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淄博柴油机配件-探索发动机原理:从能量转换到四冲程的奥秘汽油机每个冲程的特点

来源:应急救援装备网  作者:蓝品汇优采云   2024-07-04 阅读:65

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能量:物质运动的量度。与物质运动的多种形式相对应,能量也有多种形式,可以相互转化,但总量不变。热力学中的能量主要指热能和由热能转化的机械能。我们汽车的发动机就是将化石燃料中所含的化学能转化为机械能,从而驱动汽车。

上一篇文章提到过很多四冲程发动机,我们把它们分为两大类:燃气发动机和具有奥托循环特征的汽油机,以及具有狄塞尔循环特征的柴油机。现代燃气发动机基本等同于汽油机,直喷式汽油机虽然结构上发生了变化,但工作机理仍然在奥托循环的范畴内,为了解释方便,下面分别称为汽油机和柴油机。说到发动机的原理,很多读者都会脱口而出:四冲程发动机分为进气、压缩、做功、排气四个阶段。汽油机吸入混合气,然后压缩到上止点,火花塞跳动点燃混合气,燃烧做功推动活塞到下止点,然后向上将废气排出;柴油机的不同之处在于,它吸入的是纯空气,在上止点时,柴油被喷入压缩的热空气中,点燃做功。

但我们有没有想过,汽油机为什么需要火花塞?柴油机为什么不能喷汽油?柴油机为什么动力更强更省油,但是却没有那么平顺?好,在这篇文章中,小编就用比较的方式来给大家讲解汽油机和柴油机的工作原理。

表面上看,两款热机的吸入和点燃燃料的方式不同。虽然两者似乎都是燃烧石油并产生动力,但活塞顶到燃烧时几毫秒内发生的事情赋予了两款发动机不同的特性。这就是我经常提到的奥托循环和狄塞尔循环之间的区别。

两种循环工作状态及对应的PV图:左侧为奥托循环,右侧为狄塞尔循环

两个循环工作程序

先说左边的奥托循环,如上图所示,p表示气缸内压力,v表示气缸容积。AB进气行程,活塞向下吸气,气体压力几乎不变;BC绝热压缩行程,活塞向上运动压缩,气体压力升高,此时活塞对气体做功,消耗机械能,同时气体内能增加;CD等容燃烧过程,气体突然燃烧汽油机的四个冲程区别,压力激增,此刻体积来不及变化,因此可以看作是等容变化。DE绝热做功行程,气体压力升高后绝热膨胀推动活塞向下做功,同时消耗自身内能转化为机械功,压力逐渐降低; EB等容排气过程,在做功行程终了时,排气门打开,气体压力突然降低,体积来不及变化;BA排气行程,活塞由于惯性作用,继续向上运动,同时排出废气,压力保持不变。

至于等压燃烧的狄塞尔循环,CDE是做功冲程,第一阶段CD是等压燃烧过程,柴油在燃烧,活塞在一定的压力下运动,压力不变而体积增大,燃料一边燃烧一边推动活塞做功,DE是绝热做功冲程。其他阶段与上文相同。当然,图中的pv曲线是理想状态,实际工况有一定的差异。作为一款乘用车用的高速柴油机,它介于两种循环之间,燃烧过程分为两个阶段,前半段为等压燃烧,后半段为等压燃烧,满足高速的同时也遵循了经典柴油机的特点。

您是否知道柴油比汽油更容易着火?

