山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院拖拉機(jī)構(gòu)造課件內(nèi)燃機(jī)基本構(gòu)造及工作原理

第一章內(nèi)燃機(jī)根本構(gòu)造與原理2023/2/141主要內(nèi)容緒論內(nèi)燃機(jī)的分類與總體構(gòu)成內(nèi)燃機(jī)工作原理單缸四行程內(nèi)燃機(jī)工作原理多缸四行程內(nèi)燃機(jī)工作原理二行程內(nèi)燃機(jī)工作原理內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品型號內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)2023/2/142內(nèi)燃機(jī)是一種最常用的動力機(jī)械，其將燃料在汽缸內(nèi)燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能對外做功。內(nèi)燃機(jī)工作過程：內(nèi)燃機(jī)工作時，先將燃料與空氣混合成可燃混合氣，在汽缸中燃燒、氣體膨脹對活塞做功后，再將燃燒產(chǎn)物—廢氣排出汽缸外進(jìn)入大氣中。這種內(nèi)燃機(jī)通過活塞在汽缸中不斷往復(fù)運(yùn)動、汽缸容積連續(xù)變化，而完成內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、混合氣燃燒與氣體膨脹作功、廢氣排放循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以又稱為容積式內(nèi)燃機(jī)。緒論內(nèi)燃機(jī)的特點(diǎn)2023/2/143特點(diǎn)：〔1〕消耗大量石油燃料〔2〕廢氣排到空氣中，人類生存環(huán)境和生態(tài)環(huán)境遭到污染〔3〕內(nèi)燃機(jī)工作過程活塞往復(fù)運(yùn)動、廢氣排出汽缸產(chǎn)生較大噪聲和振動，影響其轉(zhuǎn)速提高及所驅(qū)動的機(jī)械平穩(wěn)運(yùn)行。2023/2/144內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的開展第一次重大突破：往復(fù)活塞式四沖程內(nèi)燃機(jī)1876年德國人奧托創(chuàng)造并使用。由于采用進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四沖程，發(fā)動機(jī)的熱效率從大氣壓力式發(fā)動機(jī)的11%提高到14%，發(fā)動機(jī)的質(zhì)量卻降低了70%。第二次重大突破：創(chuàng)造了壓燃式內(nèi)燃機(jī)(即柴油機(jī))1892年德國工程師狄塞爾創(chuàng)造了柴油機(jī)。由于采用高壓縮比和膨脹比，熱效率到達(dá)31%左右，又提高了1倍。第三次重大突破：廢氣渦輪增壓1926年，瑞士人布希(A.Buchi)提出了廢氣渦輪增壓理論，利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣能量來驅(qū)動壓氣機(jī)，給發(fā)動機(jī)增壓，使發(fā)動機(jī)性能有很大提高。1956年，德國人汪克爾創(chuàng)造了轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有大幅度提高。第四次重大突破：汽油噴射系統(tǒng)1967年德國博世公司首次推出由電子計(jì)算機(jī)控制的汽油噴射系統(tǒng)，使發(fā)動機(jī)的污染物排放、噪聲和燃油消耗大幅度地降低，改善了動力性能。2023/2/145內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用〔一〕內(nèi)燃機(jī)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸〔1〕內(nèi)燃機(jī)是汽車的“心臟〞〔2〕鐵路系統(tǒng)使用的內(nèi)燃機(jī)車。〔3〕內(nèi)河及海上運(yùn)輸，以柴油機(jī)作為主機(jī)的船舶占世界年造船總量的98%左右。〔4〕農(nóng)用飛機(jī)仍有許多采用內(nèi)燃機(jī)作為動力〔二〕內(nèi)燃機(jī)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)〔1〕排灌、脫粒、發(fā)電、農(nóng)副產(chǎn)品加工固定作業(yè)〔2〕拖拉機(jī)及各種自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)田根本建設(shè)?！?〕農(nóng)業(yè)運(yùn)輸：低速載貨汽車、三輪汽車和變形運(yùn)輸機(jī)。2023/2/146第一章內(nèi)燃機(jī)根本構(gòu)造與原理發(fā)動機(jī)：但凡將某種形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器統(tǒng)稱為發(fā)動機(jī)熱力發(fā)動機(jī)：指將燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器熱力機(jī)分內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)兩種。燃料在發(fā)動機(jī)外部燃燒的熱力發(fā)動機(jī)稱為外燃機(jī)；燃料直接在發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒的熱力發(fā)動機(jī)稱為內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)具有熱效率高、功率范圍廣、適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、使用操作方便、啟動迅速等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。一、內(nèi)燃機(jī)的分類第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)分類與總體構(gòu)成2023/2/147一、活塞式內(nèi)燃機(jī)的分類按所用燃料:汽油機(jī)、柴油機(jī)、石油液化氣機(jī)、沼氣機(jī)、天然氣機(jī)按每循環(huán)活塞行程數(shù)分類：二行程內(nèi)燃機(jī)、四行程內(nèi)燃機(jī)按汽缸數(shù)分類：單缸內(nèi)燃機(jī)、多缸內(nèi)燃機(jī)按進(jìn)氣方式分類〔進(jìn)氣狀態(tài)不同〕：非增壓內(nèi)燃機(jī)、增壓內(nèi)燃機(jī)按冷卻方式:水冷式、風(fēng)冷式按著火方式:壓燃式、點(diǎn)燃式按轉(zhuǎn)速分類：高速內(nèi)燃機(jī)、低速內(nèi)燃機(jī)按活塞運(yùn)動方式：往復(fù)活塞式、旋轉(zhuǎn)活塞式按氣缸排列方式：直列式、V型、對置式，臥式按用途：汽車用內(nèi)燃機(jī)、拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)、船用內(nèi)燃機(jī)、工程機(jī)械用內(nèi)燃機(jī)2023/2/1482023/2/149按活塞運(yùn)動方式

