第一章工程機械發(fā)動機概述

1、工程機械發(fā)動機構(gòu)造工程機械發(fā)動機構(gòu)造工程機械發(fā)動機構(gòu)造課程簡介課程簡介 工程機械發(fā)動機構(gòu)造是工程機械專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)課，是培養(yǎng)造就從事工程機械設(shè)計、制造、應(yīng)用等相關(guān)工作高層次專業(yè)人才的重要課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得有關(guān)內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)和基本工作原理的知識。課程主要內(nèi)容有：內(nèi)燃機工作過程的基本原理、內(nèi)燃機各機構(gòu)和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原內(nèi)燃機各機構(gòu)和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理理、內(nèi)燃機的性能指標(biāo)、內(nèi)燃機的特性、增壓技術(shù)等，其中包含了現(xiàn)代內(nèi)燃機上日益廣泛應(yīng)用的電控柴油噴射系統(tǒng)和電子點電控柴油噴射系統(tǒng)和電子點火系統(tǒng)火系統(tǒng)等內(nèi)容。 本課程采用課內(nèi)講授和實驗相結(jié)合的方式。通過課內(nèi)知識的傳授，進一步培養(yǎng)學(xué)生運用所

2、學(xué)的力學(xué)、機械、電工電子和測試技術(shù)等基礎(chǔ)及專業(yè)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)綜合性專業(yè)知識的能力。通過實驗增強學(xué)生的實際動手能力，培養(yǎng)獨立工作能力、組織協(xié)調(diào)能力和分析解決工程實際問題的能力。第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 簡要介紹幾方面的基本知識簡要介紹幾方面的基本知識： 一、內(nèi)燃機的分類一、內(nèi)燃機的分類 二、內(nèi)燃機的優(yōu)缺點二、內(nèi)燃機的優(yōu)缺點 三、內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍三、內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍 四、內(nèi)燃機的發(fā)展趨勢四、內(nèi)燃機的發(fā)展趨勢 五、工程機械用柴油機的特點和要求五、工程機械用柴油機的特點和要求一、一、內(nèi)燃內(nèi)燃機的分類機的分類(一一)、發(fā)動機：將某一種形式的能量（熱能、電能、化學(xué)能、太陽能等）轉(zhuǎn)發(fā)動機：將某一種形式的能量（

3、熱能、電能、化學(xué)能、太陽能等）轉(zhuǎn) 變成機械能的機器。變成機械能的機器。(二二)、熱力發(fā)動機：將熱能轉(zhuǎn)變成機械能的發(fā)動機。熱力發(fā)動機：將熱能轉(zhuǎn)變成機械能的發(fā)動機。1、外燃、外燃機：燃料在機器外部燃燒，產(chǎn)生的熱能輸入到機器內(nèi)部并轉(zhuǎn)變成機機：燃料在機器外部燃燒，產(chǎn)生的熱能輸入到機器內(nèi)部并轉(zhuǎn)變成機械能輸出的熱力發(fā)動機。如械能輸出的熱力發(fā)動機。如蒸汽機。蒸汽機。2、內(nèi)燃、內(nèi)燃機：液體或氣體燃料和空氣混合后直接輸入機器內(nèi)部燃燒而產(chǎn)生熱機：液體或氣體燃料和空氣混合后直接輸入機器內(nèi)部燃燒而產(chǎn)生熱能，然后再將熱能轉(zhuǎn)變成機械能輸出的熱力發(fā)動機。能，然后再將熱能轉(zhuǎn)變成機械能輸出的熱力發(fā)動機。如活塞式內(nèi)燃機如活塞式內(nèi)

