内燃机原理(全).ppt

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 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 2r 5 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 气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比 以 表示 压缩比 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 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 Vc 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 v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 v 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处在于它只有压缩和作功两个主行程 而其进气和排气是在活塞处于下止点附近 以减小部分压缩行程和损失部分作功行程为代价来完成的 完成时间短 一般要通过提前排气和随后的强制扫气 排气来实现 2 结构特点 二冲程内燃机的工作循环特点决定了其在进 排气即配气机构的结构上不同于四冲程内燃机 其配气机构有以下两种 气口 气口式 气缸上有3个气口 分别为进气口 排气口和扫气口 及其提高扫气压力的装置 它们分别在一定的时刻被活塞所开闭 从而在短时间内完成换气过程 气口 气门式 气缸上只有扫气 进气 口 及其提高扫气压力的装置 它在一定的时刻被活塞所开闭 气缸盖上保留和四冲程内燃机一样的由配气凸轮控制的排气门 1 二冲程汽油机的工作原理 六 二冲程内燃机的工作原理 特点 每转都作功 运转平稳 构造简单 质量轻 制造维护方便 但有作功损失及混合气流失 经济性较差 作功频率大 热负荷较高 2 二冲程柴油机的工作原理 特点 每转都作功 运转平稳 构造简单 质量轻 制造维护方便 没有燃料损失 经济性较好 第二章内燃机的性能指标 概述 1 表征内燃机性能的指标很多 主要有动力性能指标 指功率 扭矩 转速等 经济性能指标 指燃料油和润滑油消耗率 运转性能指标 指冷起动性能 噪声和排气品质等 可靠性与耐久性指标等 2 内燃机的动力性能和经济性能指标有两种 一种是以气缸内工质对活塞作功为基础的指标 称为指示指标 并以下标i来表示 它只能评定工作循环进行的好坏 另一种是以内燃机功率输出轴上得到的净功率为基础的指标 称为有效指标 并以下标e来表示 它能够评定整台内燃机性能的优劣 一 指示功和平均指示压力1 指示功Wi指示功是指在气缸内完成一个工作循环所得到的有用功 其值的大小可用P V图中闭合曲线所占有的面积求得 2 平均指示压力Pi平均指示压力是指单位气缸工作容积一个工作循环所作的指示功 平均指示压力pi是从实际循环的角度来评价内燃机气缸工作容积利用率高低数 pi值愈高 表明同样大小的气缸工作容积所发出的指示功愈大 气缸工作容积度愈高 因此 它是衡量内燃机实际循环动力性能方面的一个重要指标 第一节指示指标 二 指示功率Ni内燃机单位时间内所作的指示功 三 指示热效率和指示燃油消耗率是用以评价内燃机实际工作循环经济性能的重要指标 它们表示了实际循环所消耗燃料热量的利用品质 1 指示热效率指示热效率是内燃机实际循环的指示功与所消耗的燃料热量之比值 2 指示燃油消耗率指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油量 通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示 第二节有效指标 一 有效功率和机械效率1 机械损失功率和有效功率指示功率中消耗于内燃机内部零件的摩擦损失 