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1、内燃机原理,授课教师 :闫兵 教材:内燃机构造与原理 (第二版) 李飞鹏 主编,内燃机原理课程简介 内燃机原理是工程机械专业学生的一门专业限选课,是培养造就从事工程机械设计、制造、应用等相关工作高层次专业人才的重要课程。通过本课程的学习,使学生获得有关内燃机结构和基本工作原理的知识。课程主要内容有:内燃机工作过程的基本原理、内燃机各机构和系统的结构与工作原理、内燃机的性能指标、内燃机的特性、增压技术、内燃机排放控制和内燃机试验等,其中包含了现代内燃机上日益广泛应用的电控柴油喷射系统和电子点火系统等内容。 本课程采用课内讲授和实验相结合的方式。通过课内知识的传授,进一步培养学生运用所学的力学、机
2、械、电工电子、热工和测试技术等基础及专业基础理论学习综合性专业知识的能力。通过多个参与性的实验逐步增强学生的实际动手能力,培养独立工作能力、组织协调能力和分析解决工程实际问题的能力。,教学方法:理论教学与实践性教学相结合。 教学计划:相应地分为实践性教学和理论教学两个部分。 实践性教学部分: 以实践性教学为主,充分利用实验室条件,弥补专业认识实习的不足。实验分为两大组,请课代表与各自然班的负责人分好组,留下每人电话。 理论教学两个部分: 以授课为主。,第一阶段(3周) 以实践性教学为主,充分利用实验室条件,弥补专业认识实习的不足。 实验分为两大组,8:00-10:00 10:00-12:00
3、请课代表与各自然班的负责人分好组,留下每人电话。 第二阶段(13周) 以授课为主。,教学要求:本课程是实践性较强的专业课,除听课看书外,必须要完成一定的实验和课内外作业。 考核方法:最后成绩包括平时成绩(考勤、作业、实验报告等)、期中考试和期末考试成绩。,第一章 内燃机的总体构造与基本工作原理,本章讲四部分内容: 1、概述 2、内燃机的总体构造 3、内燃机的基本工作原理 4、内燃机的产品名称与型号,第一节 概 述 简要介绍几方面的基本知识: 一、内燃机的分类 二、内燃机的优缺点 三、内燃机的应用范围 四、内燃机的发展趋势 五、工程机械用柴油机的特点和要求,一、内燃机的分类,(一)、发动机:将某
4、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
5、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。,(三)、活塞式内燃机: 按活塞运动方式分: 1、往复活塞式内燃机 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。,内燃机在机械设备中的地位: 往复活塞式内燃机内燃机热力发动机
6、 发动机(动力机械)机械 内燃机的基本特点:(P.1) 1、将燃料中的化学能经过燃烧过程转变为热能,并通过一定的机构使之再转化为机械功; 2、燃料的燃烧是在产生动力的空间(通常就是气缸)中进行的; 3、活塞的运动方式为往复运动。,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
7、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,往复活塞式内燃机分类:,7用途:汽车用、工程机械用、农用、拖拉机用、发电用、机车用、船舶用、坦克用等。 8转速:高速、中速和低速; 9 气缸数:有单缸、双缸、多缸内燃机。,往复活塞式内燃机分类:,二、内燃机的优缺点,优点: 1热效率高,即燃油消耗率低,经济性好,最高有效热效率已达46,甚至50 。 2功率
8、范围广,单机功率可从零点几千瓦到上万千瓦。 3结构紧凑、质量轻、比质量较小 (比质量是内燃机整机质量与其标定功率的比值)。 4起动迅速、操作简便。 缺点: 1对燃料要求较高。 2排气污染和噪声引起公害。 3结构较复杂,零部件加工精度要求较高。,三、内燃机的应用范围,运输 地面运输:汽车、摩托机、内燃机车;,内燃机的应用范围,运输 水上运 输:内河及海上船舶; 航空运输:一些小型民用飞机。,内燃机的应用范围,民用 矿山、石油、工程机械、农业机械、林业机械和发电站等。,内燃机的应用范围,军用 坦克、装甲车、步兵战车、重武器牵引车、水面舰艇及潜水艇等方面都大量使用内燃机。,四、内燃机的发展过程和趋势