4、燃機、燃氣燃氣輪機輪機(按熱能轉(zhuǎn)變成機械能的主要構(gòu)件分）。按熱能轉(zhuǎn)變成機械能的主要構(gòu)件分）。3、比較、比較：外燃外燃機體積大，重量重，熱效率低；機體積大，重量重，熱效率低；內(nèi)燃機熱效率高，體積小，重量輕，便于移動，起動性能好內(nèi)燃機熱效率高，體積小，重量輕，便于移動，起動性能好;燃氣輪機功率大，轉(zhuǎn)速高，燃氣輪機功率大，轉(zhuǎn)速高， 質(zhì)量小（沒有往復(fù)運動件，單位功率質(zhì)量?。?，質(zhì)量小（沒有往復(fù)運動件，單位功率質(zhì)量小），轉(zhuǎn)矩特性好（減少轉(zhuǎn)矩特性好（減少 變速器擋數(shù)），燃料適應(yīng)性好，起動性好，但耗油量、噪變速器擋數(shù)），燃料適應(yīng)性好，起動性好，但耗油量、噪聲和制造成本均較高，適用于坦克發(fā)動機。聲和制造成本均較

5、高，適用于坦克發(fā)動機。(a)柴油機 (b)噴氣式發(fā)動機(c)燃氣輪機 (d)汽油機 下面是早期內(nèi)燃機車，汽輪機轉(zhuǎn)子，外燃機剖面及汽輪機發(fā)電系統(tǒng) 如： （a）蒸汽機車 (b)汽輪機轉(zhuǎn)子(三)、活塞式內(nèi)燃機： 按活塞運動方式分： 1、往復(fù)活塞式內(nèi)燃機 2、轉(zhuǎn)子活塞式內(nèi)燃機 三角活塞旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機（簡稱轉(zhuǎn)子發(fā)動機）于三角活塞旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機（簡稱轉(zhuǎn)子發(fā)動機）于19581958年由德年由德國國F.F.汪克爾發(fā)明，關(guān)鍵技術(shù)是汪克爾發(fā)明，關(guān)鍵技術(shù)是19541954年年F.F.汪克爾提出的氣密封系汪克爾提出的氣密封系統(tǒng)，統(tǒng)，19641964年德國年德國NSUNSU公司將轉(zhuǎn)子發(fā)動機裝在轎車上，公司將轉(zhuǎn)子發(fā)動機裝在轎

6、車上，19671967年日本年日本東洋工業(yè)公司成批生產(chǎn)至今。東洋工業(yè)公司成批生產(chǎn)至今。 比較比較：轉(zhuǎn)子發(fā)動機與往復(fù)活塞式發(fā)動機相比，：轉(zhuǎn)子發(fā)動機與往復(fù)活塞式發(fā)動機相比，優(yōu)點是體積小，優(yōu)點是體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速高，升功率大，重量輕，轉(zhuǎn)速高，升功率大，現(xiàn)代轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃油消耗率水平現(xiàn)代轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃油消耗率水平接近往復(fù)活塞式發(fā)動機，接近往復(fù)活塞式發(fā)動機，但耐久性、可靠性等較差，制造成本但耐久性、可靠性等較差，制造成本較高。較高。內(nèi)燃機在機械設(shè)備中的地位內(nèi)燃機在機械設(shè)備中的地位：往復(fù)活塞式內(nèi)燃機內(nèi)燃機熱力發(fā)動機 發(fā)動機（動力機械）機械 內(nèi)燃機的基本特點內(nèi)燃機的基本特點:(P.1) 1、將燃料中的化學(xué)能經(jīng)

7、過燃燒過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并通過一定的機構(gòu)使之再轉(zhuǎn)化為機械功； 2、燃料的燃燒是在產(chǎn)生動力的空間(通常就是氣缸)中進行的； 3、活塞的運動方式為往復(fù)運動。1、按所用的燃料分：按所用的燃料分： （1）液體燃料發(fā)動機；汽油機（）液體燃料發(fā)動機；汽油機（gasoline engine）；）； 柴油機（柴油機（diesel engine）。）。 （2）氣體燃料發(fā)動機：壓縮天然氣發(fā)動機（）氣體燃料發(fā)動機：壓縮天然氣發(fā)動機（CNG）；）； 液化石油氣發(fā)動機（液化石油氣發(fā)動機（LPG）。）。 2、按發(fā)火方式分：（、按發(fā)火方式分：（1）點燃式發(fā)動機（如汽油機、氣體燃料發(fā)動機）；）點燃式發(fā)動機（如汽油機、氣體燃料發(fā)

