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工程机械发动机构造《工程机械发动机构造》课程简介《工程机械发动机构造》是工程机械专业学生的一门专业课，是培养造就从事工程机械设计、制造、应用等相关工作高层次专业人才的重要课程。通过本课程的学习，使学生获得有关内燃机结构和基本工作原理的知识。课程主要内容有：内燃机工作过程的基本原理、内燃机各机构和系统的结构与工作原理、内燃机的性能指标、内燃机的特性、增压技术等，其中包含了现代内燃机上日益广泛应用的电控柴油喷射系统和电子点火系统等内容。本课程采用课内讲授和实验相结合的方式。通过课内知识的传授，进一步培养学生运用所学的力学、机械、电工电子和测试技术等基础及专业基础理论学习综合性专业知识的能力。通过实验增强学生的实际动手能力，培养独立工作能力、组织协调能力和分析解决工程实际问题的能力。第一节概述•简要介绍几方面的基本知识：•一、内燃机的分类•二、内燃机的优缺点•三、内燃机的应用范围•四、内燃机的发展趋势•五、工程机械用柴油机的特点和要求一、内燃机的分类(一)、发动机：将某一种形式的能量（热能、电能、化学能、太阳能等）转变成机械能的机器。(二)、热力发动机：将热能转变成机械能的发动机。1、外燃机：燃料在机器外部燃烧，产生的热能输入到机器内部并转变成机械能输出的热力发动机。如蒸汽机。2、内燃机：液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能，然后再将热能转变成机械能输出的热力发动机。如活塞式内燃机、燃气轮机(按热能转变成机械能的主要构件分）。3、比较：外燃机体积大，重量重，热效率低；内燃机热效率高，体积小，重量轻，便于移动，起动性能好;燃气轮机功率大，转速高，质量小（没有往复运动件，单位功率质量小），转矩特性好（减少变速器挡数），燃料适应性好，起动性好，但耗油量、噪声和制造成本均较高，适用于坦克发动机。(a)柴油机(b)喷气式发动机(c)燃气轮机(d)汽油机下面是早期内燃机车，汽轮机转子，外燃机剖面及汽轮机发电系统如：（a）蒸汽机车(b)汽轮机转子(三)、活塞式内燃机：按活塞运动方式分：1、往复活塞式内燃机2、转子活塞式内燃机三角活塞旋转式发动机（简称转子发动机）于1958年由德国F.汪克尔发明，关键技术是1954年F.汪克尔提出的气密封系统，1964年德国NSU公司将转子发动机装在轿车上，1967年日本东洋工业公司成批生产至今。比较：转子发动机与往复活塞式发动机相比，优点是体积小，重量轻，转速高，升功率大，现代转子发动机燃油消耗率水平接近往复活塞式发动机，但耐久性、可靠性等较差，制造成本较高。•内燃机在机械设备中的地位：•往复活塞式内燃机∈内燃机∈热力发动机∈发动机（动力机械）∈机械•内燃机的基本特点:(P.1)•1、将燃料中的化学能经过燃烧过程转变为热能，并通过一定的机构使之再转化为机械功；•2、燃料的燃烧是在产生动力的空间(通常就是气缸)中进行的；•3、活塞的运动方式为往复运动。1、按所用的燃料分：（1）液体燃料发动机；汽油机（gasolineengine）；柴油机（dieselengine）。（2）气体燃料发动机：压缩天然气发动机（CNG）；液化石油气发动机（LPG）。2、按发火方式分：（1）点燃式发动机（如汽油机、气体燃料发动机）；（2）压燃式发动机（如柴油机）。3、按工作循环的冲程数分：（1）四冲程发动机；（2）二冲程发动机。4、按冷却方式分：（1）水冷发动机；（2）风冷发动机。5、按进气方式分：（1）自然吸气式发动机（非增压式发动机）；（2）强制吸气式（增压式发动机）。6、按气缸排列方式分：（1）单列发动机：直立式发动机、平卧式发动机（2）双列发动机：V型发动机、水平对置式发动机往复活塞式内燃机分类:•7．用途：汽车用、工程机械用、农用、拖拉机用、发电用、机车用、船舶用、坦克用等。•8．转速：高速、中速和低速；•9．气缸数：有单缸、双缸、多缸内燃机。往复活塞式内燃机分类:二、内燃机的优缺点•优点：•1．