内燃机构造与原理

张志强内燃机构造与原理Email:[e-mail]课程结构整机部分的构造与设计现代设计方法基础及应用底盘的构造与设计内燃机构造与工作原理课程安排内燃机构造与原理以《内燃机构造与原理》（陆耀祖）为教材，主要学习内燃机构造及工作原理、内燃机特性等，便于了解行业的发展动态考核方法：笔试成绩70%，平时成绩30%，缺课三次以上取消考试资格内燃机构造与原理第一章内燃机概述第二章内燃机的工作原理第三章内燃机的热力循环第四章内燃机的性能指标第五章曲柄连杆机构第六章配气机构第七章柴油机燃油系统第八章汽油机燃油系统和点火系统第九章润滑系统/冷却系统/起动装置第一章内燃机概述内燃机的定义:是热机的一种，是将燃料的化学能经过燃烧释放的热能转变为机械功的机器能量转化:化学能→热能→机械能根据燃料的燃烧部位可分为外燃机（如蒸汽机、斯特林发动机等）和内燃机两种类型内燃机按活塞的运动规律分往复运动式和旋转活塞式两类。其中，往复运动式内燃机，如汽油机、柴油机和气体燃料发动机，其性能更为完善，使用得最广泛，是本课程学习的内容补充知识：斯特林发动机斯特林循环由两个等温过程和两个等容回热过程组成，也被称为定容回热循环优点：任何热源均可（热腔需达到700℃）；无震爆做功问题，低噪音缺点：发动机在提供有效动力之前需要时间暖机；发动机不能快速改变其动力输出应用：潜艇、太阳能发电系统等往复运动式：燃料在气缸中燃烧，将化学能转变为热能，燃烧产生的高温高压燃气作为工质在气缸内膨胀，推动活塞运动，将热能转变为机械功。活塞的往复运动通过曲柄连杆机构转变为曲轴的回转运动，驱动运动机械第一章内燃机概述旋转活塞式：（实物组成视频）活塞每转一圈，做功三次，单位质量功率大；震动轻微，运转稳定；热负荷较大；经济性有待改善；低速动力性较差等第一章内燃机概述马自达RX-8（已停产），采用马自达独有的Renesis双转子发动机，1.3L排量，最大功率231马力，最大扭矩211N*m，百公里加速仅需6.4秒第一章内燃机概述一、优缺点分析内燃机的主要优点：1.经济性好，热效率在热机中最高，一般为30％～55％（车用汽油机30%以上，高性能车用柴油机40%以上，船用二冲程柴油机50%以上）；2.尺寸小、重量轻、结构紧凑，便于安装布置；3.功率范围广。单机功率在0.6KW～68000KW，适用范围广；4.机动性好。起动方便、迅速，加速性能好，正常起动只需要几秒钟，并能很快地达到全负荷工况。内燃机的主要缺点：难以消除往复运动，运转时噪音大；低速时转矩小，需配备变速装置；废气中有害成份对大气污染较严重（城市大气环境的主要污染源）。二、基本术语第一章内燃机概述基本结构包括排气门、进气门、气缸盖、气缸、活塞、活塞销、连杆、曲轴等。气缸内装有活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。活塞在气缸内上下往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜空气和排出废气，在汽缸盖上设有进气门和排气门。二、基本术语第一章内燃机概述基本术语•上止点：活塞顶端离曲轴旋转中心最远处；下止点：活塞顶端离曲轴中心最近处；活塞行程：上、下止点间的距离S（mm）；曲柄半径：连杆轴颈中心到曲轴轴颈中心的距离R（mm），S=2R。•气缸工作容积：上、下止点所包容的气缸容积（L），•排量：内燃机所有气缸工作容积的总和，，内燃机排量表示内燃机的做功能力，在内燃机其他参数相同的情况下，内燃机排量越大，内燃机所发出的功率就越大。SDVs62104SiDVL62104二、基本术语第一章内燃机概述基本术语•燃烧室容积：活塞位于上止点时的气缸容积，也称压缩容积，用Vc表示•气缸总容积：气缸工作容积与燃烧室容积之和，用Va表示•压缩比：气缸总容积与燃烧室容积之比，用ε表示•工况：内燃机在某一时刻的运行状况简称为工况。以该时刻内燃机输出的有效功率或转矩及其相应的曲轴转速表示。cscaVVVV1内燃机的运转过程，是气缸内连续不断地完成一个个工作循环的过程。