《能源與動(dòng)力裝置》06 內(nèi)燃機(jī)

第六章內(nèi)燃機(jī)第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)的工作過程一、內(nèi)燃機(jī)工作過程（一）四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作過程1.第一沖程——進(jìn)氣沖程（圖6-1a）2.第二沖程——壓縮沖程（圖6-1b）3.第三沖程——工作沖程（燃燒與膨脹）（圖6-1c）4.第四沖程——排氣沖程（圖6-1d）圖6-1

四沖程內(nèi)燃機(jī)工作原理圖（二）二沖程內(nèi)燃機(jī)的工作過程第一沖程：掃氣及壓縮（圖6-2a，圖6-2b）第二沖程：燃燒、膨脹、排氣（圖6-2b，圖6-2c）圖6-2二沖程柴油機(jī)工作原理圖

二、內(nèi)燃機(jī)的熱力循環(huán)（一）理想循環(huán)和熱效率四個(gè)假設(shè)：1.工質(zhì)是理想氣體，在整個(gè)循環(huán)中保持物理及化學(xué)性質(zhì)不變，其狀態(tài)參量的變化完全遵守氣體狀態(tài)方程PV=MRT2.不考慮實(shí)際存在的工質(zhì)更換及漏氣損失，工質(zhì)數(shù)量保持不變，循環(huán)是在定量工質(zhì)下進(jìn)行的3.在絕熱等熵條件下，工質(zhì)在缸內(nèi)進(jìn)行壓縮和膨脹，工質(zhì)同外界無熱交換，工質(zhì)比熱為常數(shù)4.不考慮燃燒過程，用假想的定容放熱和定容或定壓加熱來代替實(shí)際的換氣和燃燒過程內(nèi)燃機(jī)的三種理想循環(huán)圖6-3理想循環(huán)示功圖三種理想循環(huán)熱效率等容加熱循環(huán)的熱效率為（6-1）

式中：ε為壓縮比，它表示壓縮過程中工質(zhì)容積的變化，即

（6-2）

由式（6-1）可以看出，等容加熱循環(huán)的熱效率只隨壓縮比ε與等熵絕熱指數(shù)k的變化而變化。由于k在實(shí)際循環(huán)中變化不大，因此，熱效率主要隨ε的增加而增加，但在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中，ε的增加受最高燃燒壓力Pz的限制。

圖6-3（b）為等壓加熱循環(huán)，它的熱效率為（6-3）

式中：為初膨脹比，即。由式（6-3）可以看出，是隨著ε、k和而變化的，ε與k對的影響與等容加熱循環(huán)中的情況相同。而的增大使下降。

圖6-3（c）為混合循環(huán)，它的熱效率為：（6-4）

式中：λ為壓力升高比，即。由式（6-4）可看出，隨、k、

和λ而變：混合加熱循環(huán)熱效率隨壓縮比ε、壓力升高比λ增大而增大，隨初膨脹比的增大而減小。在極端情況下，當(dāng)λ=1時(shí)，內(nèi)燃機(jī)即以等壓加熱循環(huán)方式工作；當(dāng)時(shí)，即以等容加熱循環(huán)方式工作。各種無氣噴射式柴油機(jī)的實(shí)際工作過程近似于混合加熱循環(huán)。（二）實(shí)際循環(huán)

圖6-4四沖程內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的P—V示功圖實(shí)際循環(huán)的特點(diǎn)：實(shí)際循環(huán)與理想循環(huán)相比較，由于實(shí)際循環(huán)的工質(zhì)的不同、有氣體流動(dòng)阻力、有傳熱損失、有不完全燃燒損失及漏氣損失，使其熱效率較低，循環(huán)做的功也較小。實(shí)際循環(huán)一般包括壓縮、燃燒、膨脹和換氣等過程1．壓縮過程壓縮過的作用：（1）擴(kuò)大工作循環(huán)的溫度范圍，以提高工作循環(huán)的熱效率。（2）使工質(zhì)得到更大的膨脹比，以輸出更多的功。（3）使工質(zhì)的溫度和壓力提高，為冷機(jī)起動(dòng)及著火創(chuàng)造條件。壓縮比的限制

壓縮過程中工質(zhì)與缸壁的熱交換圖6-5

壓縮過程曲線示意圖

2．燃燒過程

實(shí)際燃燒過程壓力線CZ不是一段直線，既不平行于縱坐標(biāo)也不平行于橫坐標(biāo)，而是以一段弧線與壓縮線和膨脹線圓滑相接，構(gòu)成如圖6-4所示的四沖程內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的示功圖。由于在燃燒過程中還存在高溫?zé)岱纸?、比熱變化、后燃、燃燒不完全損失等，使燃燒過程的工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)Tz及Pz大大低于理想循環(huán)的狀態(tài)參數(shù)值，熱效率及循環(huán)中所做的功也降低。3．膨脹過程

