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往复式发动机:概述、类型、部件与工作原理

引言

往复式发动机是内燃机的一个类别,其活塞上下运动。活塞顶部装有气门的部位称为上止点,而活塞相对的另一极端底部位置称为下止点。空气或油气混合气通过进气门被吸入气缸,燃烧产物通过排气门排出气缸。发动机是绝大多数汽车(卡车、飞机、船舶、发电机组等)的动力源。


活塞在气缸内于上止点(TDC)与下止点(BDC)之间往复运动。活塞从 TDC 到 BDC 单向移动的最大距离称为发动机行程。活塞的直径称为缸径(BORE)。活塞位于 TDC 时气缸内形成的最小容积称为余隙容积。活塞在 TDC 与 BDC 之间移动所扫过的容积称为排量。气缸内形成的最大容积与最小(余隙)容积之比称为压缩比。数学上,compression ratio= (Vmax or BDC ) / (Vmin or TDC )

发动机示意图
往复式发动机的类型:

往复式发动机可分为以下类型:

按热力循环分类:

• 奥托循环或定容循环——在此循环中,燃料燃烧释放的能量发生在定容条件下。
• 狄塞尔循环或定压循环——在此循环中,燃料燃烧释放的能量发生在定压条件下。
• 双燃循环或混合(限压)循环——在此循环中,燃料燃烧释放的能量一部分在定容、一部分在定压条件下发生。

每个循环的行程数:

• 四冲程发动机——四冲程发动机一个循环完成活塞的 4 个行程。
• 二冲程发动机——二冲程发动机一个循环完成活塞的 2 个行程。

点火系统:

• 火花点火(SI)发动机——向发动机供给空气与燃油蒸汽的均质混合气,燃烧由火花塞点燃。
• 压燃(CI)发动机——被吸入气缸的空气被压缩到更高的压力和温度,该温度超过燃料的自燃温度。

SI 和 CI 发动机的循环都可以在活塞的 2 个或 4 个行程内完成。

所用燃料:

• 汽油——发动机使用汽油燃料,如摩托车。
• 柴油——发动机使用柴油工作。
• 气体——CNG(压缩天然气)、LPG(液化石油气)、发生炉煤气
• 多燃料发动机——使用汽油或柴油起动发动机,以煤油作为主要燃料。

冷却系统:

• 水冷——通过循环水冷却发动机。
• 风冷——通过向发热表面吹送大气空气来冷却发动机。

多缸发动机:

• 发动机的输出功率与其转速成正比。
往复式发动机
往复式发动机的部件:

往复式发动机由以下部件组成:

•活塞
•活塞气缸
•连杆
•气门(进气和排气)或气口(进气和排气)
•火花塞或燃油喷射器
•活塞环
•冷却水套

活塞:

活塞呈圆形,是往复式发动机的运动部件。活塞与连杆相连,把发动机的功率传递给曲轴。在二冲程发动机中,活塞还兼作气门,通过关闭和打开进气口、排气口来工作。

活塞气缸:

它同样呈圆形,是活塞在其中运动的缸体,由与活塞相同的材料制成。

活塞示意图

连杆:

连杆的主要功能是把活塞的往复运动转换为旋转运动。连杆的一端借助十字头销(活塞销)与活塞相连,另一端与曲轴相连。

连杆
活塞-气缸布置
活塞

气门或气口:

四冲程发动机使用气门,二冲程发动机使用气口。当发动机处于吸气状态时,混合气通过进气门进入;混合气燃烧后,废气借助排气门排出气缸。

推杆与气门布置

火花塞或燃油喷射器:

火花塞用于点燃汽油发动机中的混合气;燃油喷射器用于柴油发动机,由喷射器喷入高压燃油。此外,燃油喷射器还控制喷入气缸的燃油时刻和数量。这里我简要提到了火花塞与燃油喷射器的区别,您也可以查看这份指南。

活塞环:

活塞环的用途如下:

1防止活塞和气缸因直接接触而磨损。
2清洁活塞表面,并把气缸表面多余的润滑油刮回油底壳。
3提供紧密密封,使气缸内的混合气无法漏出气缸。
活塞环

冷却水套:

它安装在气缸内部或外部,防止发动机气缸过热。冷却水套内可使用持续循环的水或冷却液。

往复式发动机如何工作?

往复式发动机有四种行程。

1吸气行程
2压缩行程
3做功行程
4排气行程

在吸气行程中,燃料通过进气门或气口进入发动机气缸。当活塞从 TDC 运动到 BDC 时,缸内与大气之间产生压力差,气缸内因此形成真空。由于真空的作用,燃料经进气门被吸入。此时排气门处于关闭状态。

在压缩行程中,混合气(燃料或空气+燃料)被压缩,因此其压力和温度越来越高。

在这一阶段,燃烧后的气体产生强大的推力,推动活塞移动到 BDC。活塞通过连杆与曲轴相连,因此曲轴开始旋转。这一行程称为做功行程。

在排气行程中,活塞再次从 BDC 运动到 TDC,把燃烧后的气体推出气缸。

往复式发动机就是这样工作的。在二冲程发动机中,吸气和压缩发生在活塞的一个行程内(从 BDC 到 TDC),做功行程和排气行程发生在活塞的另一个行程内(从 TDC 到 BDC)。

我强烈建议您查看这些文章,全面了解发动机知识。

•内燃机
•二冲程发动机
•四冲程发动机
•火花塞与燃油喷射器对比
常见问题
什么是往复式发动机?

往复式发动机是内燃机的一个类别,其活塞上下运动。活塞顶部装有气门的部位称为上止点,而活塞相对的另一极端底部位置称为下止点。

往复式发动机如何工作?

往复式发动机有四种行程。

1吸气行程(混合气(空气+燃料/燃料)进入气缸)
2压缩行程(混合气被压缩并燃烧)
3做功行程(燃烧后的气体推动活塞向下)
4排气行程(燃烧后的气体被排出气缸)
往复式发动机有哪些部件?

往复式发动机由以下部件组成:

1活塞
2活塞气缸
3连杆
4气门(进气和排气)或气口(进气和排气)
5火花塞或燃油喷射器
6活塞环
7冷却水套
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