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四冲程发动机

发表于:2020/9/17

四冲程发动机

甲四冲程(也四冲程)发动机是内燃机,其中,(IC)发动机活塞在转动曲轴完成四个单独的笔。行程是指活塞沿气缸在任一方向上的完整行程。四个单独的笔划称为:

摄入量:也称为吸气或吸气。活塞的行程从上止点(TDC)开始,在下止点(BDC)结束。在此冲程中,进气门必须处于打开位置,而活塞通过其向下运动向气缸内产生真空压力,从而将空气燃料混合物吸入气缸。活塞向下运动时,活塞向下运动。
压缩:此冲程在BDC处开始,或者刚好在吸气冲程结束时,在TDC处结束。在此冲程中,活塞压缩空气-燃料混合物,以准备在功率冲程期间点火(如下)。在此阶段,进气门和排气门均关闭。
燃烧:也称为动力或点火。这是四冲程循环第二转的开始。至此,曲轴完成了完整的360度旋转。当活塞处于TDC(压缩冲程结束)时,压缩空气-燃料混合物被火花塞(在汽油发动机中)或高压缩所产生的热量(柴油发动机)点燃,将活塞强制返回BDC该冲程从发动机产生机械功来转动曲轴。
排气口:也称为排气口。在排气冲程中,当排气门打开时,活塞再次从BDC返回到TDC。该动作通过排气门排出废空气燃料混合物。

历史
奥托循环
Nicolaus August Otto是一家杂货店旅行推销员。在旅行中,他遇到了比利时侨民让·约瑟夫·艾蒂安·莱诺瓦(Jean Joseph Etienne Lenoir)在巴黎制造的内燃机。1860年,勒努瓦(Lenoir)成功地创造了一种双作用发动机,该发动机以4%的效率运行在照明气体上。18升Lenoir引擎仅产生2马力。勒诺瓦引擎使用的是由菲利普·勒邦(Philip Lebon)在巴黎研发的煤制气体。[1]

1861年,奥托在测试Lenoir发动机的复制品时,意识到了压缩对燃油的影响。1862年,奥托(Otto)尝试生产一种发动机,以改善Lenoir发动机不良的效率和可靠性。他试图制造一种在点火之前将燃料混合物压缩的发动机,但由于该发动机在销毁前不超过几分钟而无法运行,因此失败了。许多其他工程师试图解决问题,但没有成功。[1]

1864年,Otto和Eugen Langen成立了第一家内燃机生产公司NA Otto and Cie(NA Otto and Company)。Otto和Cie在同一年成功创建了成功的大气发动机。[1] 工厂用光了空间,并于1869年搬到德国的道依茨镇,公司更名为道依茨汽油发动机制造公司(道依茨汽油发动机制造公司)。[1] 1872年,戈特利布·戴姆勒(Gottlieb Daimler)担任技术总监,威廉·迈巴赫(Wilhelm Maybach)是引擎设计的负责人。戴姆勒(Daimler)是一位枪手匠,曾在Lenoir发动机上工作。到1876年,奥托(Otto)和朗根(Langen)成功地制造出第一台内燃机,该内燃机在燃烧之前压缩了燃料混合物,其效率远高于当时制造的任何内燃机。

戴姆勒和迈巴赫于1883年离开其在Otto和Cie的工作,并开发了第一台高速Otto发动机。1885年,他们生产了第一台配备Otto发动机的汽车。戴姆勒· 雷特瓦根(Daimler Reitwagen)使用热管点火系统和称为Ligroin的燃料成为世界上第一台由内燃机驱动的车辆。它使用了基于奥托设计的四冲程发动机。第二年,卡尔·奔驰(Karl Benz)生产了四冲程发动机汽车,这被认为是第一款汽车。[2]

1884年,奥托的公司(当时称为Gasmotorenfabrik Deutz(GFD))开发了电点火器和化油器。1890年,戴姆勒(Daimler)和迈巴赫(Maybach)成立了一家名为“ 戴姆勒汽车公司(Daimler Motoren Gesellschaft)”的公司。今天,那家公司是戴姆勒-奔驰。

