柴油机结构原理及发展简介

内燃机结构、原理及发展简介12/27/20221前言

热机是将燃料中的化学能转变为机械功的热力发动机。区别于外燃机，内燃机是燃料在机器内部燃烧而将能量释放做功的，它的工质在燃烧前是燃油与空气的混合气，在燃烧后则是燃烧产物。由于内燃机的热效率高（是当今热效率最高的热力发动机）且结构简单、比质量轻、移动方便，因而被广泛应用于交通运输、农业机械、工程机械和发电时作为动力。12/27/20222经过超过一个世纪的发展之后，内燃机的发展远远没有达到其顶点，在动力性、经济性以及排污控制方面还在不断改进。新材料的出现导致内燃机可以进一步减轻质量、降低成本和热损失，新型的综合了汽油机和柴油机的特点，可以使用多种燃料的分层充量发动机会有很好的应用前景。这些都对内燃机工作者提出了新的挑战。本讲座将就内燃机（主要是柴油机）的结构、原理及发展方向进行介绍。12/27/20223内燃机分类按所用燃料分：汽油机、柴油机、天然气发动机、液化石油气发动机、酒精发动机、双燃料发动机、灵活燃料发动机按缸内着火方式分：压燃式、点燃式按冲程数分：四冲程、二冲程按活塞运动方式分：往复活塞式、旋转活塞式按气缸冷却方式分：液体冷却、空气冷却按气缸数目分：单缸、多缸（2，3，4，5,…)按转速分：低速（<300r/min)、中速（300~1000r/min)、高速（>1000r/min)12/27/20224按增压程度分：非增压（自然吸气）低增压（πb<1.8)中增压（πb：1.8~2.5)高增压（πb：2.5~3.6)超高增压（πb>3.6)按气缸排列分：立式、卧式、直列式、V形、W形、对置气缸或对置活塞式、H形、王字形、X形、星形按混合气准备方式分：化油器式、进气管或进气道喷射、缸内直接喷射、分层充量按燃烧室设计分：开式燃烧室（如浴盆形、楔形、半圆形、碗形、ω形等）、分隔式燃烧室（如涡流室，预燃室等）12/27/20225按进排气门、凸轮轴设计和布置分：二气门、四气门（或多气门）、顶置或侧置气门、顶置或侧置凸轮轴按用途分：农用、船用、汽车用、工程机械用、拖拉机用、发电用、内燃机车用12/27/20226内燃机结构12/27/20227一、内燃机总体构造机体与气缸盖曲柄连杆机构供给系（包括燃油供给系，进排气系统）配气机构点火系（汽油机、煤气机特有）冷却系润滑系起动装置12/27/2022812/27/2022912/27/202210内燃机机的工工作指指标12/25/202211一、指指示性性能指指标指示功功和平平均指指示压压力指示功功率指示热热效率率和指指示燃燃油消消耗率率12/25/202212二、有效性性能指标机械效率和和有效功率率平均有效压压力、有效效功率和升升功率有效热效率率和有效燃燃油消耗率率12/25/202213三、机械损损失与机械械效率1.机械损损失的组成成部分活塞与活塞塞环的摩擦擦损失轴承与气门门机构的摩摩擦损失驱动附属机机构的功率率消耗流体摩擦损损失驱动扫气泵泵及增压器器的损失12/25/2022142.机械械损失的测测定示功图法倒拖法灭缸法油耗线法12/25/202215四、提高内内燃机动力力性能与经经济性能的的途径1.采用增增压技术2.合理组组织燃烧过过程，提高高循环指示示效率ηit3.改善换换气过程，，提高气缸缸的充量系系数φc4.提高发发动机的转转速5.提高内内燃机的机机械效率6.采用二二冲程提高高升功率12/25/202216内燃机的工工作循环12/25/202217一、内燃机机的理论循循环1.等容加加热循环2.等压加加热循环3.混合加加热循环12/25/202218二、内燃机机的实际循循环内燃机的实实际循环与与理论循环环相比，存在着许多多不可逆损损失，往往往达不到理理论循环的热效效率和循环环平均压力力值，两者者之间的差异和和损失主要要有：工质不同带带来的影响响换气损失传热损失燃烧损失12/25/202219内燃燃机机的的充充量量更更换换12/25/202220一、、四四冲冲程程内内燃燃机机的的换换气气过过程程1.自自由由排排气气阶阶段段2.强强制制排排气气阶阶段段3.