内燃机结构原理

1、 铁道装备与车辆工程专业铁道装备与车辆工程专业内内 燃燃 机机 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院l第一节第一节 内燃机概述内燃机概述 l第二节第二节 内燃机的总体构造内燃机的总体构造l第三节第三节 内燃机的基本工作原理内燃机的基本工作原理 重点：结构、工作原理重点：结构、工作原理 难点：工作原理难点：工作原理 一、内燃机的定义及其分类一、内燃机的定义及其分类 （一）内燃机的定义（一）内燃机的定义 内燃机是内燃机是通过在热功转换空间内部的燃烧过程通过在热功转换空间内部的燃烧过程将将燃料中的化学能转变为热能，并燃料中的化学能转变为热能，并通过一定的机构通过一定的机构使之使之再转化为再转化为

2、机械功机械功的一种热力内燃机的一种热力内燃机( (简称热机简称热机) )。 （二）内燃机的分类（二）内燃机的分类 1 1、按燃料分、按燃料分：有有汽油机，柴油机汽油机，柴油机，煤气机，乙醇（酒，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。精）机，天然气体、氢气燃料及多种燃料内燃机等。 （1 1）液体燃料内燃机：汽油机（）液体燃料内燃机：汽油机（gasolinegasoline engineengine）；）； 柴油机（柴油机（diesel enginediesel engine）。）。 （2 2）气体燃料内燃机：压缩天然气内燃机（）气体燃料内燃机：压缩天然气内燃机（CNGCN

3、G）；）； 液化石油气内燃机（液化石油气内燃机（LPGLPG）。）。 第一节第一节 内燃机概述内燃机概述 3 3、按、按热功转换机构热功转换机构分：分：往复活塞式往复活塞式（汽车和工程（汽车和工程机械用内燃机最多），机械用内燃机最多），旋转活塞式旋转活塞式、旋转叶片式和旋转叶片式和喷气式内燃机。喷气式内燃机。4 4、按、按冷却方式冷却方式分：有水冷式、风冷式和水冷风冷复分：有水冷式、风冷式和水冷风冷复合式内燃机。合式内燃机。汽车和工程机械用内燃机多数是水冷汽车和工程机械用内燃机多数是水冷风冷复合式。风冷复合式。2 2、按着火方式分：按着火方式分：有压缩着火有压缩着火( (压燃式压燃式) )和强

4、制点火和强制点火( (点燃式点燃式) )内燃机。内燃机。（1 1）点燃式内燃机（如汽油机、气体燃料内燃机）；）点燃式内燃机（如汽油机、气体燃料内燃机）；（2 2）压燃式内燃机（如柴油机）。）压燃式内燃机（如柴油机）。 5 5、按、按往复活塞式内燃机工作循环所需行程数往复活塞式内燃机工作循环所需行程数：按照：按照完成一个工作循环完成一个工作循环( (工作循环指把热能转变为机械功工作循环指把热能转变为机械功的一系列连续过程的一系列连续过程) )所需的行程数来分：所需的行程数来分：（1 1）四冲程内燃机；）四冲程内燃机；（2 2）二冲程内燃机；）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

5、；汽车和工程机械用内燃机多为四冲程内燃机；6 6、按照、按照进气状态进气状态分：有分：有非增压式非增压式（进气压力小于（进气压力小于一个大气压）和一个大气压）和增压式增压式（进气压力大于一个大气压）（进气压力大于一个大气压）内燃机。内燃机。（1 1）自然吸气式发动机（非增压式发动机）；）自然吸气式发动机（非增压式发动机）；（2 2）强制吸气式（增压式发动机）强制吸气式（增压式发动机）。7 7、按气缸布置形式分：、按气缸布置形式分：有卧式、直列式、有卧式、直列式、V V形、对置形、对置式及星形（航空）内燃机等，如图式及星形（航空）内燃机等，如图1-11-1所示所示。按气缸排列方式分：按气缸排列方

6、式分：（1 1）单列内燃机：直列式内燃机、平卧式内燃机）单列内燃机：直列式内燃机、平卧式内燃机. . （2 2）双列内燃机：）双列内燃机： V V型内燃机、水平对置式内燃机型内燃机、水平对置式内燃机 8 8、按汽缸数分、按汽缸数分：单缸、双缸和多缸内燃机。：单缸、双缸和多缸内燃机。 9 9、按用途分、按用途分：可分为汽车用、特种车辆用、工程机：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、摩托河（淡水）和海洋（咸水）船舶用、飞机用、摩托用、军用等内燃机等。用、军用等内燃机等。101

