柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、原理以及發(fā)展簡介

柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、原理以及發(fā)展簡介前言

熱機(jī)是將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱力發(fā)動機(jī)。區(qū)別于外燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)是燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒而將能量釋放做功的，它的工質(zhì)在燃燒前是燃油與空氣的混合氣，在燃燒后則是燃燒產(chǎn)物。由于內(nèi)燃機(jī)的熱效率高（是當(dāng)今熱效率最高的熱力發(fā)動機(jī)）且結(jié)構(gòu)簡單、比質(zhì)量輕、移動方便，因而被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械和發(fā)電時作為動力。10/27/20222經(jīng)過超過一個世紀(jì)的發(fā)展之后，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到其頂點(diǎn)，在動力性、經(jīng)濟(jì)性以及排污控制方面還在不斷改進(jìn)。新材料的出現(xiàn)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)可以進(jìn)一步減輕質(zhì)量、降低成本和熱損失，新型的綜合了汽油機(jī)和柴油機(jī)的特點(diǎn)，可以使用多種燃料的分層充量發(fā)動機(jī)會有很好的應(yīng)用前景。這些都對內(nèi)燃機(jī)工作者提出了新的挑戰(zhàn)。本講座將就內(nèi)燃機(jī)（主要是柴油機(jī)）的結(jié)構(gòu)、原理及發(fā)展方向進(jìn)行介紹。10/27/20223內(nèi)燃機(jī)分類按所用燃料分：汽油機(jī)、柴油機(jī)、天然氣發(fā)動機(jī)、液化石油氣發(fā)動機(jī)、酒精發(fā)動機(jī)、雙燃料發(fā)動機(jī)、靈活燃料發(fā)動機(jī)按缸內(nèi)著火方式分：壓燃式、點(diǎn)燃式按沖程數(shù)分：四沖程、二沖程按活塞運(yùn)動方式分：往復(fù)活塞式、旋轉(zhuǎn)活塞式按氣缸冷卻方式分：液體冷卻、空氣冷卻按氣缸數(shù)目分：單缸、多缸（2，3，4，5,…)按轉(zhuǎn)速分：低速（<300r/min)、中速（300~1000r/min)、高速（>1000r/min)10/27/20224按增壓程度分：非增壓（自然吸氣）低增壓（πb<1.8)中增壓（πb：1.8~2.5)高增壓（πb：2.5~3.6)超高增壓（πb>3.6)按氣缸排列分：立式、臥式、直列式、V形、W形、對置氣缸或?qū)χ没钊?、H形、王字形、X形、星形按混合氣準(zhǔn)備方式分：化油器式、進(jìn)氣管或進(jìn)氣道噴射、缸內(nèi)直接噴射、分層充量按燃燒室設(shè)計分：開式燃燒室（如浴盆形、楔形、半圓形、碗形、ω形等）、分隔式燃燒室（如渦流室，預(yù)燃室等）10/27/20225按進(jìn)排氣門、凸輪軸設(shè)計和布置分：二氣門、四氣門（或多氣門）、頂置或側(cè)置氣門、頂置或側(cè)置凸輪軸按用途分：農(nóng)用、船用、汽車用、工程機(jī)械用、拖拉機(jī)用、發(fā)電用、內(nèi)燃機(jī)車用10/27/20226內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)10/27/20227一、內(nèi)燃機(jī)總體構(gòu)造機(jī)體與氣缸蓋曲柄連桿機(jī)構(gòu)供給系（包括燃油供給系，進(jìn)排氣系統(tǒng)）配氣機(jī)構(gòu)點(diǎn)火系（汽油機(jī)、煤氣機(jī)特有）冷卻系潤滑系起動裝置10/27/2022810/27/2022910/27/202210內(nèi)燃機(jī)的工作指標(biāo)10/27/202211一、指示性能指標(biāo)指示功和平均指示壓力指示功率指示熱效率和指示燃油消耗率10/27/202212二、有效性能指標(biāo)機(jī)械效率和有效功率平均有效壓力、有效功率和升功率有效熱效率和有效燃油消耗率10/27/202213三、機(jī)械損失與機(jī)械效率1.機(jī)械損失的組成部分

