LNG载货汽车工作原理

1.发动机的名词术语、定义

为更好地了解发动机的结构、工作原理，下面对发动机相关的主要名词、术语进行简要解释。

（1）直列 发动机气缸呈一字纵向排列的发动机，称为直列发动机。

（2）气缸数 发动机气缸的数量，称为气缸数。发动机常采用的气缸数为一缸、二缸、三缸、四缸、六缸、八缸、十二缸或十六缸。

（3）冲程 发动机曲轴转角为180°，发动机活塞的行程称为冲程。发动机在曲轴转角720°范围内完成进气、压缩、燃烧做功和排气四个行程的发动机，称为四冲程发动机。

发动机在曲轴转角360°范围内完成进气、压缩、燃烧做功和排气四个行程的发动机，称为二冲程发动机。

（4）燃烧方式

1）点燃着火：由高压电子点火线圈向火花塞输出电压，当火花塞两极间的电压升高到一定值以后，火花塞两极间的间隙会被击穿，从而产生电火花，点燃混合气着火燃烧。

2）压燃着火：在压缩行程中形成较高的压力，达到混合气的自燃温度，着火燃烧。

（5）上止点 当活塞运行到距曲轴回转中心最远处，即活塞在气缸的最高处，此时，活塞顶部在气缸孔内的位置，称为上止点，如图3-1所示。

（6）下止点 当活塞运行到距曲轴回转中心最近处，即活塞在气缸的最低处，此时，活塞顶部在气缸孔内的位置，称为下止点，如图3-2所示。

（7）活塞行程 活塞由一个止点到另一个止点间运行的距离，称为活塞行程（S）。

（8）燃烧室容积 活塞位于上止点时，活塞顶上部的空间称为燃烧室，它的有效容积就称为燃烧室容积，通常用V_c表示。

（9）燃烧室形式 半球形燃烧室、盆形燃烧室如图3-3所示，这种形式的燃烧室燃油与空气不需要在燃烧室进行混合，燃烧室只起到封闭燃烧空间的作用。

ω形直喷燃烧室如图3-4所示。为了保证柴油在燃烧室内形成强涡流，它配以螺旋进气道（图3-5），使柴油在燃烧室内形成雾化气，与洁净的空气进行吃那个分的混合。很多柴油发动机都采用ω形直喷燃烧室。

图3-1 活塞上止点

图3-2 活塞下止点

图3-3 盆形燃烧室

图3-4 ω形直喷燃烧室

图3-5 螺旋进气道

（10）气缸工作容积 活塞从上止点运行到下止点所扫过的气缸容积，称为气缸工作容积，通常用V_h表示。多缸发动机的工作容积为全部气缸工作容积的总和，也称为发动机排量，单位为L。

式中 D——气缸直径(mm)；

S——活塞行程(mm)：

i——气缸数。

发动机排量是发动机的重要参数之一。排量越大，进入气缸的可燃混合气或空气量就越多，发动机输出的功率就越大。

(11)气缸的最大容积活塞在下止点时，活塞顶部上面气缸的全部空间，即气缸工作容积与燃烧室容积之和，称为气缸总容积，即V_a=V_h+V_c。气缸总容积如图3-6所示。(www.xing528.com)

(12)压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比，称为压缩比。通常用符号s表示。它表示活塞从下止点到上止点运行过程中，气缸内气体被压缩的程度。柴油发动机的压缩比为16.5～18，LNG发动机的压缩比为10.5～11.5。

压缩比是发动机一个很重要的参数。它反映了在压缩行程中，气缸内的可燃混合气被压缩的程度。排量相同的发动机，压缩比越高，做功行程时其膨胀能力就越强，发动机输出功率也越大。

2.四冲程发动机的工作原理

四冲程发动机的工作过程是由进气、压缩、燃烧膨胀（做功）和排气四个过程来完成的。发动机工作时，各气缸内每进行一次能量转换，均要经过进气、压缩、燃烧膨胀（做功）和排气四个过程，这四个过程称为发动机的一个工作循环。发动机之所以能连续运转，就因为各气缸内不断进行着这种周而复始的工作循环。凡是活塞在往复四个行程内完成一个工作循环的发动机，称为四冲程发动机。活塞往复两个行程完成一个工作循环的发动机。称为二冲程发动机。

图3-6 气缸参数示意

载货汽车均采用四冲程发动机。LNG发动机和柴油发动机、汽油发动机一样，也是依靠曲轴、活塞连杆机构，将发动机燃烧过程中产生的热能，由活塞连杆的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动，因此，LNG发动机的工作原理与柴油、汽油发动机相同。

发动机四个行程的工作原理如图3-7所示。

(1)进气行程活塞从上止点运动到下止点的过程，即为进气行程。

进气行程如图3-7a所示。进气门开启、排气门关闭，进气行程的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气行程开始时，活塞位于上止点，曲轴旋转，连杆推动活塞由上止点向下止点运动。

