輕對環境的污染;採用高增壓技術,進一步強化內燃機,提高單機功率;研製復合式發動機、絕熱式渦輪復合式發動機等;採用微處理機控製內燃機,使之在最佳工況下運轉;加強結構強度的研究,以提高工作可靠性和壽命,不斷創製新型內燃機變氣門,變升程,變相位,甚至停掉幾個缸的技術,都沒能做到在行進中連續變缸徑,但有等效的。

這種發動機有一個桶形缸體,桶底後,桶底中間有圓孔。還有一個缸體,好像一根筷子穿過一張厚的圓餅並粘合,筷子就是軸,這個軸也穿過桶形缸體底部的孔,餅形體也納入桶中,封閉成一個空心圓柱體的缸腔。這個缸腔的容積是可以變化的,比如隻要固定桶,用機械裝置或者液壓裝置抽動軸就可以實現。

桶底從圓孔的邊到桶的內壁割條縫,插入一個矩形板;餅面從圓邊到軸割條縫,也插入一塊矩形板,兩塊矩形板可以把缸腔一分為二,成為兩個密封缸腔,第一密封缸腔和第二密封缸腔。其中一個密封缸腔從桶壁的矩形板本側開口,充入高壓氣體,或充入油氣混合物並點燃;第二密封腔從桶壁上與前一開口相隔一個矩形板的位置開口放氣。固定桶,矩形板就牽引餅和筷子轉動,反過來也行。

第一個密封腔從最小、充氣到轉過一定相位(轉角)就停止供氣,可以用閥門或者控製油氣供應量來實現。由于高壓氣體膨脹,裝置會繼續轉動,第一密封缸腔內的氣壓會降低,直到稍微低于環境氣壓,這樣會產生轉動阻力。于是第二個矩形板需要在頭部靠近邊緣開一個孔,安裝單向閥,向內補氣。如果當初的氣壓適當,在第二塊矩形板轉到第二開口的時候,第一密封缸腔的氣壓正好等于或接近于環境氣壓,這是最經濟的。第三種情況是還有少量餘壓。

當兩個矩形板快要相遇的時候,需要避讓。于是從桶的裙部內圓刻成曲線滑槽,裝上滑動塊,滑動塊與第二塊矩形板連線;從軸穿出桶底的一側套裝一個空心圓柱體,外圓面刻曲線滑槽,裝上滑動塊,與第一塊矩形板連線。滑槽由圓和擺線構成,控製矩形板前沖、頂住和抽回。桶底和餅都夠厚,所以不會抽脫。第二塊矩形板在轉動方向上,和餅一塊轉動;在軸向上,則由桶上的滑槽控製,所以變換容積的時候仍能抵住桶的底部。同樣道理,第一塊矩形板總是能抵住餅的內表面。

這種裝置在一個著力面上沿弧形軌跡,把高壓氣體的內能轉化為動能,是一種動力機械裝置。反過來,也可以在機械的帶動下反向轉動,製取壓縮空氣,或者作為一個剎車器。做一個容量小的壓氣裝置,製取高壓油氣,配上點火裝置,再做一個容量動力機械裝置,將燃燒後大量高溫高壓氣體的內能轉化為動能,就是一台發動機。

它做功的軌跡是一段弧,而且可以無級的改變容量,也就意味著可以改變發動機排量。配合油門,可以改變燃燒後氣壓,靈活改變轉速;改變排量,配合變速器,在一定範圍內可以適應各種負荷,而且採取上述“最經濟的”方式。如果多套矩形板對置使用,可以減輕軸的彎曲;它是連續排氣的,因而噪音低;可以多套缸錯相聯軸,動力平穩。它可以最大限度的減少餘壓排放,而且在不同負載下都能採取最經濟的工況,所以是好用節能技術。

作為一類發動機,不同于蒸汽機、活塞發動機和三角轉子發動機。叫作“可變容弧缸發動機。”

常見誤區

1、 迴圈加註潤滑油或不同品質的油摻兌使用 

2 、選用的潤滑油粘度較高

3 、單向流量控製閥或通風軟管損壞後隨意拆除

4 、大容量的蓄電池壽命長

5 、隨意加添電解液

6 、隨便調高發電機的端電壓

7 、空氣濾清器長期短路或隨便更換不同規格的濾芯

8 、經常在大功率、高溫狀態下熄火

9 、高壓油泵內的潤滑油加註或更換不合理

10 、噴油器噴油壓力調整過高

11 、隨意拆除散熱器上的空氣蒸氣閥

12 、隨意更換火花塞

內燃機使用不當,是目前造成其早期損壞和使用可靠性降低的重要因素之一。

理論迴圈

將實際迴圈進行若幹簡化,便于進行定量分析的理想迴圈。

研究目的

(1)用簡單公式闡明工作過程中各基本熱力參數間的關系,以明確提高ηit的基本途徑;

(2)確定ηit的理論極限;以判斷內燃機工作過程的完善程度以及改進潛力。

(3)分析比較不同的熱力迴圈方式的經濟性和動力性。

簡化假設

(1)空氣作為工質,理想氣體;

(2)不考慮工質更換及泄露損失,忽略進、排氣流動損失及影響;

(3)理想的絕熱等熵過程;工質與外界不進行熱量交換;

