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式中:
D-气缸直径,单位mm;
S-活塞行程,单位mm;
5..内燃机排量
内燃机所有气缸工作容积的总和称为内燃机排量。
多缸内燃机各气缸工作容积的总和。
一般用VL表示:
VL=Vh×
i
Vh-气缸工作容积;
i-气缸数目。
6.燃烧室容积
活塞位于上止点时,活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室,其容积称为燃烧室容积,也叫压缩容积。
7.气缸总容积
气缸工作容积与燃烧室容积之和为气缸总容积。
8.压缩比
气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。
压缩比的大小表示活塞由下止点运动到上止点时,气缸内的气体被压缩的程度。
压缩比越大,压缩终了时气缸内的气体压力和温度就越高。
一般用ε表示:
ε=Va/Vc=(Vh+Vc)/Vc=1+Vh/Vc;
式中:
Va-气缸总容积
9.工况
内燃机在某一时刻的运行状况简称工况,以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。
曲轴转速即为内燃机转速。
10.负荷率
内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率,以百分数表示。
负荷率通常简称负荷。
发动机的总体构造
发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。
无论是汽油机,还是柴油机;
无论是四行程发动机,还是二行程发动机;
无论是单缸发动机,还是多缸发动机,要完成能量转换,实现工作循环,保证长时间连续正常工作,都必须具备以下一些机构和系统。
汽油机由以下两大机构和五大系统组成,即由曲柄连杆机构,配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成;
柴油机由以上两大机构和四大系统组成,即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成,柴油机是压燃的,不需要点火系。
1.曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是发动机实现工作循环,完成能量转换的主要运动零件。
它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。
在做功行程中,活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动,通过连杆转换成曲轴的旋转运动,并从曲轴对外输出动力。
而在进气、压缩和排气行程中,飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。
曲柄连杆机构是柴油机实现能量转换的关键部件。
2.配气机构
配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程,定时开启和关闭进气门和排气门,使可燃混合气或空气进入气缸,并使废气从气缸内排出,实现换气过程。
3..冷却系统
冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作。
水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。
4.燃料供给系统
汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求,配制出一定数量和浓度的混合气,供入气缸,并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去;
柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸,在燃烧室内形成混合气并燃烧,最后将燃烧后的废气排出
5.润滑系统
润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油,以实现液体摩擦,减小摩擦阻力,减轻机件的磨损。
并对零件表面进行清洗和冷却。
润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。
6.点火系统
在汽油机中,气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的,为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞,火花塞头部伸入燃烧室内。
