工程概论内燃机

1、工程概论期末作业内燃机功能剖析班级：学号：姓名： 2016年 6 月 1 日目录1.内燃机概述31.1内燃机的发展概况51.2内燃机的工作原理72、内燃机的组成机构92.1内燃机运动原理92.2内燃机运动传递路线图102.3 内燃机包含的基本机构112.3.1 曲柄滑块机构122.3.2 齿轮机构132.3.3 凸轮机构143、内燃机的设计及分析163.1 内燃机的设计流程163.2内燃机的性能分析174、内燃机与同类机械的比较184.1与汽轮机的比较184.2与蒸汽机的比较191.内燃机概述内燃机是发动机的一种。发动机是把某种形式的能转变为机械功的机器，将燃料中的化学能经过燃烧过程转变为热能

2、，井通过一定的机构使之再转化为机械功的发动机称为热力发动机(简称热机)。如燃料的燃烧是在产生动力的空间(通常就是气缸)中进行的这种热机就称为内燃机。内燃机根据活塞的运动方式可分为往复活塞式和旋转活塞式两种汽车和工程机械多以往复活塞式内燃机为动力，本文所说的内燃机(或发动机)即指此种内燃机。内燃机的分类方法很多，但常用的有按燃料、用途、着火方式、气缸布置形式进行分类。1按燃料分有汽油机、柴油机、煤气机、气体燃料及多种燃料发动机等。2.按着火方式分有压缩着火(压燃式)和强制点火(点燃式)两类。3按冷却方式分有水冷式和风冷式两种。汽车和工程机械用内燃机多数是水冷式的。4按工作循环所需行程数及进气状态

3、分 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，按照进气状态分类，内燃机又有非增压式和增压式之分。5按气缸布置形式分 有直列式、V型、卧式、对置式等，如图11所示。图1-1 气缸布置分类6按用途分可分为汽车用、工程机械用、农用、拖拉机用、发电用、机车用、船舶用、摩托车用、坦克用等内燃机。7其他，除以上方式分类外，还可按转速来分，有高速、中速和低速等几种，按气缸数来分有单缸、双缸、多缸内燃机。与其它热机相比，内燃机的优点是：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

4、是热效率最高的热机，最高有效热效率已达46；功率范围宽广。现代汽油机单机最小功率0.59kW，而柴油机单机最大功率已达40600kW，故适用范围大；结构紧凑、比质量幸较小、便于移动；起动迅速、操作简便，并能在起动后很快达到全负荷运行。与其它热机相比，内燃机的缺点是：对燃料要求较高高速内燃机一般均使用汽油或轻柴油，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；排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；结构较复杂，零部件加工精度要求较高。 内燃机(往复活塞式)的应用范围非常广泛。地面上各种运输车辆(汽车、

5、拖拉机、内燃机车等)，矿山、石油、建筑及工程等机械，农业机械、林业机械和发电站等方面大量使用内燃机为动力。水上运输可作内河及海上船舶的主机和辅机。在航空方面，一些小型民用飞机还采用内燃机作动力。内燃机还广泛使用在军事装备上，如坦克、装甲车、步兵战车、重武器牵引车以及各种水面舰艇及潜水艇等方面都大量使用内燃机。1.1 内燃机的发展概况早在1700年，英国人纽卡姆就制成了蒸汽机。1763年英国人詹姆斯瓦特(JamesWatt)改良了纽卡姆蒸汽机，使蒸汽机进人了实用阶段，这一重大发明在当时促成了欧洲的工业革命。1876年德国工业家尼古拉斯奥托(Nicolaus AOtto)创制了按等容燃烧，用电火花

6、点火的四冲程煤气机，其功率为4马力，压缩比为25，这种发动机的热效率提高到了14，这是世界上第一台按四冲程循环工作的内燃机。但是，由于煤气机必须使用气体燃料，而当时气体燃料的来源比较困难，这就阻碍了煤气机的进一步发展。1885年德国人戈特利布戴姆勒(Gottlieb Daimler)仿照四冲程煤气机的工作原理制成了第一台汽油机，并于1886年使第一台用汽油机驱动的汽车问世。与此同时，德国工程师卡尔奔驰(Karl Benz)也于1886年1月20日向德国帝国专利局申请了他发明的汽车专利，同年11月2日专利局批准了他的发明，并颁发了专利证书。由于汽油机具有轻小价廉、运转平稳及起动、使用简便等优点，

