《能源与动力装置》06 内燃机

第六章内燃机第一节内燃机的工作过程一、内燃机工作过程（一）四冲程内燃机的工作过程1.第一冲程——进气冲程（图6-1a）2.第二冲程——压缩冲程（图6-1b）3.第三冲程——工作冲程（燃烧与膨胀）（图6-1c）4.第四冲程——排气冲程（图6-1d）图6-1

四冲程内燃机工作原理图（二）二冲程内燃机的工作过程第一冲程：扫气及压缩（图6-2a，图6-2b）第二冲程：燃烧、膨胀、排气（图6-2b，图6-2c）图6-2二冲程柴油机工作原理图

二、内燃机的热力循环（一）理想循环和热效率四个假设：1.工质是理想气体，在整个循环中保持物理及化学性质不变，其状态参量的变化完全遵守气体状态方程PV=MRT2.不考虑实际存在的工质更换及漏气损失，工质数量保持不变，循环是在定量工质下进行的3.在绝热等熵条件下，工质在缸内进行压缩和膨胀，工质同外界无热交换，工质比热为常数4.不考虑燃烧过程，用假想的定容放热和定容或定压加热来代替实际的换气和燃烧过程内燃机的三种理想循环图6-3理想循环示功图三种理想循环热效率等容加热循环的热效率为（6-1）

式中：ε为压缩比，它表示压缩过程中工质容积的变化，即

（6-2）

由式（6-1）可以看出，等容加热循环的热效率只随压缩比ε与等熵绝热指数k的变化而变化。由于k在实际循环中变化不大，因此，热效率主要随ε的增加而增加，但在实际发动机中，ε的增加受最高燃烧压力Pz的限制。

图6-3（b）为等压加热循环，它的热效率为（6-3）

式中：为初膨胀比，即。由式（6-3）可以看出，是随着ε、k和而变化的，ε与k对的影响与等容加热循环中的情况相同。而的增大使下降。

图6-3（c）为混合循环，它的热效率为：（6-4）

式中：λ为压力升高比，即。由式（6-4）可看出，随、k、

和λ而变：混合加热循环热效率随压缩比ε、压力升高比λ增大而增大，随初膨胀比的增大而减小。在极端情况下，当λ=1时，内燃机即以等压加热循环方式工作；当时，即以等容加热循环方式工作。各种无气喷射式柴油机的实际工作过程近似于混合加热循环。（二）实际循环

图6-4四冲程内燃机实际循环的P—V示功图实际循环的特点：实际循环与理想循环相比较，由于实际循环的工质的不同、有气体流动阻力、有传热损失、有不完全燃烧损失及漏气损失，使其热效率较低，循环做的功也较小。实际循环一般包括压缩、燃烧、膨胀和换气等过程1．压缩过程压缩过的作用：（1）扩大工作循环的温度范围，以提高工作循环的热效率。（2）使工质得到更大的膨胀比，以输出更多的功。（3）使工质的温度和压力提高，为冷机起动及着火创造条件。压缩比的限制

压缩过程中工质与缸壁的热交换图6-5

压缩过程曲线示意图

2．燃烧过程

实际燃烧过程压力线CZ不是一段直线，既不平行于纵坐标也不平行于横坐标，而是以一段弧线与压缩线和膨胀线圆滑相接，构成如图6-4所示的四冲程内燃机实际循环的示功图。由于在燃烧过程中还存在高温热分解、比热变化、后燃、燃烧不完全损失等，使燃烧过程的工质状态参数Tz及Pz大大低于理想循环的状态参数值，热效率及循环中所做的功也降低。3．膨胀过程

膨胀过程中工质的传热过程图6-6膨胀过程曲线示意图4．换气过程

A．自由排气阶段I（）

B．强制排气阶段II（ed）

C．进、排气重叠阶段III（）

D．主要进气阶段IV（）E．过后充气阶段V（）

图6-7四冲程柴油机换气过程的P-θ图与角面图图6-8四冲程柴油机配气定时示意图

第二节柴油机的燃烧和燃料供给系统一、柴油机混合气的形成及燃烧室1、混合气形成概述2、柴油机燃烧室1）统一式燃烧室（亦称直接喷射式燃烧室）

（1）开式燃烧室

1、喷油器；2、燃烧室

图6-13统一燃烧室

（2）半分开式燃烧室

1、喷油器；2、活塞顶部余隙；3、活塞顶部燃烧室图6-14半分开式燃烧室（3）球型油膜燃烧室

1、喷油器；2、球型燃烧室

图6-15球型油燃烧室

（4）复合式燃烧室

1、喷油器；2燃烧室

图6-16复合式燃烧室2）分隔式燃烧室

（1）涡流室式燃烧室

a）4125A柴油机：1-通道，2-双连涡流室，3-主燃烧室b）S195柴油机：1-起动喷孔，2-主燃烧室，3-主通道，4-涡流室，5-螺孔图6-18主燃烧室形状a、双涡流；b、铲击形；c、双楔形

