哈工程内燃机结构讲义

多媒体课件配套教材（上.初稿）主编：张文平、张新玉哈尔滨工程大学第1章绪论多媒体教学属于计算机辅助教学的范畴，又叫做CAI，即ComputedAssistedInstuction。它是伴随着计算机多媒体技术和网络技术的飞速发展而产生的一种新的先进的教学方式,在结合本专业课程«内燃机结构»的前提下，集中了多种媒体的功能。它集文字、图形、图像、视频、动画等多种形态信息的采集、加工、交互、储存、输出于一体。CAI的出现使得教学操作对象变得单一、集中，尤其使教学流程可按预设程序进行，大大减轻教师的劳动强度，为教学赢得宝贵的时间。多媒体应用于教学领域，其主要内容是使教学过程更生动、直观、具体。在我们学校也有一些好的教学课件，老师上课就是用这些教学课件上课，达到了很好的效果，我们都特别喜欢上那些老师的课。但是可能由于人力、物力、财力的投入等问题，一般只是采用幻灯片的形式，比较简单，虽然有些实用，但是总感觉不很满意。差的教学课件则几乎全部是文字论述，文字是主体，有的只是一些文字的进入和推出效果，没有一点亮点，学生们学习这门课时肯定要昏昏欲睡，盼望早点下课，教学效果可想而知。CAI的出现能够向学习者提供一个丰富多彩、生动友好、方便灵活的交互界面，如图1-1通过此图我们清楚的了解到内燃结构的每章主要结构，界面丰富多彩生动友好，使学习者的各个感官能够同时接受到教学信息，就能够大大提高教学效率。其中可以点击各章进入每章具体内容。目前，CAI多媒体教学课件在国内尚属刚刚起步的领域，也是一个大有可为的领域，学校的教师可以通过多媒体非常形象、直观的讲述清楚过去很难描述的课程内容，而且学生可以更容易的理解和掌握相应教学内容。教学领域是非常适合用多媒体进行辅助教学的领域。通过多媒体的辅助和参与将使教学领域产生一场质的革命。课件突破以前的做法，采用AUTHOWARE搭建主框架，然后在其中综合运用了FLASH、AUTOCAD、3DSMAX、CORELDRAW、PHOTOSHOP等许多软件“并驾齐驱”，还有一些常用的计算机应用软件等。在其中插入文字介绍、声音、图片、动画，实现真正意义上的多媒体。*图1-1课件主界面(图片说明：图中左上角为系统菜单，菜单上的按钮自上而下分别为“退出”、“帮助”、“音乐选单”、“主页”“返回上一级”，页面中间的“第一章绪论”至“第八章调速器”均为“热区”，点击进入相应章节内容)小说明：后面图片前面有“*”号的为可继续点击图界面，原理和上图说明一样1.1第一章主界面主要讲述的是关于内燃机的一些基本概念、应用范围、发展历史和发展方向等等。由本章主界面就能清晰了解如图1-2。*图1-2第一章主界面1.2概念内燃机是将燃料（液体或气体）引入气缸内燃烧，再通过燃气膨胀、推动活塞、曲柄-连杆机构，从而输出机械功的热力发动机。就目前来说，常见的动力装置有：柴油机、汽油机、燃气轮机、喷气式发动机、蒸汽机、核动力装置等。广义而言，按照燃料的燃烧形式，可分为两大类，一类是内燃机，一类是外燃机。内燃机：燃料直接在机器内部燃烧的发动机，包括往复活塞式柴油机、汽油机、燃气轮机和喷气式发动机等。各种内燃机如：图1-1(a)柴油机(b)喷气式发动机(c)燃气轮机(d)汽油机**图1-1各种内燃机（图片说明：该图为一般实物图照片意在让学生有感官了解加深印象）小说明：后面图片标有“**”的为一般实物图外燃机：燃料在机器外部燃烧的发动机，包括蒸汽机、汽轮机、和核动力装置等。下面是早期内燃机车，汽轮机转子，内燃机剖面及汽轮机发电系统如：图1-2（a）蒸汽机车(b)汽轮机转子(c)外燃机结构剖面图(d)汽轮机发电系统图**图1-2外燃机在常规动力装置形式的基础上，经过不断的演变和改进，产生了一些新的动力装置类型，这里主要介绍AIP系统。AIP(AirIndependentPropulsion)系统,即“不依赖空气推进系统”,根据其工作原理不同,又可分为:热气机(SE-AIP)、闭式循环柴油机(CCD-AIP)、燃料电池(FC-AIP)闭式循环汽轮机(MESMA-AIP)等。AIP系统的发展是常规潜艇发展史史的一次“动力革命”经过较长时间发展,AIP系统目前已基本具备了如同核潜艇那样的长时间潜航能力,使诞生了百余年的常规潜艇又一次焕发了生机。AIP系统,各国根据具体国情各有发展侧重,其中热气机系统和燃料电池系统已经投入使用。热气机AIP系统又称斯特林系统,主要由斯特林发动机、发电机、液养系统、供油系统、工质系统及控制系统等组成。热气机的技术比较成熟，工作时噪音低，振动小，溶解在海水中的废气可直接排出艇外。1985年初，瑞典发研制的斯特林发动机达到实用阶段，两年后将其安装在一艘“水怪”级潜艇上进行了成功试验,1995年,瑞典海军安装热气机系统的“哥特兰”级潜艇服役,开创了潜艇发展史上的新纪元（图1-4）。据报道，瑞典在研的2000型潜艇采用的“斯特林”发动机。功率为100千瓦，可支持潜艇联系潜航14个昼夜。**图1-3German212**图1-4Gotland燃料电池系统是另一种发展较为成熟的AIP系统，由固态聚合物燃烧装置，液养系统，氢系统，热交换器，海水冷却器，淡水冷却泵，冷却水箱，催化剂罐，造水箱等装置和燃料电池组件的电器设备构成。该系统的特点是装置中无转动机械部件，因而没有噪音辐射；无机械能和电能辐射，电能转化效率高达70%；能量转换温度低，工作环境较安全。德国是最早研究燃料电池的国家之一，水平处于世界领先地位，1980进入产晶研制阶段，1987采用燃料电池改装了一艘205级潜艇并成功进行了海试。在德国新一代212级潜艇上将正式采用燃料电池AIP系统（图1-3）。小资料：德国AIP潜艇-212型关键技术212型艇长55.9米，最大直径7米，水上排水量1450吨，水下排水量1830吨。柴油发电机组为MTU16V396SE84型，4243马力：推进电机为西门子永久磁电机(图1-5a)，3875马力：西门子PEM燃料电池，由9个模块单元组成每个模块单元输出功率30-40千瓦50-55伏，不含其他电子控制系统的净重650千克（图1-5b）。输出功率300千瓦，电压300-600V;贮氧罐和氢化物圆筒分别设在耐压壳外的上部和下部。（a）永磁主推进电机模型解剖图(b)PEM质子交换膜燃料电池模块单元外形**图1-5潜艇-212重要元件图内燃机的主要优点如下：内燃机的工质在循环中的平均吸热温度远高于蒸汽发动机中的蒸汽的平均吸热温度，因此内燃机的热效率通常高于蒸汽发动机，一般达到20-30%，甚至更高;内燃机起动迅速，中、小型内燃机通常在几十秒至几分钟内即能起动，并投入全负荷运转，机动性强；内燃机用水极少或更本不用水，运行维护比较简便。内燃机的主要缺点是：对燃料要求高，不能直接燃用劣质燃料和固体燃料；由于间歇换气以及制造上的困难，单机功率的提高受到限制，现代内燃机的最大功率一般小于4万千瓦，而燃气轮机的单机功率可以达到数千瓦；内燃机低速运转时输出转矩下降较多，往往不能适应被带负荷的转矩特性；内燃机不能反转，故在许多场合下许设置离合器和变速机构，使系统复杂化，而活塞式蒸汽机的低速与反转性能就显著优于内燃机；此外，一般热力发动机都存在所谓“公害性”,而内燃机的噪声和废气中的有害成分对环境污染尤其突出。1.3各种内燃机的应用范围内燃机特点：热效率高、适应性好、功率范围广，已广泛应用于工农业、交通运输业和国防建设事业等方面。由于内燃机的使用范围如此的广泛，世界各国的需求量十分巨大并不断增长。