进进气气过过程程4.气气门门叠叠开开和和燃燃烧烧室室扫扫气气过过程程12/25/202221二、、换换气气损损失失1.排排气气损损失失2.进进气气损损失失3.泵泵气气损损失失12/25/202222三、、提提高高充充量量系系数数的的措措施施衡量量内内燃燃机机充充气气性性能能的的一一个个重重要要指指标标是是充充量系系数数，，定定义义为为：：内内燃燃机机每每循循环环实实际际进进入入气气缸缸的新新鲜鲜充充量量与与以以进进气气管管内内状状态态充充满满气气缸缸的的工工作作容积积的的理理论论充充量量之之比比。。提高高充充量量系系数数的的措措施施有有：：（一一））降降低低进进气气系系统统的的流流动动阻阻力力1.降降低低进进气气门门处处的的流流动动损损失失（1））加加大大进进气气门门直直径径（2））增增加加进进气气门门数数目目（3））合合理理设设计计进进气气道道及及气气门门的的结结构构12/25/2022232.采采用用可可变变进进气气系系统统技技术术（1））可可变变凸凸轮轮机机构构（2））可可变变气气门门定定时时3.减减少少进进气气管管和和空空气气滤滤清清器器的的阻阻力力（二二））降降低低排排气气系系统统的的流流动动阻阻力力（三三））减减少少对对进进气气充充量量的的加加热热12/25/202224四、、二二冲冲程程内内燃燃机机的的换换气气1.自自由由排排气气阶阶段段2.扫扫气气与与强强制制排排气气阶阶段段3.过过后后排排气气或或过过后后充充气气阶阶段段12/25/202225内燃燃机机混混合合气气的的形形成成和和燃燃烧烧12/25/202226一、内燃机缸缸内的气体流流动1.涡流在进气过程中中形成的，绕绕气缸轴线有有组织的气流运动，称称为进气涡流流。在柴油机机上，主要用于增强喷喷油油束与空空气的混合，，提高燃油空气混合速速率，有助于于柴油机的快快速燃烧。进气涡流产生生方法有：采用带导气屏屏的进气门切向气道螺旋气道12/25/2022272.挤流在压缩过程后后期，活塞表表面的某一部部分和气缸盖彼此靠近时时所产生的径径向或横向气气流运动称为挤流。挤流流在汽油机上上得到广泛应应用。3.滚流在进气过程中中形成的，绕绕垂直于气缸缸轴线的有组织的空气旋旋流，称为滚滚流或横轴涡涡流。滚流较适于在四气气门汽油机上上使用，在缸缸内直喷汽油机上具有十十分重要的地地位。4.湍流在气缸中形成成的无规则的的气流运动称称为湍流。湍流在汽油机机上主要用于于提高火焰传传播速度，在柴油机上组组织适当的湍湍流可以改善善燃油与空气的混合。12/25/202228二、压燃式内内燃机的燃烧烧（一）燃烧烧阶段的划分分滞燃期急燃期缓燃期后燃期12/25/202229（二）滞燃期期滞燃期对燃烧烧过程有极大大影响，滞燃燃期越长，则则在滞燃期内内喷入燃烧室室的燃料越多多，在着火前前形成的可燃燃混合气越多多，这些燃料料在急燃期几几乎一起燃烧烧，使压力升升高比和最高高燃烧压力较较高，发动机机运转粗暴，，因此应该设设法缩短滞燃燃期。若滞燃燃期极短，又又对混合气形形成不利，柴柴油机性能恶恶化。影响滞燃期的的因素很多，，在正常运运转情况下，，压缩温度和和压力是主要要因素。此外外，喷油提前前角、转速以以及燃料性质质也有较大影影响。压缩温温度和压力是是影响滞燃期期的直接因素素，其他一些些因素是通过过压缩温度和和压力间接影影响滞燃期的的。随着压缩缩温度和压力力提高，滞燃燃期减小。12/25/202230（三）燃烧噪声柴油机在滞燃燃期内喷入气气缸的燃料，，其滞燃期不一一样，因此往往往是多处着着火，一旦着火，就就有较多的燃燃料参加燃烧烧，燃烧是冲击性性的，从而形形成燃烧噪声声。降低燃烧噪声声的根本措施施是适当降低低压力升高比，，主要途径有有下述三个：：1.缩短滞燃燃期2.减小滞燃燃期内的喷油油量3.减少滞燃燃期内形成的的可燃混合气气数量12/25/202231（四）柴油机的冷起起动性能对一般柴油机机而言，不加加特殊的冷起起动措施（加装装电热塞、起起动液、进气气空气预热），大致致均可在10~-5℃的的环境下顺利起动，但在在更低的环境境温度下，冷冷起动将遇到困难。。