7、便迅速在运输车辆上得到了广泛应用。接着在1890年英国的克拉克(Dugald Clerk)和罗伯逊(James Robson)、德国的卡尔奔驰(Karl Benz)成功地发明了二冲程内燃机。目前二冲程和四冲程内燃机在不同的领域中都得到了广泛的应用。为了研制使用廉价燃料的发动机，并进一步提高发动机的热效率，1892年德国工程师鲁道夫狄塞尔(Rudolf Diese)首先提出了柴油机的工作原理。他在发明专利中写道：“在气缸中的纯空气将被活塞强烈地压缩，致使它所产生的温度远超过所使用的燃料的自燃温度，而燃料的喷入气缸是在活塞越过上止点之后进行的”。一般说来，现代的柴油机基本上是按照这一原理工作的。后

8、来他继续对发动机进行研究，改用煤油作燃料，采用了较高的压缩比和压缩着火方式，并将等温燃烧过程改为等压燃烧过程，终于在1897年研制成了世界上第一台柴油机(当时为煤油机)。早期柴油机的燃料是靠压缩空气将其喷入气缸的。1922年德国的罗伯特波许(RobertBosch)公司研制出燃料机械喷射装置。此后，这种机械喷油装置就完全代替了燃料的空气喷射，这就给柴油机在交通运输中的广泛应用提供了可能性，从此，柴油机开始了迅速的发展。柴油机增压的设想早在1892年鲁道夫狄塞尔发表柴油机理论时就提出来了，当时他指出：“在单缸机上安装增压泵和进气室，这样改变了进气室中的空气压力，就能改变输出功率”。1911191

9、4年瑞士工程师艾尔弗雷德比希(Alfred Buchi)首先提出柴油机废气涡轮增压的理论，并于1915年进行了试验。1925年他又以“脉冲增压”获得瑞士专利。1926年废气涡轮增压技术开始用于四冲程柴油机，1942年以后在低速、船用二冲程柴油机上陆续采用。增压技术可以有效地提高柴油机的平均有效压力，从而大幅度地提高柴油机的有效功率。内燃机自发明以来一直把提高动力性，改善经济性以及提高可靠性和耐久性作为努力的目标，不断地进行研究改进。但是，随着车用内燃机生产量和保有量的迅速增加，汽车对环境的污染越来越严重。1961年美国开始规定轿车的排气标准，1970年美国加利福尼亚州决定对载重卡车用柴油机排放

10、的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物从1973年和1975年起分两个阶段进行限制，接着在欧洲、日本和我国都相应制定了汽车排放法规，并且这些法规将越来越严格。此外，由于从1973年10月开始，石油输出国大幅度地提高石油价格，从而引起各国对发动机燃油经济性的重视。为了减少内燃机对日益短缺的石油基燃料的依赖，各国正在进行内燃机燃用代用燃料的研究工作，以逐步取代汽油和柴油，如燃用天然气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油以及二甲基醚(CH，OCH。)等。这些严峻的问题给全世界的内燃机研究者和制造公司提出了新的要求，使内燃机传统的研究目标发生了根本性的变化。除了继续提高其动力性、可靠性、耐久性外，主要的研究目

11、标将是净化废气，降低噪声，降低燃油消耗率和采用多种燃料。1.2内燃机的工作原理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、燃烧一膨胀和排气等四个过程。四冲程内燃机的工作循环是在曲轴旋转两周，即四个行程中完成的，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。由于四冲程和二冲程内燃机工作原理相似，本文讨论四冲程内燃机的工作原理。图1-2为单缸四冲程柴油机工作循环原理图。图1-2 单缸四冲程柴油机工作循环原理图1) 进气过程(图12a)活塞从上止点向下止点移动，这时在配气机构的作用下进气门打开，排气

12、门关闭。由于活塞的下移气缸内容积增大，压力降低，新鲜空气经滤清器、进气管不断吸入气缸。由于进气系统存在阻力，使进气终了气缸内的气体压力低于大气压力P0。(约7891 kPa)，温度为5070。2) 压缩过程(图12b)活塞由下止点向上止点运动，这时进、排气门关闭。气缸内容积不断减少，气体被压缩，其温度和压力不断提高。压缩终了时气体压力可达35MPaMPa，温度高达7501 000 K，为喷人气缸内的柴油蒸发 混合和燃烧创造条件。3) 作功过程(图12c)在压缩过程即将终了时，喷油器将柴油以细小的油雾喷人气缸，在高温、高压和高速气流作用下很快蒸发。与空气混合，形成混合气。并在高温下自动着火燃烧，

