第一二章

内燃机是将燃料（液体或气体）引入气缸内燃烧，再通过燃气膨胀、推动活塞、曲柄-连杆机构，从而输出机械功的热力发动机。就目前来说，常见的动力装置有：柴油机、汽油机、燃气轮机、喷气式发动机、蒸汽机、核动力装置等。广义而言，按照燃料的燃烧形式，可分为两大类，一类是内燃机，一类是外燃机。内燃机：燃料直接在机器内部燃烧的发动机，包括往复活塞式柴油机、汽油机、燃气轮机和喷气式发动机等。外燃机：燃料在机器外部燃烧的发动机，包括蒸汽机、汽轮机、和核动力装置等。第2章内燃机的工作原理要点：四冲程、二冲程柴油机工作原理；四冲程、二冲程汽油机工作原理；增压柴油机特点；多缸柴油机的工作顺序等等。2.1基本结构和主要名词2.1.1柴油机的主要机件和系统四冲程柴油机的主要机件一．固定机件：机座1，机体3，主轴承2，气缸盖5，气缸套6等。二．运动机件：曲轴10，连杆8，活塞6，活塞销7，连杆螺栓9等。三．配气机构：凸轮轴16，顶杆17，摇臂12，四．气阀机构（进气阀13、排气阀14、气阀弹簧15）等。2.2.2内燃机的主要名词1．上止点：活塞距曲轴旋转中心最远的位置。2．下止点：活塞距曲轴旋转中心最近的位置。3．活塞冲程（S）：上、下止点间的距离。4．压缩室容积（Vc）：活塞位于上止点时，活塞顶部与缸盖间的容积，又称燃烧室容积。5．气缸工作容积（Vh）：活塞上、下止点之间的容积称为一个气缸的工作容积，它可以用气缸直径D(cm)由下式表示：Vh=[(×D2)/4]×S×(103)式中S——活塞冲程（cm）。6．气缸的最大容积（Va）：活塞在下止点时，气缸的容积，即气缸工作容积与压缩容积的之和：Va=Vh+Vc7．气缸的总容积V，总排量：是内燃机所有气缸工作容积的总和。即：V=Vh×i式中i——气缸数。8．压缩比：气缸最大容积与压缩室容积的比值称为压缩比。定义：压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比。用ε表示。ε=Va/Vc现代汽油机压缩比一般为9～10柴油机的压缩比一般为16～24四冲程发动机的简单工作原理§1.4.1四冲程内燃机的工作原理（以非增压为例）1、进气行程2、压缩行程3、作功行程4、排气行程2.3四冲程柴油机的工作原理柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走过四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。以非增压为例。2.3.1进气冲程见P-V图，开始时,活塞位于上止点（PrP0），有残气，活塞下行，进气阀开，排气阀关（PP0）。进气；0.085-0.095MPa进气压力大致保持不变，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。2.3.2压缩冲程进、排气阀关，活塞上行，缸内气体被迅速压缩，气压上升，同时气温升高，达到柴油的自燃温度时，柴油便自行燃烧膨胀。作用：1.提高空气的温度,为燃料的自行发火作准备；2.为气体膨胀作功创造条件；柴油自燃温度为543~563K。2.3.3燃烧膨胀冲程作功或工作冲程。此时进排气阀钧关闭，缸内燃料迅速燃烧膨胀，气体压力急剧上升，推动活塞自上止点往下止点运动。最高燃烧压力Pz压力升高比：为燃烧压力与压缩终点压力之比。2.3.4排气冲程排气阀早开晚关,排气阻力的存在,比如有消声器，使排气阀必须提前打开，以减少活塞排气的阻力，而活塞在完成排气过程时，主要靠惯性。小节：活塞走四个冲程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。喷油提前角：由于柴油存在发火延迟期（0.001~0.005秒），要在上止点前7~35度曲柄转角时开始将雾化的的燃料喷入气缸这个叫称为喷油的提前角。四个冲程中只有一个冲程作功，而其他三个冲程完全靠发动机的惯性来完成的，所须加装飞轮,在发动机的输出端。其作用是使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转。气阀重叠角：发动机运转过程中有一段时间进、排气阀同时开启，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重叠角。2.4四冲程汽油机的工作原理与柴油机(四冲程)相比的主要区别：燃料本身：粘度小、易蒸发、可燃混合气形成容易。2.4.1进气冲程此时，活塞被曲轴带动由上止点向下止点移动，同时，进气门开启，排起门关闭。当活塞由上止点向下止点移动时，活塞上方的容积增大，气缸内气体压力下降，形成一定的真空度。