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 2021-12-01 11:12

2.1 内燃机

2.1.1汽车行业解决方案

在1700年代的很长一段时间内,人们一直使用非常大且笨拙的蒸汽机来满足工业和公众的需求。这类发动机能够产生大量的动力,并且随着工作时间的推移,工作效率变得越来越有高。蒸汽发动机通过在大型锅炉中产生蒸汽并在高压下将蒸汽压入包含活塞的气缸。然后蒸汽在活塞上产生压力迫使它在气缸内向下移动,产生连接到车轮的曲轴的旋转运动。蒸汽机的主要问题之一是它的过大和过重。与此同时,蒸汽机需要一个单独的水箱和锅炉来保证它有足够的蒸汽在各种工作条件下运行。

不久之后,创造更多小型动力单元的需求引发了那些能够在气缸内部产生压力,但无需在外部产生蒸汽压力的发动机的发展。第一种提供用来推动活塞运动的压力的,在气缸内燃烧的燃料类型是煤气。在气缸内点燃煤气提供燃烧压力使活塞沿气缸向下移动,这驱使曲轴旋转运动,这是第一种内部类型内燃机。不幸的是,这种引擎不能持续很长时间的工作,因为它仍然不能满足人们对于更强大,更有效的发动机的需求

设计师致力于改进发动机并且寻求可以提供可控燃烧环境的的燃料。现有的解决方案是使用那些在燃烧过程中能够产生更多能量的燃料。最好的候选者是由原油(化石燃料)精炼产生的矿物油,因为这种燃料可以与空气一起引入引擎并及时点燃。 可以产生更大的燃烧压力和功率。进一步增加这种燃烧压力的需求要求增加气缸内热量,这可以通过促使燃油和空气完全燃烧实现。

最初的解决方案是使用电火花点燃油气混合物。这一方法改善了燃烧过程,可以产生更高的压力和热量,但仍然不够。为了进一步改进这个过程,引擎设计师发现被点燃之前在汽缸中预压缩空气可以和燃料产生更高的燃烧压力。使用预压缩空气和燃料以产生额外的热量的原理,可以通过推动自行车轮胎打气筒的一端并推着柱塞向下产生气压这一实例证明。在这过程中你会注意到,随着空气被压缩,你手指产生的热量会增加。这个过程和在气缸中压缩空气和燃料发生的燃烧过程类似。额外的热量增加了燃烧压力,确保了在燃烧过程中紧密压缩的空气和燃料混合物可以燃尽。

不久设计师发现有一个理想的空气和燃料比例,以实现可能的最佳燃烧。这个比例约为14份空气对应1份燃料。这种空气/燃料比提供了更好的燃烧,随着压缩冲程期间增加的压力和火花开始的燃烧过程,内燃机很快就成为一个非常有力且有效率的单元。设计师致力于通过改变火花塞正时控制空气/燃料混合物的点火时刻。这开始在实现更加先进的燃烧过程方面有了很大的改进,改善了能量输送过程。

在第31页,我们提到了其他类型的引擎,包括那些不需要使用电火花来点燃空气和燃料,但是使用非常高的压缩压力在内部产生足够的热量来点燃空气/燃料混合物的内燃机。这些引擎称为压缩燃烧引擎或柴油发动机。

在压缩燃烧发动机和火花点火发动机中,燃烧过程产生非常高的压力和大量的热。这种热量和快速上升的压力是发动机将燃烧能量转化为发动机的往复运动动能的原理,推动活塞至气缸下部以转动发动机曲轴。

正如人们一开始了解的那样,发动机的整个燃烧过程非常迅速,尤其是开始启动时,转速开始上升。在6000转/分时,发动机正在进行燃烧循环,这一过程强制推动活塞从气缸的顶部到底部的时间大约是千分之四秒(4毫秒)。实际上,空气和燃料的燃烧速度更快。

很多人都在讨论,燃烧过程实际上是爆炸还是非常迅速的燃烧过程。在研究本书这一部分之后你会有一个新的认识。

设计师们更喜欢内燃机,因为与之前的蒸汽和燃气动力单元相比,它能通过相当紧凑和集成的组件确保高功率输出。然而,在一段时间内蒸汽机仍然很受欢迎,因为它能够在一段时间内产生异常高的功率,在工作环境对尺寸要求不高的情况下,它仍然很适用。直到20世纪60年代初,蒸汽机车和牵引发动机仍被用来拉火车和大型工业设备。

如前所述,内燃机利用炼油产生的化石燃料。压燃机和火花点火发动机之间的区别是在燃烧过程中燃料的点燃和燃烧方式。更多关于这两个引擎如何不同的细节,主要在于发动机循环的关键差异,请参见第34页。

2.1.2汽油发动机历史

第一个商业上成功的内燃烧机是由法国人Etienne Lenoir在1860年制造的。它使用煤气,但是一个循环工况中点火前不包括压缩气体:结果,它不是很有效率。尽管如此,在一些方面它仍然优于小型蒸汽机,所以大量的机器被出售,并且在工厂驱动机械方面十分有效。 1862年,Lenoir制造了一个由他的发动机驱动的无马马车,在当时非常有可能上路,但他失去了兴趣,所以这个冒险并没有任何结果。