膨脹過程中工質(zhì)的傳熱過程圖6-6膨脹過程曲線示意圖4．換氣過程

A．自由排氣階段I（）

B．強(qiáng)制排氣階段II（ed）

C．進(jìn)、排氣重疊階段III（）

D．主要進(jìn)氣階段IV（）E．過后充氣階段V（）

圖6-7四沖程柴油機(jī)換氣過程的P-θ圖與角面圖圖6-8四沖程柴油機(jī)配氣定時(shí)示意圖

第二節(jié)柴油機(jī)的燃燒和燃料供給系統(tǒng)一、柴油機(jī)混合氣的形成及燃燒室1、混合氣形成概述2、柴油機(jī)燃燒室1）統(tǒng)一式燃燒室（亦稱直接噴射式燃燒室）

（1）開式燃燒室

1、噴油器；2、燃燒室

圖6-13統(tǒng)一燃燒室

（2）半分開式燃燒室

1、噴油器；2、活塞頂部余隙；3、活塞頂部燃燒室圖6-14半分開式燃燒室（3）球型油膜燃燒室

1、噴油器；2、球型燃燒室

圖6-15球型油燃燒室

（4）復(fù)合式燃燒室

1、噴油器；2燃燒室

圖6-16復(fù)合式燃燒室2）分隔式燃燒室

（1）渦流室式燃燒室

a）4125A柴油機(jī)：1-通道，2-雙連渦流室，3-主燃燒室b）S195柴油機(jī)：1-起動(dòng)噴孔，2-主燃燒室，3-主通道，4-渦流室，5-螺孔圖6-18主燃燒室形狀a、雙渦流；b、鏟擊形；c、雙楔形

（2）預(yù)燃室式燃燒室圖6-19預(yù)燃室1、預(yù)燃室，2、噴孔

二、燃料供給系統(tǒng)

495柴油機(jī)燃料供給系統(tǒng)1－前油箱2－后油箱3－沉淀杯4－柴油粗濾器5－柴油細(xì)濾器6－調(diào)速器7－輸油泵8－噴油泵9－高壓油管10－預(yù)熱塞11－噴油器1、噴油泵

1—齒桿，2—齒圈，3—管接，4—彈簧，5—輸油閥，6—輸油閥座，7—柱塞套筒，8—油道，9—螺釘，10—柱塞，11—螺釘，12—轉(zhuǎn)動(dòng)套，13—上承盤，14—彈簧，15—下承盤，16—調(diào)整螺釘，17—從動(dòng)筒，18—軸，19—滾輪，20—凸輪軸，21—凸輪油量調(diào)節(jié)原理

圖6-22油量調(diào)節(jié)原理

2、噴油器

（1）軸針式噴油器圖6-24閉式軸針式噴油器1—針閥，2—針閥體，3—噴油器螺帽，4—噴油器體，5—錐體，6—彈簧，7—墊圈，8—彈簧壓力調(diào)節(jié)螺釘，9—罩，10—彈簧罩，11—回油管接頭，12—高壓油管接頭，13—壓縮螺帽

（2）孔式噴油器

圖6-25孔式噴油器頭部結(jié)構(gòu)孔式噴油器與軸針式噴油器的主要區(qū)別在頭部噴嘴的結(jié)構(gòu)不同（圖6-25）。它的針閥前端細(xì)長，不伸進(jìn)噴孔，沒有軸針；針閥只起噴孔的啟閉作用，燃油的噴射狀況主要取決于噴孔的大小、方向和數(shù)目。這種噴油器用在直噴式燃燒室的柴油機(jī)上?？资絿娪推鞲鶕?jù)噴孔數(shù)又可分為多孔式（圖-25a）和單孔式（圖6-25b）。噴孔直徑為0.25～0.50毫米

多孔式（圖6-25a）和單孔式（圖6-25b）噴油器

圖6-25孔式噴油器頭部結(jié)構(gòu)

a）多孔式b）單孔式三、調(diào)速器

1、單程式調(diào)速器

圖6-26單程式調(diào)速器簡圖1—改變供油量的調(diào)節(jié)臂，2—拉桿，3—曲軸4—調(diào)速器軸5—調(diào)速器齒輪，6—主動(dòng)盤，7—鋼球，8—滑套，9—杠桿，10—定軸，11—調(diào)速彈簧