在各经济部门和国防工业中，内燃机都占有极其重要的地位。1.3.1航空动力方面燃气轮机和喷气式发动机几乎是唯一的动力装置。优点：重量轻，尺寸小，结构简单，扭矩特性好，振动小及排气中有害气体少。缺点：热效率低，燃料消耗高。图1-6为喷气式发动机的原理图和涡扇9型飞机发动机。（a）喷气式发动机工作原理(b)涡扇9型飞机发动机**图1-6喷气式发动机1.3.2陆路交通方面内燃机的发展，使得人类的陆路交通产生了一个质的飞跃，从此，“以车代步”对许多人来说都不再是一个不企及迹的愿望如：图1-7。（a）小汽车(b)摩托车**图1-7陆路交通工具1.3.3内河船舶、工程机械柴油机应用(a)客船(b)起重机**图1-8内燃机在内和船舶和工程机械上的应用1.3.4在远洋方面在远洋海轮方面柴油机也是主要动力，原因是最经济。（a）油船(b)大型运输船**图1-9远洋运输海轮上柴油机也是主要动力1.3.5在军用舰艇方面虽然各国均在大力发展核能机燃气轮机动力装置，但在轻型舰艇上，柴油机仍占优势。核潜艇、导弹快艇、鱼雷快艇、巡逻艇、扫雷艇、登陆艇及大部分常规潜艇和军辅船仍以柴油机为主要动力。只有少数水面舰艇则采用柴—燃联合动力动力装置。CODOG，CODOD，Diesel,gasturbine,corporation，如：图1-10(a)军舰(b)潜艇**图1-10在均用舰艇上柴油机仍占优势小资料：“小鹰”航母由“福莱斯特”级脱胎换骨而来的“小鹰”级航空母舰，是美国海军建造的最后一级，也是最大的一级常规动力航空母舰。该级航空母舰的性能虽不及核动力航空母舰，但也不失为美海军航空母舰中的骨干力量。“小鹰”级航空母舰自服役后经过多次较大规模的大修或改装。在反复“手术”之后，4艘“小鹰”级不仅反潜能力大为提高，而且防空能力和海上补给能力均更上一层。该级舰标准排水量60100吨，满载排水量79700吨；舰长319.3米，宽39.6米，吃水l1.4米；动力装置为4台蒸汽轮机，最大功率28万马力，最大航速32节（一节为1.852公里/小时）。舰上共搭载80余架各型固定翼飞机和直升机。“小鹰”级航空母舰是美国海上军事行动的急先锋，在多次海上局部战争或冲突(如1986年美利锡德拉湾冲突和1991年海湾战争)中都参与了作战行。1.3.6备用电站方面“三遥”自动化柴油机组是能用计算机对机组进行遥控、遥测、遥信的新型智能柴油发电机组。它的控制屏采用远程通讯接口，可经MODEN和电话线与上位机实现“三遥”。机组采用闭式风扇水循环冷却系统，可在各种环境中可靠工作，特别适用于邮电系统和智能大厦作应急电源、部队战备无人值守电源，如：图1-11。（a）柴油发电机组（b）汽油发电机组**图1-11电站内燃机的应用广泛1.3.7农用机械方面 内燃机在农业方面的应用是农业走向机械化、集约化的一个重要推动力，是农业现代化必不可少的一个环节如：图1-12。(a)插秧机(b)拖拉机**图1-12柴油机在农业方面不可缺少1.4内燃机发展简史内燃机的发展，已有一百多年的历史。通过长期的不断改进和提高，已经发展的比较完善。由于它的热效率高，适应性好，功率范围宽广，已广泛用于工业.农业.交通运输业和国防建设事业。因此，内燃机工业的发展，对于国民工业的发展，对于国民经济和国防建设都具有十分重要的意义。1824年，卡诺（法国工程师）发表了热力发动机的经典理论--卡诺原理。萨迪·卡诺（NicolasLeonardSadiCarnot,1796-1823）,法国物理学家、军事工程师，热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来的人。他出色地、创造性地用“理想实验”的思维方法，提出了最简单，但有重要理论意义的热机循环-卡诺循环，并假定该循环在准静态条件下是可逆的，与工质无关，创造了一部理想热机（卡诺热机）。卡诺的目标是揭示热产生动力的真正的、独立的过程和普遍的规律。1824年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，指出提高热机效率的有效途径，被后人认为是热力学第二定律的先驱。1866年，奥托（德国工程师）提出了四冲程内燃机的“奥托循环”理论。1879年，奔驰（德国工程师）首次研制成功火花塞点火内燃机。奔驰（Benz,CarlFriedrich），德国工程师，出生于一个火车司机家庭，年青时受过技术方面的教育。1878年开始研究新型内燃机，1879年首次研制成功火花塞点火内燃机。1882年开始尝试把发动机安装在三轮车上，1885年他的三轮车试制成功，并于1886年1月29日获得专利，被公认为汽车的诞生日；1887年开始把汽车作为商品出售；1894年生产出著名的“维洛”小客车，后置发动机、双人座、并且首先采用了橡胶充气轮胎。1883年，戴姆勒（德国工程师）发明热管点火的立式汽油机。戴姆勒（Daimler,Gottlieb）,（1834-1900），德国工程师，1886年和他的助手威廉·迈巴赫制造出第一辆1.1匹马力的汽油机发动机四轮车，1897年戴姆勒的公司生产出“凤凰”牌小客车，尤其是以戴姆勒公司驻法国的总进口商埃米尔·耶利内克的女儿“梅塞得斯Mercedes”命名的小客车投产后，其前置发动机，有前车灯、挡风板、双门5座位敞蓬车造型更加接近现代轿车的特征，大大提高了戴姆勒公司的商业地位。1926年6月29日和奔驰公司合并，成立了在汽车驶上举足轻重的戴姆勒·奔驰公司。小资料：戴姆勒一号车本茨制造的三轮车世界上第一辆汽车由德国工程师卡·本茨和戈特利布·戴姆勒同时于1886年宣告制成本茨制成的是三轮汽车，而戴姆勒制成的四轮汽车，其发动机功率为1。1匹马力。1897年，狄赛尔（德国著名热机工程师）最早制成了柴油机。附：鲁道夫.狄塞尔（RudolfDiesel，1858-1913)，德国著名热机工程师,柴油机的发明者，也是艺术鉴赏家，语言学家和社会理论家。狄塞尔出生在巴黎,他是个来自德国奥古斯堡的精细皮革制造商的儿子.在慕尼黑技术大学学习期间,他对被称为"蒸汽机"新机器很感兴趣.法国人约瑟夫.莫勒特(JosephMollet)发明的气动打火机激发了他的发明自燃式发动机的欲望.空气被压进一个含有易然物的玻璃圆筒中直到易燃物燃烧起来,这就是狄塞尔发动机的原理.1892年,狄塞尔取得了用压缩空气点燃煤粉提供动力的机械装置的专利.一年后,奥古斯堡的MAN公司依据他的原理制造了第一台发动机.狄塞尔卒于1913年,其他人继承了他的工作.1924年,在柏林汽车展上展出了MAN公司制造的第一台狄塞尔卡车发动机(柴油机).与此同时在曼海姆,一台带预燃烧室的狄塞尔发动机被装载了奔驰车上1903年，首先装在船上，1907年，用于潜艇的正反转的柴油机试验成功，1912年，远洋货轮上的柴油机首次远航试验成功小资料：第一艘潜艇的雏形1620年，荷兰物理学家德雷布尔在英国建成一艘潜艇，用羊皮压载水舱，船身为油脂皮革，能下潜三米，这是人类历史上首次出现的潜水船只，只是潜艇的雏形。1906年英国D级潜艇建成服役，采用双层壳体，用柴油机取代汽油机。1926年，有人设计出用排气能量将进气压缩的废气涡轮增压器。涡轮增压器是利用发动机排出的废气能量，经过涡轮变为转子的回转机械能，从而带动压气机高速旋转，将新鲜空气压缩进气缸，从而提高发动机的功率。内燃机增压的发展起源可追溯到1885年。戈-戴姆勒在发明、制造煤气机和汽油机时，已开始考虑利用增压。鲁-狄塞尔在柴油机发明专利中也提出了要安装增压泵以提高功率和热效率的想法。20世纪初，艾-比希申请专利，开创了涡轮增压的历史。最初是采用涡轮机、柴油机和压气机同轴连接，后改为涡轮单独驱动压气机的方法。1923年，德国客船上安装的涡轮增压四冲程柴油机把柴油机的功率从1288kW提高到1840kW。1925年，比希获得了脉冲增压专利并在试验中获得了成功，功率可提高50%-100%。从50年代起，随着涡轮增压器效率的改进，柴油机采用涡轮增压技术后的功率和效率都得到了很大提高，从而被广泛地推广应用。1936年,梅塞德斯-奔驰公司制造了第一台装有柴油机的轿车.1950年起，开始在柴油机上采用增压方式。如今，已经几乎无机不增压，增压后，柴油机的功率能提高1-3倍。废弃涡轮增压对提高柴油机性能作出了重大的贡献。增压器是用来提高发动机的进气充气密度，以提高平均有效压力来提高功率和改善经济性的器件，主要用于柴油发动机。在汽车发动机中采用比较普遍的就是废气涡轮增压系统。