泵气损失和驱动附件的损失等称机械损失功率 内燃机的指示功率减去机械损失功率所得到的是功率输出轴上所能输出的净功率 即有效功率 2 机械效率有效功率与指示功率之比称为机械效率 m 二 平均有效压力和升功率1 平均有效压力平均有效压力是内燃机每工作循环中单位气缸工作容积所发出的有效功 它是从内燃机实际输出功的角度来评定气缸工作客积的利用程度 平均有效压力和平均指示压力之间相差一个平均机械损失压力 平均机械损失压力是内燃机每工作循环中单位气缸工作容积所损耗的功 它可以用来衡量内燃机机械损失的大小 2 升功率升功率Ni是指在标定工况下 内燃机每升气缸工作客积所发出的有效功率 值愈大 则内燃机强化程度愈高 且发出一定有效功率的内燃机尺寸愈小 结构愈紧凑 三 有效热效率和有效燃油消耗率 1 有效热效率有效热效率是内燃机实际循环发出的有效功与所消耗的燃料热量之比值 2 有效燃油消耗率ge有效燃油消耗率是指单位有效功的耗油量 通常用有效1kW h所消耗的燃油量来表示 第三节内燃机其他技术指标及提高方法 一 技术指标1 紧凑性指标紧凑性指标是用来表征内燃机总体设计紧凑程度的指标 通常用比质量和单位体积功率来表示 1 比质量比质量 gN 是指内燃机的净质量与标定功率的比值 所谓净质量是指不包括燃油 润滑油 冷却液 底架 传动装置以及其他不直接装在内燃机本体上的附件的质量 比质量的大小 除了和内燃机类型 主要机构的结构 附件的大小等有关外 还和所用材料及制造技术有关 不同用途的内燃机对于比质量的要求也不同 比质量值小 表明内燃机的质量轻 而功率大 通常比质量小的内燃机也都是强化程度高 升功率较大的内燃机 2 单位体积功率单位体积功率 Nv 是指内燃机的标定功率与内燃机的外廓体积的比值 2 强化指标强化指标是指内燃机承受热负荷和机械负荷水平的指标 通常用平均有效压力pe 活塞平均速度Cm 或强化系数 和升功率来衡量 1 活塞平均速度 活塞平均速度 Cm 是在标定转速下 曲轴每一转的两个行程中活塞运动速度的平均值 Cm值愈高 表明内燃机的功率和升功率愈高 但内燃机所受的机械负荷和热负荷也愈大 2 强化系数平均有效压力和活塞平均速度的乘积 Cm 通常称为强化系数 或强化程度 它一方面代表了内燃机功率和转速的强化 表征了性能指标的先进性 另一方面又代表了内燃机所受的热负荷和机械负荷的大小 将影响到内燃机的使用寿命和工作可靠性 3 运转性指标运转性指标是指内燃机起动性 加速性的好坏 操纵维护是否方便 运转是否平稳以及噪声和废气排放等指标 4 可靠性指标可靠性指标是指内燃机在规定使用条件下 正常持续工作能力的指标 一般以保证期内不停车故障次数 停车故障次数及更换主要零件和非主要零件数来表示 5 耐久性指标耐久性指标是指内燃机主要零件在工作过程中磨损到不能继续正常工作的极限时间 通常以内燃机使用寿命的长短来衡量 二 提高内燃机动力性能指标和经济性能指标的基本途径1 采用增压技术特别是废气涡轮增压技术2 合理组织燃烧过程 提高循环指示效率3 改善换气过程 提高充量系数4 提高内燃机的转速n5 提高内燃机的机械效率6 采用二冲程来提高升功率 第三章曲柄连杆机构 曲柄连杆机构的功用 热功转换 热 活塞 运动形式转换 活塞 曲轴 曲柄连杆机构的组成 固定件 机体零件组 和运动件 活塞连杆组和曲轴飞轮组 第一节固定件固定件包括气缸盖 气缸垫 气缸体 气缸套和油底壳等 图3 1所示为 种汽油机的固定件 一 气缸体组件1 气缸体单缸或多缸水冷内燃机的气缸通常和安装曲轴的曲轴箱铸成一体 称为气缸体 机体的常见结构 龙门式机体 图3 3a 其主要特点是曲轴箱剖分平面大大低于曲轴中心线 这种结构的机体刚度较大 在柴油机中广泛应用 隧道式机体 图3 3b 其主要特点是主轴承孔不分开 这种结构的机体刚度高 国产135系列 一般式机体 图3 3c 其特点是曲轴箱剖分平面与主轴承剖分面基本上重合 风冷式内燃机通常采用单体气缸结构 其气缸体与曲轴箱分开制造 为了提高曲轴箱的刚度 大多采用龙门式或隧道式曲轴箱 