发动机讲解
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内燃机的总转矩即使在稳定工况下也是不断周期性 变化的
转矩的变化引起倾覆力矩的相应变化，使内燃机发 生振动
单缸机总转矩
2缸机
发火均匀的2缸机
3缸机
4缸机
6缸机
8、12缸机
转矩不均匀度
Tmax Tmin / Tm
缸数
1
2
3
4
6
8 12
不均匀 18.3 13.6 7.6 8.4 度
单缸机的旋转惯性力平衡
单缸内燃机的总旋转惯性力，包括曲柄不平 衡质量和连杆换算到大头处的质量所产生离 心力之和，其值为
Fr mrr 2
动平衡条件：对于单拐曲轴，曲拐当量旋转 质量产生的离心力必须用加在曲柄上曲柄销 对面的平衡块的两个离心力加以平衡
mp rp 1 2mr r
单缸机的往复惯性力
内燃机曲柄连杆机构运动学的基本任务，在 于确定活塞的运动规律。
中心曲柄连杆机构简图
活塞运动规律
n / 30 0.105n
x r l r cos l cos
sin sin
x r 11 cos 1 2 sin2 1 2
机体结构特征尺寸
多缸内燃机机体在纵向的主要尺寸是气缸 轴线间的距离(简称气缸轴距或缸距)L。并 用比值L／D表征结构紧凑性。比值L／D主 要决定于气缸或缸套的结构，但也与曲轴 的轴向尺寸甚至气缸盖的布置等有关。
气缸盖衬垫
气缸盖与气缸体之间的气体密封是一个复 杂的问题，它不仅要求适当的衬垫，而且 要求机体设计合理，有足够的刚度，同时 压紧衬垫的气缸盖螺栓布置均匀，数量足 够，位置合理。这样就可能以最低限度的 预紧力保证可靠的密封。
往复惯性力矩及其平衡
一次往复惯性力矩 二次往复惯性力矩
四冲程四缸机的曲柄排列
惯性力的合力
曲柄夹角为180o 旋转惯性力合力
一次往复惯性力的合力
二次往复惯性力的合力
惯性力矩的合力矩
旋转惯性力矩的合力矩
合力矩
往复惯性力的合力矩
一次力矩
二次力矩
内燃机往复惯性力和力矩平衡表
单缸机往复惯性力为
Fj F0 cos cos 2
令 有：
Fj FⅠ FⅡ FⅠ FⅠ0 cos , FⅠ0 m j r 2
FⅡ FⅡ0 cos 2, FⅡ0 m j r 2
分别称为一次、二次往复惯性力
单缸机一阶往复惯性力的平衡
对一阶往复惯性力，可以表达为一对互相反 转的旋转力的合力．所以可以用一对互相反 转的平衡块加以平衡
为使负荷矢量表达得清楚，作轴颈负荷矢量图时把 坐标固定在轴上，以旋转着的曲轴作参照系；
作轴承负荷图时，则以轴承所在物体作参照系。
曲柄销负荷图
连杆轴承负荷
返回
内燃机的转矩波动
对于四冲程内燃机来说，具有720o的变化周期。多 缸内燃机的总转矩等于各个气缸转矩之和。对于发 火间隔均匀的内燃机来说，总转矩曲线是格各缸转 矩曲线互相错开一个相当于发火间隔角 的距离，然 后进行叠加的结果。
因为内燃机中摩擦力数值较小，一般作受力 分析时都把各零件之间的摩擦力忽略不计。
内燃机中，气体作用力、惯性力与支承反力、 有效负荷相平衡
气体作用力
活塞顶的气体压力由示功图可知，气体作用 力是活塞上下压力差：
Fg D2 4pg p'
活塞往复惯性力：
Fj m2ra* m2r(cos cos2)
当量质量分布
往复质量
m j m p m1 m p ml l l'/ l
旋转质量
mr mc 2m2 mc mll' / l
往复惯性力
往复惯性力
Fj mja mjr 2 cos cos2
单位活塞面积的往复惯性力
f j Fj / D2 / 4 mjr 2 / D2 / 4 cos cos2