汽油机与柴油机之所以长期并存,是因为有汽油和柴油两种燃料,从而有了两种能充分利用不同燃料特性的内燃机。这看似无稽之谈,但也验证了“存在即合理”这句话。

汽油和柴油都是由碳和氢两种元素组成的碳氢化合物。汽油是由碳分子数为5-9的碳氢化合物组成的,而组成柴油的碳氢化合物中碳原子数为10-20。由于汽油分子比柴油小,所以汽油更容易挥发,燃烧速度也更快,但柴油的长链结构更容易被氧化,所以柴油的自燃点比汽油低。

柴油比汽油更容易点燃吗?这似乎很难理解,但事实确实如此。如果把碳氢化合物比作常见的木材,那么汽油就像一堆锯末,可以吹到空中并缓慢下落,而柴油就像一根牙签,无论怎么抛,它都会自由下落;锯末用火柴很难点燃,而牙签却很容易点燃;但如果把锯末扔进火里,它会瞬间变成一团火球,而一根牙签至少可以燃烧几秒钟。

两款发动机的区别不只是压燃和火花点火,这只是一个开始

正是由于这些不同,才使得两款发动机有着各自的区别和特点。

汽油机的四个冲程区别

汽油比柴油蒸发得快,所以能在进气行程中以混合气状态进入气缸,而柴油不易蒸发,不易形成混合气,所以只能在做功行程开始前直接喷入气缸。

柴油的自燃点比汽油低,所以柴油可以在高温高压的汽缸内自燃;而汽油机若采用压燃,则需要较高的压力,也就是较高的温度才能着火。但是由于汽油容易蒸发,蒸发时会吸收大量的热量,这又增加了压燃的难度,所以用火花塞点火是最合适的方法。

汽油燃烧速度比柴油快。所以把汽油放在高温高压的环境中,实在是太厉害了。发动机承受不住这种火药味的脾气,所以必须降低气缸内的压力。当被火花点燃时,气缸内的火焰以“波浪”的形式蔓延燃烧,避免了爆燃的冲击。柴油是在高温高压的空气中,同时在多处燃烧形成火焰,也就是以爆燃的形式工作。工作状态比较粗犷,但由于柴油燃烧速度慢,虽然开始燃烧很剧烈,但燃烧时间还是比汽油机要长。

题外话:这个油门不是那个油门

汽油机是通过油门踏板改变节气门开度来控制进入气缸的混合气量,从而实现不同的动力输出;而柴油机则完全靠喷油量来控制动力输出,是真正的节气门。取消了节气门汽油机的四个冲程区别,发动机进气量更多,燃烧更充分,这也是柴油机热效率更高的原因之一。

左边的柴油机最高转速限制为 6000 rpm,基本达不到要求,右边的汽油机最高转速限制为 6000 rpm。

汽油机与柴油机优缺点分析

汽油机内的混合气体点燃后,瞬间燃烧并迸发出能量,因此单位时间内可重复多次循环,在高转速下也能输出高功率。因此体积小、重量轻,可以拥有更高的性能和更快的响应速度,宽广的转速范围也能带来更好的操控感。但汽油机的压缩比往往只有柴油机的一半,做功行程时气缸内的温度和压力比柴油机低很多,因此热效率比较低,也就是俗称的“耗油”。

柴油机在燃料喷入后,需要一定的时间才能燃烧,因此适合在较低的转速下充分燃烧燃料,以带来较大的扭矩。为了应对气缸内的高压和高扭矩,柴油机的气缸和活塞连杆等零件比汽油机要坚固,因此比汽油机要重。不过,正是因为高压缩比和低转速的特点,柴油机可以更好地将热量转化为动能,所以柴油机的热效率更好,也就是油耗性能更好。这也是为什么轿车、赛车通常采用汽油机,而大巴、卡车等大型车辆则采用柴油机的原因。

为了适应柴油机的工作条件,国内乘用车柴油机的气缸体仍然采用重型铸铁制成。

柴油发动机的现状

随着技术的发展,柴油机在平顺性和尺寸方面都有了很大的提升。高强度铝制缸体制造工艺减轻了发动机重量;废气后处理及颗粒物回收有效降低尾气污染;燃油高压共轨喷射及较低的压缩比有效抑制噪音;平衡轴的使用提高了平顺性;VGT可变截面涡轮及中冷器增加了发动机功率。许多优秀设计逐渐在乘用车上配备(