7、0、按转速分、按转速分：有高速、中速和低速内燃机。：有高速、中速和低速内燃机。（1 1） 低速低速: n 500 r/min: n 500 r/min（2 2） 中速中速: 500 r/min n 1500 r/min: 500 r/min n 1500 r/min: n 1500 r/min。目前目前汽油机均为高速汽油机均为高速内燃机，最高转速一般在内燃机，最高转速一般在60006000转转/ /分分以上，比柴油机的转速高；汽车用以上，比柴油机的转速高；汽车用柴油机最高柴油机最高转速转速40004000转转/ /分左右分左右；而工程机械柴油机最高转速一；而工程机械柴油机最高转速一般为般为15

8、001500转转/ /分分20002000转转/ /分。船舶用柴油机转速一分。船舶用柴油机转速一般为中、低速，般为中、低速，100100转转/ /分分500500转转/ /分左右。分左右。（一）内燃机的（一）内燃机的优点优点： 1 1、热效率高热效率高；热效率高，即燃油消耗率低，；热效率高，即燃油消耗率低，经济性好经济性好, ,尤其是柴油机，它是热效率最高尤其是柴油机，它是热效率最高的热机，最高有效热效率巳达的热机，最高有效热效率巳达4646。4 4、起动迅速、操作简便起动迅速、操作简便，并能在起动后，并能在起动后很快达到全负荷运行。很快达到全负荷运行。 3 3、结构紧凑、质量轻结构紧凑、质量

9、轻、比质量较小、比质量较小、便于移动。便于移动。2 2、功率范围广功率范围广；单机功率可从零点几千；单机功率可从零点几千瓦到上万千瓦，故适用范围大。瓦到上万千瓦，故适用范围大。1 1、对燃料要求较高对燃料要求较高；高速内燃机一般使用汽汽油油或轻柴油轻柴油作燃料，并且对燃料的清洁度对燃料的清洁度要求严格要求严格；在气缸内部难以使用固体燃料或劣质燃料。2 2、废气污染和噪声引起公害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 3、结构较复杂，零部件加工精度要求较高。结构较复杂，零部件加工精度要求较高。( (一一) )内燃机性能

10、指标的发展动向内燃机性能指标的发展动向1 1强化程度不断提高强化程度不断提高： 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。工作容积条件下提高内燃机的功率。2 2降低燃油消耗率、提高经济性降低燃油消耗率、提高经济性 3 3提高内燃机的可靠性和耐久性提高内燃机的可靠性和耐久性 无故障期为无故障期为50005000h h，表征耐久性的指标是大修表征耐久性的指标是大修期。常以压缩压力下降到一定值期。常以压缩压力下降到一定值(2.2(2.22.72.7MPaMPa) )或各或各缸压力差增大到一定值缸压力差增大到一定值(0.3(0.3MPa

11、MPa) )即认为应当大修。即认为应当大修。 4 4降低废气中有害排放和噪声降低废气中有害排放和噪声( (二二) )内燃机技术的发展动向内燃机技术的发展动向 柴油机采用电子技术优化控制柴油机采用电子技术优化控制喷油规律及喷喷油规律及喷油量油量，控制预混合燃烧和扩散燃烧部分的燃油量，控制预混合燃烧和扩散燃烧部分的燃油量，提高柴油机的功率提高柴油机的功率。 废气再循环废气再循环( (EGREGR：exhaust gas recirculation ) )是汽是汽油机和柴油机降低油机和柴油机降低NOxNOx排放的有效措施。排放的有效措施。电控电控EGREGR可可保证在各种工况下实现保证在各种工况下实

12、现最佳的最佳的EGREGR率。率。1 1电子技术的应用：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，品设计研究、测试、制造方面均巳普遍应用，计算计算机辅助设计机辅助设计( (CAD)CAD)、计算机辅助制造计算机辅助制造( (CAM)CAM)、计算机计算机辅助测试辅助测试( (CAT)CAT)、计算机辅助工艺设计计算机辅助工艺设计( (CAPP)CAPP)技术技术发展迅速发展迅速。 2 2、采用增压技术、采用增压技术 3 3、汽油机稀燃、汽油机稀燃速燃技术：速燃技术： 稀燃可提高汽油机经济性和降低排放

13、，稀燃可提高汽油机经济性和降低排放，提高提高压缩比压缩比。 4 4汽油机缸内喷射分层燃烧技术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，内燃机的功率和扭矩都有所提高，燃油消耗率下降。燃油消耗率下降。 5 5柴油机采用直喷式燃烧系统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直喷式燃烧系统比间喷式燃烧系统的热效率可提高的热效率可提高1010-15-15，是提高柴油，是提高柴油机经济性的有效措施。机经济性的有效措施。 6 6提高柴油机燃油喷射压力：提高柴油机燃油喷射压力：喷油压力目喷油压力目前已达前已达120120150MPa 150MPa 7 7排气后处理技术：排气后处