活塞與活塞環(huán)的摩擦損失軸承與氣門機(jī)構(gòu)的摩擦損失驅(qū)動附屬機(jī)構(gòu)的功率消耗流體摩擦損失驅(qū)動掃氣泵及增壓器的損失10/27/2022142.機(jī)械損失的測定示功圖法倒拖法滅缸法油耗線法10/27/202215四、提高內(nèi)燃機(jī)動力性能與經(jīng)濟(jì)性能的途徑1.采用增壓技術(shù)2.合理組織燃燒過程，提高循環(huán)指示效率ηit3.改善換氣過程，提高氣缸的充量系數(shù)φc4.提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速5.提高內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率6.采用二沖程提高升功率

10/27/202216內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)10/27/202217一、內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)1.等容加熱循環(huán)2.等壓加熱循環(huán)3.混合加熱循環(huán)10/27/202218二、內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)

內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)相比，存在著許多不可逆損失，往往達(dá)不到理論循環(huán)的熱效率和循環(huán)平均壓力值，兩者之間的差異和損失主要有：工質(zhì)不同帶來的影響換氣損失傳熱損失燃燒損失10/27/202219內(nèi)燃機(jī)的充量更換10/27/202220一、四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程1.自由排氣階段2.強(qiáng)制排氣階段3.進(jìn)氣過程4.氣門疊開和燃燒室掃氣過程10/27/202221二、換氣損失1.排氣損失2.進(jìn)氣損失3.泵氣損失10/27/202222三、提高充量系數(shù)的措施衡量內(nèi)燃機(jī)充氣性能的一個重要指標(biāo)是充量系數(shù)，定義為：內(nèi)燃機(jī)每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮充量與以進(jìn)氣管內(nèi)狀態(tài)充滿氣缸的工作容積的理論充量之比。提高充量系數(shù)的措施有：（一）降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動阻力1.降低進(jìn)氣門處的流動損失（1）加大進(jìn)氣門直徑（2）增加進(jìn)氣門數(shù)目（3）合理設(shè)計進(jìn)氣道及氣門的結(jié)構(gòu)10/27/2022232.采用可變進(jìn)氣系統(tǒng)技術(shù)（1）可變凸輪機(jī)構(gòu)（2）可變氣門定時3.減少進(jìn)氣管和空氣濾清器的阻力（二）降低排氣系統(tǒng)的流動阻力（三）減少對進(jìn)氣充量的加熱10/27/202224四、二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣1.自由排氣階段2.掃氣與強(qiáng)制排氣階段3.過后排氣或過后充氣階段10/27/202225內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成和燃燒10/27/202226一、內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的氣體流動1.渦流在進(jìn)氣過程中形成的，繞氣缸軸線有組織的氣流運(yùn)動，稱為進(jìn)氣渦流。在柴油機(jī)上，主要用于增強(qiáng)噴油油束與空氣的混合，提高燃油空氣混合速率，有助于柴油機(jī)的快速燃燒。