新聞主題	發(fā)動機(jī)工作原理簡單解釋

 

摘要：發(fā)動機(jī)的基本工作原理是利用燃料和氧氣燃燒產(chǎn)生的熱能來產(chǎn)生機(jī)械能量。發(fā)動機(jī)是由活塞，連桿，缸體，曲軸，凸輪軸，點(diǎn)火系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)，燃油系統(tǒng)等幾大部件組成的，它們通過某種形式的運(yùn)動來產(chǎn)生機(jī)械能量。發(fā)動機(jī)的工作過程可以分為四個(gè)階段：吸氣，壓縮，燃燒和排氣。發(fā)動機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)組的核心驅(qū)動部件，它的工作原理和操作方式對柴油發(fā)電機(jī)組的功率輸出和運(yùn)行起著決定性的作用。

 

一、發(fā)動機(jī)概述

 

       現(xiàn)代使用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，其特點(diǎn)是燃料在其發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒，將其所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。外形如圖1所示，基本工作原理如圖2所示。

1、發(fā)動機(jī)的分類

（1）根據(jù)所用燃料不同，有柴油機(jī)（用柴油）、汽油機(jī)（用汽油）。

（2）根據(jù)工作原理可分為四沖程和二行程兩種。

（3）根據(jù)氣缸數(shù)目，有單缸和多缸（如2缸、4缸、6缸、8缸、12缸等）。

（4）根據(jù)氣缸排列方法，有直列式、V型、星型等。

（5）根據(jù)冷卻方法不屆，有水冷式和風(fēng)冷式。

（6）根據(jù)額定轉(zhuǎn)速不同，有低速（600r/min以下）、高速（1000r/min以上）和介述兩者之間的為中速。

（7）根據(jù)進(jìn)氣方式不同，有自吸式（或稱非增壓式）與增壓式。

2、名詞解釋

（1）上死點(diǎn)——活塞在氣缸中能達(dá)到的最上端位置。

（2）下死點(diǎn)——活塞在氣缸中能達(dá)到的最下端位置。

活塞行程——活塞從上死點(diǎn)移動到下死點(diǎn)，或從下死點(diǎn)移動到上死點(diǎn)所運(yùn)動過的距離叫活塞行程，叫沖程。常用S表示，S＝2R，即等于曲軸半徑R也的兩倍，相當(dāng)于曲柄回轉(zhuǎn)180°。

（3）氣缸直徑一一氣缸通稱直徑，常用D表示，單位為mm。

（4）燃燒室容積-活塞位于上死點(diǎn)時(shí)，活塞頂與氣缸蓋底面之空間叫燃燒室，其容積為燃燒室容積，以Vc表示。

（5）氣缸工作容積-活塞從上死點(diǎn)移動到下死點(diǎn)，所掃過的空間容積叫氣缸的工作容積，以Vs表示，它等于Vs＝1/4－π D²S。

（7）氣缸總?cè)莘e-活塞在下死點(diǎn)時(shí)，活塞頂以上的全部空間稱氣缸總?cè)莘e，即燃燒室容積與氣缸工作容積之和，以Va表示。

（8）壓縮比氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比值稱為壓縮比，以ε表示。壓縮比越大，壓縮終了時(shí)的壓力與溫度就越高，它是發(fā)動機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。

（9）標(biāo)定功率（額定功率Ne）-發(fā)動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)能向外輸出的最大功率，Ne是指在一定條件下，連續(xù)12h正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最大功率。單位為KW。1馬力＝0.735KW。標(biāo)定功率分為15分鐘功率、1小時(shí)功率、12小時(shí)功率、持續(xù)功率。

      通常與發(fā)電機(jī)配套的柴油機(jī)選用12h功率和持續(xù)功率作為標(biāo)定功率。當(dāng)選用12h功率作為標(biāo)定功率時(shí)，說明柴油機(jī)在標(biāo)定功率下（標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況時(shí)）連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為12h，其中包括超過10％標(biāo)定功率情況下連續(xù)運(yùn)行l(wèi)h；當(dāng)選用持續(xù)功率作為標(biāo)定功率時(shí)，表示柴油機(jī)允許長期連續(xù)運(yùn)行，其中包括可超過10％標(biāo)定功率情況下運(yùn)行l(wèi)h。通常持續(xù)功率為12h功率的90％。

（10）燃油消耗率ge-是計(jì)量發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，單位是g/KWh。指在1h內(nèi)，輸出1KW功率所消耗燃油的克數(shù)。