14、理技术：可使柴油机实现可使柴油机实现COCO、HCHC及及NOxNOx的同时净化的同时净化 8 8采用代用燃料：采用代用燃料：以压缩天然气以压缩天然气( (CNG)CNG)和和液化石油气液化石油气( (LPG)LPG)为主为主 图图 1 1 2 2示出示出内燃机内燃机的基本机构的基本机构，它包括气缸、它包括气缸、气缸盖、活气缸盖、活塞、活塞销、塞、活塞销、连杆、曲轴、连杆、曲轴、飞轮、曲轴飞轮、曲轴箱和进、排箱和进、排气门等。气门等。 活塞活塞可在气缸内上下可在气缸内上下往复运动往复运动。活塞。活塞销穿过活塞和连杆的上端，使活塞和连杆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

15、端套在曲轴弯成为铰链似的连接。连杆下端套在曲轴弯曲部分（俗称曲拐）的曲柄销曲部分（俗称曲拐）的曲柄销( (连杆轴颈连杆轴颈) )上，也是上，也是铰链似的连接铰链似的连接。 曲轴两端由曲轴箱上的轴承来支承，曲轴两端由曲轴箱上的轴承来支承，曲轴可在轴承中转动。曲轴可在轴承中转动。 活塞在气缸中往复运动时，曲轴则绕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，其轴心线作旋转运动。很明显，曲轴每转曲轴每转一周，活塞向上向下各行一次（两个行一周，活塞向上向下各行一次（两个行程）程）。 1 1、上止点（、上止点（TDCTDC）：）： 活塞离曲轴中心最大活塞离曲轴中心最大距离的位置称为上止点，

16、距离的位置称为上止点，( (图图1 13)3)； 2 2、下止点（、下止点（BDCBDC）：）： 活塞离曲轴中心最小距活塞离曲轴中心最小距离的位置称为下止点。离的位置称为下止点。 注意：在上、下止点时，注意：在上、下止点时，活塞的运动方向改变，同活塞的运动方向改变，同时它的时它的速度等于零速度等于零。4 4、气缸工作容积、气缸工作容积V V h h ：在一个气缸中，在一个气缸中，活塞从活塞从上止点到下止点上止点到下止点所扫过的容积称所扫过的容积称为为气缸工作容积气缸工作容积V V h h 。如气缸直径如气缸直径D D和活和活塞行程塞行程s s都以都以mmmm为单位，则以为单位，则以L L（升）

17、为升）为单位的气缸工作容积可用下式计算：单位的气缸工作容积可用下式计算：LiS104DV62h3 3、行程、行程s(stroke)s(stroke)： 上止点与下止点间的距离称为活塞行上止点与下止点间的距离称为活塞行程程s s。由图由图1 13 3可见，活塞行程可见，活塞行程s s等于曲柄等于曲柄半径半径r r的两倍，即的两倍，即: : S=2rS=2r5、内燃机的总排量内燃机的总排量V VH H：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V H = V h i= i ( L )8、压缩比压缩比：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

18、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。 SxD621046、燃烧室容积燃烧室容积VcVc：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、气缸总容积气缸总容积VaVa：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 + VccaVV 四冲程汽油机四冲程汽油机 : : 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 1、曲柄连杆机构、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曲柄连杆机构是内

19、燃机的基本机构本机构。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 2、配气机构、配气机构 配气机构的功用是使燃油与空气所组成的配气机构的功用是使燃油与空气所组成的可燃混合气可燃混合气可以在一定的时刻被可以在一定的时刻被吸进吸进气缸，并气缸，并使燃烧后的使燃烧后的废气废气可以在一定的时刻被可以在一定的时刻被排出排出。配配气机构包括进气门、排气门、挺柱、推杆、摇气机构包括进气门、排气门、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴以及凸轮轴等。臂、摇臂轴以及凸轮轴等。二行程内燃机的配二行程内燃机的配气机构有所不同。气机构有所不同。 气门的开闭是由

20、凸轮轴上的凸轮控制的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置形式主要有侧置式( (顺装气门顺装气门) )和顶置式和顶置式( (倒倒装气门装气门) )两种。两种。 3 3、供给系、供给系 供给系的功用是供给系的功用是供给供给气缸气缸空气和燃油空气和燃油( (可燃混合可燃混合气气) )，并排出燃烧后的废气。，并排出燃烧后的废气。 化油器式汽油机工作时，化油器式汽油机工作时，汽油泵汽油泵将汽油箱中的将汽油箱中的汽油吸出，经汽油滤清器滤清后汽油吸出，经

21、汽油滤清器滤清后压送到化油器压送到化油器；同；同时时空气空气经空气滤清器滤清后也经空气滤清器滤清后也进入化油器进入化油器。在化油。在化油器中汽油被喷散，并在很大的程度上被蒸发，汽油器中汽油被喷散，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。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。燃烧形成的废气经排气管和排气消声器排人大气。4 4、点火系、点火系 混合气在气缸内被压缩后要用电火花来点火。混合气在气缸内被压缩后要用电火花来点火。供给低压电流的供给低压电流的电源电源( (蓄电池和发电机蓄电池和发电机) )，将，将低压电低