内燃机学
内燃机结构特点
内燃机结构特点
内燃机动力学 内燃机零部件结构特点
内燃机动力学
曲柄连杆运动学 曲柄连杆机构受力分析 内燃机的转矩波动 内燃机的发火顺序 发动机的平衡
返回
曲柄连杆运动学
内燃机曲柄连杆机构的分类
中心曲柄连杆机构 偏心曲柄连杆机构 关节曲柄连杆机构
活塞运动速度与加速度 v dx dt dx d d dt dx d
v rw .sin 2sin 2 1 2 sin2 1 2
a r 2 cos cos2 1 2 sin2 2 4 sin2 2 1 2 sin2 3 2
无冷却 喷油冷却 内置冷却腔
活塞结构尺寸
活塞尺寸比例
尺寸
直径D 压缩高度H1
总高度H 裙部高度H2 火力岸高度h 活塞销直径d
汽油机 100 35-60
70-100 40-80 7-10 22-30
柴油机 100 50-80
返回
主要固定件
气缸盖 气缸体 气缸套 上、下曲轴箱 装配关系
气缸盖设计
气缸盖的作用是密封气缸，与活塞顶一起组 成燃烧室，因此承受很大的机械负荷和热负 荷。
气缸盖中有进、排气门及其气道、火花塞或 喷油器，对于非直喷柴油机来说还有涡流室 或预燃室。对顶置凸轮轴内燃机来说还有凸 轮轴及其轴承等，所以结构很复杂。
对于驱动发电机的内燃机来说，要求不均匀度为 1/150~1/200，以保证发电质量；
对于运输式内燃机来说，因为影响因素很复杂， 建议的值非常分散。
实际内燃机飞轮的尺寸常根据经验选择，然 后用试验验证
返回
内燃机的发火顺序
内燃机的曲柄排列和发火顺序对发动机的动 力性能和工作状态及曲轴的负荷都有着直接 关联，并影响到发动机的平衡、轴承负荷、 扭转振动等等
无量纲参数
x* 11 cos 1 2 sin2 1 2 /
v* sin 2sin 2 1 2 sin2 1 2
a* cos cos2 1 2 sin2 2 4 sin2 2 1 2 sin2 3 2
机体设计
内燃机的机体构成机器的骨架，机体内外安装着内 燃机所有主要零部件和附件；为了保证活塞、连杆、 曲轴、气缸套等主要零件工作可靠，耐久，它们之 间必须严格保持精确的相对位置。
机体在内燃机运转时承受很复杂的负荷：各缸内气 体对气缸盖底面和气缸表面的均布气压力，经活塞 作用于各气缸壁的侧向力，经曲轴加在各主轴承上 的力，支架对内燃机的支承反力和反力矩
max min / n 2 max min / max min
内燃机总转动惯量与不均匀度和盈亏功的关 系为：
I 0 E / 2
飞轮转动惯量与转速不均匀度
飞轮转动惯量确定的合理性，关键在于转速 不均匀度的选择。
气体作用力、往复惯性力、合成力
力的传递
受力情况
缸壁侧向力： Fc F tan
曲柄销中心的切向力和法向力：
Ft F sin / cos Fn F cos / cos
力矩情况
发动wk.baidu.com转矩：
T Ft r Fr sin / cos
曲柄连杆机构的所有运动零件可按运动性质 不同分为三组
沿气缸轴线往复运动的零件 匀速转动的曲拐质量 作平面运动的连杆组
当量质量分布
连杆当量质量分布
连杆组用集中在连杆两端的质量近似代替：
一般内m燃1 机 的ml连l杆 l质'/量l 分布：m2 ml l' / l
m1 0.2 ~ 0.3ml m2 0.7 ~ 0.8ml
3 0.86 0.33
盈亏功
内燃机转矩与曲轴角速度之间：
T Tm I0 d / dt
将上式在转速波动的波峰值波谷之间积分， 得到盈亏功
E
2 1
T Tm
d
I0 2
2 max
2 m in