由于进气门开启，气缸与进气管相通，混合气被吸入气缸。当活塞移动到下止点时，气缸内充满了新鲜混合气以及上一个工作循环未排出的废气。空气由空气滤清器经进气道上的化油器，将汽油吸入并雾化成细小的油粒与空气混合，即形成可燃混合气，而后进入气缸。汽油机无高压泵和喷油器（0.075~0.09MPa）2.4.2压缩冲程活塞由下止点移动到下止点，进排气门关闭。曲轴在飞轮惯性力的作用下带动旋转，通过连杆推动活塞向上移动，气缸内的气体容积逐渐减小，气体被压缩，气缸内的混合压力与温度随着升高。压缩比不可太大,现代汽油机一般为8.5-10，太大可引起可燃混合气过早爆燃和产生爆震。2.4.3燃烧膨胀冲程此时，进排气门同时关闭，火花塞点火，混合气剧烈燃烧，气缸内的温度、压力急剧上升，高温、高压气体推动活塞向下移动，通过连杆带动曲轴旋转。在发动机工作的四个过程中，只有这个在行程才实现热能转化为机械能，所以，这个行程又称为作工行程。压力升高快，P-V图上比柴油机要陡。2.4.4排气冲程此时，排气门打开，活塞从下止点移动到上止点，废气随着活塞的上行，被排出气缸。由于排气系统的阻力，且燃烧室也有一点定的容积，所以在排气终了，不可能将废气排净，这部分留下来的废气称为残余废气。残余废气不仅影响充气，对燃烧也有不良影响。2.5二冲程柴油机的工作原理四冲程柴油机的活塞相当于一个空气泵，而对于二冲程柴油机而言，活塞没有空气泵的作用，为了完成进排气过程，即排除燃烧后的废气，并把新鲜空气充满气缸，必须安装专用的扫气泵（罗茨鼓风机）例：气阀式直流换气的二冲程柴油机的工作原理二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较1.在相同的气缸尺寸和转速下，二冲程发动机的功率理应比四冲程发动机增加一倍，但由于扫气容积的损失和充气时间短，二冲程废气消除困难，驱动扫气泵要消耗一部分功率，所以只增加了50%-70%左右。2.均匀性好。其他形式：按气流在气缸中流动的路线不同，(1)气孔式直流换气的柴油机(2)横流扫气的二冲程柴油机(3)回流换气的二冲程柴油机2.6二冲程汽油机的工作原理第一冲程：活塞自下而上,压缩，继续前行，进气孔开，曲轴箱形成真空度，可燃气进入曲轴箱。第二冲程：上止点时，点火作功，活塞下行，排气口开，PzPo，排气，曲轴箱压力大于气缸内压力，进气扫气过程，待活塞扫过下止点后，关闭扫气孔为止。二冲程发动机与四冲程发动机相比，有何优点？1.理论上它的功率应等于四冲程发动机的二倍。2.由于作功频率较大，二冲程发动机的运转比较均匀平稳。3.构造简单，质量较小。4.易受磨损和经常需要修理的运动部件数量较少。2.7增压柴油机的特点1.安装增压器的目的：增加充入气缸的空气量，压缩后空气密度增大，所以充入气缸内的空气量就增多。2.区别（1）增压柴油机：装有增压器的柴油机。（2）非增压柴油机：直接从大气中吸入空气的柴油机称为增压柴油机，现代舰船用的主机几乎为增压柴油机3.分类：机械传动的增压柴油机、废气涡轮增压的柴油机、气波增压、复合增压。2.8多缸柴油机的工作次序从柴油机工作过程本身看，只有做功冲程对外做功而进气排气及压缩冲程都排但不作功，反而消耗能量，实际上柴油机的转速是不均匀的。A.转速不均匀的危害运动件受冲击负荷，容易造成磨损；容易产生扭振；不平衡。B.追求均匀性的方法。单缸时需加装飞轮；多缸机除飞轮外，采取合理的发火顺序。C.发火顺序为了保证发动机运转的均匀和平衡性的要求，对四冲程柴油机，曲轴转动两转内，每个气缸完成一个工作循环。因此，各缸应相隔一定的转角而均匀的发火，若i=气缸数。发火间隔角：曲柄与之对应四缸机为：1-3-4-2或1-2-4-3六缸机为：1-5-3-6-2-42.9内燃机分类1．按结构特点分（1）筒形活塞柴油机缺点；活塞裙部起向导作用，在侧推力的作用下，活塞与缸套磨损较大。优点：结构简单，紧凑，轻便、用途：中，高速柴油机（2）十字头活塞柴油机优点：活塞与缸套间无侧推力，因为由十字头导向，故磨损较小，不易擦伤和老死。可在气缸下部设横隔板，以免气缸内的脏油，烟灰，燃气等漏入曲轴箱。污损曲轴箱底部的滑油。缺点：使柴油机高度和重量增大，结构复杂。用途：船用大型低速柴油机2.按缸数分：单缸机和多缸机形式直列式V型W型X型星型3.按燃料分：柴油机，汽油机，煤气机4.按工作原理：四冲程和二冲程5.按进气方式：增压和非增压6.按点火方式：点燃和压燃7.按用途：固定式内燃机和移动式内燃机8.按标定转速：高速机高于1000r/min中速机在300至1000r/min低速机：n300r/min9.按曲轴转向：左转，右转，可逆转和不可逆转。（从飞轮端看）。