在采用废气涡轮增压器后，不仅可以大大提高发动机功率，缩小外形尺寸，节约原材料，降低燃油消耗，而且可以使排烟浓度降低，减少废气中的CO、HC以及NOx的含量，从而降低汽车排放。另外，由于燃烧压力升高率降低，发动机工作柔和，噪声也比较少。1.5现代船用柴油机的发展动向1.5.1今后内燃机的主要发展趋势如下1．采取提高转速、增压等强化措施以及改善燃烧过程、提高机械效率等方法，进一步提高动力性和经济性。2．改进结构，采用新技术、新材料和新工艺，提高内燃机的耐久性和可靠性，并降低制造成本。3．降低噪声、净化废气、减少振动，以控制内燃机对环境的污染，改善劳动条件。探求燃用重油及固体燃料的途径，以克服不能燃用劣质燃料的缺点。4．现代船用柴油机的发展：提高功率，降低油耗，提高可靠性，减少磨损，延长寿命，减少噪音和振动，降低重量和尺寸，实行自动监控等方向1.5.2主要方向1．广泛采用增压、中冷与多气门技术；2．实现高压喷射与电控，优化喷油规律；3．排气再循环(EGR)与排气后处理技术(机外净化)实现排气再循环可降低NOx，但不利于燃油经济性，若能实现EGR冷却与电控，这有利于改善综合性能；4．优化结构设计，减少摩檫与附件功率损失，提高机械效率及柴油机的有效效率；5．船舶导航自动化、船舶机舱自动化、船舶装卸自动化系统及设备技术。]目前内燃机在技术上日臻完善，各项指标达到了相当高的水平，例如柴油机的单机功率为1-36000kW(千瓦),热效率最高达46%，燃油消耗率降低到204-252g/(kW.h)[克/(千瓦。时)];汽油机的最低燃油消耗率达280-300g/(kW.h),高速柴油机及车用汽油机的比重量都减少到1.3-2.7kg/kW(公斤/千瓦)等。1.6柴油机在船舶上的布置柴油机在船舶上的布置1.6.1低速大型柴油机的布置低速大型柴油机作为船舶主机是和推进轴系直接连接而带动螺旋桨的，如图1-13所示。@图1-13低速机的布置机轴系（图片说明：此图为抽象示意图，可示意结构，能让同学有清晰的思路,应用,该图用coreldraw制作）小说明：后图带有“@”为抽象示意图柴油机发出的功率通过中间轴和螺旋桨轴传给螺旋桨，使螺旋桨旋转产生推力通过推力轴承使船舶前进或后退。它的布置比较简单，一般每艘船上只装一台主机。1.6.2中，高速柴油机的布置中、高速柴油机由于转速较高，一般不能与推进轴直接连接使用，而必须通过减速齿轮箱于推进轴连接。使用中、高速柴油机作为主机时，应选择最佳螺旋桨的转速，而使推进效率达到最大。下面图1-14、图1-15是柴油机与桨的配合（一）多机单桨（a）单机单轴(b)双机单轴(c)三机单轴(d)四机单轴图1-14单轴单机和多机的布置（二）多机多桨(e)四机双轴(f)三机三轴四机四轴@图1-15多轴多机的布置

第2章内燃机的工作原理2.1第二章说明进入第二章（内燃机原理）之后专业性较强，都是一些原理性的东西，如四冲程、二冲程柴油机工作原理、四冲程、二冲程汽油机工作原理、增压柴油机特点、多缸柴油机的工作顺序等等。传统教学方式由于受到媒体的限制而无法把这些运动状态表示出来让学生直观地看到运动，而只能通过多张示意图来表示，而且也只能表示出几个状态来而根本无法将整个过程演示给学生看。本课件借助于现代计算机技术如，flash动画等形象生动的表现出了多种内燃机的工作过程，使学生在学习过程中一目了然，把孤立的信息变成了信息流，课件所传递的信息量大大增加。可以说第二章是flash在多媒体课件中应用的成功范例。如图2-3此图为flash制作点击各冲程可以看到冲程，虽然本课件开发才刚刚开始，但已经毫无疑问的想我们说明了多媒体教学的优势所在，但也正是由于课件的开发刚刚起步，各种媒体和信息的运用上还有不成熟的地方如在前两章中有许多图片信息运用不当造成有些版面较为混乱等等。这些将成为在夏季张开发过程中要尽量避免的。随着对软件运用的熟练、课件开发小组成员审美观点的提高这些将逐渐地被克服。2.2基本结构和主要名词及演示图片2.2.1柴油机的主要机件和系统四冲程柴油机的主要机件如图2-1所示。1．固定机件：机座1，机体4，主轴承3，汽缸盖7，汽缸套6等。2．运动机件：曲轴13，连杆10，活塞8，活塞销9，连杆螺栓11等。3．配气机构：凸轮轴14，顶杆15，摇臂16，气阀机构（进气阀17、排气阀18、气阀弹簧19）等。@图2-1四冲程机的主要部件4．燃油系统：喷油泵20，高压油管21，喷油器2等5．辅助机件：进气管5和排器管12等此外，对于整机而言，还有润滑，冷却，启动和控制等系统。2.2.2内燃机的主要名词(a)上止点（b）下止点@@图2-2活塞位置(图片说明：该图使用flash制作，在课件里可以运动可以清晰的表现出个冲程活塞运动情况)小说明：以后的图片中图前标有“@@”为flash演示图1．上止点：活塞距曲轴中心最远的位置如图2-2(a)。2．下止点：活塞距曲轴中心最近的位置如图2-2(b)。3．活塞冲程（S）：上、下止点间的距离。4．压缩室容积（Vc）：活塞位于上止点时，活塞顶部与缸盖间的容积，又称燃烧室容积。5．汽缸工作容积（Vn）：活塞上、下止点之间的容积称为一个汽缸的工作容积，它可以用气缸直径D(cm)由下式表示：Vn=[(Pai*D**2)/4]*S*(10**3)式中S——活塞冲程（cm）。6．汽缸的最大容积（Va）：活塞在下止点时，气缸的容积，即气缸工作容积与压缩容积的之和：Va=Vh+Vc7．汽缸的总容积V，总排量：室内燃机所有汽缸工作容积的总和。即：V=Vh*I(L)式中i——气缸数。8．压缩比：汽缸最大容积与压缩室容积的比直称为压缩比。2.3四冲程柴油机的工作原理及图片柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走过四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲成柴油机。2.3.1进气冲程见P-V图，开始时,活塞位于上止点（Pr>P0）,有残气,,活塞下行,进气阀开，排气阀关（P<P0）。进气:0.085-0.095MPa 进气压力大致保持不变.为了利用气流的惯性来提高充气量,进气阀在活塞过了下止点以后才关闭.@@图2-3p-v图2.3.2压缩冲程进、排气阀关，活塞上行，缸内气体被迅速压缩，气压上升，同时气温升高，达到柴油的自燃温度时，柴油便自行燃烧膨胀。作用:1.提高空气的温度,为燃料的自行发火作准备.2.为气体膨胀作功创造条件.