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《工程概论》期末作业

内燃机功能剖析

班级：

测控2012-01班

学号：

姓名：

2012年5月18日

1、内燃机概述

1.1内燃机的发展概况

活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已成为比较完善的机械。

它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用；

1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机；

1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环；

1876年，德国发明家奥托（Otto）运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦（4.4马力）的四冲程内燃机；

1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出；

1883年，德国的戴姆勒（Daimler）创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速；

　1892年，德国工程师狄塞尔（Diesel）受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。

他首创的压缩点火式内燃机（柴油机）于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。

1954年，联邦德国工程师汪克尔（Wankel）解决了密封问题后，才于1957年研制出旋转活塞式发动机，被称为汪克尔发动机

1.2内燃机的工作原理

内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。

这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。

按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。

　　四冲程是指在进气、压缩、做功（膨胀）和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。

进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭。

流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。

此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。

　　二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环，此期间曲轴旋转一圈。

首先，当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀，推动活塞下行做功；当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出，活塞继续下行至下止点，即完成一个工作循环。

　　内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程。

换气的主要作用是尽可能把上一循环的废气排除干净，使本循环供入尽可能多的新鲜充量，以使尽可能多的燃料在气缸内完全燃烧，从而发出更大的功率。

换气过程的好坏直接影响内燃机的性能。

为此除了降低进、排气系统的流动阻力外，主要是使进、排气门在最适当的时刻开启和关闭。

　2、内燃机的组成机构

2.1内燃机运动原理

（包括运动能量转换、运动输入输出等）

内燃机在实际工作时，由热能到机械能的转变是无数次的连续转变。

而每次能量转变，都必须经历进气、压缩、作功和排气四个过程。

每进行一次进气、压缩、作功和排气叫做一个工作循环。

若曲轴每转两圈，活塞经过四人冲程完成一个工作循环的为四冲程内燃机；若曲轴每转一圈，活塞只经过两个冲程就完成一个工作循环的为二冲程内燃机。

一．四冲程内燃机运动原理【以柴油机为例】

 1、进气冲程 

进气冲程是实现吸进新鲜空气的过程。

靠飞轮旋转惯性的作用车动曲轴，将活塞由上止点位置逐渐拉向下止点，这时通过配气机构开启进气门、关闭排气门、随着活塞向下移动，气缸内的容积逐渐增大，产生真空吸力，新鲜空气不断地被吸进气缸。

活塞移动到下止点，即活塞移动一冲程，进气冲程结束，进气门关闭。

 2、压缩冲程 

在飞轮带动下，曲轴继续旋转推动活塞由下止点向上止点运动。

这时进、排气门均关闭，在活塞移动中气缸内的容积逐渐减小，而气体的压力和温度逐渐升高。

当活塞移动到上止点时，至此活塞移动了第二个冲程，曲轴累计回转了一圈，压缩冲程终了。

 3、作功冲程 

当压缩冲程接近终了时，进、排气门继续关闭，喷油器开始向气缸内喷入雾状柴油，在气缸内高温空气的作用下，油雾很快被蒸发，并与高温空气混合成可燃混合气体而迅速自行着火燃烧，放出大量热能，使气缸内气体受热发生猛烈膨胀，从而产生很大的推力迫使活塞从上止点向下止点运动，并通过连杆使曲轴旋转，从而带动飞轮旋转，起储能作用，将柴油发出的热能转变为曲轴旋转的机械能。

随着活塞向下止点运动，气缸内气体的压力和温度下降。

至活塞移动到下止点，曲轴累计回转了一圈半，作功冲程终了。

 4、排气冲程 

由飞轮带动，曲轴继续旋转，活塞由下止点移向上止点，通过配气机构开启排气门，气缸中燃烧后的废气被向上运动的活塞挤压，经排气门排出气缸，活塞到达上止点时，排气冲程结束，排气门关闭。

至此，活塞移动了四个冲程，曲轴累计回转两圈。

上述四个冲程完成后，即完成了一个工作循环。

当活塞再次从上止点移向下止点时，又开始了第二个工作循环。

这样周而复始，柴油机连续运转，不断向外输出动力。

在这个工和循环中曲轴回转了两圈，活塞经过了四个冲程，所以称这种柴油机为四冲程柴油机。

 二． .二冲程内燃机的工作过程 四冲程内燃机的曲轴旋转两圈，活塞经过了四个冲程才完成一个工作循环， .而二冲程内燃机的曲轴转一圈，活塞经过两个冲程就可完成一个工作循环，这是四冲程与二冲程内燃机的基本区别。

