工程概论-内燃机论文.doc

关于内燃机和柴油机绪言 内燃机是将燃料燃烧释放出来的热能转变成机械能的一种能量转换装置。在内燃机中，燃料与空气混合、燃烧，产生高温、高压的工作气体，直接推动活塞向下运动，通过连杆、曲轴向外输出机械功。由于这一能量转换过程完全是在发动机内部完成的，所以称为内燃机。自问世以来，内燃机经过了无数次的改进和提高，现代内燃机无论在结构还是在性能方面都已相当完善，成为当今用量最大、用途最广的热能动力机械，在国民经济、国防建设以及人们的日常生活中起着举足轻重的位置。内燃机作为一种动力机械，发出的功率展示机动力装备的50%以上，被广泛的应用于交通运输、工程机械，农业机械、矿山、石油、发电、船舶等国民经济重要部门之中。柴油机是用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机，它又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。柴油机在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500700的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气中，与高温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。发展史 19世纪中期，科学家完善了通过燃烧煤气，汽油和柴油等产生的热转化机械动力的理论。这为内燃机的发明奠定了基础。活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。活塞式内燃机起源于用火药爆炸获取动力，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在十九世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。勒努瓦首先在内燃机中采用了弹力活塞环。这台煤气机的热效率为4%左右。英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。1876年，德国发明家奥托（Otto）运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。奥托内燃机获得推广，性能也在提高。1880年单机功率达到1115千瓦(1520马力)，到1893年又提高到150千瓦。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%，1897年已高达2026。1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒（Daimler）创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200转/分，它却一跃而达到800转/分，特别适应交通动输机械的要求。18851886年，汽油机作为汽车动力运行成功，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小船的动力。1892年，德国工程师狄塞尔（Diesel）受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达26。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣，压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎。这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。早在往复活塞式内燃机诞生以前，人们就曾致力于创造旋转活塞式的内燃机，但均未获成功。直到1954年，联邦德国工程师汪克尔（Wankel）解决了密封问题后，才于1957年研制出旋转活塞式发动机，被称为汪克尔发动机。它具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内作旋转运动，按奥托循环工作。这种发动机功率高、体积小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便，但由于它燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，所以还只是在个别型号的轿车上得到采用。优点 内燃机自从诞生以来能迅速发展并占领整个市场，这和他本身的优点是分不开的，内燃机的优势有以下几点：1， 内燃机湿热及效率最高的动力机械。2， 转速范围广，功率范围广。转速从70r/min到9000r/min,单机功率从1KW到9KW，其他热机无法与之匹敌。3， 结构紧凑，移动方便。内燃机的比质量为0.2222kg/KW。4， 启动迅速。内燃机启动只需几秒钟。5， 操作方便。内燃机的分类及结构 内燃机的种类很多，按所用燃料分有，汽油机、柴油机、天然气发动机、液化石油发动机、酒精发动机，双燃料发动机，灵活燃料发动机。