柴油機(jī)結(jié)構(gòu)原理及發(fā)展簡(jiǎn)介

內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造、原理及開展簡(jiǎn)介1/27/20241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(dòng)機(jī)。區(qū)別于外燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)是燃料在機(jī)器內(nèi)部熄滅而將能量釋放做功的，它的工質(zhì)在熄滅前是燃油與空氣的混合氣，在燃燒后那么是熄滅產(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(dòng)機(jī)〕且構(gòu)造簡(jiǎn)單、比質(zhì)量輕、挪動(dòng)方便，因此被廣泛應(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(shí)作為動(dòng)力。1/27/20242經(jīng)過超越一個(gè)世紀(jì)的開展之后，內(nèi)燃機(jī)的開展遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到達(dá)其頂點(diǎn)，在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排污控制方面還在不斷改良。新資料的出現(xiàn)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)可以進(jìn)一步減輕質(zhì)量、降低本錢和熱損失，新型的綜合了汽油機(jī)和柴油機(jī)的特點(diǎn)，可以運(yùn)用多種燃料的分層充量發(fā)動(dòng)時(shí)機(jī)有很好的運(yùn)用前景。這些都對(duì)內(nèi)燃機(jī)任務(wù)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)、原理及開展方向進(jìn)展引見。1/27/20243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(dòng)機(jī)、液化石油氣發(fā)動(dòng)機(jī)、酒精發(fā)動(dòng)機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、靈敏燃料發(fā)動(dòng)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(dòng)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：?jiǎn)胃?、多缸?，3，4，5,…)按轉(zhuǎn)速分：低速〔<300r/min)、中速〔300~1000r/min)、高速〔>1000r/min)1/27/20244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)按氣缸陳列分：立式、臥式、直列式、V形、W形、對(duì)置氣缸或?qū)χ没钊?、H形、王字形、X形、星形按混合氣預(yù)備方式分：化油器式、進(jìn)氣管或進(jìn)氣道放射、缸內(nèi)直接放射、分層充量按熄滅室設(shè)計(jì)分：開式熄滅室〔如浴盆形、楔形、半圓形、碗形、ω形等〕、分隔式熄滅室〔如渦流室，預(yù)燃室等〕1/27/20245按進(jìn)排氣門、凸輪軸設(shè)計(jì)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、遷延機(jī)用、發(fā)電用、內(nèi)燃機(jī)車用1/27/20246內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造1/27/20247一、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)供應(yīng)系〔包括燃油供應(yīng)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〕冷卻系光滑系起動(dòng)安裝1/27/202481/27/202491/27/202410內(nèi)燃機(jī)的任務(wù)目的1/27/202411一、指示性能目的指示功和平均指示壓力指示功率指示熱效率和指示燃油耗費(fèi)率1/27/202412二、有效性能目的機(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耗費(fèi)率1/27/202413三、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(dòng)附屬機(jī)構(gòu)的功率耗費(fèi)流體摩擦損失驅(qū)動(dòng)掃氣泵及增壓器的損失1/27/2024142.機(jī)械損失的測(cè)定示功圖法倒拖法滅缸法油耗線法1/27/202415四、提高內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能的途徑1.采用增壓技術(shù)2.合理組織熄滅過程，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(dòng)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1/27/202416內(nèi)燃機(jī)的任務(wù)循環(huán)1/27/202417一、內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(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)1/27/202418二、內(nèi)燃機(jī)的實(shí)踐循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)踐循環(huán)與實(shí)際循環(huán)相比，存在著許多不可逆損失，往往達(dá)不到實(shí)際循環(huán)的熱效率和循環(huán)平均壓力值，兩者之間的差別和損失主要有：工質(zhì)不同帶來的影響換氣損失傳熱損失熄滅損失1/27/202419內(nèi)燃機(jī)的充量改換1/27/202420一、四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程1.自在排氣階段2.強(qiáng)迫排氣階段3.進(jìn)氣過程4.