内燃机的特征剖析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：本章将对汽车用往复型内燃机进行具体说明，对航空航天用发动机将在第12章航空燃气涡轮发动机和第13章火箭推进发动机中进行说明。外燃机为连续燃烧型，燃烧室与动力发生装置各自独立。因此，内燃机与外燃机相比，具有体积小、重量轻且移动便利的优点。图1-1 对汽车用发动机的性能要求

今天，随处可见的摩托车、汽车、火车、船舶、飞机、火箭等都使用内燃机。使用的燃料有气体燃料（天然气、LPG）和液体燃料（汽油、煤油、柴油、重油等）。汽车、摩托车、火车、船舶等采用往复型发动机，大中型飞机则采用旋转型发动机。本章将对汽车用往复型内燃机进行具体说明，对航空航天用发动机将在第12章航空燃气涡轮发动机和第13章火箭推进发动机中进行说明。

1.往复型内燃机

往复型内燃机可在燃烧室中通过间歇燃烧获得燃料热能，并通过活塞旋转曲轴产生动力。外燃机为连续燃烧型，燃烧室与动力发生装置各自独立。因此，内燃机与外燃机相比，具有体积小、重量轻且移动便利的优点。但是，因在狭小空间燃烧室中短时间内间歇燃烧，易发生严重的冲击和振动，并会排放有害气体。

往复型内燃机的一次燃烧时间仅为曲轴角度40°～60°CA。即，如果发动机的旋转速度为4000r/min，是60s/4000r=0.015s/r，也就是说曲轴旋转一圈的时间为15ms。如果将燃烧时间设为60°CA，此时燃烧时间为15ms×60/360=2.5ms非常短，并且燃烧最高温度可以达到2400～2600K。因此，内燃机如果在燃料与空气没有充分混合的状态下短时间内燃烧，很容易生成碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、颗粒性物质（PM），以及在高温状态下的氮氧化物（NO_x）。

往复型内燃机与外燃机相比具有如下优点：

①在气缸内进行间歇燃烧，循环最高温度高，热损失少，因此热效率高。

②输出功率范围很广，可以达到1～30000kW（汽车用发动机的功率范围在20～300kW），功率体积比或功率重量比小。

③不需要如锅炉等附属装置，因此能做到小型、轻量，且移动便利，成本低。

④发动机的起动、停止和转速（或负荷）调节容易，因此倒车性能好，起动前后没有燃料损失。

⑤不使用固体燃料，故不会产生灰，接近于完全燃烧。

⑥热效率高，因此同一燃料装载量条件下行驶里程长。

但存在如下缺点：

①往复型发动机要进行间歇燃烧，因此压力变化大，会产生严重的冲击和振动。

②排气量较大的发动机，功率体积比或功率质量比较大。

③因为是间歇燃烧，所以在后处理之前的排放废气中有害成分多。

④不能自起动，低速时输出转矩小，因此保持低速运行较困难。

⑤由于燃烧压力高，发动机中需要采用高级材料或高精密度加工的部件较多。

⑥由于高温、高压部件多，特别需要注意润滑和冷却。

⑦燃料的多样性不足，很难使用低级别燃料，磨损和腐蚀的部分较多，使得发动机的寿命短。

2.发动机的要求特性

对汽车发动机的性能要求如图1-1所示，可分为经济性、安全性、舒适性、低公害性等。经济性方面的要求有低油耗、小型、轻量、高可靠性、耐久性、低成本等。安全性和舒适性方面的要求有高输出功率、良好的操控性、低噪声、低振动等。低公害性方面的要求有污染物低排放等。汽车用发动机的商品性不能由其中的一种或两种特性来决定，必须全面考虑所有的项目。各项要求特性根据废气排放和噪声相关法规等社会性要求，以及造型、价格和发动机类型（轿车用、多功能车型、跑车用等）等的不同而不同。

时代不同，对发动机的要求也不同。如1970年代前是高输出功率的竞争，1970年代从马斯基法开始的废气排放对策和两次石油危机带来了低空燃比、小型车、紧凑型车及代替能量车辆的需求上升。从20世纪80年代开始，款式造型得到重视，生产工艺也开始发生变化，车身款式也从70年代的方方正正型转变成柔和的流线型，从造型、设计到生产，电脑的应用越来越广泛，CAD/CAM等程序应用在全部领域。20世纪90年代，车上基本都配备了安全气囊、ABS（防抱死制动系统）等安全装置，并逐步开始扩大卫星导航系统的应用。进入21世纪后，随着电子信息技术的发展，汽车的所有领域都配备了电控系统，并开始向智能化、高安全化、环保化发展。特别是日趋严格的废气排放法规以及对应温室效应和能源匮乏的危机所制定的降低二氧化碳（CO₂）排放的低油耗法规，在发动机开发上也要求与此对应。现在汽车制造公司正热衷于环保的混合动力、生物柴油技术的开发，同时也正积极开发氢燃料电动汽车。

图1-1 对汽车用发动机的性能要求

内燃机的特征剖析

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