为使发动机得到充分冷却 在气缸体和气缸盖外表面铸有许多散热片 图3 4 以增加散热面积 2 气缸与气缸套气缸套有干式和湿式两种 如图3 5所示 干式缸套 图3 5a 是壁厚为1 3mm的薄壁圆筒 其特点是缸套的外表面不与冷却水直接接触 湿式缸套 图3 5b 是壁厚为5 9mm的圆筒 具特点是缸套外表面直接与冷却水接触 二 气缸盖1 气缸盖的功用封闭气缸上部 与气缸上部及活塞顶构成燃烧室 2 气缸盖的特点 结构复杂 特别是四行程水冷内燃机 机械负荷和热负荷严重 热温差大 特别是四行程内燃机的热三角区 一般要求定向冷却 铸造及机械加工工艺复杂 要求高 特别是四行程内燃机 多缸发动机气缸盖的结构型式有一缸一盖的单体缸盖 两缸或三缸共一盖的块状缸盖和一列气缸共用的整体缸盖等 气缸盖螺栓的拧紧应由中央向四周均匀交替地逐次进行 四 油底壳图3 8油底壳功用 油底壳 下曲轴箱 的功用是储存润滑油 并密封曲轴箱 油底壳外面设有散热片 用来加强对润滑油的冷却 防止油温过高 为防止润滑油激溅 油底壳中多设有稳油板 油底壳底部装有放油塞 有的放油塞还带有磁性 可吸附润滑油小的铁屑 以减轻运动件的磨损 活塞连杆组由活塞 活塞环 活塞销及连杆等组成 图3 9所示为国产135系列柴油机的活塞连杆组 第二节活塞连杆组 工作条件及要求 a 活塞直接承受燃气的高温和高压 因此 活塞必须有足够的强度 刚度和足够的耐热性 C 活塞是在高温 高压 高速 活塞平均速度可达10 15m s 的条件下工作的 其润滑条件较差 活塞与气缸壁间摩擦严重 为了减小磨损 活塞表面必须耐磨 b 活塞在气缸中的运动是不等速的高速往复直线运动 会产生往复惯性力 往复惯性力的大小与活塞的质量及内燃机的曲轴转速有关 为了减小往复惯性力 必须尽可能地减轻活塞的质量 一 活塞1 活塞的功用 工作条件及对活塞的要求 功用 活塞用来承受燃气的压力 并经过连杆将力传给曲轴 活塞是内燃机中工作强度最高的机件之一 2 活塞的结构特点活塞的基本构造可分为顶部 头部 裙部和销座4部分 1 顶部 它是构成燃烧室的一部分 其结构形状与发动机及燃烧室的型式有关 2 头部 活塞头部壁厚 在它上面切有活塞环槽 安装有活塞环 密封环 实现隔热 密封 润滑 3 销座 销座用以安装活塞销 4 裙部 活塞头部最低一道环槽以下的部分称为裙部 它的作用是为活塞导向并将活塞的侧向力传给气缸壁 二 活塞环1 活塞环的功用 工作条件和对活塞环要求活塞环按其主要功用的不同 分为气环和油环两种 装在活塞头部上端的是气环 下端的1 2道是油环 气环与油环的功用和结构是不同的 功用 气环主要有两个功用 一是用来保证气缸的密封 尽量使气缸内的气体不漏入曲轴箱 二是将活塞上部的热量传递给气缸壁 因活塞头部并不接触气缸壁 油环的功用 将气缸表面多余的润滑油刮下 刮油 不让它窜人燃烧室 同时使气缸壁上润滑油膜均匀分布 布油 改善活塞组的润滑条件 工作条件 活塞环随活塞作往复直线运动 其运动速度很高 且在高温下工作 润滑条件较差 机械性能降低 弹性下降 且会引起润滑油的炭化 磨损也较严重 要求 A 足够的弹力 密封 传热和刮油 B 足够的机械强度和弹性 耐高温 C 耐磨性 延长工作寿命 D 便于加工 2 活塞环的结构结构 开口的圆环 在自由状态时 环的外径略大于气缸直径 装入气缸后 产生弹力压紧在缸壁上 此时开口处应保留有 定的间隙 称为开口间隙或端隙 通常汽油机为0 2 0 6mm 柴油机为0 4 0 8mm 以防止活塞环受热膨胀时卡死在气缸中 活塞环装入环槽后 在高度方向也应有一定的间隙 称为侧隙或边隙 通常汽油机为0 04 0 08mm 柴油机为0 08一0 16mm 当活塞环安装在活塞上时 应按规定将各环的开口处互相错开 一般是互相错开180 或120 以免漏气 3 气环的封气原理 气环外圆表面依靠环本身的弹力和膨胀行程时形成的活塞环背压与气缸壁面紧紧贴合 活塞往复运动时 活塞环依次贴合在环槽的上下端面上 只有少量的气体在环的切口处通过 由于活塞上气环和油环的开门位置互相错开 