第〇章 绪论 第1章 内燃机的工作原理和总体构造.pdf

工程机械发动机工作原理工程机械发动机工作原理 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 Page 2 绪论绪论 发动机概述 基本知识 发动机概述 基本知识 6BG1T 6HK16HK1 4HK14HK1 Page 3 发动机 将另一种能源转变为机械能的机器装置 内燃机 燃料在发动机内部燃烧并将产生的热能转变成机械能的装置 1 1 内燃机的分类 按照燃料分 汽油机 柴油机 煤气机 天然气机等 按照着火方式分 点燃式 压燃式 按照工作循环的行程数分 四冲程 二冲程 按照汽缸排列方式分 直列式 V型 对置式 W型 星型 按照冷却方式分 水冷式 风冷式 按照活塞运动方式分 往复活塞式 旋转活塞式 按照进气方式分 自然吸气式 增压式 按照汽缸数分 单缸 多缸 按照转速分 高速 中速 低速机 按照用途分 工程机械用 汽车用 拖拉机用 船用 发电机用等 Page 4 2 工程机械内燃机的使用特点和要求 工作环境恶劣 空气沙尘含量大 要求大容量 低阻力的空滤器 外界冲击大 要求悬挂性能 稳定性 减震性 好 动态倾斜大 对润滑 冷却 燃料供给要求高 使用区域广 要求对温度的适应性好 特殊使用条件下 要求低噪音 低排放 遥控性能 内燃机的发展简史 1678年 法国人浩特佛勒 使用火药的煤气机 1873年 德国人奥拓 火花点燃四冲程煤气机 1883年 英国人派司尔 四冲程汽油机 1879年 德国人狄塞尔 压燃式四冲程柴油机 1905年 瑞士 第一台二冲程柴油机 1930年 废气涡轮增压柴油机 因此 本课程重点介绍四冲程柴油机的结构及其原理本课程重点介绍四冲程柴油机的结构及其原理 Page 5 3 柴油机的特点 作为日常使用的燃料本身 柴油的能量密度最高 比液化天然气高出近1 倍 比汽油高出10 以上 与汽油相比 柴油不易挥发 着火点较高 不易因偶然 情况被点燃或发生爆炸 由于两者挥发性和燃点的不同 导致使用这两种燃料的 发动机有不同的点火方式 热效率和经济性较好 柴油发动机采用压燃 无需点火系 其供油系统也相对简单 因此其可靠性要 比汽油发动机的好 柴油机压缩比很高 热效率和经济性都要好于汽油机 在相同 功率的情况下 其扭矩大 最大功率时的转速低 适合于工程机械的使用 小型高速柴油发动机的新发展 排放已经达到欧洲III号的标准 近年来 随着电控直喷 共轨 涡轮增压 中冷等技术柴油发动机上应用 尤 其是小型柴油机 另外由于柴油机在节能与CO2 排放方面的天然优势 其成为包 括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的 部分排放已经达到欧洲III号的标 准 被誉为 绿色发动机 Page 6 缺点 柴油机由于工作压力大 要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度 所以柴油 机比较笨重 体积较大 柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高 所以成本较高 另外 柴油机工作粗暴 振动噪声大 柴油不易蒸发 冬季冷车时起动困难 Page 7 第第1章 内燃机的工作原理和总体构造章 内燃机的工作原理和总体构造 1 1 内燃机的基本结构 术语及类型内燃机的基本结构 术语及类型 1 2 四冲程内燃机的工作原理四冲程内燃机的工作原理 1 3 二冲程内燃机的工作原理二冲程内燃机的工作原理 1 4 发动机的性能指标发动机的性能指标 1 5 内燃机的编号规则内燃机的编号规则 Page 8 1 1 内燃机的基本结构 术语及类型内燃机的基本结构 术语及类型 柴油机组成 柴油机组成 由两大机构 四大系统组成 1 曲柄连杆机构 2 配气机构 3 燃油供给系 4 润滑系 5 冷却系 6 起动系 注意 注意 在上述基础上 汽油机还多一个 在上述基础上 汽油机还多一个点火系点火系 1 1 1 基本结构基本结构 Page 9 1 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构 