13、放出大量的热量，使气缸中气体温度和压力急剧上升，燃烧气体的最大压力可达69 MPa，最高温度可达1 8002 000 K。高压气体膨胀推动活塞由上止点向下止点移动，从而使曲轴旋转对外作功。4) 4排气过程(图l一2d) 作功过程结束后，排气门打开，进气门关闭。活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动，燃烧过的废气便依靠压力差和活塞上行的排挤，迅速从排气门排出。由于排气系统有阻力，因此，排气终了时，气缸内废气压力略高于大气压力。气缸内残余废气的压力约为0105012 MPa，温度约为700900 K。当活塞再次向下移动时，又开始了新的工作循环。活塞经过上述四个连续过程后，便完成了一个工作循环。当活

14、塞再次由上止点向下止点运动时，又开始下一个工作循环。这样周而复始地继续下去。2、内燃机的组成机构2.1内燃机运动原理内燃机的动力源为燃料在气缸内燃烧后释放的热能，通过合理的设计气缸和燃烧状况，可以使燃料的化学能高效率的转化为热能。在燃烧做功过程中，释放的热能推动活塞运动，从而带动曲柄连杆运动，曲柄将机械能传递到其他动件，如齿轮或轴件。整个运动过程能量转化过程为化学能热能机械能，根据热力学规律可知，化学能并不能完全转化为热能。由热力学第二定律可知，热能并不能完全转化为机械能，有一部分转化成了低质量的热能。运动循环中活塞为初始动力的输入，其动力来源于热能，连杆与活塞相连，活塞在上止点到下止点的运动

15、过程中，将机械能传递给了连杆。连杆又将机械能传递给了与其相连的曲柄，最后曲柄通过齿轮或其他动件将机械能传递出去，从而带动其他构件的运动。2.2内燃机运动传递路线图内燃机通过曲柄连杆机构将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动使气缸内燃油燃烧时所产生的热能转变为机械能。在曲柄连杆机构的主要零件中，曲轴作圆周旋转运动，活塞作往复直线运动，连杆作复杂的平面运动。运动传递图见2-1所示，内燃机内部动件如图2-2所示。图2-1 运动传递示意图图2-2 内燃机内部动件示意图2.3 内燃机包含的基本机构图2-3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。活塞

16、可在气缸内上下往复运动。活塞销穿过活塞相和连杆的上端，使活塞和连秆成为铰链似的连接。连杆下端套在曲轴弯曲部分的曲柄销(连杆抽颈)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，曲铀每转一周，活塞向上向下各行一次(两个行程)。活塞离曲轴中心最大距离处叫上止点，离曲轴中心最小距离处叫做下止点，活塞在上止点与下止点之间循环做往复直线运动。图2-3 内燃机的基本机构2.3.1 曲柄滑块机构曲柄滑块机构是内燃机中最重要的组成部分之一,也是构成往复运动活塞式内燃机的基础机构。该机构是在高压下作变速运动,其工作过程中的受力

17、情况非常复杂。曲柄与滑块依靠中间件连杆进行动力传递。图2-4为曲柄滑块机构简图。图2-4 曲柄滑块机构简图该机构中的滑块由活塞充当，其主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力。并将燃挠气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外做功。连杆由连杆体(大头、小头和杆身)、连杆盖、连杆轴瓦、连杆衬套和连杆螺拴等组成，连杆把活塞和曲柄连接起来组成曲柄连扦滑块机构将活塞的往复直线运动转换为曲柄的旋转运动，并将活塞上的压力传递给曲柄。曲柄是内燃机最重要的部件之一，其功用是将活塞、连杆传来的气体压力转变成为转矩，并传递给其他工作机构；同时通过连杆驱动活塞完成进气、压缩和排气工作过程，带动辅助助机构工作。 曲柄受周

18、期性变化的气体压力、运动惯性力及其他力矩的共同作用承受交变弯曲和扭转载荷。而且由于曲柄形状复杂、应力集中严重易产生大小和性质不同的疲劳应力严重时合造成材料的疲劳破坏。因此曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度。2.3.2 齿轮机构齿轮机构是内燃机中一种重要传动机构，它可以用来传递空间任意两轴间的运动和动力。与其它传动机构相比，齿轮机构的优点是：结构紧凑、工作可靠、传动平稳、效率高、寿命长、能保证恒定的传动比，而且其传递的功率和适用的速度范围大。但是齿轮机构的制造安装费用高、低精度齿轮传动的噪声大。按照一对齿轮传动的传动比是否恒定，齿轮机构可以分为两大类：其一是定传动比齿轮机构，齿轮是圆形