氣門疊開和熄滅室掃氣過程1/27/202421二、換氣損失1.排氣損失2.進(jìn)氣損失3.泵氣損失1/27/202422三、提高充量系數(shù)的措施衡量?jī)?nèi)燃機(jī)充氣性能的一個(gè)重要目的是充量系數(shù)，定義為：內(nèi)燃機(jī)每循環(huán)實(shí)踐進(jìn)入氣缸的新穎充量與以進(jìn)氣管內(nèi)形狀充溢氣缸的任務(wù)容積的實(shí)際充量之比。提高充量系數(shù)的措施有：〔一〕降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力1.降低進(jìn)氣門處的流動(dòng)損失〔1〕加大進(jìn)氣門直徑〔2〕添加進(jìn)氣門數(shù)目〔3〕合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣道及氣門的構(gòu)造1/27/2024232.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(shí)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(dòng)阻力〔三〕減少對(duì)進(jìn)氣充量的加熱1/27/202424四、二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣1.自在排氣階段2.掃氣與強(qiáng)迫排氣階段3.過后排氣或過后充氣階段1/27/202425內(nèi)燃機(jī)混合氣的構(gòu)成和熄滅1/27/202426一、內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的氣體流動(dòng)1.渦流在進(jìn)氣過程中構(gòu)成的，繞氣缸軸線有組織的氣流運(yùn)動(dòng)，稱為進(jìn)氣渦流。在柴油機(jī)上，主要用于加強(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)的快速熄滅。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1/27/2024272.擠流在緊縮過程后期，活塞外表的某一部分和氣缸蓋彼此接近時(shí)所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動(dòng)稱為擠流。擠流在汽油機(jī)上得到廣泛運(yùn)用。3.滾流在進(jìn)氣過程中構(gòu)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)上運(yùn)用，在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上具有非常重要的位置。4.湍流在氣缸中構(gòu)成的無規(guī)那么的氣流運(yùn)動(dòng)稱為湍流。湍流在汽油機(jī)上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋诓裼蜋C(jī)上組織適當(dāng)?shù)耐牧骺梢愿纳迫加团c空氣的混合。

1/27/202428二、壓燃式內(nèi)燃機(jī)的熄滅〔一〕熄滅階段的劃分滯燃期急燃期緩燃期后燃期1/27/202429〔二〕滯燃期滯燃期對(duì)熄滅過程有極大影響，滯燃期越長(zhǎng)，那么在滯燃期內(nèi)噴入熄滅室的燃料越多，在著火前構(gòu)成的可燃混合氣越多，這些燃料在急燃期幾乎一同熄滅，使壓力升高比和最高熄滅壓力較高，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)粗暴，因此應(yīng)該設(shè)法縮短滯燃期。假設(shè)滯燃期極短，又對(duì)混合氣構(gòu)成不利，柴油機(jī)性能惡化。影響滯燃期的要素很多，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，緊縮溫度和壓力是主要要素。此外，噴油提早角、轉(zhuǎn)速以及燃料性質(zhì)也有較大影響。緊縮溫度和壓力是影響滯燃期的直接要素，其他一些要素是經(jīng)過緊縮溫度和壓力間接影響滯燃期的。隨著緊縮溫度和壓力提高，滯燃期減小。1/27/202430〔三〕熄滅噪聲柴油機(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，就有較多的燃料參與熄滅，熄滅是沖擊性的，從而構(gòu)成熄滅噪聲。降低熄滅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(gè)：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)構(gòu)成的可燃混合氣數(shù)量1/27/202431〔四〕柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能對(duì)普通柴油機(jī)而言，不加特殊的冷起動(dòng)措施〔加裝電熱塞、起動(dòng)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(dòng)，但在更低的環(huán)境溫度下，冷起動(dòng)將遇到困難。實(shí)際證明，要使柴油機(jī)順利起動(dòng)，必需滿足以下條件：1.緊縮溫度必需足夠高，即tc>tmin。tc為壓縮終點(diǎn)溫度,tmin為在氣缸內(nèi)某種燃料有可能開場(chǎng)著火的最低臨界溫度。2.必需構(gòu)成易于著火的混合氣。1/27/202432三、壓燃式內(nèi)燃機(jī)的熄滅室根據(jù)混合氣構(gòu)成和熄滅室構(gòu)造特點(diǎn)，壓燃式內(nèi)燃機(jī)的熄滅室根本分為兩大類：直接放射式熄滅室和分隔式熄滅室。直噴式熄滅室又可以分為淺盆形和深坑形；分隔式熄滅室常用的有渦流室和預(yù)燃室。各種熄滅室的比較如下表所示。1/27/202433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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)損失小較小較小大最大起動(dòng)容易較易難難最難各種熄滅室的比較1/27/202434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〕1/27/202435熄滅室的選型要點(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熄滅室。2.高速直噴式柴油機(jī)大都采用中等渦流強(qiáng)度的深坑形熄滅室，其中以ω形熄滅室居多。