内燃机的原理以及柴油机运行分析

在我国的机械行业中，能够将能源有效的转化成为机械动能的设备，我们称之为发动机。根据发动机应用能源的不同，我们可以将发动机分成很多种类，例如风力发动机，热力发动机，水利发动机等等，同时还有通过燃烧产生的热量的不同，分为蒸汽机或者是柴油机等等。在我们的自然界中，有很多的燃料存在，但是这些燃料在性质以及结构上有很大的不同。例如有固体燃料和液体燃料等等。根据燃料的不同，我们要定制不同结构的热机。通常情况下我们可以分为内燃机以及外燃机两种结构形式。燃料在发动机的外部，我们称之为外燃机，燃料在发动机的内部，我们称之为内燃机。通常我们见到的柴油机，天然气机以及汽油机都属于内燃机类别。

1 内燃机的结构，分类以及特点阐述

内燃机在结构上是一个独立的运行发动机结构。在内燃机工作的过程中，燃料以及空气会进入到发动机的气缸内部，在发动机的内部进行充分的燃烧，燃烧的过程会释放出大量的热能，这样就能够形成一种燃气，具有高压以及高温的特点，通过燃气进行活塞的移动。活塞移动的过程中能够通过连杆机构或者是曲柄机构进行能量的输出，达到能量转化的作用。

内燃机相较于普通形式的外燃机有四个特点。首先是内燃机具有较高的热效率。目前我国的柴油机热效率能够达到百分之五十左右，但是机械形式的外燃机的热效率只能够达到百分之十左右，通过比较我们能够发现内燃机具有较好的经济性能，在消耗较少能量的前提下输出较多的热量；其次是内燃机的结构较为紧凑，同时结构尺寸小，重量较轻。内燃机在功率范围的分布上也是非常广泛的，通常情况下，内燃机最小的输出功率能够达到1.5马力，最大的输出功率能够达到48000马力，正是有了功率范围较广的优势，在选择性上更加的突出；再次是内燃机在实际操作的过程中较为便易，具有快速启动的特点。一般情况下，内燃机的启动时间能够控制在三秒到五秒的范围内，同时能够在较短的时间内达到功率的峰值；最后是内燃机在运行的过程中具有较好的安全性能，能够在很大程度上避免出现爆炸或者是火灾安全事故的出现。

内燃机的分类可以根据不同的特征分为很多种类。我们根据使用的燃料分类，可以分为汽油机，柴油机，天然气级以及煤气机等；根据工作循环的过程我们可以分为二冲程内燃机以及四冲程内燃机两种形式。同时我们还可以根据结构的不同，分为单杠内燃机和多缸内燃机；根据点火方式的不同分为压燃式内燃机和点燃式内燃机。

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2 内燃机的主要工作原理

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3 单缸四冲程柴油机的主要工作原理

柴油机的燃烧膨胀运行过程主要就是活塞从上止点运行到下止点的过程。但是在这一过程中排气门和进气门都处在关闭的状态下。膨胀燃烧在高温的条件下能够产生大量的热能，通过热能来有效的带动曲轴进行转动运行，燃烧膨胀的运行过程中主要就是热能转化成为机械能的过程中，在这一过程中，活塞内部的温度能够达到1700摄氏度到2000摄氏度之间，活塞缸体内的压力能够达到6兆帕到9兆帕之间。

3.1 柴油机的第一冲程（进气运行过程）

排气过程开始时，活塞位于下死点，排气门打开后，废气随活塞上移，被排除气缸外。

3.2 柴油机的第二冲程（压缩运行过程）

柴油机的压缩运行过程主要就是活塞从下止点运行到上止点的过程。在这一过程中，活塞的进气门以及排气门完全关闭。当活塞处在压缩运行开始状态的时候，活塞的位置处在下止点的位置，活塞曲轴由于惯性的原因进行旋转运行，带动活塞的向上移动。在活塞向上移动的过程中，活塞内部的有效容积变小，内部空气处在压缩的状态之下，导致活塞内部的温度以及压力升高。为了保障柴油机有效的产生热能，充分的利用燃料，我们要求在柴油机燃烧的过程中，压缩运行的时间必须要短，要快速完成活塞的压缩运行过程。这样做的目的能够有效的保障活塞内部气体的膨胀作用效率，有效的提升活塞的工作效率，提升柴油机的工作效率。需要注意的一点就是在进行燃料喷入活塞前，要提前进行点火工作的准备，在实际柴油机运行过程中，燃料的填入时间会在压缩运行过程完成前10秒到30秒完成。