往復(fù)活塞式Reciprocatingengine旋轉(zhuǎn)活塞式RotarycombustionengineWankelengine

4-strokecycle

1.Intake

2.Compression

3.Power

4.Exhaust2023/2/14102023/2/14112023/2/14122023/2/14132023/2/14142023/2/14152023/2/1416二內(nèi)燃機(jī)的總體構(gòu)成2023/2/1417單缸發(fā)動機(jī)的根本結(jié)構(gòu)2023/2/1418柴油機(jī)的根本構(gòu)造:〔1〕曲柄連桿機(jī)構(gòu)crank-connectingrodmechanism；〔2〕配氣機(jī)構(gòu)valvetimingmechanism；〔3〕燃料供給系統(tǒng)fuelsupplysystem；〔4〕潤滑系統(tǒng)lubricationsystem；〔5〕冷卻系統(tǒng)Coolingsystem；〔6〕啟動系統(tǒng)startingsystem。2023/2/14192.汽油機(jī)的根本構(gòu)造〔1〕曲柄連桿機(jī)構(gòu)crank-connectingrodmechanism；〔2〕配氣機(jī)構(gòu)valvetimingmechanism；〔3〕燃料供給系統(tǒng)fuelsupplysystem；〔4〕點(diǎn)火系統(tǒng)Ignitionsystem；；〔5〕潤滑系統(tǒng)lubricationsystem；〔6〕冷卻系統(tǒng)Coolingsystem；〔7〕啟動系統(tǒng)startingsystem。汽油機(jī)設(shè)有點(diǎn)火系統(tǒng)汽油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)與柴油機(jī)差異較大2023/2/1420機(jī)體組件曲柄連桿機(jī)構(gòu)功能：將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并將作用在活塞頂部的燃?xì)鈮毫D(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)矩輸出。組成：機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組

