内燃机- 北极光的日志- 网易博客

内燃机

2010-04-20 17:06:00 阅读5 评论0 字号:

内燃机(Internal combustion engine)是将液体或与空气混合后,直接输入机器内部燃烧产生再转化为机械能的一种。内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点。但是内燃机一般使用石油燃料,同时排出的废气中含有害气体的成分较高。 

  

 

旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机,也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等,但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。

  活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合,在其气缸内燃烧,释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功,再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出,驱动从动机械工作。

  常见的有柴油机和汽油机,通过将内能转化为机械能,是通过做功改变内能。

拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇,以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居xx,它在人类活动中占有非常重要的地位。

  活塞式内燃机起源于用火药爆炸获取动力,但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年,英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力,并且{dy}次提出了燃料与空气混合的概念。1833年,英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。

  之后人们又提出过各种各样的内燃机方案,但在十九世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年,法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构,设计制造出{dy}台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环。这台煤气机的热效率为4%左右。

  英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩,随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用,并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年,法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后,提出提高内燃机效率的要求,这就是最早的四冲程工作循环。

  1876年,德国发明家奥托(Otto)运用罗沙的原理,创制成功{dy}台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机,仍以煤气为燃料,采用火焰点火,转速为156.7转/分,压缩比为2.66,热效率达到14%,运转平稳。在当时,无论是功率还是热效率,它都是{zg}的。

  奥托内燃机获得推广,性能也在提高。1880年单机功率达到11~15千瓦(15~20马力),到1893年又提高到150千瓦。由于压缩比的提高,热效率也随之增高,1886年热效率为15.5%,1897年已高达20~26%。1881年,英国工程师克拉克研制成功{dy}台二冲程的煤气机,并在巴黎博览会上展出。

  随着石油的开发,比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意,首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年,德国的戴姆勒(Daimler)创制成功{dy}台立式汽油机,它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200转/分,它却一跃而达到800转/分,特别适应交通动输机械的要求。1885~1886年,汽油机作为汽车动力运行成功,大大推动了汽车的发展。同时,汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小船的动力。

  1892年,德国工程师狄塞尔(Diesel)受面粉厂粉尘爆炸的启发,设想将吸入气缸的空气高度压缩,使其温度超过燃料的自燃温度,再用高压空气将燃料吹入气缸,使之着火燃烧。他xx的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功,为内燃机的发展开拓了新途径。

  狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环,以求获得{zg}的热效率,但实际上做到的是近似的等压燃烧,其热效率达26%。压缩点火式内燃机的问世,引起了世界机械业的极大兴趣,压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。

  这种内燃机以后大多用柴油为燃料,故又称为柴油机。1898年,柴油机首先用于固定式发电机组,1903年用作商船动力,1904年装于舰艇,1913年{dy}台以柴油机为动力的内燃机车制成,1920年左右开始用于汽车和农业机械。

  早在往复活塞式内燃机诞生以前,人们就曾致力于创造旋转活塞式的内燃机,但均未获成功。直到1954年,xx德国工程师汪克尔(Wankel)解决了密封问题后,才于1957年研制出旋转活塞式发动机,被称为汪克尔发动机。它具有近似三角形的旋转活塞,在特定型面的气缸内作旋转运动,按奥托循环工作。这种发动机功率高、体积小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便,但由于它燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想,所以还只是在个别型号的轿车上得到采用。

往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。

  气缸是一个圆筒形金属机件。密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。各个装有气缸套的气缸安装在机体里,它的顶端用气缸盖封闭着。活塞可在气缸套内往复运动,并从气缸下部封闭气缸,从而形成容积作规律变化的密封空间。燃料在此空间内燃烧,产生的燃气动力推动活塞运动。活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作旋转运动,曲轴再从飞轮端将动力输出。由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分。

  活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。活塞呈圆柱形,上面装有活塞环,借以在活塞往复运动时密闭气缸。上面的几道活塞环称为气环,用来封闭气缸,防止气缸内的气体漏泄,下面的环称为油环,用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下,防止润滑油窜入气缸。活塞销呈圆筒形,它穿入活塞上的销孔和连杆小头中,将活塞和连杆联接起来。连杆大头端分成两半,由连杆螺钉联接起来,它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时,连杆小头端随活塞作往复运动,连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线作旋转运动,连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动。

  曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动,并将膨胀行程所作的功,通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去。飞轮能储存能量,使活塞的其他行程能正常工作,并使曲轴旋转均匀。为了平衡惯性力和减轻内燃机的振动,在曲轴的曲柄上还适当装置平衡质量。

空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入气缸。膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管,{zh1}经排气消声器排入大气。进、排气门的开启和关闭是由凸轮轴上的进、排气凸轮,通过挺柱、推杆、摇臂和气门弹簧等传动件分别加以控制的,这一套机件称为内燃机配气机构。通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成进排气系统。

  为了向气缸内供入燃料,内燃机均设有供油系统。汽油机通过安装在进气管入口端的化油器将空气与汽油按一定比例(空燃比)混合,然后经进气管供入气缸,由汽油机点火系统控制的电火花定时点燃。柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入燃烧室,在高温高压下自行着火燃烧。

  内燃机气缸内的燃料燃烧使活塞、气缸套、气缸盖和气门等零件受热,温度升高。为了保证内燃机正常运转,上述零件必须在许可的温度下工作,不致因过热而损坏,所以必须备有冷却系统。

  内燃机不能从停车状态自行转入运转状态,必须由外力转动曲轴,使之起动。这种产生外力的装置称为起动装置。常用的有电起动、压缩空气起动、汽油机起动和人力起动等方式。

  内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程,其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数,工作循环可分为四冲程和二冲程两类。

  四冲程是指在进气、压缩、做功(膨胀)和排气四个行程内完成一个工作循环,此间曲轴旋转两圈。进气行程时,此时进气门开启,排气门关闭。流过空气滤清器的空气,或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气,经进气管道、进气门进入气缸;压缩行程时,气缸内气体受到压缩,压力增高,温度上升;膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火,使混合气燃烧,产生高温、高压,推动活塞下行并作功;排气行程时,活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始,进行下一个工作循环。

  二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环,此期间曲轴旋转一圈。首先,当活塞在下止点时,进、排气口都开启,新鲜充量由进气口充入气缸,并扫除气缸内的废气,使之从排气口排出;随后活塞上行,将进、排气口均关闭,气缸内充量开始受到压缩,直至活塞接近上止点时点火或喷油,使气缸内可燃混合气燃烧;然后气缸内燃气膨胀,推动活塞下行做功;当活塞下行使排气口开启时,废气即由此排出,活塞继续下行至下止点,即完成一个工作循环。

  内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气的主要作用是尽可能把上一循环的废气排除干净,使本循环供入尽可能多的新鲜充量,以使尽可能多的燃料在气缸内xx燃烧,从而发出更大的功率。换气过程的好坏直接影响内燃机的性能。为此除了降低进、排气系统的流动阻力外,主要是使进、排气门在最适当的时刻开启和关闭。

  实际上,进气门是在上止点前即开启,以保证活塞下行时进气门有较大的开度,这样可在进气过程开始时减小流动阻力,减少吸气所消耗的功,同时也可充入较多的新鲜充量。当活塞在进气行程中运行到下止点时,由于气流惯性,新鲜充量仍可继续充入气缸,故使进气门在下止点后延迟关闭。

  排气门也在下止点前提前开启,即在膨胀行程后部分即开始排气,这是为了利用气缸内较高的燃气压力,使废气自动流出气缸,从而使活塞从下止点向上止点运动时气缸内气体压力低些,以减少活塞将废气排挤出气缸所消耗的功。排气门在上止点后关闭的目的是利用排气流动的惯性,使气缸内的残余废气排除得更为干净。

  内燃机性能主要包括动力性能和经济性能。动力性能是指内燃机发出的功率(扭矩),表示内燃机在能量转换中量的大小,标志动力性能的参数有扭矩和功率等。经济性能是指发出一定功率时燃料消耗的多少,表示能量转换中质的优劣,标志经济性能的参数有热效率和燃料消耗率。

  内燃机未来的发展将着重于改进燃烧过程,提高机械效率,减少散热损失,降低燃料消耗率;开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源;减少排气中有害成分,降低噪声和振动,减轻对环境的污染;采用高增压技术,进一步强化内燃机,提高单机功率;研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机等;采用微处理机控制内燃机,使之在{zj0}工况下运转;加强结构强度的研究,以提高工作可靠性和寿命,不断创制新型内燃机变气门,变升程,变相位,甚至停掉几个缸的技术,都没能做到在行进中连续变缸径,但有等效的。

