内燃机原理(全)

铁道装备专业内燃机中南大学机电工程学院第一章内燃机的总体构造与工作原理第一节内燃机概述第二节内燃机的总体构造第三节内燃机的基本工作原理重点：结构、工作原理难点：工作原理一、内燃机的定义及其分类（一）内燃机的定义内燃机是通过在热功转换空间内部的燃烧过程将燃料中的化学能转变为热能，并通过一定的机构使之再转化为机械功的一种热力发动机(简称热机)。（二）内燃机的分类1、按燃料分：有汽油机，柴油机，煤气机，乙醇（酒精）机，天然气体、氢气燃料及多种燃料内燃机等。第一节内燃机概述2、按着火方式分：有压缩着火(压燃式)和强制点火(点燃式)内燃机。3、按热功转换机构分：往复活塞式（汽车和工程机械用内燃机最多），旋转活塞式、旋转叶片式和喷气式内燃机。5、按往复活塞式内燃机工作循环所需行程数：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；4、按冷却方式分：有水冷式、风冷式和水冷风冷复合式内燃机。汽车和工程机械用内燃机多数是水冷风冷复合式。6、按照进气状态分：有非增压式（进气压力小于一个大气压）和增压式（进气压力大于一个大气压）内燃机。7、按气缸布置形式分：有卧式、直列式、V形、对置式及星形（航空）内燃机等，如图1--1所示。8、按汽缸数分：单缸、双缸和多缸内燃机。9、按用途分：可分为汽车用、特种车辆用、工程机械用、农用、拖拉机用、发电用、铁路机车用、内河（淡水）和海洋（咸水）船舶用、飞机用、摩托用、军用等内燃机等。10、按转速分：有高速、中速和低速内燃机。目前汽油机均为高速内燃机，最高转速一般在6000转/分以上，比柴油机的转速高；汽车用柴油机最高转速4000转/分左右；而工程机械柴油机最高转速一般为1500转/分—2000转/分。船舶用柴油机转速一般为中、低速，100转/分—500转/分左右。二、内燃机的优缺点（一）内燃机的优点：1、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，最高有效热效率巳达46％。4、起动迅速、操作简便，并能在起动后很快达到全负荷运行。3、结构紧凑、质量轻、比质量较小、便于移动。2、功率范围广；单机功率可从零点几千瓦到上万千瓦，故适用范围大。（二）内燃机的缺点：1、对燃料要求较高；高速内燃机一般使用汽油或轻柴油作燃料，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。2、废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。3、结构较复杂，零部件加工精度要求较高。三、内燃机的发展趋势(一)内燃机性能指标的发展动向1．强化程度不断提高：提高内燃机的强化程度，使之在有限的气缸工作容积条件下提高内燃机的功率。2．降低燃油消耗率、提高经济性3．提高内燃机的可靠性和耐久性无故障期为5000h，表征耐久性的指标是大修期。常以压缩压力下降到一定值(2.2~2.7MPa)或各缸压力差增大到一定值(0.3MPa)即认为应当大修。4．降低废气中有害排放和噪声(二)内燃机技术的发展动向柴油机采用电子技术优化控制喷油规律及喷油量，控制预混合燃烧和扩散燃烧部分的燃油量，提高柴油机的功率。废气再循环(EGR)是汽油机和柴油机降低NOx排放的有效措施。电控EGR可保证在各种工况下实现最佳的EGR率。1．电子技术的应用：以微型计算机为中心的电子技术，在内燃机产品设计研究、测试、制造方面均巳普遍应用，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助工艺设计(CAPP)技术发展迅速。2、采用增压技术3、汽油机稀燃—速燃技术：稀燃可提高汽油机经济性和降低排放，提高压缩比。4．汽油机缸内喷射分层燃烧技术内燃机的功率和扭矩都有所提高，燃油消耗率下降。5．柴油机采用直喷式燃烧系统直喷式燃烧系统比间喷式燃烧系统的热效率可提高10％-15％，是提高柴油机经济性的有效措施。6．提高柴油机燃油喷射压力：喷油压力目前已达120—150MPa7．