2023/2/1421配氣機(jī)構(gòu)功用：定時開關(guān)氣門，吸入新鮮氣體，排除廢氣組成：氣門組、氣門傳動組2023/2/1422曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)動畫2023/2/1423燃料供給系統(tǒng)汽油機(jī)供給系功用供入一定數(shù)量和濃度的混合氣，排出燃燒后的廢氣。柴油機(jī)燃料供給系功用把柴油和空氣分別供入氣缸，并排出的廢氣。組成：汽油/柴油供給裝置，空氣供給裝置、進(jìn)氣管、排氣管、排氣消聲器等。2023/2/1424點(diǎn)火系統(tǒng)汽油機(jī)氣缸蓋上裝有火花塞，其頭部伸入燃燒室內(nèi)。點(diǎn)火系通常由蓄電池、發(fā)電機(jī)、分電器、點(diǎn)火線圈和火花塞等組成。2023/2/1425冷卻系統(tǒng)功用：將受熱零件吸收局部熱量及時散發(fā)出去，保證發(fā)動機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。組成：冷卻水套、水泵、風(fēng)扇、水箱等。2023/2/1426潤滑系統(tǒng)功用：潤滑零件，減輕磨損。同時有清洗、冷卻作用。組成：潤滑油道、機(jī)油泵、濾清器、和閥門等組成2023/2/1427啟動系統(tǒng)功用：起動內(nèi)燃機(jī)機(jī)曲軸在外力作用下開始轉(zhuǎn)動到發(fā)動機(jī)開始自動地怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的全過程，稱為內(nèi)燃機(jī)的啟動組成：蓄電池、啟動機(jī)、啟動開關(guān)等組成2023/2/1428三、內(nèi)燃機(jī)根本術(shù)語2023/2/1429內(nèi)燃機(jī)常用術(shù)語工作循環(huán)上止點(diǎn)、下止點(diǎn)活塞行程氣缸工作容積發(fā)動機(jī)排量燃燒室容積氣缸總?cè)莘e壓縮比工況負(fù)荷率2023/2/1430工作循環(huán)進(jìn)氣行程：壓縮行程：作功行程：排氣行程：2023/2/1431上止點(diǎn)、下止點(diǎn)活塞頂面離曲軸回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)時的止點(diǎn)稱為上止點(diǎn)；活塞頂面離曲軸回轉(zhuǎn)中心最近時的止點(diǎn)稱為下止點(diǎn)?；钊谐躺稀⑾轮裹c(diǎn)間的距離s為活塞行程。對應(yīng)一個活塞行程，曲軸旋轉(zhuǎn)180°。曲軸旋轉(zhuǎn)中心到曲柄銷中心之間的距離稱為曲柄半徑R，通?；钊谐虨榍霃降膬杀叮碨=2R。TDC(TopDeadCcenter)BDC(BottomDeadCenter)S(Stroke)2023/2/1432氣缸工作容積上、下止點(diǎn)間所包容的氣缸容積，用Vs表示。發(fā)動機(jī)排量多缸發(fā)動機(jī)各氣缸工作容積的總和，用VL表示。燃燒室容積活塞位于上止點(diǎn)時，其頂部與氣缸蓋之間的容積，用Vc表示。氣缸總?cè)莘e活塞位于下止點(diǎn)時，其頂部與氣缸蓋之間的容積稱為氣缸總?cè)莘e。用Va表示，氣缸總?cè)莘e就是氣缸工作容積和燃燒室容積之和，即Va＝Vs＋Vc。2023/2/1433壓縮比表示了氣體的壓縮程度，它是氣體壓縮前的容積與氣體壓縮后的容積之比值，即氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比。一般用ε表示。工況

