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内燃机选型概述

已有 991 次阅读 2019-8-17 13:19 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 内燃机, 选型, 发动机, 增压, 冷却

内燃机选型概述

伍赛特

 

0 引言

现代内燃机经过百余年的发展,功能不断增强,用途不断扩大,呈现出多元化发展的态势。传统的内燃机按照不同的分类方法可分为多种类型,如按使用燃料可分为汽油机、柴油机、气体燃料内燃机以及其他代用燃料内燃机;按冲程数可分为二冲程内燃机和四冲程内燃机;按工作过程、结构的特点可分为往复活塞式内燃机与转子发动机。就目前在各种不同动力机械中应用的内燃机而言,占据了统治地位的还是往复活塞式内燃机,这是由内燃机技术的发展及其固有的优点决定的。

往复活塞式内燃机具有的主要优点是结构紧凑、效率高、机动性好,适合广泛应用;但同时往复式内燃机也有其固有的缺点,即结构比较复杂,制造维修困难,大量的运动摩擦表面影响使用寿命,往复机构固有的旋转不均匀和较大的往复惯性力导致整机振动。转子发动机结构简单、外形尺寸小、重量轻,但由于在密封性、可靠性和使用寿命等方面存在问题,其应用远远不及往复活塞式内燃机。

随着技术的不断发展,现在出现了新的动力装置,如燃料电池汽车、太阳能汽车、混合动力汽车、纯电动车等,这些先进的新动力技术具有很好的节能减排的优势和前景,但由于存在各种关键技术及制造维修等方面的问题,目前还难以大面积地推广应用,在短时间内难以完全取代往复活塞式内燃机。由于材料、制造工艺、化工、电子技术、计算机技术等相关技术的飞速发展及这些先进技术在内燃机上的应用与普及,往复式内燃机的性能得到了进一步的完善,仍然具有旺盛的生命力。

 

汽油机、柴油机、代用燃料发动机

目前,往复活塞式内燃机大多数主要还是汽油机、柴油机,还有一些是代用燃料发动机。在进行内燃机总体设计时要考虑选择何种类型的内燃机,这需要从全局出发全面考虑问题,不仅仅要考虑内燃机本身的技术经济特点和市场需求,还要顾及国家或地区对环境、能源应用分布的需要以及燃料的资源、开采情况等问题。下面就内燃机本身的技术经济特点进行论述。

 

1.1汽油机

汽油机工作时,一般靠外源(火花)点燃汽油和空气的混合气。与柴油机相比,汽油机构造简单,重量轻、尺寸小,低温启动性能好,工作平稳、加速性好,噪声小,制造成本低,颗粒物排放少,广泛运用在摩托车、中小型客车、小载重量的卡车,以及一些工农业生产中要求重量轻、携带方便的小型动力机械上。

 

1.2柴油机

柴油机采用压缩点燃的方式工作。为了能够有效地控制开始燃烧的时刻,燃料是在压缩行程接近终点时经喷油器喷人气缸再与预先进入气缸的空气进行混合的。柴油机工作要求是压缩行程终点的温度较高,压缩比比汽油机高,压缩行程终点的压力以及燃烧最高压力都较高,燃烧过程相对于汽油机而言比较剧烈,噪声大,构造比较复杂、笨重、体积尺寸大。

柴油机的燃油经济性好,热效率高,因为无点火系统,工作可靠性、耐久性能好,可以通过采用高的增压度和较大的缸径来提高其动力性能,功率使用范围非常广泛;同时,柴油机的COHC排放要少于汽油机。此外,由于柴油不易挥发,柴油机具有防火安全性好的优点。由于柴油机的这些优点,柴油机应用十分广泛,农用动力一般都以柴油机为主,特别是农用拖拉机发动机,几乎全都采用柴油机,其他机车、船舶、工程机械动力无一例外地也都是柴油机。载重量5t以上的载重汽车、牵引车、大型客车、工程机械大都采用柴油机。随着柴油机技术的发展,柴油机也陆续运用到中小型汽车、小轿车上。

近年来,随着内燃机技术的发展,汽油机与柴油机的明显差异正逐步缩小,汽油机、柴油机相互借鉴各自的优点,不断提高性能。

 

1.3代用燃料发动机

进入21世纪以来,世界石油资源短缺和生态环境保护成为全球化关注的两大问题,对传统的石油燃料发起挑战,合理利用资源及开发清洁燃料势在必行。开发代用燃料发动机成为解决两大危机问题的有效途径之一。随着石油资源的危机、环境保护问题日益严峻,一些汽油、柴油的替代燃料纷纷应用到现在的内燃机中。这些代用燃料主要包括压缩天然气compressed natural gasCNG)、液化天然气(liquefied natural gasLNG)、液化石油气(liquefied petroleum gasLPG)、氢气、醇类(甲醇、乙醇)、二甲醚DME、生物柴油(bio-diesel)等。代用燃料大都是清洁燃料,具有较好的排放性能。这些代用燃料发动机都是在原有的汽油机或柴油机的基础上改造而成的。