作用 作用 将燃料燃烧时产生的将燃料燃烧时产生的热量转变为热量转变为 活塞往复运动的活塞往复运动的机械能机械能 再通过 连杆将活塞往复运动变为曲轴的 旋转运动而 再通过 连杆将活塞往复运动变为曲轴的 旋转运动而对外输出动力对外输出动力 组成 组成 由由机体组机体组 气缸体和曲轴箱组 气缸体和曲轴箱组 活塞连杆组 曲轴飞轮组活塞连杆组 曲轴飞轮组组成组成 Page 10 2 配气机构 配气机构 作用作用 使可燃混合气及时 使可燃混合气及时充入气缸充入气缸并及时从气缸中并及时从气缸中排出废气排出废气 组成组成 它由进气门 排气门 挺杆 推杆 摇臂 凸轮轴 正时齿轮 等组成 它由进气门 排气门 挺杆 推杆 摇臂 凸轮轴 正时齿轮 等组成 Page 11 3 燃料供给系统 燃料供给系统 汽油机汽油机 作用 作用 按需要向气缸内供应已配制好的可燃混合气 燃烧后排出废 气 组成 组成 化油器式由燃油箱 汽油泵 化油器 进 排气管 滤清器 等组成 直喷式由燃油箱 电动汽油泵 油压调节器 喷油器 进 排气管 滤清器等组成 柴油机柴油机 作用作用 向气缸内供应纯空气 并在规定时刻向气缸内喷入 柴油 燃烧后排出废气 向气缸内供应纯空气 并在规定时刻向气缸内喷入 柴油 燃烧后排出废气 组成 组成 燃油箱 喷油泵 喷 油器 进 排气管 滤清器 等组成 燃油箱 喷油泵 喷 油器 进 排气管 滤清器 等组成 Page 12 4 润滑系 润滑系 作用 作用 功用是向零部件不断输送定量的温度适当的清洁润滑油 以形成 油膜 减小摩擦阻力 减轻机件的磨损 降低功率消耗清洗和冷却零 件 提高发动机可靠性和耐久性 功用是向零部件不断输送定量的温度适当的清洁润滑油 以形成 油膜 减小摩擦阻力 减轻机件的磨损 降低功率消耗清洗和冷却零 件 提高发动机可靠性和耐久性 润滑 冷却 清洗 密封等润滑 冷却 清洗 密封等 组成 组成 由由机油泵机油泵 滤清器滤清器 限压阀限压阀 油道油道等组成 等组成 Page 13 5 冷却系 冷却系 作用 作用 把受热零件的热量散到大气中去 以保证发动机 把受热零件的热量散到大气中去 以保证发动机在所有工况下都保持 发动机在最适宜的温度状态下工作 组成组成 它由水泵 散热器 风扇 分水管 水套 它由水泵 散热器 风扇 分水管 水套 水箱等组成 等组成 6 启动系 启动系 作用 作用 使静止的发动机起动 使静止的发动机起动 组成 组成 由起动机及附属装置 组成 由起动机及附属装置 组成 Page 14 7 点火系 点火系 汽油机汽油机 在汽油机中 气缸内的可燃混合气是靠火花塞产生的电火花点燃的 火花塞装在气缸盖上 其头部伸入燃烧室内 作用 作用 按规定时刻及时点燃气缸内的混合气 组成组成 蓄电池 发电机 分电器 点火线圈 火花塞等组成 Page 15 1 1 2 基本术语基本术语 1 工作循环 工作循环 活塞式内燃机的工作循环是由进 吸 气 压缩 做功和排气等四个工作 过程组成的封闭过程 周而复始地进行这些过程 内燃机才能持续地作功 Page 16 2 上 下止点 上 下止点 活塞顶离曲轴回转中心最远处为上止点 活塞顶离曲轴回转中心最近处 为下止点 在上 下止点处 活塞的运动速度为零 又称上 下死点 Page 17 3 活塞行程 活塞行程 上 下止点间的距离 S 称为活塞行程 曲轴的回转半径 R 称为曲柄半径 显然 曲轴每回转一周 活塞移动两个活塞行程 对于气缸中心线通过曲轴回转中心的内燃机 其 S 2R Page 18 上 下止点间所包容的气缸容积称为气缸工作容积 内燃机所有气缸工作 容积的总和称为内燃机排量 4 气缸工作容积 气缸工作容积 5 内燃机排量 内燃机排量 Page 19 6 燃烧室容积 燃烧室容积 活塞位于上止点时 活塞顶面以上气缸盖底面以下所形成的空间称为燃 烧室 其容积称为燃烧室容积 也叫压缩容积 Page 20 7 气缸总容积 气缸总容积 气缸工作容积与燃烧室容积之和为气缸总容积 Page 21 气缸总容积与燃烧 室容积之比称为压缩比 压缩比的大小表示 活塞由下止点运动到上 止点时 气缸内的气体 被压缩的程度 压缩比 越大 