形成 迷宫式 的封气结构 使窜过活塞环的气体压力迅速下降 从而有效地形成对气体的密封作用 4 气环常见的断面形状 矩形 锥面形 扭曲形 梯形 桶面形 三 活塞销1 功用活塞销用来连接活塞和连杆 它承受活塞运动时的往复惯性力和气体压力 并传递给连杆 2 工作条件活塞销在高温下承受很大的周期性冲击负荷 且润滑条件较差 一般靠飞溅润滑 3 要求强度高 其外表面硬而耐磨 材料内部韧而抗冲击 为减小往复运动的惯性力 质量应尽可能轻 4 安装活塞销广泛采用浮式安装法 所谓浮式 就是在内燃机工作时 活塞销在连杆小头及活塞销座中都能自由转动 四 连杆1 连杆的功用 工作条件和对连杆的要求 功用连接活塞和曲轴 将活塞承受的力传给曲轴 并和活塞配合 把活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动 工作条件在发动机工作时 连杆受到很大的气体压力和活塞连杆组的往复惯性力以及在连杆的摆动平面内还产生摆动力矩的作用 这些力的大小和方向是周期性变化的 使连杆处于复杂的交变应力状态下 要求在尽可能轻的质量下 保证有足够的疲劳强度 刚度和抗冲击韧性 2 连杆的结构连杆由连杆小头 连杆杆身和连杆大头3部分组成 图3 28 A 连杆小头用来安装活塞销 B 连杆杆身是连接连杆小头和大头的部位 C 连杆大头是安装在曲轴曲柄销上的 一般做成可分的 被分开的连杆大头的下半部叫连杆盖 两半部用两个 或四个 连杆螺栓固紧 连杆大头与曲柄销连接 3 连杆轴承 般采用分开式滑动轴承 又称轴瓦 只有少数小型汽油机是采用滚动轴承的 轴瓦的构造 如图3 31所示 有的轴瓦内表面有浅槽 用以储油以利润滑 轴瓦上的凸键 图3 31中箭头所示 嵌入连杆盖 或大头 的凹槽中 防止轴瓦在工作时移动或转动 有的内燃机在轴瓦分界面附近开有深度较大而两端不通的纵向油槽 称为 垃圾 槽 图3 31 一般只在轴瓦宽度与轴颈之比大于0 8的较宽轴瓦上才开有这种槽 以利于润滑油沿轴向分布 第三节曲轴飞轮组 一 曲轴1 曲轴的功用 工作条件和对曲轴的要求 功用 将连杆传来的气体压力转变成扭矩 然后传给传动装置 并驱动内燃机的各运动机构 工作条件 曲轴承受气体压力和往复 旋转运动质量惯性力及其力矩的作用 要求 必须有足够的强度和刚度 各轴颈轴承应具有足够的承压面积和较高的耐磨性 油孔布置要合理 要有合理的曲柄排列 以使发动机运转平稳 扭矩均匀并能改善轴系的扭振情况 曲轴的安装固定要可靠并必须加以轴向定位 限制其轴向位移 2 曲轴的结构曲轴由主轴颈 曲柄销 连杆轴颈 曲柄臂 自由端 功率输出端和平衡块 并非所有曲轴都有 等组成 a 按支承情况曲轴可分为全支承式和非全支承式两种 全支承曲轴的特点是每个曲柄销的两端都有支承点 主轴颈 所以主轴颈数比曲柄销数多一个 见图3 32 非全支承曲轴则是每两个曲柄销共用一对支承点 故其主轴颈数少于或等于曲柄销数 全支承曲轴与非全支承曲轴相比 抗弯曲强度高 主轴承负荷小 柴油机因工作负荷较大 所以大多数都用全支承曲轴 b 曲轴按其结构型式分为整体式 见图3 32 和组合式 见图3 33 两种 曲轴的形状及曲柄销间的相互位置 即曲拐的布置 与行程数 气缸数 气缸排列方式 直列或v形等 和各气缸作功行程发生的顺序 称为发火次序或工作顺序 有关 曲轴的形状同时要满足惯性力的平衡以及发动机上作平稳性的要求 内燃机发火次序的确定 就四冲程内燃机而言 曲轴每转两转 个工作循环 每个气缸都应发火作功一次 各缸的发火间隔时间 以曲轴转角表示 应力求均匀 3 曲轴的形状和内燃机的发火次序 4 支承 整体式曲轴的主轴承一般采用滑动轴承 也有的小型高速内燃机是采用滚动轴承的 主轴承的结构和材料与连杆轴承类似 组合式曲轴的主轴承常采用滚动轴承 2 飞轮的结构特点分析 通常是一个铸铁制成的圆盘 具有沉重的轮缘以得到较大的转动惯量 飞轮与曲轴装配在一起后 经过精确的动平衡校准 以免在旋转时因质量不平衡而产生离心力 二 飞轮1 飞轮的功用 将作功行程中曲轴所得到的能量的一部分储存起来 