能源动力装置基础》06a.ppt

1,第 六 章 内 燃 机,2,第0节 往复活塞式发动机的分类基本结构 一、往复活塞式发动机的分类 内燃机是燃料在汽缸内燃烧，将燃料的化学能转变为机械功的装置。内燃机的结构形式有往复式活塞内燃机和旋转活塞式内燃机和燃气轮机。以往复式活塞内燃机使用最广泛。 按工作循环的冲程数分类 （1）四冲程循环内燃机 活塞往复4个冲程，曲轴转2圈，完成一个工作循环； （2）二冲程循环内燃机 活塞往复2个冲程，曲轴转1圈，完成一个工作循环。 2. 按汽缸数分类 （1）单缸机 一台机只有1个气缸； （2） 多缸机一台机只有2个或2个以上的气缸。,3,3. 按曲轴转速分类 （1）高速 n1000r/min （2）中速 n=3001000r/min （3）低速 n300r/min 按燃料分 （1）柴油机 （2）汽油机 （3）煤油机 （4）天然气机 按着火方式分 （1）压燃式 利用缸内压缩空气温度高于燃料着火点使用燃料自行着火燃烧。如柴油机。 （2）点燃式 利用缸外热源（电火花）点火使燃料着火燃烧，如汽油机等。,4,二、总体结构（图5-3） 往复活塞式发动机，即内燃机，包括柴油机、汽油机和气体发动机。其基本结构相同。由以下主体结构和辅助系统组成。以YC6105QC型柴油机为例，说明其结构。,5,1.主体结构 汽缸体、汽缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮。汽缸体中部圆筒空间为汽缸，活塞在其中运动。汽缸盖封住上部。活塞通过连杆与曲折连接，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。 2. 辅助系统： 配气机构：空气滤清器、进排气管、进排气道、进排气门、进排气凸轮轴、连摇臂和消声器等。根据工作过程需要，适时地开启、关闭进排气门，以完成换气。 燃料供给系统：喷油泵和调速器、供油自动提前器、喷油器、柴油滤清器、油水分离器、输油泵和柴油管路等。,6,润滑系统 包括机油泵、机油粗滤器、机油精滤器、分离离心式机油滤清器、油底壳及润滑油道等。 冷却系统： 水泵、风扇、节温器出水管等。 启动操纵与电气系统： 直流启动电机、充电发电机、各类传感器、操纵机构、空气压缩机。 汽油机与柴油机在结构上的不同在于 可燃气体的形成于燃烧方式不同。汽油机设有化油器和汽油泵的油系统，或汽油喷燃系统，点火系统。无喷油泵和喷油器。,7,二、活塞、连杆和曲轴（主要运动件） 活塞（图5-6） 活塞组包括活塞本体（即活塞）、活塞环、活塞销及固定件。 作用 与活塞顶部、汽缸盖和汽缸等组成燃烧室。在燃烧膨胀冲程中，活塞顶通过活塞销、连杆传递力矩，推动曲轴旋转。在压缩冲程中，将空气压缩成高温、高压气体，以便着火燃烧。 活塞与缸壁有最佳的间隙 活塞环槽：安装活塞环 活塞裙部，起导向作用，中有活塞销座， 是活塞磨损最严重部件，必须保持 一定间隙。 活塞环：为弹性金属环，分气环、油环。 活塞销：是活塞和连杆的链接件。,图5-6,8,2. 连杆（图5-7） 作用：链接活塞与曲轴，传递力矩。 连杆由小头、连杆身和大头组成。 曲轴（图5-8） 曲轴组成：由曲轴前端（称为自由端）、 曲拐（包括主轴颈、曲臂、和连杆轴颈）和曲轴后端。 作用：通过曲轴将活塞的往复运动转变 为曲轴的旋转运动。曲轴受周期交变的 气体压力、活塞连杆组的惯性力和扭力 的作用，从而产生扭矩、弯曲、压缩 和拉伸应力及变形；还受摩擦力。 曲轴应有足够的刚度和疲劳强度，重量 轻，轴颈表面耐磨。,图5-7,图5-8,9,三、汽缸体、汽缸套和汽缸盖（主要固定件） 内燃机的主要固定件：机体、汽缸套和汽缸盖，而机体是由汽缸体、曲轴箱和机座或油底壳及主轴承盖组成。 汽缸体 移动式水冷内燃机的汽缸体和曲轴箱常铸成一体，称为汽缸体曲轴箱（简称汽缸体）。汽缸体上半节内腔活塞往复运动导向和容纳工质的圆形空腔（汽缸）。汽缸体下半部分支承曲轴的轴承箱，内腔为连杆和曲轴的运动空间；汽缸体顶部与汽缸盖连接，底部与机座或油底壳连接。 汽缸体结构形式：平分式，龙门式，隧道式三种。 2. 汽缸套： 其内壁是活塞的导向面。接受高温、高压燃气，活塞往复运动，故磨损大，容易破坏。常用的汽缸套有干、湿两种。湿式汽缸套外有水冷却。 3. 汽缸盖：其底面与活塞顶部及汽缸形成燃烧室，其上部设计有进排汽口及相应的进排汽组件、摇臂、摇臂座。还有喷油器和火花塞等。,10,第一节 内燃机的工作过程,一、内燃机的工作原理 （一）四冲程内燃机的工作过程 * 四冲程内燃机： 在内燃机中，燃料在缸内依靠活塞上行压缩的气体着火燃烧，放出大量热能，使可燃混合气体（工质）的压力、温度急剧升高，并在缸内膨胀推动活塞作功。作功后的废气必须排出并重新吸入新鲜空气。也就是说，内燃机作功，必须具备进汽、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成的工作循环。该循环是通过活塞往复四个行程来完成的，故称为四冲程内燃机。,11,12,下面以单缸柴油机为例予以说明： 1. 第一冲程进汽冲程（图6-1a） 进汽冲程开始时，进汽门开启，排气门关闭，活塞从上止点向下止点运动。当活塞下行，活塞上部汽缸容积增大，当压力降到大气压力下或增压压力以下，在压力差作用下，新鲜空气（柴油机）或混合气（汽油机）通过进汽门被吸入汽缸。