22、压电流变为高压电流的设备流变为高压电流的设备( (点火线圈和断电器点火线圈和断电器) )，以及，以及将将高压电流分配高压电流分配给火花塞给火花塞( (装在气缸盖上装在气缸盖上) )的设备的设备( (分分电器电器) )组成汽油机的点火系。组成汽油机的点火系。 5 5、润滑系、润滑系 润滑系的功用是向内燃机的摩擦零件供给润滑油润滑系的功用是向内燃机的摩擦零件供给润滑油，以减，以减少零件磨损和零件间的摩擦阻力。润滑系包括少零件磨损和零件间的摩擦阻力。润滑系包括油底壳、机油油底壳、机油泵、机油滤清器、机油管路和通道以及机油标尺等。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

23、和飞溅内燃机的运动件就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。得到了润滑。6 6、冷却系、冷却系 冷却系的功用是将内燃机受热零件的冷却系的功用是将内燃机受热零件的热量传出热量传出，以保持，以保持内燃机正常的工作温度内燃机正常的工作温度( (水温约水温约808090)90)。 多数内燃机采用水、风复合冷却系，它包括气缸周围和多数内燃机采用水、风复合冷却系，它包括气缸周围和气缸盖中的水套、散热器气缸盖中的水套、散热器( (水箱水箱) )、水泵和风扇。由于水泵的、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，而内燃机需要作用，冷却水就在水套和散热器间循环流动，而内燃

24、机需要散出的热量则通过风扇和散热器散入大气中。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）或纯风冷却方式发式水冷柴油机）或纯风冷却方式( (小型汽油机小型汽油机) )。 7 7、起动装置、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、传动机起动机、传动机构和操纵机构构和操纵机构等。为便于起动，有的内燃机上还设有起动辅助装置。 四冲程柴油机四冲程柴油机的构造除的构造除点火系点火系

25、和和供给系供给系外，外，与汽油机的大体相同。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柴油机是用气缸内空气被压缩后的高温来发火的火的( (压缩着火压缩着火) )，所以，所以没有点火系没有点火系。柴油机的燃。柴油机的燃油供给部分也和汽油机的不同。在柴油机中是用油供给部分也和汽油机的不同。在柴油机中是用输油泵输油泵将柴油箱中的柴油将柴油箱中的柴油吸出吸出，经柴油滤清器滤，经柴油滤清器滤清后送到喷油泵，清后送到喷油泵，喷油泵再将柴油以很高的压力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入气缸压出经高压油管由喷油器喷入气缸。 一、内燃机的工作循环和示功图一、内燃机的工作循环和

26、示功图 1 1、内燃机的工作循环、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每一次工作循环都包括进气、压缩、燃烧进气、压缩、燃烧膨胀和排气膨胀和排气等等4 4个过程个过程。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 2、内燃机工作循环示功图、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气缸内气体内气体压力压力和相当于活塞不同位置时的和相当于活塞不同位置时的气缸容积气缸容积V V之间的之间的变化关

27、系变化关系图图( (P-VP-V图图) )。此图能表示一个工作循环中气体在气缸内所作的功，所以称为示功图示功图。四冲程化油器式汽油机的结构简图和P-V示功图。进进气气排排气气压压缩缩1 1进气过程进气过程 在进气过程中，活塞从上止点向下止活塞从上止点向下止点移动，进气门开启，排气门关闭点移动，进气门开启，排气门关闭 可燃混合气充满气缸的程度可用可燃混合气充满气缸的程度可用充量系数充量系数v v来表示。来表示。充量系数是每工作循环实际进入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气缸的新气质量与理论上可充入气缸的新气质量之比。质量之比。汽油机的充量系数约为0.700.85

28、。充量系数较大，表明进入气缸的可燃混合气的量较多，因而内燃机的功率也可以较大。 2 2压缩过程压缩过程 在进气过程终了后在进气过程终了后，进、排气门都关闭，进、排气门都关闭，曲轴继续旋转曲轴继续旋转，活塞自下止点向上止点移动，活塞自下止点向上止点移动，将气缸中的混合气压缩，进行将气缸中的混合气压缩，进行压缩过程。压压缩过程。压缩过程在示功图上以缩过程在示功图上以曲线曲线acac表示。表示。压缩终了压缩终了时气体的压力和温度主要视压缩比的大小而时气体的压力和温度主要视压缩比的大小而定，压力约为定，压力约为0.85-20.85-2MPaMPa，温度可达温度可达600-600-700700K K。

29、压缩比愈大，压缩终了时混合气的压力压缩比愈大，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；烧过程的最高温度和压力就愈高； 3.3.燃烧燃烧膨胀过程膨胀过程 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上止点前，火花塞发出电火花，将混合气点燃点燃。燃烧燃烧膨胀过程膨胀过程; ;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温度和压力骤增(这时进、排气门都进、排气门都是关闭的是关闭的)。在气体压力的作用下，活塞向下止点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。移动