19、的，又称为圆形齿轮机构，是目前应用最广泛的一种；其二是变传动比齿轮机构，齿轮一般是非圆形的，又称为非圆形齿轮机构，仅在某些特殊机械中适用。按照一对齿轮在传动时的相对运动是平面运动还是空间运动，圆形齿轮机构又可以分为平面齿轮机构和空间齿轮机构两类。齿轮机构的类型有：齿轮机构平面结构直齿轮平行轴齿轮人字齿轮空间结构圆锥齿轮交错轴斜齿轮蜗轮蜗杆传动图2-5 圆锥齿轮机构，图2-6 直齿轮系机构。图2-5 圆锥齿轮机构图 2-6 空间直齿轮系机构2.3.3 凸轮机构凸轮机构是内燃机配气机构的一部分，根据各类型发动机，分为上置凸轮轴，下置凸轮轴，凸轮机构主要包括来自曲轴输出的动力传动机构，固定凸轮轴的各

20、滑动轴承，还有凸轮轴驱动的进排气门等，对于柴油机内喷泵体内也有驱动凸轮机构。凸轮机构是机械中的一种常用机构，由凸轮、从动件和机架组成，他能实现机械自动控制。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。凸轮机构的分类如下表所示。凸轮机构的分类凸轮分类盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮动件分类尖底从动件滚子从动件平

21、底从动件接触分类力锁合：弹簧力、重力等几何锁合：等径凸轮、等宽凸轮凸轮图2-7 内燃机中的盘形凸轮示意图图2-8 内燃机进气排气机构示意图3、内燃机的设计及分析3.1 内燃机的设计流程根据市场需要，确定基本性能参数和机构形式确定内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标。确定形式（汽或柴）、气门数、直立或卧式、燃烧室形式。总排量。标定功率、标定转速、最大转矩、最大转矩转速。冲程数（2或4）、汽缸直径、形程。气缸排列方式（直列或V型）。排污指标（噪声、废气）燃油消耗率。平均有效压力活塞平均速度设计实施：内燃机总布置设计，三维实体造型，和虚拟装配，确定主要零部件的允许运动尺寸、结构方案、外形图等。进行

22、三维图细致设计，绘制零部件工作图。确定主要结构及零部件参数，如燃烧室，压缩比，燃油供应方式，配气系统、润滑系统、零部件（活塞、连杆、曲轴飞轮、机体汽缸盖等）分析实验：主要进行对曲轴、连杆、活塞销等手里零部件的受力校核，零件疲劳强度试验；对配气机构、平横系统计算以及各大系统的参数设计和优化设计。对零部件和单缸内燃机进行试制试制多缸机斌进行整机磨合、性能调整、电控系统标定、性能测试、耐久试验、可靠性试验、配套实验和扩大用户实验。改进与处理阶段具有一定规模的生产3.2内燃机的性能分析1、动力性指标动力性能是指内燃机发出的功率(扭矩)，表示内燃机在能量转换中量的大小，标志动力性能的参数有扭矩和功率等。

23、判断此项指标主要靠通过计算内燃机的有效功率、最大转矩和最大转矩转速以及转速。2、经济性指标经济性能是指发出一定功率时燃料消耗的多少，表示能量转换中质的优劣，标志经济性能的参数有热效率和燃料消耗率。当消耗一定的燃料产生的热效率越大标志着内燃机的性能越优良。燃油消耗率一般车用内燃机燃油消耗率为 汽油机：250380g/kwh 柴油机：200260g/kwh.现在出现的缸内直喷汽油机最低可达200 g/kwh甚至更低。机油消耗率机油的价格远高于燃料油，并且要求在两个保养期之间不添加机油，一般车用内燃机机油消耗率为1.32.6之间。3、可靠性耐久性指标可靠性是指在规定的运转条件下具有持续工作不会因故障而影响正常运转的能力；耐久性是指从开始使用到大修期的时间。可靠性越高，耐久性越好的内燃机性能更好。4、质量、外形尺寸质量、外形尺寸是评价设计的紧凑型和金属利用程度的指标。不同用途的内燃机对质量和外形的要求不尽相同。汽车要求外形要小，而机械工程需要的拖拉机外形则可能需要大一点。5、低公害指标噪声越低，有害气体排放越少的内燃机质量越加优良。4、 内燃机与同类机械的比较4.1与汽轮机的比较汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和