3.缸徑150~200mm的高速柴油機(jī)上，目前直噴式和預(yù)燃室式熄滅室均有運(yùn)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)上多運(yùn)用分隔式熄滅室，其中渦流室的高速性能比預(yù)燃室更佳。1/27/202436改善熄滅性能的途徑經(jīng)濟(jì)性（be)、動(dòng)力性（pme、Ttq)、工作柔和性（dp/dφ、pz)、壽命、煙度、排氣品質(zhì)、起動(dòng)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(shí)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(shí)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(rùn)滑油4.增壓1/27/202437內(nèi)燃機(jī)的燃料供應(yīng)與調(diào)理1/27/202438一、壓燃式內(nèi)燃機(jī)燃料供應(yīng)與調(diào)理系統(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)熄滅室和氣流運(yùn)動(dòng)相匹配。2.對(duì)每一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工況，準(zhǔn)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(dòng)變化。在工況不變時(shí)，各循環(huán)之間的噴油量該當(dāng)一致。對(duì)多缸機(jī)而言，各缸噴油量該當(dāng)相等。3.在內(nèi)燃機(jī)所運(yùn)轉(zhuǎn)的工況范圍內(nèi)，盡能夠堅(jiān)持最佳的起始噴油時(shí)辰、噴油繼續(xù)時(shí)間與噴油規(guī)律。1/27/202439二、壓燃式內(nèi)燃機(jī)燃料放射過程(一)噴油過程(二)幾何供油規(guī)律和噴油規(guī)律(三)噴油規(guī)律確實(shí)定1.實(shí)驗(yàn)測(cè)定法〔1〕壓力升程法〔2〕博世長(zhǎng)管法2.計(jì)算法1/27/202440三、壓燃式內(nèi)燃機(jī)噴油泵的構(gòu)造與參數(shù)選擇〔一〕供油提早角θfd供油提早角θfd就是噴油泵安裝于柴油機(jī)上，噴油泵柱塞封鎖進(jìn)、回油孔開場(chǎng)壓油到柴油機(jī)活塞上止點(diǎn)所閱歷的曲軸轉(zhuǎn)角?！捕硣娪捅玫南盗谢腿蝿?wù)才干評(píng)價(jià)目的〔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〕最高任務(wù)轉(zhuǎn)速1/27/202441〔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、供油繼續(xù)期和供油預(yù)行程確實(shí)定3.出油閥構(gòu)造和減壓容積1/27/202442四、壓燃式內(nèi)燃機(jī)噴油器的構(gòu)造與參數(shù)選擇〔一〕噴油器的構(gòu)造方式〔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熄滅室的分布〔五〕噴油器壓力室容積1/27/202443五、壓燃式內(nèi)燃機(jī)異常放射景象二次放射穴蝕不穩(wěn)定放射1/27/202444內(nèi)燃機(jī)污染物的生成與控制1/27/202445一、污染物的生成機(jī)理和主要影響要素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。影響要素：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)油膜和堆積物吸附容積淬熄碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸?/27/202446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呵斥的過稀混合氣地域，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+H1/27/202447影響點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)NO排放量的要素：空燃比已燃?xì)怏w量點(diǎn)火定時(shí)影響柴油機(jī)NO排放量的要素：最先燃燒的混合氣比例〔預(yù)混合熄滅比例〕。4.微粒柴油機(jī)的微粒排放量要比汽油機(jī)大幾十倍，這種微粒由在熄滅室生成的含碳粒子〔碳煙〕及其外表上吸附的多種有機(jī)物組成，后者稱為有機(jī)可溶成分〔SOF)。1/27/202448二、柴油機(jī)的排放控制〔一〕熄滅方式和熄滅室外形〔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(shí)1/27/202449內(nèi)燃機(jī)的特性1/27/202450一、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(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎堅(jiān)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。1/27/202451二、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(dòng)力性目的〔如功率、轉(zhuǎn)矩、平均有效壓力等〕、經(jīng)濟(jì)性目的〔燃油耗費(fèi)率〕、排放目的以及反映任務(wù)過程進(jìn)展的完善程度目的〔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(duì)內(nèi)燃機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)展。1/27/202452負(fù)荷特性：是指當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的性能目的隨負(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)理機(jī)構(gòu)〔油量調(diào)理齒條、拉桿或節(jié)氣門開度〕保持不變的情況下，主要性能目的〔轉(zhuǎn)矩