內(nèi)燃機(jī)在某一時刻的運(yùn)行狀況，以該時刻內(nèi)燃機(jī)輸出的有效功率和曲軸轉(zhuǎn)速表示。負(fù)荷率內(nèi)燃機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下發(fā)出的有效功率與相同轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大有效功率的比值稱為負(fù)荷率，以百分?jǐn)?shù)表示。負(fù)荷率通常簡稱負(fù)荷。2023/2/1434第二節(jié)內(nèi)燃機(jī)工作原理單缸四行程內(nèi)燃機(jī)工作原理單缸四行程柴油機(jī)工作原理單缸四行程汽油機(jī)工作原理二行程內(nèi)燃機(jī)工作原理2023/2/1435一、單缸四行程內(nèi)燃機(jī)工作原理熱能——機(jī)械能，能量轉(zhuǎn)換過程經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個行程，活塞在汽缸中往復(fù)兩次完成一個工作循環(huán)。每個行程中氣體壓力P隨汽缸容積V的變化用P-V曲線圖表示。這種表示氣缸內(nèi)氣體壓力隨汽缸容積變化規(guī)律的曲線所圍成的面積相當(dāng)于氣體對活塞所做的功，因此稱為示功圖。進(jìn)氣行程壓縮行程2023/2/14364-strokecycle

1.Intake

2.Compression

3.Power

4.Exhaust2023/2/1437二、單缸四行程柴油機(jī)的工作原理四行程柴油機(jī)工作原理圖1.噴油器2.排氣門3.進(jìn)氣門4.汽缸5.噴油器6.活塞7.連桿8.曲軸2023/2/1438二、單缸四行程柴油機(jī)的工作原理1.進(jìn)氣過程進(jìn)氣過程活塞從上止點(diǎn)運(yùn)行到下止點(diǎn)，走完一個行程。進(jìn)氣結(jié)束時，缸內(nèi)氣體壓力約低于大氣壓力，為78.5~93.2kPa。進(jìn)氣結(jié)束時缸內(nèi)氣體溫度Ta=300~400K2023/2/14392.壓縮行程壓縮結(jié)束時缸內(nèi)壓力為2900-4900kPa，缸內(nèi)溫度為750~950K。柴油的自燃溫度為600K左右，為實(shí)現(xiàn)高溫氣體引燃柴油的目的，要求壓縮終了的溫度比自燃溫度高200~300K，所以柴油機(jī)都具有較高的壓縮比。2023/2/14403.作功行程柴油在壓縮過程活塞接近上止點(diǎn)前將柴油噴人汽缸。從噴油開始到活塞到達(dá)上止點(diǎn)時的曲軸轉(zhuǎn)角，稱為噴油提前角?；钊竭_(dá)下止點(diǎn)時，做功過程結(jié)束，作功結(jié)束時缸內(nèi)氣體壓力為290~580KPa，缸內(nèi)溫度為1000~1300K。2023/2/14414.排氣行程作功過程結(jié)束，缸內(nèi)壓力高于外界大氣壓，燃燒后的廢氣在壓差作用下排出，稱為壓差排氣。隨后，在活塞上行的推趕下將廢氣排出，稱為活塞排氣?；钊竭_(dá)上止點(diǎn)時排氣門晚關(guān)，利用慣性進(jìn)行最后階段的排氣。2023/2/1442四行程內(nèi)燃機(jī)：用四個行程完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)二行程內(nèi)燃機(jī)：用兩個行程完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)單缸四行程內(nèi)燃機(jī)特點(diǎn)：只有作功行程對外作功，同時為其他三個行程提供能量。單缸四行程內(nèi)燃機(jī)工作不平穩(wěn)。為改善曲軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性，需設(shè)置較大的飛輪。2023/2/1443三、單缸四行程汽油機(jī)的工作原理1.進(jìn)氣過程進(jìn)氣過程進(jìn)入汽缸的是可燃混合氣。由于汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速比柴油機(jī)高，進(jìn)氣時間短，以及節(jié)氣門的影響，其進(jìn)氣阻力較大，故進(jìn)氣終了時缸內(nèi)壓力略低于柴油機(jī)。溫度