第二章内燃机的工作原理
第二章 内燃机的工作原理
这一章我们将系统的讲解各种类型的内燃机的工作原理以及必须的一些基础知识!
第一节 柴油机的基本结构和主要名词
一.柴油机的主要机件和系统
1.固定机件:机座、机体、主轴承、气缸盖、气缸套等。
2.运动机件:曲轴、连杆、活塞、活塞销、连杆螺栓等。
3.配气机构:凸轮轴、顶杆、摇臂、气阀机构(进气阀、排气阀、器阀弹簧)等。
4.燃油系统:喷油泵、高压油管、喷油器等
5.辅助机件:进气管和排气管等
此外,对于整机而言,还有润滑、冷却、启动和控制等系统。
二.内燃机的主要名词
为了研究内燃机的工作原理,必须了解内燃机的几个主要名词
1.上止点:活塞距曲轴中心最远的位置。
2.下止点:活塞距曲轴中心最近的位置。
3.活塞冲程(S):上、下止点间的距离。
4.压缩室容积(Vc):活塞位于上止点时,活塞顶部与缸盖间的容积,又称燃烧室容积。
5.气缸工作容积(Vh):活塞上、下止点之间的容积称为一个汽缸的工作容积,它可以用气缸直径D(cm)由下式表示:
Vh=[(π*D*D)/4]*S*0.001
式中 S--活塞冲程(cm)。
6.气缸的最大容积(Va):活塞在下止点时,气缸的容积,即气缸工作容积与压缩容积的之和:
Va=Vh+Vc
7.气缸的总容积V,总排量:室内燃机所有汽缸工作容积的总和。即:
V=Vh*i (L)
式中 i--气缸数。
8.压缩比:气缸最大容积与压缩室容积的比直称为压缩比。
第二节 四冲程柴油机的工作原理
这一节介绍单缸柴油机的工作原理。
首先让我们看看下面的动画:[请点击动画中(四冲程柴油机示功图)观看]
柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的,这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。现对照上面的动画了说明它的工作理原。
一. 进气冲程
第一冲程——进气,它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气冲程开始时,活塞位于上止点,气缸内的燃烧室中还留有一些废气。
当曲轴旋转肘,连杆使活塞由上止点向下止点移动,同时,利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开。
随着活塞的向下运动,气缸内活塞上面的容积逐渐增大:造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力,因此外面空气就不断地充入气缸。
进气过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化的情况如动画所示。图中纵坐标表示气体压力P,横坐标表示气缸容积Vh(或活塞的冲S),这个图形称为示功图。图中的压力曲线表示柴油机工作时,气缸内气体压力的变化规律。从土中我们可以看出进气开始,由于存在残余废气,所以稍高于大气压力P0。在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流
动阻力,所以进气冲程的气体压力低于大气压力,其值为0.085~0.095MPa,在整个进气过程中,气缸内气体压力大致保持不变。
当活塞向下运动接近下止点时,冲进气缸的气流仍具有很高的速度,惯性很大,为了利用气流的惯性来提高充气量,进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行,但由于气流的惯性,气体仍能充人气缸。
二. 压缩冲程
第二冲程——压缩。压缩时活塞从下止点间上止点运动,这个冲程的功用有二,一是提高空气的温度,为燃料自行发火作准备:二是为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行,进气阀关闭以后,气缸内的空气受到压缩,随着容积的不断细小,空气的压力和温度也就不断升高,压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关,即与压缩比有关,一般压缩终点的压力和温度为:Pc=4~8MPa,Tc=750~950K。