排气后处理技术：可使柴油机实现CO、HC及NOx的同时净化8．采用代用燃料：以压缩天然气(CNG)和液化石油气(LPG)为主第二节内燃机的总体构造图1—2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、排气门等。活塞可在气缸内上下往复运动。活塞销穿过活塞和连杆的上端，使活塞和连杆成为铰链似的连接。连杆下端套在曲轴弯曲部分（俗称曲拐）的曲柄销(连杆轴颈)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，曲轴每转一周，活塞向上向下各行一次（两个行程）。一．基本名词术语1、上止点（TDC）：活塞离曲轴中心最大距离的位置称为上止点，(图1—3)；2、下止点（BDC）：活塞离曲轴中心最小距离的位置称为下止点。注意：在上、下止点时，活塞的运动方向改变，同时它的速度等于零。4、气缸工作容积Vh：在一个气缸中，活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为气缸工作容积Vh。如气缸直径D和活塞行程s都以mm为单位，则以L（升）为单位的气缸工作容积可用下式计算：LiS104πDV62h3、行程s(stroke)：上止点与下止点间的距离称为活塞行程s。由图1—3可见，活塞行程s等于曲柄半径r的两倍，即:S=2r5、内燃机的总排量VH：如内燃机有i个气缸，i个气缸的工作容积的总和称为内燃机的总排量，用VH表示，则VH=Vh·i=·i(L)8、压缩比ε：气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比，以ε表示：压缩比ε表示气缸中的气体被压缩后体积缩小的倍数，它对内燃机的性能有重要影响。SxD621046、燃烧室容积Vc：当活塞在上止点时，活塞上方的气缸容积称为燃烧室容积并以Vc表示。7、气缸总容积Va：当活塞在下止点时，活塞上方的气缸容积称为气缸总容积井以Va表示。很明显：Va=Vh+VccaVV二、总体构造四冲程汽油机:主要由下列机构和系统组成：曲柄连杆机构、配气机构、供给系、点火系、润滑系、冷却系和起动装置。1、曲柄连杆机构曲柄连杆机构的主要机件是：气缸体、气缸盖、活塞、连杆、带有飞轮的曲轴和曲轴箱。曲柄连杆机构是内燃机的基本机构。在燃油燃烧时，活塞承受气体膨胀的压力，并通过连杆使曲轴旋转，将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动而输出动力。2、配气机构配气机构的功用是使燃油与空气所组成的可燃混合气可以在一定的时刻被吸进气缸，并使燃烧后的废气可以在一定的时刻被排出。配气机构包括进气门、排气门、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴以及凸轮轴等。二行程内燃机的配气机构有所不同。气门的开闭是由凸轮轴上的凸轮控制的，凸轮轴通常由曲轴通过齿轮来驱动。根据气门安装位置的不同，配气机构的布置形式主要有侧置式(顺装气门)和顶置式(倒装气门)两种。3、供给系供给系的功用是供给气缸空气和燃油(可燃混合气)，并排出燃烧后的废气。化油器式汽油机工作时，汽油泵将汽油箱中的汽油吸出，经汽油滤清器滤清后压送到化油器；同时空气经空气滤清器滤清后也进入化油器。在化油器中汽油被喷散，并在很大的程度上被蒸发，汽油与空气混合后形成可燃混合气经进气管被吸入气缸。燃烧形成的废气经排气管和排气消声器排人大气。4、点火系混合气在气缸内被压缩后要用电火花来点火。供给低压电流的电源(蓄电池和发电机)，将低压电流变为高压电流的设备(点火线圈和断电器)，以及将高压电流分配给火花塞(装在气缸盖上)的设备(分电器)组成汽油机的点火系。5、润滑系润滑系的功用是向内燃机的摩擦零件供给润滑油，以减少零件磨损和零件间的摩擦阻力。润滑系包括油底壳、机油泵、机油滤清器、机油管路和通道以及机油标尺等。由于机油在润滑系中的环流和飞溅．内燃机的运动件就得到了润滑。