柴油自燃温度为543~563K2.3.3燃烧膨胀冲程作功或工作冲程.此时进排气阀钧关闭，缸内燃料迅速燃烧膨胀，气体压力急剧上升，推动活塞自上止点往下止点运动。最高燃烧压力Pz,压力升高比:为燃烧压力与压缩终点压力之比.四.排气冲程.排气阀早开晚关,排气阻力的存在,比如有消声器,使排气阀必须提前打开,以减少活塞排气的阻力,而活塞在完成排气过程时,主要靠惯性.小节：活塞走四个冲程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。喷油提前角：由于柴油存在发火延迟期（0.001~0.005秒），要在上止点前10~35度曲柄转角时开始将雾化的的燃料喷入汽缸这个叫称为喷油的提前角。四个冲程中只有一个冲程作功,,而其他三个冲程完全靠发动机的惯性来完成的，所须加装飞轮,在发动机的输出端.作用,使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转.气阀重叠角:发动机运转过程中有一段时间,进，排气阀同时开启,这段时间用曲轴转角来表示,称为气阀重叠角2.4四冲程汽油机的工作原理与柴油机(四冲程)相比的主要区别:燃料本身:粘度小,易蒸发,可燃混合气形成容易.2.4.1进气冲程此时，活塞被曲轴带动由上止点向下止点移动，同时，进气门开启，排起门关闭。当活塞由上止点向下止点移动时，活塞上方的容积增大，气缸内气体压力下降，形成一定的真空度。由于进气门开启，气缸与进气管相通，混合气被吸入汽缸。当活塞移动到下止点时，汽缸内充满了新鲜混合气以及上一个工作循环未排出的废气。空气由空气滤清器经进气道上的化油器，将汽油吸入并雾化成细小的油粒与空气混合，即形成可燃混合气，而后进入汽缸。汽油机无高压泵和喷油器（0.075~0.09MPa）2.4.2压缩冲程活塞由下止点移动到下止点，进排气门关闭。曲轴在飞轮惯性力的作用下带动旋转，通过连杆推动活塞向上移动，汽缸内的气体容积逐渐减小，气体被压缩，汽缸内的混合压力与温度随着升高。压缩比不可太大,一般为5-8.5,个别可达9.5-10,,太大可引起可燃混合气过早爆燃,和产生爆震,2.4.3燃烧膨胀冲程此时，进排气门同时关闭，火花塞点火，混合气剧烈燃烧，汽缸内的温度、压力急剧上升，高温、高压气体推动活塞向下移动，通过连杆带动曲轴旋转。在发动机工作的四个过程中，只有这个在行程才实现热能转化为机械能，所以，这个行程又称为作工行程。压力升高快,P-V图上比柴油机要陡.2.4.4排气冲程此时，排气门打开，活塞从下止点移动到上止点，废气随着活塞的上行，被排出气缸。由于排气系统的阻力，且燃烧室也有一点定的容积，所以在排气终了，不可能将废气排净，这部分留下来的废气称为残余废气。残余废气不仅影响充气，对燃烧也有不良影响。2.5二冲程柴油机的工作原理四冲程柴油机的活塞相当于一个空气泵，而对于二冲程柴油机而言，活塞没有空气泵的作用，为了完成进排气过程，即排除燃烧后的废气，并把新鲜空气充满气缸，必须安装专用的扫气泵（增压器）例：气阀式直流换气的二冲程柴油机的工作原理二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较1.在相同的气缸尺寸和转速下，二冲程发动机的功率理应比四冲程发动机增加一倍，但由于：1扫气容积的损失；2充气时间短程废气消除困难驱动扫气泵要消耗一部分功率，所以只增加了50%-70%左右2.均匀性好其他形式：按气流在气缸中流动的路线不同，(1)气孔式直流换气的柴油机(2)横流扫气的二冲程柴油机 (3)回流换气的二冲程柴油机2.6二冲程汽油机的工作原理第一冲程：活塞自下而上,压缩，继续前行，进气孔开，曲轴箱形成真空度，可燃气进入曲轴箱。第二冲程：上止点时，点火作功，活塞下行，排气口开，Pz>Po，排气，曲轴箱压力大于汽缸内压力，进气扫气过程，待活塞扫过下止点后，关闭扫气孔为止。@@图2-4二冲程汽油机工作原理图(图片说明：此图采用flash制作，是一个演示动画“压缩”-“点火”-“膨胀”-“排气”-“进气”)2.7增压柴油机的特点1安装增压气的目的：增加充入气缸的空气量，压缩后空气密度增大，所以充入汽缸内的空气量就增多。2.区别（1）增压柴油机：装有增压器的柴油机。（2）非增压柴油机：直接从大气中吸入空气的柴油机称为增压柴油机，现代舰船用的主机大多数为增压柴油机3分类：机械传动的增压柴油机、废气涡轮增压的柴油机、气波增压、复合增压。2.8多缸柴油机的工作次序从柴油机工作过程本身看，只有做功冲程对外做功而进气排气及压缩冲程都排但不作功，反而消耗能量，实际上柴油机的转速是不均匀的。可见图2-53@图2-5直列6缸机的曲轴活塞运动演示图（图片说明：此图为运动演示图和flash不一样，它是用CAD制作后用3dsmax渲染完成的）小说明：在后面图片中途前边有“3@”为三维制作图片A.转速不均匀的危害。1.运动件受冲击负荷，容易造成磨损2.容易产生扭振3.不平衡B.追求均匀性的方法。1.单缸时需加装飞轮、2.多缸机除飞轮外，采取合理的发火顺序。C发火顺序〉为了保证发动机运转的均匀和平衡性的要求，对四冲程柴油机，曲轴转动两转内，每个汽缸完成一个工作循环。因此，各缸应相隔一定的转角而均匀的发火，若i=汽缸数。发火间隔角：曲柄与之对应四缸机为：1-3-4-2或1-2-4-3六缸机为：1-5-3-6-2-42.9内燃机分类1．按结构特点分（1）筒形活塞柴油机缺点；活塞裙部起向导作用，在侧推力的作用下，活塞与缸套磨损较大。优点：结构简单，紧凑，轻便用于中，高速柴油机（2）十字头活塞柴油机优点：活塞与缸套间无侧推力，因为由十字头导向，故磨损较小，不易擦伤和老死。可在汽缸下部设横隔板，以免汽缸内的脏油，烟灰，燃气等漏入曲轴箱。污损曲轴箱底部的滑油。缺点：使柴油机高度和重量增大，结构复杂。用途：船用大型低速柴油机2.按缸数分：单缸机和多缸机多缸机分布形式直列式V型W型X型星型DELTA型8-10个以下3.按燃料分：柴油机，汽油机，煤气机4.按工作原理：四冲程和二冲程5.按进气方式：增压和非增压6.按点火方式：点燃和压燃7.按用途：固定式内燃机和移动式内燃机8.按标定转速：1.高速机n》1000r/min2.中速机300《年〈1000r/min3.低速机：n<300r/min9.按曲轴转向：左转，右转，可逆转和不可逆转。（从飞轮端看）。

