新聞主題	發動機工作原理簡單解釋

 

摘要：發動機的基本工作原理是利用燃料和氧氣燃燒產生的熱能來產生機械能量。發動機是由活塞，連桿，缸體，曲軸，凸輪軸，點火系統，排氣系統，燃油系統等幾大部件組成的，它們通過某種形式的運動來產生機械能量。發動機的工作過程可以分為四個階段：吸氣，壓縮，燃燒和排氣。發動機是柴油發電機組的核心驅動部件，它的工作原理和操作方式對柴油發電機組的功率輸出和運行起著決定性的作用。

 

一、發動機概述

 

       現代使用往復活塞式內燃機，其特點是燃料在其發動機內部燃燒，將其所產生的熱能轉變為機械能。外形如圖1所示，基本工作原理如圖2所示。

1、發動機的分類

（1）根據所用燃料不同，有柴油機（用柴油）、汽油機（用汽油）。

（2）根據工作原理可分為四沖程和二行程兩種。

（3）根據氣缸數目，有單缸和多缸（如2缸、4缸、6缸、8缸、12缸等）。

（4）根據氣缸排列方法，有直列式、V型、星型等。

（5）根據冷卻方法不屆，有水冷式和風冷式。

（6）根據額定轉速不同，有低速（600r/min以下）、高速（1000r/min以上）和介述兩者之間的為中速。

（7）根據進氣方式不同，有自吸式（或稱非增壓式）與增壓式。

2、名詞解釋

（1）上死點——活塞在氣缸中能達到的最上端位置。

（2）下死點——活塞在氣缸中能達到的最下端位置。

活塞行程——活塞從上死點移動到下死點，或從下死點移動到上死點所運動過的距離叫活塞行程，叫沖程。常用S表示，S＝2R，即等于曲軸半徑R也的兩倍，相當于曲柄回轉180°。

（3）氣缸直徑一一氣缸通稱直徑，常用D表示，單位為mm。

（4）燃燒室容積-活塞位于上死點時，活塞頂與氣缸蓋底面之空間叫燃燒室，其容積為燃燒室容積，以Vc表示。

（5）氣缸工作容積-活塞從上死點移動到下死點，所掃過的空間容積叫氣缸的工作容積，以Vs表示，它等于Vs＝1/4－π D²S。

（7）氣缸總容積-活塞在下死點時，活塞頂以上的全部空間稱氣缸總容積，即燃燒室容積與氣缸工作容積之和，以Va表示。

（8）壓縮比氣缸總容積與燃燒室容積之比值稱為壓縮比，以ε表示。壓縮比越大，壓縮終了時的壓力與溫度就越高，它是發動機的一個重要參數。

（9）標定功率（額定功率Ne）-發動機在額定轉速時能向外輸出的最大功率，Ne是指在一定條件下，連續12h正常運轉的最大功率。單位為KW。1馬力＝0.735KW。標定功率分為15分鐘功率、1小時功率、12小時功率、持續功率。

      通常與發電機配套的柴油機選用12h功率和持續功率作為標定功率。當選用12h功率作為標定功率時，說明柴油機在標定功率下（標準環境狀況時）連續運行時間為12h，其中包括超過10％標定功率情況下連續運行lh；當選用持續功率作為標定功率時，表示柴油機允許長期連續運行，其中包括可超過10％標定功率情況下運行lh。通常持續功率為12h功率的90％。

（10）燃油消耗率ge-是計量發動機經濟性的指標，單位是g/KWh。指在1h內，輸出1KW功率所消耗燃油的克數。

 

圖1  柴油發動機三維幾何模型圖

圖2  發動機工作原理示意圖

 

二、柴油機原理與結構

 

1、四沖程柴油機的基本工作原理

      柴油發動機燃料燃燒的熱能轉變為機械能是在氣缸中通過進氣、壓縮、作功（燃燒和膨脹）、排氣四個行程（也稱一個工作循環）來完成的，故稱四沖程柴油發動機。

（1）進氣行程

      如圖3所示。此時進氣門打開，排氣門關閉。曲軸沿箭頭方向旋轉，活塞從上死點往下移動，活塞頂部讓出的空間不斷增大，其空間形成一定的真空度，氣缸內壓力低于外界大氣壓，于是外界空氣就經過進氣門被吸入氣缸中。當活塞到了下死點時，曲軸回轉了半轉。（計180°），氣缸內充滿了空氣，但因受空氣濾清器與進氣門的阻擋，氣缸內壓力略低于大氣壓。進氣終了時，氣缸內壓力為0.07～0.1MPa，溫度為5℃至30℃。

