工程概论内燃机讲解Word格式.docx

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内燃机的分类方法很多，但常用的有按燃料、用途、着火方式、气缸布置形式进行分类。

1．按燃料分有汽油机、柴油机、煤气机、气体燃料及多种燃料发动机等。

2.按着火方式分有压缩着火（压燃式）和强制点火（点燃式）两类。

3按冷却方式分有水冷式和风冷式两种。

汽车和工程机械用内燃机多数是水冷式的。

4．按工作循环所需行程数及进气状态分按照完成一个工作循环（工作循环指把热能转变为机械功的一系列连续过程）所需的行程数来分，有四冲程内燃机和二冲程内燃机，汽车和工程机械用内燃机多为四冲程内燃机，按照进气状态分类，内燃机又有非增压式和增压式之分。

5．按气缸布置形式分有直列式、V型、卧式、对置式等，如图1—1所示。

图1-1气缸布置分类

6．按用途分可分为汽车用、工程机械用、农用、拖拉机用、发电用、机车用、船舶用、摩托车用、坦克用等内燃机。

7．其他，除以上方式分类外，还可按转速来分，有高速、中速和低速等几种，按气缸数来分有单缸、双缸、多缸内燃机。

与其它热机相比，内燃机的优点是：

热效率高。

热效率高，即燃油消耗率低，经济性好，尤其是柴油机，它是热效率最高的热机，最高有效热效率已达46％；

功率范围宽广。

现代汽油机单机最小功率0.59kW，而柴油机单机最大功率已达40600kW，故适用范围大；

结构紧凑、比质量幸较小、便于移动；

起动迅速、操作简便，并能在起动后很快达到全负荷运行。

与其它热机相比，内燃机的缺点是：

对燃料要求较高高速内燃机一般均使用汽油或轻柴油，并且对燃料的清洁度要求严格。

在气缸内部难以使用固体燃料或劣质燃料；

排气污染和噪声引起公害由于内燃机已广泛地应用在国民经济的各个领域中，其产量和保有量极大，对环境的污染也越来越严重；

结构较复杂，零部件加工精度要求较高。

内燃机（往复活塞式）的应用范围非常广泛。

地面上各种运输车辆（汽车、拖拉机、内燃机车等），矿山、石油、建筑及工程等机械，农业机械、林业机械和发电站等方面大量使用内燃机为动力。

水上运输可作内河及海上船舶的主机和辅机。

在航空方面，一些小型民用飞机还采用内燃机作动力。

内燃机还广泛使用在军事装备上，如坦克、装甲车、步兵战车、重武器牵引车以及各种水面舰艇及潜水艇等方面都大量使用内燃机。

1.1内燃机的发展概况

早在1700年，英国人纽卡姆就制成了蒸汽机。

1763年英国人詹姆斯·

瓦特（JamesWatt）改良了纽卡姆蒸汽机，使蒸汽机进人了实用阶段，这一重大发明在当时促成了欧洲的工业革命。

1876年德国工业家尼古拉斯·

奥托（NicolausA．Otto）创制了按等容燃烧，用电火花点火的四冲程煤气机，其功率为4马力，压缩比为2．5，这种发动机的热效率提高到了14％，这是世界上第一台按四冲程循环工作的内燃机。

