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行業(yè)新聞/柴油發(fā)電機(jī)組
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圖解發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋與燃燒室結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2022-11-10 22:40:51  ▏閱讀:

 

零件裝配與結(jié)構(gòu)組成

圖解發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋與燃燒室結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)

 

摘要:氣缸蓋安裝在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的上面,主要用于密封氣缸從而形成燃燒室;同時(shí)還起著多種作用,如固定氣門,讓空氣、燃油和廢氣通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣道。由于缸蓋經(jīng)常與高溫高壓燃?xì)庀嘟佑|,因此承受很大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。在許多柴油發(fā)電機(jī)上,汽缸蓋還包含各個(gè)汽缸或活塞的燃燒室。

 

一、燃燒過(guò)程

 

      燃燒是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的工作過(guò)程之一,它將混合氣體轉(zhuǎn)化為高溫高壓氣體,產(chǎn)生巨大的能量。燃燒的主要過(guò)程包括點(diǎn)火、燃燒延遲、火焰?zhèn)鞑ズ蛿U(kuò)散等。

1、點(diǎn)火

      壓縮點(diǎn)火是柴油機(jī)的一種點(diǎn)火方式。與汽油相比,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用柴油作為燃料。與汽油相比,柴油的自燃溫度低(約220),粘度高,不易蒸發(fā)。而且柴油機(jī)本身沒(méi)有火花塞,壓縮比比汽油機(jī)高。所以柴油機(jī)通過(guò)壓縮沖程將混合氣壓縮到燃點(diǎn),使其自動(dòng)點(diǎn)火。所以這種點(diǎn)火方式叫壓燃。

2、 燃燒延遲

      在點(diǎn)火后,混合氣體不會(huì)立即著火。這是因?yàn)樾枰欢〞r(shí)間使可燃混合物達(dá)到著火溫度,并形成足夠的反應(yīng)鏈條。這個(gè)延遲時(shí)間被稱為“燃燒延遲”。

3、火焰?zhèn)鞑?/span>

      一旦可燃混合物開(kāi)始著火,火焰將快速蔓延。在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中,這個(gè)過(guò)程是通過(guò)點(diǎn)火位置周圍的可燃混合物引起的;而在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中,則是通過(guò)高溫高壓空氣引起的。

4、擴(kuò)散燃燒

       火焰?zhèn)鞑ズ螅扇蓟旌衔飳⒃谡麄€(gè)氣缸內(nèi)燃燒。這個(gè)過(guò)程稱為“擴(kuò)散燃燒”。在這個(gè)階段,燃料和空氣分子彼此碰撞,發(fā)生反應(yīng),并釋放出大量的能量。

 

二、氣缸構(gòu)建部件

 

1.汽缸蓋的制造

      汽缸蓋可以用鑄鐵或鋁制成。鋁制汽缸蓋可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量,但是鋁導(dǎo)熱的速度要比鑄鐵快,而且在受熱時(shí)膨脹率也比鑄鐵大,可能會(huì)導(dǎo)致翹曲。無(wú)論是鋁制件還是鑄鐵件,都是將熾熱的液態(tài)金屬倒進(jìn)砂型芯鑄成的。

      汽缸蓋必須有冷卻液通道,這就是說(shuō),在澆鑄過(guò)程中也必須使用砂型芯。另外,還必須為進(jìn)氣道和排氣道鑄造通道。汽缸蓋在鑄造出來(lái)后,必須經(jīng)過(guò)機(jī)加工,以便安裝進(jìn)氣、排氣歧管、氣門、火花塞、噴油器等配件,并且能夠使汽缸提供一個(gè)良好的密封。

2.進(jìn)氣道和排氣道

      進(jìn)氣道和排氣道必須鑄造在汽缸蓋內(nèi),以使空氣和燃油能夠經(jīng)過(guò)汽缸蓋進(jìn)入燃燒室。如果每個(gè)氣門都有一個(gè)氣道當(dāng)然是最理想的,但是因?yàn)榭臻g的問(wèn)題,有時(shí)將氣道合并。這些氣道被稱做叉形氣道,如圖1所示。能夠使用叉形氣道的原因是因?yàn)楦鱾€(gè)汽缸在不同的時(shí)間使用這些氣道。