 

圖1  柴油發(fā)動機(jī)三維幾何模型圖

圖2  發(fā)動機(jī)工作原理示意圖

 

二、柴油機(jī)原理與結(jié)構(gòu)

 

1、四沖程柴油機(jī)的基本工作原理

      柴油發(fā)動機(jī)燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能是在氣缸中通過進(jìn)氣、壓縮、作功（燃燒和膨脹）、排氣四個(gè)行程（也稱一個(gè)工作循環(huán)）來完成的，故稱四沖程柴油發(fā)動機(jī)。

（1）進(jìn)氣行程

      如圖3所示。此時(shí)進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉。曲軸沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)，活塞從上死點(diǎn)往下移動，活塞頂部讓出的空間不斷增大，其空間形成一定的真空度，氣缸內(nèi)壓力低于外界大氣壓，于是外界空氣就經(jīng)過進(jìn)氣門被吸入氣缸中。當(dāng)活塞到了下死點(diǎn)時(shí)，曲軸回轉(zhuǎn)了半轉(zhuǎn)。（計(jì)180°），氣缸內(nèi)充滿了空氣，但因受空氣濾清器與進(jìn)氣門的阻擋，氣缸內(nèi)壓力略低于大氣壓。進(jìn)氣終了時(shí)，氣缸內(nèi)壓力為0.07～0.1MPa，溫度為5℃至30℃。

（2）壓縮行程

      如圖4所示。曲軸繼續(xù)沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)，這時(shí)進(jìn)氣門已經(jīng)關(guān)閉，排氣門仍然關(guān)看，因而活塞上行就壓縮空氣?？諝獗粔嚎s后，由于其體積的縮小，氣體的密度就增加，因而它的壓力和溫度都隨著增加。直到活塞移動到上死點(diǎn)，即壓縮終了。此時(shí)曲軸又回轉(zhuǎn)了半周（計(jì)360°）。這時(shí)缸內(nèi)氣體由最大容積減少到最小的容積。當(dāng)壓縮終了時(shí)，壓力為3～5MPa，溫度可達(dá)600～700℃，大大超過了柴油在此壓力下的自然溫度?？諝獾捏w積也由最大的氣缸總?cè)莘e被壓縮到最小的燃燒室容積，可見壓縮比愈大，壓縮力也愈大，發(fā)動機(jī)功率和經(jīng)濟(jì)性就能增加。但壓縮比的提高是有一定限度的。否則將影響熱效率并使機(jī)體受力過大導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作不正常。（壓縮比的大小，已由制造廠決定，使用維護(hù)時(shí)必須保持其原有的比值）。

 

圖3  柴油機(jī)進(jìn)氣行程(以自然吸氣為例)

圖4  柴油機(jī)壓縮行程

 

（3）作功行程

      如圖5所示。此時(shí)，進(jìn)、排氣門仍關(guān)閉著。氣缸頂部的噴油嘴開始向氣缸內(nèi)噴射柴油。噴油嘴是以高壓（17～21MPa的壓力）將柴油噴入氣缸中，故噴出的是霧狀柴油。當(dāng)霧化了的柴油與氣缸內(nèi)的高壓、高溫氣體相遇后，很快著火燃燒并迅速蔓延，使燃燒加劇。由于熱膨脹的作用，氣缸內(nèi)很快形成高溫高壓氣體（最高壓力6～100Pa；最高溫度達(dá)1800～2000℃），推動活塞向下移動，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)推動曲軸旋轉(zhuǎn)，向外傳遞動力。當(dāng)活塞到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)，完成作功行程，同時(shí)曲軸又回轉(zhuǎn)了半周（計(jì)540°），燃燒基本結(jié)束，氣缸內(nèi)的壓力和溫度急劇下降，壓力降至0.2～0.5MPa，溫度降至600～750℃。

（4）排氣行程

      如圖6所示。此時(shí)排氣門打開，進(jìn)氣門關(guān)網(wǎng)，曲柄沿箭頭方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動，活塞則從下死點(diǎn)向上移動，把燃燒后的廢氣從氣缸中經(jīng)排氣門排出直到上死點(diǎn)，這時(shí)排氣結(jié)束，曲軸又回轉(zhuǎn)了半周（計(jì)720°）。當(dāng)活塞再往下移動時(shí)，第二次循環(huán)又開始了。如此往復(fù)運(yùn)動，使柴油機(jī)不斷地轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生動力對外作功。