（2）壓縮行程

      如圖4所示。曲軸繼續沿箭頭方向旋轉，這時進氣門已經關閉，排氣門仍然關看，因而活塞上行就壓縮空氣。空氣被壓縮后，由于其體積的縮小，氣體的密度就增加，因而它的壓力和溫度都隨著增加。直到活塞移動到上死點，即壓縮終了。此時曲軸又回轉了半周（計360°）。這時缸內氣體由最大容積減少到最小的容積。當壓縮終了時，壓力為3～5MPa，溫度可達600～700℃，大大超過了柴油在此壓力下的自然溫度。空氣的體積也由最大的氣缸總容積被壓縮到最小的燃燒室容積，可見壓縮比愈大，壓縮力也愈大，發動機功率和經濟性就能增加。但壓縮比的提高是有一定限度的。否則將影響熱效率并使機體受力過大導致發動機工作不正常。（壓縮比的大小，已由制造廠決定，使用維護時必須保持其原有的比值）。

 

圖3  柴油機進氣行程(以自然吸氣為例)

圖4  柴油機壓縮行程

 

（3）作功行程

      如圖5所示。此時，進、排氣門仍關閉著。氣缸頂部的噴油嘴開始向氣缸內噴射柴油。噴油嘴是以高壓（17～21MPa的壓力）將柴油噴入氣缸中，故噴出的是霧狀柴油。當霧化了的柴油與氣缸內的高壓、高溫氣體相遇后，很快著火燃燒并迅速蔓延，使燃燒加劇。由于熱膨脹的作用，氣缸內很快形成高溫高壓氣體（最高壓力6～100Pa；最高溫度達1800～2000℃），推動活塞向下移動，通過曲柄連桿機構推動曲軸旋轉，向外傳遞動力。當活塞到達下死點時，完成作功行程，同時曲軸又回轉了半周（計540°），燃燒基本結束，氣缸內的壓力和溫度急劇下降，壓力降至0.2～0.5MPa，溫度降至600～750℃。

（4）排氣行程

      如圖6所示。此時排氣門打開，進氣門關網，曲柄沿箭頭方向繼續轉動，活塞則從下死點向上移動，把燃燒后的廢氣從氣缸中經排氣門排出直到上死點，這時排氣結束，曲軸又回轉了半周（計720°）。當活塞再往下移動時，第二次循環又開始了。如此往復運動，使柴油機不斷地轉動，產生動力對外作功。

      在四個行程中，只有第三個行程是作功行程，其余三個行程實為耗功行程，但又是必須的輔助行程。

 

圖5  柴油機做功行程

圖6  柴油機排氣行程

 

2、四沖程柴油機的基本構造

      四沖程柴油機其結構型式很多，具體構造也有所區別。但發動機的總體結構基本相似。即具有帶機體的兩大機構和四大系統：

（1）帶機體的曲軸連桿機構。

      主要包括氣缸體、氣缸蓋、活塞、活塞環、活塞銷、連桿、曲軸、飛輪、軸承和曲軸箱等。這是組合各機構使發動機借以產生動力并傳遞動力的機構，即通過它把活塞的往復直線運動轉變為曲軸的旋轉運動輸出動力。

（2）配氣和進排氣機構。

      主要包括進氣門、排氣氣門、凸輪軸及時規齒輪，挺桿、推桿、進氣歧管、空氣濾清器。排氣歧管、排氣管和消聲器（增壓式柴油機另有增壓器）等。其作用是按發動機工作順序開、閉進、排氣門，使新鮮空氣充入氣缸中，并排出燃燒后的廢氣。

（3）燃料供給系統。

      主要包括柴油箱、輸油泵、濾清器、噴油泵和調速器。噴油器及油管等。其作用是定時定量地向各個氣缸噴射柴油，與空氣混合后形成可壓燃的混合氣體。

（4）潤滑系統。

      主要包括油底殼、機油泵、機油限壓閥、機油濾清器、油壓表及感壓器。油溫表及感溫器等。其作用是將潤滑油供給摩擦部位，減輕磨損，冷卻機體，并清潔摩擦表面和保護摩擦表面，不受氧化和銹蝕。

