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汽車的活塞運動有幾種? 有什么作用?

提問者:網(wǎng)友 2017-05-01
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廣義上的內(nèi)燃機不僅包括往復活塞式內(nèi)燃機、旋轉活塞式發(fā)動機和自由活塞式發(fā)動機,也包括旋轉葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發(fā)動機等,但通常所說的內(nèi)燃機是指活塞式內(nèi)燃機。 活塞式內(nèi)燃機以往復活塞式最為普遍?;钊絻?nèi)燃機將燃料和空氣混合,在其氣缸內(nèi)燃燒,釋放出的熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功,再通過曲柄連桿機構或其他機構將機械功輸出,驅動從動機械工作。內(nèi)燃機的發(fā)展歷史 活塞式內(nèi)燃機自19世紀60年代問世以來,經(jīng)過不斷改進和發(fā)展,已是比較完善的機械。它熱效率高、功率和轉速范圍寬、配套方便、機動性好,所以獲得了廣泛的應用。全世界各種類型的汽車、拖拉機、農(nóng)業(yè)機械、工程機械、小型移動電站和戰(zhàn)車等都以內(nèi)燃機為動力。海上商船、內(nèi)河船舶和常規(guī)艦艇,以及某些小型飛機也都由內(nèi)燃機來推進。世界上內(nèi)燃機的保有量在動力機械中居首位,它在人類活動中占有非常重要的地位。 活塞式內(nèi)燃機起源于用火藥爆炸獲取動力,但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。1794年,英國人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動力,并且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年,英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設計。 之后人們又提出過各種各樣的內(nèi)燃機方案,但在十九世紀中葉以前均未付諸實用。直到1860年,法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結構,設計制造出第一臺實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內(nèi)燃機。勒努瓦首先在內(nèi)燃機中采用了彈力活塞環(huán)。這臺煤氣機的熱效率為4%左右。 英國的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點火之前進行壓縮,隨后又有人著文論述對可燃混合氣進行壓縮的重要作用,并且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內(nèi)燃機的效率。1862年,法國科學家羅沙對內(nèi)燃機熱力過程進行理論分析之后,提出提高內(nèi)燃機效率的要求,這就是最早的四沖程工作循環(huán)。 1876年,德國發(fā)明家奧托運用羅沙的原理,創(chuàng)制成功第一臺往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)的四沖程內(nèi)燃機,仍以煤氣為燃料,采用火焰點火,轉速為156.7轉/分,壓縮比為2.66,熱效率達到14%,運轉平穩(wěn)。在當時,無論是功率還是熱效率,它都是最高的。 奧托內(nèi)燃機獲得推廣,性能也在提高。1880年單機功率達到11~15千瓦(15~20馬力),到1893年又提高到150千瓦。由于壓縮比的提高,熱效率也隨之增高,1886年熱效率為15.5%,1897年已高達20~26%。1881年,英國工程師克拉克研制成功第一臺二沖程的煤氣機,并在巴黎博覽會上展出。 隨著石油的開發(fā),比煤氣易于運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意,首先獲得試用的是易于揮發(fā)的汽油。1883年,德國的戴姆勒創(chuàng)制成功第一臺立式汽油機,它的特點是輕型和高速。當時其他內(nèi)燃機的轉速不超過200轉/分,它卻一躍而達到800轉/分,特別適應交通動輸機械的要求。1885~1886年,汽油機作為汽車動力運行成功,大大推動了汽車的發(fā)展。同時,汽車的發(fā)展又促進了汽油機的改進和提高。不久汽油機又用作了小船的動力。 1892年,德國工程師狄塞爾受面粉廠粉塵爆炸的啟發(fā),設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮,使其溫度超過燃料的自燃溫度,再用高壓空氣將燃料吹入氣缸,使之著火燃燒。他首創(chuàng)的壓縮點火式內(nèi)燃機(柴油機)于1897年研制成功,為內(nèi)燃機的發(fā)展開拓了新途徑。 狄塞爾開始力圖使內(nèi)燃機實現(xiàn)卡諾循環(huán),以求獲得最高的熱效率,但實際上做到的是近似的等壓燃燒,其熱效率達26%。壓縮點火式內(nèi)燃機的問世,引起了世界機械業(yè)的極大興趣,壓縮點火式內(nèi)燃機也以發(fā)明者而命名為狄塞爾引擎。 這種內(nèi)燃機以后大多用柴油為燃料,故又稱為柴油機。1898年,柴油機首先用于固定式發(fā)電機組,1903年用作商船動力,1904年裝于艦艇,1913年第一臺以柴油機為動力的內(nèi)燃機車制成,1920年左右開始用于汽車和農(nóng)業(yè)機械。 