8、動機）； （2）壓燃式發(fā)動機（如柴油機）。）壓燃式發(fā)動機（如柴油機）。3、按工作循環(huán)的沖程數(shù)分：、按工作循環(huán)的沖程數(shù)分： （1）四沖程發(fā)動機；）四沖程發(fā)動機； （2）二沖程發(fā)動機。）二沖程發(fā)動機。4、按冷卻方式分：、按冷卻方式分： （1）水冷發(fā)動機；）水冷發(fā)動機； （2）風(fēng)冷發(fā)動機。）風(fēng)冷發(fā)動機。5、按進氣方式分：、按進氣方式分： （1）自然吸氣式發(fā)動機（非增壓式發(fā)動機）；）自然吸氣式發(fā)動機（非增壓式發(fā)動機）； （2）強制吸氣式（增壓式發(fā)動機）。）強制吸氣式（增壓式發(fā)動機）。6 、按氣缸排列方式分：（、按氣缸排列方式分：（1）單列發(fā)動機：直立式發(fā)動機、平臥式發(fā)動機）單列發(fā)動機：直立式發(fā)動機、平

9、臥式發(fā)動機 （2）雙列發(fā)動機：）雙列發(fā)動機： V型發(fā)動機、水平對置式發(fā)動機型發(fā)動機、水平對置式發(fā)動機往復(fù)活塞式內(nèi)燃機分類: 7用途：用途：汽車用、工程機械用、農(nóng)用、拖拉機用、發(fā)電用、機車用、船舶用、坦克用等。 8轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速：高速、中速和低速； 9 氣缸數(shù)：氣缸數(shù)：有單缸、雙缸、多缸內(nèi)燃機。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機分類:二、內(nèi)燃機的優(yōu)缺點二、內(nèi)燃機的優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點： 1熱效率高，即燃油消耗率低，經(jīng)濟性好，最高有效熱效率已達46，甚至50 。 2功率范圍廣，單機功率可從零點幾千瓦到上萬千瓦。 3結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、比質(zhì)量較小 （比質(zhì)量是內(nèi)燃機整機質(zhì)量與其標(biāo)定功率的比值）。 4起動迅速、操作簡便。 缺點：

10、缺點： 1對燃料要求較高。 2排氣污染和噪聲引起公害。 3結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，零部件加工精度要求較高。三、內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍三、內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍 運輸運輸 地面運輸：地面運輸：汽車、摩托機、內(nèi)燃機車；內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍 運輸運輸 水上運 輸：內(nèi)河及海上船舶； 航空運輸：一些小型民用飛機。內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍民用民用 礦山、石油、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、林業(yè)機械和發(fā)電站等。內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍內(nèi)燃機的應(yīng)用范圍軍用軍用 坦克、裝甲車、步兵戰(zhàn)車、重武器牽引車、水面艦艇及潛水艇等方面都大量使用內(nèi)燃機。四、內(nèi)燃機的發(fā)展過程和趨勢四、內(nèi)燃機的發(fā)展過程和趨勢 內(nèi)燃機的發(fā)展過程簡述內(nèi)燃機的發(fā)展過程簡述

11、 1824年，卡諾發(fā)表熱力發(fā)動機的經(jīng)典理論年，卡諾發(fā)表熱力發(fā)動機的經(jīng)典理論-卡諾原理卡諾原理 1860（ Lenoiv）發(fā)明大氣壓力式內(nèi)燃機）發(fā)明大氣壓力式內(nèi)燃機 有效熱效率有效熱效率5，功率，功率4.5kw，5000臺；臺； 1867（Otto & Langen) 改進后改進后 有效熱效率有效熱效率11，5000臺；臺； 1876（Otto)發(fā)明四沖程內(nèi)燃機發(fā)明四沖程內(nèi)燃機 有效熱效率有效熱效率14，質(zhì)量下降，質(zhì)量下降70， 500000臺，臺， 標(biāo)志內(nèi)燃機工業(yè)形成標(biāo)志內(nèi)燃機工業(yè)形成 1897（Diesel）發(fā)明柴油機）發(fā)明柴油機 1957（Wankel）發(fā)明轉(zhuǎn)子發(fā)動機。）發(fā)明轉(zhuǎn)子發(fā)