進(jìn)氣渦流產(chǎn)生方法有：采用帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣門切向氣道螺旋氣道10/27/2022272.擠流在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動稱為擠流。擠流在汽油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。3.滾流在進(jìn)氣過程中形成的，繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流，稱為滾流或橫軸渦流。滾流較適于在四氣門汽油機(jī)上使用，在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上具有十分重要的地位。4.湍流在氣缸中形成的無規(guī)則的氣流運(yùn)動稱為湍流。湍流在汽油機(jī)上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在柴油機(jī)上組織適當(dāng)?shù)耐牧骺梢愿纳迫加团c空氣的混合。

10/27/202228二、壓燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒（一）燃燒階段的劃分滯燃期急燃期緩燃期后燃期10/27/202229（二）滯燃期滯燃期對燃燒過程有極大影響，滯燃期越長，則在滯燃期內(nèi)噴入燃燒室的燃料越多，在著火前形成的可燃混合氣越多，這些燃料在急燃期幾乎一起燃燒，使壓力升高比和最高燃燒壓力較高，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)粗暴，因此應(yīng)該設(shè)法縮短滯燃期。若滯燃期極短，又對混合氣形成不利，柴油機(jī)性能惡化。影響滯燃期的因素很多，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，壓縮溫度和壓力是主要因素。此外，噴油提前角、轉(zhuǎn)速以及燃料性質(zhì)也有較大影響。壓縮溫度和壓力是影響滯燃期的直接因素，其他一些因素是通過壓縮溫度和壓力間接影響滯燃期的。隨著壓縮溫度和壓力提高，滯燃期減小。10/27/202230（三）燃燒噪聲柴油機(jī)在滯燃期內(nèi)噴入氣缸的燃料，其滯燃期不一樣，因此往往是多處著火，一旦著火，就有較多的燃料參加燃燒，燃燒是沖擊性的，從而形成燃燒噪聲。降低燃燒噪聲的根本措施是適當(dāng)降低壓力升高比，主要途徑有下述三個：1.縮短滯燃期2.減小滯燃期內(nèi)的噴油量3.減少滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量10/27/202231（四）柴油機(jī)的冷起動性能對一般柴油機(jī)而言，不加特殊的冷起動措施（加裝電熱塞、起動液、進(jìn)氣空氣預(yù)熱），大致均可在10~-5℃的環(huán)境下順利起動，但在更低的環(huán)境溫度下，冷起動將遇到困難。實(shí)踐證明，要使柴油機(jī)順利起動，必須滿足以下條件：1.壓縮溫度必須足夠高，即tc>tmin。tc為壓縮終點(diǎn)溫度,tmin為在氣缸內(nèi)某種燃料有可能開始著火的最低臨界溫度。2.必須形成易于著火的混合氣。10/27/202232三、壓燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室根據(jù)混合氣形成和燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，壓燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室基本分為兩大類：直接噴射式燃燒室和分隔式燃燒室。直噴式燃燒室又可以分為淺盆形和深坑形；分隔式燃燒室常用的有渦流室和預(yù)燃室。各種燃燒室的比較如下表所示。