30、，井通过连杆使曲轴旋转而作功。 4. 4.排气过程排气过程 排气过程中，活塞由下止点向上止点移动，活塞由下止点向上止点移动，排气门开启排气门开启，进气门进气门保持保持关闭关闭 。示功图上的示功图上的曲曲线线brbr表示排气过程表示排气过程。残余废气约占进入气缸的新鲜混合气的5-15(以质量计) 四冲程柴油机和汽油机样，每个工作循环也经历进气、压缩、燃烧进气、压缩、燃烧膨胀和排气膨胀和排气4 4个过程个过程。其工其工作过程与汽油机的不同，在于可燃混合气的形成和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着火的方法。在在柴油机中吸进和压缩的是空气柴油机中吸进和压缩的是空气，燃燃油以很高的

31、压力被喷入压缩后的油以很高的压力被喷入压缩后的高温空气高温空气中形成混中形成混合气而自行着火燃烧。合气而自行着火燃烧。 柴油机充量系数较汽油机的为大充量系数较汽油机的为大，高速柴油机的v = 0.750.90。柴油机是柴油机是压缩着火压缩着火的，为使喷入为使喷入气缸的柴油可以迅速着火燃烧，空气被压缩后的温气缸的柴油可以迅速着火燃烧，空气被压缩后的温度必须度必须大大高于柴油的自燃温度大大高于柴油的自燃温度。因此柴油机需采柴油机需采用用较大的压缩比较大的压缩比(12-22) 四冲程内燃机在四个行程中只有一个行程四冲程内燃机在四个行程中只有一个行程是作功的，其他是作功的，其他3 3个则是准备的行程。

32、个则是准备的行程。作功行程作功行程中内燃机的转速将大于其他中内燃机的转速将大于其他3 3个行程中内燃机的个行程中内燃机的转速，所以单缸内燃机的工作是转速，所以单缸内燃机的工作是不平稳不平稳的。的。 四、柴油机与汽油机工作原理的不同：四、柴油机与汽油机工作原理的不同：1 1、着火方式不同：、着火方式不同：汽油机是汽油机是点燃式点燃式，柴油机是，柴油机是压燃式压燃式；2 2、可燃混合气形成方式不同：、可燃混合气形成方式不同： 汽油机是汽油机是气缸外部化油器内均匀混合气缸外部化油器内均匀混合（传统化油器（传统化油器式和现代轿车进气管内电控汽油喷射式），式和现代轿车进气管内电控汽油喷射式），柴油机是柴

33、油机是气缸内部燃烧室内不均匀混合气缸内部燃烧室内不均匀混合；（均匀性体现在燃料；（均匀性体现在燃料的蒸发性、混合气形成时间的长短）的蒸发性、混合气形成时间的长短）3 3、发动机功率调节方式不同：、发动机功率调节方式不同： 汽油机是通过汽油机是通过调节节气门开度的大小调节节气门开度的大小改变可燃混合改变可燃混合气的数量而改变发动机功率的大小气的数量而改变发动机功率的大小，属属“量量”的调节；的调节；柴油机是通过改变喷油泵每循环的供油量即柴油机是通过改变喷油泵每循环的供油量即改变每循环改变每循环喷入气缸内的燃油量喷入气缸内的燃油量，从而改变可燃混合气的浓度而改，从而改变可燃混合气的浓度而改变发动机

34、功率的大小，属变发动机功率的大小，属“质质”的调节。的调节。 五、柴油机与汽油机性能比较：五、柴油机与汽油机性能比较： 汽油机具有汽油机具有转速高转速高（轿车高达（轿车高达5000500060006000r/minr/min）、）、质量小、工作柔和、起动容质量小、工作柔和、起动容易、制造成本低和维修方便易、制造成本低和维修方便等优点，不足之处是等优点，不足之处是燃油消耗率较高，燃油经济性较差燃油消耗率较高，燃油经济性较差，适用于适用于轿车轿车型型乘做人员车辆；乘做人员车辆； 柴油机柴油机燃油消耗率较汽油机低燃油消耗率较汽油机低30%30%左右左右，且，且柴油价格低柴油价格低，所以所以燃油经济性

35、好燃油经济性好，而且而且输出扭矩输出扭矩较大，但冷起动困难、工作粗暴、工作转速较低较大，但冷起动困难、工作粗暴、工作转速较低（一般（一般40004000r/minr/min以下）、以下）、制造成本高、维修困制造成本高、维修困难，适用于运输型汽车。难，适用于运输型汽车。六、二冲程内燃机工作循环和结构特点六、二冲程内燃机工作循环和结构特点 1 1、工作循环特点：、工作循环特点：二冲程内燃机的工作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完成的。它和四冲程内燃机不同之处在于它它只有只有压缩和作功压缩和作功两个主行程两