能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系,点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。
7.起动系统
要使发动机由静止状态过渡到工作状态,必须先用外力转动发动机的曲轴,使活塞作往复运动,气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功,推动活塞向下运动使曲轴旋转。
发动机才能自行运转,工作循环才能自动进行。
因此,曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程,称为发动机的起动。
完成起动过程所需的装置,称为发动机的起动系。
发动机的性能指标
发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点,并作为评价各类发动机性能优劣的依据。
同时,发动机性能指标的建立还促进了发动机结构的不断改进和创新。
因此,发动机构造的变革和多样性是与发动机性能指标的不断完善和提高密切相关的。
一、动力性指标
动力性指标是表征发动机作功能力大小的指标,一般用发动机的有效转矩、有效功率、转速和平均有效压力等作为评价发动机动力性好坏的指标。
1.有效转矩
发动机对外输出的转矩称为有效转矩,记作Te,单位为N·
m。
有效转矩与曲轴角位移的乘积即为发动机对外输出的有效功。
2.有效功率
发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率,记作pe单位为KW。
它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。
发动机的有效功率可以用台架试验方法测定,也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度,然后用公式计算出发动机的有效功率pe:
Te—有效转矩,N·
m;
n—曲轴转速,r/min。
3.发动机转速
发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速,用n表示,单位为r/min。
发动机转速的高低,关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小,即发动机的有效功率随转速的不同而改变。
因此,在说明发动机有效功率的大小时,必须同时指明其相应的转速。
在发动机产品标牌上规定的有效功率及其相应的转速分别称作标定功率和标定转速。
发动机在标定功率和标定转速下的工作状况称作标定工况。
标定功率不是发动机所能发出的最大功率,它是根据发动机用途而制定的有效功率最大使用限度。
同一种型号的发动机,当其用途不同时,其标定功率值并不相同。
有效转矩也随发动机工况而变化。
因此,汽车发动机以其所能输出的最大转矩及其相应的转速作为评价发动机动力性的一个指标。
4.平均有效压力
单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力,记作pme,单位为MPa。
显然,平均有效压力越大,发动机的作功能力越强。
二、经济性指标
发动机经济性指标包括有效热效率和有效燃油消耗率等。
1.有效热效率
燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数称为有效热效率,记作ηe。
显然,为获得一定数量的有效功所消耗的热量越少,有效热效率越高,发动机的经济性越好。
2.有效燃油消耗率
发动机每输出1kW的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率,记作be,单位为g/(kW·
h)。
B—发动机在单位时间内的耗油量,kg/h;
Pe—发动机的有效功率,kW。
显然,有效燃油消耗率越低,经济性越好。
三、强化指标
强化指标是指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标,一般包括升功率和强化系数等。
1.升功率
发动机在标定工况下,单位发动机排量输出的有效功率称为升功率。
升功率大,表明每升气缸工作容积发出的有效功率大,发动机的热负荷和机械负荷都高。
2.强化系数
平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数。