  这种发动机有一个桶形缸体,桶底后,桶底中间有圆孔。还有一个缸体,好像一根筷子穿过一张厚的圆饼并粘合,筷子就是轴,这个轴也穿过桶形缸体底部的孔,饼形体也纳入桶中,封闭成一个空心圆柱体的缸腔。这个缸腔的容积是可以变化的,比如只要固定桶,用机械装置或者液压装置抽动轴就可以实现。

  桶底从圆孔的边到桶的内避割条缝,插入一个矩形板;饼面从圆边到轴割条缝,也插入一块矩形板,两块矩形板可以把缸腔一分为二,成为两个密封缸腔,{dy}密封缸腔和第二密封缸腔。其中一个密封缸腔从桶壁的矩形板本侧开口,充入高压气体,或充入油气混合物并点燃;第二密封腔从桶壁上与前一开口相隔一个矩形板的位置开口放气。固定桶,矩形板就牵引饼和筷子转动,反过来也行。

  {dy}个密封腔从最小、充气到转过一定相位(转角)就停止供气,可以用阀门或者控制油气供应量来实现。由于高压气体膨胀,装置会继续转动,{dy}密封缸腔内的气压会降低,直到稍微低于环境气压,这样会产生转动阻力。于是第二个矩形板需要在头部靠近边缘开一个孔,安装单向阀,向内补气。如果当初的气压适当,在第二块矩形板转到第二开口的时候,{dy}密封缸腔的气压正好等于或接近于环境气压,这是最经济的。第三种情况是还有少量余压。

  当两个矩形板快要相遇的时候,需要避让。于是从桶的裙部内圆刻成曲线滑槽,装上滑动块,滑动块与第二块矩形板连接;从轴穿出桶底的一侧套装一个空心圆柱体,外圆面刻曲线滑槽,装上滑动块,与{dy}块矩形板连接。滑槽由圆和摆线构成,控制矩形板前冲、顶住和抽回。桶底和饼都够厚,所以不会抽脱。第二块矩形板在转动方向上,和饼一块转动;在轴向上,则由桶上的滑槽控制,所以变换容积的时候仍能抵住桶的底部。同样道理,{dy}块矩形板总是能抵住饼的内表面。

  这种装置在一个着力面上沿弧形轨迹,把高压气体的内能转化为动能,是一种动力机械装置。反过来,也可以在机械的带动下反向转动,制取压缩空气,或者作为一个刹车器。做一个容量小的压气装置,制取高压油气,配上点火装置,再做一个容量动力机械装置,将燃烧后大量高温高压气体的内能转化为动能,就是一台发动机。

  它做功的轨迹是一段弧,而且可以无级的改变容量,也就意味着可以改变发动机排量。配合油门,可以改变燃烧后气压,灵活改变转速;改变排量,配合变速器,在一定范围内可以适应各种负荷,而且采取上述“最经济的”方式。如果多套矩形板对置使用,可以减轻轴的弯曲;它是连续排气的,因而噪音低;可以多套缸错相联轴,动力平稳。它可以{zd0}限度的减少余压排放,而且在不同负载下都能采取最经济的工况,所以是好用节能技术。

  作为一类发动机,不同于蒸汽机、活塞发动机和三角转子发动机。叫作“可变容弧缸发动机。”

内燃机在船舶上应用

  船上用的内燃机通用柴油作燃料,故称柴油机。柴油机动力装置是现代船舶上的主要动力装置。现代船舶和舰艇的主机是船用柴油机。

  烧汽油的内燃机叫汽油机,烧煤气的叫煤气机,汽油机、煤气机功率小,仅用在小型船舶上。

<#--{zx1}日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--相关日志--> <#--推荐日志--> <#--推荐阅读--> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构-->
郑重声明:资讯 【内燃机- 北极光的日志- 网易博客】由 发布,版权归原作者及其所在单位,其原创性以及文中陈述文字和内容未经(企业库qiyeku.com)证实,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。若本文有侵犯到您的版权, 请你提供相关证明及申请并与我们联系(qiyeku # qq.com)或【在线投诉】,我们审核后将会尽快处理。
—— 相关资讯 ——