阿特金森循环

这款2004年的丰田Prius混合动力汽车具有阿特金森循环发动机作为汽油-电动混合动力发动机

阿特金森汽油循环
主条目:阿特金森循环
阿特金森循环发动机是詹姆斯·阿特金森在1882年发明的一种单冲程内燃发动机。阿特金森循环的设计目的是以功率密度为代价提供效率,并用于某些现代混合动力应用中。

最初的阿特金森循环活塞式发动机允许四冲程循环的进气,压缩,功率和排气冲程在曲轴转一圈时发生,并且其设计是避免侵犯涉及Otto循环发动机的某些专利。[3]

由于阿特金森(Atkinson)独特的曲轴设计,其膨胀比可能不同于其压缩比,并且动力冲程比其压缩冲程更长,因此该发动机可比传统活塞发动机实现更高的热效率。尽管阿特金森的原始设计仅是历史上的好奇,但许多现代发动机使用非常规的气门正时来产生更短的压缩冲程/更长的动力冲程,从而实现了阿特金森循环所能提供的燃油经济性的改善。[4]

柴油循环
主条目:柴油循环

勒芒的奥迪柴油R15
该柴油发动机是1876年奥托循环发动机的技术求精。奥托在1861年意识到可以通过在点火之前先压缩混合燃料来提高发动机的效率,而鲁道夫·迪塞尔(Rudolf Diesel)希望开发一种效率更高的发动机,以更重的燃料运行。该勒努瓦,奥托大气与奥托压缩引擎(1861年和1876年),被设计来运行照明燃气(煤气)。出于与奥托相同的动机,柴油发动机公司希望创造一种发动机,为小型工业公司提供自己的动力,使其能够与大型公司竞争,而与奥托一样,摆脱与市政燃料供应相关的要求。像奥托一样,花了十多年的时间才能生产出可以自动点燃喷入气缸的燃油的高压缩力发动机。Diesel在他的第一个引擎中使用了空气喷雾和燃料。

在最初的开发过程中,其中一台发动机爆裂,几乎杀死了柴油机。他坚持不懈,最终在1893年成功研制出成功的发动机。这种高压缩发动机通过压缩热将其燃料点燃,现在被称为柴油发动机,无论是四冲程还是二冲程设计。

四冲程柴油发动机已经在大多数重型应用中使用了数十年。它使用的重质燃料包含更多的能量,并且需要更少的精炼来生产。最高效的汽油循环发动机的热效率接近30%。

热力学分析

理想的四冲程奥托循环pV图表: 进气(A) 冲程通过等压膨胀进行,然后 压缩(B) 冲程通过绝热压缩进行。通过燃料的燃烧,产生了等速过程,随后进行了绝热膨胀,表征了 功率(C) 冲程。通过等静压过程和等压压缩来关闭循环,这是 排气(D) 冲程的特征。
实际的四冲程和二冲程循环的热力学分析不是一件容易的事。但是,如果使用空气标准假设[5],则可以大大简化分析。所产生的周期与实际工作条件极为相似,即为奥托周期。

在发动机正常运行期间,随着空气/燃料混合物被压缩,会产生电火花点燃混合物。在低转速下,这会在TDC(上死点)附近发生。随着发动机转速的增加,火焰前沿的速度不会改变,因此火花点会在循环中更早地提前,以便在动力冲程开始之前使循环中有较大比例的燃烧。这种优势体现在各种奥托发动机设计中。大气(非压缩)发动机的效率为12%,而压缩装气发动机的效率约为30%。

燃油注意事项
压缩装料发动机的问题在于,压缩装料的温度升高会引起预点火。如果这在错误的时间发生并且过于活跃,则可能损坏发动机。石油的不同馏分的闪点(燃料自燃的温度)变化很大。在发动机和燃油设计中必须考虑到这一点。

压缩燃料混合物过早着火的趋势受到燃料化学成分的限制。有几种等级的燃料可以适应发动机的不同性能水平。改变燃料以改变其自燃温度。有几种方法可以做到这一点。由于发动机被设计为具有更高的压缩比,结果是由于在有意点火之前将燃料混合物压缩到更高的温度,因此更有可能发生预点火。较高的温度更有效地蒸发了诸如汽油的燃料,这提高了压缩发动机的效率。较高的压缩比也意味着活塞可以推动以产生动力的距离更大(称为膨胀比)。

