內燃機原理

水利水電出版社出版的圖書

《內燃機原理》是2010年水利水電出版社出版的圖書,作者是黎蘇、李明海。本書系統闡述了內燃機工作過程的基本理論及控制方法,以現代電子控制內燃機技術為主,著重講述內燃機熱功轉換的基本原理、特性分析方法以及性能提高和改善排放的技術措施。

內容簡介


內燃機是一種動力機械,它是通過使燃料在機器內部燃燒,並將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機
廣義上的內燃機不僅包括往複活塞式內燃機、旋轉活塞式發動機和自由活塞式發動機,也包括旋轉葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發動機等,但通常所說的內燃機是指活塞式內燃機。
活塞式內燃機以往複活塞式最為普遍。活塞式內燃機將燃料和空氣混合,在其氣缸內燃燒,釋放出的熱能使氣缸內產生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功,再通過曲柄連桿機構或其他機構將機械功輸出,驅動從動機械工作。
全書共八章,分別講述內燃機工作循環與性能指標,內燃機換氣過程與增壓技術,內燃機燃料與燃燒,汽油機的燃燒過程及排放控制,汽油機管理系統,柴油機混合氣形成與燃燒,柴油機燃料噴射與霧化,內燃機特性與匹配。
本書可作為熱能與動力機械工程專業及其相關專業的本科生、碩士研究生教材,也可供從事內燃機研究開發的工程技術人員參考。

作品目錄


第一章 緒論1-1 20世紀的內燃機1-2 內燃機面臨能源與環境的嚴峻挑戰1-3 內燃機當前的發展水平
1-4 面向21世紀的內燃機第二章 內燃機的工作循環2-1 內燃機理想循環2-2 渦輪增壓內燃機理想循環
2-3 內燃機理想循環熱效率2-4 內燃機實際循環2-5 內燃機工作循環舉例思考題
第三章 內燃機的工作指標與性能分析3-1 內燃機的工作指標3-2 內燃機的指示參數3-3 內燃機的機械損失及機械效率
3-4 內燃機的有效參數3-5 內燃機的強化指標與強化分析3-6 內燃機的熱平衡附錄 內燃機的熱計算
思考題第四章 內燃機的燃燒4-1 內燃機燃燒熱化學4-2 內燃機缸內的空氣運動
4-3 點燃式內燃機的燃燒4-4 點燃式內燃機的燃燒室4-5 壓燃式內燃機的燃燒4-6 壓燃式內燃機的燃燒室
思考題第五章 內燃機的燃料與燃料供給5-1 內燃機燃料5-2 柴油機的燃油噴射系統
5-3 柴油機電控噴油系統5-4 汽油機的燃油供給系統5-5 電控汽油噴射系統5-6 氣體燃料內燃機的燃料供給
思考題第六章 內燃機的換氣過程6-1 四衝程內燃機的換氣過程6-2 提高充氣係數的措施
6-3 二衝程內燃機的換氣過程及其品質評定6-4 內燃機的排氣可用能與缸蓋氣道穩流試驗思考題第七章 內燃機增壓
7-1 增壓技術和增壓方式7-2 渦輪增壓系統7-3 高壓比、超高壓比渦輪增壓系統7-4 渦輪增壓器與內燃機的配合
7-5 車用發動機增壓7-6 特殊工況下發動機的渦輪增壓思考題第八章 內燃機的排放與控制
8-1 內燃機排放與環境污染8-2 內燃機中的有害氣相排放物8-3 內燃機的顆粒物排放8-4 光化學反應
8-5 內燃機的排氣凈化思考題第九章 內燃機工作過程數值計算9-1 內燃機的工質及熱力系統的劃分
9-2 內燃機氣缸內的熱力過程9-3 內燃機進排氣系統內的熱力過程9-4 內燃機缸內過程計算的邊界條件 9-5 內燃機與渦輪增壓器的匹配計算
思考題第十章 內燃機的運行特性10-1 內燃機的運行工況和調節10-2 內燃機的基本運行特性
10-3 內燃機的實用運行特性10-4 內燃機功率及燃油消耗率的修正思考題參考文獻