四、柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)

1-噴油器2-噴嘴3-活塞4-單閥孔5-電磁閥6-壓力傳感器7-共軌8-高壓供油泵圖6-29共軌式噴油系統(tǒng)第三節(jié)汽油機(jī)燃料供給系統(tǒng)一、汽油機(jī)燃料供給系統(tǒng)

1—油箱，2—油管，3—汽油濾清器，4—汽油泵，5—化油器，6—汽油表，7—空氣濾清器，8—消音器圖6—30汽油機(jī)燃料供給系統(tǒng)示意圖1—手搖臂，2—內(nèi)搖臂，3—泵膜拉桿，4—泵膜彈簧，5—下體，6—泵腔，7—出油閥，8—上體，9—出油閥彈簧，10—出油口，11—出油空氣室，12—出油閥，13—進(jìn)油口，14—進(jìn)油閥彈簧，15—泵膜，16—外搖臂回位彈簧，17—手搖臂半圓軸，18—外搖臂，19—偏心凸輪，20—搖臂軸圖6-31膜片汽油泵構(gòu)造示意圖二、簡單化油器和可燃

混合氣的形成1—空氣濾清器，2—針閥，3—浮子，4—噴管，5—喉管，6—節(jié)氣門，7—進(jìn)氣管，8—量孔，9—浮子室，10—進(jìn)氣預(yù)熱套管，11—進(jìn)氣門圖6-32簡單化油器及可燃混合氣形成原理示意圖三、汽油機(jī)燃燒室

1、楔形燃燒室

圖6-33CA-72型汽車汽油機(jī)鍥形燃燒室2、半球形燃燒室

圖6-34半球形燃燒室

3、浴盆形燃燒室

圖6-3525Y-6100Q型汽油機(jī)浴盆形燃燒室四、汽油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)

1、汽油噴射的方式

（1）向缸內(nèi)直接噴射

（2）向氣缸蓋進(jìn)氣道噴射

（3）向進(jìn)氣管中噴射

2、汽油噴射裝置的類型

（1）機(jī)械式汽油噴射裝置1-油箱2-電動(dòng)機(jī)油泵3-汽油機(jī)4-穩(wěn)壓儲(chǔ)油箱5-濾清器6-暖機(jī)補(bǔ)償器7-壓力調(diào)節(jié)器8-怠速調(diào)節(jié)螺釘9-空氣計(jì)量器感器10-附加空氣補(bǔ)償器11-水溫傳感器12-主噴油器13-冷起動(dòng)噴油器14-怠速空氣調(diào)節(jié)螺釘15-節(jié)氣門16-燃油分配器圖6-36GP型或310型汽油噴射系統(tǒng)（2）電子控制汽油噴射系統(tǒng)1-燃油箱2-電動(dòng)汽油泵3-燃油濾油器4-壓力調(diào)節(jié)器5-控制單元6-點(diǎn)火線圈7-高壓分電器8-火花塞9-噴油器10-節(jié)氣門11-節(jié)氣門開關(guān)12-空氣流量計(jì)13-電位計(jì)和空氣溫度傳感器14-氧傳感器15-發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器16-旋轉(zhuǎn)式怠慢傳感器17-轉(zhuǎn)速與參記號(hào)傳感器18-蓄電池19-點(diǎn)火啟動(dòng)開關(guān)20-空氣調(diào)節(jié)開關(guān)圖6-39Motronic電子控制汽油噴射系統(tǒng)第四節(jié)

柴油機(jī)增壓系統(tǒng)

一、增壓是提高柴油機(jī)功率的主要手段

通過壓氣機(jī)預(yù)先壓縮進(jìn)氣以提高進(jìn)氣密度,從而可以增加噴油量，提高柴油機(jī)功率。二、增壓方式

1）機(jī)械增壓系統(tǒng)

消耗輸出功率為10%左右

增加功率30~50%進(jìn)氣壓力達(dá)0.13~0.17Mpa

1、壓氣機(jī)葉輪；2、進(jìn)氣管

圖6-40機(jī)械增壓

2）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

空氣壓力達(dá)0.13~0.5Mpa提高功率50%~300%

1、4--排氣管，2--渦輪導(dǎo)向器，3--廢氣渦輪葉片，5--增壓器葉輪，6、9--進(jìn)氣管，7--擴(kuò)散器，8--蝸形管

圖6-41廢氣渦輪增壓的柴油機(jī)簡圖

3）復(fù)合增壓系統(tǒng)

