01第一章 概论.docx

第一章概论第一节内燃机简史热机是将燃料中的化学能转变为机械功的热力发动机。区分于外燃机，内燃机是燃料在机器内部燃烧而将能量释放做功的，它的工质在燃烧前是燃油与空气的混合气，在燃烧后则是燃烧产物。本书介绍的主要是点燃式发动机(汽油机，尽管它也能燃用其他燃料)和压燃式发动机(柴油机，也能燃用其他燃料)。燃气轮机也是内燃机的一种，但它的工作原理与汽油机和柴油机完全不同，因而不在本书探讨范围之内。由于内燃机的热效率高(是当今热效率最高的热力发动机)、结构简洁、比质量(单位输出功率的质量)轻、移动便利，因而被广泛应用于交通运输(陆上、内河、海上和航空)、农业机械、工程机械和发电时作为动力。内燃机的出现和独创可以追溯到1860年，莱诺依尔(JJElenoir,18221900年)首先独创了一种大气压力式内燃机，煤气和空气在活塞的上半个行程被吸入气缸，然后放火花点燃；后半个行程为膨胀行程，燃烧的煤气推动活塞下行膨胀做图1-1大气压力式内燃机示功图Pl大气压5功。活塞上行时起先排气行程(它的示功图见图1-1),这种发动机在燃烧前没有压缩行程，热效率低于5%,最大功率为4.5kW,I8601865年共生产T约5000台。1867年奥托(NiCOIaUSA.Otto,1832-1891年)和浪琴(EUgen1.angen,18331895年)独创了一种更为胜利的大气压力式内燃机。它利用燃烧所产生的缸内压力上升，在膨胀行程时加速一个自由活塞和齿条机构，它们的动量将使气缸内产生真空，然后大气压力推动活塞内行。齿条通过m滚轮离合器与输出轴相啮合，输出功率。这种发动机热效率可达11%,共生产了近5000台。为了克服莱诺依尔和他本人提出的这种大气压力式内燃机热效率低、质量大的缺点，奥托提出了一种四冲程循环的内燃机，即进气、着火前的压缩、膨胀与排气，他的四冲程的原型机于1876年投入运行，这种发动机的热效率提高到了14%,而质量则削减了近70%,从而有效地投入工业运用而形成了内燃机工业。至1890年,有50万台机器销往欧洲和美国。接着在1890年前英国的克拉克(DUgakiCIerk,18541913年)和罗伯逊(JameSRobSOn,18331913年)、德国的卡尔奔驰(KaHBenz,1844-1929年)胜利地独创了二冲程内燃机，即在膨胀行程末期和压缩行程初期进行进气和排气行程。1892年德国的工程师鲁道夫狄塞尔(RUdoIfDiese,18581913年)提出了一种新型内燃机的专利，即在压缩终了将液体燃油喷入缸内，利用压缩终了气体的高温将燃油点燃，它可以采纳大的压缩比和膨胀比，没有爆燃，热效率可以比当时其他的内燃机高一倍。这种构想在5年之后最终变为一个实际的机器，即压燃式发动机一一柴油机。之后，学者们曾提出了各种各样回转式内燃机的结构方案,但始终到1957年才由汪克尔(EWankel)胜利地试验了他独创的转子发动机。这种发动机通过多年的努力和发展，在胜利地解决了密封与缸体震纹之后，也在肯定领域(如赛车和小型发电机组)获得较好的应用。燃料在发动机发展中起着重要的作用，最早用来产朝气械功的是煤气；1900年之后，汽油和原油中的轻微分油成为商品，山现了各种各样将这种油料汽化并与空气混合的化油器。在1905年之前，为避开爆燃，压缩比用得较低(V4=,汽油的性能与供应都不存在问题，高挥发性的油料使发动机起动简洁，在寒冷地区运用有较好的性能。在19071915年，汽油需求量增加了5倍，要求增加从原油中提炼出来的汽油产量。