内燃机原理(全)讲解

8、压缩比ε：气缸总容积与燃烧室容积之比称为 压缩比，以ε表示： V

a
Vc
压缩比ε表示气缸中的气体被压缩后体积缩小 的倍数，它对内燃机的性能有重要影响。
二、总体构造
四冲程汽油机 : 主要由下列机构和系统组成：曲柄连 杆机构、配气机构、供给系、点火系、润 滑系、冷却系和起动装置。
1、曲柄连杆机构 曲柄连杆机构的主要机件是：气缸体、气 缸盖、活塞、连杆、带有飞轮的曲轴和曲轴箱。 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。
2、配气机构 配气机构的功用是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。配 气机构包括进气门、排气门、挺柱、推杆、摇 臂、摇臂轴以及凸轮轴等。二行程内燃机的配 气机构有所不同。 气门的开闭是由凸轮轴上的凸轮控制的， 凸轮轴通常由曲轴通过齿轮来驱动。 根据气门安装位置的不同，配气机构的布 置形式主要有侧置式 ( 顺装气门 ) 和顶置式 ( 倒 装气门)两种。
7、起动装置 起动装置的功用是借助外力(人力或其他动力) 将静止的内燃机转为自行运转。不同的起动方法， 有不同的起动装置。它主要包括起动机、传动机 构和操纵机构等。为便于起动，有的内燃机上还 设有起动辅助装置。 四冲程柴油机的构造除点火系和供给系外， 与汽油机的大体相同。 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。柴油机的燃 油供给部分也和汽油机的不同。在柴油机中是用 输油泵将柴油箱中的柴油吸出，经柴油滤清器滤 清后送到喷油泵，喷油泵再将柴油以很高的压力 压出经高压油管由喷油器喷人气缸。
2、内燃机工作循环示功图：
研究内燃机的工作循环时，可以利用一种表示气缸 内气体压力和相当于活塞不同位置时的气缸容积V之间的 变化关系图(P-V图)。此图能表示一个工作循环中气体在 气缸内所作的功，所以称为示功图。
二、四冲程汽油机的工作原理
四冲程化油器式汽油机的结构简图和P-V示功图。
进 气
压 缩
排 气
2、采用增压技术 3、汽油机稀燃—速燃技术： 稀燃可提高汽油机经济性和降低排放， 提高压缩比。 4．汽油机缸内喷射分层燃烧技术 内燃机的功率和扭矩都有所提高， 燃油消耗率下降。 5．柴油机采用直喷式燃烧系统 直喷式燃烧系统比间喷式燃烧系统 的热效率可提高10％-15％，是提高柴油 机经济性的有效措施。
3、供给系 供给系的功用是供给气缸空气和燃油(可燃混合 气)，并排出燃烧后的废气。 化油器式汽油机工作时，汽油泵将汽油箱中的 汽油吸出，经汽油滤清器滤清后压送到化油器；同 时空气经空气滤清器滤清后也进入化油器。在化油 器中汽油被喷散，并在很大的程度上被蒸发，汽油 与空气混合后形成可燃混合气经进气管被吸入气缸。 燃烧形成的废气经排气管和排气消声器排人大气。 4、点火系 混合气在气缸内被压缩后要用电火花来点火。 供给低压电流的电源 ( 蓄电池和发电机 ) ，将低压电 流变为高压电流的设备 ( 点火线圈和断电器 ) ，以及 将高压电流分配给火花塞(装在气缸盖上)的设备1、对燃料要求较高；高速内燃机一般使用汽 油或轻柴油作燃料，并且对燃料的清洁度 要求严格；在气缸内部难以使用固体燃料 或劣质燃料。 2、废气污染和噪声引起公害：由于内燃机已 广泛地应用在国民经济的各个领域中其产量 和保有量极大，对环境的污染也越来越严重。 3、结构较复杂，零部件加工精度要求较高。
一．基本名词术语
1、上止点（TDC）： 活塞离曲轴中心最大 距离的位置称为上止点， (图1—3)； 2、下止点（BDC）： 活塞离曲轴中心最小 距离的位置称为下止点。 注意：在上、下止点时， 活塞的运动方向改变， 同时它的速度等于零。
3、行程s(stroke)： 上止点与下止点间的距离称为活塞 行程s。由图1—3可见，活塞行程s等于曲 柄半径r的两倍，即: S=2r 4、气缸工作容积V h ：在一个气缸中，活 塞从上止点到下止点所扫过的容积称为 气缸工作容积V h 。如气缸直径D和活塞 行程s都以mm为单位，则以L（升）为单 位的气缸工作容积可用下式计算：
6．提高柴油机燃油喷射压力：喷油压力目 前已达120—150MPa 7．排气后处理技术：可使柴油机实现CO、 HC及NOx的同时净化 8．采用代用燃料：以压缩天然气(CNG)和 液化石油气(LPG)为主
第二节内燃机的总体构造
图1—2 示出内燃机 的基本机构， 它包括气缸、 气缸盖、活 塞、活塞销、 连杆、曲轴、 飞轮、曲轴 箱和进、排 气门等。
3.燃烧—膨胀过程 燃烧—膨胀过程是混合气燃烧、膨胀而作功的 过程。当压缩过程活塞到达上止点前，火花塞发 出电火花，将混合气点燃。混合气燃烧时放出大 量的热，气缸内气体的温度和压力骤增(这时进、 排气门都是关闭的)。在气体压力的作用下，活塞 向下止点移动，井通过连杆使曲轴旋转而作功。
4.排气过程 排气过程中，活塞由下止点向上止点移动， 排气门开启，进气门保持关闭 。示功图上的曲 线br表示排气过程。残余废气约占进入气缸的新 鲜混合气的5％--15％(以质量计)
活塞可在气缸内上下往复运动。活塞 销穿过活塞和连杆的上端，使活塞和连杆 成为铰链似的连接。连杆下端套在曲轴弯 曲部分（俗称曲拐）的曲柄销(连杆轴颈) 上，也是铰链似的连接。 曲轴两端由曲轴箱上的轴承来支承， 曲轴可在轴承中转动。 活塞在气缸中往复运动时，曲轴则绕 其轴心线作旋转运动。很明显，曲轴每转 一周，活塞向上向下各行一次（两个行 程）。
三、四冲程柴油机的工作原理
四冲程柴油机和汽油机—样，每个工作循环也 经历进气、压缩、燃烧—膨胀和排气4个过程。其工 作过程与汽油机的不同，在于可燃混合气的形成和 着火的方法。在柴油机中吸进和压缩的是空气，燃 油以很高的压力被喷入压缩后的高温空气中形成混 合气而自行着火燃烧。 柴油机充量系数较汽油机的为大，高速柴油机的 ηv = 0.75—0.90。柴油机是压缩着火的，为使喷入 气缸的柴油可以迅速着火燃烧，空气被压缩后的温 度必须大大高于柴油的自燃温度。因此柴油机需采 用较大的压缩比(12--22)
5、润滑系 润滑系的功用是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。润滑系包括油底壳、机油 泵、机油滤清器、机油管路和通道以及机油标尺等。 由于机油在润滑系中的环流和飞溅．内燃机的运动件就 得到了润滑。 6、冷却系 冷却系的功用是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(水温约80--90℃)。 多数内燃机采用水、风复合冷却系，它包括气缸周围和 气缸盖中的水套、散热器(水箱)、水泵和风扇。由于水泵的 作用，冷却水就在水套和散热器间循环流动，而内燃机需要 散出的热量则通过风扇和散热器散入大气中。 也有的内燃机采用纯水冷却方式（小型农用单缸卧式蒸 发式水冷柴油机）或纯风冷却方式(小型汽油机)。
二、内燃机的优缺点
（一）内燃机的优点： 1 、热效率高；热效率高，即燃油消耗率低， 经济性好 , 尤其是柴油机，它是热效率最 高的热机，最高有效热效率巳达46％。 2 、功率范围广；单机功率可从零点几千瓦 到上万千瓦，故适用范围大。 3、结构紧凑、质量轻、比质量较小、 便于移动。 4、起动迅速、操作简便，并能在起动后 很快达到全负荷运行。
内
燃
机
铁道装备专业
中南大学机电工程学院
第一章 内燃机的总体构造 与工作原理
第一节 内燃机概述 第二节 内燃机的总体构造 第三节 内燃机的基本工作原理

