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往复活塞式内燃机工作原理

2010-12-24 10:44:05    

 

一、四冲程汽油机工作原理

四冲程往复活塞式内燃机在四个活塞行程内完成进气、压缩、作功和排气等四个过程,即在一个活塞行程内只进行一个过程。因此,活塞行程可分别用四个过程命名
                   

 

1. 进气行程 活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时排气门关闭,进气门开启。在活塞移动过程中,气缸容积逐渐增大,气缸内形成一定的真空度。空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸,并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。


    2. 压缩行程 进气行程结束后,曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点。这时,进、排气门均关闭。随着活塞移动,气缸容积不断减小,气缸内的混合气被压缩,其压力和温度同时升高。

 

3. 作功行程 压缩行程结束时,安装在气缸盖上的火花塞产生电火花,将气缸内的可燃混合气点燃,火焰迅速传遍整个燃烧室,同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀,压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下,活塞由上止点移至下止点,并通过连杆推动曲轴旋转作功。这时,进、排气门仍旧关闭。


    4. 排气行程 排气行程开始,排气门开启,进气门仍然关闭,曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点,此时膨胀过后的燃烧气体(或称废气)在其自身剩余压力和在活塞的推动下,经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时,排气行程结束,排气门关闭。 


    二、 四冲程柴油机工作原理

四冲程柴油机的工作循环同样包括进气、压缩、作功和排气等四个过程,在各个活塞行程中,进、排气门的开闭和曲柄连杆机构的运动与汽油机完全相同。只是由于柴油和汽油的使用性能不同,使柴油机和汽油机在混合气形成方法及着火方式上有着根本的差别。


    1. 进气行程 在柴油机进气行程中,被吸入气缸的只是纯净的空气。


    2. 压缩行程 因为柴油机的压缩比大,所以压缩行程终了时气体压力高。


    3. 作功行程 在压缩行程结束时,喷油泵将柴油泵入喷油器,并通过喷油器喷入燃烧室。因为喷油压力很高,喷孔直径很小,所以喷出的柴油呈细雾状。细微的油滴在炽热的空气中迅速蒸发汽化,并借助于空气的运动,迅速与空气混合形成可燃混合气。由于气缸内的温度远高于柴油的自燃点,因此柴油随即自行着火燃烧。燃烧气体的压力、温度迅速升高,体积急剧膨胀。在气体压力的作用下,活塞推动连杆,连杆推动曲轴旋转作功。

 

4. 排气行程 排气行程开始,排气门开启,进气门仍然关闭,燃烧后的废气排出气缸。


    三、二冲程汽油机工作原理
    二冲程内燃机的工作循环是在两个活塞行程即曲轴旋转一周的时间内完成的。在四冲程内燃机中,常把排气过程和进气过程合称为换气过程。在二冲程内燃机中换气过程是指废气从气缸内被新气扫除并取代的过程。这两种内燃机工作循环的不同之处主要在于换气过程。


    1. 第一行程活塞在曲轴带动下由下止点移至上止点。

当活塞还处于下止点时,进气孔被活塞关闭,排气孔和扫气孔开启。这时曲轴箱内的可燃混合气经扫气孔进入气缸,扫除其中的废气。随着活塞向上止点运动,活塞头部首先将扫气孔关闭,扫气终止。但此时排气孔尚未关闭,仍有部分废气和可燃混合气经排气孔继续排出,称其为额外排气。当活塞将排气孔也关闭之后,气缸内的可燃混合气开始被压缩。直至活塞到达上止点,压缩过程结束。 


    2. 第二行程活塞由上止点移至下止点。

在压缩过程终了时,火花塞产生电火花,将气缸内的可燃混合气点燃。燃烧气体膨胀作功。此时排气孔和扫气孔均被活塞关闭,惟有进气孔仍然开启。空气和汽油经进气孔继续流入曲轴箱,直至活塞裙部将进气孔关闭为止。随着活塞继续向下止点运动,曲轴箱容积不断缩小,其中的混合气被预压缩。此后,活塞头部先将排气孔开启,膨胀后的燃烧气体已成废气,经排气孔排出。至此作功过程结束,开始先期排气。随后活塞又将扫气孔开启,经过预压缩的可燃混合气从曲轴箱经扫气孔进入气缸,扫除其中的废气,开始扫气过程。这一过程将持续到下一个活塞行程中扫气孔被关闭时为止。
                   

 

四、 二冲程柴油机工作原理
    1.第一行程活塞由下止点移至上止点。

当活塞还处于下止点位置时,进气孔和排气门均已开启。扫气泵将纯净的空气增压到0.12~0.14MPa后,经空气室和进气孔送入气缸,扫除其中的废气。废气经气缸顶部的排气门排出。当活塞上移将进气孔关闭的同时,排气门也关闭,进入气缸内的空气开始被压缩。活塞运动至上止点,压缩过程结束。


    2.第二行程活塞由上止点移至下止点。

当压缩过程终了时,高压柴油经喷油器喷入气缸,并自行着火燃烧。高温高压的燃烧气体推动活塞作功。当活塞下移2/3行程时,排气门开启,废气经排气门排出。活塞继续下移,进气孔开启,来自扫气泵的空气经进气孔进入气缸进行扫气。扫气过程将持续到活塞上移时将进气孔关闭为止。


    五、汽油机与柴油机、四冲程与二冲程内燃机的比较

以上叙述了各类往复活塞式内燃机的简单工作原理,从中可以看出汽油机与柴油机、四冲程与二冲程内燃机的若干异同之处。


四冲程汽油机与四冲程柴油机的共同点是:

1) 每个工作循环都包含进气、压缩、作功和排气等四个活塞行程,每个行程各占180°曲轴转角,即曲轴每旋转两周完成一个工作循环。


    2) 四个活塞行程中,只有一个作功行程,其余三个是耗功行程。显然,在作功行程曲轴旋转的角速度要比其他三个行程时大得多,即在一个工作循环内曲轴的角速度是不均匀的。为了改善曲轴旋转的不均匀性,可在曲轴上安装转动惯量较大的飞轮或采用多缸内燃机并使其按一定的工作顺序依次进行工作。

 两者不同之处是:

1) 汽油机的可燃混合气在气缸外部开始形成并延续到进气和压缩行程终了,时间较长。柴油机的可燃混合气在气缸内部形成,从压缩行程接近终了时开始,并占小部分作功行程,时间很短。


    2) 汽油机的可燃混合气用电火花点燃,柴油机则是自燃。所以又称汽油机为点燃式内燃机,称柴油机为压燃式内燃机。


二冲程内燃机与四冲程内燃机相比具有下列一些特点。

1) 曲轴每转一周完成一个工作循环,作功一次。当曲轴转速相同时,二冲程内燃机单位时间的作功次数是四冲程内燃机的两倍。由于曲轴每转一周作功一次,因此曲轴旋转的角速度比较均匀。


    2) 二冲程内燃机的换气过程时间短,仅为四冲程内燃机的1/3左右。另外,进、排气过程几乎同时进行,利用新气扫除废气,新气可能流失,废气也不易清除干净。因此,二冲程内燃机的换气质量较差。


    3) 曲轴箱换气式二冲程内燃机因为没有进、排气门,而使结构大为简化。


    为了叙述上的方便和适应习惯上的称谓, 本软件用文如不特别说明,则将水冷四冲程往复活塞式内燃机简称为发动机。

 

 

 

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