以带动曲柄连杆机构越过止点和克服其他3个辅助行程的阻力 飞轮还可在起动时帮助克服气缸中的压缩阻力 使发动机可在低速下平稳地运转和克服短时间的超负荷 第四章配气机构 第一节配气机构的功用和常见形式一 功用1 定时给气缸充气 2 定时从气缸排出废气 3 定时封闭气缸 进行压缩与燃烧 膨胀过程 二 常见形式1 气门式配气机构 四行程内燃机普遍采用2 气口 气口式配气机构 二行程汽油机 气口 气门式配气机构 二行程柴油机采用 第二节气门式配气机构的型式与组成 一 侧置式气门机构 1 结构特点 侧置式气门机构处于汽缸的一侧 从配气凸轮到气门可顺着装配 传动线为直线 2 组成 3 缺点 使燃烧室延伸至气缸直径以外 形状不紧凑 限制了压缩比的提高 影响内燃机的热效率 进 排气道拐弯多 进 排气阻力大 与顶置气门比较 充量系数要减小5 一7 二 顶置式气门机构 1 结构特点 气门安置在气缸盖上 气门顶置时 凸轮轴布置有两种方案 下置式 顶置式 凸轮轴布置在曲轴箱中的叫下置凸轮轴 图4 2 凸轮轴布置在汽缸的顶部叫顶置式 转速不很高的汽油机和大多数柴油机均采用下置式凸轮轴 它的优点是曲轴对凸轴轮的传动简单 大多数4000r min以上高速汽油机以及少数高速柴油机将凸轮轴布置在气缸盖上 叫做顶置凸轮轴 2 组成 3 优点 汽油机采用顶置气门时 燃烧室较紧凑 散热面积较小 充量系数相应提高 第三节配气机构的主要零件 配气机构由两组零件组成 即以气门为主要零件的气门组和以凸轮轴为主要零件的气门传动组 一 气门组气门组包括气门 气门座 气门导管 气门弹簧 弹簧座 锁夹及挡圈等零件 图4 3为柴油机广泛采用的气门组零件 1 气门 工作条件 气门在高温 冷却和润滑很差的条件下工作 承受很大的冲击负荷 排气门还要受到高温废气的冲刷 经受废气中硫化物的腐蚀 要求 气门必须具有足够的强度 耐高温 抗腐蚀和耐磨损的能力 2 气门传动组 1 功用气门传动组的功用是按照规定时刻 配气定时 和次序 发火次序 开闭进 排气门 并保证一定的开度 2 组成气门传动组主要由凸轮轴及其驱动装置 挺柱及其导管 推杆 摇臂 摇臂轴及其支座等组成 图4 4 1 凸轮轴凸轮轴是控制气门开闭时刻和运动规律的主要零件 凸轮轴上的凸轮的相互位置按照内燃机规定的发火次序排列 2 挺柱功用 将凸轮轴的驱动力传递给推杆驱动气门翻转机构 3 推杆 见图4 2 推杆的功用是将挺柱的运动传给摇臂 4 摇臂摇臂起杠杆作用 它将椎杆的推力传给气门 第四节配气定时与气门间隙 一 配气定时 或配气相位 和配气定时图 或配气相位图 1 定义 进 排气门开启和关闭的时刻及其开启的延续时间以曲轴转角来表示的称为配气定时 或配气相位 其相应的表示图形即为配气定时图 如图4 6所示 另外有一种进 排气门开启升程与曲轴转角关系图 2 配气原则为了保证尽可能高的充气效率 四行程内燃机实际的进 排气门开启和关闭的时刻及其开启的延续时间是 提前开启 迟后关闭 延续时间大于180度曲轴转角 理由 进气时 进气门提前开启可使气流进入气缸的通道面积加大 减小进气阻力 进气门延迟关闭可利用高速气流的惯性 向气缸内补充填一部分气体 以此来达到增大进气量的目的 排气时 在膨胀行程接近下止点时 气体的膨胀功已经微乎其微了 排气门提前开启有利于利用气缸内 外压力差排出一部分废气 当活塞到达上止点时 排气门未关闭可利用废气高速流动的惯性 增大排出的废气量 既可以增加废气的排出 减小残余废气量 而且可以减少排气所消耗的功 3 气门重叠 在上止点附近 进 排气门同时都开启的那一段时间 称气门重叠 以 A表示 由于新鲜气体和废气流动惯性都很大 虽然进 排气门同时开启 但气流并不互相错位与混合 只要气门重叠角取得合适 可以使进气更充分 排气更干净 气门重叠角必须根据内燃机具体情况通过试验来确定 重叠角过小 达不到预期的改善换气质量的目的 过大则可能产生废气倒流现象 降低了内燃机的性能指标 4 配气定时确定 根据内燃机的使用工况和常用转速来确定 不同的内燃机 配气定时也是不同的 