36、个主行程，而其，而其进气进气和排气是在活塞处于下止点附近、以和排气是在活塞处于下止点附近、以减小减小部分压缩行程和损失部分作功行程为代价部分压缩行程和损失部分作功行程为代价来完成的来完成的，完成时间短，一般要通过提前，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。排气和随后的强制扫气、排气来实现。 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。气口气口- -气门式：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； 特点：每转都作功，运转平稳，构造简单，质量特点：每转都作功，

37、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，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，热负荷较高经济性较差；作功频率大，热负荷较高。2 2、二冲程柴油机的工作原理、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，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；制造维护方便。没有燃料损失，经济性较好；概述：概述：1 1、表征内燃机性能的指标很多、表征内燃机性能的指标很多，主要有动力性动力性能指标能指标(指功率、扭矩、转速等)、经济性能指经济性能指标标(指燃料油和润滑油消耗率)、运转性能指标

38、运转性能指标(指冷起动性能、噪声和排气品质等)、可靠性可靠性与耐久性指标与耐久性指标等。2 2、内燃机的动力性能和经济性能指标有两种、内燃机的动力性能和经济性能指标有两种：一一种是以气缸内工质对活塞作功为基础的指标，称为种是以气缸内工质对活塞作功为基础的指标，称为指示指标指示指标，并以下标下标i i来表示。它只能评定工作循工作循环环进行的好坏；另一种是以另一种是以内燃机功率输出轴上得内燃机功率输出轴上得到的净功率为基础的指标到的净功率为基础的指标，称为，称为有效指标有效指标，并以下下标标e e来表示。它能够评定整台内燃机性能整台内燃机性能的优劣。一、指示功和平均指示压力1 1指示功指示功W W

39、i i 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. 2.平均指示压力平均指示压力P Pi i 平均指示压力是指平均指示压力是指单位气缸工作容积单位气缸工作容积一个工作一个工作循环所作的循环所作的指示功指示功。平均指示压力。平均指示压力p pi i是从实际循环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。的角度来评价内燃机气缸工作容积利用率高低数。p pi i值愈高，表明同样大小的气缸工作容积所发出的值愈高，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，它是衡指示功愈大、气缸工作容积度愈高。因此，

40、它是衡量内燃机实际循环量内燃机实际循环动力性能动力性能方面的一个方面的一个重要指标重要指标。 第一节 指示指标二、指示功率二、指示功率N Ni i 内燃机单位时间内所作的指示功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是用以评价内燃机实际工作循环经济性能经济性能的重要指标的重要指标，它们表示了实际循环所消耗燃料，它们表示了实际循环所消耗燃料热量的利用品质。热量的利用品质。 1 1指示热效率指示热效率 指示热效率是内燃机实际循环的指示热效率是内燃机实际循环的指示功指示功与与所消耗的所消耗的燃料热量燃料热量之比值之比值。

41、 2 2指示燃油消耗率指示燃油消耗率 指示燃油消耗率是指指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油量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通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示 第二节第二节 有效指标有效指标 一、有效功率和机械效率一、有效功率和机械效率 1 1、机械损失功率和有效功率、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、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泵气损失和驱动附件的损失等称机械损失功率机械损失功率。内。内燃机的指示功率减去机械损失功率所得到的是功率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

42、功率输出轴上所能输出的净功率，即即有效功率有效功率。 2 2机械效率机械效率 有效功率与指示功率之比称为机械效率有效功率与指示功率之比称为机械效率m m。二、平均有效压力和升功率二、平均有效压力和升功率 1 1平均有效压力平均有效压力 平均有效压力是内燃机每工作循环中平均有效压力是内燃机每工作循环中单位单位气气缸缸工作容积工作容积所发出的所发出的有效功有效功。它是从内燃机实际。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。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，平均机械

43、损失压力是内燃机，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。可以用来衡量内燃机机械损失的大小。 2 2升功率升功率 升功率升功率N Ni i是指在标定工况下，内燃机是指在标定工况下，内燃机每升气每升气缸工作客积所发出的有效功率缸工作客积所发出的有效功率。值愈大，则内燃。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。尺寸愈小、结构愈紧凑。 三、有效热效率和有效燃油消耗率三、有效热效率和有效燃油消耗率1 1有效热效率有效热效率

44、 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 2有效燃油消耗率有效燃油消耗率g ge e 有效燃油消耗率是指单位有效功的耗油量。通常用有效1 1kWkWh h所消耗的燃油量来表示。 第三节第三节 内燃机其他技术指标及提高方法内燃机其他技术指标及提高方法 一、技术指标一、技术指标 1 1、紧凑性指标、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紧凑性指标是用来表征内燃机总体设计紧凑程度的指标度的指标，通常用比质量比质量和单位体积功率单位体积功率来表示。 1 1）比质量）比质量 比质量比质量( (g gN N) )是指内燃机的是指内燃机的净质量净质量与与标定功率标定