（2）预燃室式燃烧室图6-19预燃室1、预燃室，2、喷孔

二、燃料供给系统

495柴油机燃料供给系统1－前油箱2－后油箱3－沉淀杯4－柴油粗滤器5－柴油细滤器6－调速器7－输油泵8－喷油泵9－高压油管10－预热塞11－喷油器1、喷油泵

1—齿杆，2—齿圈，3—管接，4—弹簧，5—输油阀，6—输油阀座，7—柱塞套筒，8—油道，9—螺钉，10—柱塞，11—螺钉，12—转动套，13—上承盘，14—弹簧，15—下承盘，16—调整螺钉，17—从动筒，18—轴，19—滚轮，20—凸轮轴，21—凸轮油量调节原理

图6-22油量调节原理

2、喷油器

（1）轴针式喷油器图6-24闭式轴针式喷油器1—针阀，2—针阀体，3—喷油器螺帽，4—喷油器体，5—锥体，6—弹簧，7—垫圈，8—弹簧压力调节螺钉，9—罩，10—弹簧罩，11—回油管接头，12—高压油管接头，13—压缩螺帽

（2）孔式喷油器

图6-25孔式喷油器头部结构孔式喷油器与轴针式喷油器的主要区别在头部喷嘴的结构不同（图6-25）。它的针阀前端细长，不伸进喷孔，没有轴针；针阀只起喷孔的启闭作用，燃油的喷射状况主要取决于喷孔的大小、方向和数目。这种喷油器用在直喷式燃烧室的柴油机上。孔式喷油器根据喷孔数又可分为多孔式（图-25a）和单孔式（图6-25b）。喷孔直径为0.25～0.50毫米

多孔式（图6-25a）和单孔式（图6-25b）喷油器

图6-25孔式喷油器头部结构

a）多孔式b）单孔式三、调速器

1、单程式调速器

图6-26单程式调速器简图1—改变供油量的调节臂，2—拉杆，3—曲轴4—调速器轴5—调速器齿轮，6—主动盘，7—钢球，8—滑套，9—杠杆，10—定轴，11—调速弹簧

四、柴油机电控喷油系统

1-喷油器2-喷嘴3-活塞4-单阀孔5-电磁阀6-压力传感器7-共轨8-高压供油泵图6-29共轨式喷油系统第三节汽油机燃料供给系统一、汽油机燃料供给系统

1—油箱，2—油管，3—汽油滤清器，4—汽油泵，5—化油器，6—汽油表，7—空气滤清器，8—消音器图6—30汽油机燃料供给系统示意图1—手摇臂，2—内摇臂，3—泵膜拉杆，4—泵膜弹簧，5—下体，6—泵腔，7—出油阀，8—上体，9—出油阀弹簧，10—出油口，11—出油空气室，12—出油阀，13—进油口，14—进油阀弹簧，15—泵膜，16—外摇臂回位弹簧，17—手摇臂半圆轴，18—外摇臂，19—偏心凸轮，20—摇臂轴图6-31膜片汽油泵构造示意图二、简单化油器和可燃

混合气的形成1—空气滤清器，2—针阀，3—浮子，4—喷管，5—喉管，6—节气门，7—进气管，8—量孔，9—浮子室，10—进气预热套管，11—进气门图6-32简单化油器及可燃混合气形成原理示意图三、汽油机燃烧室

1、楔形燃烧室

图6-33CA-72型汽车汽油机锲形燃烧室2、半球形燃烧室

图6-34半球形燃烧室

3、浴盆形燃烧室

图6-3525Y-6100Q型汽油机浴盆形燃烧室四、汽油机燃油喷射系统

1、汽油喷射的方式

（1）向缸内直接喷射

（2）向气缸盖进气道喷射

（3）向进气管中喷射

2、汽油喷射装置的类型

（1）机械式汽油喷射装置1-油箱2-电动机油泵3-汽油机4-稳压储油箱5-滤清器6-暖机补偿器7-压力调节器8-怠速调节螺钉9-空气计量器感器10-附加空气补偿器11-水温传感器12-主喷油器13-冷起动喷油器14-怠速空气调节螺钉15-节气门16-燃油分配器图6-36GP型或310型汽油喷射系统（2）电子控制汽油喷射系统1-燃油箱2-电动汽油泵3-燃油滤油器4-压力调节器5-控制单元6-点火线圈7-高压分电器8-火花塞9-喷油器10-节气门11-节气门开关12-空气流量计13-电位计和空气温度传感器14-氧传感器15-发动机温度传感器16-旋转式怠慢传感器17-转速与参记号传感器18-蓄电池19-点火启动开关20-空气调节开关图6-39Motronic电子控制汽油喷射系统第四节