在欧洲,乘用车中柴油车的比例已经达到40%,而国内柴油机主要应用在SUV车型上,近期国产柴油车也开始上市船用柴油机,但国产柴油质量不够好,导致柴油机在国内不受重视,主要问题有十六烷值不够高、硫含量过高、多环芳烃含量过多等。如果中国柴油质量能够提升,相信在油价飙升、环境恶化的今天,国人也会逐渐接受柴油车。

解读汽车内燃机的诞生与发展

从古至今,我们一直希望利用人体以外的物体来帮助我们工作;希望发明一种工具来代替我们的劳动;希望创造出一种机器,可以利用自然资源把人或其他物从A地运送到B地;希望我们能够便捷、可控地使用这种机器;希望我们能够有使用更少资源成本、能够更舒服地实现目标的工具;希望系统能够更加自动化、智能化、安全化。

汽油机的四个冲程区别

于是,汽车就按照这个渐进的逻辑诞生了,并且发展至今。在本文中,我将重点介绍汽车上安装的最重要的机械装置——发动机。

老蒸汽机

1765年,瓦特改进的活塞蒸汽机被广泛应用,推动了始于18世纪中叶的欧洲工业革命。随后的日子里,一些人对蒸汽机的笨重感到不满,希望摆脱蒸汽机上的笨重锅炉,使其使用起来更加灵活。于是他们把目光投向了气缸,甚至有人尝试在气缸内放入炸药,通过爆炸来推动活塞。显然,这种方法并不成功,但却引发了一系列“在气缸内燃烧做功”的设想。当人们发现,当可燃气体和空气按一定比例混合时,点燃后就会爆炸,产生巨大的压力和膨胀,如果这个程度能够得到适当的控制,将是一种很好的能源技术。于是内燃机的时代来临了。

1824年,物理学家卡诺建立了卡诺循环模型,将热力学与动力联系起来,并设计出理想的卡诺热机,为提高内燃机的效率指明了方向。

1858年,勒努瓦发明了二冲程燃气发动机,这种发动机用燃气和空气的混合气代替往复式蒸汽机的蒸汽,利用电池和感应线圈产生电火花,点燃混合气。可惜的是,在这种燃气发动机的气缸中,混合气没有经过压缩就点燃做功,导致能量转换效率低下。

1862年, De Rocha提出了著名的等容燃烧四冲程循环:进气、压缩、燃烧膨胀、排气。然而,原型机并未诞生。

1876年,奥托制造了一种新型的四冲程内燃机船用柴油机,以汽油为燃料。这种机器对汽车发动机具有重要意义:直到现在,汽油发动机仍然以这种形式运行——奥托循环。在下文中,我们将重点介绍这种循环的特点。

从古至今,四冲程汽油发动机都是按照这四个步骤进行运转的。

1883年,在奥托公司担任工程师的戴姆勒和好友迈巴赫制造出了第一台四冲程往复式汽油发动机,并创造性地使用白炽灯点燃发动机,从而将发动机转速提高到每分钟1000转。而当时的奥托发动机只有200转。次年,戴姆勒将改进后的发动机安装在自行车上,成为了历史上第一辆摩托车。

1886年1月29日,德国人卡尔·本茨把他研制的二冲程汽油发动机装在一辆三轮车上并注册了专利,这辆三轮车具备了现代汽车的一些基本特征,因此人们一致认为这是历史上第一辆标准型汽车。

第一辆车是这样的

柴油机诞生于1897年,德国工程师狄塞尔设想将吸入气缸的空气高度压缩,使其温度超过燃料的自燃温度,再用高压空气将燃料吹入气缸内着火燃烧。他首创的压燃式内燃机于1897年研制成功,为内燃机的发展开辟了一条新道路。柴油机和柴油机也以发明者的名字命名。

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于是,汽油发动机和柴油发动机诞生了。时至今日,现代发动机虽然在动力、油耗、稳定性等性能上都有了很大的提高,但基本的工作原理却丝毫没有改变。

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