（5）冷卻系統。

      主要包括水散熱器、水泵、水套、節溫器、進水管、出水管、放水開關、水溫表及感溫器、風扇等。其作用是利用冷卻介質把受熱零件的熱量及時傳遞到大氣中，以保持發動機在適宜的溫度下工作。

（6）起動系統。

      主要包括電源（蓄電池、電流電壓調節器、發電機）。起動機和便于低溫起動的附屬裝置（如進氣管預熱裝置，壓力霧化火焰起動裝置，乙醚起動裝置和起動預熱器等）。

 

三、汽油機的原理與結構

 

1、工作原理

       四沖程汽油機的工作原理與柴油機一樣，也是包括進氣、壓縮、作功與排氣四個行程，示功圖如圖3、圖4所示。其不同之處是燃料供給方式與點燃方式不一樣，主要區別為：

① 汽油機的燃料是在進氣時，隨吸入的新鮮氣體在汽化器內與吸出的汽油混合成各種所需混合氣體再吸入氣缸中壓縮；

② 汽油機的壓縮比也比柴油的低。ε＝6.5-7.2：1，而柴油機ε＝16～22：1；

③ 汽油機氣缸中的可燃混合氣體，在壓縮終了時是通過安裝在活塞頂部的一個火花塞發出的強烈的電火花來點燃的。

④ 柴油機與汽油機相比，柴油機熱效率比較高，省油使用經濟性好，使用壽命長、扭矩大，工作安全可靠。缺點是工作噪音大、粗暴，要求受力零件強度高，因而零件的尺寸和重量較大，制造成本也較高。與此相反，汽油機具有結構輕巧、制造方便、工作平穩和起動容易等優點，但不適宜重負荷工作。

2、基本結構

      四沖程汽油機的構造形式與柴油機基本相同。所不同的是因燃料（汽油）的供給方式和著火方式不一樣，其系統的構造形式有一定的區別。

（1）燃料供給系統

① 汽油機的燃料供給系統的組成由汽油箱、汽油泵、汽油濾清器，汽化器（又名化油器，現在新系列的發動機全部已改為電噴）等。

② 汽化器專門用來將空氣和汽油在進入汽缸前制配成各種數量和質量的混合氣體，再吸入氣缸。發動機的工況是通過操縱汽化器內的節氣門和阻風門來控制轉速與負荷的。發動機的工作狀況有起動、怠速、中等負荷、全負荷、突然加速五種工況。

③ 汽油發動機為了提高進氣壓力，增加充氣量，有些也采用增壓器，使發動機的功率增加，機械效率上升，污染減少等，尤其在高原（西藏高原海撥4000m以上），或空中運行欲保持馬力不變，更加需要采用增壓器。

（2）點火系統

      汽油機進入氣缸內的空氣和汽油的混合氣體是依靠電火花來點燃的。

① 點火系統的作用

      按照發動機的工作順序，準確、可靠地產生高壓電火花，點燃經壓縮后的可燃混合氣體。點火系統由電源（蓄電池、電流電壓調節器、發電機）、點火開關（電鑰匙）、點火線圈、附加電阻、電容器、分電斷續器、火花塞、低壓電線和高壓電線組成。

② 工作原理

      發動機啟動，必須打開點開關，隨著外力使發動機轉動（啟動后也不能關閉，否則，發動機馬上熄滅）。分電斷續器（內由分電器、斷續器、離心式調節器、真空式調節器等組成），即開始接通和切斷點火線圈內的一次線圈使磁場變化，從而感應點火線圈的二次線圈使之產生高壓電（約10000～18000V），再通過分電器，將高壓電按發動機工作順序引至各缸的火花塞，在火花塞間隙處跳火，點燃壓縮后的混合氣體。

      離心式和真空式調節器均是自動調節點火時間的機構。

 

圖7  發動機示功圖（P-V圖）

圖8  發動機壓力圖（P-φ圖）

 

四、二沖程發動機的基本工作原理

 