活塞平均速度是指发动机在标定转速下工作时,活塞往复运动速度的平均值。
四、紧凑性指标
紧凑性指标是用来表征发动机总体结构紧凑程度的指标,通常用比容积和比质量衡量。
1.比容积
发动机外廓体积与其标定功率的比值称为比容积。
2.比质量
发动机的干质量与其标定功率的比值称为比质量。
干质量是指未加注燃油、机油和冷却液的发动机质量。
比容积和比质量越小,发动机结构越紧凑。
五、环境指标
环境指标用来评价发动机排气品质和噪声水平。
由于它关系到人类的健康及其赖以生存的环境,因此各国政府都制定出严格的控制法规,以期消减发动机排气和噪声对环境的污染。
六、可靠性指标
可靠性指标是表征发动机在规定的使用条件下,正常持续工作能力的指标。
可靠性有多种评价方法,如首发故障行驶里程、平均故障间隔里程、主要零件的损坏率等。
七、耐久性指标
耐久性指标是指发动机主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间。
通常用发动机的大修里程,即发动机从出厂到第一次大修之间汽车行驶的里程数来衡量。
八、工艺性指标
工艺性指标是指评价发动机制造工艺性和维修工艺性好坏的指标。
发动机结构工艺性好,则便于制造,便于维修,就可以降低生产成本和维修费用。
九、内燃机速度特性
汽车发动机的工况在很广泛的范围内变化。
当发动机的工况(即功率和转速)发生变化时,其性能(包括动力性、经济性、排放性和噪声等)也随之改变。
因此,在评价和选用发动机时就必须考察它在各种工况下的性能,才能全面判断其好坏及能否满足汽车的要求。
发动机性能指标随调整状况及运行工况而变化的关系称为发动机特性,利用特性曲线可以简单而又方便地评价发动机性能。
发动机的有效功率Pe、有效转矩Te和有效燃油消耗率be随发动机转速n的变化关系称为发动机速度特性。
发动机运转工况对可燃混合气成分的要求
(一)可燃混合气成分的表示法
可燃混合气中空气与燃油的比例称为可燃混合气成分或可燃混合气浓度,通常用过量空气系数和空燃比表示。
1.过量空气系数
燃烧1kg燃油实际供给的空气质量与完全燃烧1kg燃油的化学计量空气质量之比为过量空气系数,记作
φa。
即
φa=1的可燃混合气称为理论混合气;
φa<1的称为浓混合气;
φa>1的则称为稀混合气。
2.空燃比
可燃混合气中空气质量与燃油质量之比为空燃比,记作σ。
按照化学反应方程式的当量关系,可求出1kg汽油完全燃烧所需空气质量即化学计量空气质量约为14.8kg。
显然,σ=14.8的可燃混合气为理论混合气;
σ<14.8的为浓混合气;
σ>14.8的为稀混合气。
空燃比σ=14.8称为理论空燃比或化学计量空燃比。
柴油机的基本概念
一、概述
柴油机是用柴油作燃料的内燃机。
柴油机属于压缩点火式柴油机,它又常以主要发明者德国人鲁道夫.狄塞尔的名字而称为狄塞尔引擎。
柴油机在工作时,吸入柴油机气缸内的空气,因活塞的运动而受到较高程度的压缩,达到500~700℃的高温。
然后将燃油以雾状喷入高温空气中,与高温空气混合形成可燃混合气,自动着火燃烧。
燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上,推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。
因此,柴油机实际上就是一部将燃料的化学能转换为机械能并对外输出动力的机器。
它以柴油为燃料,所以称为柴油机。
二、柴油机分类
柴油机种类繁多,其分类方式有:
(1)按工作循环可分为四冲程和二冲程柴油机。
(2)按冷却方式可分为水冷和风冷柴油机。
(3)按进气方式可分为增压和非增压(自然吸气)柴油机。
(4)按转速可分为:
①高速柴油机(大于1000r.p.m);
②中速柴油机(350~1000r.p.m);
图1-2柴油机布置型式
③低速柴油机(小于350r.p.m)。
(5)按燃烧室可分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机。
(6)按气体压力作用方式可分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等。
(7)按气缸数目可分为单缸和多缸柴油机。
(8)按用途可分为船用柴油机、机车柴油机、汽车柴油机、发电柴油机、农用柴油机、工程机械用柴油机等。
(9)按布置方式可分为直列式柴油机、V型柴油机、水平对置柴油机(图1-2所示)、星型柴油机、王字型柴油机等。
车用柴油机以直列和V型布置为多。
(10)按燃料分为轻质燃料柴油机和重油柴油机等。
柴油及其使用性能
柴油和汽油一样都是石油制品。
在石油蒸馏过程中,温度在200~350℃之间的馏分即为柴油。