威廉伯尔顿(WiIIiamBurton,18651954年)独创了将重油在压力下加热裂解成易挥发轻储分油的技术，从而大大提高了汽油的产量。但这种汽油沸点较高，使冷起动困难。由于在1912年独创了起动电机，从而较好地解决了这一问题。第一次世界大战以后，对爆燃问题有了进一步的理解，通用汽车公司发觉了四乙铅的抗爆作用，1923年美国起先将它用来作为汽油的添加剂。尤金荷德莱(EugeneHOUdry)独创了催化裂化法，既提高了汽油的产量，同时使汽油获得越来越好的抗爆性，从而使发动机的压缩比不断增加，改进了发动机的动力性能与经济性能。1902年法国的路易斯雷诺(1.OUiSRenaUIt)提出了增加缸内压力的独创专利，也就是后来被广泛接受的机械增压。1907年美国宾夕法尼亚的一家工厂试制胜利了世界上第一台增压发动机，它采纳了曲轴通过传动带驱动一个直径为8in(约203mm)的离心式压气机的机械增压方案。1915年，瑞士工程师阿尔弗雷德波希(AlfredBUChi)将这种增压器的机械驱动改造成为发动机的排气涡轮驱动,这是第一台用于内燃机的涡轮增压器的雏形。其次次世界大战后，增压技术起先在压燃式发动机上得到广泛的应用，并逐步扩展到汽油机中。近30年来，影响发动机设计和运行的主要因素，是限制发动机对环境的污染。40年头在洛杉矶出现汽车所造成的空气污染事务后，1952年哈琴史密特(AJ.HaagenSmit)阐明白光化学烟雾来自日照下的氯氧化合物和碳氢化合物所产生的化学反应，而汽车则是氮氧化合物和碳氢化合物以及一氧化碳的主要贡献者，柴油机则是烟气微粒以及碳氢化合物和氮氧化合物的主要来源。美国加州首先建立了汽车排放标准。60年头在美国，接着在欧洲、日本，相应确立了汽车排放标准，从而发展了汽油喷射、三效催化剂、无铅汽油的应用，以限制汽油机的排放。内燃机也是一个重要的噪声来源，噪声来自空气动力效应、燃烧过程中气体的压力和旋转、往复零部件的机械激励等。70年头末，国际上起先制订车辆噪声法规，以降低噪声对环境的污染。70年头初，由于石油危机导致原油价格成倍上涨，引起对发动机燃油经济性的重视，但由于要限制排气污染，因而增加了改进燃油经济性的困难。为了削减内燃机对日益短缺的石油基燃料的依靠，各国正在进行内燃机燃用代用燃料的探讨工作，以逐步取代汽油和柴油，如燃用自然气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油以及二甲基酸(CH3OCH3)等。在我国，随着车辆保有量的快速增加，汽车造成的对环境的污染越来越严峻，我国已经制订了一系列排放与噪声法规来限制它们对环境的污染，这些法规将越来越严格。我国正在推广运用无铅汽油以及发展汽油喷射、三效催化技术，到2000年将停止生产有铅汽油，同时大力发展代用燃料的基础和应用探讨，以求改善人们的生存环境及缓解石油基燃料短缺的冲突。内燃机和汽车给世界带来了现代物质文明，在经过了超过一个世纪的发展之后，它的发展远远没有达到其顶点，在动力性、经济性以及排污限制方面还在不断地改进。新材料的出现导致内燃机可以进一步减轻质量、降低成本和热损失，新型的综合了汽油机和柴油机的特点，可以运用多种燃料的分层充量发动机将会有很好的应用前景。这些都对内燃机工作者提出了新的挑战。让我们应用对内燃机工作过程日益增加的了解和学问，设计制造出更好的内燃机以造福人类，造福社会。第二节内燃机分类内燃机种类许多，它们可以按如下不同方式分类:1.