压缩终了时气缸 内的气体压力和温度就 越高 8 压缩比 压缩比 9 工况 负荷率 工况 负荷率 内燃机在某一时刻的运行状况简称工况 以该时刻内燃机输出的有效 功率和曲轴转速表示 曲轴转速即为内燃机转速 内燃机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有 效功率的比值称为负荷率 以百分数表示 负荷率通常简称负荷 Page 22 发动机主要术语 总结发动机主要术语 总结 Page 23 1 1 3 类型类型 简介 简介 1 1 按活塞运动方式的不同 活塞式内燃机可分为往复活塞式和旋转活塞式两种 Page 24 2 2 按所用燃料种类的不同 活塞式内燃机主要分为汽油机 柴油机和气体燃料发动机三类 以汽油 和柴油为燃料的活塞式内燃机分别称作汽油机和柴油机 使用天然气 液化 石油气和其他气体燃料的活塞式内燃机称作气体燃料发动机 Page 25 3 3 按冷却方式的不同 活塞式内燃机分为水冷式和风冷式两种 以水或冷却液为冷却介质的称作 水冷式内燃机 而以空气为冷却介质的则称作风冷式内燃机 Page 26 4 4 按在一个工作循环期间活塞往复运动的行程数进行分类 活塞式内燃机每完成一个工作循环 便对外作功一次 不断地完成工作 循环 才使热能连续地转变为机械能 在一个工作循环中 活塞往复四个行程的内 燃机称作四冲程往复活 塞式内燃机 而活塞往复两个行 程便完成一个工作循环 的则称作二冲程往复活 塞式内燃机 Page 27 5 5 按照气缸数目分类可以分为单缸发动机和多缸发动机 仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机 有两个以上气缸的发动机称为 多缸发动机 如双缸 三缸 四缸 五缸 六缸 八缸 十二缸等都是多缸 发动机 现代车用发动机多采用四缸 六缸 八缸发动机 Page 28 6 6 按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式 单列式发动机的各个气缸排成一列 一般是垂直布置的 但为了降低 高度 有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的 双列式发动机把气缸排成 两列 两列之间的夹角 180 一般为90 称为V型发动机 若两列之间 的夹角 180 称为对置式发动机 Page 29 7 7 按照进气状态的不同 活塞式内燃机还可分为增压和非增压两类 若进气是在接近大气状态下进行的 则为非增压内燃机或自然吸气式内燃 机 若利用增压器将进气压力增高 进气密度增大 则为增压内燃机 增压 可以提高内燃机功率 Page 30 1 2 四冲程内燃机的工作原理四冲程内燃机的工作原理 四冲程往复活塞式内燃机在四个活塞行程内完成进气 压缩 作功和 排气等四个过程 即在一个活塞行程内只进行一个过程 因此 活塞行程 可分别用四个过程命名 进气行程 压缩行程 作功行程 排气行程进气行程 压缩行程 作功行程 排气行程 Page 31 每一行程工作的具体分析如下 每一行程工作的具体分析如下 以汽油机为例以汽油机为例 Page 32 示功图示功图 表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况 表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况 Page 33 进气行程进气行程压缩行程压缩行程作功行程作功行程排气行程排气行程 新鲜空气新鲜空气开始喷油开始喷油 四冲程柴油机的工作原理 同汽油机相比不同之处 Page 34 汽油机与柴油机四冲程内燃机的比较汽油机与柴油机四冲程内燃机的比较 Page 35 共同点 共同点 1 每个工作循环都包含进气 压缩 作功和排气等四个活塞行程 每个行程各占180 曲轴转角 即曲轴每旋转两周完成一个工作循环 2 四个活塞行程中 只有一个作功行程 其余三个是耗功行程 不同之处 不同之处 1 汽油机的可燃混合气在气缸外部开始形成并延续到进气和压缩行 程终了 时间较长 柴油机的可燃混合气在气缸内部形成 