      如圖1所示,汽缸蓋上使用叉形氣道,也就是說(shuō)兩個(gè)汽缸使用同一個(gè)排氣道或進(jìn)氣道。另外,許多發(fā)動(dòng)機(jī)使用橫流式氣道(如圖2所示)。橫流式汽缸蓋將進(jìn)氣道和排氣道分別放在缸蓋的兩側(cè),更加有利于進(jìn)氣與排氣。

 

配氣機(jī)構(gòu)叉形氣道示意圖-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖1  配氣機(jī)構(gòu)叉形氣道示意圖

柴油機(jī)進(jìn)氣道輪廓線示意圖.png

圖2  柴油機(jī)進(jìn)氣道輪廓線示意圖

 

3.冷卻液通道

      汽缸蓋上鑄造了一些較大的開(kāi)口,以使冷卻液能夠流過(guò)汽缸蓋。冷卻液必須在整個(gè)汽缸蓋內(nèi)循環(huán),以帶走過(guò)多的熱量。冷卻液流過(guò)汽缸體內(nèi)的通道,穿過(guò)汽缸墊進(jìn)入汽缸蓋。然后,冷卻液再流過(guò)冷卻系統(tǒng)的其他零部件,不同的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有所不同。

      冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)在于氣缸體的橫向冷卻和氣缸蓋內(nèi)燃燒室的冷卻。在橫向冷卻中,各氣缸的冷卻液從入口流向排出處,可以使三個(gè)氣缸的溫度均勻。氣缸蓋內(nèi)的冷卻液沿燃燒室集中高速流動(dòng),更有效地冷卻,降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的可能性。恒溫器和冷卻液循環(huán)恒溫器的作用是通過(guò)控制通過(guò)散熱器的冷卻液流量,調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度,調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度。

4.汽油機(jī)燃燒室

      燃燒室的形狀影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率,其工作原理如圖3所示。常用的燃燒室有兩種形式:楔形燃燒室和半球形燃燒室。用于描述燃燒室的有多個(gè)術(shù)語(yǔ)。紊流是指快速運(yùn)動(dòng)的氣體。氣體在運(yùn)動(dòng)時(shí),與燃燒室和活塞充分接觸。紊流使燃燒更好,因?yàn)榭諝夂腿加突旌系贸浞帧?/span>

(1)楔形燃燒室

      楔形燃燒室如圖4(a)所示。活塞隨著壓縮沖程向上移動(dòng),空氣或燃油混合氣被擠到擠壓區(qū)。擠壓區(qū)使空氣和燃油混合氣在燃燒之前充分混合,這樣有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率。火花塞或噴油器安裝在合適的位置,以便能夠獲得最佳的燃燒。當(dāng)火花塞點(diǎn)火時(shí),平穩(wěn)而迅速的燃燒從火花塞向四周傳播。楔形燃燒室也稱作紊流型燃燒室。在較新的機(jī)型上,擠壓區(qū)被減小,以降低廢氣排放。

      楔形燃燒室在一定程度上阻礙了空氣和燃油的流動(dòng),這種阻礙被稱作遮蔽。圖4(b)顯示了氣門離燃燒室的邊緣太近,這樣阻礙了空氣和燃油,從而降低了容積效率。半球形燃燒室沒(méi)有這種阻礙作用。

 

燃燒室工作原理圖.png

圖3  燃燒室工作原理圖

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)楔形燃燒室結(jié)構(gòu)圖.png

圖4  楔形燃燒室結(jié)構(gòu)圖

 

(2)半球形燃燒室

      半球形(Hemi spherical)燃燒室的名字來(lái)自于其形狀。英語(yǔ)中hemi的意思是“一半”,spherical的意思是圓形,因此,這種燃燒室的形狀就像半圓形,也被稱作hemi-head形。氣門的位置如圖4(a)所示。氣門分置在汽缸的兩側(cè)的燃燒室的一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是可以使用較大的氣門。這樣增大了能夠進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣和燃油量,因此提高了容積效率。