      在四個(gè)行程中，只有第三個(gè)行程是作功行程，其余三個(gè)行程實(shí)為耗功行程，但又是必須的輔助行程。

 

圖5  柴油機(jī)做功行程

圖6  柴油機(jī)排氣行程

 

2、四沖程柴油機(jī)的基本構(gòu)造

      四沖程柴油機(jī)其結(jié)構(gòu)型式很多，具體構(gòu)造也有所區(qū)別。但發(fā)動機(jī)的總體結(jié)構(gòu)基本相似。即具有帶機(jī)體的兩大機(jī)構(gòu)和四大系統(tǒng)：

（1）帶機(jī)體的曲軸連桿機(jī)構(gòu)。

      主要包括氣缸體、氣缸蓋、活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、曲軸、飛輪、軸承和曲軸箱等。這是組合各機(jī)構(gòu)使發(fā)動機(jī)借以產(chǎn)生動力并傳遞動力的機(jī)構(gòu)，即通過它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動輸出動力。

（2）配氣和進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)。

      主要包括進(jìn)氣門、排氣氣門、凸輪軸及時(shí)規(guī)齒輪，挺桿、推桿、進(jìn)氣歧管、空氣濾清器。排氣歧管、排氣管和消聲器（增壓式柴油機(jī)另有增壓器）等。其作用是按發(fā)動機(jī)工作順序開、閉進(jìn)、排氣門，使新鮮空氣充入氣缸中，并排出燃燒后的廢氣。

（3）燃料供給系統(tǒng)。

      主要包括柴油箱、輸油泵、濾清器、噴油泵和調(diào)速器。噴油器及油管等。其作用是定時(shí)定量地向各個(gè)氣缸噴射柴油，與空氣混合后形成可壓燃的混合氣體。

（4）潤滑系統(tǒng)。

      主要包括油底殼、機(jī)油泵、機(jī)油限壓閥、機(jī)油濾清器、油壓表及感壓器。油溫表及感溫器等。其作用是將潤滑油供給摩擦部位，減輕磨損，冷卻機(jī)體，并清潔摩擦表面和保護(hù)摩擦表面，不受氧化和銹蝕。

（5）冷卻系統(tǒng)。

      主要包括水散熱器、水泵、水套、節(jié)溫器、進(jìn)水管、出水管、放水開關(guān)、水溫表及感溫器、風(fēng)扇等。其作用是利用冷卻介質(zhì)把受熱零件的熱量及時(shí)傳遞到大氣中，以保持發(fā)動機(jī)在適宜的溫度下工作。

（6）起動系統(tǒng)。

      主要包括電源（蓄電池、電流電壓調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)）。起動機(jī)和便于低溫起動的附屬裝置（如進(jìn)氣管預(yù)熱裝置，壓力霧化火焰起動裝置，乙醚起動裝置和起動預(yù)熱器等）。

 

三、汽油機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)

 

1、工作原理

       四沖程汽油機(jī)的工作原理與柴油機(jī)一樣，也是包括進(jìn)氣、壓縮、作功與排氣四個(gè)行程，示功圖如圖3、圖4所示。其不同之處是燃料供給方式與點(diǎn)燃方式不一樣，主要區(qū)別為：

① 汽油機(jī)的燃料是在進(jìn)氣時(shí)，隨吸入的新鮮氣體在汽化器內(nèi)與吸出的汽油混合成各種所需混合氣體再吸入氣缸中壓縮；

② 汽油機(jī)的壓縮比也比柴油的低。ε＝6.5-7.2：1，而柴油機(jī)ε＝16～22：1；

③ 汽油機(jī)氣缸中的可燃混合氣體，在壓縮終了時(shí)是通過安裝在活塞頂部的一個(gè)火花塞發(fā)出的強(qiáng)烈的電火花來點(diǎn)燃的。

④ 柴油機(jī)與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)熱效率比較高，省油使用經(jīng)濟(jì)性好，使用壽命長、扭矩大，工作安全可靠。缺點(diǎn)是工作噪音大、粗暴，要求受力零件強(qiáng)度高，因而零件的尺寸和重量較大，制造成本也較高。與此相反，汽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)輕巧、制造方便、工作平穩(wěn)和起動容易等優(yōu)點(diǎn)，但不適宜重負(fù)荷工作。

2、基本結(jié)構(gòu)