转速不均匀度
为衡量转速波动，引入转速不均匀度
气缸和曲 柄布置
1缸 2缸直列 3缸直列 4缸直列 6缸直列 4缸对置 V-8-900
往复惯性力
一次
二次
FI0
FII0
0
2FII0
0
0
0
4FII0
0
0
0
0
0
0
往复惯性力矩
一次
二次
-
-
a FI0 3 aFI0
0
3 aFII0
-
0
0
0 10 aFI0
2bFII0 0
返回
内燃机零部件结构特点
主要固定件 主要运动件 附属系统
气缸套
气缸套结构
干湿 湿式
特点：耐磨、耐腐蚀
返回
主要运动件
运动系的构造
活塞 连杆 曲轴 轴承
返回
活塞
活塞组 活塞的结构型式 活塞传热设计 活塞销 导向 活塞环
返回
活塞组
1.构成：活塞体、活塞环、活塞销 2.是燃烧室的组成部分 3.高温、高压（变化范围大） 4.完成密封功能 5.局部受力条件特殊
活塞体受力特点：
1.活塞体受力及变形 2.活塞销受力及变形 3.形变不协调引起的应力集中 4.往复惯性力 5.热膨胀
活塞与活塞销的受力变形
活塞组的应力集中
返回
活塞的结构型式
结构形式即主要尺寸比例，活塞选材，结构 要满足功能，同时着眼于轻巧。
PF 0.2kw/ cm2 : PF 0.3kw/ cm2 : PF 0.3kw/ cm2 :
活塞运动规律简化表达 x* 1 cos 41 cos 2
v* sin 2sin 2
a* cos cos 2
返回
曲柄连杆机构受力分析
作用在内燃机曲柄连杆机构中的力，分为缸 内气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力、 支承反力和有效负荷等。
曲柄连杆机构的特征参数
r / l 曲柄连杆比：
偏心率： e / r
主副连杆机构：
副连杆长度 关节半径 气缸夹角 关节角
曲柄连杆运动
在中高速内燃机中，稳定运转时，假定曲轴 等速转动
在一般情况下，连杆摆动所引起的效应可以 简化为一定部分的连杆质量随曲柄销转动
旋转惯性力
旋转惯性力、单位面积旋转惯性力：
Fr mr r 2
ft mr r 2 / D2 / 4
曲轴轴颈和轴承上的负荷
曲柄连杆机构的曲轴各轴颈和轴承上负荷的大小和 方向不断变化。为了分析轴承副的工作条件，必须 知道轴承负荷的大小、方向和作用点在一个工作循 环内的变化，这通常用负荷矢量的极坐标图表达。
mⅠrⅠ 1 2m j r
一阶往复惯性力的平衡图
单缸机二次往复惯性力的平衡
可以用反向旋转的双轴机构来平衡二阶往复 惯性力
mⅡrⅡ 1 8m j r
往复惯性力的双轴平衡机构
直列式多缸机的平衡
旋转惯性力及其平衡 旋转惯性力矩及其平衡 往复惯性力及其平衡
一次往复惯性力 二次往复惯性力
直列式发动机的发火顺序
各缸发火间隔尽可能均匀 发动机有较好的平衡性 尽量避免相邻气缸连续发火 柴油机轴系有较小的扭转振动 考虑对排气管分支的影响
返回
发动机的平衡
内燃机运转时产生往复惯性力、旋转惯性力 及反扭矩等，这些力和力矩是曲轴转角的周 期性函数。在内燃机一个运转周期中，惯性 力及其力矩和反扭矩的大小、方向在变化， 或大小和方向都在变化，并通过曲轴轴承和 机体传给支架，使之产生振动。所以，这些 力或力矩就是使内燃机运转不平衡的原因。
倾覆力矩：
Tk Fc h T
惯性力
惯性力是牛顿运动定律中为加速质量所需的 加速力的达朗贝尔表述。引用惯性力的概念 后就可用静力学方法求解动力学问题
曲柄连杆机构的质量分布
实际曲柄连杆机构具有复杂的分布质量，但 可以根据动力学等效性原则用几个适当配置 的集中质量(质点)代替原来的系统。