在于1862年1月16日一种适用于内燃机执行操作循环的方法的专利中描述到,由法国公务员M. Beau de Rochas提出。由于他没有办法自己实现专利,Lenoir提供给的专利受让专利审核人没有意识到它的重要性,故被拒之门外。

在德国,大约在1866年N.A. Otto博士开始制造燃气发动机。他的第一台发动机工作时尽管工作时非常有效,但是非常嘈杂。大约在1875年奥托拿出了与13年前的Beau de Rochas描述的相同的专利。(然而,奥托最不可能听说过法国人或他的专利。)奥托的新发动机立刻取得成功。它比前者更有效率并且非常安静 - 这是一个导致将其命名为“奥托的静音燃气发动机” 的原因。

Lenoir意识到自己的错误,开始制造相同工作原理的发动机。奥托,当然,起诉Lenoir侵犯了他的专利权,但是Lenoir没有任何困难地证明他的发动机方面是根据Beau de Rochas的早期专利制造的,现在已经失效了。法庭诉讼最终判给可怜的Beau de Rochas他应得名誉,他获得了一笔巴黎科学院表彰他发明的奖金。即便如此,他最早描述的发动机操作方法是常年使用在大多数现代发动机中,也就是被人们所知的奥托循环。

2.1.3压燃机的历史(柴油发动机)

压燃式发动机通常被叫做柴油机,源自德国工程师Rudolf Diesel博士于1892年取得专利(No.7241),在发动机中依靠在压缩过程中点燃煤尘燃料产生的热量工作。

当活塞在末端或靠近顶部时,通过空气压力迫使燃料进入汽缸。这个设计的目的是通过使用比汽油机更高的压缩比来实现更高的热效率或改善燃料燃烧。在早期的内燃机中,如果压缩比超过给定值,在汽油发动机中会发生提前点火的情况(燃烧在火花点火之前)。在事实上,如果压缩太高这个问题仍然发生在现代引擎上。

许多权威人士并没有将Rudolf Diesel博士确定为这个引擎的发明者,它的前身是现代压缩点火发动机。他们说明了专利(第7146号)是在1890年由一位英国工程师(Herbert AckroydStuart)提出并在两年以后投入商业生产,包含了所有的现代基本特征的引擎。这项专利就是低压缩比燃油发动机的实践结果,包括感应和压缩空气,以及定时注入液体燃料泵的装置(图2.1)。

图2.1 柴油燃烧过程

为了避免在这场争议中偏袒任何一方,这些(以上)条款通常使用“压缩点火”或“柴油引擎”。

2.1.4汽油和柴油往复式发动机:主要区别

往复式发动机有两种,取决于使用的燃料是汽油还是柴油机。这两种类型的引擎有很多类似的操作和组件,但主要基本差异在于燃料的运输,点燃和燃烧方式。

此外,汽油和柴油发动机的变种也可以分为两类,取决于适合它的功能需求的运行周期。所以二冲程或四冲程发动机就是其中之一,本章介绍操作两个版本的工作原理。汽车制造商多年来发现了四冲程发动机更适合日常生活驱动需求,并广泛应用于所有轻型车和商用车辆。出于这个原因,四冲程引擎构成了本节的主要内容,用以解释汽油和柴油机运行之间的差异。

柴油和汽油发动机之间的区别是,柴油发动机需要在高压下向燃烧室引入燃料,使用高压燃油泵以提供精确的喷射时间。这些类型的燃油泵可以提供精确的燃油计量和燃料输送的时间,这都取决于驾驶工况或司机的要求。对实际运转的汽油发动机,它不像柴油发动机需要依赖同样的运行因素。早期的汽油发动机使用一种叫做化油器的装置来控制燃料计量和燃料输送。直到2000年化油器仍在某些车辆上使用,由于排放要求,然后我们看到了这个单元的消亡。汽车制造商现在生产的汽车都配备了高度复杂的燃料喷射系统以准确控制进入发动机的燃料。这提高了效率汽油发动机,并使其在低排放量下也可以产生高功率。

对于柴油发动机内的柴油燃料而言,它在高压缩比下可以产生的非常高的热量。在高压缩比下这些燃料创造的压力是远高于汽油发动机。汽油发动机压缩比稍低,所以它会需要可替代的方法点燃空气/燃料混合物。这个点燃燃料的过程通过电子控制的火花或电弧实现。

多年来,汽油发动机由于更严格的排气和其他排放物排放法规在进一步地合理改进。由于这些立法的变化,化油器逐渐减少使用转而使用电子控制燃油喷射系统已成为汽车制造商大多采取的方案。随着燃料系统的改变,点火系统必须升级以满足性能和排放要求。基本的机械点火系统已经变成能够不断监视自己并提供改进的点火正时的先进的电子控制系统。这些系统已经开发到包含加油和点火控制,通常被称为#39;发动机管理系统#39;(EMS)。对于目前的产业化汽车,你会发现的控制汽油和柴油发动机的过程变得非常相似。