柴油的自燃温度约为543—563K,压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多,足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。
喷入气缸的柴油,并不是立即发火的,而且经过物理化学变化之后才发火,这段时间大约有0.001~0.005秒,称为发火延迟期。因此,要在曲柄转至上止点前10~35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸,并使曲柄在上止点后5~10°时,在燃烧室内达到最高燃烧压力,迫使活塞向下运动。
三. 燃烧膨胀冲程
第三冲程——燃烧膨胀。在这个冲程开始时,大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量,因此气体的压力和温度便急剧升高,活塞在高温高压气体作用下向下运动,并通过连秆使曲轴转动,对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。
随着活塞的下行,气缸的容积增大,气体的压力下降,工作冲程在活塞行至下止点,排气阀打开时结束。
在动画中,工作冲程的压力变化这条线上升部分表示燃料在气缸内燃烧时压力的急剧升高,最高点表示最高燃烧压力Pz,此点的压力和温度为:
Pz=6~15MPa, Tz=1800~2200K 最高燃烧压力与压缩终点压力之比(Pz/Pc),称为燃烧时的压力升高比, 用λ表示。根据柴油机类型的不同,在最大功牢时λ值的范围如下:λ=Pz/Pc=1.2~2.5。
四. 排气冲程
第四冲程——排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去,以便充填新鲜空气,为下一个循环的进气作准备。当工作冲程活塞运动到下止点附近时,排气阀开起,活塞在曲轴和连杆的带动下,由下止点向上止点运动,并把废气排出气缸外。由于排气系统存在着阻力,所以在排气冲程开始时,气缸内的气体压力加比大气压力高0.025—0.035MPa,其温度Tb=1000~1200K。为了减少排气时活塞运动的阻力,排气阀在下止点前就打开了。排气阀一打开,具有一定压力的气体就立即冲出缸外,缸内压力迅速下降,这样当活塞向上运动时,气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净,排气阀在上止点以后才关闭。
在动画中,排气冲程曲线表示在排气过程中,缸内的气体压力几乎是不变的,但比大气压力稍高一些。排气冲程终点的压力Pr约为0.105~0.115MPa,残余废气的温度Pr约为850~960K。
由于进、排气阀都是早开晚关的;所以在排气冲程之末和进气冲程之初,活塞处于上止点附近时,有一段时间进、排气阀同时开起,这段时间用曲轴转角来表示,称为气阀重迭角。 排气冲程结束之后,又开始了进气冲程,于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的,故称四冲程柴油机。 在四冲程柴油机的四个冲程中,只有第三冲程即工作冲强才产生动力对外作功,而其余三个冲程都是消耗功的准备过程。为此在单缸柴油机上必须安装飞轮,利用飞轮的转动惯性,使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转。
第三节 四冲程汽油机工作原理
汽油机和柴油机的工作原理基本怕同,也是在有活塞上、下往复各两次的四个行程中,完成由进气、压引、燃烧膨胀和排气四个冲程所组成的一个工作循环。但是,由于汽油机所用的燃料是汽曲,其粘度小,容易蒸发,所以可燃混合气的形成以及点火方式都和柴油机不同,气缸气缸中的燃烧过程以及气体温度、压力的变化也和柴油机不同。
首先让我们看看下面的动画:
一. 进气冲程.