实践证明，，要使柴柴油机顺利起动，必须须满足以下条条件：1.压缩温度度必须足够高高，即tc>tmin。tc为压缩终点温度,tmin为在气缸内某某种燃料有可可能开始着火的的最低临界温温度。2.必须形成成易于着火的的混合气。12/25/202232三、压燃式式内燃燃机的的燃烧烧室根据混混合气气形成成和燃燃烧室室结构构特点点，压压燃式式内燃燃机的的燃烧烧室基基本分分为两两大类类：直直接喷喷射式式燃烧烧室和和分隔隔式燃燃烧室室。直直喷式式燃烧烧室又又可以以分为为浅盆盆形和和深坑坑形；；分隔隔式燃燃烧室室常用用的有有涡流流室和和预燃燃室。。各种燃燃烧室室的比比较如如下表表所示示。12/25/202233直接喷射式分隔式浅盆形深坑形球形油膜涡流室预燃室燃烧室形状简单一般一般复杂复杂混合气形成方式空间雾化空间雾化为主油膜蒸发空间雾化为主空间雾化空气运动无涡流或弱进气涡流进气涡流较强进气涡流最强压缩涡流燃烧涡流燃料雾化要求高要求较高一般要求较低要求低喷油嘴多孔6~12多孔4~6单孔或双孔轴针式轴针式针阀开启压力/Mpa20~4018~2517.5~1910~158~13热损失和流动损失小较小较小大最大起动容易较易难难最难各种燃燃烧室室的比比较12/25/202234直接喷射式分隔式浅盆形深坑形球形油膜涡流室预燃室压缩比12~1516~1817~1916~2018~22φa（全负荷）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燃烧噪声高高较低低低，怠速高适应转速/（r·min-1)<1500<4000<2500<5000<3500适应缸径/mm>200<15090~130<100(160~200)(续表表）12/25/202235燃烧室室的选选型要要点归归纳如如下：：1.气气缸直直径大大于200mm、转转速低低于1000r/min的大型型增压压柴油油机，，目前前几乎乎都采采用无无涡流或低低进气气涡流流的浅浅盆形形直喷喷式燃燃烧室室。2.高高速直直喷式式柴油油机大大都采采用中中等涡涡流强强度的深坑坑形燃燃烧室室，其其中以以ω形形燃烧烧室居居多。。3.缸缸径150~200mm的高高速柴柴油机机上，，目前前直喷式和和预燃燃室式式燃烧烧室均均有应应用。。多倾倾向于采用用直喷喷式。。4.缸缸径小小于100mm,转转速大大于3500r/min的车车用高高速柴油油机上上多应应用分分隔式式燃烧烧室，，其中中涡流流室的高速速性能能比预预燃室室更佳佳。12/25/202236改善燃燃烧性性能的的途径径经济性（be)、动力性（pme、Ttq)、工作柔和性（dp/dφ、pz)、寿命、烟度、排气品质、起动性、转速进气系统（φc,涡流）喷油系统燃烧室其他1.配气定时2.凸轮升程与凸轮轴布置3.气门数目4.气门直径5.进气道6.进气管1.供油提前角2.供油速率3.供油持续时间4.喷油压力5.油束射程6.喷油规律7.高压系统的容积1.形状、尺寸2.Vk/Vc,dk/D3.压缩余隙S04.通道1.油束、气流、燃烧室配合2.燃油3.润滑油4.增压12/25/202237内燃机机的燃燃料供供给与与调节节12/25/202238一、压压燃式式内燃燃机燃燃料供供给与与调节节系统统要求求1.能能产生生足够够高的的喷油油压力力，且且燃油油油束束须与与内燃机燃燃烧室室和气气流运运动相相匹配配。2.对对每一一个运运转工工况，，精确确控制制每循循环喷喷入气气缸的燃油油量，，且喷喷油量量能随随工况况变化化而自自动变变化。。在工况况不变变时，，各循循环之之间的的喷油油量应应当一一致。。对多缸缸机而而言，，各缸缸喷油油量应应当相相等。。3.在在内燃燃机所所运转转的工工况范范围内内，尽尽可能能保持持最佳的起起始喷喷油时时刻、、喷油油持续续时间间与喷喷油规规律。。12/25/202239二、、压压燃燃式式内内燃燃机机燃燃料料喷喷射射过过程程(一一)喷喷油油过过程程(二二)几几何何供供油油规规律律和和喷喷油油规规律律(三三)喷喷油油规规律律的的确确定定1.试试验验测测定定法法（1））压压力力升升程程法法（2））博博世世长长管管法法2.