柴油机结构原理及发展简介

内燃机构造、原理及开展简介1/27/20241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熄灭而将能量释放做功的，它的工质在熄灭前是燃油与空气的混合气，在燃烧后那么是熄灭产物。由于内燃机的热效率高〔是当今热效率最高的热力发动机〕且构造简单、比质量轻、挪动方便，因此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。1/27/20242经过超越一个世纪的开展之后，内燃机的开展远远没有到达其顶点，在动力性、经济性以及排污控制方面还在不断改良。新资料的出现导致内燃机可以进一步减轻质量、降低本钱和热损失，新型的综合了汽油机和柴油机的特点，可以运用多种燃料的分层充量发动时机有很好的运用前景。这些都对内燃机任务者提出了新的挑战。本讲座将就内燃机〔主要是柴油机〕的结构、原理及开展方向进展引见。1/27/20243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、灵敏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)1/27/20244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)按气缸陈列分：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、星形按混合气预备方式分：化油器式、进气管或进气道放射、缸内直接放射、分层充量按熄灭室设计分：开式熄灭室〔如浴盆形、楔形、半圆形、碗形、ω形等〕、分隔式熄灭室〔如涡流室，预燃室等〕1/27/20245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、迁延机用、发电用、内燃机车用1/27/20246内燃机构造1/27/20247一、内燃机总体构造机体与气缸盖曲柄连杆机构供应系〔包括燃油供应系，进排气系统〕配气机构点火系〔汽油机、煤气机特有〕冷却系光滑系起动安装1/27/202481/27/202491/27/202410内燃机的任务目的1/27/202411一、指示性能目的指示功和平均指示压力指示功率指示热效率和指示燃油耗费率1/27/202412二、有效性能目的机械效率和有效功率平均有效压力、有效功率和升功率有效热效率和有效燃油耗费率1/27/202413三、机械损失与机械效率1.机械损失的组成部分活塞与活塞环的摩擦损失轴承与气门机构的摩擦损失驱动附属机构的功率耗费流体摩擦损失驱动扫气泵及增压器的损失1/27/2024142.机械损失的测定示功图法倒拖法灭缸法油耗线法1/27/202415四、提高内燃机动力性能与经济性能的途径1.采用增压技术2.合理组织熄灭过程，提高循环指示效率ηit3.改善换气过程，提高气缸的充量系数φc4.提高发动机的转速5.提高内燃机的机械效率6.采用二冲程提高升功率1/27/202416内燃机的任务循环1/27/202417一、内燃机的实际循环1.等容加热循环2.等压加热循环3.混合加热循环1/27/202418二、内燃机的实践循环内燃机的实践循环与实际循环相比，存在着许多不可逆损失，往往达不到实际循环的热效率和循环平均压力值，两者之间的差别和损失主要有：工质不同带来的影响换气损失传热损失熄灭损失1/27/202419内燃机的充量改换1/27/202420一、四冲程内燃机的换气过程1.自在排气阶段2.强迫排气阶段3.进气过程4.气门叠开和熄灭室扫气过程1/27/202421二、换气损失1.排气损失2.进气损失3.泵气损失1/27/202422三、提高充量系数的措施衡量内燃机充气性能的一个重要目的是充量系数，定义为：内燃机每循环实践进入气缸的新颖充量与以进气管内形状充溢气缸的任务容积的实际充量之比。提高充量系数的措施有：〔一〕降低进气系统的流动阻力1.降低进气门处的流动损失〔1〕加大进气门直径〔2〕添加进气门数目〔3〕合理设计进气道及气门的构造1/27/2024232.