      四沖程汽油機(jī)的構(gòu)造形式與柴油機(jī)基本相同。所不同的是因燃料（汽油）的供給方式和著火方式不一樣，其系統(tǒng)的構(gòu)造形式有一定的區(qū)別。

（1）燃料供給系統(tǒng)

① 汽油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)的組成由汽油箱、汽油泵、汽油濾清器，汽化器（又名化油器，現(xiàn)在新系列的發(fā)動機(jī)全部已改為電噴）等。

② 汽化器專門用來將空氣和汽油在進(jìn)入汽缸前制配成各種數(shù)量和質(zhì)量的混合氣體，再吸入氣缸。發(fā)動機(jī)的工況是通過操縱汽化器內(nèi)的節(jié)氣門和阻風(fēng)門來控制轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的。發(fā)動機(jī)的工作狀況有起動、怠速、中等負(fù)荷、全負(fù)荷、突然加速五種工況。

③ 汽油發(fā)動機(jī)為了提高進(jìn)氣壓力，增加充氣量，有些也采用增壓器，使發(fā)動機(jī)的功率增加，機(jī)械效率上升，污染減少等，尤其在高原（西藏高原海撥4000m以上），或空中運(yùn)行欲保持馬力不變，更加需要采用增壓器。

（2）點(diǎn)火系統(tǒng)

      汽油機(jī)進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣和汽油的混合氣體是依靠電火花來點(diǎn)燃的。

① 點(diǎn)火系統(tǒng)的作用

      按照發(fā)動機(jī)的工作順序，準(zhǔn)確、可靠地產(chǎn)生高壓電火花，點(diǎn)燃經(jīng)壓縮后的可燃混合氣體。點(diǎn)火系統(tǒng)由電源（蓄電池、電流電壓調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)）、點(diǎn)火開關(guān)（電鑰匙）、點(diǎn)火線圈、附加電阻、電容器、分電斷續(xù)器、火花塞、低壓電線和高壓電線組成。

② 工作原理

      發(fā)動機(jī)啟動，必須打開點(diǎn)開關(guān)，隨著外力使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動（啟動后也不能關(guān)閉，否則，發(fā)動機(jī)馬上熄滅）。分電斷續(xù)器（內(nèi)由分電器、斷續(xù)器、離心式調(diào)節(jié)器、真空式調(diào)節(jié)器等組成），即開始接通和切斷點(diǎn)火線圈內(nèi)的一次線圈使磁場變化，從而感應(yīng)點(diǎn)火線圈的二次線圈使之產(chǎn)生高壓電（約10000～18000V），再通過分電器，將高壓電按發(fā)動機(jī)工作順序引至各缸的火花塞，在火花塞間隙處跳火，點(diǎn)燃壓縮后的混合氣體。

      離心式和真空式調(diào)節(jié)器均是自動調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)間的機(jī)構(gòu)。

 

圖7  發(fā)動機(jī)示功圖（P-V圖）

圖8  發(fā)動機(jī)壓力圖（P-φ圖）

 

四、二沖程發(fā)動機(jī)的基本工作原理

 

      二沖程柴油機(jī)的全部工作循環(huán)是在活塞的二個(gè)沖程內(nèi)即曲軸旋轉(zhuǎn)一周（360°）完成的。它的進(jìn)氣和排氣不像四沖程柴油機(jī)那樣有單獨(dú)的沖程，而是在壓縮和作功二個(gè)沖程內(nèi)進(jìn)行的。在二沖程柴油機(jī)中，新鮮空氣是由掃氣泵壓入氣缸的。廢氣除了一部分依靠廢氣與大氣的壓力差自由地排出外，其余部分是由壓入氣缸中的新鮮空氣所擠出，這個(gè)擠出的過程稱為掃氣過程。

      二沖程柴油機(jī)有直流掃氣和彎流掃氣等類型，但它們的工作原理都是相同的?，F(xiàn)以氣口一氣閥直流掃氣二沖程柴油機(jī)為例說明二沖程柴油機(jī)的工作原理。

（1）第一沖程--掃氣和壓縮。

      活塞從下死點(diǎn)上行時(shí)，在遮閉掃氣口之前，新鮮空氣通過掃氣泵、掃氣口壓入氣缸內(nèi)，把氣缸中的廢氣擠出。隨著活塞的上行，掃氣口逐漸被遮閉，當(dāng)活塞把掃氣口完全遮閉時(shí)（P-V圖中的點(diǎn)1），排氣閥也差不多在這時(shí)關(guān)閉，壓縮過程開始進(jìn)行。當(dāng)活塞到達(dá)2時(shí)，噴油開始，到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)的空氣壓力達(dá)到3.5-4.5兆帕（35-45千克力/厘米²），溫度達(dá)到700-800℃。

