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昆明云内动力股份有限公司柴油发动机基础原理培训资料2008 11 08 内燃机基本原理 内燃机是将燃料燃烧释放出来的热能转变为机械能的一种能量转换装置 在内燃机机中燃料与空气混合 燃烧 产生高温 高压的工作气体 它作为热能的载体推动活塞 通过连杆 曲轴向外输出机械功 由于这一能量转变过程完成是在发动机的内部完成的 所以成为内燃机 根据着火方式 燃料类别 冲程数和进气状态等的不同 内燃机又常常分为各种不同的类型 内燃机基本原理 基本定义四冲程柴油机 柴油机完成进气 压缩 燃烧 排气4个工作过程 即一个循环 曲轴需要旋转两周 即活塞四个行程 二冲程柴油机 柴油机完成进气 压缩 燃烧 排气4个工作过程 即一个循环 曲轴需要旋转一周 即活塞两个行程 柴油机和汽油机的比较 柴油机与汽油机的技术优势比较 柴油发动机结构基本术语 压缩比 气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比 用 表示 va 气缸总容积 vh 气缸工作容积 vc 燃烧室容积 发动机排量 多缸发动机各气缸工作容积的总和 称为发动机排量 用表示vl vl vh i vh 气缸工作容积 气缸排量 i 气缸数目 柴油发动机结构基本术语 工作循环 对于往复活塞式发动机 每进行一次能量转换 均要经过进气 压缩 作功 排气四个过程 这种周而复始的连续过程 称为发动机的一个工作循环 进气行程 压缩行程 做功行程 排气行程 内燃机基本原理 第一行程 进气行程 由进气门开始开启到进气门关闭为止 在活塞接近上止点时 排气门关闭 进气门打开 当活塞由上止点向下运行时 气缸内容积增加 压力降低 新鲜空气吸入气缸 第二行程 压缩行程 由进气门关闭到活塞移动到上止点为止 由于曲轴的旋转 活塞由下止点向上止点运动 进 排气门都关闭 气缸容积逐渐减少 空气被压缩 结果使气体的温度与压力都有明显上升 为燃油喷入气缸后能迅速燃烧创造有利条件 第三行程 燃烧膨胀行程 由压缩上止点开始到排气门开始开启为止 1 燃烧柴油机活塞在上止点前喷油器开始喷油 喷入期缸内的燃油借压缩终了的高温空气的热量自燃 2 膨胀活塞到达上止点后 在燃烧压力的推动下向下移动 过了最大燃烧压力点 柴油机进入膨胀阶段 气缸容积增加 压力和温度随之下降 第四行程 排气行程燃烧膨胀过程 活塞向下止点移动 为使气缸内的废气尽可能排得干净 排气门在活塞达到下止点前提前开启 部分废气开始排出气缸 当活塞由下止点向上运动时 废气在活塞的驱赶下迅速排除 活塞到达上止点 排气还未结束 直至活塞由上止点开始向下 进气门开启 排气门尚未关闭 仍在利用下一循环进入气缸的新鲜空气 继续扫除一部分废气 柴油发动机基本机构 柴油发动机基本机构 供油系统 供油系统按柴油机工作需要 将适量的燃油在适当的时刻内 以适当的空间状态喷入燃烧室 以保证混合气的形成及燃烧过程能在最有利的条件下进行 从而使柴油机获得良好的经济性 动力性 稳定性及满足排放 噪声等指标 供油系统应满足以下条件 1 应正确地供给与柴油机负荷相适应的油量 并保持各缸供油量的均匀性 2 应能自动改变喷油正时 以适应柴油机转速或负荷变化的需要 3 当柴油机转速和负荷变化时 供油系统应有足够的响应速度 提所需要的供油量 4 喷雾特性应与燃烧室有良好配合 应使柴油机能获得最佳的燃烧过程 5 可靠耐用 结构简单 制造容易 维修方便 柴油发动机基本机构 供油系统 柴油发动机基本机构 供油系统 公司国 和国 发动机供油系统的差异 柴油发动机基本机构 供油系统 共轨系统相对与传统喷油系统的优势 柴油发动机基本机构 冷却系统 使发动机得到适度的冷却 并保持其在最适宜地温度范围内工作 冷却系统由散热器 水泵 风扇 冷却水套和节温器装置等组成 通常利用节温器来控制通过散热器冷却水的流量 节温器装在冷却水循环的通路中 一般装在气缸盖的出水口 根据发动机负荷大小和水温的高低自动改变水的循环流动路线 以达到调节冷却系的冷却强度 当发动机在正常热状态下工作时 即水温高于76 节温器阀门打开了通往散热器的通道 同时关闭了通往水泵的旁通管 冷却水全部流经散热器 形成大循环 当冷却水温低于76 时 节温器阀门关闭了通往散热器的通道 同时打开了通往水泵的旁通管 水套内的水只能由旁通孔流出经旁通管进入水泵 又被水泵压入发动机水套 此时冷却水并不流经散热器 只在水套与水泵之间进行小循环 从而防止发动机过冷 当发动机的冷却水温在70 80 范围内 通往散热器的通道和通往水泵的旁通管均处于半开闭状态 此时一部分水进行大循环 而另一部分水进行小循环 冷却系的大小循环定义 柴油发动机基本机构 润滑系统 油底壳 机油泵 滤清器 冷却器器 传感器和油压力表等组成 润滑作用 润滑运动零件表面 减小摩擦阻力和磨损 减小发动机的功率消耗 清洗作用 机油在润滑系内不断循环 清洗摩擦表面 带走磨屑和其它异物 冷却作用 