按缸内着火方式分有，压燃机、点燃机。按冲程分有，四冲程、二冲程。按活塞运动方式分有，往复活塞式、旋转活塞式。按气缸冷却方式分有，液体冷却、气体冷却。按汽缸数分有，单缸和多缸。按转速分有，低速、中速和高速。安增压成度分有，非增压和增压。铵气缸排列分有，立式、卧式、直列式、V型、W型、对置气缸或对置活塞式、H型、王字型，x型、星型。按混合气准备方式分有，化油器式、进气管或进气道式、缸内直接喷射，分层冲量。铵燃烧室分有，开式燃烧室、分式燃烧室。按用途分有，农用、船用、汽车用、工程机械用、拖拉机用、发电机用、内燃机车用。内燃机机构复杂，零部件繁多，但基本的机构和系统却是必须的。1，曲柄连杆系统，它是将热能转化为机械能的主要结构，他通过旋转，来完成进气、压缩和排气。2，配器系统，他就像人的呼吸器官，来完成进气和排气。3，燃料供给系统，它会根据不同的要求配制出品不同浓度及量度的燃料，他是内燃机的动力来源。4，润滑系统，由于摩擦而消耗的能量占了能量消耗的一大部分，而能够减小摩擦来减小能量消耗则是一项极有用的工作，5，冷却系统。6，点火系统。7，启动系统。工作原理（以四冲程为例） 四冲程内燃机是在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。柴油机工作时，一般分为吸气、压缩、爆发、排气等步骤。开始时，活塞从上止点下行到下止点，将新鲜空气吸入气缸，然后从下止点上行到上止点，将吸入的气体压缩，使其压力及温度升高。当接近上止点时，气体温度已超过柴油燃点，此时由喷油嘴将柴油喷入迅速燃烧，高温高压燃气推动活塞下行做功。之后，活塞再次从下止点上行，将废气排出气缸，完成一个循环。活塞往复不停地工作，带动连杆使曲轴转动，就从曲轴上把动能传输出来。 柴油机和汽油机一样，每个工作循环也经历进气、压缩、作功和排气四个过程。但由于柴油粘度比汽油大，不易蒸发，但自燃温度却低于汽油，故柴油机可燃混合气的形成和燃烧方式与汽油机不同。柴油机在进气冲程吸人的是纯空气，在压缩冲程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器以雾状喷人气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。因此，柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的。 由于柴油机的压缩比高，所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.54.5MPa，温度高达7501000K，大大超过柴油的自燃温度，故柴油喷入气缸后，在很短的时间内即自行着火燃烧，燃气压力急剧上升到69MPa，温度升高到20002500Ko在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转作功。废气同样经排气门、排气管等处排人大气。 四行程汽油机或柴油机，在一个工作循环中，只有一个行程作功，其余三个行程都是为作功行程创造条件的辅助行程。因此，单缸发动机工作不平稳。现代汽车都采用多缸发动机，在多缸发动机中，所有气缸的作功行程并不同时进行，而尽可能有一个均匀的作功间隔。例如六缸发动机，在完成一个工作循环中，曲轴旋转两周即720度，曲轴转角每隔120度就有一个气缸作功。因而多缸发动机曲轴运转均匀，工作平稳，并可获得足够大的功率。机械燃料 柴油机燃料主要是柴油。通常，高速柴油机用轻柴油；中、低速柴油机用轻柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸。喷入的燃油呈雾状，与空气混合燃烧。因此柴油机可燃用挥发性较差的重质燃料或劣质燃料，如原油和渣油等。 在燃用原油和渣油时，除须滤除杂质和水分外，还要对供油系统进行预热保温，降低粘度，以便输送和喷射。柴油机如采用某种合适的燃烧室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等轻质燃料。为了改善轻质燃料的着火性，可加入添加剂提高十六烷值，或与柴油混合使用。一些气体燃料（如天然气、液化石油气、沼气和发生炉煤气等）也可作为柴油机的燃料，但这时通常以气体燃料为主，以少量柴油引燃，这种发动机称为双燃料内燃机。带来的环境问题 内燃机和内燃机工业的诞生与发展，为人类社会创造了巨大的物质文明，促进了人类社会的进步，被誉为改变世界50项发明之一。然而，在内燃的使用过程中，消耗了大量能源，造成石油短缺，而其工作时产生的震动、噪声和尾气都对环境了恶劣影响。现在的石油资源在不断减少，一直打到了面临枯竭的程度，而内燃机侧站了石油消耗的一大部分，所以内燃机的节油性能亟待提高。现代城市的空气污染及噪声污染也极其严重，而内燃机也在其中扮演了最重要的角色。权威数字表明：我国城市大气污染中80%以上的co、30%以上的CO2以及40%以上的NOX来自机动车的排放，颗粒污染中有20%30%来自机动车排放；各种机动车辐射的噪声能量占整个城市环境声能量的75%，已成为城市噪声的主要来源。所以要解决这些环境问题，对内燃机性能的改造就十分必要，也需要一些政策的支持。结论 内燃机自诞生以来就勤勤恳恳的为