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内燃机基本知识主讲：赵叫回日期：2013年3月,内燃机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统。汽油机由两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成；柴油机由两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。,1、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。它由汽缸体、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。发动机做功的过程就是将热能转换成机械能的过程。,2、配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。,3、汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。,4、润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。,5、冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。,6、在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。,7、要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。,一、内燃机的构造和有关名词 为了说明内燃机的工作原理，首先介绍一下内燃机的构造和有关名词。柴油机的主体部分为圆柱的气缸体，在气缸体内有上下移动的圆柱形活塞，为了防止燃烧气体泄漏，在活塞上装有密封气体的活塞环。气缸体的上部为气缸盖，在气缸盖上进气通道和排气通道以及进气门和排气门，进、排气门之间装有喷油器。活塞中部装有活塞销，通过它与连杆上部相接，连杆下部连接曲轴，通过曲轴末端的飞轮输出功率。,（1）上止点（又叫上死点）活塞顶面位移到距离曲轴中心线最远时的位置。 （2）下止点（又叫下死点）活塞顶面位移到距离曲轴中心线最近时的位置。 （3）活塞冲程（又叫活塞行程）活塞的上止点与下止点间的距离，单位为毫米。活塞移动一个行程时，曲轴旋转半圈（180度）。因此，活塞冲程等于曲柄半径的两倍。 （4）燃烧室容积（又叫压缩室容积）活塞在上止点时，活塞顶以上（包括活塞顶部的凹坑）和气缸盖底部（包括气缸盖内部的辅助燃烧室）之是所构成空间的容积，单位为升。,（5）气缸工作容积活塞在上下止点位置时其间的气缸容积，单位为升。 （6）发动机排量一台内燃机各个气缸工作容积之和（对单缸内燃机其排量就是气缸工作容积），单位为升。 （7）气缸总容积活塞在下止点位置时，活塞上部所有密封容积，单位为升。气缸总容积=燃烧室容积+气缸工作容积 （8）压缩比气缸总容积与燃烧室容积的比值 压缩比表示活塞由下止点移到上止点时，气体在气缸内被压缩的程度。压缩比越大，压缩时气体在气缸内被压缩得就越高。柴油机压缩比的范围一般为1620MPa。汽油机压缩比的范围一般为68MPa。,单缸汽油机构造简图,二、内燃机的基本名词定义,1）上止点（TDC ,Top Dead Center）2）下止点（BDC,Bottom Dead Center）3）曲柄半径（mm)：R4）活塞行程（mm)：S=2R5）气缸工作容积(L) ： (D气缸直径）6）燃烧室容积（余隙容积）(L)：Vc7）气缸最大容积（L）：Va 8）内燃机排量(L)：VL= Vhi9）压缩比：= Va / Vc,压缩比,定义：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。用表示。 = Va/Vc,压缩比过大的不良后果,压缩比过大的不良后果,返回,二、内燃机的工作原理 内燃机的工作原理是利用燃料在气缸内燃烧产生的热能，通过气体受热膨胀推动活塞移动，再经过连杆传递到曲轴使其旋转做功。 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叫做四冲程内燃机；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叫做二冲程内燃机。,1-2 四冲程内燃机工作原理一、四冲程内燃机工作循环,四冲程内燃机活塞上、下共四个行程，曲轴旋转二周（720），完成一个工作循环的内燃机。四冲程内燃机由下述四个冲程组成一个工作循环1.进气冲程2.压缩冲程3.作功冲程4.排气冲程(动画：四冲程内燃机工作原理),四冲程内燃机工作循环示意图,四冲程发动机的简单工作原理,四冲程汽油机的工作原理 1、进气行程2、压缩行程 3、作功行程 4、排气行程,单缸四冲程汽油机的工作过程,四冲程柴油机的工作原理,喷油器,喷油泵,吸气行程,压缩行程,作功行程,排气行程,进气门,排气门,纯空气,温度300370K压力800900 kPa,温度8001000K压力35 MPa,瞬时：温度18002200K压力510 MPa,温度8001000K压力105400 kPa,终了：温8001000K压力105400 kPa,（一）四冲程柴油机的工作过程四冲程柴油机的工作过程 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。,进气行程,示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。,排气门关闭,进气门开启,活塞,温度370440 K， 压力7590 kPa,大气压力线,P,V,r,a,示功图,上止点,下止点,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，气缸内气体的压力可达到29404410千帕（3045千克力.平方厘米），温度可达500700摄试度（比柴油的自燃温度高150250摄试度）。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。,压缩行程,进气门关闭,排气门关闭,活塞,压缩比： =Va/Vc,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,上止点,下止点,温度600800K， 压力6001500 kPa,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，气体的压力迅速增到59008800千帕（6090千克力/平方厘米），温度可达15002000摄试度。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。