一个工作循环是指内燃机的气缸内依次通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程（或进气、压缩、做功、排气四个过程）作一次功的全过程。四冲程内燃机是指活塞经过四个冲程（曲轴转两转）完成一个工作循环的内燃机。二冲程内燃机是指活塞经过两个冲程（曲轴转一转）完成一个工作循环的内燃机。第二章内燃机的工作原理1、四冲程汽油机工作原理进气冲程：作用是吸入新鲜混和气体；活塞由上止点向下止点运动；进气门开启，排气门关闭；进气终了时气缸内的气体压力低于大气压力，约75-90kPa；温度高于大气温度，约370-440K。压缩冲程：作用是为燃烧准备条件；活塞从下止点向上止点运动；进气门关闭，排气门关闭；气体被压缩，压力与温度同时升高。压缩终了时，压力约0.85-2MPa，温度约600-800K。压缩冲程有利于混和气的迅速燃烧，并可提高内燃机的有效热效率，压缩行程的压缩比约7－10。（绝热压缩过程）做功冲程：包含燃烧和膨胀过程，内燃机化学能转换为机械能；燃烧过程发生在在压缩冲程末期，活塞接近上止点时，火花塞点燃可燃混和气体，进、排气门均关闭，压力急剧增大，约3-5MPa，温度急剧上升，约2200-2800K；随后工质膨胀，推动活塞由上止点下行，进、排气门均关闭，压力与温度降低，膨胀末期，压力约0.3-0.5MPa，温度约1500-1700K。（绝热膨胀过程）排气冲程：排除缸内残余废气；活塞由下止点上行；进气门关闭，排气门开启；压力105-125KPa，温度900-1200K。第二章内燃机的工作原理2、四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作过程与四冲程汽油机基本相同，每个工作循环也都是通过四个冲程完成。不同在于由于柴油与汽油的性质不同，使混合气的形成和着火方式有很大差异。混合气的形成：汽油机采用外部混合方式，即汽油和空气在化油器或进气管内混合（我国2002年9月1日起停止化油器车生产，采用电控喷射技术），形成可燃混合气（“量调节”，通过控制进入气缸内混合气的多少来调节）；而柴油机采用内部混合方式，即燃油在压缩冲程终点前直接喷入缸内的空气中，形成可燃混合气（“质调节”，通过喷油量来调节）。着火方式：汽油机利用电火花在压缩冲程终点前点燃可燃混合气，属于点燃式；柴油机是通过将燃油在压缩冲程终点前高压喷入缸内空气中，使之自行着火燃烧，属于压燃式。由于柴油机的压缩比高，热效率比汽油机要高得多，一般柴油机燃油消耗率比汽油机约低２０％～３０％，所以在工程机械和载重货车上多以柴油机作为发动机。第二章内燃机的工作原理2、四冲程柴油机工作原理①为什么柴油机不用点燃式，柴油机压缩比为什么高？第二章内燃机的工作原理柴油燃点高，不容易点燃需增加柴油混合空气的温度，采用的方法就是提高压缩比柴油机压缩比大，气缸需承受较大的压力而需较为牢固可靠，一般采用钢板等材料制成，输出功率大，但噪音大（爆燃）；汽油机一般采用铝合金、塑料等材料制成，体积小，重量轻，运转平顺（点燃）②柴油机为何不采用点燃方式？汽油机为何采用点燃方式？汽油机一般使用于汽车（体积小、速度快），汽车的平顺性和振动性要求高，采用点燃方式可保证运转平顺且高速转动，避免压燃（即爆燃）柴油机压燃（即爆燃）可增大输出扭矩，但压缩比大，活塞行程大，转速不会太高，另外压燃直接影响平顺性，大多用于工程机械，但欧洲汽车多半为柴油机2、四冲程柴油机工作原理③柴油机的优点及存在的主要问题第二章内燃机的工作原理由于柴油能含量高、柴油机高压缩比（汽油机一般为10，柴油机一一般为20左右）、压燃等，并且柴油机转矩曲线在很宽的转速范围内较平坦，即较大的负荷和转速变化范围内经济性好，柴油机具有较高的燃油经济性（比同类汽油机节油达1/3以上）排放物与汽油机不同，CO、HC和CO2排放量低，但PM和NOx的排放量大。PM产生机理并不明确，一般认为是由于燃料燃烧不均匀，部分燃料在高温缺氧条件下氧化、裂解而成。NOX产生机理尚未达成共识，一般认为与燃油燃烧无关，而是由于高温状态下氮气与氧气的反应，该过程理论上讲无法避免。