计计算算法法12/25/202240三、、压压燃燃式式内内燃燃机机喷喷油油泵泵的的结结构构与与参参数数选选择择（一一））供供油油提提前前角角θθfd供油油提提前前角角θθfd就是是喷喷油油泵泵安安装装于于柴柴油油机机上上，，喷喷油泵泵柱柱塞塞关关闭闭进进、、回回油油孔孔开开始始压压油油到到柴柴油油机机活活塞上上止止点点所所经经历历的的曲曲轴轴转转角角。。（二二））喷喷油油泵泵的的系系列列化化和和工工作作能能力力评评价价指指标标（1））最最大大循循环环供供油油量量（2））最最高高平平均均供供油油速速率率（3））最最大大许许用用泵泵端端压压力力（4））最最高高工工作作转转速速12/25/202241（三三））喷喷油油泵泵参参数数的的选选择择1.柱柱塞塞直直径径dp和有有效效供供油油行行程程he2.凸凸轮轮最最大大升升程程、、供供油油持持续续期期和和供供油油预预行行程程的的确确定定3.出出油油阀阀结结构构和和减减压压容容积积12/25/202242四、、压燃燃式式内内燃燃机机喷喷油油器器的的结结构构与与参参数数选选择（一一））喷喷油油器器的的结结构构形形式式（二二））喷喷油油器器调调整整参参数数————开开启启压压力力P0(三三））喷喷油油器器喷喷孔孔面面积积和和流流通通特特性性（四四））喷喷雾雾锥锥角角及及其其喷喷油油油油束束在在燃燃烧烧室室的的分分布布（五五））喷喷油油器器压压力力室室容容积积12/25/202243五、压燃燃式内燃燃机异常常喷射现现象二次喷射射穴蚀不稳定喷喷射12/25/202244内燃机污污染物的的生成与与控制12/25/202245一、污染物的的生成机机理和主主要影响响因素1.一氧氧化碳生成机理理：由碳碳氢化合合物燃料料的不完完全燃烧而产生生。影响因素素：可燃燃混合气气的过量量空气系系数。2.未燃燃碳氢化化合物点燃式内内燃机HC生成成机理：：冷激效应应油膜和沉沉积物吸吸附容积淬熄熄碳氢化合合物的后后期氧化化12/25/202246柴油机HC生成成机理：：柴油机HC排放放较低，，主要来来自柴油油喷注的外缘缘混合过过度造成成的过稀稀混合气气地区，，此外喷油油器的残残油腔容容积以及及火焰在在壁面上淬熄也也是柴油油机HC排放的的来源。。3.氮氧氧化物生成机理理：泽耳耳多维奇奇机理O2→2ON2+O→→NO+NO2+N→→NO+OOH+N→NO+H12/25/202247影响点燃燃式内燃燃机NO排放量量的因素素：空燃比已燃气体体量点火定时时影响柴油油机NO排放量量的因素素：最先先燃烧的混合合气比例例（预混混合燃烧烧比例））。4.微粒粒柴油机的的微粒排排放量要要比汽油油机大几几十倍，，这种微粒由由在燃烧烧室生成成的含碳碳粒子（（碳烟））及其表面上上吸附的的多种有有机物组组成，后后者称为为有机可溶成成分（SOF)。12/25/202248二、柴油油机的排排放控制制（一）燃烧烧方式和和燃烧室室形状（二）喷喷油系统统（三）气气流组织织和多气气门技术术（四）排排气再循循环（五）增增压（六）喷喷油定时时12/25/202249内燃机的的特性12/25/202250一、内燃燃机的工工况第一类工工况，其其特点是是内燃机机的功变变化时，，转速几几乎保持持不变，，又被称称为固定定式内燃燃机工况况，例如如发电用用内燃机机。。第二类工工况，其其特点是是内燃机机的功率率与转速速接近于于幂函数数关系，，又被称称为螺旋旋桨工况况或推进进工况。。第三类工工况，其其特点是是功率与与转速都都在很大大范围内内变化，，它们之之间没有有特定的的关系。。汽车及及其他陆陆地运输输用内燃燃机，都都属于这这种工况况。12/25/202251二、内燃机的的特性所谓内燃燃机的特特性，是是指内燃燃机的动动力性指指标（如如功率、、转矩、、平均有有效压力力等）、、经济性性指标（（燃油消消耗率））、排放放指标以以及反映映工作过过程进行行的完善善程度指指标（如如指示热热效率、、充量系系数以及及机械效效率）等等性能参参数随参参数调整整情况或或运转情情况变化化的规律律。有关特性的讨讨论均是针对对内燃机的稳稳态工况进行行。1