,作功行程,进气门关闭,排气门关闭,活塞,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,瞬时最高：温度22002800 K， 压力35MPa,作功终了：温度15001700 K， 压力300500 kPa,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，排气的温度为300500摄试度，压力为103122千帕（1.051.25千克力/平方厘米），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。,排气行程,进气门关闭,排气门打开,活塞,P,V,r,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,温度9001200 K 压力105125 kPa,残余废气,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）四冲程汽油机的工作过程四冲程汽油机的工作过程与四冲程柴油机的工作过程基本相同，每一个工作循环同样有进气、压缩、作功、排气四个冲程。其主要区别有以下几点： 1、在进气过程中，进入气缸的不是纯空气，而是空气与汽油相混合的可燃混合气。在进气通道上装有化油器，空气在进气冲程的吸力作用下，以较高的流速流经化油器，将被吸入化油器喉管的汽油吹散和雾化，形成可燃混合气进入气缸。 2、汽油机吸入的混合气是由电火花强制点火，而不是压缩自燃（压缩比较小，压力和温度都比较低，不足以引起自燃）。在气缸兽上装有火花塞，当活塞在压缩冲程运行到临近上止点时，炎花塞在高压电的作用下产生电火花将可燃混合气点燃。,从以上柴油机和汽油机的工作过程中可以见到在工作循环中只有一个作功冲程是活塞驱动曲轴旋转而作功的，其它三个冲程都是为作功冲程作准备，均需要由曲轴带动活塞运动，要消耗一部分能量。因此，在曲轴的一端均装有一转动惯量较大的飞轮。在作功冲程驱动曲轴及飞轮旋转，产生转动惯量带动在气缸中运动的。另外，单缸四冲程内燃机曲轴每旋转两圈只有半圈（作功冲程）作功，运转不均匀，所以会产生较大的震动，因此在单缸机上都有尺寸较大的、重量较重的飞轮来储存能量，保持运转的平稳性。,（三）多缸四冲程内燃机的工作过程 具有两个或两个以上气缸的内燃机称为多缸内燃机。若单机要求较大的功率时，采用单缸内燃机则需加大气缸的直径和冲程，相应的零部件都要加大尺寸，使机器相当笨重。运动部件的运动惯量增大，难以平衡，导致工作起来不稳定，震动较大。因此，较大功率的内燃机，一般都不采用单缸加大缸径方式，而是采用较小缸径、多缸的型式。由于多缸内燃机的作功冲程是相互交替均匀分配的，所以多缸比单缸内燃机旋转均匀、工作稳定。,多缸四冲程内燃机可视为由多个单缸机共用一根曲轴和一个大机体组合而成的,每个气缸与单缸机一样各自完成本身的工作循环,只是各气缸的作功冲程相互错开,使各缸的同一冲程按一定的工作顺序排列组合 二缸四冲程内燃机曲轴的两个曲柄位于同一平面内，方位相反而相互错开180度。 三缸四冲程内燃机曲轴的曲柄夹角互为120度，其工作顺序为12-3缸或1-3-2缸两种方式。三缸四冲程内燃机作功间隔是均匀的，在每一缸的作功冲程后都有60度的间歇时间，下缸才开始作功。,（四）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。, 1-3 二冲程内燃机工作原理,二冲程内燃机工作过程二冲程内燃机活塞上、下共二个行程，曲轴旋转一周（360），完成一个工作循环的内燃机。仍由下述五个过程组成，即进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀过程、排气过程。但进气、排气过程同时进行，俗称为换气过程扫气过程：大量扫气空气进入气缸，将废气从气缸驱出的过程。,二冲程工作过程动画,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。,内燃机的种类 内燃机的分类方法很多，按照不同的分类方法可以把内燃机分成不同的类型，下面让我们来看看内燃机是怎样分类的。 内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气(非增压)式发动机和强制进气(增压式)发动机。汽油机常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。比如移动电站和吊管机装配的康明斯6BTA5.9，NT855发动机，和东方红LR6105Z发动机。,内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角180(一般为90)称为V型发动机，若两列之间的夹角=180称为对置式发动机。,内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。,内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。,内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机和二行程内燃机。把曲轴转两圈(720)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机；而把曲轴转一圈(360)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。工程机械发动机广泛使用四行程内燃机。,内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机、柴油机和燃气机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油机为燃料的内燃机称为柴油机；使用天然气、液化石油气和其他气体为燃料的内燃机称为燃气机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。,（1）柴油机165F单缸、四冲程、缸径65mm、风冷、通用型。R175A单缸、四冲程、缸径75 mm、水冷、通用型（R表示175产品换代符号，型A为系列产品改进的区分符号）。R175ND单缸、四冲程、缸径75 mm、凝气冷却、发电机组用（R含义同上）。495T四缸、直列、四冲程、缸径95 mm，水冷、拖拉机用。YZ6102Q-6缸、直列、四冲程、缸径102mm、水冷、车用（YZ为扬州柴油机厂代号）。12V135ZG12缸、V型、四冲程、缸径135 mm、水冷增压、工程机械用。6E430SZ6缸、二冲程、缸径430 mm、水冷、十字头式、可倒转、增压、船用主机、左机基本型。 G6300CG系列、6缸、四冲程、缸径300 mm、可倒转、船用主机、右机基本型。（G为产品系列代号）。（2）汽油机 1）1E65F单缸、二冲程、缸径65 mm、风冷、通用型。 2）4100Q四缸、四冲程、缸径100 mm、水冷、汽车用。,