柴油机增压系统

一、增压是提高柴油机功率的主要手段

通过压气机预先压缩进气以提高进气密度,从而可以增加喷油量，提高柴油机功率。二、增压方式

1）机械增压系统

消耗输出功率为10%左右

增加功率30~50%进气压力达0.13~0.17Mpa

1、压气机叶轮；2、进气管

图6-40机械增压

2）废气涡轮增压系统

空气压力达0.13~0.5Mpa提高功率50%~300%

1、4--排气管，2--涡轮导向器，3--废气涡轮叶片，5--增压器叶轮，6、9--进气管，7--扩散器，8--蜗形管

图6-41废气涡轮增压的柴油机简图

3）复合增压系统

除了应用涡轮增压器外，还装有机械驱动式增压器。这种增压系统称为复合增压系统，复合增压系统多用于二冲程柴油机上。复合增压系统又可分为串联增压系统和并联增压系统。在二冲程柴油机上采用复合增压系统是为了保证起动和低转速低负荷时仍有必要的扫气压力。

三、增压柴油机的机械负荷和热负荷柴油机增压后，由于最高燃烧压力提高，使得柴油机各部件的机械应力提高，轴承负荷增大，气缸、活塞环等磨损加剧。因此非增压柴油机改为增压柴油机时，必须适当减小压缩比，加强主要部件（如曲轴等）的结构强度。柴油机增压后进气温度提高，最高燃烧温度也随之提高，使得活塞、活塞环、气缸、气缸盖、排气门等零件的温度提高。为此，对增压柴油机必须利用扫气对燃烧室进行冷却，用较大的过量空气系数，使燃烧温度下降；并用中间冷却器冷却增压空气。第五节内燃机的性能指标和特性

一、性能指标

这里重点介绍两种指标：动力性指标、经济性指标内燃机的动力性和经济性指标有两种：以工质对活塞作功为基础的指标称为指示指标；以发动机曲轴输出功率为基础的指标称为有效指标

(一)指示指标

内燃机的指示指标是表示工质在气缸内经历的循环各过程完善程度的一组参数。1.指示功与平均指示压力

指示功

kJ平均指示压力

MPa

图6-40指示功Wi与平均指示压力Pi

2．指示功率Ni

内燃机的指示功率Ni是每单位时间内作用于活塞上的指示功

n—转速，r/min；i—柴油机气缸数；m—动作系数，对四冲程柴油机m=4，对二冲程柴油机m=2，对二冲程双动柴油机m=1

3．指示油耗率及指示效率

指示油耗率是柴油机每小时发出1kW指示功率时燃油消耗量，即

g/kW·hmf

为内燃机每小时耗油量，kg/h指示效率是实际循环指示功与所消耗燃料热量之比值，亦即为指示功率为1KW工作一小时的热当量和指示燃油油耗完全燃烧放出的热量的比。每千瓦小时的热当量是3600×103千焦，燃油的低热值为HU千焦/公斤，则指示效率为

（二）有效指标

常用的有效指标有平均有效压力Pe、有效功率Ne、有效燃油耗率ge及有效效率。1．平均有效压力Pe及有效功率Ne平均有效压力是一个假想的不变的压力。是柴油机在一个循环中单位气缸工作容积在曲轴上输出的有效功。曲轴输出端实测的有效功Ne是小于指示功Ni，两者之差叫做机械损失功Nm

内燃机的有效功率与指示功率之比叫做机械效率，即由计算Ni的式子可得有效功率的计算公式，即：

KW

2．有效油耗率ge及有效效率

有效油耗率是内燃机曲轴输出有效1KW小时所消耗的燃油量，即

g/KW·h

有效效率表示燃料所含的热量转变为有效功的有效程度，它在数值上等于1KW小时的有效功率与所消耗的热量之比，即

二、内燃机特性

通常将内燃机的运行状态称为工况，由工作机（负载）的阻力特性确定。内燃机的特性有三种：速度特性；负荷特性；

推进特性.

图6-41