配气定时的数值一般由实验来确定 二 气门间隙1 气门冷间隙 气门传动组 气门与挺柱或气门与摇臂之间 在室温下装配时留有适当的间隙 以补偿气门及各传动零件的热膨胀 此间隙称为气门的冷间隙 2 气门热间隙 在内燃机运转时 热状态下 为了使气门关闭时能严密密封 也需要一定的气门间隙 内燃机热状态下的气门间隙称为气门的热间隙 3 定期检查和调整气门间隙 调整气门间隙必须在气门完全关闭时进行 即在挺柱与凸轮背接触时进行 见图4 7 松开调整螺钉的锁紧螺母 拧动调整螺钉 即可调整气门间隙 第五章汽油机的供给系 第一节汽油机供给系的功用 分类 组成及燃料一 汽油机供给系的功用供给汽油机空气和汽油 使它们混合形成适当的可燃混合气 以便在气缸中燃烧作功 并将燃烧后的废气排出 二 汽油机供给系的分类1 电控汽油喷射燃料供给系 电控汽油喷射燃料供给系又可分向进气管喷射和向气缸内喷射两种 多数汽油机采用向进气管喷射 电控汽油喷射系统已得到较为广泛的应用 以后将全部采用电控汽油喷射系统取代化油器式燃料供给系统 2 化油器式燃料供给系 有部分汽油机仍采用化油器式燃料供给系 但趋于被淘汰 三 一般化油器式汽油机供给系的基本组成 如图5 1所示 一般化油器式汽油机供给系由汽油箱 汽油滤清器 汽油泵 化油器 空气滤清器 进气管 排气管 排气消声器和汽油油量指示表等组成 第二节化油器的基本工作原理 2 基本构造 见图5 2 简单化油器主要由浮子室 喉管 量孔和节气门组成 浮子室浮子室是一个通大气 可自动控制汽油油面高度的小油箱 其结构的关键之处是带针阀的浮子 一 简单化油器1 简单化油器的工作原理 通过气体气流运动及其压力的变化将汽油喷散或雾化 在化油器中对汽油进行汽化 形成可燃混合气 喉管喉管是一个把空气通道断面缩小的管子 可使空气流过时速度加快 因而压力降低 也就是在喉管处产生一定的真空度 喉管应保证必需的空气运动速度和真空度 量孔量孔是一个有精确尺寸的小孔 并有一定的形状 量孔的功用是控制流体 燃油 空气等 的流量 量孔往往做成螺塞形 以装入化油器的某一部位 节气门节气门是一个可以开闭的片状阀门 由司机来操纵 它的功用是调节进人气缸的可燃混合气的量 也就是调节汽油机的扭矩 当外界负荷 阻力 增大时 将节气门开大 使进入气缸的混合气增多 燃烧放出的热量增大 从而增大汽油机输出的扭矩使之与外界负荷相适应 因此 节气门开度的大小可以代表汽油机负荷的大小 当节气门开度为100 全开 时 汽油机就是全负荷 从喉管最窄部分到节气门轴这一段管子称为混合室 为了使油膜和在气流中的油滴能够较好的蒸发 汽油机上通常利用排气管中的废气对混合气进行预热 混合气的预热程度是很重要的 预热不足 将引起燃油的蒸发和燃烧的不完全 并将机油冲稀 结果会降低汽油机的功率和经济性 并增大机件的磨损 但是预热过甚 又将减少汽油机的充气量 因而也会使功率降低 所以 最好能根据汽油机运转的具体条件 如气温 汽油机的热状况等 对混合气的预热程度进行调节 二 简单化油器的特性1 定义 在转速不变时 简单化油器所供给的可燃混合气浓度随节气门开度 或喉管真空度 pH 变化的规律 称为简单化油器的特性 其历程如图5 4所示 表示开度越大 空气量越大 喉管处空气流速快 真空度增大 汽油量增大 浓度增大 当汽油量与空气量增长速率接近时 变浓趋势减缓 过量空气系数 为燃烧1公斤燃料实际供给空气质量与理论上完全燃烧1公斤所需空气质量的比值 第三节可燃混合气浓度与汽油机性能的关系 一 可燃混合气浓度对汽油机性能影响1 在不同的节气门开度 负荷 时 能得到最大功率 或最好经济性 的混合气浓度是不同的 节气门的关小 最大功率和最好经济性的值也变小 2 不论节气门开度如何 最大功率的混合气总比标准混合气要浓一些 1 空气稍有过量 这样才能使混合气完全燃烧 在较小的负荷时 最经济的混合气则是浓的 1 这是由于这时汽油的雾化及与空气的混合较差 稀的混合气会使燃烧缓慢而功率下降 反而会使耗油率增大 4 在汽油机转速变化的很大范围内 最大功率的或最经济的混合气浓度实际上保持不变 