汽油机卜柒油机1天然气发动机（包括液化天然气和压缩天然气）厂液化石油气发动机1.按所用燃料分一1.酒精发动机狎醇，乙醇）厂双燃料发动机伽吸入天然气，喷入柴油点火等）1.灵活燃料发动机物1汽油与静类燃料可以切换等）I-压燃式一按缸内着火方式分点燃式I-四冲程按冲程数分！-二冲程一往复活塞式一按活塞运动方式分一旋转活塞式内液体冷却一按气缸冷却方式分一空气冷却1.单缸燃一按气缸数目分一!一多缸（234S）机分TS速(<300rmin)一按转速分一一|一中速(3Og1000rmin)J高速(>1000rmin)类一按增压程度分一一按气缸排列分一非增压（自然吸气）低增压（11u<1.8）1.增压一1.、中增压（11bj1.-2.5）二高增压Sb:2A3.6）超高增压（八>3.6）-立式、卧式、直列式、V形、W形对置气缸或对置活塞式储、王字形、犍、星形厂化油器式1.按混合气虚备方式分一厂进气管或进气道喷射II一缸内直接喷射jI-分层充量仲枳"京语HA-T开式燃烧室好多种设计，如浴盆形、楔形、半圆形，碗形,邢等J源需貌至攻斤外1.分隔式燃烧室俱有辅助燃烧室.许多种设计,如涡流室，预然室等）厂二气门、四气门感多气门）一按进排气门、凸轮轴设计和布置分十顶置（上置）或侧置（下置汽门一顶置或仞置凸轮轴1.按用途分-农用、船用、汽车用、工程机械用,推拉机用、发电用、内燃机车用第三节各种内燃机的典型结构一、点燃式发动机小型点燃式发动机被广泛应用于家庭割草机、链锯、移动式小发电机组、植保、够外机和摩托车，它们通常是单缸机，其特点是尺寸小，质量轻，便宜。但出于是单缸价，因而转矩不匀称性和振动较大。图1-2给出了一台二冲程点燃式发动机的横剖面图。它的主要型式为单缸、直立风冷、缸径X行程为50mmX50mm、12h功率/曲轴转速为2.2kW/4000rmin1.15min功率/曲轴转速为3kW5000rmin/、采纳曲轴箱换气。这种型式发动机的优点为结构简洁、零件数少，每缸仅有3个运动零件，即活塞、连杆、曲轴。由于做功次数为四冲程机的一倍，因此升功率比四冲程高；但由于有扫气损大。加之采纳混合油（将润滑油以肯定比例加入汽油中）或采纳润滑油一次性地润滑活塞、活塞环与缸套，因此它的燃油、润滑油消耗量，未燃碳氢排放量比四冲程发动机高，常用于小型轻巧动力装置上。图1一3为一台368汽油机的剖视图。它的主要型式为直立、四冲程、水冷、3缸机，缸径X行程为68.5mmX72mm,标定功率/标定转速为26.2kW/5500rmin,采纳化油器供油、二气门、多球形燃烧室和单顶置凸轮轴。由曲轴前端的定时同步带轮通过同步带带动安装于气缸盖上的凸轮轴，再通过摇臂驱动气门。这种传动方式较之下置凸轮铀、齿轮传动，简化了配气机构传动装置，削减了挺柱、推杆等往复运动零件，降低了配气机构的动力载荷，降低了噪声。该发动机主要用于奥拓轿车以及其他小型动力装置。三1-3奥拓368汽油机剖视图1气兀盖罩2T缸薇3-火花塞J一排气歧管5气缸体6飞轮7-活塞8一连杆9一曲他图1-21E50F发动机横剖西图IO-油底壳11一机油集博镭12-机油第13曲雉带轮14一定时带轮15-发电机传动带16-.水泵17一京案带轮18裱黑轮19定斜传动带2。一凸轮轴带轮Zl-n22-气门2H门耀24一气门摇臂轴”一侍电器多缸机常应用于汽车，它们的转矩输出较匀称，平衡也比单缸机好。2.51.以下排量的汽车通常运用四缸机为多。六缸机通常用于排量为2.5-4.51.的发动机，其转矩比四缸机更匀称，但气缸直线排列会增加发动机长度，使曲轴扭转振动增加；由于进气管长、使燃料在各缸之间安排不易匀称。