从压缩行 程接近终了时开始 并占小部分作功行程 时间很短 2 汽油机的可燃混合气用电火花点燃 柴油机则是自燃 所以又称 汽油机为点燃式内燃机 称柴油机为压燃式内燃机 汽油机与柴油机四冲程内燃机的比较汽油机与柴油机四冲程内燃机的比较 Page 36 1 3 二冲程内燃机的工作原理 二冲程内燃机的工作原理 略 自学略 自学 二冲程柴油机工作原理示意图二冲程汽油机工作原理示意图二冲程柴油机工作原理示意图二冲程汽油机工作原理示意图 Page 37 一 动力性指标一 动力性指标 1 有效转矩 有效转矩 发动机通过飞轮对外输出的转矩称为发动机的有效转矩 用Te 表示 单位为N m 2 有效功率 有效功率 发动机通过飞轮对外输出的功率成为发动机的有效功率 用Pe 表示 n 曲轴转速 r min二者关系 1 4 发动机的性能指标发动机的性能指标 9550 e e Tn P kW 3 发动机转速 发动机转速 发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速 4 平均有效压力 平均有效压力 单位气缸工作容积发出的有效功称为平均有效压力 记作 Pme 单位为 MPa 注 发动机产品标牌上规定的有效功率及其相应的转速分别称作标定功 率和标定转速 发动机在标定功率和标定转速下的工作状况称作标定工况 标定功率是根据发动机用途而制定的有效功率最大使用限度 不是发动机所 能发出的最大功率 Page 38 二 经济性指标二 经济性指标 1 燃油消耗率 燃油消耗率 指发动机每发出1kw有效功率 在1小时内所消耗的燃油 质量 克数 称为燃油消耗率 用be表示 其值越低 说明燃油经济性能越好 式中 B 每小时的燃油消耗量 kg h Pe 有效功率 kW 1000 e e B b P g kW h 2 有效热效率 有效热效率 燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数称为有效 热效率 记作 e 显然 为获得一定数量的有效功所消耗的热量越少 有 效热效率越高 发动机的经济性越好 三 强化指标三 强化指标 强化指标是指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标 一般包括 升功率和强化系数等 Page 39 1 升功率 发动机在标定工况下 单位发动机排量输出的有效功率称为升 功率 升功率大 表明每升气缸工作容积发出的有效功率大 发动机的热负 荷和机械负荷都高 2 强化系数 平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数 活塞平均 速度是指发动机在标定转速下工作时 活塞往复运动速度的平均值 四 紧凑性指标四 紧凑性指标 紧凑性指标是用来表征发动机总体结构紧凑程度的指标 通常用比容积 和比质量衡量 1 比容积 发动机外廓体积与其标定功率的比值称为比容积 2 比质量 发动机的干质量与其标定功率的比值称为比质量 干质量是指未加注燃油 机油和冷却液的发动机质量 比容积和比质量 越小 发动机结构越紧凑 Page 40 五 环境指标五 环境指标 环境指标用来评价发动机排气品质和噪声水平 由于它关系到人类的健康及其赖以生存的环境 因此各国政府都制定 出严格的控制法规 以期消减发动机排气和噪声对环境的污染 六 可靠性指标 六 可靠性指标 可靠性指标是表征发动机在规定的使用条件下 正常持续工作能力的 指标 可靠性有多种评价方法 如首发故障行驶里程 平均故障间隔里程 主要零件的损坏率等 七 耐久性指标七 耐久性指标 耐久性指标是指发动机主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间 通常用发动机的大修里程 即发动机从出厂到第一次大修之间汽车行驶的 里程数来衡量 八 工艺性指标八 工艺性指标 工艺性指标是指评价发动机制造工艺性和维修工艺性好坏的指标 发 动机结构工艺性好 则便于制造 便于维修 就可以降低生产成本和维修 费用 Page 41 1 5 发动机的编号规则发动机的编号规则 为了便于内燃机的生产管理和使用 国