只是在转速很小时 混合气需要稍许加浓 二 汽油机在不同工况下对可燃混合气浓度的要求1 汽油机实际工作过程对可燃混合气浓度的要求 汽油机在中小负荷时 化油器所供给的混合气要近于经济的浓度 达到省油的目的 而在全负荷 或接近个负荷 时 混合气应为 功率的 或近于 功率的 浓度 因为这时需要汽油机发出最大 或近于最大 功率 但汽油机在这种工况下工作的机会不很多 2 汽油机特殊的工况对混合气浓度的特殊要求 1 起动冷汽油机起动时 汽油的雾化和蒸发的条件极差 要求化油器供给非常浓 达0 2 0 6 的混合气 以增多汽油轻质成分的量 从而使进入气缸的混合气中有足够的汽油蒸气 以便起动 2 怠速怠速是指汽油机在无负荷的情况下以最低的转速 约300 500r min 运转 为了节约燃料 节气门开度尽可能小 使在气缸中所作的功足以克服汽油机本身的阻力 能够以最低转速稳定运转即可 由于转速低 汽油的雾化及其与空气的混合都不好 进入气缸的混合气量比小负荷时更小 残余废气对燃烧的不利影响更为显著 要求化油器在怠速时供给相当浓的混合气 0 6 0 8 3 加速加速是指节气门迅速开大 汽油机转速和功率迅速提高的过程 这在车用汽油机上是经常碰到的工况 当节气门突然开大时 要求在此短时间内供给化油器以额外的汽油 即混合气适当加浓 使汽油机转速和功率能迅速随之提高 也就是使汽油机具有良好的加速性能 第四节实际化油器的供油装置 在化油器的实际结构中 都是在简单化油器的基础上加装了一系列的自动调配混合气浓度的装置一 主供油装置 起动装置 怠速装置 加浓装置 省油器 和加速装置等 以使化油器在各种工况下都能供给浓度适当的混合气 满足对汽油机动力性和经济性的要求 1 主供油装置的校正目标 保证在中小负荷范围内 随节气门开度的逐渐增大使所供给的混合气浓度按图5 6中的曲线3而变化 也就是由浓 0 8左右 逐渐变稀 1 1左右 借以获得较好的经济性 2 校正方案 降低主量孔处真空度 实现稀释燃油气作用 达到节能目的 3 结构关键 在主量孔与主喷管之间增设装有泡沫管 带有与大气相通的空气量孔 的小油室 见图5 7 4 校正原理 汽油机不工作时 浮子室 油室和泡沫管内的油面一样高 泡沫孔都在油面之下 汽油机开始工作后 喉管中的真空度使油室中的燃油从主喷管6喷出 浮子室中的燃油经主量孔充到油室 由于主喷管6的断面大于主量孔1的断面 泡沫管4上方又与大气相通 而使泡沫管中的油面下降 随着节气门的开大 喉管中真空度的增长 从主喷管流出的燃油量亦增多 泡沫管中油面的下降量也相应增大 当节气门开到一定程度使泡沫管中油面下降至第一排泡沫孔露出时 空气即经第一排泡沫孔渗到油室中 以空气和燃油形成的泡沫状混合物从主喷管喷出 空气的渗入降低了由主喷管传到油室中的真空度 使主量孔两端的压力差减小 而使流过主量孔的燃油量的增长减慢 从而使混合气的浓度减小 值增大 节气门再继续开大 各排泡沫孔将依次露出 渗到油室中的空气也随之增多 主量孔两端的压力差进一步减小 从而使混合气达到由浓逐渐变稀的要求 起到校正作用 二 辅助供油装置 一 怠速装置1 功用 保证化油器在怠速和很小负荷的时候供给很浓的混合气 0 6 0 8 2 结构关键 节气门后面设怠速油道及怠速喷口 图5 8 a 为一典型的怠速装置的简图 它由怠速喷口3 怠速调整针4 怠速过渡喷口5 怠速量孔8 怠速空气量孔6 怠速油道7及节气门限位螺钉2等组成 3 工作原理 怠速运转 怠速时 节气门几乎关闭 喉管真空度很小 主喷管不喷油 但节气门后面真空度很大 另设怠速油道 解决供油 浮子室中的燃油经主量孔9 怠速量孔8 怠速油道7和空气量孔6进来的空气相混合 形成泡沫状混合物向下流到怠速喷口 从怠速向有负荷运转圆滑过渡 在结构上设两个怠速喷口或怠速过渡喷口 使汽油机能从怠速圆滑地转入有负荷的工作 避免转变初期发生混合气过稀 a怠速时 节气门的边缘在喷口3和5之间 图5 8b 喷口5不喷油 而是进入空气与油道中泡沫状混合物混合后从喷口3喷出 b当节气门稍开时 节气门边缘越过喷口5 