45、功率的的比值。比值。 所谓所谓净质量净质量是指不包括燃油、润滑油、冷却液、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。的附件的质量。 比质量的大小和内燃机类型、主要机构的结构、比质量的大小和内燃机类型、主要机构的结构、附件的大小、所用材料及制造技术有关。不同用途附件的大小、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。的内燃机对于比质量的要求也不同。比质量值小，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

46、率较大的内燃机。内燃机也都是强化程度高、升功率较大的内燃机。2 2）单位体积功率）单位体积功率 单位体积功率（单位体积功率（NvNv）是指内燃机的标定功率是指内燃机的标定功率与内燃机的外廓体积的比值。与内燃机的外廓体积的比值。 2强化指标强化指标 强化指标是指内燃机强化指标是指内燃机承受承受热负荷热负荷和和机械负荷机械负荷水水平的指标。平的指标。通常用平均有效压力平均有效压力p pe e，活塞平均速度活塞平均速度CmCm（或强化系数）和升功率或强化系数）和升功率来衡量。 1 1）活塞平均速度）活塞平均速度： 活塞平均速度（活塞平均速度（Cm）是在标定转速下，曲）是在标定转速下，曲轴每一转的两个

47、行程中活塞运动速度的平均值。轴每一转的两个行程中活塞运动速度的平均值。 Cm值愈高值愈高，表明，表明内燃机的功率和升功率愈高内燃机的功率和升功率愈高，但，但内燃机所受的机械负荷和热负荷也愈大。内燃机所受的机械负荷和热负荷也愈大。 2 2）强化系数）强化系数 平均有效压力和活塞平均速度的乘积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)， 它一方面代表了它一方面代表了内燃机功率和转速的强化内燃机功率和转速的强化，表征，表征了性能指标的先进性；另一方面又代表了内燃机所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，将受的热负荷和机械负荷的大小，将影响

48、到内燃机的影响到内燃机的使用寿命和工作可靠性使用寿命和工作可靠性。 3、运转性指标、运转性指标 运转性指标是指内燃机起动性起动性、加速性加速性的好坏、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 4、可靠性指标、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不停车故障次数、停车故障次数次数、停车故障次数及更换更换主要零件和非主要零件零件数数来表示。 5 5、耐久性指标、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

49、标的基二、提高内燃机动力性能指标和经济性能指标的基本途径本途径1 1采用采用增压技术增压技术特别是特别是废气涡轮增压废气涡轮增压技术技术 2 2合理组织合理组织燃烧过程燃烧过程，提高，提高循环指示效率循环指示效率 3 3改善换气过程，提高改善换气过程，提高充量系数充量系数 4 4提高提高内燃机的内燃机的转速转速n n5 5提高内燃机的提高内燃机的机械效率机械效率 6 6采用二冲程来采用二冲程来提高升功率提高升功率 曲柄连杆机构的功用功用：热功转换（热热功转换（热- -活塞）；活塞）；运动形式转换（活塞运动形式转换（活塞- -曲轴）。曲轴）。 曲柄连杆机构的组成：组成：固定件固定件（机体零件组）

50、和运动件运动件（活塞连杆组和曲轴飞轮组）。 第一节第一节 固定件固定件 固定件包括气缸盖、气缸垫、气缸体、气缸套和油底壳等。图图3 3-1-1所示为一种汽油机的固定件。1 1气缸体气缸体 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。一体，称为气缸体。 风冷式内燃机风冷式内燃机通常采用单体气缸结构，其气缸体与曲轴通常采用单体气缸结构，其气缸体与曲轴箱分开制造。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，为使内燃机得到充分冷却，在气缸体和气缸盖外表面铸有许多散热片( (图图3 34)4)，以增加散热面

51、积。2 2、气缸与气缸套、气缸与气缸套气缸套有干式和湿式两种，如图气缸套有干式和湿式两种，如图3 35 5所示所示 干式缸套干式缸套(图图3 35 5a a)是壁厚为13mm的薄壁圆筒，其特点是缸套的外表面不与冷却水直接接触。 湿式缸套湿式缸套(图图3 35 5b b)是壁厚为59mm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构成燃烧室； 2 2气缸盖的特点气缸盖的特点 结构复杂结构复杂，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

52、及机械加工工艺复杂加工工艺复杂，要求高；特别是四行程内燃机； 多缸内燃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气缸盖螺栓的拧紧应由中央向四周中央向四周均匀均匀交替地逐次进行交替地逐次进行 四、油底壳四、油底壳图图3-8 3-8 油底壳功用功用：油底壳(下曲轴箱)的功用是储存润滑油储存润滑油，并密封密封曲轴箱。油底壳外面设有散热片散热片，用来加强对润滑油的冷却润滑油的冷却，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