当活塞运动到下止点后，进汽门关闭，进汽过程结束。,由于柴油机进汽系统有空气滤清器、进汽管和进汽门，即存在阻力损失 ，汽缸内的压力 略低于大气压力 或增压压力 。而汽油机进汽系统又多了节气门等调节装置，转速又高，故缸内进汽压力比柴油机还低。,图6-1a,13,为了增大柴油机的功率，在进汽过程中应提高进汽量，通常采用下列措施： （1）进汽阀的直径应大于排汽阀的直径； （2）尽可能减少进汽系统的流阻，在流道中避免产生涡流； （3）进汽门提前在上止点前2030曲轴转角打开，减少气流经气门口时的阻力； （4）进汽门延迟在下止点后2030曲轴转角关闭，延长进汽时间利用气流流动惯性，增加进汽量。,14,第二冲程压缩冲程（图6-1b） 活塞自下止点回上止点的运动。这时，进、排气阀都处于关闭状态。开始时，活塞位于下止点，曲轴在飞轮惯性作用下旋转，通过连杆推动向上运动。随着汽缸容积不断减小，缸内气体被压缩，温度、压力迅速上升。当活塞到达上止点时，压缩过程结束。 在柴油机中，压缩的是空气，压缩比较高，压缩终了时，缸内气体压力可达34MPa，温度可达800900K【高于柴油自燃温度(600K)】，可使喷入柴油自燃。 在汽油机中，压缩的是可燃混合气，为防止爆炸，压缩比较低，压缩终了时，缸内气体压力可达0.71.5MPa，温度600800K。,图6-1b,15,3. 第三冲程作功冲程（燃烧与膨胀）（图6-1c） 在压缩过程接近终了时，柴油机喷入的柴油与高温、高压空气混合，并着火燃烧。在汽油机中，用电火花点燃混合气燃烧。由于进、排气阀都处于关闭状态，缸内燃气温度、压力急剧升高。 柴油机的最高燃烧压力一般可达 =69MPa，最高燃烧温度可达 =18002200K； 汽油机的 =35MPa， =25002800K。 在高压高温燃气作用下，推动活塞下移并带动曲轴旋转，使热能转变为机械能，从而对外作功。随着活塞下移，汽缸容积增大，燃气的温度、压力下降，当活塞到达下止点时膨胀过程结束。此时， 柴油机的燃气温度降至10001200K，压力降至34MPa； 汽油机的燃气温度降至12001500K，压力降至0.30.6MPa。,图6-1c,16,第四冲程排气冲程（图6-1d） 当作功冲程结束，活塞到达下止点时，排气门打开，曲轴靠惯性继续旋转带动活塞向上止点运动，把膨胀后的废气经排气门从汽缸中排出。活塞到达上止点后，排气门关闭，排气过程结束。 为了减小活塞上行的背压，一般排气门在上一冲程末期下止点前已开启，缸内燃气温度、压力迅速下降，此时活塞还在下行，废气靠缸内外压差排出。当活塞由下止点到达上止点时，废气被活塞挤出汽缸。在排气过程结束时，排气压力 =0.1050.11MPa，温度 =700900K。,图6-1d,17,可见，活塞上下运动4个单程（即4个冲程），曲轴旋转2转，完成一个工作循环。每个循环中，只有第3个冲程是输出有效功。在此冲程中，完成燃油从化学能转变为热能，又从热能转变为机械能，共2次能量转换，其他冲程都是为工作冲程服务的，都要从外界输入能量才能进行。在单缸柴油机中，是靠膨胀冲程储藏在飞轮中的能量供给；在多缸柴油机中，是靠其他正在做功的汽缸供给的。,18,（二）二冲程往复式活塞发动机的工作过程 在四冲程内燃机中，只有第3冲程对外作功，而其他三个冲程只做辅助性工作，反而要吸收部分有效功。为了提高内燃机的效率，发明了二冲程内燃机。 二冲程发动机的特点：活塞运动2个冲程，曲轴旋转1转，完成一个工作循环，即完成进气、压缩、燃烧、膨胀及排气5个过程。二冲程发动机把排气和进气过程安排在膨胀过程的末尾和压缩过程的初期。用一个扫气泵将新鲜空气压入汽缸，汽缸中燃烧后的废气一部分自己排出，其余部分被进入汽缸的新鲜空气挤出。 图6-2为二冲程柴油机的工作原理示意图。这种有排气门和进气口的内燃机称为直流扫气二冲程柴油机。,19,20,第一冲程扫气及压缩（图6-2a，b） （1）扫气：活塞由下止点向上止点运动，在遮盖扫气孔之前，扫气空气先由扫气泵提高压力后进到汽缸扫气孔四周的扫气箱，再由扫气箱经扫气孔进入汽缸。扫气压力（0.110.13MPa)高于汽缸中残存的废气压力。在扫气的气体进入汽缸的同时，汽缸中残存的废气被扫气从排气阀挤出去。,图6-2a，b,（2）压缩：活塞继续上行，遮住扫气孔时，排气阀此时关闭，扫气过程结束。汽缸中的新鲜空气和少量未排尽的废气活塞继续上行被压缩，直到活塞达上止点，完成压缩过程。 在这一过程中，柴油机扫气的气体是空气，汽油机扫气的气体是可燃混合气体。柴油机的压缩比较高，压缩终点压力温度高，以保证柴油喷入后能自燃着火。柴油在上止点前1020喷入。,21,2. 第二冲程燃烧、膨胀、排气（图6-2c，d）,（1）燃烧和膨胀： 当活塞到达上止点前，在柴油机中，柴油喷入汽缸内自行发火燃烧；在汽油机中，用电火花点火使可燃混合气体燃烧。在高温高压气体作用下，活塞从上止点推向下止点。在活塞下行运动中燃烧气体膨胀，直到排气阀（排气口）打开为止。此时膨胀过程结束。,图6-2c，d,22,（2）排气：排气阀开启时间比扫气孔打开的早，废气利用本身压力自行排出。从排气阀开启到扫气孔被打开这段时间为自由式排气过程，大量废气这时排出。