图5 8c 使这个区域的真空度增大 两个喷口同时出油 使怠速出油量加大 从而使汽油机圆滑地转入有负荷状态 c当节气门进一步开大时 主供油装置逐渐参加工作 其供油量相应增多 同时怠速喷口处的真空度减小 供油量相应减小直至完全不喷油 汽油机进入正常工作状态 二 起动装置1 功用 供给特别加浓 0 20 0 6 的混合气 以便汽油机能顺利冷车起动 2 结构关键 在喉管之前装一个阻风门1 图5 9 阻风门用弹簧经常保持在全开状态 起动时由司机通过拉钮将其关闭 3 工作原理 当阻风门关闭而曲轴旋转时 在阻风门后面产生很大的真空度 使主供油装置和怠速装置都出油 而通过阻风门边缘的空隙流入的空气量则很少 由于空气量减少和燃油量增加的同时作用 就得到非常浓的混合气浓度 满足冷车起动的需要 汽油机起动过程的后期 转速和喉管处真空度都较开始起动时为大 为避免混合气因此而过浓 往往在阻风门上设有自动阀2 当阻风门后的真空度增大到一定程度时 自动阀便克服弹簧的作用力而自动打开 吸入必要的空气 三 加浓装置 省油器 1 功用 配合主供油装置 为汽油机大负荷及全负荷时提供加浓混合气 约为0 8 0 9 以获得最大 或近于最大 功率 有了加浓装置 化油器的主供油装置就可以按照最好经济性的要求来设计 称为省油器 2 加浓装置按控制方法的不同 分为机械式和真空式两种 1 机械式加浓装置 结构关键 在浮子室内装有加浓量孔和加浓阀 见图5 10 加浓量孔与主量孔并联 加浓阀上方有推杆 与拉杆连为一体 拉杆又通过摇臂与节气门轴相连 机械式加浓装置作用时刻只与节气门的开度 负荷 有关 而与汽油机转速无关 由于它只在节气门大开时 把稀混合气加浓成功率混合气 加浓时刻固定且较迟 使中等负荷向大负荷的过渡不够圆滑 工作原理 a当节气门开度不大时 加浓阀3关闭 这时只向主供油装置供油 混合气是经济的混合气 b当节气门开启时 通过摇臂6的转动 带动拉杆5和推杆4一同向下移动 c在节气门开度达到80 85 时 推杆4开始顶开加浓阀3 燃油在喉管真空度的作用下 经加浓阀和加浓量孔流入主喷管 与从主量孔2来的燃油汇合 一起由主喷管喷出 这样便增加了燃油的供给量 使混合气加浓 d加浓量孔的尺寸的确定原则 通过它所补充的油量 加上通过主量孔2由主供油装置所供给的油量 能使汽油机发出最大功率 e当节气门关小时 拉杆与推杆上移 加浓阀在弹簧的作用下关闭 加浓装置就不起作用 2 真空式加浓装置 结构关键 活塞的上 下方分别与进气管 节气门后面 及化油器空气管 喉管前面 相通的活塞筒 图5 11是真空式加浓装置的简图 这种加浓装置的推杆4上端与装在活塞简7中的活塞8相连 在推杆上装有弹簧5 真空式加浓装置起作用的时刻完全取决于节气门后面的真空度 真空度不仅与节气门开度有关 也与汽油机曲轴转速有关 在节气门开度相同时 转速愈低 则此真空度愈小 因此 在节气门开度不大的情况下 如果因为负荷的偶然增加而使汽油机转速降低到一定程度 真空度也减小到一定程度 时 真空式加浓装置也会起作用 将混合气适当加浓 真空式加浓装置的特点对汽油机的转速稳定和加速性能都有很大的帮助 工作原理 真空式加浓装置的加浓阀3的开闭是由进气管中的真空度决定的 a当节气门的开度较小时 进气管中的真空度很大 这个真空度通过气道9传到活塞筒上方 克服了弹簧5的弹力 将活塞8吸住在上方位置 加浓阀3保持关闭 加浓装置不起作用 b加大节气门开度就使进气管中真空度减小 当转速不变时 当真空度减小到一定程度时 弹簧5的弹力大于真空度产生的吸力 活塞下降 推杆顶开加浓阀3 从加浓量孔1就流出额外的燃油以加浓混合气 一般化油器上同时装有机械和真空两套加浓装置 真空加浓装置约在50 80 负荷时开始起作用 早于机械加浓装置 在接近全负荷时则由两套装置共同起加浓作用 过早的加浓混合气会使汽油机的经济性变坏 四 加速装置 加速泵 1 功用 在节气门由小突然开大时 配合主供油装置提供较浓的混合气 使汽油机转速和功率能迅速增大以便汽车加速或超车 2 机械式加速装置 结构关键 在浮子室