第3章内燃机的主要技术指标3.1第三章说明第三章的内容主要是内燃机的主要技术指标，这一章的内容有其特殊性，一方面其内容在内燃机结构课中占有比较重要的地位，另一方面是这一章知识的主要形式就是概念加定义。在教师讲课和学生学习过程中最怕的就是遇到这种情况，授课老师叫得没有意思，学生听的就觉得老师只会对着课本念。*图3-1第三章主界面图为了较好概念课，课件开发小组进行了深入的研究和讨论，最终确定了第三章的主要制作方式和方法。因为其具有很强的代表性，所以在此对这一章的制作思路和课件本身内容的编排进行总结，将具有非常有意义的借鉴价值。第三章首页是一艘航空母舰如图3-1，旨在吸引学生的兴趣。而在整体的安排上则采用了弹出式菜单的形式，一方面避免版面的凌乱，在不必要的时候就出现不必要的信息干扰学生和授课老师的注意力；另一方面是可以在授课老师授课是具有一定的灵活性，避免死讲书、将死书局面的出现，给授课老师和学生一定的灵活和变通可以活跃课堂气氛，做到授课老师和学生的双向交流。弹出式菜单对课件页面紧凑、简洁做出了一次有益的探索。为了让死的概念变成活的知识，课件开发小组运用flash进行了动画设计，做到形象、生动，在轻松的心情下接收知识。如在讲授内燃机重量和外形尺寸指标时就设计了一个生动活泼的动画。“动力杯”举重大赛（见课件光盘第三章）形象生动的说明了内燃机机构紧凑性的重要性。3.2动力性指标动力性指标：内燃机对外作功能力的指标。主要有：功率，平均有效压力，转速和活塞平均速度3.2.1有效功率 1．功率：内燃机单位时间内所作的功称功率。2．指示功率：内燃机在汽缸中单位时间内所作的功。3．有效功率：指示功率减去消耗于内部零件的摩擦损失、泵气损失和驱动附件等机械损失后，从发动机曲轴输出的功率称为有效功率Ne.设转速n,曲轴输出的有效功率为We,We=（2n÷60）×MeN·m/sNe=（n÷30）×Me×10KwMe为有效扭矩。有效功率可以利用测功器测定，水力测功器可先测出有效扭矩Me,再用上式计算出有效功率。3.2.2标定功率内燃机出厂时铭牌上写明厂方标定的有效功率。①15分钟功率：内燃机允许连续运转15分钟的最大有效功率。汽车爬坡功率和军用车辆及快艇的追击功率。②1小时功率：内燃机允许连续运转一小时的最大有效功率。船用主机，工程机械和机动车的最大使用功率。③12小时功率：内燃机允许连续运转12小时的最大有效功率。可作为工程机械，机车和拖拉机正常使用功率。④持续功率：内燃机允许长期运转的最大有效功率。可作为长期连续运转的远洋船舶，发电站，和农林排灌内燃机的持续使用功率。3.2.3其它有效功率1.升功率NL：每升汽缸工作容积发出的有效功率。2.单位活塞面积功率NA：衡量燃烧室组件热负荷的尺度，表征发动机的热负荷特性。3．经济功率：在燃油消耗率较少的功率区运转时的有效功率。4．极限功率：冒黑烟时的功率。3.2.4平均有效压力作用于活塞顶上的假想的大小不变的压力。它使活塞移动一个行程所作的功，等于每循环所作的有效功。Ne=i·Vh·Pe·n/(30τ)Kw四冲程τ=4，二冲程τ=2i=汽缸数Vn=汽缸工作容积(L)Pe=平均有效压力(Mpa)N=发动机转速(r/min)τ=发动机冲程数Pe代表单位汽缸工作容积所发出的有效功率。Re：汽油机：0.6～0.9Mpa非增压柴油机：0.5～0.8Mpa增压柴油机：0.8～3.2Mpa3.2.5转速和活塞平均速度⒈转速：内燃机曲轴每分钟的转速，用r/min表示。转速对内燃机性能和结构影响很大，而且其范围十分广泛（86～6000r/min）。①最高转速rmax-受调速控制时，柴油机所能达到的最高转速。②最低稳定转速rmin-柴油机能稳定工作的最低转速。在最低稳定转速和最高转速之间是柴油机的转速工作范围（Rmin<n<Rmax）。2．活塞平均速度Cm活塞在气缸中运动速度是不断变化的，在行程中间较大，在止点附近速度较小，止点处为零。若已知内燃机转速N时，则活塞平均速度可由下公式计算：Cm=2Sn/60=Sn/30m/s式中S—行程（m）活塞平均速度是表征内燃机高速性的一项主要指标。更据活塞平均速度，可将柴油机分为高速、中速和低速三种类型，其具体数值大致如下：低速机：Cm小于等于6.5m/s;中速机：6.6<Cm<10m/s;高速机：Cm大于等于10m/s。3.3经济性指标经济性指标一般指内燃机的燃油消耗率和机油消耗率。3.3.1燃油消耗率燃油消耗率简称比油消耗，它是内燃机工作时每千瓦小时所消耗燃油量的克数，单位—（g/kw.h）。指示燃油消耗率：以指示功率计；有效燃油消耗率：以有效功率计；注：内燃机产品说明书中所指的燃油消耗率为有效燃油消耗率若测出扭矩Me和转速n，计算出每小时燃油消耗量B和有效功率Ne,则：b=B×10/Ne(g/Kw·h)现代内燃机的b值（g/kw.h）范围汽油机：b=265～340高速柴油机：b=212～251中速柴油机：b=197～281低速柴油机：b=160～1903.3.2滑油消耗率内燃机在标定工况时，每千瓦时所消耗滑油量的克数，称为滑油消耗率。单位为g/kw·h方式有：①滑油经活塞环窜入燃烧室或由气阀导管流入缸内烧掉，未烧掉的则随废气排出。②有一部分燃油在曲轴箱内雾化或蒸发，而由曲轴箱通风口排出。一般为0.5～4g/kw·h3.4重量和外形尺寸指标重量指标和外形尺寸指标用于评价内燃机结构的紧凑性和金属材料的利用率。3.4.1重量指标比重量，单位功率重量，内燃机净重与标定功率的比值。Gw=G/Ne（㎏/kw）净重量不包括滑油，燃油，冷却水及其它未直接装在内燃机本体上的附属设备与辅助系统的重量。汽油机：1～3船用高速机：1.4～3.7船用中速机：10～19船用低速机：20～353.4.2外形尺寸指标3*图3—1外形尺寸图(图片说明：上图应用autocad画图画出，该图表达比较抽象，只是让同学们了解尺也是我们画图常用的)小说明：后图图前标有“3*”为CAD画图图片外形尺寸指标又称紧凑性指标。单位体积功率Nv=Ne/V(kw/㎡)V=L·B·H3.4.3排气污染指标废气污染主要有：一氧化碳（CO）：一氧化碳是无色无味的气体，空气中含量超过0.1%就会中毒。碳氢化合物（HC）：成分复杂，对人体有麻痹、致癌作用，是造成烟雾的因素之一。氮氧化和物（Nox）:有强烈的刺激味，对心脏和肺造成损坏，是大气形成臭氧的主要因素。二氧化硫（SO）:有强烈的刺激味，与灰尘一起危害更大。微粒（PT）:微粒的主要成分是碳，大多小于0.3微米，微粒碳核子吸附其他有毒物质被吸入肺叶对人体造成损害。CO:过量空气系数：α＜1汽油机达容积的6%α＞1一氧化碳0。2～0。3%HC：与燃烧的缓慢甚至停止有关，惰转和减速时生成。NOx：取决于火焰温度。火焰前锋中是否富氧以及高温持续时间Ppm:百万分之一附表一:内燃机排放—欧洲指标排放标准执行年份Nox(g/kw·h)PT(g/kw·h)欧Ⅰ199290．4/0。61欧Ⅱ199670．15欧Ⅲ200050．1欧Ⅳ20053．50．02欧Ⅴ200820．02附表二：NO的质量分数×（10）HO的质量分数×（10）CO的体积分数×（10）微量物质（碳烟）g/m³汽油机2000-4000<1000<10<0.01柴油机1000-4000<3000<0.01<0.5

第4章运动机件4.1第四章说明运动机件在整个柴油机中占有举足轻重的地位，所以课件第四章是内燃机结构课最重要的部分之一。第四章内容多、结构复杂，对课件开发小组来说是一个挑战。纵观整个第四章可以说，第四章是综合运用3dsmax等软件而制作完成的。3dsmax涉及的知识摄像机、材质、灯光、特殊光效等等实在过于复杂，而且本章中使用到的动画种类繁多，现在只对本章中所使用的动画进行一个简单的分类总结。至于软件的使用将在以后的小结中来阐述。本章课件中使用到的动画大致可分为结构演示动画、结构组装动画、原理演示动画等。结构演示动画中，主要是表现物体结构特点，通过三维动画演示并用一些视觉效果来突出零件整体或局部结构中一般或特殊的地方，最主要的是让学习者通过观看动画对零件结构特点能有一目了然的效果。如在第四章的蛇形油管冷却活塞中，为突出活塞内的蛇形油管，在活塞结构演示后期蛇形管出现后将活塞外部设置为由0-0.2透明度的渐变透明动画，这样蛇形管的形态就很清晰了。结构组装动画涉及动画技术因素较多，特别是对摄像机的复杂运动控制较繁琐，另外零件结构较复杂，数目较多，因此制作中会经常遇到很多问题。这就需要动画制作这对3dsmax有一定的认识和运用能力。