汽油发动机现在具有更高的燃油压力并将燃料直接喷射到燃烧室中,如柴油发动机中所见的一样。

这种发展是由需求所驱动的,以确保每个发动机从每个引擎中获得尽可能多的燃料收益。所有新发动机产生的污染尽可能的小并提供尽可能多的电力是非常必要的。

近年来,汽油和汽油的燃料管理控制系统和柴油机的已经非常相似。虽然两者都必须满足严格的排放要求,但柴油机的立法更严格。如前所述,与现有汽油发动机相比,柴油发动机运转需要高燃油喷射压力,和足够的压缩空气以点燃柴油燃料。所以,对于今天的柴油发动机而言,为了有效地运作,他们运行复杂的EMS,而且不依赖燃油泵来精心计量汽油。它们使用与汽油机类似的运输方式,沿着高压燃料轨提供给燃料独立的电子控制喷射器。在任何给定的速度下这些喷射器由EMS非常精确地控制打开和关闭以提供正确数量的燃油量。

柴油和汽油发动机有许多相同的重要的特点组件和设计功能。 由于这个原因,往复运动式发动机的主要部件在两种类型(汽油机和柴油机)的发动机通常是相同的,除非在说明书中特别说明。涵盖汽油和柴油发动机的具体情况在第35页。

2.1.5往复运动式发动机的主要组成部分

图2.2展示了一个初级发动机的主要部分

发动机:

1 气缸 - 最简单的形式是一个圆形横截面的腔体,一端封闭。

2 销轴 - 连接连杆与活塞,使得曲轴可以旋转运动和活塞可以线性运动。

3活塞 - 它紧密地安装在气缸内。理想情况下,它将是完全气密的完全自由地在里面上下移动。

4连杆 - 将活塞连接到曲轴。 活塞端有一个叫做针臂销的销,安装在孔中将活塞和连杆连接起来。

5曲轴 - 这是发动机的主轴并在曲轴箱中被轴承固定。 除了主要部分轴就是是曲柄销,连杆连接在其上并可绕其自由转动。

图2.2 发动机主要组成部件

这种布置是为了曲轴转动使活塞上下移动:A线和B线(图2.2)表示活塞行程到顶部的限制。活塞向上移动时,顶部表面之间气缸的空间减少(即在该空间中的气体被压缩)。如活塞向下移动,它上面的空间是增加(即该空间中的气体膨胀)。

可以通过推动活塞在气缸中上下移动旋转曲轴。如图2.2所示,从开始位置,当推动活塞向下直至活塞到达其行程的最低点时,曲轴顺时针方向旋转。此时,曲柄销将直接位于曲轴中心以及曲轴的中心销的下方,曲柄销和曲轴会在一条直线上。在这个位置上,活塞上的压力对曲轴没有转动作用,因此,这个位置被称为死点。当活塞位于行程的另一个端点时也是这样。这两个死点被称为下死点(BDC)和上死点(TDC),标志着活塞的行程极限(图2.3)。从一个死点到另一个死点的活塞行程称为冲程,曲轴每旋转一次活塞完成两个冲程。

图2.3 上部死点和下部死点

死点:活塞在气缸内的最高点或最低点。

发动机尺寸:

常用的指示发动机尺寸方法是计算每个操作循环中进入发动机的空气和燃料量。气缸中在TDC和BDC位置之间的体积是很清楚的。

圆柱的体积由下式给出:

其中V 气缸体积 d气缸直径 r气缸半径 h气缸高度或长度

气缸内径被称为孔,而活塞在TDC和BDC之间的距离称为冲程。用d和l分别代表这些,可以得到以下公式:

因为这是活塞位移或扫过的体积,它被称为气缸排量或气缸容积。如果发动机有多个

气缸,气缸的总排量是发动机每个气缸的排量乘以气缸数量。

如果孔径d和行程l以毫米为单位测量,n代表汽缸数,那么总排量(Vt)是:

当孔径等于行程时,发动机被称为一个#39;方形引擎#39;。以类似的方式,当孔是

大于行程,发动机被称为“超方形”。

排量:从BDC到TDC包括燃烧室的气缸体积。

压缩比:

是发动机的一个重要特征,当活塞处于TDC时,活塞上表面与气缸顶部之间的体积称为燃烧室容积 。当活塞处于BDC时,排量与燃烧室容积之和称为总体积。

压缩比= 总体积/燃烧室容积

=(排量 燃烧室容积)/燃烧室容积

= 排量/燃烧室容积 1

图2.4 气缸容积和压缩比

2.2四冲程和二冲程发动机的工作原理

2.2.1 基本工作过程

在活塞上表面施加压力,它就会被推动到气缸底部。压力产生的原因是基于这样的实例:如果气体在一个受限的空间内被加热,它的压力就会增加。图2.5对这个事实进行了简单的演示:装置非常简单,你可以亲自尝试一下。在瓶子的软木塞上钻一个孔并使玻璃管进入该孔,另一端弯曲变成

英语原文共 8 页

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