第二章往复式活塞内燃机的定义与分类

第二章往复式活塞内燃机的定义与分类

定义

活塞机器是将能量从流体（气体或液体）转移到运动的（displacer）活塞或者从活塞转移到流体的机器。它们因而算是流体能量类机器，如从动机器，吸收机械能转换为被转移流体的能量。在主动机器中，正相反，机械能在活塞或者曲柄机构上以有用功的形式释放。

工作体积随活塞运动周期性变化，是活塞式发动机的工作特性。往复活塞式发动机与旋转活塞式发动机的一个区别就是活塞运动的本质不同。在往复活塞式发动机，活塞呈圆柱形，往返于气缸内的两个极限位置——“止点（dead center）”。术语“活塞（piston）”也常以非圆柱形式存在。在旋转活塞式发动机中，旋转的活塞负责改变工作容积。

燃烧式发动机是燃烧空气和燃油的可燃混合物，将其中的化学能转化为机械能的机器。最广为人知的燃烧式发动机是内燃机和汽轮机。图表2-1是对此的概述

内燃机是活塞式发动机。往复活塞发动机与旋转活塞发动机区别在于密封结构，工作容积的改变形式和活塞运动的形式。旋转活塞发动机又可以细分为旋转发动机（rotary engine，一个内转子，一个外转子绕固定轴纯粹的旋转）和行星旋转发动机（planetary rotary engine，一个内转子，圆周运动的轴）。图表2-2显示了不同的工作原理。只有汪克尔发动机（Wankel engine）—一种行星活塞发动机，实现了突破。

图2-1

依据工作过程区分内燃机与外燃机也是必要的。对于内燃机，工质同时也是燃烧所需的氧气的来源。燃料燃烧产生废气，必须在每个工作循环前换气。燃烧因而是周期性的，汽油机、柴油机和混合发动机（hybrid engine）的区别就在于燃烧过程。

对于外燃机（如斯特林发动机Stirling engine），工作室外连续燃烧产生的热量转到工作室内的工质。这许可闭式循环工作过程（closed-circuit working process），可以使用任何燃料。

只有往复活塞内燃机，循环燃烧(cyclical combustion is examined from this point on.)

分类方法potentials for classification

由于复杂的相互关系，往复活塞式发动机的分类方法多种多样。往复活塞式发动机可以按照燃烧过程、燃料、工作的循环、混合物生成系统、换气控制系统、充量系统（charging system）、构造分类。进一步的特征差异表现在——点火系统、冷却系统、负荷调节系统、用途、速度和输出graduation。然而，许多特征差异现在只有历史意义。

2.2.1燃烧过程

在众多燃烧过程中，最初差异只是在奥托循环和狄赛尔之间。混合发动机展现出了奥托循环和狄赛尔循环两者的特性。汽油机在外缘同步点火的作用下，燃烧压缩后的燃油和空气的混合物。柴油机，则相反，空气充量压缩后被加热到燃料起燃温度，之后液态燃料被喷入燃烧室燃烧。混合发动机以充量分层发动机和多燃料发动机In the case of hybrid engines, one differentiates between engines featuring charge stratification an

2.2.2 燃料

气态的、业态的还有固态的燃料都在燃烧发动机中燃烧

气态燃料：甲烷，丙烷，丁烷，天然气、发生炉瓦斯（generator）、高炉气（blast furnace，主要成分CO）、生物气（污泥和填埋废弃物产生，主要是甲烷）和氢气。

液体燃料

清液态燃料：汽油、煤油、苯、醇类（甲醇、乙醇）、丙酮、乙醚、液化气（液化石油气、液化天然气）。

重液态燃料：石油、柴油、脂肪酸甲酯（fatty-acid methyl esters -FAME）和源于欧洲的菜籽甲酯（rape-seed56 methyl esters -RME）、生物柴油、植物油、重油（heavy fuel oils）和船用燃油（marine fuel oil --MFO）

混合燃油：柴油+菜籽甲酯，柴油+水，还有汽油+酒精

固体燃料：煤粉（Pulverized coal）

2.2.3工作循环

工作循环的差别在于四冲程和二冲程。两者都有的是第一阶段（冲程）充量（空气或燃油蒸汽与空气的混合物）压缩，活塞下行之前点火。还有，燃烧使缸内压力提高，至到峰值；工作气在随后的冲程膨胀，对活塞做功。这是两者共有的。

四冲程过程需要多两个冲程，以除去燃烧室内燃烧废气，填充新鲜充量。

2.2.4混合物形成

燃机可以混合物生成方式区分。

外部生成混合物：燃油空气混合物在进气管内形成

内部生成混合物：混合物在工作室内形成

根据混合物生成质量分类：

均质混合物生成：汽油机化油器和进气歧管喷射，或者汽油机进气行程直喷

非均质混合生成：柴油机在极短的时间喷射和缸内直喷汽油机（GDI）

根据混合物生成位置分类：

直接喷入工作室，如直喷柴油机和GDI发动机。喷射可以是air-directed, jet-directed, or wall-directed

非直喷入附属燃烧室，如预燃室（antechamber）、预燃室（swirl-chamber）和（air-chamber）柴油机

进气歧管喷射(汽油机)

2.2.5换气控制gas exchange control

气门、气道和滑动气门正时系统用于换气控制。顶置和侧置（overhead and side-actuated）发动机的区别在于气门正时机构不同。顶置执行机构的发动机有顶置气门，例如随着活塞到上止点，气门向同样的方向运动实现关闭；侧置气门执行机构发动机，有垂直气门，在活塞向下止点运动时，气门向同样的方向运动，实现关闭。

现代四冲程发动机只用顶置气门（OHV）布置。二冲程发动机主要采用气孔正时系统（port-timing system）。

增压

普通吸气发动，新鲜充量（空气或者混合气）通过活塞运动被吸入气缸（自然吸气）。

机械增压通过预压缩，提高了充量的量。机械增压的最初目的是提高功率和扭矩输出，降低燃油消耗和废气排放。

图2-3列出可能的机械增压形式。最广为应用的并且有效的机械增压是使用压气机的自动机械增压。

机械增压：压气机直接由发动机带动

废气涡轮增压：涡轮（废气涡轮）驱动压气机。

无压气机，利用进气和排气系统的气体动力学来提升充量的方法也有使用。

2.2.7 结构布置configuration

在120多年的内燃机历史上，出现了众多的气缸布置形式，但是只有少数标准布置经受住了时间的考验。

车用发动机气缸数从单缸到12缸；航空发动机高达28缸，或者甚至高达48缸。56缸的高性能发动机也曾被制造。