重点：结构、工作原理 难点：工作原理
第一节 内燃机概述
一、内燃机的定义及其分类 （一）内燃机的定义 内燃机是通过在热功转换空间内部的燃烧过程将 燃料中的化学能转变为热能，并通过一定的机构使之 再转化为机械功的一种热力发动机(简称热机)。 （二）内燃机的分类 1 、按燃料分：有汽油机，柴油机，煤气机，乙醇 （酒精）机，天然气体、氢气燃料及多种燃料内 燃机等。 2、按着火方式分：有压缩着火(压燃式)和强制点火 (点燃式)内燃机。
第三节内燃机的基本工作原理
一、内燃机的工作循环和示功图
1、内燃机的工作循环：
内燃机气缸中进行的每一次将热能转变为机械功的 一系列连续过程称为内燃机的一次工作循环 ( 作一次功 )。 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；而二冲程内燃机的工作循环则是在 曲轴旋转一周，即两个行程中完成的。
(二)内燃机技术的发展动向
1．电子技术的应用： 以微型计算机为中心的电子技术，在内燃机产 品设计研究、测试、制造方面均巳普遍应用，计算 机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机 辅助测试(CAT)、计算机辅助工艺设计(CAPP)技术 发展迅速。 柴油机采用电子技术优化控制喷油规律及喷 油量，控制预混合燃烧和扩散燃烧部分的燃油量， 提高柴油机的功率。 废气再循环(EGR)是汽油机和柴油机降低NOx 排放的有效措施。电控EGR可保证在各种工况下实 现最佳的EGR率。
10、按转速分：有高速、中速和低速内燃机。目前 汽油机均为高速内燃机，最高转速一般在6000转/分 以上，比柴油机的转速高；汽车用柴油机最高转速 4000转/分左右；而工程机械柴油机最高转速一般为 1500转/分—2000转/ 分。船舶用柴油机转速一般为 中、低速，100转/分—500转/ 分左右。
三、内燃机的发展趋势
(一)内燃机性能指标的发展动向
1．强化程度不断提高： 提高内燃机的强化程度，使之在有限的气缸 工作容积条件下提高内燃机的功率。 2．降低燃油消耗率、提高经济性
3．提高内燃机的可靠性和耐久性 无故障期为5000h，表征耐久性的指标是大修 期。常以压缩压力下降到一定值(2.2~2.7MPa)或各 缸压力差增大到一定值(0.3MPa)即认为应当大修。 4．降低废气中有害排放和噪声
1．进气过程 在进气过程中，活塞从上止点向下止 点移动，进气门开启，排气门关闭。在示 功图上以曲线ra表示。 可燃混合气充满气缸的程度可用充量系数 ηv来表示。充量系数是每工作循环实际进入 气缸的新气质量与理论上可充入气缸的新气 质量之比。汽油机的充量系数约为0.70— 0.85。充量系数较大，表明进入气缸的可燃 混合气的量较多，因而发动机的功率也可以 较大。