在进气冲程中,活塞从上止点向下正点移动,空气由空气滤清器经过进气管道上的化油
器将汽油吸出并雾化成细小的油粒与空气混合,即形成可燃混合气,而后进入气缸。由于进气系统对气流有阻力,所以进气冲程终了时,气缸内的可燃混合气的压力Pa比柴油机低,约为0.075~0.09MPa,温度Ta约为370~400K。气缸内压力的变化,如图2—6中的曲线f心所示。图中P0为大气压力, 和柴油机一样,由于进气开始时,气缸内残留着上—个工作循环未排净的废气,r点的压力Ar也略高于大气压力P0。
二. 压缩冲程
在进气冲程终了以后,进、排气阀关闭,活塞从下止点向上止点移动,可燃混合气被压缩,气体的压力和温度也随着不断升高,使那些未汽化好的汽袖进一步蒸发,并且和空气混合得更好。
压缩比对汽油机的功率和经济性影响很大,因为压缩比愈大,压缩终了时可燃混合气的压刀和温度也愈高,这可使火花塞点燃混合气后燃烧速度加快,作用在活塞上的气体压力亦增高,发动机的功率和经济性也提高。但压缩比过大时,可能引起可燃混合气过早燃烧和产生爆震,爆震使汽油机零件受到冲击负荷,破坏轴承油膜,加速机件磨损。因此汽油机的压缩比不能过大,一般为5~8.5,个别可达9.5~10。由此可见,汽油机的压缩比比柴油机低的多。压缩终点的气体压力和温度也比柴油机低,一般Pc=0.8~1.4MPa,Tc=600~700K。 由于混台气燃烧需要一定时间,为了提高热量利用率,汽油机需在上止点前10~30°CA(曲轴转角)提前点火。点火过早或过迟都会使汽油机功率降低。
三. 燃烧膨胀冲程
可燃混合气由火花塞点火后,立即放出大量的热,使气缸内气体的温度和压力急剧升高,最高温度Tz可达2200~2700K,最高燃烧压力Pz可达3~5MPa。高压气体膨胀,推动活塞从上止点向下止点移动,并通过连杆使曲轴旋转而作功。
由图可见,点火后,压力突然上升,曲线变化比柴油机更陡一些。在膨胀冲程终点b,压力Pb降低到0.4~0.5MPa,温度Tb降到1200~1500K。
四. 排气冲程
汽油机的排气冲程与柴油机的排气冲程基本相同。在排气冲程中,气体温度和压力进一步降低,[如动画中曲线所示]。排气终点的压力Pr约为0.105~0.115MPa,残余废气的温度Tr约为850~950K。可以看出示功图的形状和四冲程柴油机的示功图形状相似。不过由
于可燃混合气形成的方法不同,压缩比较小,所以进气线、压缩钱、膨胀线和排气线的变化情况不一样,各特征点的温度和压力值也不同。
五、四冲程柴油视与汽油机的比较
四冲程柴油机和汽油机比较,具有下列优点:
(1)柴油机的压缩比较高,气体膨胀较充分,热量利用程度较好,燃油消耗率比汽油机少30一40%左右。同时,柴油的价格比汽油便宜。因此,柴油机的使用经济性较好。
(2)柴油的密度比汽油大,相同容积的油箱可贮存较多重量的柴油。
(3)柴油比汽油容易储存和保管,不易发生火灾。特别是在舰艇上采用柴油机以减少作战中的火灾危险性。
(4)柴油机排气污染少。
(5)有利于改成多种燃料工作的多燃料内燃机,而使用柴油、汽油、煤油等工作。在作战条件下,可以就便用油。
(6)有利于采用增压方法提高功率、降低燃油消耗率。
柴油机的缺点是:
(1)柴油机燃烧时气体压力较高,为了保证受力零件的强度与刚度,机件比较笨重,同时,由于可燃混合气形成方法与汽油机不同,限制了转速的提高。因而,在功率相同的情况下,柴油机的尺寸和重量比汽油机大。
(2)由于柴油不易蒸发,柴油机低温起动性不如汽油机好。
(3)柴油机工作过程粗暴,噪音较大。