內燃機的發展歷史


活塞式內燃機自19世紀60年代問世以來,經過不斷改進和發展,已是比較完善的機械。它熱效率高、功率和轉速範圍寬、配套方便、機動性好,所以獲得了廣泛的應用。全世界各種類型的汽車、拖拉機、農業機械、工程機械、小型移動電站和戰車等都以內燃機為動力。海上商船、內河船舶和常規艦艇,以及某些小型飛機也都由內燃機來推進。世界上內燃機的保有量在動力機械中居首位,它在人類活動中佔有非常重要的地位。
活塞式內燃機起源於用火藥爆炸獲取動力,但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。1794年,英國人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動力,並且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年,英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設計。
之後人們又提出過各種各樣的內燃機方案,但在十九世紀中葉以前均未付諸實用。直到1860年,法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結構,設計製造出第一台實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內燃機。勒努瓦首先在內燃機中採用了彈力活塞環。這台煤氣機的熱效率為4%左右。
英國的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點火之前進行壓縮,隨後又有人著文論述對可燃混合氣進行壓縮的重要作用,並且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內燃機的效率。1862年,法國科學家羅沙對內燃機熱力過程進行理論分析之後,提出提高內燃機效率的要求,這就是最早的四衝程工作循環。
1876年,德國發明家奧託運用羅沙的原理,創製成功第一台往複活塞式、單缸、卧式、3.2千瓦(4.4馬力)的四衝程內燃機,仍以煤氣為燃料,採用火焰點火,轉速為156.7轉/分,壓縮比為2.66,熱效率達到14%,運轉平穩。在當時,無論是功率還是熱效率,它都是最高的。
奧托內燃機獲得推廣,性能也在提高。1880年單機功率達到11~15千瓦(15~20馬力),到1893年又提高到150千瓦。由於壓縮比的提高,熱效率也隨之增高,1886年熱效率為15.5%,1897年已高達20~26%。1881年,英國工程師克拉克研製成功第一台二衝程的煤氣機,並在巴黎博覽會上展出。
隨著石油的開發,比煤氣易於運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意,首先獲得試用的是易於揮發的汽油。1883年,德國的戴姆勒創製成功第一台立式汽油機,它的特點是輕型和高速。當時其他內燃機的轉速不超過200轉/分,它卻一躍而達到800轉/分,特別適應交通動輸機械的要求。1885~1886年,汽油機作為汽車動力運行成功,大大推動了汽車的發展。同時,汽車的發展又促進了汽油機的改進和提高。不久汽油機又用作了小船的動力。
1892年,德國工程師狄塞爾受麵粉廠粉塵爆炸的啟發,設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮,使其溫度超過燃料的自燃溫度,再用高壓空氣將燃料吹入氣缸,使之著火燃燒。他首創的壓縮點火式內燃機(柴油機)於1897年研製成功,為內燃機的發展開拓了新途徑。
狄塞爾開始力圖使內燃機實現卡諾循環,以求獲得最高的熱效率,但實際上做到的是近似的等壓燃燒,其熱效率達26%。壓縮點火式內燃機的問世,引起了世界機械業的極大興趣,壓縮點火式內燃機也以發明者而命名為狄塞爾引擎。
這種內燃機以後大多用柴油為燃料,故又稱為柴油機。1898年,柴油機首先用於固定式發電機組,1903年用作商船動力,1904年裝於艦艇,1913年第一台以柴油機為動力的內燃機車製成,1920年左右開始用於汽車和農業機械。
早在往複活塞式內燃機誕生以前,人們就曾致力於創造旋轉活塞式的內燃機,但均未獲成功。直到1954年,聯邦德國工程師汪克爾解決了密封問題后,才於1957年研製出旋轉活塞式發動機,被稱為汪克爾發動機。它具有近似三角形的旋轉活塞,在特定型面的氣缸內作旋轉運動,按奧托循環工作。這種發動機功率高、體積小、振動小、運轉平穩、結構簡單、維修方便,但由於它燃料經濟性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想,所以還只是在個別型號的轎車上得到採用。