原理演示动画中，首先要求动画制作者本身对运动机件的工作原理有很清楚的了解，才能保证动画制作的正确性，如在制作多刚内燃机发火顺序是就要求动画制作这对多刚发火顺序有一个清楚的认识。如果动画制作者对发火顺序不能做到心中有数，那做出来的动画就可想而知了。总之，对3dsmax动画制作和控制要涉及众多的修改命令和控制技巧，也要求动画制作者本身具有一定的内燃机专业知识。在内燃机中运动机件，主要指曲柄连杆机构。由活塞组，连杆组和曲轴等部分组成。4.2运动件受力状况曲柄连杆机构的功用是将热能转变为机械功，也就是说燃料燃烧是的气体压力使活塞做直线运动，通过连杆变成曲轴旋转运动而对外输出有效功。旋转着的曲轴又使活塞不断地往复运动，从而保证了连续地实现柴油机的工作循环。作用在曲柄连杆机构上的力主要有：1：汽缸内的气体压力PI2：运动机件的惯性力PIIP=P=1\*ROMANI+PII受理分析如图4-1将合力P分解得：1．垂直于汽缸中心线的侧推力N；2．沿连杆中心线的连杆力S作用：侧推力N产生摩擦连杆力S使连杆压缩或拉伸3*图4-1曲柄连杆受理分析分解S为T，K切向力T对曲轴中心的力矩M=T。R法向力K引起曲轴弯曲注意：根据牛顿第三定律，侧推力N对曲轴中心的力矩等于旋转力矩M，作用在机件上，与M方向相反。并使柴油机倾倒。故称为颠覆力矩。4.3活塞组一．活塞组的组成活塞组由活塞、活塞销、活塞环、衬套和活塞销盖。二．活塞组的作用1.与汽缸，汽缸盖共同构成发动机的密闭的工作空间防止燃气漏入曲轴箱，阻止过多的润滑油窜入汽缸内。2.承受燃气压力，并将其传给连杆和曲轴。3.承受侧推力，起到了导向作用。4.二冲程发动机中还有控制气口的作用。4.3.1活塞一.活塞的工作条件1.活塞承受很高的气体压力作用，如图4-2中速机13-15MPa。以PA6-280为例:PZ为13.5MPa，D=280mm受力8.3×10N。且受力为周期性的冲击力，容易产生交变应力和变形,引起疲劳破坏。要求：活塞应具有足够的强度和刚度。2.活塞承受往复惯性力的作用3@图4-2活塞工作条件对于中高速机往复惯性力已经达到相当可观的程度。要求：在保证强度的前提下，尽量减轻重量，以见效往复惯性力，从而减少机械负荷。3.活塞承受侧推力的作用润滑不良，引起活塞裙部的磨损,活塞裙部材料有高的耐磨性。4.活塞受到高温燃气周期性的加热作用高速大功率瞬时温度达2273K，活塞表面温度达623-773K，长期高温--材料强度下降，会出现热疲劳，热变形和龟裂。结构要求：要求在保证强度的前提下，尽量减轻重量，以见效往复惯性力，从而减少机械负荷活。塞应具有足够的刚度和强度。(1)良好的结构形式，合理的散热和冷却方式，以减小热负荷。(2)材料有足够的抗热性，较好的导热性，，保证有足够的热强度。(3)热膨胀系数小，以保持与缸套的合理配合间隙。二.活塞的结构形式从有无冷却的角度可分为：非冷却活塞和冷却式活塞整体铝活塞，整体油冷活塞，组合式油冷塞，组合式水冷活塞。整体铝活塞(1)活塞的基本结构包括：顶部、环槽、活塞销座和裙部。活塞顶部、汽缸盖和汽缸壁组成燃烧室组成燃烧室。如图4-33@图4-3整体吕活塞@图4-4活塞头部特点(2)活塞头部：从活塞顶至活塞销座以上最末一道环槽之间的部分成为活塞头部。开有数道环槽，2-3道气环槽，1-2道油环槽。高速机较少，低速机较多。a.活塞头部特点：因温度及压力沿高度方向变化很大，引起各处热变形不一致，为了保证活塞在工作温度下与缸套间有一定的均匀间隙，活塞头在常温下加工成锥体，或多个锥度不同的截锥体的组合，上部锥度大，下部锥度小。如图4-4b.活塞顶部形状如图4-5=1\*ROMANI．平顶=2\*ROMANII．盆顶=3\*ROMANIII．W型=4\*ROMANIV．凹顶=5\*ROMANV．凸顶=6\*ROMANVI．深坑1=7\*ROMANVII深坑a平顶b盆顶cW型d凹顶e凸顶f深坑1g深坑2@图4-5活塞顶部形状注：为了防止气阀早开晚关而引起启发与活塞顶相碰，在活塞表面加工出避碰凹坑。(3)活塞裙部：头部以下部分统成为裙部。受机械负荷和热负荷(4)结构特点：由于活塞在工作过程中，承受较强的机械负荷和热负荷，工作条件十分恶劣，因此，活塞在结构上具有一些共同的特点。(5)温度分布分布线图如图4-6散热方式：a．顶部吸收的热量62-67%由活塞环传给汽缸盖，由汽缸套传给冷却水。b．14%由活塞裙部传给缸套。c．期于部分由活塞内表面传给曲轴箱中飞溅的滑油和气体。图4-6活塞温度分布(6)改善措施a.圆弧过渡：非冷却整体铝活塞的头部热流密度很大，为降低活塞头部和环槽温度，加大散热面积，保证热流密度大致相等，顶底内壁和侧壁相连接部分多用大圆弧过渡，同时减少了应力集中。（见课件动画演示）b.隔热槽：整体铝活塞第一环槽因温度高，材料硬度下降较多，及润滑条件差，环槽磨损严重。这些常常是限制活塞使用期限的重要因素。为了改善这种情况，某些柴油机活塞在第一道环槽上方车隔热槽，改变顶部热流方向，将部分原来由第一道环散走的热量分散到第二、三道环散走。如图4-7图4-7隔热槽(图片说明：前图为示意图片@和图为三维图片3@)c.耐磨镶座：整体铝活塞第一环槽因温度高，材料硬度下降较多，及润滑条件差，环槽磨损严重。这些常常是限制活塞使用期限的重要因素。为了改善这种情况，有些柴油机活塞在第一或第一和第二道环槽处铸入耐磨镶座以提高环槽部分的耐磨性。如图4-8图4-8耐磨镶座(7)功能特点优点：铝合金的特点是密度小，仅为铸铁的三分之一；导热性好，导热系数比铁高1-2倍。对于高速轻型、强化度不高（Pe<1MPa）的柴油机的活塞，为降低惯性力，减轻重量，增强导热性，广泛采用铝合金整体活塞不足：铝合金的缺点是热膨胀系数大，比铸铁大2-2.5倍，因此冷车时与缸套间隙大，容易轻型柴油机实用引起较大的振动和磨损，热强度低，耐磨性差等。(8)改进方法a．活塞顶阳极化处理，减少热传导。b．采用，裙部喷镀石墨或二氧化钼。2．整体油冷活塞为了适应柴油机的热负荷和机械负荷不断增加的需要，保证活塞顶的足够强度又使第一道环的温度不至太高，在强化度较高的中、高速柴油机中普遍采用了整体油冷活塞即在整体活塞顶部及环槽部开有冷却液流道或冷却腔，用润滑系统中冷却油作为冷却介质，对活塞顶部及环槽区进行强制冷却。例：蛇形油管冷却活塞，冷却油腔活塞。如图4-9a.蛇形油管冷却活塞：采用螺旋形铜管或钢管铸入活塞本体，使冷却油流经蛇型管，在润滑油压力作用下进行循环冷却。为了增强冷却效果，也有铸成后再用酸蚀掉铜管。b.冷却油腔活塞：活塞头内部设置冷却油腔，冷却油不充满整个油腔，一般只充30-50%，由于活塞往复运动的惯性，冷却油在油腔中震荡冲刷，冷却油与油腔面相对运动速度较大，容易形成紊流，冷却效果较好。a蛇型油管冷却活塞b冷却油腔活塞图4-9整体油冷活塞3.组合式油冷活塞(1)采用组合式的原因a.强化强度提高，活塞头部的热负荷增加。一般的铝合金不能满足要求。b.出于减小往复惯性力的考虑，减轻重量。(2)制作方法a.用耐热材料制成活塞头部b.用铝合金或铸铁制造活塞裙部c.然后将二者用螺栓连接起来。（见课件三维动画演示图）(3)工作特点：a.内外腔支撑部分面积大，气体压力引起的应力小，顶部可以做的较薄，也就减小了热应力。b.由于活塞头与活塞裙部是分体的，所以冷却腔的布置受工艺上的限制少，能耐更好地满足冷却的要求。特别是环槽区可加强冷却，冷却油出口设在油腔高度的中部，以形成振荡冷却。4.3.2活塞销1.功用连接活塞与连杆，将活塞承受的力传给连杆。2.工作条件(1)承受燃烧压力产生的交变冲击力。