(4)柴油机每千瓦的金属用量较多,重要零件还要采用较好的材料,制造成本较高。 目前,船舶、内燃机车、重型汽车、拖拉机等从经济性方面考虑,绝大多数采用柴油机。
第四节 二冲程柴油机的工作原理
在四冲程柴油机中,活塞走四个冲程才完成一个工作循环,其中两个冲程(进气和排气),活塞的功用相当于一个空气泵。在二冲程柴油机中,曲轴每转一转,即活塞每两个冲程就完成一个工作循环,而进气和排气过程是利用压缩及工作过程的一部分来完成的,所以二冲程柴油机的活塞没有空气泵的作用,为了排除燃烧后的废气,并把新鲜空气充满气缸,
必须在柴油机上安装专用的扫气泵(增压器)。下面的动画是气阀式直流换气的二冲程柴油机的工作原理图。这种发动机的构造主要有以下特点:
(1)进气孔2布置在气缸下部,其高度约为活塞行程的10~20%左右。进气孔的打开和关闭,由气缸内运动的活塞来控制;
(2)排气阀布置在气缸盖上,由凸轮轴驱动,保证在曲轴转一转时,气阀打开一次;
(3)扫气泵3,由发动机通过传动齿轮传动,它将吸人的空气压缩至pk=0.123~0.13MPa,送入气缸周围的贮气室1中,用于清除气缸内的废气和充填新鲜空气。
二冲程发动机的工作原理如下:
第一冲程——活塞从下止点向上止点运动。
当活塞处于下止点时,排气阀和进气孔早已打开,贮气室l中的压缩空气便进入气缸内,并冲向排气阀,这动产生清除废气的作用,同时也使气缸内充满新空气。当活塞由下止点向上止点运动时,进气孔首先由活塞关闭,然后排气阀也关闭;空气在气缸内受到压缩。 第二冲程——活塞从上止点向下止点运动。
活塞行至上止点前,喷油器将燃油喷入燃烧室中,压缩空气所产生的高温,立刻点燃雾化的燃油,燃烧所产生的压力,推动活塞下行,直到排气阀再打开时为止。燃烧后的废气在内外压力差的作用下,自行从排气阀排出。当进气孔被活塞打开后,气缸内又进行扫气过程。曲轴每转一转,活塞走了两个冲程就完成一个循环,因此叫二冲程柴油机。
图2—8为二冲程柴油机的示功图。其中a—k线为扫气过程,k点为扫气终点,它敢决于进气孔和排气阀关闭时刻。有的机型是排气阀和进气孔同时关闭。有的排气阀提前关闭。k-c线为压缩过程,其中c'点为开始向气缸喷油的时刻。
在第二冲程中,c-m线为膨胀过程,其中c-z线为燃料剧烈燃烧压力急剧上升阶段,z点为最高燃烧压力点,m点为排气阀开始打开的时刻。这时燃烧产物便从气缸经排气阀、排气管排入大气,压力迅速下降,如m-n线所示,当气缸内的压力大约等于贮气置室的压力时,进气孔才被打开(n点),这时新鲜空气应入气缸进行扫气过程,如n-a线所示。
从二冲程柴油机的工作原理可知,在扫气过程中,活塞不做有效功,相对这部分活塞行程容积Vn称为损失容积,而活塞的实际工作容积为:
而实际压缩比为:
几何压缩比与四冲程柴油机一样为:
扫气过程容积损失的多少通常用损失容积Vn对几何工作容积Vh的比值表示:
在二冲程柴油机中,y=10~38% 。
现代四冲程和二冲程发动机都成功的使用在各个领域,他们都有各自的特点,一般船用大型低速柴曲机中均采用二冲程发动机,而中、高速柴浊机采用四冲程发动机的居多。 正相同的气缸尺寸和转速下,二冲程发功机的功率理应比四冲程发动机增加一倍,但实际上,由于扫气容积的损失,充气时间较短,废气清除困难以及驱动扫气须要消耗一部分功率等原因,使二冲程发动机的功率只增加60~70%左右。二冲程发动机叫另一优点是扭矩的均匀性比四冲程发动机好,因为它曲轴转一转完成一个工作循环。
扫气过程时间短是二冲程发动机的一大缺点,此外,二冲程发动机的活塞、气缸盖、气缸,气阀的温度都比四冲程发动机高。