第一冲程：

当活塞从下止点向上止点运动时，活塞起着一个上挤下吸的作用。

在运动中，活塞关闭了换气孔和排气孔，在活塞的上部使进入气缸内燃机混合气受到压缩。

当活塞继续上升，活塞的下部将进气孔打开时，开始吸气，由于曲轴箱的容积不断增加，产生吸力，化油器中的可燃混合气便被吸入曲轴箱。

第二冲程：

当活塞接近上止点时，火花塞点燃被压缩的可燃混合气，活塞起着上推下压作用。

在活塞上方燃气膨胀产生的压力使活塞向下移动而作功。

当活塞继续向下移动时，在活塞的下方首先关闭气孔，使曲轴箱内的可燃混合气受到挤压，当继续向下移动时，排气孔被打开，气缸中的废气受到燃气压力的作用自行排出。

当活塞再向下移动时，换气孔被打开，曲轴箱内受挤压的可燃气体经换气孔进入气缸，并帮助驱扫废气。

该扫气过程实际上是排气和进气两个工作过程的结合，一直到活塞经过下止点后，再向上运动将换气孔和排气孔封闭 后才结束。

 由此可知，二冲程汽油机没有一个单独的进气和排气冲程，进气和排气过程分别是与压缩和作功的过程同时进行的。

所以，二冲程汽油机曲轴转一圈，活塞走两个冲程即完成一个工作循环。

 能量转换 

内燃机四个冲程中只有第二三个冲程才有能量转换吸气冲程、压缩冲程、排气冲程是靠飞轮惯性来运转的.

 压缩冲程：

机械能→内能; 做功冲程：

内能→机械能

2.2内燃机运动传递路线图

（以图表形式描述内燃机的运动传递过程）

2.2内燃机运动传递图

行程

具体过程

进气（充气）冲程

燃油与空气混合的新鲜混合气进入气缸，这时活塞向下运动。

压缩冲程

随着进气门和排气门关闭，活塞向上运动，可燃混合气被压缩

做功冲程

可燃混合气点火燃烧，推动活塞向下运动

排气冲程

向上运动的活塞把燃烧后的废气从排气门排出

2.3内燃机包含的基本机构

2.3.1曲柄滑块机构

曲柄滑块机构又称曲柄连杆机构，是往复式内燃机的主要工作机构。

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。

在作功冲程，它将燃料燃烧产生的热能活塞往复运动、曲轴旋转运动而转变为机械能，对外输出动力，在其他冲程，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次作功创造条件。

曲柄连杆机构的功能：

曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的膨胀 压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力。

 1、将气体的压力变为曲轴的转矩 

2、将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动

2.3.2齿轮机构

内燃机中有一个齿轮组，其主要是实现发动机与飞轮的连接以及能量传递。

发动机通过四冲程作用产生动力，推动齿轮组运动，齿轮组带动飞轮运动，飞轮与外部连接，传送能量。

2.3.3凸轮机构

　由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。

凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。

从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。

尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。

为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹簧或施加重力。

具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。

一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。

多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。

凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。

它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠。

3、内燃机的设计及分析

3.1内燃机的设计流程

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。

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、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。

 ① 油消耗率 ：

一般车用内燃机燃油消耗率为 汽油机：

250——380g/kwh 柴油机：

200——260g/kwh.现在出现的缸内直喷汽油机最低可达200 g/kwh 甚至更低。

 ②   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1.3——2.6 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

（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、压缩机和船舶螺旋桨等。

还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要 。

与往复式蒸汽机相比，汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积中能 通过的流量大，因而能发出较大的功率。

大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度，故热效率较高。

19 世纪以来，汽轮机的发展就是在不断提高安全可靠性、耐用性和保证运行方便的基础上，增大单机功率和提高装置的热经济性。

而相比于内燃机来说，内燃机则具有体积效功率高的优点。

（2）与蒸汽机的比较 

蒸汽机是将蒸汽的能量转化为机械功的往复式动力机械。

直到20 世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。

现代蒸汽机的最大的优点是它几乎可以利用所有的燃料将热能转化为机械能。

不像内燃机那样它对其燃料不挑剔。

此外没有蒸汽机的话原子能无法被使用。

原子反应堆即不直接产生机械能，又不直接产生电能，原子反应堆实际上只是加热水，这个水被沸腾后的蒸汽通过蒸汽机来转化为有用的功。

蒸汽不一定需要通过燃烧来产生，比如使用太阳能聚热器也可以产生蒸汽推动蒸汽机。

蒸汽机的弱点是，离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大，新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高，它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高，工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

因此，抛弃了笨重锅炉的内燃机，最终以其重量轻，体积小、热效率高和操作灵活等优点在船舶和机车上逐渐取代了蒸汽机。

汽轮机则以其热效率高、单机功率大、转速高、单位功率重量轻和运行平稳等优点将蒸汽机排挤出了电站。

 接着电动机又以其使用方便代替了蒸汽机在工业设备中的应用。

然而小功率蒸汽机热效率比汽轮机高所以在产煤区或只有劣质燃料的地区或某些特殊场合蒸汽机仍有发挥作用的余地。