转矩的变化引起倾覆力矩的相应变化，使内燃机发 生振动
单缸机总转矩
2缸机
发火均匀的2缸机
3缸机
4缸机
6缸机
8、12缸机
转矩不均匀度
Tmax Tmin / Tm
缸数
1
2
3
4
6
8 12
不均匀 18.3 13.6 7.6 8.4 度
单缸机的旋转惯性力平衡
单缸内燃机的总旋转惯性力，包括曲柄不平 衡质量和连杆换算到大头处的质量所产生离 心力之和，其值为
Fr mrr 2
动平衡条件：对于单拐曲轴，曲拐当量旋转 质量产生的离心力必须用加在曲柄上曲柄销 对面的平衡块的两个离心力加以平衡
mp rp 1 2mr r
单缸机的往复惯性力
内燃机曲柄连杆机构运动学的基本任务，在 于确定活塞的运动规律。
中心曲柄连杆机构简图
活塞运动规律
n / 30 0.105n
x r l r cos l cos
sin sin
x r 11 cos 1 2 sin2 1 2
机体结构特征尺寸
多缸内燃机机体在纵向的主要尺寸是气缸 轴线间的距离(简称气缸轴距或缸距)L。并 用比值L／D表征结构紧凑性。比值L／D主 要决定于气缸或缸套的结构，但也与曲轴 的轴向尺寸甚至气缸盖的布置等有关。
气缸盖衬垫
气缸盖与气缸体之间的气体密封是一个复 杂的问题，它不仅要求适当的衬垫，而且 要求机体设计合理，有足够的刚度，同时 压紧衬垫的气缸盖螺栓布置均匀，数量足 够，位置合理。这样就可能以最低限度的 预紧力保证可靠的密封。
往复惯性力矩及其平衡
一次往复惯性力矩 二次往复惯性力矩
四冲程四缸机的曲柄排列
惯性力的合力
曲柄夹角为180o 旋转惯性力合力
一次往复惯性力的合力
二次往复惯性力的合力
惯性力矩的合力矩
旋转惯性力矩的合力矩
合力矩
往复惯性力的合力矩
一次力矩
二次力矩
内燃机往复惯性力和力矩平衡表
单缸机往复惯性力为
Fj F0 cos cos 2
令 有：
Fj FⅠ FⅡ FⅠ FⅠ0 cos , FⅠ0 m j r 2
FⅡ FⅡ0 cos 2, FⅡ0 m j r 2
分别称为一次、二次往复惯性力
单缸机一阶往复惯性力的平衡
对一阶往复惯性力，可以表达为一对互相反 转的旋转力的合力．所以可以用一对互相反 转的平衡块加以平衡
为使负荷矢量表达得清楚，作轴颈负荷矢量图时把 坐标固定在轴上，以旋转着的曲轴作参照系；
作轴承负荷图时，则以轴承所在物体作参照系。
曲柄销负荷图
连杆轴承负荷
返回
内燃机的转矩波动
对于四冲程内燃机来说，具有720o的变化周期。多 缸内燃机的总转矩等于各个气缸转矩之和。对于发 火间隔均匀的内燃机来说，总转矩曲线是格各缸转 矩曲线互相错开一个相当于发火间隔角 的距离，然 后进行叠加的结果。
因为内燃机中摩擦力数值较小，一般作受力 分析时都把各零件之间的摩擦力忽略不计。
内燃机中，气体作用力、惯性力与支承反力、 有效负荷相平衡
气体作用力
活塞顶的气体压力由示功图可知，气体作用 力是活塞上下压力差：
Fg D2 4pg p'
活塞往复惯性力：
Fj m2ra* m2r(cos cos2)
当量质量分布
往复质量
m j m p m1 m p ml l l'/ l
旋转质量
mr mc 2m2 mc mll' / l
往复惯性力
往复惯性力
Fj mja mjr 2 cos cos2
单位活塞面积的往复惯性力
f j Fj / D2 / 4 mjr 2 / D2 / 4 cos cos2
内燃机学
内燃机结构特点
内燃机结构特点
内燃机动力学 内燃机零部件结构特点
内燃机动力学