在二冲程柴油机中,根据气流在气缸中流动路线不同,还有其他的换气型式。它们在船舶柴油机中都得到广泛的应用。现简介如下:
1.气孔式直流换气的柴油机
下图左所示为对动活塞式柴油机,它的换气是由上下的进、排气儿完成的,故称气孔式直流换气的二冲程柴油机。进、排气孔的开启和关闭分别由上、下活塞控制。工作时,两个活塞在气缸内作相对运动,燃烧室位于中部,两个活塞通过连杆与上、下曲轴连接,两曲轴通过齿轮轮连接,从一处对外输出有效功。
2.横流换气的二冲程柴油机
上图中所示为这种柴油机机的简图,它的进气孔和排气孔分别设正气缸下部的两侧,它们的开关均由活塞控制。为了保证先进行自由排气,一般排气孔的上边缘比进气的上边缘高一些。
3.回流换气的二冲程柴油机
上图右所示,这种柴油机的特点是:进气孔和排气孔设正气缸下部的同一侧,排气孔位于进气孔的上方。换气时,空气从向上倾斜的进气孔,流经活塞顶部推动废气上行,在气缸盖底部转向下行,最后由倾斜的排气孔排出。由于换气时气流方向弯曲,故称回流换气的二冲程柴油机。这种柴油机比直流气阀式柴油机简单,但换气质量较差。
第五节 二冲程汽油机的工作原理
二冲程汽油机的工作原理与二冲程柴油机相同, 下面的动画为采用曲轴箱扫气的单缸二冲程汽油机工作工程示意图。由图可以看出,这种换气型式为横流式,但它没有专用的扫
气泵,而是利用活塞往复运动时,造成曲轴箱内容积的变化,来吸入可燃混合气或将混合气压缩,提高其压力而后进行扫气。
这种汽油机的气缸上有三个气孔,它们分别在不同的时刻为活塞所关闭或打开。进气孔与化油器相通,可燃混合气先经过进气孔进入曲轴箱内,当扫气孔3被活塞打开时再进入气缸内,而废气经过排气孔2排出。它的工作原理如下:
第一冲程:活塞自下向上运动,当活塞上行时,气缸上的进气孔、排气孔和扫气孔均被关闭后,气缸内的可燃混合气受到压缩。活塞继续上行, 曲轴箱内形成一定的真空度,待活塞上行到进气孔1被打开时,新鲜可燃混合气就进入曲轴箱内。
第二冲程:当活塞上行接近上止点时,火花塞点火,可燃混合气燃烧,其压力和温度都迅速升高,推动活塞下行而作功。当活塞下行到排气孔2被打开时,气缸内的废气通过排气孔排出,而活塞下方曲轴箱内的可燃混合气受到压缩,压力升高至0.13MPa左右。活塞继续下行至扫气孔3被活塞打开时,受到压缩的可烧混合气通过扫气孔进入气缸内,进行扫气过程。这一过程一直延续到活塞转过下止点后关闭扫气孔时为止。
第六节 增压柴油机的特点
提高柴油机的有效方法是增加进入气缸的空气量和燃料。要使燃料达到完全地燃烧,空气质量和燃料的质量要有一定的比例。1kg轻柴油完全燃烧,理论上需要14.22kg的空气,但实际供入气缸的空气量还多,否则达不到良好的燃烧。增加喷入气缸的燃料只要燃油系统的主要部件设计得合理是容易做到的,要增加充入气缸的空气量则必须在柴油机上安装增压器。
增压器将空气压缩到增压压力pk(一般pk=0.13~0.25MPa)后,压入进气管内并在进气冲程中充入气缸。由于压缩后空气密度增大,所以充入气缸的空气量就增多。
装有增压器的柴油机称为增压柴油机,而直接从大气中吸入空气的柴油机称入非增压柴油机,现代规船用的主机大多数都是增压柴油机。
根据增压器传动方式不同,在增压柴油机中又分为机械传动的增压柴油机和废气涡轮增压的柴油机。[具体的将在第九章讲解]
下面动画所示为机械传动的增压柴油机,轻12V180型柴油机就属了这一种。由图可见这种柴油机的特点是增压器叶轮1通过传动齿轮由曲轴来带动。当柴油机工作时, 空气从进气口被吸入,经过叶轮1增压后,进入进气管2的空气压力可达到0.15MPa以上。