9、,内燃机的发展过程简述 1824年,卡诺发表热力发动机的经典理论-卡诺原理 1860( Lenoiv)发明大气压力式内燃机 有效热效率5,功率4.5kw,5000台; 1867(Otto & Langen) 改进后 有效热效率11,5000台; 1876(Otto)发明四冲程内燃机 有效热效率14,质量下降70, 500000台, 标志内燃机工业形成 1897(Diesel)发明柴油机 1957(Wankel)发明转子发动机。 (内燃机发展简史见附录),附录:内燃机发展简史 内燃机的发展,已有一百多年的历史。通过长期的不断改进和提高,已经发展的比较完善。由于它的热效率高,适应性好,功率范围宽广
10、,已广泛用于工业.农业.交通运输业和国防建设事业。因此,内燃机工业的发展,对于国民工业的发展,对于国民经济和国防建设都具有十分重要的意义。 1824年,卡诺(法国工程师)发表了热力发动机的经典理论-卡诺原理。 萨迪卡诺(Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796-1823),法国物理学家、军事工程师,热力学的创始人之一,是第一个把热和动力联系起来的人。他出色地、创造性地用“理想实验”的思维方法,提出了最简单,但有重要理论意义的热机循环-卡诺循环,并假定该循环在准静态条件下是可逆的,与工质无关,创造了一部理想热机(卡诺热机)。卡诺的目标是揭示热产生动力的真正的、独立的过程和
11、普遍的规律。1824年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理,指出提高热机效率的有效途径,被后人认为是热力学第二定律的先驱。 1866年,奥托(德国工程师)提出了四冲程内燃机的“奥托循环”理论。 1879年,奔驰(德国工程师)首次研制成功火花塞点火内燃机。 奔驰(Benz,Carl Friedrich),德国工程师,出生于一个火车司机家庭,年青时受过技术方面的教育。1878年开始研究新型内燃机,1879年首次研制成功火花塞点火内燃机。1882年开始尝试把发动机安装在三轮车上,1885年他的三轮车试制成功,并于1886年1月29日获得专利,被公认为汽车的诞生日;1887年开始把汽车作为商
12、品出售;1894年生产出著名的“维洛”小客车,后置发动机、双人座、并且首先采用了橡胶充气轮胎。 1883年,戴姆勒(德国工程师)发明热管点火的立式汽油机。 戴姆勒(Daimler,Gottlieb),(1834-1900),德国工程师,1886年和他的助手威廉迈巴赫制造出第一辆1.1匹马力的汽油机发动机四轮车,1897年戴姆勒的公司生产出“凤凰”牌小客车,尤其是以戴姆勒公司驻法国的总进口商埃米尔耶利内克的女儿“梅塞得斯Mercedes”命名的小客车投产后,其前置发动机,有前车灯、挡风板、双门5座位敞蓬车造型更加接近现代轿车的特征,大大提高了戴姆勒公司的商业地位。1926年6月29日和奔驰公司合
13、并,成立了在汽车驶上举足轻重的戴姆勒奔驰公司。 小资料:戴姆勒一号车 本茨制造的三轮车 世界上第一辆汽车由德国工程师卡本茨和戈特利布戴姆勒同时于1886年宣告制成本茨制成的是三轮汽车,而戴姆勒制成的四轮汽车,其发动机功率为1。1匹马力。 1897年,狄赛尔(德国著名热机工程师)最早制成了柴油机。 附:鲁道夫.狄塞尔(Rudolf Diesel,1858-1913),德国著名热机工程师,柴油机的发明者,也是艺术鉴赏家,语言学家和社会理论家。 狄塞尔出生在巴黎,他是个来自德国奥古斯堡的精细皮革制造商的儿子.在慕尼黑技术大学学习期间,他对被称为“蒸汽机“新机器很感兴趣.法国人约瑟夫.莫勒特(Jose