（2）第二沖程--工作和排氣。

      當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)前10-300的位置時(shí)，柴油開始從噴油器以霧狀噴入氣缸，與氣缸內(nèi)的高溫氣體混合后，即自行發(fā)火燃燒（P-V圖中2-3曲線），燃燒所產(chǎn)生的燃?xì)馔苿踊钊滦凶龉?。燃燒時(shí)最高壓力達(dá)5-8兆帕（50-80千克力/厘米²），最高溫度達(dá)1600-1800℃。

（3）在以后的運(yùn)行中，燃燒產(chǎn)物發(fā)生膨脹，直到排氣閥打開時(shí)為止（點(diǎn)4）。排氣閥打開的時(shí)間，比活塞掀開掃氣口的時(shí)間稍早，這樣就有一段自由排氣過程（點(diǎn)4-5）。當(dāng)掃氣口打開時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力可以從300-500千帕（3-5克力/厘米²）降低到接近大氣壓力。

（4）當(dāng)曲軸從點(diǎn)5經(jīng)過點(diǎn)6（下死點(diǎn)）轉(zhuǎn)到點(diǎn)1的期間內(nèi)，氣缸內(nèi)進(jìn)入了掃氣空氣，繼續(xù)進(jìn)行殘余廢氣的排除工作。

（5）氣缸內(nèi)充氣過程的終點(diǎn)（點(diǎn)1）是由掃氣口和排氣閥關(guān)閉的時(shí)刻來決定的，排氣閥有的與進(jìn)氣口同時(shí)關(guān)閉，有的或稍早一點(diǎn)。在二沖程柴油機(jī)中，進(jìn)氣過程終點(diǎn)氣缸內(nèi)壓力一般都高于大氣壓力，其值與掃氣空氣壓力有關(guān)。

（6）活塞再上行時(shí)，第一沖程又開始，工作循環(huán)依上述程序重復(fù)進(jìn)行。

 

五、多缸發(fā)動機(jī)的工作次序

 

     以上所述，無論是四沖程還是二行程發(fā)動機(jī)，每個(gè)工作循環(huán)中，只有作功行程是對外作功的，其余行程都是輔助行程。它們不僅不對外作功，而且還要消耗一部分能量（用于壓縮氣體和克服進(jìn)、排氣的阻力），這將使發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻，且難以起動。為了改善運(yùn)轉(zhuǎn)均勻性，便要應(yīng)用多缸發(fā)動機(jī)。

       在多缸發(fā)動機(jī)中，各缸共用一根曲軸，每個(gè)氣缸內(nèi)部都進(jìn)行著相同的工作循環(huán)，每個(gè)活塞都承受著作功壓力而且都推動同一根曲軸旋轉(zhuǎn)。如果將各缸作功行程合理地錯(cuò)開，就能使曲軸旋轉(zhuǎn)的均勻性大大提高，飛輪的尺寸和重量，則可大為減少。

（1）如四缸四沖程發(fā)動機(jī)常用的工作次序?yàn)?-3-4-2，有的為（1-2-4-3），此時(shí)各缸的相互關(guān)系見表1。

（2）六缸四沖程發(fā)動機(jī)六個(gè)曲柄按1-5-3-6-2-4在圓周方向各間隔120°，在曲軸每兩轉(zhuǎn)（即720°）內(nèi)各缸交替作功的間隔為720/6＝120°。各缸完成四個(gè)行程，見表2。

表1    四缸四沖程發(fā)動機(jī)（1-3-4-2）工作次序

表2    六缸四沖程發(fā)動機(jī)（1-5-3-6-2-4）工作次序

總結(jié)：

      內(nèi)燃機(jī)是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的發(fā)動機(jī)，具有高效節(jié)能、功率密度大、啟動方便、適應(yīng)性強(qiáng)和維護(hù)簡單等特點(diǎn)。內(nèi)燃機(jī)的工作原理包括進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣四個(gè)階段，通過燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動活塞運(yùn)動，從而將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。內(nèi)燃機(jī)廣泛應(yīng)用于移動電站、集裝箱柴發(fā)機(jī)組以及固定式發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域。

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