热效率高，即燃油消耗率低，经济性好，最高有效热效率已达46％，甚至50％。•2．功率范围广，单机功率可从零点几千瓦到上万千瓦。•3．结构紧凑、质量轻、比质量较小•（比质量是内燃机整机质量与其标定功率的比值）。•4．起动迅速、操作简便。•缺点：•1．对燃料要求较高。•2．排气污染和噪声引起公害。•3．结构较复杂，零部件加工精度要求较高。三、内燃机的应用范围•运输•地面运输：汽车、摩托机、内燃机车；内燃机的应用范围•运输水上运输：内河及海上船舶；航空运输：一些小型民用飞机。内燃机的应用范围民用•矿山、石油、工程机械、农业机械、林业机械和发电站等。内燃机的应用范围军用•坦克、装甲车、步兵战车、重武器牵引车、水面舰艇及潜水艇等方面都大量使用内燃机。四、内燃机的发展过程和趋势•内燃机的发展过程简述•1824年，卡诺发表热力发动机的经典理论--卡诺原理•1860（Lenoiv）发明大气压力式内燃机•有效热效率5％，功率4.5kw，5000台；•1867（Otto&Langen)改进后•有效热效率11％，5000台；•1876（Otto)发明四冲程内燃机•有效热效率14％，质量下降70％，500000台，标志内燃机工业形成•1897（Diesel）发明柴油机•1957（Wankel）发明转子发动机。•（内燃机发展简史见附录）•附录：内燃机发展简史•内燃机的发展，已有一百多年的历史。通过长期的不断改进和提高，已经发展的比较完善。由于它的热效率高，适应性好，功率范围宽广，已广泛用于工业.农业.交通运输业和国防建设事业。因此，内燃机工业的发展，对于国民工业的发展，对于国民经济和国防建设都具有十分重要的意义。•1824年，卡诺（法国工程师）发表了热力发动机的经典理论--卡诺原理。•萨迪·卡诺（NicolasLeonardSadiCarnot,1796-1823）,法国物理学家、军事工程师，热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来的人。他出色地、创造性地用“理想实验”的思维方法，提出了最简单，但有重要理论意义的热机循环-卡诺循环，并假定该循环在准静态条件下是可逆的，与工质无关，创造了一部理想热机（卡诺热机）。卡诺的目标是揭示热产生动力的真正的、独立的过程和普遍的规律。1824年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，指出提高热机效率的有效途径，被后人认为是热力学第二定律的先驱。•附录：内燃机发展简史•1866年，奥托（德国工程师）提出了四冲程内燃机的“奥托循环”理论。•1879年，奔驰（德国工程师）首次研制成功火花塞点火内燃机。•奔驰（Benz,CarlFriedrich），德国工程师，出生于一个火车司机家庭，年青时受过技术方面的教育。1878年开始研究新型内燃机，1879年首次研制成功火花塞点火内燃机。1882年开始尝试把发动机安装在三轮车上，1885年他的三轮车试制成功，并于1886年1月29日获得专利，被公认为汽车的诞生日；1887年开始把汽车作为商品出售；1894年生产出著名的“维洛”小客车，后置发动机、双人座、并且首先采用了橡胶充气轮胎。•附录：内燃机发展简史•戴姆勒（Daimler,Gottlieb）,（1834-1900），德国工程师，1886年和他的助手威廉·迈巴赫制造出第一辆1.1匹马力的汽油机发动机四轮车，1897年戴姆勒的公司生产出“凤凰”牌小客车，尤其是以戴姆勒公司驻法国的总进口商埃米尔·耶利内克的女儿“梅塞得斯Mercedes”命名的小客车投产后，其前置发动机，有前车灯、挡风板、双门5座位敞蓬车造型更加接近现代轿车的特征，大大提高了戴姆勒公司的商业地位。1926年6月29日和奔驰公司合并，成立了在汽车驶上举足轻重的戴姆勒·奔驰公司。•小资料：戴姆勒一号车本茨制造的三轮车•世界上第一辆汽车由德国工程师卡·本茨和戈特利布·戴姆勒同时于1886年宣告制成本茨制成的是三轮汽车，而戴姆勒制成的四轮汽车，其发动机功率为1。1匹马力。