内燃机原理(1).ppt

1、内燃机原理,第一章 发动机的总体构造和工作原理,常见 发动机,热 力 发动机,电 力 发动机,内燃机,外燃机,活塞式 内燃机,燃气轮机,旋转式,四冲程 / 二冲程,往复式,柴油机 / 汽油机/CNG,化油器式,喷射式,发 动 机 的 分 类,一、发动机：将某一种形式的能量（热能、电能、化学能、太阳能等）转 变成机械能的机器。 二、热力发动机：将热能转变成机械能的发动机。 1、外燃机：燃料在机器外部燃烧，产生的热能输入到机器内部并转变成机 械能输出的热力发动机。如蒸汽机。 2、内燃机：液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热 能，然后再将热能转变成机械能输出的热力发动机。如活塞式

2、内燃机、燃气轮机(按热能转变成机械能的主要构件分）。 3、比较： 外燃机体积大，重量重，热效率低； 内燃机热效率高，体积小，重量轻，便于移动，起动性能好; 燃气轮机功率大，转速高， 质量小（没有往复运动件，单位功率质量小），转矩特性好（减少 变速器挡数），燃料适应性好，起动性好，但耗油量、噪声和制造成本均较高，适用于坦克发动机,(a)柴油机 (b)喷气式发动机(c)燃气轮机 (d)汽油机,下面是早期内燃机车，汽轮机转子，外燃机剖面及汽轮机发电系统 如： （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,三、活塞式内燃机： 按活塞运动方式分： 1、往复活塞式内燃机

3、 2、转子活塞式内燃机,三角活塞旋转式发动机（简称转子发动机）于1958年由德国F.汪克尔发明，关键技术是1954年F.汪克尔提出的气密封系统，1964年德国NSU公司将转子发动机装在轿车上，1967年日本东洋工业公司成批生产，至今。 比较：转子发动机与往复活塞式发动机相比，优点是体积小，重量轻，转速高，升功率大，现代转子发动机燃油消耗率水平接近往复活塞式发动机，但耐久性、可靠性等较差，制造成本较高。,1、按所用的燃料分： （1）液体燃料发动机；汽油机（gasoline engine）； 柴油机（diesel engine）。 （2）气体燃料发动机：压缩天然气发动机（CNG）； 液化石油气发动

4、机（LPG）。 2、按发火方式分：（1）点燃式发动机（如汽油机、气体燃料发动机）； （2）压燃式发动机（如柴油机）。 3、按工作循环的冲程数分： （1）四冲程发动机； （2）二冲程发动机。 4、按冷却方式分： （1）水冷发动机； （2）风冷发动机。 5、按进气方式分： （1）自然吸气式发动机（非增压式发动机）； （2）强制吸气式（增压式发动机）。 6、按气缸数分： （1）单缸发动机 ； （2）多缸发动机。 7、按气缸排列方式分：（1）单列发动机：直立式发动机、平卧式发动机 （2）双列发动机： V型发动机、水平对置式发动机,往复活塞式内燃机:,工程机械用柴油机的要求 1、在作业时冲击和振动大，要

5、求有较高的刚度和强度。 2、工作负荷大，且经常出现短暂超负荷工况。要求转矩储备系 数应达到1.251.40，最低不小于1.151.20。 3、作业时速度和负荷剧变，要求有性能良好的全制式调速器。 4、作业现场空气含尘量高，要求有高效的各种类型滤清器。 5、常在倾斜地面作业，应能保证前后左右倾斜30-35的坡地 可靠的工作。 6、常在野外偏僻地区工作，要求工作可靠、维护方便、寿命长。 7、还要针对一些特殊环境下的作业，分别满足特殊的工作要求：严寒、热带、高海拔、地下坑道等。,内燃机的常用术语 上止点活塞顶部离曲轴中心最远处，即活塞最高位置。 下止点-活塞顶部离曲轴中心最近处，即活塞最低位置。 曲

6、柄半径R曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离。 工作循环气缸的气体进气-压缩-燃烧-膨胀-排气等一系列的连续过程。,发动机的总体构造,1、机体组 包括气缸盖、气缸体和油底壳，其作用是作为发动机各机构、系统的装备基体，并且本身的许多部分是其他机构和系统的组成部分。,发动机气缸排列有两种型式：直列式（各气缸排成一列）和双列式（分V型和对置）。,2、曲柄连杆机构 包括活塞、连杆、曲轴、飞轮等结构，是发动机借以产生动力，并将活塞的直线运动转化为曲轴的旋转运动而输出动力的机构。,3、配气机构 由气门组和气门传动组构成，作用是按发动机气缸的工作循环和发火次序，定时开启和关闭各气缸进气、排气门。 按气门