,活塞继续下移，扫气孔被打开，扫气泵开始将新鲜空气压入汽缸，并将残存的废气从汽缸中经排气阀排出，这就是扫气过程的开始。当活塞下移到下止点时，第二冲程结束。但扫气过程还在继续，直到活塞从下止点又重新向上运动，到扫气孔全部被遮盖，并同时将排气阀关闭，扫气过程才算结束。活塞继续上行，第二个工作循环的压缩过程又从新开始。,23,二、内燃机的热力循环及性能指标 （一）理想循环及热效率 内燃机的实际热力循环由进汽、压缩、燃烧、膨胀和排气等过程组成，是十分复杂的，先作一些简化处理，即理想循环。 （1）工质为理想气体，其状态参量变化遵守气体状态方程。 （2）不考虑工质更换及漏汽损失，工质数量保持不变； （3）工质在汽缸内进行膨胀压缩时，与外界无热交换，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代替实际的换气和燃烧过程。,24,内燃机有3种理想循环，即等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环，如图6-3的p-V图。,狄赛尔循环,奥托循环,25,1. 等容加热循环（图6-3 a）；气体从a点开始绝热压缩到c点，自c 点等容吸热到z点，从z点绝热膨胀到b点，最后沿ba线等容散热回到a点，完成一个工作循环（奥托循环）。,奥托循环,等容加热循环的热效率（根据热力学）： (6-1) 式中： 为压缩比，表示工质容积的变化，即 (6-2) 由（6-1）可知，等容加热循环的热效率随压缩比 与等熵指数k的变化而变化。而k在实际循环中变化不大，因此， 主要随而变化。,26,2. 等压加热循环（图6-3b），也称狄赛尔循环。低速柴油机和空气喷气柴油机的工作过程近似等压加热循环。其热效率为： (6-3) 式中：为初压缩比，即 从（6-3）可知， 是随着、k、 而变化的。,27,3. 混合加热循环（图6-3c）：先是等容加热，后是等压加热，总加热量为二者之和。其热效率为： （6-4） 式中，为压力升高比，即 由（6-4）可看出， 随、k、和而变化。 在极端情况下，当=1时，内燃机为等压加热 循环方式工作； 当 =1时，内燃机为等容加热循环方式工作。 各种无喷射式柴油机的实际工作过程近似 混合加热过程。,28,（二）实际循环 内燃机的实际循环过程的p-V图如图6-4所示示功图。实际循环有阻力、损失，有不完全燃烧损失及漏气损失。 内燃机的实际循环包括压缩、燃烧、膨胀和换气等过程。,29,1. 压缩过程 在理想循环中，压缩过程是一等熵过程，而实际压缩过程是复杂的多变过程。如工质温度是变化的，有漏气损失，比热不是常数等。 （1）压缩过程的作用 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）使工质的压力、温度提高，为冷机启动、着火创造条件。,30,（2） 压缩比，对于不同的内燃机有不同的要求。 在具有外部混合气形成和外源点火式内燃机（汽油机），在汽缸内被压缩的是空气与燃料的混合物。其压缩比受可燃混合气早燃或爆燃的限制； 对于压燃式内燃机（柴油机），必须使压缩终了的空气温度不低于燃料着火温度。,图6-5,（3）内燃机实际压缩曲线（图6-5）分析： 在压缩初期，由于工质温度低于缸壁温度，在压缩行程前半段，工质要从缸壁吸热升温，使实际压缩曲线ab比理想压缩曲线an要陡一些，多变压缩指数 大于绝热指数 。,31, 随着压缩继续，工质温度升高，工质从缸壁吸热减少， 也减少；当压缩到某一时刻（图中b点）被压工质的温度与缸壁温度相等，热交换截止，这时（图中be)是绝热的， = 。 压缩过程再继续进行，工质的温度进一步提高，这时候，工质向燃烧室表面放热，实际压缩曲线ec比理想压缩曲线em要平一些，此时 。,32, 影响 的因素很多，通常， =1.321.39。 压缩终点气体的压力、温度和压缩初参数及压缩多变指数、压缩比有关： （6-5） （6-6）,33,燃烧过程： 在燃烧过程中，燃烧放热使工质温度、压力升高，将一部分热能转变为机械功（图6-4中cz线）。 实际燃烧过程有一定时间，燃烧速度不均匀，缸内残存可燃气体，燃烧并不是瞬间进行，与活塞运动不同步，故压力线cz不平行横轴及纵轴的直线，而是一弧线与压缩线和膨胀线圆滑相接，如图6-4中cz所示。由于燃烧过程存在高温热分解、比热变化、燃烧不完全损失等，使燃烧工质参数 及 低于理想循环的状态参数，热效率和做功也降低。,图6-4,34,膨胀过程（做功过程） 膨胀过程是内燃机的做功过程，燃烧产生的热能转变为机械功。实际的膨胀过程复杂。由于燃烧不完全，燃烧产物热分解，在膨胀开始阶段，后燃放出的热量大于气体传给缸壁的热损失，气体在吸热情况下膨胀；随着膨胀的继续，后燃减少，气体在散热情况下膨胀。所以，膨胀是一复指数的多变过程，膨胀多变指数 的变化如图6-6所示。,图6-6,（1）在膨胀初期 段，当后燃发热较多时，过程接近等温膨胀（即n1）。 （2）膨胀继续 段，后燃发热减少，但工质仍是受热，即 ，因 ，但大于 段的 。 （3）在 段后燃减少，后燃发热量接近工质传给缸壁的热量，即 ，这时 。,35,（4）膨胀到 点后，后燃消失，高温分解化合作用仍在进行，但发热量低于工质传给缸壁的热量，这一阶段（ ）是散热膨胀， ，这时 ， ，到接近b 点时只有工质传热。 