14、ph Mollet)发明的气动打火机激发了他的发明自燃式发动机的欲望.空气被压进一个含有易然物的玻璃圆筒中直到易燃物燃烧起来,这就是狄塞尔发动机的原理.1892年,狄塞尔取得了用压缩空气点燃煤粉提供动力的机械装置的专利.一年后,奥古斯堡的MAN公司依据他的原理制造了第一台发动机.狄塞尔卒于1913年,其他人继承了他的工作.1924年,在柏林汽车展上展出了MAN公司制造的第一台狄塞尔卡车发动机(柴油机).与此同时在曼海姆,一台带预燃烧室的狄塞尔发动机被装载了奔驰车上 1903年,首先装在船上,1907年,用于潜艇的正反转的柴油机试验成功,1912年,远洋货轮上的柴油机首次远航试验成功 小资料:第
15、一艘潜艇的雏形 1620年,荷兰物理学家德雷布尔在英国建成一艘潜艇,用羊皮压载水舱,船身为油脂皮革,能下潜三米,这是人类历史上首次出现的潜水船只,只是潜艇的雏形。1906年英国D级潜艇建成服役,采用双层壳体,用柴油机取代汽油机。 1926年,有人设计出用排气能量将进气压缩的废气涡轮增压器。涡轮增压器是利用发动机排出的废气能量,经过涡轮变为转子的回转机械能,从而带动压气机高速旋转,将新鲜空气压缩进气缸,从而提高发动机的功率。 内燃机增压的发展起源可追溯到1885年。戈-戴姆勒在发明、制造煤气机和汽油机时,已开始考虑利用增压。鲁-狄塞尔在柴油机发明专利中也提出了要安装增压泵以提高功率和热效率的想法
16、。 20世纪初,艾-比希申请专利,开创了涡轮增压的历史。最初是采用涡轮机、柴油机和压气机同轴连接,后改为涡轮单独驱动压气机的方法。 1923年,德国客船上安装的涡轮增压四冲程柴油机把柴油机的功率从1288 kW提高到1840 kW。 1925年,比希获得了脉冲增压专利并在试验中获得了成功,功率可提高50%-100%。 从50年代起,随着涡轮增压器效率的改进,柴油机采用涡轮增压技术后的功率和效率都得到了很大提高,从而被广泛地推广应用。 1936年,梅塞德斯-奔驰公司制造了第一台装有柴油机的轿车. 1950年起,开始在柴油机上采用增压方式。 如今,已经几乎无机不增压,增压后,柴油机的功率能提高1-
17、3倍。废弃涡轮增压对提高柴油机性能作出了重大的贡献。增压器是用来提高发动机的进气充气密度,以提高平均有效压力来提高功率和改善经济性的器件,主要用于柴油发动机。在汽车发动机中采用比较普遍的就是废气涡轮增压系统。 在采用废气涡轮增压器后,不仅可以大大提高发动机功率,缩小外形尺寸,节约原材料,降低燃油消耗,而且可以使排烟浓度降低,减少废气中的CO、HC以及NOx的含量,从而降低汽车排放。另外,由于燃烧压力升高率降低,发动机工作柔和,噪声也比较少。,内燃机的发展趋势,(一)内燃机性能指标的发展 1强化程度不断提高。提高强化程度系指提高平均有效压力和活塞平均速度 2降低燃油消耗率、提高经济性。用提高热效
18、率和降低内燃机的摩擦损失等措施来降低燃油消耗率。 3提高内燃机的可靠性和耐久性。 4降低废气中有害排放和噪声。,(二)内燃机技术的发展动向,1电子技术的应用。 2 采用增压技术。 3汽油机稀燃速燃技术。 4汽油机缸内喷射分层燃烧技术。 5 柴油机采用直喷式燃烧系统。 6 提高柴油机燃油喷射压力。 7排气后处理技术。 8采用代用燃料。,五、工程机械用柴油机的特点和要求,工程机械的种类繁多,大多数都采用柴油机作为动力。各种工程机械的负荷变化情况各异。而不同的地区、气候条件差异极大,故其使用环境可能十分恶劣,其性能参数和结构有许多特点和相应要求。 (结合所学内燃机构造与工作原理的知识阅读理解 ),第
19、二节 内燃机的总体构造,一、基本名词术语 内燃机的基本机构 固定件:气缸、气缸盖、曲轴箱和进排气门等 运动件:活塞、活塞销、连杆、曲轴和飞轮等,活塞、连杆、曲轴的运动特点 1 活塞在气缸内作往复运动。 2 曲轴则绕主轴颈轴心线作旋转运动。曲轴每转一周,活塞向上向下各行一次(两个行程)。 3 连杆上端(小头)随活塞作往复运动,连杆下端(大头)随曲轴作旋转运动,故连杆作复杂的平面运动。,基本名词术语,曲柄半径r:主轴颈轴心与曲柄销轴心间的距离。 连杆长度l:连杆小头中心与连杆大头中心间的距离。 上止点:活塞离曲轴中心距离最大的位置。 此时活塞销中心离曲轴中心的距离为 l+r 下止点:活塞离曲轴中心