53、连杆组由活塞、活塞环、活塞销及连杆等组成。图图3 39 9所示为国产135系列柴油机的活塞连杆组。第二节第二节 活塞连杆组活塞连杆组图图3-9 活塞连杆组活塞连杆组第第1道气环道气环第第2道气环道气环组合油环组合油环活塞销活塞销活塞活塞连杆连杆连杆螺栓连杆螺栓连杆轴瓦连杆轴瓦连杆盖连杆盖工作条件及要求：工作条件及要求：a a、活塞直接承受燃气的活塞直接承受燃气的高温和高压高温和高压。因此，活塞必须有。因此，活塞必须有足够足够的强度、刚度和足够的耐热性的强度、刚度和足够的耐热性；C C、活塞是在高温、高压、高速活塞是在高温、高压、高速( (活塞平均速度可达活塞平均速度可达10-1510-15m

54、ms)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，重。为了减小磨损，活塞表面必须耐磨活塞表面必须耐磨。b b、活塞在气缸中的运动是活塞在气缸中的运动是不等速的高速往复直线运动，会产不等速的高速往复直线运动，会产生往复惯性力生往复惯性力。往复惯性力的大小与活塞的质量及内燃机的曲。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，为了轴转速有关，为了减小往复惯性力减小往复惯性力，必须尽可能地减轻活塞的，必须尽可能地减轻活塞的质量。质量。 一、活塞 1 1活塞的功用、工作条件及对活塞的要求活塞的功用、工作条件及对活塞

55、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，活塞是内燃机中活塞是内燃机中工作强度最高工作强度最高的机件之一。的机件之一。2 2活塞的结构特点活塞的结构特点 活塞的基本构造可分为活塞的基本构造可分为顶部、头部、裙部和销座顶部、头部、裙部和销座4 4部分。部分。(1)(1)顶部：它是构成顶部：它是构成燃烧室燃烧室的一部的一部分，其结构形状与内燃机及燃烧分，其结构形状与内燃机及燃烧室的型式有关。室的型式有关。(2)(2)头部：活塞头部壁厚，在它上头部：活塞头部壁厚，在它上面切有活塞环槽。安装有活塞环、面切有活塞环槽。安装有活塞环、密封环，实现隔热，密封，润滑。密封环，实现隔热，密封

56、，润滑。 (3)(3)销座：销座用以安装活塞销。销座：销座用以安装活塞销。 (4)(4)裙部：活塞头部最低一道环槽裙部：活塞头部最低一道环槽以下的部分称为裙部。它的作用以下的部分称为裙部。它的作用是为是为活塞导向活塞导向并将活塞的并将活塞的侧向力侧向力传给气缸壁。传给气缸壁。 二、活塞环二、活塞环 1.1.活塞环的功用、工作条件和对活塞环要求活塞环的功用、工作条件和对活塞环要求 活塞环按其主要功用的不同，分为气环气环和油油环环两种。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

57、；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：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：要求：A A、足够的弹力足够的弹力-密封、传热和刮油；密封、传热和刮油；B B、足够的机械强度和弹性足够的机械强度和弹性-耐高温耐高温; ;C C、耐磨性耐磨性-延长工作寿命。延长工作寿命。D D、便于加工。便于加工。 2 2活塞环的结构活塞环的

58、结构 结构：结构：开口的圆环开口的圆环。在自由状态时，环的外。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在缸壁上，此时开口处应保留有- -定的间隙定的间隙( (称为称为开口间隙或端隙，通常汽油机为开口间隙或端隙，通常汽油机为0.2-0.60.2-0.6mmmm，柴柴油机为油机为0.4-0.80.4-0.8mm)mm)，以以防止活塞环受热膨胀防止活塞环受热膨胀时卡时卡死在气缸中。活塞环装入环槽后，在高度方向也死在气缸中。活塞环装入环槽后，在高度方向也应有一定的间隙应有一定的间隙( (称为侧隙或边隙，通常汽油

59、机称为侧隙或边隙，通常汽油机为为0.040.040.080.08mmmm，柴油机为柴油机为0.080.08一一0.160.16mm)mm)。当当活塞环安装在活塞上时，应按规定将活塞环安装在活塞上时，应按规定将各环的开口各环的开口处互相错开处互相错开( (一般是互相错开一般是互相错开180180。或或120120。) )，以以免漏气免漏气3 3、气环的封气原理：、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

60、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 4、气环常见的断面形状：、气环常见的断面形状：矩形矩形 锥面形锥面形 扭扭曲形曲形 梯形梯形 桶面形桶面形 三、活塞销三、活塞销 1 1、功用、功用 活塞销用来连接活塞和连杆，它承受活塞运动活塞销用来连接活塞和连杆，它承受活塞运动时的往复时的往复惯性力惯性力和和气体压力气体压力，并传递给连杆。，并传递给连杆。 2 2、工作条件、工作条件 活塞销在高温下承受很大的活塞销在高温下承受很大的周期性冲击负荷周期性冲击负荷，且润滑条件较差且润滑条件较差( (一般靠飞溅润滑一般靠飞溅润滑) )。 3 3、要求、要求 强度高，其强度高