7、布置型式分为气门顶置式和气门侧置式；按凸轮轴布置位置分为凸轮轴下置、中置和上置式。,4、燃油供给系 包括油箱、油泵、空气滤清器、汽油滤清器、化油器、进排气管等，作用是把汽油和空气混合成适当比例的可燃混合气供入气缸燃烧，并把废气排出发动机。,5、冷却系 冷却系的功能是吸收气缸内燃料燃烧和各运动件摩擦所产生的热量，使发动机保持在适当的温度范围内工作。 有水冷和风冷两种方式，其中最常使用的是强制循环式水冷却系统，由水套、水泵、风扇、节温器、散热器和管道等组成。,6、润滑系 润滑系具有润滑、冷却、密封、清洗和防锈五大功能，主要采用复合式润滑，即压力润滑和飞溅润滑相结合，由机油泵、油底壳、循环油路、限压

8、阀、机油滤清器、机油散热器等组成。,7、点火系 其功能是按照发动机的点火次序，在一定的时刻供给火花塞足够能量的高电压，使其两极间产生电火花，点燃可燃混合气。 主要由电源（蓄电池和发电机）、点火开关、点火线圈、断电器、配电器、电容器、火花塞、高压导线等组成。,8、起动系 可以使用电动机起动和手摇起动两种方式。 电动机起动系包括直流电动机、操纵机构和传动机构。,工程机械用柴油机的特点: 1、柴油机型式：以水冷四冲程式为主。少量机械采用风冷 或二冲程柴油机。 气缸排列方式：6缸以下者，多为直列式； 6缸以上则以V型居多。 V型夹角为60- 90。 气缸直径：对于45300KW的发动机，缸径一般为11

9、0 140mm。 行程缸径比：一般为1.11.2 2、柴油机的功率：45600KW，主要集中在45300KW。 转速：18002100 rpm,四冲程汽油机工作原理 单缸汽油发动机的基本结构如图所示。气缸2内装有活塞3，活塞通过活塞销4、连杆5与曲轴9相连接。活塞在气缸内作往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜气体和排出废气，设有进气门15和排气门16。,四冲程汽油发动机的工作循环包括四个活塞行程，即进气行程、压缩行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程。 进气行程 进气行程中，进气门开启，排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，从而气缸内的压力降低到大气压力以下，

10、即在气缸内造成真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。由于进气系统有阻力，进气终了时气缸内气体压力约为0. 075-0. 09 MPa。 进入气缸内的可燃混合气，因为与气缸壁、活塞顶等高温机件表面接触并与前一循环留下的高温残余废气混合，所以温度升高到370-400K。,压缩行程 为使吸入气缸的可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、温度升高，即需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程，称为压缩行程。 压缩终了时，活塞到达上止点，此时，混合气被压缩到

11、活塞上方的很小空间，即燃烧室中。可燃混合气压力升高到0612MPa，温度可达600-700K。 压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比。,作功行程 活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气燃烧后放出大量热能，压力可以达35MPa，温度为2200-2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆推动曲轴旋转并输出机械能。 排气冲程 当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。,在排气行程中气缸内压力稍高于大气压力

12、，约为0. 105-0. 115MPa。排气终了时，废气温度约为900-1200K，由于燃烧室占有一定容积，因此在排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。 综上所述，四冲程汽油发动机经过进气、压缩、作功、排气四个行程，完成一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，相应地曲轴旋转了两周。,四冲程柴油机工作原理,和汽油机相同，四冲程柴油机工作也经历进气、压缩、作功、排气四个行程，完成一个工作循环，期间内活塞在上、下止点间往复移动四个行程，相应地曲轴旋转两周。 柴油粘度比汽油大，不容易挥发，其自燃温度比汽油低，容易被点燃。 进气行程中，进入柴油机气缸内的是纯空气

13、，而不是可燃混合气。压缩行程结束时，柴油由喷油器喷入发动机气缸，被压缩的空气温度超过柴油的燃点，柴油自行点燃向外作功。,柴油机与汽油机比较，各有优点和缺点。 汽油机转速高（5000-6000rpm）、尺寸、重量小、工作噪声低，工作柔和；起动容易、制造和维护的费用低。 但燃油消耗高，燃油经济性差 。可采用的最大缸径较小（105mm），单机功率小。 柴油机因压缩比大，燃油消耗率比汽油机低30%，且柴油的价格较低，故其燃油经济性比汽油机好。热效率高（30-40%，最高可达46 %）。但转速低（2000-3000rpm），质量大，起动困难。,二冲程发动机工作原理,二冲程发动机的一个工作循环包含两个行程