除了應(yīng)用渦輪增壓器外，還裝有機(jī)械驅(qū)動(dòng)式增壓器。這種增壓系統(tǒng)稱為復(fù)合增壓系統(tǒng)，復(fù)合增壓系統(tǒng)多用于二沖程柴油機(jī)上。復(fù)合增壓系統(tǒng)又可分為串聯(lián)增壓系統(tǒng)和并聯(lián)增壓系統(tǒng)。在二沖程柴油機(jī)上采用復(fù)合增壓系統(tǒng)是為了保證起動(dòng)和低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)仍有必要的掃氣壓力。

三、增壓柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷柴油機(jī)增壓后，由于最高燃燒壓力提高，使得柴油機(jī)各部件的機(jī)械應(yīng)力提高，軸承負(fù)荷增大，氣缸、活塞環(huán)等磨損加劇。因此非增壓柴油機(jī)改為增壓柴油機(jī)時(shí)，必須適當(dāng)減小壓縮比，加強(qiáng)主要部件（如曲軸等）的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。柴油機(jī)增壓后進(jìn)氣溫度提高，最高燃燒溫度也隨之提高，使得活塞、活塞環(huán)、氣缸、氣缸蓋、排氣門等零件的溫度提高。為此，對增壓柴油機(jī)必須利用掃氣對燃燒室進(jìn)行冷卻，用較大的過量空氣系數(shù)，使燃燒溫度下降；并用中間冷卻器冷卻增壓空氣。第五節(jié)內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)和特性

一、性能指標(biāo)

這里重點(diǎn)介紹兩種指標(biāo)：動(dòng)力性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)有兩種：以工質(zhì)對活塞作功為基礎(chǔ)的指標(biāo)稱為指示指標(biāo)；以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出功率為基礎(chǔ)的指標(biāo)稱為有效指標(biāo)

(一)指示指標(biāo)

內(nèi)燃機(jī)的指示指標(biāo)是表示工質(zhì)在氣缸內(nèi)經(jīng)歷的循環(huán)各過程完善程度的一組參數(shù)。1.指示功與平均指示壓力

指示功

kJ平均指示壓力

MPa

圖6-40指示功Wi與平均指示壓力Pi

2．指示功率Ni

內(nèi)燃機(jī)的指示功率Ni是每單位時(shí)間內(nèi)作用于活塞上的指示功

n—轉(zhuǎn)速，r/min；i—柴油機(jī)氣缸數(shù)；m—?jiǎng)幼飨禂?shù)，對四沖程柴油機(jī)m=4，對二沖程柴油機(jī)m=2，對二沖程雙動(dòng)柴油機(jī)m=1

3．指示油耗率及指示效率

指示油耗率是柴油機(jī)每小時(shí)發(fā)出1kW指示功率時(shí)燃油消耗量，即

g/kW·hmf

為內(nèi)燃機(jī)每小時(shí)耗油量，kg/h指示效率是實(shí)際循環(huán)指示功與所消耗燃料熱量之比值，亦即為指示功率為1KW工作一小時(shí)的熱當(dāng)量和指示燃油油耗完全燃燒放出的熱量的比。每千瓦小時(shí)的熱當(dāng)量是3600×103千焦，燃油的低熱值為HU千焦/公斤，則指示效率為

（二）有效指標(biāo)

常用的有效指標(biāo)有平均有效壓力Pe、有效功率Ne、有效燃油耗率ge及有效效率。1．平均有效壓力Pe及有效功率Ne平均有效壓力是一個(gè)假想的不變的壓力。是柴油機(jī)在一個(gè)循環(huán)中單位氣缸工作容積在曲軸上輸出的有效功。曲軸輸出端實(shí)測的有效功Ne是小于指示功Ni，兩者之差叫做機(jī)械損失功Nm

內(nèi)燃機(jī)的有效功率與指示功率之比叫做機(jī)械效率，即由計(jì)算Ni的式子可得有效功率的計(jì)算公式，即：

KW

2．有效油耗率ge及有效效率

有效油耗率是內(nèi)燃機(jī)曲軸輸出有效1KW小時(shí)所消耗的燃油量，即

g/KW·h

有效效率表示燃料所含的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ挠行С潭龋跀?shù)值上等于1KW小時(shí)的有效功率與所消耗的熱量之比，即

二、內(nèi)燃機(jī)特性

通常將內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)稱為工況，由工作機(jī)（負(fù)載）的阻力特性確定。內(nèi)燃機(jī)的特性有三種：速度特性；負(fù)荷特性；

推進(jìn)特性.

圖6-41