V-6发动机将气缸分成二列，每列三缸；二列气缸轴线夹角力60°,使发动机更为紧凑，一级惯性力可以得到平衡，但二级惯性力平衡状况要比直立式差。V8和V-12缸机也是常用的发动机，它们工作柔软、紧凑、排量大、振动小、增压汽油机可以在给定排量下获得更大的功率输出，因为发动机的功率取决于缸内燃烧的燃料量，燃料量又取决于每循环吸入气缸的簇新混合气量，增压可以增加进入气缸混合气的密度，从而增加发动机在给定排量下的输出功率。图1一4为桑塔纳（一般型）轿车用的JV型发动机的纵横剖面图。桑塔纳轿车JV型发动机的型式为直列4缸4冲程水冷发动机，缸径X冲程为8Imm×86.4mm,最大功率为66kW(5200r/min时)，最大转矩为145Nm(3500r/m小时)，采纳化油器供油、顶置凸轮轴，由曲轴前端的定时同步带轮通过同步带、中间轴和凸轮轴上的同步带轮带动安装于气缸盖上的凸轮轴，高速性能好。桑塔纳2000型轿车发动机采纳德国莫特朗尼克（MotroniC）电子限制多点依次喷射系统代替化油器（图6-24）,即通过不同的传感器测得的参数确定发动机的工况，再依据存储器内储存的数据或综合特性曲线确定该工况下的最佳点火提前角、闭合角，对喷油时刻和喷油时间进行优化限制，精确限制空燃比在化学计量空燃比旁边（即a=l旁边）很小范围内，以降低汽油机的有害排放。采纳电控汽油喷射后，直列4缸，1.781.排量发动机的升功率由37kW1.提高到40kW1.,升转矩由81.4Nm1.°提高至U83.3Nm/1.。图15所示为奥迪A4型汽油机纵横剖面图，它的型式为直立四冲程、水冷、4缸,缸径X冲程为86.4mm×81mm,标定功率/标定转速为11OkW/6800rmin,采纳球型燃烧室、顶置凸轮轴、五气门及增压中冷，从而获得良好的动力性、经济性及高速相宜性。它采纳电控汽油喷射、闭环、电子管理自诊断系统及三效催化剂，对排气进行后处理，其平均有效压力达1.48MPa,是一种用于小轿车的高性能汽油机。短三<苻Z(W<)与圣二正以上介绍的均为采纳曲柄连杆机构的往复式发动机，汪克尔转子（又称二角形转子）发动机则是另一种与上述结构完全不同的发动机，图16示出了汪克尔发动机的主要部件与工作原理图。它仅有两个运动零件，即三角形转子与偏心轴。三角形转子在缸体型线中的运动规律是由固定在三角形转子上的定时内齿轮绕固定在前端盖上的定时外齿轮作行星运动实现的，内齿轮固定在三角形转子上，三角形转子轴承套在偏心轴颈上，偏心轴一端支撑于外齿轮的主轴承中，另一端支承于后端盖的主轴承中，内外齿轮的齿数比为3：2,缸体型线为“双弧外次摆线”又名“双弧长短幅圆外旋轮线”，三角形转子的型线为“外旋轮线的内包络线”或“内旋轮线”。转于转动时通过缸体中的进、排气孔（有时铸在端盖中）换气，燃烧室由缸体与转子表面型线构成，采纳密封片、密封条和密封销及它们底部的弹簧片来保证这些密封件紧贴在缸体型面和端盖平面上进行密封。图16上示出了转子发动机的工作原理，即以转子表面AB所确定的燃烧室四冲程循环巾的进气、压缩、做功和排气行程。由三角形转子另外两个表面所确定的另外两个燃烧室经验了与AB表面相同的过程，三角形转子转一圈，偏心轴转三圈，三个燃烧室产生三个做功行程，因此相当于偏心轴转一圈产生一个做功行程，汪克尔转子发动机结构简洁、紧凑，零件数少，平衡性好，噪声振动小，有高的升功率和单位质量功率，高速性能好。它的缺点是燃油消耗率高，燃烧室面容比大，HC排放较高，低速低负荷性能较差，目前在肯定的领域中有应用。