采用可变进气系统技术〔1〕可变凸轮机构〔2〕可变气门定时3.减少进气管和空气滤清器的阻力〔二〕降低排气系统的流动阻力〔三〕减少对进气充量的加热1/27/202424四、二冲程内燃机的换气1.自在排气阶段2.扫气与强迫排气阶段3.过后排气或过后充气阶段1/27/202425内燃机混合气的构成和熄灭1/27/202426一、内燃机缸内的气体流动1.涡流在进气过程中构成的，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。在柴油机上，主要用于加强喷油油束与空气的混合，提高燃油空气混合速率，有助于柴油机的快速熄灭。进气涡流产生方法有：采用带导气屏的进气门切向气道螺旋气道1/27/2024272.挤流在紧缩过程后期，活塞外表的某一部分和气缸盖彼此接近时所产生的径向或横向气流运动称为挤流。挤流在汽油机上得到广泛运用。3.滚流在进气过程中构成的，绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。滚流较适于在四气门汽油机上运用，在缸内直喷汽油机上具有非常重要的位置。4.湍流在气缸中构成的无规那么的气流运动称为湍流。湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织适当的湍流可以改善燃油与空气的混合。

1/27/202428二、压燃式内燃机的熄灭〔一〕熄灭阶段的划分滞燃期急燃期缓燃期后燃期1/27/202429〔二〕滞燃期滞燃期对熄灭过程有极大影响，滞燃期越长，那么在滞燃期内喷入熄灭室的燃料越多，在着火前构成的可燃混合气越多，这些燃料在急燃期几乎一同熄灭，使压力升高比和最高熄灭压力较高，发动机运转粗暴，因此应该设法缩短滞燃期。假设滞燃期极短，又对混合气构成不利，柴油机性能恶化。影响滞燃期的要素很多，在正常运转情况下，紧缩温度和压力是主要要素。此外，喷油提早角、转速以及燃料性质也有较大影响。紧缩温度和压力是影响滞燃期的直接要素，其他一些要素是经过紧缩温度和压力间接影响滞燃期的。随着紧缩温度和压力提高，滞燃期减小。1/27/202430〔三〕熄灭噪声柴油机在滞燃期内喷入气缸的燃料，其滞燃期不一样，因此往往是多处着火，一旦着火，就有较多的燃料参与熄灭，熄灭是冲击性的，从而构成熄灭噪声。降低熄灭噪声的根本措施是适当降低压力升高比，主要途径有下述三个：1.缩短滞燃期2.减小滞燃期内的喷油量3.减少滞燃期内构成的可燃混合气数量1/27/202431〔四〕柴油机的冷起动性能对普通柴油机而言，不加特殊的冷起动措施〔加装电热塞、起动液、进气空气预热〕，大致均可在10~-5℃的环境下顺利起动，但在更低的环境温度下，冷起动将遇到困难。实际证明，要使柴油机顺利起动，必需满足以下条件：1.紧缩温度必需足够高，即tc>tmin。tc为压缩终点温度,tmin为在气缸内某种燃料有可能开场着火的最低临界温度。2.必需构成易于着火的混合气。1/27/202432三、压燃式内燃机的熄灭室根据混合气构成和熄灭室构造特点，压燃式内燃机的熄灭室根本分为两大类：直接放射式熄灭室和分隔式熄灭室。直喷式熄灭室又可以分为浅盆形和深坑形；分隔式熄灭室常用的有涡流室和预燃室。各种熄灭室的比较如下表所示。1/27/202433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熄灭室的比较1/27/202434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〕1/27/202435熄灭室的选型要点归纳如下：1.气缸直径大于200mm、转速低于1000r/min的大型增压柴油机，目前几乎都采用无涡流或低进气涡流的浅盆形直喷式熄灭室。2.高速直喷式柴油机大都采用中等涡流强度的深坑形熄灭室，其中以ω形熄灭室居多。3.缸径150~200mm的高速柴油机上，目前直喷式和预燃室式熄灭室均有运用。多倾向于采用直喷式。4.缸径小于100mm,转速大于3500r/min的车用高速柴油机上多运用分隔式熄灭室，其中涡流室的高速性能比预燃室更佳。