但是，由于煤气机必须使用气体燃料，而当时气体燃料的来源比较困难，这就阻碍了煤气机的进一步发展。

1885年德国人戈特利布·

戴姆勒（GottliebDaimler）仿照四冲程煤气机的工作原理制成了第一台汽油机，并于1886年使第一台用汽油机驱动的汽车问世。

与此同时，德国工程师卡尔·

奔驰（KarlBenz）也于1886年1月20日向德国帝国专利局申请了他发明的汽车专利，同年11月2日专利局批准了他的发明，并颁发了专利证书。

由于汽油机具有轻小价廉、运转平稳及起动、使用简便等优点，便迅速在运输车辆上得到了广泛应用。

接着在1890年英国的克拉克（DugaldClerk）和罗伯逊（JamesRobson）、德国的卡尔·

奔驰（KarlBenz）成功地发明了二冲程内燃机。

目前二冲程和四冲程内燃机在不同的领域中都得到了广泛的应用。

为了研制使用廉价燃料的发动机，并进一步提高发动机的热效率，1892年德国工程师鲁道夫·

狄塞尔（RudolfDiese）首先提出了柴油机的工作原理。

他在发明专利中写道：

“在气缸中的纯空气将被活塞强烈地压缩，致使它所产生的温度远超过所使用的燃料的自燃温度，而燃料的喷入气缸是在活塞越过上止点之后进行的……”。

一般说来，现代的柴油机基本上是按照这一原理工作的。

后来他继续对发动机进行研究，改用煤油作燃料，采用了较高的压缩比和压缩着火方式，并将等温燃烧过程改为等压燃烧过程，终于在1897年研制成了世界上第一台柴油机（当时为煤油机）。

早期柴油机的燃料是靠压缩空气将其喷入气缸的。

1922年德国的罗伯特·

波许（RobertBosch）公司研制出燃料机械喷射装置。

此后，这种机械喷油装置就完全代替了燃料的空气喷射，这就给柴油机在交通运输中的广泛应用提供了可能性，从此，柴油机开始了迅速的发展。

柴油机增压的设想早在1892年鲁道夫·

狄塞尔发表柴油机理论时就提出来了，当时他指出：

“在单缸机上安装增压泵和进气室，这样改变了进气室中的空气压力，就能改变输出功率”。

1911～1914年瑞士工程师艾尔弗雷德·

比希（AlfredBuchi）首先提出柴油机废气涡轮增压的理论，并于1915年进行了试验。

1925年他又以“脉冲增压”获得瑞士专利。

1926年废气涡轮增压技术开始用于四冲程柴油机，1942年以后在低速、船用二冲程柴油机上陆续采用。

增压技术可以有效地提高柴油机的平均有效压力，从而大幅度地提高柴油机的有效功率。

内燃机自发明以来．一直把提高动力性，改善经济性以及提高可靠性和耐久性作为努力的目标，不断地进行研究改进。

但是，随着车用内燃机生产量和保有量的迅速增加，汽车对环境的污染越来越严重。

1961年美国开始规定轿车的排气标准，1970年美国加利福尼亚州决定对载重卡车用柴油机排放的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物从1973年和1975年起分两个阶段进行限制，接着在欧洲、日本和我国都相应制定了汽车排放法规，并且这些法规将越来越严格。

此外，由于从1973年10月开始，石油输出国大幅度地提高石油价格，从而引起各国对发动机燃油经济性的重视。

为了减少内燃机对日益短缺的石油基燃料的依赖，各国正在进行内燃机燃用代用燃料的研究工作，以逐步取代汽油和柴油，如燃用天然气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油以及二甲基醚（CH，OCH。