柴油分为轻柴油和重柴油。
轻柴油用于高速柴油机,重柴油用于中、低速柴油机。
汽车柴油机均为高速柴油机,所以使用轻柴油。
1.轻柴油的牌号和规格
轻柴油按其质量分为优等品、一等品和合格品3个等级,每个等级又按柴油的凝点分为10、0、-10、-20、-35和-50等6种牌号。
2.轻柴油的使用性能
为了保证高速柴油机正常、高效地工作,轻柴油应具有良好的发火性、低温流动性、蒸发性、化学安定性、防腐性和适当的粘度等诸多的使用性能。
1)发火性指柴油的自燃能力,用十六烷值评定。
柴油的十六烷值大,发火性好,容易自燃。
国家标准规定轻柴油的十六烷值不小于45。
2)蒸发性指柴油蒸发汽化的能力,用柴油馏出某一百分比的温度范围即馏程和闪点表示。
比如,50%馏出温度即柴油馏出50%的温度,此温度越低,柴油的蒸发性越好。
国家标准规定此温度不得高于300℃,但没有规定最低温度。
为了控制柴油的蒸发性不致过强,标准中规定了闪点的最低数值。
柴油的闪点指在一定的试验条件下,当柴油蒸气与周围空气形成的混合气接近火焰时,开始出现闪火的温度。
闪点低,蒸发性好。
3)低温流动性用柴油的凝点和冷滤点评定低温流动性。
凝点是指柴油失去流动性开始凝固时的温度,而冷滤点则是指在特定的试验条件下,在1min内柴油开始不能流过过滤器20mL时的最高温度。
一般柴油的冷滤点比其凝点高4~6℃。
4)粘度是评定柴油稀稠度的一项指标,与柴油的流动性有关。
粘度随温度而变化,当温度升高时,粘度减小,流动性增强;
反之,当温度降低时,粘度增大,流动性减弱。
GB/T252—2000中规定的实际胶质、10%蒸余物残炭和氧化安定性,总不溶物等三项指标,是柴油安定性的评定指标。
柴油的防腐性则用硫含量、硫醇硫含量、酸度、铜片腐蚀及水溶性酸或碱等指标来评定。
柴油中的灰分、水分和机械杂质,是评定柴油清洁性的指标。
汽车柴油机应使用各项指标均符合国家标准的柴油。
3.轻柴油的选择
按照当地当月风险率为10%的最低气温选用轻柴油牌号。
柴油机燃油系统的功用及组成
一、柴油机混合气形成特点
柴油机以柴油为燃料。
由于柴油的蒸发性和流动性都比汽油差,因此柴油机不能像汽油机那样在气缸外部形成可燃混合气。
柴油机的混合气只能在气缸内部形成,即在接近压缩行程终点时,通过喷油器把柴油喷入气缸内,柴油油滴在炽热的空气中受热、蒸发、扩散,并与空气混合形成可燃混合气,最终自行发火燃烧。
与汽油机相比,柴油机混合气形成的时间极短,只占15°
~35°
曲轴转角。
燃烧室各处的混合气成分很不均匀,且随时间而变化。
虽然柴油机的平均过量空气系数a>1,但是在燃烧室内仍然有的地方混合气过浓,燃烧不完全;
有的地方混合气过稀,空气得不到充分利用。
为了改善柴油机的混合气形成与燃烧,燃油系统、燃烧室以及它们之间的相互匹配起着重要的作用。
不同形式的燃烧室对喷油始点、喷油持续角、喷油压力、喷油规律、喷注雾化质量及其在燃烧室内的分布等都有不同的要求。
这些喷油参数的变化对柴油机的经济性、动力性、排放性和噪声水平都有直接的影响。
柴油机燃烧室的形状不胜枚举,一般均按其结构形式分为直喷式燃烧室和分隔式燃烧室两大类。
直喷式燃烧室的容积集中于气缸之中,且其大部分集中于活塞顶上的燃烧室凹坑内。
燃烧室凹坑的形状多种多样,极具创造性。
其中有的为回转体,有的则是非回转体。
分隔式燃烧室的容积则一分为二,一部分位于气缸盖中,另一部分则在气缸内。
在气缸内的那部分称主燃烧室,位于气缸盖中的那部分称副燃烧室。
主、副燃烧室之间用通道连通。
分隔式燃烧室又有涡流室燃烧室和预燃室燃烧室之分。
一、柴油机燃油系统的功用
1)在适当的时刻将一定数量的洁净柴油增压后以适当的规律喷入燃烧室。
喷油定时和喷油量各缸相同且与柴油机运行工况相适应。
喷油压力、喷注雾化质量及其在燃烧室内的分布与燃烧室类型相适应。
2)在每一个工作循环内,各气缸均喷油一次,喷油次序与气缸工作顺序一致。
3)根据柴油机负荷的变化自动调节循环供油量,以保证柴油机稳定运转,尤其要稳定怠速,限制超速。
4)储存一定数量的柴油,保证汽车的最大续驶里程。
三、柴油机燃油系统的组成
柴油机燃油系统包括喷油泵、喷油器和调速器等主要部件及柴油箱、输油泵、油水分离器、柴油滤清器、喷油提前器和高、低压油管等辅助装置。
喷油器
喷油器是柴油机燃油供给系中实现燃油喷射的重要部件,其功用是根据柴油机混合气形成的特点,将燃油雾化成细微的油滴,并将其喷射到燃烧室特定的部位。
喷油器应满足不同类型的燃烧室对喷雾特性的要求。
一般说来,喷注应有一定的贯穿距离和喷雾锥角,以及良好的雾化质量,而且在喷油结束时不发生滴漏现象。
汽车柴油机广泛采用闭式喷油器。