 

二冲程、四冲程内燃机

与四冲程内燃机相比,二冲程内燃机单位时间内的工作循环次数提高了一倍,实际功率输出要比四冲程内燃机大50%70%,同时与同功率四冲程发动机相比,体积小、重量轻,结构简单,因此二冲程汽油机在摩托车、摩托艇、喷雾机和割草机等小型动力装置上应用很广。但是,由于二冲程内燃机在换气时有一部分新鲜可燃混合气与废气一起排出,燃料和润滑油消耗较大,因此其经济性能较差,HC排放较多,怠速和低负荷工况运转不够稳定,活塞、缸套热负荷较大,扫气泵噪声大。

四冲程内燃机,使用可靠,工作平稳,燃油经济性能好,性能指标稳定,在生产、使用方面经验丰富、技术成熟,广泛运用在汽车、拖拉机、坦克、柴油发电机组、工程机械等动力装置上。随着对排放和经济性的要求日趋严格.摩托车也越来越多地采用四冲程内燃机了。

 

增压与非增压内燃机

传统内燃机大多为非增压内燃机,但随着社会的发展,对内燃机功率要求越来越高,出现了追求高功率内燃机的趋势。内燃机增压可以提高功率,减小尺寸和重量,可以适当补偿高气温和高原空气稀薄带来的功率损失。对于汽油机,由于受到爆燃的限制,不适宜采用高增压方式,一般可采用低增压的方式;对于柴油机,增压是提高升功率的最有效的方法之一。大多数柴油机几乎都采用增压来提高输出动力。

内燃机增压后,气缸内压缩终了的压力、最大燃烧压力均相应增大,加重了曲柄连杆机构的机械负荷,同时,增压使得进气温度升高,相应地导致缸内燃烧温度升高,这加剧了内燃机的热负荷。尤其是采用高增压时,内燃机的热负荷与机械负荷显著加剧,为保证内燃机工作的可靠性,需采取一系列弥补措施。

目前对于增压发动机,除了增加中冷器来降低进气温度以减轻发动机的热负荷外,还要改进设计发动机的关键零部件(如活塞、连杆、曲轴、气缸盖、气缸体、曲轴箱等),合理设计这些关键零部件使其能承受高的热负荷和机械负荷。另外,还可以改变循环条件使得主要零部件的热负荷和机械负荷不至于过高,如采用可变压缩比活塞、超高增压系统。

 

水冷式和风冷式内燃机

水冷内燃机的机体和气缸盖内部铸有水套,水套内的循环冷却水将内燃机的一部分热量带走。水冷内燃机由于冷却均匀、冷却效果好,强化的潜力要大于风冷发动机。与风冷内燃机相比,在其他相同条件下,水冷内燃机的充气效率高、平均有效压力大。由于水的比热容大,受外界影响比较小。另外,由于有水套隔离,发动机运转时向外辐射的噪声小。因此在农用和车用发动机上大多数采用的是水冷发动机。

风冷内燃机在气缸盖和机体表面铸造了散热片,没有水套,主要靠风扇转动空气流动带走内燃机的散热量。由于风冷内燃机冷却系统结构简单,维修成本低,不使用水作冷却介质,不会发生漏水、结冰冻裂、沸腾等故障,发动机的工作可靠性高,使用方便。此外,风冷内燃机因其对不同气候(严寒或酷热)及各种恶劣环境(沙漠等缺水的地区)适应性强,适用于军用装甲车辆。

但是与水冷发动机相比,由于空气的比热容小,金属与空气间的传热效果要比金属与水之间的传热效果差得多,因此风冷发动机散热不好,热负荷高,热负荷升高后容易产生喷油器喷孔堵塞、缸盖产生热裂纹、活塞环胶死、活塞拉缸、机油温度过高等故障,严重影响到发动机的可靠性,容易引起汽油机爆燃现象。另外,风冷发动机的运转噪声大也是一个严重缺点。因此,虽然风冷发动机在农用动力、工程机械和摩托车上得以广泛应用,但是载重汽车有时也应用较大功率的风冷柴油机。

 

气缸数及气缸排列方式

内燃机根据气缸数的不同,可分为单缸机和多缸机。当内燃机功率一定时,适当增加气缸数有以下优点:

1)气缸数增多后,气缸直径和活塞行程减小,内燃机的尺寸和重量可减小。

2)由于气缸直径减小,可采用增压技术或进一步强化技术。

3)由于活塞行程减小,可在许可的活塞平均速度下,提高曲轴转速,因而可以提高内燃机的升功率,使内燃机更为紧凑。

4)由于气缸数增多,内燃机的扭矩均匀性增大,运转较平稳,可采用小尺寸的飞轮,有利于启动。

5)由于气缸数增多,内燃机的平衡性提高.内燃机的振动得以减小。

当内燃机气缸数目增加时,零部件总数相应增加,内燃机的生产及维护变得较为复杂,成本增加。随着气缸直径的减小,散入冷却介质的热量损失相应增加,内燃机的有效效率有所降低。因此,在选择缸数时要综合考虑多方面的因素。

不同类型的内燃机对功率的要求不同,气缸数目有所不同。现代各种汽车发动机中最常见的缸数是46812,一些微型车和轻型车的发动机有2缸和3缸的,中型车发动机采用510缸,有的重型车辆、高级跑车使用16缸的发动机。除了手扶拖拉机采用单缸内燃机外,一般的拖拉机大多数采用4缸机,少数用6812缸的;农用内燃机一般采用单缸、双缸或4缸,个别采用6缸;现代坦克内燃机一般采用81012缸机。

多缸内燃机的气缸排列方式有单列式和多列式。单列式构造简单,便于维修和保养,制造成本低,6缸以下的内燃机绝大多数是单列的。单列式的气缸中心线所在平面可以布置为垂直地面(直列式),或倾斜于地面一定角度,如图1所示。发动机气缸倾斜可以降低总高度,降低发动机重心。缸数为8及以上的内燃机一般采用多列式以避免内燃机长度过长,多列式可布置为V形、水平对置式、X形和星形。

 

1 各种发动机气缸布置方式

V形内燃机结构紧凑,高度、长度、宽度均比较合适,同样的气缸数目,由直列式改为V形布置,除了宽度有所增加外,长度可缩短30%40%,高度随V形的气缸夹角的增加而降低,由于长度的缩短,曲轴和曲轴箱质量相应减小,机体结构刚度增强,整机的比重量轻;同时,由于曲轴长度减小,扭转刚度增加,扭振固有频率提高,因此,V形内燃机的扭振不如具有相同缸数的单列式内燃机那样严重。大功率的汽车、拖拉机与工程机械用内燃机,除个别外,一般都采用V形内燃机。

水平对置发动机相当于是夹角为180。的V形发动机,由于水平放置,大大降低了发动机重心和高度;两组活塞水平对置,相对运动,一边膨胀一边压缩,相对的活塞运动抵消了振动,并在各种转速下运转平稳。水平对置发动机运转的平稳性和平衡性是其他布置形式发动机无法相比的。水平对置发动机的缺点主要是由于地球引力的作用,水平对置发动机会遇到活塞及活塞环偏磨、活塞与汽缸壁润滑、发动机冷却等问题,要克服这些问题就需要良好的高新技术支持,发动机的造价较高。水平卧式发动机常用于重型卡车和火车,部分汽车也用水平对置式发动机。

X形内燃机可看做是两台V形内燃机的组合。这种形式虽然结构很紧凑,但曲柄连杆机构、配气机构和曲轴箱的构造复杂,而且对于下面两列气缸的配气机构和燃油供给系的维护保养比较困难,应用范围受限,汽车、拖拉机、工程机械内燃机一般不用。星形内燃机主要用在航空的风冷式内燃机。

 

混合动力

随着节能环保成为当今技术发展的主要趋势,混合动力车无疑是目前最切实可行的降低油耗、降低排放的有效手段之一。混合动力车辆使用多种能源动力:内燃机、电机、燃料电池、氢气等,目前,混合动力车辆多数是以电机为主动力,能源来自电池及内燃机,发动机带动发电机制造电能给电动机或蓄电池,再由电动机驱动车辆前进。油电混合动力车融合电动汽车和内燃机汽车的优点,较好地满足了汽车低排放、低油耗、高性价比的综合要求。

混合动力技术最早出现在柴、电潜艇中,这类潜艇在水上时用柴油机作动力推进并为电池充电,在水下则由电池推动。第一辆混合动力的车辆由费迪南德·保时捷(Ferdinad Porsche)博士于1899年制成。混合动力汽车的动力装置采用电动汽车串联式、并联式和串并联式。两套动力和两套管理系统使混合动力车的价格较高、结构复杂、技术偏难。当前世界各国竞相发展纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车。这些车辆的制造技术在发达国家已日渐成熟,有些已进入应用阶段。20世纪90年代,日本本田公司、丰田公司分别推出了批量生产的混合动力车InsightPrius(普锐斯)

 

参考文献

[1] 雷艳. 现代内燃机设计技术[M]. 北京:北京工业大学出版社, 2011.11.




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3 王安良 杨正瓴 刘炜

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