3.3 柴油机的第三冲程（燃烧膨胀运行过程）

单缸四冲程柴油机就是活塞进行四个冲程的运行过程中，能够形成一个有效的工作循环，这样的工作形式的内燃机我们称之为单缸四冲程柴油机。

3.4 柴油机的第四冲程（排气运行过程）

柴油机的进气运行过程主要就是活塞从上止点运行到下止点的过程。在这一过程中，柴油机的气门处在打开状态，排气门处在关闭状态。在柴油机处在第一冲程的时候，活塞首先处在上止点的位置，活塞燃烧室内部的无用废气还没有完全循环排出，这时活塞内部的压力相较于大气压力偏大，约在0.11到0.12兆帕的范围内。当柴油机曲轴出现旋转的时候，活塞顺势下移，气缸内部的空间容积变大，压力随之变小。一旦活塞内部的气压小于大气气压时，外部的空气就会吸入活塞气缸内部。在柴油机实际运行的过程中，进气门都是提前开启，同时也是在活塞运行到下止点之后关闭。这样操作的原因在于，如果当活塞运行到上止点的位置再进行进气门的开启，就会导致进气门开启不充分，会造成气缸内部出现真空情况，这样就会对活塞杆的下行造成非常大的运行阻力。因此我们在活塞进气的过程中，要提前进行进气门的开启，保障进气充分。进气门推迟闭合的原因主要是想利用外部空气的流动性来增加活塞内部的空气总量，保障活塞进气过程达到相关的质量要求。

内燃机在运行的过程中，都是按照一定的工作规律进行运行。将燃料以及空气不断的输送到内燃机缸体内部，同时在内燃机缸体内部点燃燃料，这样就能够有效的释放热能。燃气将热能有效的吸收之后，会在高压以及高温条件的推动下进行活塞运动，通过活塞运行将热能有效的转化成机械能。在内燃机运行的过程中，我们要保障内燃机缸体内部的氧气充足以及温度达标，只有满足了上述的两个条件，才能够保障内燃机有效的运行。为了有效的保障内燃机稳定连续的工作，我们就要将内燃机缸体内部的无用废气从气缸内部排出，在废气排出的同时要保障新鲜的空气以及燃料有效的得到供应，内燃机点火需要的温度主要是通过压缩的方式来进行获取。在内燃机运行的过程中有两个止点需要重点关注，首先是上止点，内燃机活塞在运行过程中能够达到的上部最极端位置我们称作上止点，当活塞达到上止点位置的时候，活塞中心同主轴的中心两者之间的距离最大；其次是下止点，内燃机活塞在运行过程中能够达到的下部最极端位置我们称之为下止点，当活塞达到下止点位置的时候，活塞中线同主轴的中线两者之间的距离最小。在内燃机运行过程中，活塞性能能够表示出内燃机的运行能力，通常指的是活塞上下止点之间的运行距离，通常情况下活塞行程也可以叫做活塞冲程。在计算的过程中，活塞冲程可以用S=2R来表示，R代表的是活塞转动180度行走的距离，也叫作曲率半径。

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作功冲程终了时，缸内其他还具有较大压力，如果排气门在下死点位置才打开而不能在瞬间开足便影响废气及时排出，缸内压力也不能及时降低，使活塞上运动受很大的阻力，消耗较多能量。所以在柴油机实际工作中排气门都在活塞移动到下死点前就提前打开（一般在下死点前40°～60°）。这样可以使废气在较大压差下自行流出气缸。使缸内的压力迅速降低，大大减小活塞上移的阻力。降低排气过程的消耗功。

活塞移动到上死点时排气门不马上关闭。而要推迟到进气过程开始后。因为进气门提前在排气过程结束前打开，这样便形成进、排气门同时开启的一段重合时间。在有增压器的柴油机上可以利用新鲜空气将残存在缸内的废气排出，使气缸内填充更多的空气。当活塞完成排气运行过程之后，活塞的位置又回到了活塞的上止点原始位置，在这一情况下，活塞要进行下一道循环的运行。到这一过程为止，单缸四冲程的柴油机完成一个循环的运行。

2) Critical coupling, τ0=τe, the cavity intrinsic loss is equal to the input power.

参考文献

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