內燃機的組成


往複活塞式內燃機的組成部分主要有曲柄連桿機構、機體和氣缸蓋、配氣機構、供油系統、潤滑系統、冷卻系統、起動裝置等。
氣缸是一個圓筒形金屬機件。密封的氣缸是實現工作循環、產生動力的源地。各個裝有氣缸套的氣缸安裝在機體里,它的頂端用氣缸蓋封閉著。活塞可在氣缸套內往複運動,並從氣缸下部封閉氣缸,從而形成容積作規律變化的密封空間。燃料在此空間內燃燒,產生的燃氣動力推動活塞運動。活塞的往複運動經過連桿推動曲軸作旋轉運動,曲軸再從飛輪端將動力輸出。由活塞組、連桿組、曲軸和飛輪組成的曲柄連桿機構是內燃機傳遞動力的主要部分。
活塞組由活塞、活塞環、活塞銷等組成。活塞呈圓柱形,上面裝有活塞環,藉以在活塞往複運動時密閉氣缸。上面的幾道活塞環稱為氣環,用來封閉氣缸,防止氣缸內的氣體漏泄,下面的環稱為油環,用來將氣缸壁上的多餘的潤滑油刮下,防止潤滑油竄入氣缸。活塞銷呈圓筒形,它穿入活塞上的銷孔和連桿小頭中,將活塞和連桿聯接起來。連桿大頭端分成兩半,由連桿螺釘聯接起來,它與曲軸的曲柄銷相連。連桿工作時,連桿小頭端隨活塞作往複運動,連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉運動,連桿大小頭間的桿身作複雜的搖擺運動。
曲軸的作用是將活塞的往複運動轉換為旋轉運動,並將膨脹行程所作的功,通過安裝在曲軸後端上的飛輪傳遞出去。飛輪能儲存能量,使活塞的其他行程能正常工作,並使曲軸旋轉均勻。為了平衡慣性力和減輕內燃機的振動,在曲軸的曲柄上還適當裝置平衡質量。
氣缸蓋中有進氣道和排氣道,內裝進、排氣門。新鮮充量(即空氣或空氣與燃料的可燃混合氣)經空氣濾清器、進氣管、進氣道和進氣門充入氣缸。膨脹后的燃氣經排氣門、排氣道和排氣管,最後經排氣消聲器排入大氣。進、排氣門的開啟和關閉是由凸輪軸上的進、排氣凸輪,通過挺柱、推桿、搖臂和氣門彈簧等傳動件分別加以控制的,這一套機件稱為內燃機配氣機構。通常由空氣濾清器、進氣管、排氣管和排氣消聲器組成進排氣系統。
為了向氣缸內供入燃料,內燃機均設有供油系統。汽油機通過安裝在進氣管入口端的化油器將空氣與汽油按一定比例(空燃比)混合,然後經進氣管供入氣缸,由汽油機點火系統控制的電火花定時點燃。柴油機的燃油則通過柴油機噴油系統噴入燃燒室,在高溫高壓下自行著火燃燒。
內燃機氣缸內的燃料燃燒使活塞、氣缸套、氣缸蓋和氣門等零件受熱,溫度升高。為了保證內燃機正常運轉,上述零件必須在許可的溫度下工作,不致因過熱而損壞,所以必須備有冷卻系統。
內燃機不能從停車狀態自行轉入運轉狀態,必須由外力轉動曲軸,使之起動。這種產生外力的裝置稱為起動裝置。常用的有電起動、壓縮空氣起動、汽油機起動和人力起動等方式。
內燃機的工作循環由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中只有膨脹過程是對外作功的過程,其他過程都是為更好地實現作功過程而需要的過程。按實現一個工作循環的行程數,工作循環可分為四衝程和二衝程兩類。
四衝程是指在進氣、壓縮、膨脹和排氣四個行程內完成一個工作循環,此間曲軸旋轉兩圈。進氣行程時,此時進氣門開啟,排氣門關閉。流過空氣濾清器的空氣,或經化油器與汽油混合形成的可燃混合氣,經進氣管道、進氣門進入氣缸;壓縮行程時,氣缸內氣體受到壓縮,壓力增高,溫度上升;膨脹行程是在壓縮上止點前噴油或點火,使混合氣燃燒,產生高溫、高壓,推動活塞下行並作功;排氣行程時,活塞推擠氣缸內廢氣經排氣門排出。此後再由進氣行程開始,進行下一個工作循環。
二衝程是指在兩個行程內完成一個工作循環,此期間曲軸旋轉一圈。首先,當活塞在下止點時,進、排氣口都開啟,新鮮充量由進氣口充入氣缸,並掃除氣缸內的廢氣,使之從排氣口排出;隨後活塞上行,將進、排氣口均關閉,氣缸內充量開始受到壓縮,直至活塞接近上止點時點火或噴油,使氣缸內可燃混合氣燃燒;然後氣缸內燃氣膨脹,推動活塞下行作功;當活塞下行使排氣口開啟時,廢氣即由此排出活塞繼續下行至下止點,即完成一個工作循環。
內燃機的排氣過程和進氣過程統稱為換氣過程。換氣的主要作用是儘可能把上一循環的廢氣排除乾淨,使本循環供入儘可能多的新鮮充量,以使儘可能多的燃料在氣缸內完全燃燒,從而發出更大的功率。換氣過程的好壞直接影響內燃機的性能。為此除了降低進、排氣系統的流動阻力外,主要是使進、排氣門在最適當的時刻開啟和關閉。