10/27/202233直接噴射式分隔式淺盆形深坑形球形油膜渦流室預(yù)燃室燃燒室形狀簡單一般一般復(fù)雜復(fù)雜混合氣形成方式空間霧化空間霧化為主油膜蒸發(fā)空間霧化為主空間霧化空氣運(yùn)動無渦流或弱進(jìn)氣渦流進(jìn)氣渦流較強(qiáng)進(jìn)氣渦流最強(qiáng)壓縮渦流燃燒渦流燃料霧化要求高要求較高一般要求較低要求低噴油嘴多孔6~12多孔4~6單孔或雙孔軸針式軸針式針閥開啟壓力/Mpa20~4018~2517.5~1910~158~13熱損失和流動損失小較小較小大最大起動容易較易難難最難各種燃燒室的比較10/27/202234直接噴射式分隔式淺盆形深坑形球形油膜渦流室預(yù)燃室壓縮比12~1516~1817~1916~2018~22φa（全負(fù)荷）1.6~2.21.4~1.71.3~1.51.3~1.61.2~1.6Pme/MPa1~20.6~0.80.7~0.90.6~0.80.6~0.8be/[g(kW·h)-1]190218~245218~245231~272245~292燃燒噪聲高高較低低低，怠速高適應(yīng)轉(zhuǎn)速/（r·min-1)<1500<4000<2500<5000<3500適應(yīng)缸徑/mm>200<15090~130<100(160~200)(續(xù)表）10/27/202235燃燒室的選型要點(diǎn)歸納如下：1.氣缸直徑大于200mm、轉(zhuǎn)速低于1000r/min的大型增壓柴油機(jī)，目前幾乎都采用無渦流或低進(jìn)氣渦流的淺盆形直噴式燃燒室。2.高速直噴式柴油機(jī)大都采用中等渦流強(qiáng)度的深坑形燃燒室，其中以ω形燃燒室居多。3.缸徑150~200mm的高速柴油機(jī)上，目前直噴式和預(yù)燃室式燃燒室均有應(yīng)用。多傾向于采用直噴式。4.缸徑小于100mm,轉(zhuǎn)速大于3500r/min的車用高速柴油機(jī)上多應(yīng)用分隔式燃燒室，其中渦流室的高速性能比預(yù)燃室更佳。10/27/202236改善燃燒性能的途徑經(jīng)濟(jì)性（be)、動力性（pme、Ttq)、工作柔和性（dp/dφ、pz)、壽命、煙度、排氣品質(zhì)、起動性、轉(zhuǎn)速進(jìn)氣系統(tǒng)（φc,渦流）噴油系統(tǒng)燃燒室其他1.配氣定時2.凸輪升程與凸輪軸布置3.氣門數(shù)目4.氣門直徑5.進(jìn)氣道6.進(jìn)氣管1.供油提前角2.供油速率3.供油持續(xù)時間4.噴油壓力5.油束射程6.噴油規(guī)律7.高壓系統(tǒng)的容積1.形狀、尺寸2.Vk/Vc,dk/D3.壓縮余隙S04.通道1.油束、氣流、燃燒室配合2.燃油3.潤滑油4.增壓10/27/202237內(nèi)燃機(jī)的燃料供給與調(diào)節(jié)10/27/202238一、壓燃式內(nèi)燃機(jī)燃料供給與調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求1.能產(chǎn)生足夠高的噴油壓力，且燃油油束須與內(nèi)燃機(jī)燃燒室和氣流運(yùn)動相匹配。2.對每一個運(yùn)轉(zhuǎn)工況，精確控制每循環(huán)噴入氣缸的燃油量，且噴油量能隨工況變化而自動變化。在工況不變時，各循環(huán)之間的噴油量應(yīng)當(dāng)一致。對多缸機(jī)而言，各缸噴油量應(yīng)當(dāng)相等。3.在內(nèi)燃機(jī)所運(yùn)轉(zhuǎn)的工況范圍內(nèi)，盡可能保持最佳的起始噴油時刻、噴油持續(xù)時間與噴油規(guī)律。10/27/202239二、壓燃式內(nèi)燃機(jī)燃料噴射過程(一)噴油過程(二)幾何供油規(guī)律和噴油規(guī)律(三)噴油規(guī)律的確定1.試驗(yàn)測定法（1）壓力升程法（2）博世長管法2.計算法10/27/202240三、壓燃式內(nèi)燃機(jī)噴油泵的結(jié)構(gòu)與參數(shù)選擇（一）供油提前角θfd供油提前角θfd就是噴油泵安裝于柴油機(jī)上，噴油泵柱塞關(guān)閉進(jìn)、回油孔開始壓油到柴油機(jī)活塞上止點(diǎn)所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角。（二）噴油泵的系列化和工作能力評價指標(biāo)（1）最大循環(huán)供油量（2）最高平均供油速率（3）最大許用泵端壓力（4）最高工作轉(zhuǎn)速10/27/202241（三）噴油泵參數(shù)的選擇1.柱塞直徑dp和有效供油行程he2.凸輪最大升程、供油持續(xù)期和供油預(yù)行程的確定3.