进气压缩点火做功排气图1.6汪克尔发动机的主要部件与工作原理图I-固定定时齿轮2酊体3排气道4内定时齿轮5一骐动蟠H心轮7一端盖8飞轮9一偏心轮轴10转子11进气道12冷却水通道】3一端黄二、压燃式发动机压燃式发动机或柴油机被广泛应用于载货汽车、机车、船舶和发电。废气涡轮增压和机械增压一般用于较大的发动机，它可以降低单位输出功率发动机的尺寸与质量：由于采纳压燃，柴油机的压缩比比汽油机大，在1224范围内，压缩比的大小取决于发动机缸径、类型以及自然吸气还是采纳涡轮增压。柴油机由于应力水平高于汽油机，因此较点燃式内燃机质量大。图17所示为第一汽车集团公司无锡柴油机厂生产的6110/125Z1.柴油机。它是直立6缸四冲程水冷增压柴油机。缸径X行程为IIOmmXI25mm,标定功率/标定转速为170kW/2300rmin,最大转矩850N-m/1400rrmin/；采纳形直喷式燃烧室，燃油由4孔喷油器干脆喷入活塞顶所形成的燃烧室内；采纳特别设计的进气道产生绕气缸轴线旋转的进气涡流，帮助混合气形成和增加燃烧速率；采纳WHIE型增压器，增压压力为120kPa,最大转矩时的平均有效压力可达1.5MPa；采纳锻钢曲轴，以提高曲轴强度。这种柴油机动力性经济性好，最低燃油消耗率不高于205g/(kWh),排放低。图18给出了D/TBD234发动机的剖视图，它是我国河南柴油机厂依据德国DEUTZMWM公司专有技术制造的。发动机型式为四冲程水冷，缸径X行程为128mmX140mm,直喷3型燃烧室，有增压和非增压两种机型；缸数有6、8、12,气缸为Y形排列、60°夹角，采纳BOSCh系统，增压机型采纳KKK增压器，进气中冷，平均有效压力达1.737Wa,单缸功率最高可达60kW；其经济性好，最低燃油消耗率不高于205g(kWh),排放低，主要应用于机车、工程机械和车用以及舰艇、电站、泵站等船用与固定式动力装置。大型柴油机可以用来作为船用或发电用动力，它的最大缸径可以做到Im左右，行程为1.83.8m,转速为56250rmin左右，采纳二冲程直流扫气。由于转速低，混合气形成有足够的时间，因而采纳简洁的开式燃烧室，有高的热效率并能燃用重柴油。三、分层充量发动机从20年头起，内燃机工作者始终希望综合汽油机和柴油机的优点来发展一种混合发动机，通过：燃油干脆喷入缸内，以避开汽油机采纳预混燃烧时的爆燃问题；燃油与空气的混合气由火花塞点燃，避开燃烧受燃油着火性能(如十六烷值)的限制；通过变更喷入的燃油量来调整功率，避开泵气损失，从而希望获得在优化的压缩比下的高效燃烧。这种发动机要求混合气的浓度分布是，在火花塞旁边形成效浓的、易于点燃的混合气，在火花塞下游则较稀。这种浓度分布既能保证牢靠点燃，又能燃烧较完全，因而称为分层充量发动机。由于燃油干脆喷入缸内，不易爆燃，提高了燃料的抗爆性；由于有火花塞助燃，降低了对燃料着火性能的要求，因此可燃用多种燃料。这种分层充量发动机的工作原理详见第五章>-W-第二不。参考文献1蒋德明主编，内燃机原理，北京：机械工业出版社，19882JohnB.Heywood.InternalCombustionEngineFundamentals.McCraw-HiIlCompany,19883机械工程手册电机工程手册编辑委员会编，机械工程手册：动力设备卷，第2版，北京：机械工业出版社，19974H李斯特，A匹辛格主编，内燃机设计总论，内燃机全集新版第一卷，高宗英译，北京：机械工业出版社，1982