）等。

这些严峻的问题给全世界的内燃机研究者和制造公司提出了新的要求，使内燃机传统的研究目标发生了根本性的变化。

除了继续提高其动力性、可靠性、耐久性外，主要的研究目标将是净化废气，降低噪声，降低燃油消耗率和采用多种燃料。

1.2内燃机的工作原理

内燃机气缸中进行的每一次将热能转变为机械功的一系列连续过程称为内燃机的一次工作循环（作一次功）。

每一次工作循环都包括进气、压缩、燃烧一膨胀和排气等四个过程。

四冲程内燃机的工作循环是在曲轴旋转两周，即四个行程中完成的，而二冲程内燃机的工作循环则是在曲轴旋转一周，即两个行程中完成的。

由于四冲程和二冲程内燃机工作原理相似，本文讨论四冲程内燃机的工作原理。

图1-2为单缸四冲程柴油机工作循环原理图。

图1-2单缸四冲程柴油机工作循环原理图

1）进气过程（图1—2a）

活塞从上止点向下止点移动，这时在配气机构的作用下进气门打开，排气门关闭。

由于活塞的下移气缸内容积增大，压力降低，新鲜空气经滤清器、进气管不断吸入气缸。

由于进气系统存在阻力，使进气终了气缸内的气体压力低于大气压力P0。

（约78～91kPa），温度为50～70℃。

2）压缩过程（图1—2b）

活塞由下止点向上止点运动，这时进、排气门关闭。

气缸内容积不断减少，气体被压缩，其温度和压力不断提高。

压缩终了时气体压力可达3～5MPaMPa，温度高达750～1000K，为喷人气缸内的柴油蒸发混合和燃烧创造条件。

3）作功过程（图1—2c）

在压缩过程即将终了时，喷油器将柴油以细小的油雾喷人气缸，在高温、高压和高速气流作用下很快蒸发。

与空气混合，形成混合气。

并在高温下自动着火燃烧，放出大量的热量，使气缸中气体温度和压力急剧上升，燃烧气体的最大压力可达6～9MPa，最高温度可达1800～2000K。

高压气体膨胀推动活塞由上止点向下止点移动，从而使曲轴旋转对外作功。

4）4．排气过程（图l一2d）

作功过程结束后，排气门打开，进气门关闭。

活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动，燃烧过的废气便依靠压力差和活塞上行的排挤，迅速从排气门排出。

由于排气系统有阻力，因此，排气终了时，气缸内废气压力略高于大气压力。

气缸内残余废气的压力约为0．105～0．12MPa，温度约为700～900K。

当活塞再次向下移动时，又开始了新的工作循环。

活塞经过上述四个连续过程后，便完成了一个工作循环。

当活塞再次由上止点向下止点运动时，又开始下一个工作循环。

这样周而复始地继续下去。

2、内燃机的组成机构

2.1内燃机运动原理

内燃机的动力源为燃料在气缸内燃烧后释放的热能，通过合理的设计气缸和燃烧状况，可以使燃料的化学能高效率的转化为热能。

在燃烧做功过程中，释放的热能推动活塞运动，从而带动曲柄连杆运动，曲柄将机械能传递到其他动件，如齿轮或轴件。

整个运动过程能量转化过程为化学能—热能—机械能，根据热力学规律可知，化学能并不能完全转化为热能。

由热力学第二定律可知，热能并不能完全转化为机械能，有一部分转化成了低质量的热能。

运动循环中活塞为初始动力的输入，其动力来源于热能，连杆与活塞相连，活塞在上止点到下止点的运动过程中，将机械能传递给了连杆。

连杆又将机械能传递给了与其相连的曲柄，最后曲柄通过齿轮或其他动件将机械能传递出去，从而带动其他构件的运动。

2.2内燃机运动传递路线图

内燃机通过曲柄连杆机构将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动．使气缸内燃油燃烧时所产生的热能转变为机械能。

在曲柄连杆机构的主要零件中，曲轴作圆周旋转运动，活塞作往复直线运动，连杆作复杂的平面运动。

运动传递图见2-1所示，内燃机内部动件如图2-2所示。

图2-1运动传递示意图

图2-2内燃机内部动件示意图

2.3内燃机包含的基本机构

图2-3示出内燃机的基本机构，它包括气缸、气缸盖、活塞、活塞销、连杆、曲轴、飞轮、曲轴箱和进、排气门。

活塞可在气缸内上下往复运动。

活塞销穿过活塞相和连杆的上端，使活塞和连秆成为铰链似的连接。

连杆下端套在曲轴弯曲部分的曲柄销（连杆抽颈）上，也是铰链似的连接。

曲轴两端由曲轴箱上的轴承来支承，曲轴可在轴承中转动。

活塞在气缸中往复运动时，曲轴则绕其轴心线作旋转运动。

很明显，曲铀每转一周，活塞向上向下各行一次（两个行程）。

活塞离曲轴中心最大距离处叫上止点，离曲轴中心最小距离处叫做下止点，活塞在上止点与下止点之间循环做往复直线运动。

图2-3内燃机的基本机构

2.3.1曲柄滑块机构

曲柄滑块机构是内燃机中最重要的组成部分之一,也是构成往复运动活塞式内燃机的基础机构。

该机构是在高压下作变速运动,其工作过程中的受力情况非常复杂。

曲柄与滑块依靠中间件连杆进行动力传递。

图2-4为曲柄滑块机构简图。

图2-4曲柄滑块机构简图

该机构中的滑块由活塞充当，其主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力。

并将燃挠气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外做功。

连杆由连杆体（大头、小头和杆身）、连杆盖、连杆轴瓦、连杆衬套和连杆螺拴等组成，连杆把活塞和曲柄连接起来．组成曲柄连扦滑块机构．将活塞的往复直线运动转换为曲柄的旋转运动，并将活塞上的压力传