20、最小距离的位置。此时活塞销中心离曲轴中心的距离为 l-r 活塞行程S :上止点与下止点间的距离。 故 s=(l+r)-(l-r)=2r,气缸工作容积Vh:在一个气缸中,活塞从上止点到下止点所扫过的容积 Vh =D2/(4106) S 内燃机总排量VH :i个气缸工作容积的总和 VH = i Vh 气缸总容积Va :当活塞在下止点时,活塞上方的气缸容积。 燃烧室容积Vc :当活塞在上止点时,活塞上方的气缸容积。 Va =Vh + Vc 压缩比 :气缸总容积与燃烧室容积之比 = Va / Vc,二、总体构造,四冲程汽油机主要由下列机构和系统组成: 1 曲柄连杆机构 2 配气机构 3 供给系 4 点
21、火系 5 润滑系 6 冷却系 7 起动装置,1曲柄连杆机构,功用:曲柄连杆机构是内燃机的基本机构。在燃油燃烧时,活塞承受气体膨胀的压力,并通过连杆使曲轴旋转,将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动而输出动力。 组成:气缸体、气缸盖、曲轴箱、活塞、连杆和带有飞轮的曲轴。,2配气机构,功用:使燃油与空气所组成的可燃混合气可以在一定的时刻被吸进气缸,并使燃烧后的废气可以在一定的时刻被排出。 组成:进气门、排气门、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴以及凸轮轴等。 布置形式:根据气门安装位置的不同,主要有侧置式和顶置式两种。,3供给系,功用:供给气缸空气和燃油(可燃混合气),并排出燃烧后的废气。 组成: 汽油箱、
22、汽油滤清器、汽油泵、化(喷) 油器; 空气滤清器、进气总管、进气支管; 排气支管、排气总管、排气消声器。,4点火系,功用:在一定的时刻产生电火花,点燃在气缸内被压缩后的混合气。 组成: 电源(蓄电池和发电机); 点火线圈、断电器; 分电器、火花塞。,5润滑系,功用:向内燃机的摩擦零件供给润滑油,以减少零件磨损和零件间的摩擦阻力。 组成:油底壳、机油泵、机油滤清器、机油管路和通道以及机油标尺等。 润滑方式:环流和飞溅。,6冷却系,功用:将内燃机受热零件的热量传出,以保持内燃机正常的工作温度。 冷却方式:风冷和水冷。 组成(水冷系):散热器(水箱)、水泵、进水管、气缸周围和气缸盖中的水套、排水支管
23、、排水总管和风扇。,7起动装置,功用:借助外力(人力或其他动力)将静止的内燃机转为自行运转。 组成:起动机、传动机构和操纵机构等。,柴油机结构特点 (结合16V240ZJ设计图详细介绍),1、柴油机是用气缸内空气被压缩后的高温来发火的(压缩着火),所以没有点火系。 2、柴油机的燃油供给部分也和汽油机的不同。 其组成为:柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、高压油管和喷油器。,第三节 内燃机的基本工作原理,工作循环:内燃机气缸中进行的每一次将热能转变为机械功的一系列连续过程。每一次工作循环都包括进气、压缩、燃烧膨胀和排气等4个过程。 四冲程内燃机的工作循环是在曲轴旋转两周,即4个行程中完成的; 二
24、冲程内燃机的工作循环是在曲轴旋转一周,即两个行程中完成的。,一、四冲程汽油机的工作原理,示功图,示功图:一种表示气缸内气体压力p和相当于活塞不同位置时的气缸容积V或曲轴转角之间的变化关系图。 P-V图:表示一个工作循环中,气体在气缸内所作的功; P-图:反映一个工作循环中,气体压力p随曲轴转角之间的变化关系。,一、四冲程汽油机的工作原理,1. 进气过程 作用:可燃混合气进入气缸。 实现:活塞从上止点向下止点移动,进气门开启,排气门关闭。这时活塞上方的气缸容积增大,于是压力降低到小于大气压力,产生了真空度,使可燃混合气经进气管和进气门进入气缸。 主要参数:pa=0.0750.09MPa;Ta=3
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