      二沖程柴油機的全部工作循環是在活塞的二個沖程內即曲軸旋轉一周（360°）完成的。它的進氣和排氣不像四沖程柴油機那樣有單獨的沖程，而是在壓縮和作功二個沖程內進行的。在二沖程柴油機中，新鮮空氣是由掃氣泵壓入氣缸的。廢氣除了一部分依靠廢氣與大氣的壓力差自由地排出外，其余部分是由壓入氣缸中的新鮮空氣所擠出，這個擠出的過程稱為掃氣過程。

      二沖程柴油機有直流掃氣和彎流掃氣等類型，但它們的工作原理都是相同的。現以氣口一氣閥直流掃氣二沖程柴油機為例說明二沖程柴油機的工作原理。

（1）第一沖程--掃氣和壓縮。

      活塞從下死點上行時，在遮閉掃氣口之前，新鮮空氣通過掃氣泵、掃氣口壓入氣缸內，把氣缸中的廢氣擠出。隨著活塞的上行，掃氣口逐漸被遮閉，當活塞把掃氣口完全遮閉時（P-V圖中的點1），排氣閥也差不多在這時關閉，壓縮過程開始進行。當活塞到達2時，噴油開始，到達上死點時，氣缸內的空氣壓力達到3.5-4.5兆帕（35-45千克力/厘米²），溫度達到700-800℃。

（2）第二沖程--工作和排氣。

      當活塞到達上死點前10-300的位置時，柴油開始從噴油器以霧狀噴入氣缸，與氣缸內的高溫氣體混合后，即自行發火燃燒（P-V圖中2-3曲線），燃燒所產生的燃氣推動活塞下行做功。燃燒時最高壓力達5-8兆帕（50-80千克力/厘米²），最高溫度達1600-1800℃。

（3）在以后的運行中，燃燒產物發生膨脹，直到排氣閥打開時為止（點4）。排氣閥打開的時間，比活塞掀開掃氣口的時間稍早，這樣就有一段自由排氣過程（點4-5）。當掃氣口打開時，氣缸內的壓力可以從300-500千帕（3-5克力/厘米²）降低到接近大氣壓力。

（4）當曲軸從點5經過點6（下死點）轉到點1的期間內，氣缸內進入了掃氣空氣，繼續進行殘余廢氣的排除工作。

（5）氣缸內充氣過程的終點（點1）是由掃氣口和排氣閥關閉的時刻來決定的，排氣閥有的與進氣口同時關閉，有的或稍早一點。在二沖程柴油機中，進氣過程終點氣缸內壓力一般都高于大氣壓力，其值與掃氣空氣壓力有關。

（6）活塞再上行時，第一沖程又開始，工作循環依上述程序重復進行。

 

五、多缸發動機的工作次序

 

     以上所述，無論是四沖程還是二行程發動機，每個工作循環中，只有作功行程是對外作功的，其余行程都是輔助行程。它們不僅不對外作功，而且還要消耗一部分能量（用于壓縮氣體和克服進、排氣的阻力），這將使發動機運轉不均勻，且難以起動。為了改善運轉均勻性，便要應用多缸發動機。

       在多缸發動機中，各缸共用一根曲軸，每個氣缸內部都進行著相同的工作循環，每個活塞都承受著作功壓力而且都推動同一根曲軸旋轉。如果將各缸作功行程合理地錯開，就能使曲軸旋轉的均勻性大大提高，飛輪的尺寸和重量，則可大為減少。

（1）如四缸四沖程發動機常用的工作次序為1-3-4-2，有的為（1-2-4-3），此時各缸的相互關系見表1。

（2）六缸四沖程發動機六個曲柄按1-5-3-6-2-4在圓周方向各間隔120°，在曲軸每兩轉（即720°）內各缸交替作功的間隔為720/6＝120°。各缸完成四個行程，見表2。

表1    四缸四沖程發動機（1-3-4-2）工作次序

表2    六缸四沖程發動機（1-5-3-6-2-4）工作次序

總結：

      內燃機是一種將熱能轉化為機械能的發動機，具有高效節能、功率密度大、啟動方便、適應性強和維護簡單等特點。內燃機的工作原理包括進氣、壓縮、燃燒和排氣四個階段，通過燃燒產生的高溫高壓氣體推動活塞運動，從而將熱能轉化為機械能。內燃機廣泛應用于移動電站、集裝箱柴發機組以及固定式發電機組等領域。

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