1/27/202436改善熄灭性能的途径经济性（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1/27/202437内燃机的燃料供应与调理1/27/202438一、压燃式内燃机燃料供应与调理系统要求1.能产生足够高的喷油压力，且燃油油束须与内燃机熄灭室和气流运动相匹配。2.对每一个运转工况，准确控制每循环喷入气缸的燃油量，且喷油量能随工况变化而自动变化。在工况不变时，各循环之间的喷油量该当一致。对多缸机而言，各缸喷油量该当相等。3.在内燃机所运转的工况范围内，尽能够坚持最佳的起始喷油时辰、喷油继续时间与喷油规律。1/27/202439二、压燃式内燃机燃料放射过程(一)喷油过程(二)几何供油规律和喷油规律(三)喷油规律确实定1.实验测定法〔1〕压力升程法〔2〕博世长管法2.计算法1/27/202440三、压燃式内燃机喷油泵的构造与参数选择〔一〕供油提早角θfd供油提早角θfd就是喷油泵安装于柴油机上，喷油泵柱塞封锁进、回油孔开场压油到柴油机活塞上止点所阅历的曲轴转角。〔二〕喷油泵的系列化和任务才干评价目的〔1〕最大循环供油量〔2〕最高平均供油速率〔3〕最大许用泵端压力〔4〕最高任务转速1/27/202441〔三〕喷油泵参数的选择1.柱塞直径dp和有效供油行程he2.凸轮最大升程、供油继续期和供油预行程确实定3.出油阀构造和减压容积1/27/202442四、压燃式内燃机喷油器的构造与参数选择〔一〕喷油器的构造方式〔二〕喷油器调整参数——开启压力P0(三〕喷油器喷孔面积和流通特性〔四〕喷雾锥角及其喷油油束在熄灭室的分布〔五〕喷油器压力室容积1/27/202443五、压燃式内燃机异常放射景象二次放射穴蚀不稳定放射1/27/202444内燃机污染物的生成与控制1/27/202445一、污染物的生成机理和主要影响要素1.一氧化碳生成机理：由碳氢化合物燃料的不完全燃烧而产生。影响要素：可燃混合气的过量空气系数。2.未燃碳氢化合物点燃式内燃机HC生成机理：冷激效应油膜和堆积物吸附容积淬熄碳氢化合物的后期氧化1/27/202446柴油机HC生成机理：柴油机HC排放较低，主要来自柴油喷注的外缘混合过度呵斥的过稀混合气地域，此外喷油器的残油腔容积以及火焰在壁面上淬熄也是柴油机HC排放的来源。3.氮氧化物生成机理：泽耳多维奇机理O2→2ON2+O→NO+NO2+N→NO+OOH+N→NO+H1/27/202447影响点燃式内燃机NO排放量的要素：空燃比已燃气体量点火定时影响柴油机NO排放量的要素：最先燃烧的混合气比例〔预混合熄灭比例〕。4.微粒柴油机的微粒排放量要比汽油机大几十倍，这种微粒由在熄灭室生成的含碳粒子〔碳烟〕及其外表上吸附的多种有机物组成，后者称为有机可溶成分〔SOF)。1/27/202448二、柴油机的排放控制〔一〕熄灭方式和熄灭室外形〔二〕喷油系统〔三〕气流组织和多气门技术〔四〕排气再循环〔五〕增压〔六〕喷油定时1/27/202449内燃机的特性1/27/202450一、内燃机的工况第一类工况，其特点是内燃机的功变化时，转速几乎坚持不变，又被称为固定式内燃机工况，例如发电用内燃机。第二类工况，其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函数关系，又被称为螺旋桨工况或推进工况。第三类工况，其特点是功率与转速都在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系。汽车及其他陆地运输用内燃机，都属于这种工况。1/27/202451二、内燃机的特性所谓内燃机的特性，是指内燃机的动力性目的〔如功率、转矩、平均有效压力等〕、经济性目的〔燃油耗费率〕、排放目的以及反映任务过程进展的完善程度目的〔如指示热效率、充量系数以及机械效率〕等性能参数随参数调整情况或运转情况变化的规律。有关特性的讨论均是针对内燃机的稳态工况进展。1/27/202452负荷特性：是指当转速不变时，内燃机的性能目的随负荷而变化的关系。速度特性：是指内燃机在油量调理机构〔油量调理齿条、拉杆或节气门开度〕保持不变的情况下，主要性能目的〔转矩