(2)与活塞销座及连杆的配合面承压面积不能大，相对运动速度低，不易形成油膜，润滑条件差，很容易磨损。3.要求(1)很高的强度(2)良好的韧性(3)耐磨(4)重量轻一般活塞销采用优质低碳钢或低碳合金钢制造，表面渗碳淬火，使得表面硬而耐磨，内部韧性高耐冲击。4.活塞销结构形式如图4-10(1)直内孔(2)圆锥形内孔(3)圆柱圆锥组合形a直内孔b圆锥内孔c圆柱圆锥组合形3@图4-10活塞销的内孔形式无论何种形式，都要求有很高的加工精度和光洁度。5.活塞销与连杆小头及活塞销座的连接方式(1)活塞销固定与连杆优点：增大了刚度，不容易弯曲变形缺点：局部磨损(2)活塞销在连杆小头和活塞销座中浮动优点：结构简单，工作中活塞销座中缓慢转动，磨损均匀，载荷分布均匀，，提高疲劳强度。(3)机构沙锅内要求有轴向定位装置a.弹簧挡圈（卡簧）如图4-11b.铝合金挡塞@图4-11防止活塞销轴向移动的装置4.3.3活塞环活塞环分为气环和油环两种a.气环一般高速机有2-3道气环，中速机有3-4道气环，低速机有5-6道气环，油环一般是1-2道。目前的趋向是减少环数，强化第一道环。因此柴油机所消耗的摩擦功中约有50%是活塞环和活塞裙与缸套间的摩擦引起的。b.油环油环一般是1-2道。1.作用（1）密封汽缸，防止燃气漏入曲轴箱。（主要由气环完成）自由状态为椭圆形，工作状态下为圆形的开口环。在气体的压力与自身的弹性作用下，与汽缸壁，环槽紧密贴合。如图4-12并非绝对密封，只能做到漏泄最少。图4-12活塞涨圈的防滑原理(2)导热燃料燃烧产生的的热量有一部分经活塞环传向气缸壁，再由冷却水带走。对于非冷却活塞，这部分热量可达活塞顶部承受热量的60-70%。)调节润滑油：刮油和布油，油的作用为润滑。(3)调节滑油为保证活塞环能在高温，高压下沿气缸壁面正常滑动，在缸壁上应保持一定厚度的油膜。滑油过多或过少都不利于内燃机的正常工作。刮油和布油(4)支承活塞活塞活塞的外径略小于气缸内径，活塞在气缸内即有往复运动，在侧推力的作用下又有横向运动，运动不稳定。而活塞环在运动中始终与气缸壁及活塞环槽贴紧，对活塞销有支撑作用。3．气环的结构应保证较高的密封性，便于磨合，耐磨损，对润滑有调节作用。(1)矩形环如图4-13(a)优点：结构简单，加工方便缺点：上行时，有往上带油的作用，增加滑油耗量，燃烧室积碳。(2)锥面环如图4-13(b)锥面角在30分到1度35分之间。其特点是有较高的径向压力和缩短初磨合时间，并可避免环的上侧面同缸壁接触，因而上行时有交好的布油能力，下行时可起到刮油作用。缩短初磨合时间。(3)扭曲环如图4-13(c)使用时，产生扭曲，呈盆状，这是它兼有锥面环之优点，同时环在环槽中呈盆造成内外棱角同环槽上下侧面接触，有良好的气密和刮油作用。(4)梯形环如图4-13(d)防止环的熔着和结焦。侧推力的作用，使环从一侧压向另一侧，端面间隙的变化能把环槽中的结焦挤出，并促使滑油更新，气体压力产生径向分力，有利于对燃气的密封作用。(5)桶面环如图4-13(e)用于短活塞，防止运转初期拉毛气缸和漏气，在活塞上行时有良好的布油作用，而下行时有一定的刮油作用。a矩形环b锥面环c内倒角投曲环d梯形环e桶形环@图4-13各种结构气环截面形状4.活塞环的开口形状如图4-14(1)直切口，结构简单，加工容易，但密封性稍差。(2)搭切口，密封性好，但制造困难，多用于大型低速柴油机中。(3)斜切，性能介于上述两者之间。a直切口b搭切口c斜切口@图4-14活塞环的开口形状a.开口间隙自由开口间隙：自由状态下开口尺寸。工作状态间隙：工作状态下开口尺寸。大了漏气，小了易受热膨胀，卡死，折断。a.端面间隙端面间隙：过小易卡死而失去密封性。过大则泵油现象严重。(4)性能比较密封性：搭切口〉斜切口〉直切口加工性：直切口〉斜切口〉搭切口5．油环(1)气环的泵油现象如图4-15当活塞向下运动时，环压在环槽的上端面被气环刮下的滑油充满环与环槽之间的空间。当活塞向上运动时，环压在环槽的下端面，而滑油被挤入上部的环槽间隙中。（见课件原理动画气环的泵吸作用）ab@@图4-15气环的泵吸作用(2)采用原因由于某些气环不但没有刮油的作用，而且还能把润滑油泵吸到燃烧室中去，所以必须在活塞上安装专门的刮去气缸上多于润滑油的刮油的环。由于泵油现象这个过程周期的重复滑油就能不断地进入燃烧室参加燃烧，这样会增加滑油的消耗量，并引起结焦造成气环卡死，产生严重漏气，使功率下降。(3安装位置一般油环多部置于滑油较多的活塞末道气环以下。（可见动化演示）(4)结构形式油环制成有利于刮油和布油的形状，并在环槽中或槽下方开油孔，将刮下的滑油引入曲轴箱。为了提高油环的径向压力和刮油效果，还采用弹簧胀圈油环以及钢片组合油环。4.4连杆组连杆组是由连杆，连杆盖，连杆螺栓，连杆轴瓦，小端寸套等部分组成。连杆本身又分为连杆小端，连杆身和连杆大端三部分。如图4-163*图4-16135型柴油机连杆4.4.1连杆的功用及工作条件1．功用：连接曲轴和活塞，将作用于活塞力传给曲轴，并将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动。2．运动方式(1)小端-往复直线运动(2)大端-回转运动，(3)杆身-复杂的平面运动3.受力情况气体压力，往复运动质量惯性力，摆动惯性力，以上各力大小和方向不断变化，易引起连杆疲劳破坏。连杆小段压入衬套，螺栓压紧，产生附加载荷。4．性能要求：(1)足够的强度和刚度(2)尽量减轻连杆质量。(3)大端及小端轴承可靠，耐磨性好。(4)易于制造，成本低。5．制造要求优质碳素钢或合金钢锻造而成低速船用柴油机：优质碳素钢；高速强载大功率柴油机：优质高强度合金钢；中等强度的柴油机：40Cr合金结构钢。4.4.2连杆的结构连杆组包括：连杆，连杆盖，连杆螺栓，连杆轴瓦，小端衬套。1．连杆连杆本身又分为连杆小端，连杆杆身和连杆大端三部分。连杆小端A．作用及改善方法连杆小端通过活塞销与活塞相连，将作用于活塞上的气体压力和往复惯性力传给连杆。工作时小端在活塞销上作摆动。为改善磨损，小头孔中以一定的过盈量压入耐磨衬套，材料为锡青铜或钢青铜铅合金。B．结构类型小端结构上的不同主要体现在润滑上如图4-17a飞溅润滑b强制润滑c螺旋形布油槽3@图4-17连杆小端的结构类型a.飞溅润滑：适用于大批量生产的小尺寸四冲程发动机。b.强制润滑：开油孔和油槽。适用于小批量生产的中低速柴油机。c.螺旋形布油槽：衬套内表面有螺旋形布油槽。连杆始终受压，不容易形成油膜。（2）连杆杆身连接连杆大端与小端轴孔间的部分。A.主要区别在截面形状上。如图4-18abcd@图4-18连杆杆身截面形状a.适用于中，低速大缸径柴油机或小批量生产的中小型柴油机,自由锻造；b.c适用于大批量生产的中，高速柴油机中模锻后表面不加工或稍加处理；d.用于强载度较大的大功率柴油机,表面经抛光，喷火或氮化处理。B.结构特点有二a.一般采用工字形截面，充分利用材料，减轻重量，工字边在摆动平面内。b.连杆从小端至大端逐渐放大，过渡处用大圆角半径。(3)连杆大端连杆大端与曲轴相连，为了能装拆，大端为分开形式，大端上部与杆身为一体的,下部为连杆大端盖（连杆盖）。根据切口形式分为平切口和斜切口如图4-19a平切口b斜切口3@图4-19切口形式平切口：剖分面垂直于连杆中心线斜切口：剖分面与连杆中心线呈30-60夹角。优点：使连杆大端横向尺寸缩小，以保证在较大的曲柄销轴颈的情况下能从汽缸中拆装。