早在往復活塞式內(nèi)燃機誕生以前,人們就曾致力于創(chuàng)造旋轉活塞式的內(nèi)燃機,但均未獲成功。直到1954年,聯(lián)邦德國工程師汪克爾解決了密封問題后,才于1957年研制出旋轉活塞式發(fā)動機,被稱為汪克爾發(fā)動機。它具有近似三角形的旋轉活塞,在特定型面的氣缸內(nèi)作旋轉運動,按奧托循環(huán)工作。這種發(fā)動機功率高、體積小、振動小、運轉平穩(wěn)、結構簡單、維修方便,但由于它燃料經(jīng)濟性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想,所以還只是在個別型號的轎車上得到采用。內(nèi)燃的組成 往復活塞式內(nèi)燃機的組成部分主要有曲柄連桿機構、機體和氣缸蓋、配氣機構、供油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動裝置等。 氣缸是一個圓筒形金屬機件。密封的氣缸是實現(xiàn)工作循環(huán)、產(chǎn)生動力的源地。各個裝有氣缸套的氣缸安裝在機體里,它的頂端用氣缸蓋封閉著。活塞可在氣缸套內(nèi)往復運動,并從氣缸下部封閉氣缸,從而形成容積作規(guī)律變化的密封空間。燃料在此空間內(nèi)燃燒,產(chǎn)生的燃氣動力推動活塞運動?;钊耐鶑瓦\動經(jīng)過連桿推動曲軸作旋轉運動,曲軸再從飛輪端將動力輸出。由活塞組、連桿組、曲軸和飛輪組成的曲柄連桿機構是內(nèi)燃機傳遞動力的主要部分。 活塞組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等組成?;钊蕡A柱形,上面裝有活塞環(huán),借以在活塞往復運動時密閉氣缸。上面的幾道活塞環(huán)稱為氣環(huán),用來封閉氣缸,防止氣缸內(nèi)的氣體漏泄,下面的環(huán)稱為油環(huán),用來將氣缸壁上的多余的潤滑油刮下,防止?jié)櫥透Z入氣缸?;钊N呈圓筒形,它穿入活塞上的銷孔和連桿小頭中,將活塞和連桿聯(lián)接起來。連桿大頭端分成兩半,由連桿螺釘聯(lián)接起來,它與曲軸的曲柄銷相連。連桿工作時,連桿小頭端隨活塞作往復運動,連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉運動,連桿大小頭間的桿身作復雜的搖擺運動。 曲軸的作用是將活塞的往復運動轉換為旋轉運動,并將膨脹行程所作的功,通過安裝在曲軸后端上的飛輪傳遞出去。飛輪能儲存能量,使活塞的其他行程能正常工作,并使曲軸旋轉均勻。為了平衡慣性力和減輕內(nèi)燃機的振動,在曲軸的曲柄上還適當裝置平衡質量。 氣缸蓋中有進氣道和排氣道,內(nèi)裝進、排氣門。新鮮充量(即空氣或空氣與燃料的可燃混合氣)經(jīng)空氣濾清器、進氣管、進氣道和進氣門充入氣缸。膨脹后的燃氣經(jīng)排氣門、排氣道和排氣管,最后經(jīng)排氣消聲器排入大氣。進、排氣門的開啟和關閉是由凸輪軸上的進、排氣凸輪,通過挺柱、推桿、搖臂和氣門彈簧等傳動件分別加以控制的,這一套機件稱為內(nèi)燃機配氣機構。通常由空氣濾清器、進氣管、排氣管和排氣消聲器組成進排氣系統(tǒng)。 為了向氣缸內(nèi)供入燃料,內(nèi)燃機均設有供油系統(tǒng)。汽油機通過安裝在進氣管入口端的化油器將空氣與汽油按一定比例(空燃比)混合,然后經(jīng)進氣管供入氣缸,由汽油機點火系統(tǒng)控制的電火花定時點燃。柴油機的燃油則通過柴油機噴油系統(tǒng)噴入燃燒室,在高溫高壓下自行著火燃燒。 內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的燃料燃燒使活塞、氣缸套、氣缸蓋和氣門等零件受熱,溫度升高。為了保證內(nèi)燃機正常運轉,上述零件必須在許可的溫度下工作,不致因過熱而損壞,所以必須備有冷卻系統(tǒng)。 內(nèi)燃機不能從停車狀態(tài)自行轉入運轉狀態(tài),必須由外力轉動曲軸,使之起動。這種產(chǎn)生外力的裝置稱為起動裝置。常用的有電起動、壓縮空氣起動、汽油機起動和人力起動等方式。 內(nèi)燃機的工作循環(huán)由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中只有膨脹過程是對外作功的過程,其他過程都是為更好地實現(xiàn)作功過程而需要的過程。按實現(xiàn)一個工作循環(huán)的行程數(shù),工作循環(huán)可分為四沖程和二沖程兩類。 四沖程是指在進氣、壓縮、膨脹和排氣四個行程內(nèi)完成一個工作循環(huán),此間曲軸旋轉兩圈。進氣行程時,此時進氣門開啟,排氣門關閉。流過空氣濾清器的空氣,或經(jīng)化油器與汽油混合形成的可燃混合氣,經(jīng)進氣管道、進氣門進入氣缸;壓縮行程時,氣缸內(nèi)氣體受到壓縮,壓力增高,溫度上升;膨脹行程是在壓縮上止點前噴油或點火,使混合氣燃燒,產(chǎn)生高溫、高壓,推動活塞下行并作功;排氣行程時,活塞推擠氣缸內(nèi)廢氣經(jīng)排氣門排出。此后再由進氣行程開始,進行下一個工作循環(huán)。 二沖程是指在兩個行程內(nèi)完成一個工作循環(huán),此期間曲軸旋轉一圈。首先,當活塞在下止點時,進、排氣口都開啟,新鮮充量由進氣口充入氣缸,并掃除氣缸內(nèi)的廢氣,使之從排氣口排出;隨后活塞上行,將進、排氣口均關閉,氣缸內(nèi)充量開始受到壓縮,直至活塞接近上止點時點火或噴油,使氣缸內(nèi)可燃混合氣燃燒;然后氣缸內(nèi)燃氣膨脹,推動活塞下行作功;當活塞下行使排氣口開啟時,廢氣即由此排出活塞繼續(xù)下行至下止點,即完成一個工作循環(huán)。
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