动画所示为废气涡轮增压的柴油机,这种柴油机上的增压叶轮(压气机)是直接由废气涡轮来驱动的,增压器和曲轴没有机械联系。柴油机排出的废气沿排气管, 经过导向器进入废气
涡轮的叶片,并推动其旋转,此时就带动了和它同轴的增压器叶轮转动。空气经过进气管被吸入,增压后的空气经蜗形管沿进气管进入柴油机气缸。
上海柴油机广生产的6135ZCa—1型和重12V180型柴油机以及大、 中型柴油机都采用这种增压方式。
废气涡轮增压是提高柴油机单机功率的有效方法。例如,—台非增压的12V135柴油机,在n=1500r/min时,功率Ne=176.64kW。装上废气涡轮增压器之后,同样在n=1500r/min时,其功率Ne可提高到279.7kW或515.2kW,功率提高的程度主要取决于增压压力pk值。 增压柴油机的工作循环与非增压柴油机相似,但增压时,各特征点的压力和温度都增加了。
为增压柴油机的示功图,从示功图上可以看出,增压时进气压力线r-a高于排气压力线b-r,而非增压柴油机相反。由于增压柴油机在燃烧膨胀冲程中的压力和温度都较高(pz=9~16MPa,Tz=2300~2600K),因此气体每个循环所作的功较多。
第七节 多缸柴油机的工作次序
四冲程柴曲机每个工作循环中,只有燃烧膨胀冲程才作功,而进气、压缩和排气三个辅助冲程不但不作功,而且还消耗一部分功,用来压缩气体和克服进、排气时的阻力。因此,在柴油机运行时,由于各冲程中有的获得能量而有的消耗能量,造成转速不均匀,有时加速有时减速。
柴油机运转不均匀性,既达不到匀速运转的要求,又使各运动零件在工作过程中到冲击,引起零件的严重磨损,有时会造成损坏。因此,提高运转的均匀性是柴曲机结构上的一十重要问题。
提高柴油机运转均匀性,通常采用两种方法:(1)在曲轴上安装飞轮;(2)采用多缸结构型式。
飞轮是一个具有较大转动惯量的圆盘,安装在柴油机的曲轴后端。当柴曲机在燃烧膨胀冲程中气体压力通过活塞连杆推动曲轴时,也带动飞轮一起转动。此时飞轮将获得的一部分能量“储存”起来。当柴油机运转到其它三个辅助冲程时,飞轮便放出所“储存”的能量,使曲轴仍然保持原有的转速,从而大大提高柴曲机运转的均匀性。
因此,单缸柴油机上必须安装一个尺寸与质量相当大的飞轮,以保证它的正常运转。 由于社会生产的发展,要求柴油机的功率增加,于是就出现了多缸柴油机。多缸柴油机具有两个和两个以上的气缸,各缸的活塞连杆机构都连接在同一根曲轴上。一般常用的多缸柴油机力4缸、6缸、8缸、12缸和16缸。根据气缸排列方法不同,又可分为直列式和V型等。
在多缸机中对每个气缸来讲,它是按照前述的单缸柴油机的工作过程进行工作的。但在同一时刻每缸所进行的工作过程却不相同。它们是根据气缸数目和曲柄排列方式的不同、按照一定的工作顺序而工作的。为了保证发动机运转均匀性和平衡性的要求,对四冲程柴油机,曲轴转动两转(即720)内,每个气缸都必须完成一个循环。因此,各缸应相隔一定的转角而均匀的发火。若多缸柴油机有i个气缸,则发火间隔角应为:
θ=720/i
由上式可知:四缸机的发火间隔角为180。各缸的发火顺序可为:1-3-4-2,即表示第一缸发火以后,依次为第3、4、2缸的顺序相继发火。