影响 的因素：转速、燃烧速度、汽缸尺寸、负荷等，一般 =1.151.28 膨胀终点的压力、温度：,（67）,（68）,36,换气过程 （1）四冲程柴油机的换气过程：是指整个排、进气过程，即从排气阀开启到进气阀关闭整个过程。其作用是更换工质，为下一循环燃烧创造条件。换气过程分自由排气、强制排气、进排气重叠、主要进气和过后充气5个阶段。如图6-7。,图6-7,37,1）自由排气阶段 （图6-7，bbe）图中的b为排气门开启时刻，b为下止点时刻。排气门在下止点前开启，提前的角度叫排气提前开启角 。排气门刚开始时，缸内废气压力较高，排气压力和缸内压力之比等于或小于临界压力比 ，出现超临界流动；随 着排气门开大，缸内压力迅速下降，排气压力变化，气体流动转入亚临界状态。在某一时刻两个压力接近，即e点，为自由排气阶段结束，一般在下止点后10 30CA（曲轴扭转角）。,图6-7,38,2）强制排气阶段（ed段）：此阶段发生在排气行程中，缸内废气被活塞上行强行排出。 排气延迟：指排气门在上止点后关闭。其作用是利用排气系统中气流惯性从气缸中抽吸废气。一般在上止点后10 40CA （曲轴扭转角）,39,3）进、排气重叠阶段（drr）： 该阶段在上止点附近，始点为进气门开启时刻d，终点为排气门关闭时刻r。进气提前角和排气延迟角叫气门重叠度（图6-8）。气门重叠期间，进气管、气缸、排气管是连通的，当进气管压力大于排气管压力时，新鲜空气可进入气缸，并驱赶废气。这样有利于充气，又可以降低燃烧室周围的气缸盖、排气门、活塞顶及缸套的温度。非增压柴油机的气门重叠度一般为2050CA。增压柴油机的气门重叠度一般为80160CA。,图6-8,40,4）主要进气阶段（ra）：它发生在进气行程中，活塞向下止点运动。在非增压柴油机中，活塞的抽吸受大气压力作用；在增压柴油机中，由于增压空气的压力作用，新鲜空气充入气缸。在非增压柴油机中，缸内压力低于大气压力 或低于进气箱压力 ；在增压柴油机中，缸内压力高于大气压力 ，并且有波动。终点为下止点a，此时，进气门尚未关闭。,41,5）后充气阶段(aa)：发生在由下止点到进气门关闭阶段。活塞向上运动，可利用进气箱与气缸内的压差和进气流动的惯性，能较多地充入空气。其进气门关闭延迟至下止点后的角度称进气延迟角 。一般 =2060CA.,42,（2）二冲程柴油机的换气过程 1）二冲程柴油机的换气的基本形式。按空气在气缸内的流动路线分为弯流换气和直流换气。 弯流换气形式：弯流换气的气口布置在气缸套下部，由活塞运动来控制开闭；扫气空气先从下往上流动，到缸盖后再往下流动，形成弯曲流动路线。又分横流换气形式（图6-9）和回流换气形式（图6-10）。,43,直流换气形式：直流换气（图6-11），气缸下部一整圈进气口和缸盖上的排气口进行换气，空气下进上出流动，将废气从上部排气口排出。其特点是换气质量好，空气消耗量小，阻力小。,44,2）二冲程柴油机的换气过程：分自由排气、强制扫气和额外充、排气三个阶段（图6-12）。 自由排气阶段（BR）： 本阶段从排气口开启时刻BD点到扫气空气开始进入汽缸的时刻R点（该点压力为扫气阶段汽缸内平均压力 的时刻）。 排气口开启时刻到扫气空气开启时刻BD为初排气阶段。活塞下行打开扫气口（D点）时，缸内压力 大于进气箱内压力 ，空气不能进入汽缸，直到缸内压力低,图6-12,45,于 时，才开始流入。由于扫气口开启小而排气口已开得较大，气流又由从排气口冲出惯性，故废气不会倒流到进汽箱。 自由排气阶段内，废气在压力差作用下自由外流；初期时缸内压力、温度较高，与排气管压力之比超过临界压力比，为超临界流动；随着缸内压力下降，压力比逐渐降低临界压力比，随后转入亚临界流动。,46,b. 强制扫气阶段（RC）： 本阶段是从空气进入汽缸的R点到扫气口关闭时刻C点止。活塞先下行到下止点，转而上行至关闭扫气口；扫气箱、汽缸、排气管联通，在压力差作用下完成扫气过程，即有空气进入汽缸，也有废气一同进入排气管。开始时，排气口的开度大于扫气口开度，流出气体多于流入气体，直到最低点R；随后，扫气口开大，大量空气流入，汽缸压力上升。,47,c. 额外排气（额外充气）阶段（CE）： 本阶段是从扫气口关闭时刻C点直到排气口关闭时刻E点。这时，汽缸内基本是空气，会有部分空气从排气口逸出。 在角面图中，面积AHR相当于排气口的自由排气角面值；面积HCMN为扫气口的强制扫气角面值；面积CEF为排气口的额外排气角面值。,48,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 （一）混合气形成概述 在柴油机中，柴油以高压喷射的方式喷入燃烧室，与缸内被压缩了的高温、高压空气混合形成可燃混合气体自行发火。可燃混合气体的质量对燃烧过程有决定性的影响。柴油喷入在上止点前1025曲轴转角开始，延续1535曲轴转角，混合气形成时间极短。如1000r/min为例，只有0.00250.0058s，在喷油延续时间内，燃烧和喷油同时进行。 汽油机的混合气是通过化油器在缸外与空气混合形成的，混合气质量好。柴油机的混合是在缸内进行的，混合气质量较差。为了使柴油机形成良好的混合气，要求燃油喷射、进气系统和燃烧室良好地匹配，使混合气在缸内有一定的涡流。