實際上,進氣門是在上止點前即開啟,以保證活塞下行時進氣門有較大的開度,這樣可在進氣過程開始時減小流動阻力,減少吸氣所消耗的功,同時也可充入較多的新鮮充量。當活塞在進氣行程中運行到下止點時,由於氣流慣性,新鮮充量仍可繼續充入氣缸,故使進氣門在下止點后延遲關閉。
排氣門也在下止點前提前開啟,即在膨脹行程後部分即開始排氣,這是為了利用氣缸內較高的燃氣壓力,使廢氣自動流出氣缸,從而使活塞從下止點向上止點運動時氣缸內氣體壓力低些,以減少活塞將廢氣排擠出氣缸所消耗的功。排氣門在上止點后關閉的目的是利用排氣流動的慣性,使氣缸內的殘餘廢氣排除得更為乾淨。
內燃機性能主要包括動力性能和經濟性能。動力性能是指內燃機發出的功率(扭矩),表示內燃機在能量轉換中量的大小,標誌動力性能的參數有扭矩和功率等。經濟性能是指發出一定功率時燃料消耗的多少,表示能量轉換中質的優劣,標誌經濟性能的參數有熱效率和燃料消耗率。
內燃機未來的發展將著重於改進燃燒過程,提高機械效率,減少散熱損失,降低燃料消耗率;開發和利用非石油製品燃料、擴大燃料資源;減少排氣中有害成分,降低雜訊和振動,減輕對環境的污染;採用高增壓技術,進一步強化內燃機,提高單機功率;研製複合式發動機、絕熱式渦輪複合式發動機等;採用微處理機控制內燃機,使之在最佳工況下運轉;加強結構強度的研究,以提高工作可靠性和壽命,不斷創製新型內燃機
搜遍發動機新技術,變氣門,變升程,變相位,甚至停掉幾個缸的技術都出來了,就是沒有敢說他能在行進中連續變缸徑的!但有等效的。
一種最酷的發動機技術,這種發動機有一個桶形缸體,桶底后,桶底中間有圓孔。還有一個缸體,好像一根筷子穿過一張厚的圓餅並粘合,筷子就是軸,這個軸也穿過桶形缸體底部的孔,餅形體也納入桶中,封閉成一個空心圓柱體的缸腔。這個缸腔的容積是可以變化的,比如只要固定桶,用機械裝置或者液壓裝置抽動軸就可以實現。
桶底從圓孔的邊到桶的內避割條縫,插入一個矩形板;餅面從圓邊到軸割條縫,也插入一塊矩形板,兩塊矩形板可以把缸腔一分為二,成為兩個密封缸腔,第一密封缸腔和第二密封缸腔。其中一個密封缸腔從桶壁的矩形板本側開口,充入高壓氣體,或充入油氣混合物並點燃;第二密封腔從桶壁上與前一開口相隔一個矩形板的位置開口放氣。固定桶,矩形板就牽引餅和筷子轉動,反過來也行。
第一個密封腔從最小、充氣到轉過一定相位(轉角)就停止供氣,可以用閥門或者控制油氣供應量來實現。由於高壓氣體膨脹,裝置會繼續轉動,第一密封缸腔內的氣壓會降低,直到稍微低於環境氣壓,這樣會產生轉動阻力。於是第二個矩形板需要在頭部靠近邊緣開一個孔,安裝單向閥,向內補氣。如果當初的氣壓適當,在第二塊矩形板轉到第二開口的時候,第一密封缸腔的氣壓正好等於或接近於環境氣壓,這是最經濟的。第三種情況是還有少量余壓
當兩個矩形板快要相遇的時候,需要避讓。於是從桶的裙部內圓刻成曲線滑槽,裝上滑動塊,滑動塊與第二塊矩形板連接;從軸穿出桶底的一側套裝一個空心圓柱體,外圓面刻曲線滑槽,裝上滑動塊,與第一塊矩形板連接。滑槽由圓和擺線構成,控制矩形板前沖、頂住和抽回。桶底和餅都夠厚,所以不會抽脫。第二塊矩形板在轉動方向上,和餅一塊轉動;在軸向上,則由桶上的滑槽控制,所以變換容積的時候仍能抵住桶的底部。同樣道理,第一塊矩形板總是能抵住餅的內表面。
這種裝置在一個著力面上沿弧形軌跡,把高壓氣體的內能轉化為動能,是一種動力機械裝置。反過來,也可以在機械的帶動下反向轉動,製取壓縮空氣,或者作為一個剎車器。做一個容量小的壓氣裝置,製取高壓油氣,配上點火裝置,再做一個容量動力機械裝置,將燃燒后大量高溫高壓氣體的內能轉化為動能,就是一台發動機。
它做功的軌跡是一段弧,而且可以無級的改變容量,也就意味著可以改變發動機排量。配合油門,可以改變燃燒后氣壓,靈活改變轉速;改變排量,配合變速器,在一定範圍內可以適應各種負荷,而且採取上述“最經濟的”方式。如果多套矩形板對置使用,可以減輕軸的彎曲;它是連續排氣的,因而噪音低;可以多套缸錯相聯軸,動力平穩。它可以最大限度的減少余壓排放,而且在不同負載下都能採取最經濟的工況,所以是好用節能技術。