机油在润滑系内循环带走摩擦产生的热量 起到冷却作用 密封作用 在运动零件之间形成油膜 提高它们的密封性 有利于防止漏气或漏油 防锈蚀作用 在零件表面形成油膜 对零件表面起保护作用 防止腐蚀生锈 液压作用 润滑油可用作液压油 起液压作用 如液压挺柱 减震缓冲作用 在运动零件表面形成油膜 吸收冲击并减小振动 起减震缓冲作用 柴油发动机基本机构 配气机构 按照发动机每个气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求 定时开启和关闭气缸的进 排气门 使新鲜可燃混合气 汽油机 或空气 柴油机 得以及时进入气缸 废气得以及时从气缸排出 凸轮轴的传动方式 柴油发动机基本机构 气门数目及排列方式 配气机构 柴油发动机基本机构 配气相位 配气机构 上止点 气门从开启到关闭所经历的曲轴转角 称为配气相位 柴油发动机基本机构 气门重叠 当进气门早开和排气门迟关时 出现的进排气门同时开启的现象 配气机构 气门重叠角 气门同时开启的角度 气门重叠角 排气过程 进气过程 柴油发动机基本机构 废气涡轮增压器的工作原理 将排气管1接到增压器的涡轮壳4上 柴油机排出的具有一定压力的高温废气经涡轮壳4进入喷嘴环2 由于喷嘴环的通道面积做成由大到小 因而废气的压力和温度下降 而速度却迅速提高 这个高温高速的废气气流 按一定方向冲击涡轮3 使涡轮高速旋转 废气的压力 温度和速度越高 涡轮转速也越高 通过涡轮的废气最后排入大气 这时与涡轮3固装在同一根转子轴5上的压气机叶轮8也以相同的速度旋转 将经滤清器滤清过的空气吸入压气机壳 高速旋转的压气机叶轮把空气甩向叶轮的外缘 使其速度和压力增加 并进入形状做成进口小出口大的扩压器7 因此气流的速度下降压力升高 再通过断面由小到大的环形压气机壳9使空气压力继续升高 高压空气流经柴油机进气管10进入气缸与更多的柴油混合燃烧 以保证发动机发出更大的功率 图废气涡轮增压工作原理示意图1 排气管 2 喷嘴环 3 涡轮 4 涡轮壳 5 转子轴 6 轴承 7 扩压器 8 压气机叶轮 9 压气机壳 10 进气管 柴油发动机基本机构 优点 增压系统 增压的目的在于增加每工作循环充入气缸内的空气量 从而可以相应增加每工作循环柴油的供给量 使每工作循环作出更多的功 增加柴油机的输出功率 柴油机采用废气涡轮增压不仅可提高功率30 100 甚至更多 还可减小单位功率质量 缩小外形尺寸 节约原材料 降低燃油消耗 因为增压器增加的重量和尺寸都相对较小 而柴油机的功率可有较大提高 所以增压机单位功率的重量 尺寸将会相应减小 可使柴油机单位功率的造价降低 排气的噪声有所降低 对减少有害物质排放也会有所提高 在采用涡轮增压时 柴油机的热效率得到较大的提高 经济性将会得到改善 柴油机选配涡轮增压器的要求 柴油机应能达到预定的功率和经济指标 增压器应能供给柴油机所需要的增压压力和空气流量 增压器应能在柴油机的各种工况下稳定地工作 压气机不应出现喘振或堵塞现象 增压器应在柴油机的各个工况下都能高效率地运行 增压器在各种工况下都能可靠地工作 如增压器在柴油机满负荷时不出现超速 柴油机不出现排温超高 柴油发动机基本机构 增压系统 所谓柴油机增压就是增加进入气缸之前的空气压力 使进气密度增加 以增加进入气缸的空气质量 从而提高柴油机的功率 发动机机械性能开发试验 性能试验 1 台架性能试验1 燃油泵匹配2 燃烧室匹配3 喷油器匹配4 增压器匹配试验5 冷却功能试验6 润滑功能试验7 机油消耗试验8 符合特性试验9 可靠性试验 发动机机械性能开发试验 排放试验 柴油机排放的种类及其复杂 包括有害排放物和无害排放物 有害物质主要包括nox co hc pm 发动机机械性能开发试验 nox的生成机理 高温 富氧在柴油机中 预混合燃烧速率很快 又发生在上止点附近 有最长的焰后反应时间和最高的气体温度 对nox的生成极为有利 因此 柴油机中的nox生成量与参与预混合燃烧的燃油比例有很大关系 而影响参与预混合燃烧的燃油的量的多少主要由喷油速率决定的 在提前角一定的情况下 排放试验 hc的生成机理只有经历高温燃烧阶段 染油才能很快氧化为最终的稳定产物 如果燃烧室中某些染油不能经历高温燃烧阶段 那么他们或者缓慢氧化 或者经历低温燃烧阶段 最后总有hc排除 因此 大量产生hc的情况 1 燃油喷射贯穿过大 2 冷起动 怠速 底负荷时 燃油中大部分燃油不能及时蒸发 3 油嘴本省结构设计不当 特别是阀后压力室容积过大 4 起动时不着火 发动机窜机油 不正常喷射等 发动机机械性能开发试验 co的生成机理高温后缺氧是生成co的重要条件 排放试验 pm的生成机理柴油机的微粒排放物主要是碳烟粒子 柴油机的设计运行参数都会通过影响碳烟生成和氧化过程而对微粒的排放浓度产生影响 柴油机排放物的机内净化途径和措施 推迟喷油并适当提高喷油速率采用增压加中冷的措施选择低污染的燃烧系统燃油系统 进气系统和燃烧室的匹配利用可控机构和电控系统对不同运行条件实现排放的最佳控制提高油品质量 d19tci