曲柄连杆运动学 曲柄连杆机构受力分析 内燃机的转矩波动 内燃机的发火顺序 发动机的平衡
返回
曲柄连杆运动学
内燃机曲柄连杆机构的分类
中心曲柄连杆机构 偏心曲柄连杆机构 关节曲柄连杆机构
活塞运动速度与加速度 v dx dt dx d d dt dx d
v rw .sin 2sin 2 1 2 sin2 1 2
a r 2 cos cos2 1 2 sin2 2 4 sin2 2 1 2 sin2 3 2
无冷却 喷油冷却 内置冷却腔
活塞结构尺寸
活塞尺寸比例
尺寸
直径D 压缩高度H1
总高度H 裙部高度H2 火力岸高度h 活塞销直径d
汽油机 100 35-60
70-100 40-80 7-10 22-30
柴油机 100 50-80
返回
主要固定件
气缸盖 气缸体 气缸套 上、下曲轴箱 装配关系
气缸盖设计
气缸盖的作用是密封气缸，与活塞顶一起组 成燃烧室，因此承受很大的机械负荷和热负 荷。
气缸盖中有进、排气门及其气道、火花塞或 喷油器，对于非直喷柴油机来说还有涡流室 或预燃室。对顶置凸轮轴内燃机来说还有凸 轮轴及其轴承等，所以结构很复杂。
对于驱动发电机的内燃机来说，要求不均匀度为 1/150~1/200，以保证发电质量；
对于运输式内燃机来说，因为影响因素很复杂， 建议的值非常分散。
实际内燃机飞轮的尺寸常根据经验选择，然 后用试验验证
返回
内燃机的发火顺序
内燃机的曲柄排列和发火顺序对发动机的动 力性能和工作状态及曲轴的负荷都有着直接 关联，并影响到发动机的平衡、轴承负荷、 扭转振动等等
无量纲参数
x* 11 cos 1 2 sin2 1 2 /
v* sin 2sin 2 1 2 sin2 1 2
a* cos cos2 1 2 sin2 2 4 sin2 2 1 2 sin2 3 2
机体设计
内燃机的机体构成机器的骨架，机体内外安装着内 燃机所有主要零部件和附件；为了保证活塞、连杆、 曲轴、气缸套等主要零件工作可靠，耐久，它们之 间必须严格保持精确的相对位置。
机体在内燃机运转时承受很复杂的负荷：各缸内气 体对气缸盖底面和气缸表面的均布气压力，经活塞 作用于各气缸壁的侧向力，经曲轴加在各主轴承上 的力，支架对内燃机的支承反力和反力矩
max min / n 2 max min / max min
内燃机总转动惯量与不均匀度和盈亏功的关 系为：
I 0 E / 2
飞轮转动惯量与转速不均匀度
飞轮转动惯量确定的合理性，关键在于转速 不均匀度的选择。
气体作用力、往复惯性力、合成力
力的传递
受力情况
缸壁侧向力： Fc F tan
曲柄销中心的切向力和法向力：
Ft F sin / cos Fn F cos / cos
力矩情况
发动wk.baidu.com转矩：
T Ft r Fr sin / cos
曲柄连杆机构的所有运动零件可按运动性质 不同分为三组
沿气缸轴线往复运动的零件 匀速转动的曲拐质量 作平面运动的连杆组
当量质量分布
连杆当量质量分布
连杆组用集中在连杆两端的质量近似代替：
一般内m燃1 机 的ml连l杆 l质'/量l 分布：m2 ml l' / l
m1 0.2 ~ 0.3ml m2 0.7 ~ 0.8ml
3 0.86 0.33
盈亏功
内燃机转矩与曲轴角速度之间：
T Tm I0 d / dt
将上式在转速波动的波峰值波谷之间积分， 得到盈亏功
E
2 1
T Tm
d
I0 2
2 max
2 m in
转速不均匀度
为衡量转速波动，引入转速不均匀度
气缸和曲 柄布置
1缸 2缸直列 3缸直列 4缸直列 6缸直列 4缸对置 V-8-900