6、冷却系冷却系的功用是将内燃机受热零件的热量传出，以保持内燃机正常的工作温度(水温约80--90℃)。多数内燃机采用水、风复合冷却系，它包括气缸周围和气缸盖中的水套、散热器(水箱)、水泵和风扇。由于水泵的作用，冷却水就在水套和散热器间循环流动，而内燃机需要散出的热量则通过风扇和散热器散入大气中。也有的内燃机采用纯水冷却方式（小型农用单缸卧式蒸发式水冷柴油机）或纯风冷却方式(小型汽油机)。7、起动装置起动装置的功用是借助外力(人力或其他动力)将静止的内燃机转为自行运转。不同的起动方法，有不同的起动装置。它主要包括起动机、传动机构和操纵机构等。为便于起动，有的内燃机上还设有起动辅助装置。四冲程柴油机的构造除点火系和供给系外，与汽油机的大体相同。柴油机是用气缸内空气被压缩后的高温来发火的(压缩着火)，所以没有点火系。柴油机的燃油供给部分也和汽油机的不同。在柴油机中是用输油泵将柴油箱中的柴油吸出，经柴油滤清器滤清后送到喷油泵，喷油泵再将柴油以很高的压力压出经高压油管由喷油器喷人气缸。第三节内燃机的基本工作原理一、内燃机的工作循环和示功图1、内燃机的工作循环：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—膨胀和排气等4个过程。四冲程内燃机的工作循环是在曲轴旋转两周，即4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。2、内燃机工作循环示功图：研究内燃机的工作循环时，可以利用一种表示气缸内气体压力和相当于活塞不同位置时的气缸容积V之间的变化关系图(P-V图)。此图能表示一个工作循环中气体在气缸内所作的功，所以称为示功图。二、四冲程汽油机的工作原理四冲程化油器式汽油机的结构简图和P-V示功图。进气排气压缩1．进气过程在进气过程中，活塞从上止点向下止点移动，进气门开启，排气门关闭。在示功图上以曲线ra表示。可燃混合气充满气缸的程度可用充量系数ηv来表示。充量系数是每工作循环实际进入气缸的新气质量与理论上可充入气缸的新气质量之比。汽油机的充量系数约为0.70—0.85。充量系数较大，表明进入气缸的可燃混合气的量较多，因而发动机的功率也可以较大。2．压缩过程在进气过程终了后，进、排气门都关闭，曲轴继续旋转，活塞自下止点向上止点移动，将气缸中的混合气压缩，进行压缩过程。压缩过程在示功图上以曲线ac表示。压缩终了时气体的压力和温度主要视压缩比的大小而定，压力约为0.85-2MPa，温度可达600--700K。压缩比愈大，压缩终了时混合气的压力和温度也愈高，混合气的燃烧速度以及燃烧过程的最高温度和压力就愈高；3.燃烧—膨胀过程燃烧—膨胀过程是混合气燃烧、膨胀而作功的过程。当压缩过程活塞到达上止点前，火花塞发出电火花，将混合气点燃。混合气燃烧时放出大量的热，气缸内气体的温度和压力骤增(这时进、排气门都是关闭的)。在气体压力的作用下，活塞向下止点移动，井通过连杆使曲轴旋转而作功。4.排气过程排气过程中，活塞由下止点向上止点移动，排气门开启，进气门保持关闭。示功图上的曲线br表示排气过程。残余废气约占进入气缸的新鲜混合气的5％--15％(以质量计)三、四冲程柴油机的工作原理四冲程柴油机和汽油机—样，每个工作循环也经历进气、压缩、燃烧—膨胀和排气4个过程。其工作过程与汽油机的不同，在于可燃混合气的形成和着火的方法。在柴油机中吸进和压缩的是空气，燃油以很高的压力被喷入压缩后的高温空气中形成混合气而自行着火燃烧。柴油机充量系数较汽油机的为大，高速柴油机的ηv=0.75—0.90。柴油机是压缩着火的，为使喷入气缸的柴油可以迅速着火燃烧，空气被压缩后的温度必须大大高于柴油的自燃温度。因此柴油机需采用较大的压缩比(12--22)四冲程内燃机在四个行程中只有一个行程是作功的，其他3个则是准备的行程。作功行程中内燃机的转速将大于其他3个行程中内燃机的转速，所以单缸内燃机的工作是不平稳的。五、二冲程内燃机工作循环和结构特点1、工作循环特点：二冲程内燃机的工作循环是在两个行程内，即曲轴旋转一周中完成的。它和四冲程内燃机不同之