这种喷油器主要由喷油器体、调压装置及喷油嘴等部分组成。
闭式喷油器的喷油嘴是由针阀和针阀体组成的一对精密偶件,其配合间隙仅为0.002~0.004mm。
为此,在精加工之后,尚需配对研磨,故在使用中不能互换。
一般针阀由热稳定性好的高速钢制造,而针阀体则采用耐冲击的优质合金钢。
根据喷油嘴结构形式的不同,闭式喷油器又可分为孔式喷油器和轴针式喷油器两种,分别用于不同类型的燃烧室。
(如下左图)
一、孔式喷油器
1.孔式喷油器结构
孔式喷油器用于直喷式燃烧室柴油机上。
孔式喷油器的喷油嘴头部加工有1个或多个喷孔,有1个喷孔的称单孔喷油器,有两个喷孔的称双孔喷油器,有3个以上喷孔的称多孔喷油器。
一般喷孔数目为1~7个,喷孔直径为0.2~0.5mm。
喷孔直径不宜过小,否则既不易加工,又在使用中容易被积炭堵塞。
二、轴针式喷油器
轴针式喷油器与孔式喷油器的工作原理相同,结构相似,只是喷油嘴头部的结构不同而已。
在轴针式喷油器中,针阀密封锥面以下有一段轴针,它穿过针阀体上的喷孔且稍突出于针阀体之外,使喷孔呈圆环形。
因此,轴针式喷油器的喷注是空心的。
轴针可以制成圆柱形或截锥形。
圆柱形轴针其喷注的喷雾锥角较小,而截锥形轴针其喷注的喷雾锥角较大。
因此,轴针制成不同形状,可以得到不同形状的喷注,以适应不同形状燃烧室的需要。
柱塞式喷油泵
喷油泵的功用是按照柴油机的运行工况和气缸工作顺序,以一定的规律,定时定量地向喷油器输送高压燃油。
多缸车用柴油机的喷油泵应满足下列要求:
1)各缸供油量相等。
在标定工况下各缸供油量相差不超过3%~4%。
喷油泵的供油量应随柴油机工况的变化而变化,为此喷油泵必须有供油量调节机构。
2)各缸供油提前角相同,误差小于0.5°
~1°
供油提前角也应随柴油机工况的变化而变化,为此应装置喷油提前器。
3)各缸供油持续角一致。
4)能迅速停止供油,以防止喷油器发生滴漏现象。
喷油泵种类很多,在汽车柴油机上得到广泛应用的有直列柱塞式喷油泵和转子分配式喷油泵。
此外,还有泵喷油器等。
一、柱塞式喷油泵系列
由于柴油机的单缸功率变化范围很大,若根据每一种单缸功率所需要的循环供油量来设计和制造喷油泵,那么喷油泵的尺寸规格将不可胜数,给生产和使用都造成诸多不便。
因此,世界各国的喷油泵制造厂都是以几种不同的柱塞行程作为基础,将喷油泵划分成为数不多的几个系列或型号,然后再配以不同尺寸的柱塞偶件,构成若干种循环供油量不等的喷油泵,以满足各种不同功率柴油机的需要。
二、柱塞式喷油泵的结构及工作原理
(一)A型喷油泵结构
柱塞式喷油泵由泵油机构、供油量调节机构、驱动机构和喷油泵体等部分组成。
1.泵油机构
泵油机构包括柱塞套、柱塞、柱塞弹簧、上下柱塞弹簧座和、出油阀、出油阀座、出油阀弹簧和出油阀紧座等零件。
柱塞和柱塞套构成喷油泵中最精密的偶件,称作柱塞偶件。
正是由于柱塞偶件的精密配合及柱塞的高速运动,才得以实现对燃油的增压。
每台喷油泵的柱塞偶件数和与其配套的柴油机气缸数相同。
一般柱塞偶件用优质合金钢制造,经过精细加工和配对研磨,使其配合间隙在0.0015~0.0025mm范围内。
间隙过大,容易漏油,导致油压下降;
间隙过小,对偶件润滑不利,且容易卡死。
柱塞偶件在使用中不能互换。
(如上中图)
出油阀与出油阀座是喷油泵中另一对精密偶件,称出油阀偶件。
出油阀偶件位于柱塞偶件的上方,出油阀座的下端面与柱塞套的上端面接触,通过拧紧出油阀紧座使两者的接触面保持密合。
同时,出油阀弹簧4将出油阀压紧在出油阀座上。
出油阀的密封锥面与出油阀座的接触表面经过精细研磨。
出油阀减压环带与出油阀座孔的配合间隙很小。
减压环带以下的出油阀表面是其在出油阀座孔内往复运动的导向面,导向部分的横截面为十字形。
2.供油量调节机构
喷油泵供油量调节机构的功用是,根据柴油机负荷的变化,通过转动柱塞来改变循环供油量。
供油量调节机构或由驾驶员直接操纵,或由调速器自动控制。
3.驱动机构
喷油泵的驱动机构包括凸轮轴和挺柱组件。
凸轮轴的前、后端通过滚动轴承支承在喷油泵体上。
凸轮轴上凸轮的数目与喷油泵的柱塞偶件数相同,各凸轮间的夹角与配套柴油机的气缸数有关,并与气缸工作顺序相适应。
凸轮轴一般由曲轴定时齿轮驱动,四冲程柴油机喷油泵凸轮轴的转速是曲轴转速的一半,以实现在凸轮轴一转之内向各气缸供油一次。
挺柱体部件安装在喷油泵体上的挺柱孔内。
4.喷油泵体
泵体是喷油泵的基础零件,泵油机构、供油量调节机构和驱动机构等都安装在喷油泵体上,它在工作中承受较大的作用力。
因此,泵体应有足够的强度、刚度和良好的密封性。
此外,还应该便于拆装、调整和维修。
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