,49,（二）柴油机燃烧室 为了改善混合气质量，柴油机的燃烧室做成： 统一式燃烧室（开式燃烧室或直接喷射式燃烧室） 它由汽缸盖底平面、活塞顶面及汽缸壁所形成的统一容积构成。统一式燃烧室又分开式、半分开式、球形油膜式及复合式等型式。,（1）开式燃烧室中燃烧室的气流运动微弱，为了使燃料分布到整个燃烧室空间，活塞顶部凹坑应浅而大，必须采用多孔喷油嘴，高的喷射压力。（图6-13）,图6-13,50,（2）半分开式燃烧室：它由2部分组成，一部份是活塞顶上较深的凹坑，凹坑直径小，构成活塞顶燃烧室；另一部分是活塞顶部余隙空间。其混合气体的形成是靠喷雾和空气在凹坑内产生挤压涡流形成的。（图6-14）,图6-14,51,（3）球形油膜燃烧室（图6-15） 它的燃烧室呈球形位于活塞顶内。靠油膜蒸发以形成混合气体的。喷油嘴将燃油（9095%)喷到燃烧室壁上形成油膜，在较低温度下蒸发，以控制燃油的裂解反应。蒸发的油气与空气形成混合气。具有这种燃烧室的柴油机工作柔和、噪音小，排烟少，并且可使用多种燃料。但冷车启动困难。,图6-15,52,（4）复合式燃烧室（图6-16）： 这种燃烧室如图所示，燃烧室呈U型凹坑。它把空间雾化与油膜蒸发结合起来。喷油的一部分沿壁面成油膜（蒸发），另一部分在空间雾化。,图6-16,分隔式燃烧室 这种是把燃烧室分成两个部分，即活塞顶部的主燃烧室和顶盖中的副燃烧室，二者联通。又可分为涡流室和预燃室两种。,53,（1）涡流室式燃烧室（图6-17）：图中为95系列柴油机采用的燃烧室。图6-17b为95系列柴油机采用的“钟罩形”涡流室，其上部为球面，中部为柱面形，下部为压入平面镶块。镶块中间有主通道6，依靠活塞中心一侧有一小孔起作用，机组启动时，少量燃油经过该小孔直接喷入燃烧室，有利于启动。,图6-17,54,活塞顶部主燃烧室采用“双涡流凹坑”、“铲击形凹坑”，它可以在高转速时获得良好的性能指标。另外有“双楔形凹坑” （图6-18），它可以加速火焰的扩张，缩短后燃烧阶段，有利于提高经济性。,图6-18,55,（2）预燃室式燃烧室：如图6-19所示，在主燃室与预燃室之间有通道相通。预燃室容积较小约为总容积的2540%。喷油嘴装在预燃室的一端，对准其中心线。 在压缩时，主燃室中的空气进入预燃室，形成紊流；当压缩过程快结束时，喷油器将燃油喷入预燃室。由于预燃室氧气不足，喷入的燃油只有部分在其中燃烧，未燃燃料和燃烧产物一起高速进入主燃室，并在其中形成强烈的紊流，使燃油和空气充分混合，达到完全燃烧。 预燃室式柴油机具有工作柔和，但热损失较大，冷车启动困难，经济性较差。,图6-19,56,二、燃料供给系统 作用： 柴油机燃料供给系统应根据机组负荷的需要、燃烧规律，在一定时间内将一定数量的燃油以喷雾形式喷入汽缸，在其中良好地混合燃烧。 组成：油箱、柴油粗滤器、柴油精滤器、输油泵、喷油泵、喷油器、燃油管系及调速器等。图6-20。,图6-20,燃油流动过程：油箱分前后两部分。之间有油管连接。柴油由后油箱2经油箱开关先进入沉淀杯3，除去油的水分和杂质，然后进入柴油滤清器。输油泵7是为了向喷油泵8供油。柴油进入喷油泵后，通过油泵柱塞而提高压力，然后流向喷油器11，喷入汽缸。,57,喷油泵(略讲） 作用：喷油泵是重要部件，是根据工况需要，定时、定量、定压地将燃料喷入汽缸。 结构与型式：最多的是柱塞式喷油泵（图6-21）。 工作过程：利用柱塞在套筒内上下移动来完成吸油与压油过程。当柱塞移动到下端时，套筒上的2个油孔被打开，泵体低压腔的燃油迅速流入柱塞上部空间（泵油室）。当柱塞升起，从柱塞上升到遮盖油孔前，燃油被挤出，流回泵体低压油腔。当柱塞遮盖油孔时，开始压油，柱塞继续上行，油室内燃油压力急剧升高，当压力升高到一定值时将油阀顶开，燃油经高压油管流到喷嘴。,图6-21,58, 柱塞套筒上的油孔被柱塞上端圆柱面完全遮盖的时刻称为理论供油始点。柱塞继续上行时供油继续。压油过程持续到柱塞上的螺旋斜槽让开柱塞筒上油孔时为止。当油孔被打开燃油便从油室经柱塞上的纵向槽和柱塞套筒的会油孔流回泵体的低压油腔。这时柱塞腔内油压下降，出油阀在弹簧和高压油泵中油压作用下，落回阀座，喷嘴停止喷油。此后柱塞继续上行，供油终止。柱塞下移并打开进油孔，燃油再次充入油室，重复下一供油过程。柱塞套筒上的回油孔被柱塞斜槽打开的时刻称为理论供油终点。从理论供油始点到理论供油终点这一行程称为柱塞的有效行程。,59, 柴油机的功率与每次循环的供油量有关，适当地增加供油量功率就增加，反之功率减少。为了适应负荷的要求，喷嘴的供油量必须在最大到0之间调整。喷油柱塞泵的行程是不变的，喷油量的大小只取决于柱塞上斜槽与套筒上回油孔的相对位置。改变柱塞于套筒的相对位置，就能改变泵油的行程，即改变喷油量。从图6-22可见，带落选斜槽的柱塞在套筒内转动时，随柱塞斜槽对套筒回油孔位置（即有效行程）的改变而变化。柱塞转动的角度不同，柱塞的有效行程就不同，其供油量也不同。,图6-22,60,柱塞斜槽最长段对着回油孔，柱塞向上运动，套筒上上回油孔被遮住时间最长，供油量最大，这一位置称柴油机全负荷最大供油量位置； 当柱塞转到对着回油孔的螺旋斜边长度变短，柱塞向上运动时泵油行程较小，供油量较小，这一位置称柴油机部分负荷供油量位置； 当柱塞转到柱塞上的直槽正好对着回油孔，柱塞向上运动，柱塞上的燃油只是被挤压，通过与回油孔的直槽倒流到套筒周围的低压油腔，泵油行程不供油，这一位置称柴油机停车不供油量位置。 