往复惯性力
一次
二次
FI0
FII0
0
2FII0
0
0
0
4FII0
0
0
0
0
0
0
往复惯性力矩
一次
二次
-
-
a FI0 3 aFI0
0
3 aFII0
-
0
0
0 10 aFI0
2bFII0 0
返回
内燃机零部件结构特点
主要固定件 主要运动件 附属系统
气缸套
气缸套结构
干湿 湿式
特点：耐磨、耐腐蚀
返回
主要运动件
运动系的构造
活塞 连杆 曲轴 轴承
返回
活塞
活塞组 活塞的结构型式 活塞传热设计 活塞销 导向 活塞环
返回
活塞组
1.构成：活塞体、活塞环、活塞销 2.是燃烧室的组成部分 3.高温、高压（变化范围大） 4.完成密封功能 5.局部受力条件特殊
活塞体受力特点：
1.活塞体受力及变形 2.活塞销受力及变形 3.形变不协调引起的应力集中 4.往复惯性力 5.热膨胀
活塞与活塞销的受力变形
活塞组的应力集中
返回
活塞的结构型式
结构形式即主要尺寸比例，活塞选材，结构 要满足功能，同时着眼于轻巧。
PF 0.2kw/ cm2 : PF 0.3kw/ cm2 : PF 0.3kw/ cm2 :
活塞运动规律简化表达 x* 1 cos 41 cos 2
v* sin 2sin 2
a* cos cos 2
返回
曲柄连杆机构受力分析
作用在内燃机曲柄连杆机构中的力，分为缸 内气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力、 支承反力和有效负荷等。
曲柄连杆机构的特征参数
r / l 曲柄连杆比：
偏心率： e / r
主副连杆机构：
副连杆长度 关节半径 气缸夹角 关节角
曲柄连杆运动
在中高速内燃机中，稳定运转时，假定曲轴 等速转动
在一般情况下，连杆摆动所引起的效应可以 简化为一定部分的连杆质量随曲柄销转动
旋转惯性力
旋转惯性力、单位面积旋转惯性力：
Fr mr r 2
ft mr r 2 / D2 / 4
曲轴轴颈和轴承上的负荷
曲柄连杆机构的曲轴各轴颈和轴承上负荷的大小和 方向不断变化。为了分析轴承副的工作条件，必须 知道轴承负荷的大小、方向和作用点在一个工作循 环内的变化，这通常用负荷矢量的极坐标图表达。
mⅠrⅠ 1 2m j r
一阶往复惯性力的平衡图
单缸机二次往复惯性力的平衡
可以用反向旋转的双轴机构来平衡二阶往复 惯性力
mⅡrⅡ 1 8m j r
往复惯性力的双轴平衡机构
直列式多缸机的平衡
旋转惯性力及其平衡 旋转惯性力矩及其平衡 往复惯性力及其平衡
一次往复惯性力 二次往复惯性力
直列式发动机的发火顺序
各缸发火间隔尽可能均匀 发动机有较好的平衡性 尽量避免相邻气缸连续发火 柴油机轴系有较小的扭转振动 考虑对排气管分支的影响
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发动机的平衡
内燃机运转时产生往复惯性力、旋转惯性力 及反扭矩等，这些力和力矩是曲轴转角的周 期性函数。在内燃机一个运转周期中，惯性 力及其力矩和反扭矩的大小、方向在变化， 或大小和方向都在变化，并通过曲轴轴承和 机体传给支架，使之产生振动。所以，这些 力或力矩就是使内燃机运转不平衡的原因。
倾覆力矩：
Tk Fc h T
惯性力
惯性力是牛顿运动定律中为加速质量所需的 加速力的达朗贝尔表述。引用惯性力的概念 后就可用静力学方法求解动力学问题
曲柄连杆机构的质量分布
实际曲柄连杆机构具有复杂的分布质量，但 可以根据动力学等效性原则用几个适当配置 的集中质量(质点)代替原来的系统。