出油閥結(jié)構(gòu)和減壓容積10/27/202242四、壓燃式內(nèi)燃機(jī)噴油器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)選擇（一）噴油器的結(jié)構(gòu)形式（二）噴油器調(diào)整參數(shù)——開啟壓力P0(三）噴油器噴孔面積和流通特性（四）噴霧錐角及其噴油油束在燃燒室的分布（五）噴油器壓力室容積10/27/202243五、壓燃式內(nèi)燃機(jī)異常噴射現(xiàn)象二次噴射穴蝕不穩(wěn)定噴射10/27/202244內(nèi)燃機(jī)污染物的生成與控制10/27/202245一、污染物的生成機(jī)理和主要影響因素1.一氧化碳生成機(jī)理：由碳?xì)浠衔锶剂系牟煌耆紵a(chǎn)生。影響因素：可燃混合氣的過量空氣系數(shù)。2.未燃碳?xì)浠衔稂c(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)HC生成機(jī)理：冷激效應(yīng)油膜和沉積物吸附容積淬熄碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸?0/27/202246柴油機(jī)HC生成機(jī)理：柴油機(jī)HC排放較低，主要來自柴油噴注的外緣混合過度造成的過稀混合氣地區(qū)，此外噴油器的殘油腔容積以及火焰在壁面上淬熄也是柴油機(jī)HC排放的來源。3.氮氧化物生成機(jī)理：澤耳多維奇機(jī)理O2→2ON2+O→NO+NO2+N→NO+OOH+N→NO+H10/27/202247影響點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)NO排放量的因素：空燃比已燃?xì)怏w量點(diǎn)火定時影響柴油機(jī)NO排放量的因素：最先燃燒的混合氣比例（預(yù)混合燃燒比例）。4.微粒柴油機(jī)的微粒排放量要比汽油機(jī)大幾十倍，這種微粒由在燃燒室生成的含碳粒子（碳煙）及其表面上吸附的多種有機(jī)物組成，后者稱為有機(jī)可溶成分（SOF)。10/27/202248二、柴油機(jī)的排放控制（一）燃燒方式和燃燒室形狀（二）噴油系統(tǒng)（三）氣流組織和多氣門技術(shù)（四）排氣再循環(huán)（五）增壓（六）噴油定時10/27/202249內(nèi)燃機(jī)的特性10/27/202250一、內(nèi)燃機(jī)的工況第一類工況，其特點(diǎn)是內(nèi)燃機(jī)的功變化時，轉(zhuǎn)速幾乎保持不變，又被稱為固定式內(nèi)燃機(jī)工況，例如發(fā)電用內(nèi)燃機(jī)。第二類工況，其特點(diǎn)是內(nèi)燃機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速接近于冪函數(shù)關(guān)系，又被稱為螺旋槳工況或推進(jìn)工況。第三類工況，其特點(diǎn)是功率與轉(zhuǎn)速都在很大范圍內(nèi)變化，它們之間沒有特定的關(guān)系。汽車及其他陸地運(yùn)輸用內(nèi)燃機(jī)，都屬于這種工況。10/27/202251二、內(nèi)燃機(jī)的特性

所謂內(nèi)燃機(jī)的特性，是指內(nèi)燃機(jī)的動力性指標(biāo)（如功率、轉(zhuǎn)矩、平均有效壓力等）、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（燃油消耗率）、排放指標(biāo)以及反映工作過程進(jìn)行的完善程度指標(biāo)（如指示熱效率、充量系數(shù)以及機(jī)械效率）等性能參數(shù)隨參數(shù)調(diào)整情況或運(yùn)轉(zhuǎn)情況變化的規(guī)律。有關(guān)特性的討論均是針對內(nèi)燃機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行。10/27/202252負(fù)荷特性：是指當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時，內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)隨負(fù)荷而變化的關(guān)系。速度特性：是指內(nèi)燃機(jī)在油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（油量調(diào)節(jié)齒條、拉桿或節(jié)氣門開度）保持不變的情況下，主要性能指標(biāo)