需要从燃油品质的改善、供给、喷射、燃烧室设计和涡轮增压及后处理技术的应用入手，降低PM和NOX排放量爆燃方式使噪声和震动难以消除柴油机质量功率比与同类汽油机相比要大一些，成本和价格也要高一些柴油机低温启动相对汽油机要困难一些（机油黏度增加，摩擦阻力加大；柴油黏度和密度增大，流动性变差，雾化不良，应选用凝点低的柴油；蓄电池输出功率减小）2、四冲程柴油机工作原理④工程机械用内燃机与汽车用内燃机有何不同？第二章内燃机的工作原理施工场地路面差，内燃机与底盘间连接需可靠，且考虑减振需考虑工程机械经常倾斜作业情况，对润滑、冷却和燃油供给提出要求施工场地空气含尘量大，对空气、燃油和机油滤清器提出要求使用地区广，环境温度的变化幅度大，对燃油、机油、冷却系统和起动方法提出要求隧道及矿井的工程机械，需有严格的废气净化和降低噪音的措施负荷变化率很大，为使工程机械在任何转速下均能稳定运转，内燃机需要使用性能良好的全程式调速器全负荷作业时间长，并经常承受突加负荷，扭矩储备大，工作转速范围宽推土机及装载机需要内燃机飞轮前输出动力，用于提升及转向；液压传动工程机械需要内燃机前端（自由端）输出部分功率以带动液压泵；液力传动工程机械中，液力变矩器用油的冷却要由内燃机冷却系统完成3、二冲程内燃机工作原理二冲程内燃机与四冲程内燃机的主要区别是换气方式不同。二冲程内燃机没有专门的排气过程和进气过程，它利用活塞的运动来控制开设在气缸下部的进、排气口的开启或关闭，使具有一定压力的新鲜气体充入气缸，同时将废气驱赶出去，从而实现换气过程。二冲程汽油机工作原理：第一冲程活塞上方压缩，下方进气；第二冲程活塞上方做功、换气，下方预压缩。二冲程柴油机工作原理：第一冲程扫气和压缩；第二冲程做功和扫气。第二章内燃机的工作原理优点：理论上功率是四冲程内燃机的两倍（实际上达到1.5～1.6倍）；运转平稳；结构简单，维护、保养方便。缺点：换气质量差，热效率低，且转速越高越明显，经济性较差；热负荷较高。应用不广泛。摩托、少量微型汽车、船用内燃机菲亚特126P，我国从八十年代开始，以易货贸易方式从波兰进口，售价万元左右，中国社会第一款平民化轿车，当今中国私家车的雏形1、内燃机的理论循环定义：内燃机的实际热力循环是燃料的热能转变为机械能的过程，它由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成。在这些过程中，由燃料与空气组成的工质，无论在质或量上都时刻发生着变化，伴随着各种复杂的物理、化学过程，同时，机械摩擦、散热、燃烧、节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在，要准确地从理论上描述内燃机的实际过程，在目前条件下还是十分困难的。为了分析内燃机中燃料热能利用的完善程度及其主要影响因素，进而为提高能量利用率指明方向，通常将实际循环进行若干简化，从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环，称之为内燃机的理论循环。第三章内燃机的热力循环p—V示功图：利用不同型式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果即为p—V示功图。示功图是研究内燃机工作过程的重要试验数据。1、内燃机的理论循环目的：用简单公式阐明热力学参数间关系，明确提高循环效率（经济性）和平均压力（动力性）的途径；确定循环效率的极限，判断实际内燃机经济性和动力性的完善程度及改进潜力；利于比较各种热力循环的经济性理论循环假设：理想气体，其物理常数与标准状态下的物理常数相同；理想气体在闭口系统中作封闭循环，气体质量和成分保持不变；理想气体的压缩及膨胀是绝热等熵过程；燃烧是外界无数个高温热源定容或定压向气体加热，气体放热为定容放热。第三章内燃机的热力循环1、内燃机的理论循环热力循环中，进气过程不作热力分析，压缩和膨胀过程均为绝热等熵过程，排气过程为定容过程，只有内燃机实际循环中的燃烧过程特点较复杂，可根据燃烧过程的不同