为四缸柴油机示意图和发火顺序,四缸柴油机的曲轴由四个曲拐构成,各曲拐平面之间的相互夹角为180。若第1、4缸内的活塞运行到上止点位置时,第一缸进行作功冲程,则第四缸进行吸气冲程,而第三缸和第二缸分别开始进行压缩和排气冲程。在曲轴转过180后,则第二缸和第三缸的活塞处于上止点位置,第三缸开始进入作功冲程,第二缸为进气冲程。此时一、四缸分别力排气和压缩冲程。如此循环,使四个气缸每隔180曲轴转角,交替进入作功冲程推动活塞运动。4135型和4125型柴曲机即按此发火顺序工作。根据四缸机曲拐排列的特点,也可按1-2-4-3的发火顺序工作。
根据公式,对于六缸柴油机的发火间隔角应为120曲轴转角,各曲拐平面之间的相互夹角也为120,各缸发火顺序一般力1-5-3-6-2-4(如6135型柴油机等)。这种工作次序既能保证发动机有较好的运转均匀性和平衡性,又不使相邻网气缸连续发火,对曲轴主轴承的工作有利。图2-15为六缸柴油机的示意图和发火顺序。由下表可见六缸机的运转均匀性比四缸机更好。[六缸机动画]
第八节 内燃机的分类
内燃机的结构型式很多,按照以下的基本特征可将内燃机分为各种类型。
1.按结构特点可分为:筒形活塞柴油机和十字头活塞柴油机。
在筒形活塞柴油机中活塞直接与连杆相连接,活塞的导向作用由活塞下部的筒形部分来承担,在运动时活塞与气缸壁之间产生侧推力N。而十字头活塞柴油机,其中活塞通过活塞杆和十字头与连杆相连接,活塞的导向作用主要由十字头承担。当柴油机工作时,十字头上滑块在导板上滑动,侧准力N产生在滑块与导板之间。
这两种柴油机各有优缺点,筒形活塞柴油机由于侧推力由活塞群部来承袒,所以活塞与缸套的磨损较大。但是这种柴油机结构简单、紧凑、轻便,中、高速柴油机都采用这种形式。十字头式柴油机中于它的活塞不起导向作用,活塞与气缸之间允许有较大间隙。同时,由于两者之间没有侧推力的作用,因此它们之间的磨损较小,不易擦伤和卡死,寿命长。此外,采用这种结构型式时,由于活塞杆只在垂直方向作直线运动,故可在气缸下部开设横隔板,如图中虚线所示,这样就把气缸与曲轴箱空间隔开以免气缸内的脏油、烟灰和燃气等漏入曲抽箱,污损曲轴箱底部的滑油,这对燃烧重油的柴油机来说是很重要的。以上是十字头式柴油机的优点。然而,由于采用十字头式结构,使柴油机的高度和重量增大,结构也较复杂,在这方面比不上筒形活塞式柴油机。船用大型低速柴油机几乎都是采用十字头式柴油机。
2.控照气缸数和气缸布置可分为:单缸机和多缸机,当气缸数在8~10以下时,气缸
多布置成直列式的;气缸数目超过10个时,为了不过分增加柴油机的长度,气缸可部置两列V型,除此而外,还可将气缸排列成W型、X型、星型和V型等。但应用最多的是直列式和V型柴油机。 3.按照所使用的燃料不同,可将内燃机分为柴油机,汽油机和煤气机等。
4.按照工作循环实现的方法,可分为四冲程和二冲程内燃机。
5.按照进气方式分为非增压内燃机和增压内燃机。
6.按照点火力式可分为:
(1)点燃式内燃机:利用外界热源(如火花塞发出的电火花)点燃燃料,使其着火燃烧的内燃机,如汽油机、天然气内燃机等都属于这种点燃式内燃机。
(2)压燃式内燃机:用气缸内的空气被高度压缩后所产生的高温,使燃料自行着火燃烧。柴油机就属于这种着火方式,所以柴油机又称为压燃式内燃机。
7.按照用途可分力:
(1)固定式内燃机:在固定地点使用的的陆用内燃机,如钻井、固定发电机用的内燃机。
(2)栘动式内燃机:没有固定使用地点的内燃机,其中包括汽车、拖拉机、建筑机械等用的内燃机,用作船舶动力的内燃机;作为内燃机车动力用的内燃机等。
8.按照标定转速可分为:
(1)高速机: n>1000r/min;
(2)中速机: 300≤n≤1000r/min;
(3)低速机: n≤300r/min。
9.按曲轴旋转方向可分为:左转和右转内燃机,可逆转和不可逆转的内燃机。