给定燃料的辛烷值是燃料抗自燃性的量度。具有较高辛烷值额定值的燃料可实现更高的压缩比,从而从燃料中提取更多能量,并更有效地将该能量转化为有用功,同时防止发动机因提前点火而损坏。高辛烷值的燃料也更昂贵。

许多现代的四冲程发动机采用汽油直喷或GDI。在汽油直喷发动机中,喷油嘴伸入燃烧室。当活塞靠近顶部时,直接燃料喷射器在压缩冲程期间将非常高压的汽油喷射到气缸中。[6]

柴油发动机的性质与预点火无关。他们担心是否可以开始燃烧。柴油燃料着火可能性的描述称为十六烷值。由于柴油燃料的挥发性低,因此在寒冷时很难启动。各种技术用于启动冷柴油机,最常见的是使用电热塞。

设计与工程原理
功率输出限制

四冲程循环
1 = TDC
2 = BDC
 A:进气 
 B:压缩 
 C:功率 
 D:排气 
发动机产生的最大功率取决于摄入的最大空气量。活塞发动机产生的功率与其大小(缸容积)有关,无论是二冲程发动机还是四冲程设计,容积效率,损耗,空燃比,发动机的发热量燃料,空气中的氧气含量和速度(RPM)。速度最终受到材料强度和润滑的限制。阀门,活塞和连杆承受巨大的加速力。在高发动机转速下,可能会发生物理破损和活塞环颤动,从而导致功率损失甚至发动机损坏。活塞环当环在其所在的活塞凹槽内垂直振动时,就会发生颤动。环颤动损害了环和气缸壁之间的密封,从而导致气缸压力和功率损失。如果发动机旋转太快,则气门弹簧不能足够快地动作以关闭气门。这通常称为“ 气门浮子 ”,它可能导致活塞与气门接触,从而严重损坏发动机。高速行驶时,活塞缸壁界面的润滑作用往往会失效。这将工业发动机的活塞速度限制为约10 m / s。

进/排气口流量
发动机的输出功率取决于进气(空气-燃料混合物)和排气物质通过通常位于气缸盖中的气门端口快速移动的能力。为了增加发动机的输出功率,可以消除进气道和排气道中的不规则性(例如铸件缺陷),并且借助气流工作台,可以修改气门口转弯半径和气门座配置,以减少抵抗性。此过程称为“ 移植”,可以手动或通过CNC机床完成。

内燃机废热回收
内燃机平均仅能够将所提供的能量的40-45%转换为机械功。大部分废能以热量的形式通过冷却剂,散热片等释放到环境中。如果我们能够以某种方式回收废热,我们可以改善发动机的性能。已经发现,即使回收了全部浪费的热量的6%,它也可以大大提高发动机效率。[7]

为了从发动机排气中提取废热并将其进一步用于提取一些有用的功,同时减少了排气污染物,已经设计了许多方法。使用兰金循环,涡轮增压和热电发电作为废热回收系统非常有用。

尽管这些系统的使用频率更高,但仍然存在一些问题,例如它们在较低的供热速率下效率低下以及高的泵送损失。[ 需要引用 ]

增压
增加发动机功率的一种方法是迫使更多的空气进入气缸,以便可以从每个功率冲程产生更多的功率。这可以使用某种类型的称为增压器的空气压缩装置来完成,该装置可以由发动机曲轴提供动力。

增压相对于其排量增加了内燃机的功率输出极限。最常见的是,增压器始终处于运行状态,但是有些设计允许将其切出或以变化的速度(相对于发动机速度)运行。机械驱动的增压器的缺点是,一些输出功率被用来驱动增压器,而功率却浪费在高压排气中,因为空气已经被压缩了两次,然后在燃烧中获得了更多的潜在体积,但仅被扩展了。在一个阶段。

涡轮增压
甲涡轮增压器是受发动机排气驱动,通过的装置的增压器涡轮机。涡轮增压器结合到车辆的排气系统中以利用排出的排气。它由两件式高速涡轮机组件组成,其一侧压缩进气,而另一侧则由废气流出提供动力。