(4)理想的加熱、放熱過程。

三種理論迴圈

(1)等容加熱迴圈(Otto迴圈);對應于點燃式內燃機

(2)等壓加熱迴圈(Brayton迴圈);對應于燃氣輪機

(3)混合加熱迴圈(Diesel 迴圈);對應于柴油機

船舶套用

船上用的內燃機通用柴油作燃料,故稱柴油機。柴油機動力裝置是現代船舶上的主要動力裝置。現代船舶和艦艇的主機是船用柴油機

內燃機

燒汽油的內燃機叫汽油機,燒煤氣的叫煤氣機,汽油機、煤氣機功率小,僅用在小型船舶上。

其他資料

船用內燃機

船用內燃機可用柴油、汽油、煤油或煤氣、天然氣作燃料。船上用的內燃機通用柴油作燃料,故稱柴油機。燒汽油的內燃機叫汽油機,燒煤氣的叫煤氣機,汽油機、煤氣機功率小,僅用在小型船舶上。

機械損失

平均機械損失壓力pmm:發動機單位氣缸工作容積一個迴圈所損失的功。可以用來衡量機械損失的大小。即:

一、機械損失的組成:

1.活塞與活塞環的摩擦損失:佔摩擦損失的主要部分,約為:45-65%

2.軸承與氣門機構的摩擦損失:包括所有主軸承、連桿軸承和凸輪軸軸承等的摩擦損失。軸承直徑越大,轉速越高,損失越大。15-30%。

3.驅動附屬機構的功率消耗:指為保證發動機工作所必不可少的部件總成,如冷卻水泵總成(風冷發動機中則是冷卻風扇)、機油泵、噴油泵、調速器等;佔10-20%。

4.流體摩擦損失:為克服油霧、空氣阻力及曲軸箱通風等將消耗一部分功。

5.驅動掃氣泵及增壓器的損失:二沖程或機械增壓發動機中,要加上對進氣進行壓縮而帶來的損失。10-20%

分配情況表

機械損失名稱佔Pm的百分比%佔Pi的百分比%
摩擦損失其中活連桿、活塞環 軸承及曲軸 配氣機構60~7545~6515 ~ 202~38 ~ 20
驅動各種附屬檔案損失 其中 水泵 風扇 機油泵 電器設備10~20 2~8 6~3 1~2 1~21 ~5
帶動機械增壓器損失6 ~ 10
泵氣損失10~202~4
總功率損失
10~30

機械損失測定

1.示功圖法:運用示功圖算出Pi值,從測功器測出發動機的有效功率Pe,從而算出產Pm、 hm及Pmm值。

問題:誤差來源于P—V圖上活塞上止點位置正確地確定以及測量誤差。此外,各個氣缸存在的不均勻性,這也會引起一定的誤差。示功圖法當上止點位置能得到精確校正時才能取得較滿意的結果。局限:隻能測量整體機械損失。

2.倒拖法:當發動機以給定工況穩定運行,冷卻水、機油溫度到達正常數值時,切斷對發動機的供油,將電力測功器轉換為電動機,以給定轉速倒拖發動機,並且維持冷卻水和機油溫度不變,這樣測得的倒拖功率即為發動機在該工況下的機械損失功率。

與實際運行的差異:(1)氣體壓力在膨脹行程中大幅度下降,使活塞、連桿。曲軸的摩擦損失有所減少;(2) 由于排氣過程中溫度低、密度大,使Pp比實際的還大;(3)倒拖在膨脹、壓縮行程中,存在充量向氣缸壁的傳熱損失,在測量該工況的有效功率時,這部分傳熱損失已被考慮在內。

綜合結果是:倒拖時所消耗的功率要超過柴油機的實際機械損失,在低壓縮比發動機中,誤差大約為 5%,在高壓縮比發動機中,誤差可高達(15—20)%,因而此方法適用于低壓縮比的汽油機。

3.滅缸法:內燃機調整到給定工況穩定工作後,先測出其有效功率Pe,之後在噴油泵齒條位置或節氣門不變的 下,停止某一氣缸工作,並用減少製動力矩的辦法迅速將轉速恢復到原來的數值,並重新測定其有效功率Pe’。如果滅缸後其他各缸的工作情況和發動機機械損失沒有變化,則被熄滅的氣缸原來所發出的指示功率為(Pi)x。依次將各缸滅火,最後可以從各缸指示功率的總和中求得整台發動機的指示功率。

內燃機

局限:隻能使用于柴油多缸機。

4.油耗線法:保證發動機轉速不變,逐漸改變供油,測出每小時耗油量B與負荷pme變化關系,繪成負荷特徵曲線,延長直線段于橫坐標的相交,此交點到原點的距離為平均機械損失壓力pmm。

隻能適用于pmm 與ηit 不隨負荷變化,隻適用于柴油機。

總之;倒拖法隻能用于配有電力測功器的情況,不適用于大功率發動機,較適用于測定壓縮比不高的汽油機的機械損失。對于排氣渦輪增壓柴油機,由于倒拖法和滅缸法破壞了增壓系統的正常工作,隻能用示功圖法、油耗線法來測定機械損失。對于排氣渦輪中增壓、高增壓的柴油機(pb>0.15MPa),除示功圖外,尚無其他適用的方法可取代。    

燃料使用

燃油是發電機的動力源,也是造成發電機故障的主要因素,潔凈的燃油不含水份和雜質是極重要的,否則會造成噴油泵和油嘴嚴重磨損甚至損壞。

在我國燃油質量問題一直是造成發電機壽命降低和故障的主要原因,所以在使用進口發電機盡量使用優質低含硫燃油,在無法達到要求的情況下可改造輸油管路,在油水分離器前加一級粗濾或油水分離器,以不影響發電機輸出功率為準選擇濾芯等級。

在使用劣質燃油的情況下必須定期清洗燃油箱,否則容易在油箱中因劣質燃油含有水份和雜質多,會在油箱壁和箱底結積,長期沒清洗的情況下造成結積泥皮脫落,工作中進入燃油管路,致使管路或燃油濾芯等堵塞,在日常維護中要做到良好的保養習慣,排放油箱沉積水雜質和油水分離器中沉積水。

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