缺点：结构复杂，刚度小，沿切口方向有切向力。b.船用低速机：便于维修和调整压缩比采用分体式连杆大端(a、b、c)。如图4-20abc3@图4-20分体式连杆大端2.连杆盖(1)工作要求应具有良好的刚度，以保证工作时轴承孔变形最小。(2)结构形式如图4-21abcd3@图4-21连杆大端盖的结构类型a.重量最轻，加工困难，适用于轻型高速柴油机。b.双筋型。刚度均匀，但不便于与连杆体一起模锻。c.结构简单，易于锻造和机械加工在中高速机中应用广泛。d.工字型截面。结构合理，适于铸钢毛胚，多用于中低速柴油机。(3)装配时定位方式见图4-22abcde3@图4-22连杆大端部分的定位方法a.连杆螺栓的圆柱面定位b.定位销c.定位套筒d.定位凸肩e．锯齿形结合面定位d、e多用于斜切口连杆大端，避免螺栓受剪切力3.连杆螺栓(1)使用原则总截面积相同的情况下，数量多的可使连杆大端宽度减小。连杆螺栓：（一般取2-6个)工作要求承受交变负荷，受力严重。优质合金钢锻造毛胚，一级精度细牙螺纹，滚压法加工，以提高其疲劳强度，外表面发蓝防锈。(3)常用结构a.大型低速柴油机b.中高速机(4)预紧力为保证轴瓦有一定过盈，并使大端与连杆盖间有足够的压紧力，用扭力扳手、扭矩、螺栓伸长两和螺母转过角度。(5)防松措施必须有开口销，铅丝绑扎，轴端挡圈，自锁螺母。3.连杆轴瓦一般采用薄壁轴瓦。壁厚=0.02-0.05D(D为轴承直径).(1)要求外表面有高的光洁度。使轴瓦与轴承贴紧，增加承载能力和导热能力，提高工作可靠性。(2)定位方式如图4-23ab3@图4-23连杆轴瓦a.销钉定位b.定位唇(3)连杆轴瓦上还分布有油槽和油孔。4.4.3V型柴油机连杆在V型柴油机中，一个曲柄销要连接两个连杆。根据两个连杆相互连接方式，可把V型柴油机连杆分为并列连杆、叉型连杆和主副连杆三种形式，如图4-32所示。a并列连杆b叉型连杆c主副连杆3@图4-23V型柴油机连杆示意图(1)并列连杆同一列左、右两气缸的并排的装在同一曲柄销上。优点：左右两气缸的连杆结构完全相同，可以通用；两个活塞连杆组运动规律完全相同，动力性能一样。缺点：左右两排汽缸中心线沿轴向错开一段距离，曲轴长度增加，导致刚度受力复杂。(2)叉型连杆一个是“叉型连杆”，另一个是“片型连杆”左右两个连杆汽缸中心线处于同一平面内，无须轴向错开。缺点：叉型连杆大端结构和制造工艺比较复杂，大端刚度不高。(3)主副连杆主连杆直接连在曲柄销上；副连杆通过圆柱销与主连杆大端凸承相连。优点：汽缸中心线在同一平面内，且只有主连杆大端与曲柄销相连，故结构紧凑，轴向尺寸缩短，曲轴刚度增加。缺点：两排汽缸运动规律有差别，且副连杆在主连杆上产生附加弯矩。例子：如图4-243*图4-24轻12V180柴油机连杆1）材料18Cr2NiWA2)润滑：飞溅润滑3）连接方式：三点支承榫头与锥形销4.4.4十字头及连杆十字头式柴油机连杆如图4-25十字头连杆小端与十字头销相连。由于加工困难，一般只作成简单的圆柱形，且大、小端都是分开的，用螺栓与连杆相连。无轴瓦，白合金直接浇铸在孔内表面上，此结构散热性好。3@图4-25十字头式柴油机连杆4.5曲轴4.5.1曲轴的功用，工作条件及材料1．功用汇集所有汽缸内燃烧气体所做的功，以旋转的形式输出。2．工作条件a.受力复杂：曲轴承受气体压力，往复质量惯性力，回转离心力，容易产生很大的交变弯曲应力和扭曲应力。b.形状复杂：曲轴本身形状复杂，截面变化大，应力集中严重。c.润滑困难：曲轴轴颈表面在高比压下高速运动，而且载荷时冲击的，不容易建立稳定的油膜。易引起轴颈和轴承的严重磨损。d.容易变形：曲轴为细长轴，若刚度不足，容易产生变形和扭振。3．材料优质碳钢和碳素钢锻造而成。（35、40、45、ZG35）球墨铸铁：强度不太高的中，高速机中广泛采用。优点：a.铸造，不用大型锻造设备，造价低；b.对应力集中不敏感，疲劳强度接近中碳钢；c.耐磨性好，对扭转振动阻尼作用远胜于钢。缺点：韧性较低。为提高耐磨性，球墨铸铁进行正火和高频淬火，钢的要调质，高频淬火和氮化。轴颈表面要精磨，抛光，以防出现裂缝。4.5.2曲轴的组成部分前端（自由端）：安装配气机构和各种辅助机构的传动齿轮后端（输出端）：带凸缘，可安装飞轮单位曲柄主轴颈：支承在主轴承上曲柄销：连杆轴颈曲柄臂：曲臂4.5.3曲轴的分类根据单位曲柄的构造特点，船舶柴油机曲轴有三种构造形式：a整体式曲轴b全套式曲轴c半套合式曲轴d圆盘式曲轴3@图4-26曲轴构造形式1．整体式曲轴用于中、高速柴油机，主轴颈、曲柄销和曲柄臂一体。如图4-26(a)2．套合式曲轴a．全套式：曲柄销、曲臂、主轴颈都分别制造，然后套合为一体，如图4-26(b)。b．半套合式：曲柄销与曲臂为一体，如图4-26(c)。套合方法：红套或液压套。用于大型低速柴油机，消除了大件锻造困难。分段式曲轴也是同样道理。3．圆盘式曲轴主轴颈和曲臂合成一个圆盘。圆盘外面多半是同时装有短滚柱式主轴承，轴向尺寸紧凑，曲柄销长度可加大，刚度较大，承载能力强，但成本高，噪声大，重量大，如图4-26(d)。4.5.4曲轴各部分结构3@图4-27曲轴各部分结构(图片说明：此图各局部还可点击，从而更清晰地了解各部分的结构，以前一直看不到的现在可以一目了然)1．曲柄销与主轴颈圆形，与曲柄臂相连，有较大圆弧过渡，做成空心结构，可以减少旋转部分的质量，铸造曲轴可直接铸出，锻造曲轴，可用钻孔方法加工成形。2．曲柄臂a.易于加工，但应力集中较大，重量也较大，多用于锻造曲轴。b.椭圆形，模锻和铸造曲轴，最合理，加工困难。c.圆形，便于加工，但重量较大。3．油孔和油道：润滑油走向：机体上的油管——主轴承——曲轴内部——曲柄销——连杆杆身——活塞销或冷却活塞。油孔要求有较大的圆弧和倒角，并仔细抛光。结构形式，如图4-28。a实心轴颈油道布置b空心轴颈油道布置图4-28油道布置结构形式（图片说明：具有实体轮廓的为三维图片，可以更清晰的看清油道，比后在简单抽象的剖面图更直观）4．曲轴的前后端：止推轴承设在飞轮端止推轴承：1.推力环2．翻边轴瓦。4.3.5曲轴扭振与减振器1．扭振的概念假设有一个弹性钢棍，其一端被固定，而另一自由端上有一个圆盘，（如图4-29）如果把圆盘施加一个扭矩，将它转某一角度，然后放开，则系统将在钢棍材料弹力及圆盘质动量@@图4-29扭振惯性力的作用下进行角振动，圆盘和弹性钢棍时而转到其平衡位置（静止时的位置）的这一边，时而又转到其平衡位置的另一边。这样的角振动，称为自由扭转振动；偏离平衡位置的最大角度，称为振幅，其振动率（即每分钟振动的次数）称为自由振动频率。圆盘的质量越大及钢棍的刚性愈小，自振频率越小。由于钢棒材料内部的分子之间有摩擦作用（称为阻尼），自由扭振现象将逐渐衰减，振幅逐渐变小，最后整个系统便停止振动。曲轴的扭振如图4-30@@图4-30实际曲轴的扭振系统简化示意图3．橡胶减振器轮固定在曲轴上，减振体为圆环形，他们与中间的硫化橡胶层贴合，当曲轴旋转时，轮通过橡胶层带着减振体一起旋转，当曲轴发生扭转振动时，减振体由于惯性力图保持原来的运动状态，橡胶层便产生很大的交变剪切变形，吸收很多的振动能量，是曲轴扭振减弱，（见课件flash动画演示）。4．硅油减振器减振器壳体和盖板内密封一个惯量相当大的惯性盘，在壳体与惯性盘之间有狭窄间隙，间隙中充满硅油。当曲轴发生扭振时，固定在自由端的壳体因惯量小随曲轴一起振动，而惯性盘的惯量相对于壳体则很大，壳体与惯性盘之间产生相对角位移，粘度很大