      半球形燃燒室認(rèn)為是一種非紊流型燃燒室。當(dāng)空氣和燃油進(jìn)入這種燃燒室時(shí),產(chǎn)生的紊流很小或者不產(chǎn)生紊流,空氣和燃油混合氣在壓縮沖程被均勻地壓縮。當(dāng)使用平頭活塞時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生很小的紊流。火花塞直接裝在氣門的中間。火焰從火花塞均勻地向外擴(kuò)散,使混合氣完全燃燒。

      半球形燃燒室一個(gè)更重要的優(yōu)點(diǎn)是:空氣和燃油能夠很容易地進(jìn)入燃燒室許多高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上都使用半球形燃燒室,當(dāng)汽缸中需要大量的空氣和燃油時(shí)更是如此。許多高性能發(fā)動(dòng)機(jī)使用凸頂活塞,這種活塞有一個(gè)擠壓區(qū),可以提高紊流,如圖4(b)所示。不同的發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠采用了多種不同的設(shè)計(jì)。

(3)屋脊式燃燒室

      現(xiàn)在,很多發(fā)動(dòng)機(jī)采用每缸四氣門,兩個(gè)氣門用于進(jìn)氣,兩個(gè)用于排氣。為了配合這種設(shè)計(jì),通常使用屋脊式燃燒室,這是半球形燃燒室的改進(jìn)型,如圖5所示,它看上去像一個(gè)倒置的字母V。采用這種結(jié)構(gòu),就有了布置進(jìn)氣門和排氣門的空間。另外,這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較好的紊流和較低的排放。


柴油發(fā)動(dòng)機(jī)半球形燃燒室結(jié)構(gòu)圖.png

圖5  半球形燃燒室結(jié)構(gòu)圖

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)屋脊式燃燒室結(jié)構(gòu)圖.png

圖6  屋脊式燃燒室結(jié)構(gòu)圖

 

5.柴油機(jī)燃燒室

      柴油機(jī)燃燒室與汽油機(jī)燃燒室不同,其燃燒過(guò)程如圖7所示。柴油的燃燒方式不同,因此燃燒室也不同。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室有三種形式:開(kāi)式燃燒室、預(yù)燃式燃燒室和湍流式燃燒室。

(1)開(kāi)式燃燒室:

      直接將燃燒室放在活塞內(nèi)。開(kāi)式燃燒室中柴油直接噴射到燃燒室的中心,燃燒室的形狀和擠壓區(qū)可以產(chǎn)生紊流,有時(shí)也稱這種燃燒室為“ω”形燃燒室。

(2)預(yù)燃式燃燒室:

      如圖8(a)所示,過(guò)去在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上都有應(yīng)用,就是一個(gè)小的、輔助的燃燒室,與主燃燒室相連。在做功沖程,燃油被噴入這個(gè)小燃燒室。燃燒從這里開(kāi)始,然后向主燃燒室擴(kuò)散。預(yù)燃室內(nèi)有很濃的混合,但主燃燒室內(nèi)的混合氣很稀。綜合效果就是一個(gè)混合氣較稀的發(fā)動(dòng)機(jī),可以產(chǎn)生更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

(3)湍流式燃燒室:

      如圖8(b)所示,這種燃燒室可以加快燃燒室內(nèi)的空氣速度,或增大紊流。燃油噴入時(shí)這種紊亂的氣流可以燃燒得更充分。


柴油發(fā)電機(jī)氣缸燃燒原理圖.png

圖7  柴油發(fā)電機(jī)氣缸燃燒原理圖

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)圖.png

圖8  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)圖

 

總結(jié):

      通過(guò)以上的解釋,我們可以清楚地了解到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒原理。從空氣和燃料的混合開(kāi)始,到點(diǎn)火、延遲、火焰?zhèn)鞑ズ蛿U(kuò)散等過(guò)程,最終產(chǎn)生巨大的能量。我們也了解到發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣需要得到控制和處理。理解發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒原理對(duì)于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能、提高燃燒效率以及減少排放都非常重要。通過(guò)不斷的研究和創(chuàng)新,我們可以改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng),使其更加高效、環(huán)保,并滿足不斷增長(zhǎng)的交通需求。


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