在进气行程开始前，气缸内的燃烧室中还残留有一部分废气，为了保证进气充分，废气

排出彻底，发动机进气门会在活塞运行到上止点前提前打开。此时，活塞从上止点向下止点运动。随着活塞向下止点运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大，气缸内的压力低于进气管内的压力，因此，混合器里的LNG气体与洁净空气的混合气被吸人发动机气缸（燃烧室）。

进气门在活塞运行到上止点前提前打开，此提前打开的时间称为进气提前时间。

(2)压缩行程压缩行程如图3-7b所示。进气门关闭、排气门关闭，进气行程结束，为使进气充分，进气门会在活塞运行到下止点一段时间后，才延后关闭。此延后关闭的时间称为进气延后时间。

压缩行程的任务是使气缸内的混合气被压缩到自燃或者容易点燃的临界温度。

压缩时活塞从下止点向上止点运动，这个行程的功用有二：一是提高混合气的温度，为燃料自行发火作准备，二是为气体膨胀做功创造条件。

当活塞上行，进气门关闭以后，气缸内的混合气受到压缩。随着容积的不断缩小，混合气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和温度与混合气的压缩程度有关，即与压缩比有关。柴油发动机压缩终点的压力和温度为P_c=3～4.5MPa，T_c=480-680℃。柴油的自燃温度约为220℃，压缩终点的温度要比柴油白燃的温度高很多，足以保证喷人气缸的燃油自行发火燃烧。而天然气的着火温度为6500C，所以，仅仅靠压缩行程的温度是不足以点燃天然气的，必须依靠火花塞点燃天然气燃烧。

(3)膨胀做功行程膨胀冲程如图3-7c所示。压缩行程结束末期，进气门关闭，排气门关闭，此时，发动机气缸内的天然气与洁净空气的混合气被压缩后经火花塞点燃燃烧。燃烧中产生的高温、高压力推动发动机活塞从上止点向下止点运动，带动曲轴旋转，对外做功。

排气门会在活塞到达下止点前提前打开。此提前打开时间称为排气提前时间。

为了保证LNG发动机燃烧过程能有效做功，往往会在压缩行程结束末期火花塞就会点燃混合气。这个提前点火的时间被称为点火时间或者点火提前角，不同的发动机点火提前角不同。

(4)排气行程排气行程如图3-7d所示。进气门关闭，排气门开启。排气行程的作用是将燃烧做功中产生的废气排出发动机外，以便新的混合气进入，为下一个循环的进气行程作准备。

当燃烧做功行程末期，活塞运动到临近下止点附近时，排气门打开，活塞在曲轴、连杆的推动下，由下止点向上止点运动，气缸中的废气在气缸压力和活塞向上的推动力作用下被排出气缸。由于排气系统存在阻力，在排气行程刚开始时，发动机气缸内的压力比大气压力高0.025～0.035MPa，气缸内温度高达750～927℃。为了使排气更加彻底充分，排气门会在活塞到达下止点后延后关闭。当排气门打开的一瞬间，气缸内压力急剧下降，这样当活塞向上止点运动时，其运行的阻力也会大幅减少，更有利于发动机有效功率的发挥。为了使废气排出干净、完全，排气门会在活塞到达上止点之后稍缓时刻才延迟关闭，至此，排气行程结束。

图3-7 四冲程发动机工作原理

排气门会在活塞到达上止点后，延后关闭。此延后关闭的时间称为排气延后时间。

在整个循环过程中，进、排气门都会分别在活塞到达上、下止点前、后，提前打开、延后关闭。所以在进气行程之初、排气行程之末，活塞处于上止点附近时，有一段时间会出现进、排气门同时开启，这段时间用曲轴转角来表示，称为气门重叠角。

发动机工作过程中，活塞依照进气行程、压缩行程、膨胀做功行程和排气行程的顺序完成四个行程（一个T作循环）的T作，由于这个工作循环需要曲轴旋转两圈(720。)完成，所以称为四冲程发动机。LNG发动机也属于四冲程发动机。

3.发动机运动中的平稳性

由于发动机在四个行程中，只有膨胀做功行程会产生燃烧动力做功，其余的三个行程都是辅助行程，必须依靠曲轴旋转的惯性力来保持fH1轴的运转，从而达到推动活塞往复运动的需要。为此在发动机上设置了飞轮，利用飞轮的转动惯性，使曲轴在四个行程中都能保持稳定旋转。在四个行程中，显然做功行程推动活塞往复运动的动力高于其他三个行程，这样，也就造成了发动机运转中的不平稳现象。为了减少曲轴、飞轮旋转中的不平稳，设计曲轴、飞轮时，要求曲轴、飞轮组装在一起后必须进行动平衡试验，曲轴、飞轮动平衡必须达到设计要求。

发动机气缸数的多少、曲轴曲拐的分布排列形式，也会对曲轴、飞轮的旋转造成很大的影响。气缸数越多，曲轴曲拐的夹角就越小，曲轴旋转就越平稳。直列六缸发动机曲轴曲拐呈120。分布，就比直列四缸发动机曲轴曲拐呈180。分布，运转平稳性好很多。

飞轮的直径、转动惯量也会对曲轴的旋转平稳性带来直接的影响，飞轮的直径越大，转动惯量越大，曲轴的旋转就越平稳。