•附录：内燃机发展简史1897年，狄赛尔（德国著名热机工程师）最早制成了柴油机鲁道夫.狄塞尔（RudolfDiesel，1858-1913)，德国著名热机工程师,柴油机的发明者，也是艺术鉴赏家，语言学家和社会理论家。狄塞尔出生在巴黎,他是个来自德国奥古斯堡的精细皮革制造商的儿子.在慕尼黑技术大学学习期间,他对被称为蒸汽机新机器很感兴趣.法国人约瑟夫.莫勒特(JosephMollet)发明的气动打火机激发了他的发明自燃式发动机的欲望.空气被压进一个含有易然物的玻璃圆筒中直到易燃物燃烧起来,这就是狄塞尔发动机的原理.1892年,狄塞尔取得了用压缩空气点燃煤粉提供动力的机械装置的专利.一年后,奥古斯堡的MAN公司依据他的原理制造了第一台发动机.狄塞尔卒于1913年,其他人继承了他的工作.1924年,在柏林汽车展上展出了MAN公司制造的第一台狄塞尔卡车发动机(柴油机).与此同时在曼海姆,一台带预燃烧室的狄塞尔发动机被装载了奔驰车上1903年，首先装在船上，1907年，用于潜艇的正反转的柴油机试验成功，1912年，远洋货轮上的柴油机首次远航试验成功•附录：内燃机发展简史•小资料：第一艘潜艇的雏形•1620年，荷兰物理学家德雷布尔在英国建成一艘潜艇，用羊皮压载水舱，船身为油脂皮革，能下潜三米，这是人类历史上首次出现的潜水船只，只是潜艇的雏形。1906年英国D级潜艇建成服役，采用双层壳体，用柴油机取代汽油机。•1926年，有人设计出用排气能量将进气压缩的废气涡轮增压器。涡轮增压器是利用发动机排出的废气能量，经过涡轮变为转子的回转机械能，从而带动压气机高速旋转，将新鲜空气压缩进气缸，从而提高发动机的功率。•内燃机增压的发展起源可追溯到1885年。戈-戴姆勒在发明、制造煤气机和汽油机时，已开始考虑利用增压。鲁-狄塞尔在柴油机发明专利中也提出了要安装增压泵以提高功率和热效率的想法。•小资料：第一艘潜艇的雏形•20世纪初，艾-比希申请专利，开创了涡轮增压的历史。最初是采用涡轮机、柴油机和压气机同轴连接，后改为涡轮单独驱动压气机的方法。•1923年，德国客船上安装的涡轮增压四冲程柴油机把柴油机的功率从1288kW提高到1840kW。•1925年，比希获得了脉冲增压专利并在试验中获得了成功，功率可提高50%-100%。•从50年代起，随着涡轮增压器效率的改进，柴油机采用涡轮增压技术后的功率和效率都得到了很大提高，从而被广泛地推广应用。•1936年,梅塞德斯-奔驰公司制造了第一台装有柴油机的轿车.•1950年起，开始在柴油机上采用增压方式。•如今，已经几乎无机不增压，增压后，柴油机的功率能提高1-3倍。废弃涡轮增压对提高柴油机性能作出了重大的贡献。增压器是用来提高发动机的进气充气密度，以提高平均有效压力来提高功率和改善经济性的器件，主要用于柴油发动机。在汽车发动机中采用比较普遍的就是废气涡轮增压系统。在采用废气涡轮增压器后，不仅可以大大提高发动机功率，缩小外形尺寸，节约原材料，降低燃油消耗，而且可以使排烟浓度降低，减少废气中的CO、HC以及NOx的含量，从而降低汽车排放。另外，由于燃烧压力升高率降低，发动机工作柔和，噪声也比较少。内燃机的发展趋势•(一)内燃机性能指标的发展•1．强化程度不断提高。提高强化程度系指提高平均有效压力和活塞平均速度•2．降低燃油消耗率、提高经济性。用提高热效率和降低内燃机的摩擦损失等措施来降低燃油消耗率。•3．提高内燃机的可靠性和耐久性。•4．降低废气中有害排放和噪声。(二)内燃机技术的发展动向•1．电子技术的应用。•2．采用增压技术。•3．汽油机稀燃—速燃技术。•4．汽油机缸内喷射分层燃烧技术。•5．柴油机采用直喷式燃烧系统。•6．提高柴油机燃油喷射压力。•7．排气后处理技术。•8．采用代用燃料。五、工程机械用柴油机的特点和要求特点:1、柴油机型式：以水冷四冲程式为主。少量机械采用风冷或二冲程柴油机。气缸排列方式：6缸以下者，多为直列式；6缸以上则以V型居多。V型夹角为60°-90°。气缸直径：对于45~300KW的发动机，缸径一般为110~140mm。行程缸