转动柱塞改变供油量的装置称油量控制机构。常见的有：轮式和拨叉式油量控制机构。 柴油机供油开始时刻一般在压缩行程上止点前的某一曲轴转角（称几何供油提前角）一般为10 30 。,61,喷油器 作用：将燃料以一定压力，按一定方向喷入燃烧室，与高温、高压空气混合。 分类：常用的为闭式喷油器，又可以分轴针式、多孔式喷油器。,62,（1）轴针式喷油器（图6-24）： 组成：由喷油器体、针阀体、针阀、推杆、弹簧、调节螺丝等组成。调节螺丝8是调预紧力，保证喷射压力。 工作过程： 高压柴油从高压油管接头12经喷油器体进入针阀体上的环形槽，流入下部空腔的高压柴油对针形阀产生向上的推力。 当推力克服弹簧力时，针形阀上移开启喷孔，柴油喷出。当油泵停止供油时，油压下降，弹力大于推力，针阀盖住喷孔，停止喷油。 这种喷油器常用于涡流室式、预燃室式和复合式燃烧室柴油机。,63,孔式喷油器（图6-25） 它和轴针式喷油器的主要区别在于头部喷嘴的结构区别。其针阀前端细长，不伸进喷孔，没有轴针；针阀只起启闭作用，燃油的喷射状态取决于喷孔的大小、方向和数目。 它可分为单孔和多孔式。 一般用于直燃式燃烧室的柴油机。,图6-25,64,三、调速器 柴油机的转速是随所带负荷而变化的。外界负荷小，转速上升，外界负荷增加，转速下降。对于负荷不断变化的工作机械（汽车、拖拉机、船舶和工程机械等），必须随负荷变化来调节供油量，使柴油机的扭矩与外界负荷相适应。即在柴油机上安装自动调节供油量的调速器。 调速器分机械式、气动式和液压式。其中，机械式调速器用途最广。它又分极限式、两极式、单程式和全程式。 机械式调速器是用钢球或飞锤作为感应元件，利用离心力推动某些部件转动而工作。,65,单程式调速器（图6-26） 组成 （如图6-26） 工作过程：调速器由曲轴通过齿轮带动，轴4上装有放置钢球的主动盘6。当钢球随固定盘旋转时，在离心力作用下钢球向外飞开。钢球左侧为挡板，右侧为滑套8，滑套的锥形盘在弹簧力作用下保持与钢球接触，杠杠9的两端分别与滑套和调节供油量的杠杆连接。调速弹簧一端固定，另一端压在杠杆上，使杠杆下端压紧滑套。杠杆可绕轴10转动，并带动拉杆2左右移动。当杠杆作反时针转动而左移时，供油量减少，反之则大。当曲轴转速升高时，钢球离心力 增大，轴向分力 企图推动滑套右移，并作用在杠杆9上。,图6-26,66,当曲轴转速升高时，钢球离心力 增大，轴向分力 企图推动滑套右移，并作用在杠杆9上。如果弹簧预紧力 产生的力矩大于 产生的力矩，滑套和杠杆9不动，调速器不起作用。 当曲轴转速升高到某一值 时， 和 产生的力矩相等。如果外界负荷减少，曲轴转速超过 ，则 产生的力矩大于 产生的力矩，滑套右移，并推动杠杆9反时针转动，供油量减少，直到 和 对支点的力矩相等为止，曲轴的转速稳定在比 略高转速上。,67,当外界负荷降到0时，离心力 和 轴向力 进一步增大，杠杆继续转动，供油量减少，使柴油机稳定在最高空转转速上为止。 这种调速器的调速弹簧的预紧力是不变的，调速器只在转速超过标定转速时才起作用，只有一个固定的调速范围，故称单程式调速器。,68,2. 两极式调速器（图6-27） 结构和工作： 两极式调速器结构如图6-27，调速弹簧由内外两根弹簧组成。两弹簧均有一定预紧力，在未工作前二者长度差为。这种调速器只是在低速和标定转速之间调节。 当发动机未工作时外弹簧将拉杆2推向最大供油位置。 发动机启动后，由于外弹簧较弱，钢球离心力克服弹簧力使杠杆9转动，供油量减少。,69,当转速升至某一转速 时，杠杆将弹簧座推到与内弹簧相接触，转速继续升高，但 仍不能推动杠杆转动。因此在低转速下，调速器只能在满负荷最低转速和 之间起作用，保证低速时工作稳定。 为最低空转转速。,当转速增至标准转速时， 的力矩与内弹簧弹力力矩相平衡。如果转速稍有上升，杠杆9就开始转动，供油量减少；当负荷降到0时，调速器将供油减到较小转速，则达到最高空转转速。 转速在 和标定转速之间，调速器不起作用。,70,全程式调速器（图6-28） 结构与工作：其结构如图，扳动操纵杆4可使调节杆1摆动。 当调节杆向右摆时，调速弹簧3的预紧力增大，转速升高； 当调节杆向左摆时，调速弹簧3的预紧力减小，转速降低。,图6-28,调节杆1的摆动范围：调节杆向右到与最高转速限位螺钉5相碰时，调速弹簧3的预紧力最大，调速器在标定转速和最高转速内变化以调节供油量；调节杆与左端最低转速限位螺钉6相碰时，调速弹簧3的预紧力最小，调速器在最低满负荷转速与最低空转速其作用。,71,四、柴油机电控喷油系统(略) 为了提高发动机的动力性和经济性，改善有害物质的排放，使柴油机在整个工作范围内能实现喷油过程诸参数与运行工况得到最优匹配。将电子控制技术和计算机应用与燃油喷射装置，构成柴油机电控喷油系统。 柴油机电控喷油系统分两类：位置控制喷油系统，时间控制喷油系统。 位置控制喷油系统：该系统中，喷油泵、喷油器的结果及在柴油机上位置保持不变，匹配电子调速器、驱动器和传感器来改变拉杆、齿条、滑套的位置，调节喷油量和喷油时间，实现电子控制。 时间控制喷油系统：由高速电磁阀在电子控制单元（计算机、芯片）控制下实现喷油量、喷油规律、喷油时间的优化调节。如图6-29。