14、： 第一行程 活塞自下止点向上运动，气缸内的可燃混合气被压缩，新的可燃混合气被吸入到活塞下方的曲轴箱里。 第二行程 活塞自上止点向下运动，活塞上方进行作功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。,二冲程发动机的特点： 1、曲轴每转一周有一个作功行程，理论上效率是四冲 程发动机的两倍。 2、二冲程发动机运转比较均匀平稳。 3、结构较简单，重量较轻。 4、使用很方便，维护容易，故障率较低。 5、废气不容易完全排除，换气过程减少了有效工作行 程距离，故不如四冲程发动机经济。,内燃机产品名称和编号规则,一、国标GB725-82规定如下： 1、按所用燃料命名，如柴油机、汽油机等。 2、型号由

15、阿拉伯数字和汉语拼音字母组成。 3、型号由四部分组成：,首部,中部,系列代号,换代标志符号,缸数符号,气缸排列形式符号,符号,无符号,V,P,含 义,直列及单缸卧式,V型,平卧型,缸径符号（以气缸直径的mm数表示）取整数,结构特征符号,符号,无符号,F,Z,结构特征,水 冷,风 冷,增 压,用途特征符号,符号,无符号,Q,G,用途,通用型,汽车用,工程机械,后部,尾部,同一系列产品区分符号,6,135,Q,行程符号，E表示二冲程，无符号表示四冲程,1、EQ6102柴油机 2、1E65F汽油机,举例：,思考题： 1、解释名词：活塞行程、燃烧室容积、发动机排量、压 缩比、工作循环、6135G、 1

16、E65F、CAT3306 2、工程机械用柴油机有什么要求？ 3、柴油机和汽油机在工作过程上有什么不同？ 4、四冲程柴油机由哪些机构和系统组成，各有什么功用？ 5、CAT3306发动机气缸直径为121mm，行程152mm，压缩比为15。求该发动机的工作容积、燃烧室容积和排量。,第二章 内燃机的性能指标 指示指标：以气缸内工质对活塞做功为基础的指标。 有效指标：以内燃机功率输出轴上得到的净功率为基础的 指标。 第一节 指示指标 一、指示功和平均指示压力 指示功是指在气缸内完成一个工作循 环所得到的有用功Wi。其大小为P-V图闭 合曲线的面积。,（J）,2、平均指示压力 平均指示压力是指单位气缸工作

17、容积一个工作循环所作的指示功。 ( Pa ) 式中 Wi发动机一个工作循环的指示功( J )； Vh发动机气缸工作容积 (m3)。 一般Vh用L为单位， Wi用kJ为单位，则 （MPa）,二、指示功率,发动机单位时间内所作的指示功称为指示功率Ni。一般可用下列公式计算： （KW） 式中 I 发动机气缸数； Pi平均指示压力(MPa)； Vh气缸工作容积(L)； 冲程系数，四冲程， n 发动机转速(rmin)。,三、指示热效率和指示燃油消耗率,1指示热效率 指示热效率是发动机实际循环的指示功与所消耗的燃料热量之比值，即 式中 Wi指示功(kJ)； Q1为得到指示功Wi所消耗的热量(kJ)。,对于

18、一台发动机，当测得其指示功率为Ni(kW)和每小时耗油量为Gf (kg)时，根据定义，可得 1kWh的热当量kJ(kWh)； Gf 发动机每小时消耗的燃料量(kgh) Hu 所使用燃料的低热值(kJkg)。,2指示燃油消耗率gi 指示燃油消耗率是指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，即 g(kWh) 通常发动机的 和i 大致在如下范围内 i gig(kWh) 四冲程汽油机 0.25-0.40 344218 四冲程柴油机 0.41-0.48 210175,第二节 有效指标,一、有效功率和机械效率 1、有效功率 (kw) 式中 Me有效扭矩(Nm)； n 发动机转速(rmin

19、)。,2、机械功率 有效功率与指示功率之比称为机械效率m，即 发动机的机械效率m ，可以利用示功器和测功器求出发动机的Ni和Ne后，按上式计算得到。 m值的一般范围: 汽油机 0.80 0.90 非增压柴油机 0.78 0.85 增压柴油机 0.80 0.92,二、平均有效压力和升功率,一、平均有效压力 发动机每工作循环中单位气缸工作容积所发出的有用功。,2升功率Nl 在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。 (kWL) 式中 Ne发动机的标定功率(kW)； i 气缸数； Vh每个气缸的工作容积(L)； pe 在标定工况下的平均有效压力(MPa) n 标定转速(rmin)。,升功率是从发动机有效功率的角度，对其气缸工作容积的利用率作总的评价。它是评定发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。Nl值愈大，则发动机强化程度愈高，且发出一定有效功率的发动机尺寸愈小、结构愈紧凑。 目前发动机的pe和Nl值一般在下列范围内 pe(MPa) N1(kWL) 四冲程载货车用汽油机 0.60.7 22 25.8 汽车用柴油机 0.65 1.0 11 25.8 强化高速柴油机 1.0 2