怠速运转时,在低速至中速时,涡轮通过很小的排气量产生的功率很小,涡轮增压器的作用很小,发动机几乎以自然吸气的方式运转。当需要更大的功率输出时,将提高发动机转速和节气门开度,直到排气足以“加速”涡轮增压器的涡轮,以开始将比平常更多的空气压缩到进气歧管中。因此,通过该涡轮机的功能排出了额外的功率(和速度)。

涡轮增压允许更有效的发动机运行,因为它是由排气压力驱动的,否则会(大部分)浪费排气压力,但是存在一种称为涡轮迟滞的设计限制。由于在涡轮增压器开始进行任何有用的空气压缩之前,需要急剧增加发动机的RPM,建立压力并使涡轮增压器旋转,因此无法立即获得增加的发动机功率。进气量增加会导致排气量增加,并使涡轮旋转得更快,依此类推,直到达到稳定的高功率运行为止。另一个困难是较高的排气压力导致排气将更多的热量传递到发动机的机械部件。

杆和活塞冲程比
杆行程比是连杆的长度与活塞行程的长度之比。较长的杆可减少活塞在气缸壁上的侧向压力和应力,从而延长发动机寿命。这也增加了成本以及发动机的高度和重量。

“方形发动机”是缸径等于其冲程长度的发动机。孔直径大于其冲程长度的发动机是方形发动机,相反,孔直径小于其冲程长度的发动机是方形发动机。

气门机构
气门通常由凸轮轴操作,该凸轮轴以曲轴速度的一半旋转。它沿其长度方向具有一系列凸轮,每个凸轮均设计成在进气或排气冲程的适当部分打开气门。气门与凸轮之间的挺杆是凸轮滑动以打开气门的接触表面。如图所示,许多发动机使用一排(或每排)汽缸“上方”的一个或多个凸轮轴,其中每个凸轮都通过平挺杆直接致动气门。在其他发动机设计中,凸轮轴位于曲轴箱中,在这种情况下,每个凸轮通常与推杆接触,而推杆则与摇臂接触。可以打开阀门,或者在平头发动机的情况下不需要推杆。该顶置凸轮轴设计通常允许发动机转速更高,因为它提供了凸轮和气门之间最直接的路径。

气门间隙
气门间隙是指气门挺杆和气门杆之间的小间隙,可确保气门完全关闭。在具有机械气门调节功能的发动机上,过大的间隙会导致气门机构发出噪音。气门间隙太小会导致气门无法正常关闭。这导致性能损失并且可能导致排气门过热。通常,必须使用塞尺将间隙每20,000英里(32,000公里)重新调整一次。

大多数现代生产发动机都使用 液压挺杆来自动补偿气门机构部件的磨损。机油变脏可能会导致升降机故障。

能量平衡
奥托发动机的效率约为30%;换句话说,燃烧产生的能量的30%在发动机的输出轴上转换为有用的旋转能,而其余的则是由于废热,摩擦和发动机附件而造成的损失。[8]有多种方法可以回收因浪费热量而损失的一些能量。柴油发动机中涡轮增压器的使用通过提高进气压力非常有效,实际上,与增加排量相比,性能得到了相同的提高。十年前,Mack Truck公司开发了一种涡轮机系统,该系统将废热转化为动能,并回馈至发动机的变速器。2005年,宝马宣布研发出涡轮蒸煮器,类似于Mack系统的两级热回收系统,可回收废气中80%的能量,并使Otto发动机的效率提高15%。[9]相比之下,六冲程发动机可以减少多达40%的燃料消耗。

现代引擎通常被故意设计成比其他引擎要低一些。这对于排放控制(例如废气再循环和减少烟雾和其他大气污染物的催化转化器)是必需的。效率的降低可以通过使用稀薄燃烧技术的发动机控制单元来抵消。[10]

在美国,公司平均燃油经济性要求车辆必须达到平均34.9 mpg- US(6.7 L / 100 km; 41.9 mpg- imp),而目前的标准是25 mpg- US(9.4 L / 100 km ; 30.0 mpg -imp)。[11]由于汽车制造商希望在2016年之前达到这些标准,因此必须考虑对传统内燃机(ICE)进行工程设计的新方法。一些提高燃油效率以满足新要求的潜在解决方案包括:在活塞离曲轴最远的位置(称为上止点)后进行点火以及应用米勒循环。总之,本次改版也显著减少燃料消耗和NO
X 排放。

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