,72,电控高压共轨式喷油系统工作原理： 高压油泵将高压抗燃油送共轨油管，再分别连接各缸喷油器。 进入喷油器的油一部分直接接针阀腔，一部分经三通阀到液压活塞腔。 液压活塞在弹簧作用下顶在针阀上端，,（图6-29 ）,在电信号作用下三通阀开启，液压活塞的燃油经三通阀回油箱，腔内压力剧降，针阀开启，高压燃油喷入燃烧室。 关闭三通阀的泄油通道后，共轨油管的高压燃油经三通阀流入液压活塞腔，活塞下移，关闭针阀，喷油终止。,73,第三节 汽油机燃料供给系统,一、汽油机燃料供给系统 1。作用：汽油机燃料供给系统的作用是保证供给汽油机各种工况下所需的可燃混合气。 2。组成：油箱，油管， 汽油滤清器，汽油泵、 化油器等（6-30）。,74,3。工作过程：汽油泵4将油箱1中的汽油吸送汽油滤清器3，经滤清后的汽油进入化油器5。汽油在化油器中雾化和蒸发，与经空气滤清器7来的空气混合，经油管流入汽缸，形成可燃混合气。 (1)化油器5： 化油器中混合气形成的质量对燃烧过程起着决定性作用。 (2) 滤清器3：用来出去汽油中的水分和杂质，常用的有沉淀杯式滤清器和滤芯式滤清器,75,(3)汽油泵： 作用:是将汽油吸出，克服滤清器、油管的阻力，按汽油机工作需要的压力的汽油量供给化油器；当汽油机熄火但曲轴仍在转动时，汽油泵应及时停止向化油器供油。 组成: 汽油泵一般为薄膜式汽油泵（图6-31）。它由上体和下体组成。上体主要由进油阀、出油阀及泵腔等组成；下体由泵膜、泵膜弹簧、泵膜拉杆、内摇臂、外摇臂及手摇臂组成。 工作: 泵膜在上下体之间，由偏心轮推动泵膜上下运动，造成上体泵腔容积变化，对汽油产生吸收作用，把汽油泵入化油器。,图6-31,76,77,1. 简单化油器的构造（图6-32）： 由浮子室9（浮子3、针阀2、量孔8等）、喷管4、喉管5构成。喉管上部是进气室，下部为混合室。 化油器中的喉管5的通流面积是变化的。空气通过喉部时，流速和压力要变化，速度最大，压力最低。 喷管4的一端位于浮子室进油孔8，另一端与喉部相连。 节气门6（可绕轴转动）位于混合室，流入汽缸的空气由节气门控制。当节气门的开度变大时，空气流量增大，喉部气流速度增大，压力减小。反之亦然。,图6-32,二、汽油机的简单化油器和可燃混合气的形成 汽油与空气的混合主要是靠化油器完成的。,78,可燃混合气的形成过程 汽油机进气时，活塞从上止点向下止点运动，空气经空气滤清器、化油器和进气管流入气缸。空气经化油器喉部时，流速增加，压力降低。 因作用于浮子室油面的大气压力大于喉部处的压力，汽油从喷嘴喷入喉管，进行雾化和蒸发。 并且，喷出的汽油受高速气流的冲击而变成油雾，增加汽油和空气接触面积，加速蒸发。,油雾随空气流动时，小油粒先蒸发、混合进入气缸；较大油粒在进气压缩阶段继续蒸发混合；直径大的油粒随着气流而沉积在进气管壁上，形成流动油膜，沿着进气管缓慢进入气缸，在流动中不断蒸发、混合进入气缸。,79,三、汽油机燃烧室 汽油机燃烧室是重要部件，直接影响充气系数、火焰传播速度、传热损失和不正常燃烧，即影响汽油机的性能。应予以高度重视。 燃烧室有侧置式、顶置式。广泛用的是顶置式。 （1）楔形燃烧室：布置在气缸盖内（图6-33），火花塞位于楔形高处进、排气门之间。气门倾斜布置。其优点是：结构较紧凑、燃烧速度快、火焰传播距离较短，抗爆性好，散热损失小，充气效率高。但缺点：初期燃烧速率大，压力升高率大，工作粗暴，燃烧温度较高，氮氧化物生成较多。,图6-33,80,（2）浴盆式燃烧室（图6-34）：布置在气缸盖上，其结构紧凑、散热损失小。和楔形燃烧室比较，充气性能和挤流效果较差。火焰传播路径较长，使汽油机的高速动力性能降低。,图6-34,图6-35,（3）半球形燃烧室（图6-35）：布置在气缸盖上，有较好的充气性能、结构紧凑、面容比小，火花塞置于燃烧室中央，火焰传播路径短，燃烧速率高，热损失小，高速动力性能好；但燃烧室涡流较弱，低速大负荷易引起爆炸，压力升高率高，工作粗暴，氮氧化物排放较多。,81,四、汽油机燃油喷射系统 这是一门新技术，其结构复杂，成本高。其优点：热效率高，不易爆炸，增加进气充气量，提高平均有效压力，提高汽油机运行性能，降低有害物产生和排放。得到广泛采用。 汽油喷射方式 （1）向缸内直接喷射。采用类似柴油机喷油嘴向缸内喷射燃油，由布置在喷射边缘的火花塞点燃。喷射时间在压缩行程末期上止点前30CA 左右开始压缩过程终了。 （2）向缸内盖进气道喷射。这是将燃油喷向进气门前气缸盖进气道中，可在进气门开启时间喷射，也可连续喷射。 （3）向进气道管道中喷射：喷油嘴装在进气道管道上，用较低的压力向进气道管道连续喷射，使燃油雾化和蒸发，形成均匀的混合气体进入气缸。,82,汽油喷射装置的类型：（略）分2类。 （1）机械汽油喷射装置（图6-36）： 这一装置是在各缸进气门外连续喷射。燃油由电动泵输送。它能使喷入的燃油量和进入的空气量以一定比例进入。在各种情况下，喷射系统能以合乎要求的空燃比混合气体供给汽油机，可降低燃油耗率和排气污染，提高动力特性。此装置还装有冷车启动喷嘴，暖机用暖机补偿器、附加空气补偿器。,图6-36,83,（2）电子控制汽油喷射系统图6-37） 它是利用计算机控制电磁阀式喷油器的开闭时间来调节喷油量。它以恒定压力在进气门前喷射，用传感器将节流的开度、空气流量、水温及转速等信息送入计算机。计算机根据不同工况的要求发出指令，调节喷油量和喷油时间。 这种电子控制汽油喷射系统能精确地控制空燃比，低温启动性能好，暖机工况下控制混合气体的加浓。控制空燃比的方法：速度密度法，空气流量法。,图6-37,84,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 将送入柴油机气缸的空气先通过压缩机压缩提高压力（密度）后，同时增加喷入气缸的燃料，能使功率得到大幅度提高。增压柴油机可提高动力特性，降低燃油消耗量。,二、增压方式 （1）机械增压系统（图6-38）：增压器由柴油机直接驱动，其工作原理如图所示。其特点是压气机1通过传动齿轮由曲轴带动。柴油机工作时，空气经压气机升压后进入进气管2，压气机耗功10%左右。它可使进气压力达0.130.17MPa，增加功率3050%。,85,86,（2）废气涡轮增压系统（图6-39）：压气机由柴油机废气驱动的涡轮所带动的称为废气涡轮增压。 工作原理如图所示。这种增压柴油机上的压气机是由废气涡轮驱动的，增压器与柴油机曲轴没有机械联系。柴油机排出的废气沿排气管1，经导气管2进入废气涡轮，推动其旋转。其特点是损失发动机的功率。它可使进气压力达0.130.5MPa，增加功率50300%。还可以改善燃烧过程、提高机械效率。,87,（3）复合增压系统：同时装有涡轮增压和机械驱动增压器。多用于2冲程柴油机。复合增压系统既可以串联增压系统和并联增压系统。它可保证启动和低转速低负荷时仍有必要的扫气压力。,88,三、增压柴油机的机械负荷和热负荷 柴油机增压后，燃烧压力提高，使柴油机各部件的机械应力增大，轴承负荷增大，气缸、活塞环的磨损加剧。因此，增压后，必须减少压缩比，加强主要部件的结构强度。 柴油机增压后，进气温度提高，最高燃烧温度也提高了，使得活塞、活塞环、气缸、气缸盖、排气门等部件温度提高。因此，对于增压柴油机，必须利用扫气对燃烧室进行冷却，用较大的过量空气系数，使温度下降；并用中间冷却期冷却增压空气。,89,第五节 内燃机的性能指标和特性 一、性能指标 为了对各类内燃机性能进行比较，常有动力性和经济指标来评价。有两种： 指示指标：以工质对活塞作功为基础的指标； 有效指标：以发动机曲轴输出功率为基础的指标。 （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个过程完善程度的一组参数。只考虑了工质在气缸内有关热量的各种损失。指示指标可以从示功图测量计算得出。,90,平均指示压力 如图6-40，示功图的闭合曲线面积代表工质在一个所作的指示功 。如果压缩曲线ac下面的压缩负功用高为 ，底 的矩形表示：膨胀曲线czb下面的正功功用高 ，底 的矩形表示，则这2个矩形面积之差，即矩形 的面积，代表一个循环的只是功 ，令 ，则有 （6-9） （6-9a） 式中： 为矩形 的高（MPa）； 为气缸工作容积（ ）； F为活塞顶投影面积（ ）； S为活塞行程（ ）。,91,分析图6-40，平均指示压力是一个假想的数值不变的压力作用在活塞上，在整个膨胀过程中所作的功与实际循环的指示功相等，这个假想不变的压力就称为平均指示压力。即 单位为（MPa），它是衡量发动机 实际循环强载程度的重要参数。,图6-40,（6-10）,92,指示功率 内燃机的指示功率 是单位时间内作用于活塞上的指示功。每个气缸每个循环作用于活塞上的指示功为： 考虑到柴油机不同类型，在上面公式中引入动作系数（循环行程数m），则整机指示功率为 式中，n为转速，r/min； i为柴油机气缸数（对于4冲程机，m=4，对于2冲程机，m=2；对于2冲程双动柴油机m=1）。,（6-11）,93,指示油耗率 和指示效率 内燃机的指示油耗率 和指示效率 是评价柴油机实际循环经济性的重要指标。指示油耗率是柴油机每小时发1kW指示功率时的燃油耗量，即 式中， 为内燃机每小时的油耗量，kg/h 。 内燃机的指示效率是实际循环指示功与所消耗燃料热量之比值，即指示功率为1kw工作一小时的当量热核指示燃油油耗完全燃烧放出热量的比值。每1kwh的热当量是3600*3600kJ，燃油的低热值为 kJ/kg ，则指示效率为 由上式可知，要提高效率 ，必须降低指示油耗率 。,（6-13）,（6-12）,94,（二）有效指标 平均有效压力 及有效功率 平均有效压力 是一种假想不变的压力。用 作用在活塞上，在一个行程所作的功，等于一个实际循环中经曲轴所输出的有效功。 是柴油机在一个循环中单位气缸工作容积在曲轴上所输出的有效功。 机械损失功：曲轴上有效功 小于活塞上指示功 ，二者之差叫机械损失功 。有效功率为：,（6-14）,95,也可以用平均有效压力形式表示平均机械损失压力，则平均有效压力 为 平均有效压力 是内燃机性能的重要指标，可用来评价不同排放量内燃机的动力性。在同样条件下， 值越高，内燃机的动力性越好。 内燃机的机械效率 ：内燃机的有效功率 与指示功率 之比称为内燃机的机械效率即 由式（6-11）可得有效功率为,（6-15）,（6-16）,（6-17）,96,2 有效耗油率 及有效效率 有效耗油率 是内燃机曲轴输出有效1kWh所消耗的燃油量，即 有效效率 表示燃料的热量转变为有效功的有效程度，在数量上等于1kWh的有效功率所消耗的热量之比，