12、動機。 （內(nèi)燃機發(fā)展簡史見附錄）（內(nèi)燃機發(fā)展簡史見附錄） 附錄：附錄：內(nèi)燃機發(fā)展簡史內(nèi)燃機發(fā)展簡史 內(nèi)燃機的發(fā)展，已有一百多年的歷史。通過長期的不斷改進和提高，已經(jīng)發(fā)展的比較完善。由于它的熱效率高，適應(yīng)性好，功率范圍寬廣，已廣泛用于工業(yè).農(nóng)業(yè).交通運輸業(yè)和國防建設(shè)事業(yè)。因此，內(nèi)燃機工業(yè)的發(fā)展，對于國民工業(yè)的發(fā)展，對于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)都具有十分重要的意義。 1824年，卡諾（法國工程師）發(fā)表了熱力發(fā)動機的經(jīng)典理論-卡諾原理。 薩迪卡諾（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796-1823）,法國物理學(xué)家、軍事工程師，熱力學(xué)的創(chuàng)始人之一，是第一個把熱和動力聯(lián)系起來的人。他出

13、色地、創(chuàng)造性地用“理想實驗”的思維方法，提出了最簡單，但有重要理論意義的熱機循環(huán)-卡諾循環(huán)，并假定該循環(huán)在準(zhǔn)靜態(tài)條件下是可逆的，與工質(zhì)無關(guān)，創(chuàng)造了一部理想熱機（卡諾熱機）。卡諾的目標(biāo)是揭示熱產(chǎn)生動力的真正的、獨立的過程和普遍的規(guī)律。1824年卡諾提出了對熱機設(shè)計具有普遍指導(dǎo)意義的卡諾定理，指出提高熱機效率的有效途徑，被后人認為是熱力學(xué)第二定律的先驅(qū)。 附錄：附錄：內(nèi)燃機發(fā)展簡史內(nèi)燃機發(fā)展簡史 1866年，奧托（德國工程師）提出了四沖程內(nèi)燃機的“奧托循環(huán)”理論。 1879年，奔馳（德國工程師）首次研制成功火花塞點火內(nèi)燃機。 奔馳（Benz,Carl Friedrich），德國工程師，出生于一個火

14、車司機家庭，年青時受過技術(shù)方面的教育。1878年開始研究新型內(nèi)燃機，1879年首次研制成功火花塞點火內(nèi)燃機。1882年開始嘗試把發(fā)動機安裝在三輪車上，1885年他的三輪車試制成功，并于1886年1月29日獲得專利，被公認為汽車的誕生日；1887年開始把汽車作為商品出售；1894年生產(chǎn)出著名的“維洛”小客車，后置發(fā)動機、雙人座、并且首先采用了橡膠充氣輪胎。 附錄：附錄：內(nèi)燃機發(fā)展簡史內(nèi)燃機發(fā)展簡史 戴姆勒（Daimler,Gottlieb）,（1834-1900），德國工程師，1886年和他的助手威廉邁巴赫制造出第一輛1.1匹馬力的汽油機發(fā)動機四輪車，1897年戴姆勒的公司生產(chǎn)出“鳳凰”牌小客車

15、，尤其是以戴姆勒公司駐法國的總進口商埃米爾耶利內(nèi)克的女兒“梅塞得斯Mercedes”命名的小客車投產(chǎn)后，其前置發(fā)動機，有前車燈、擋風(fēng)板、雙門5座位敞蓬車造型更加接近現(xiàn)代轎車的特征，大大提高了戴姆勒公司的商業(yè)地位。1926年6月29日和奔馳公司合并，成立了在汽車駛上舉足輕重的戴姆勒奔馳公司。 小資料：戴姆勒一號車 本茨制造的三輪車 世界上第一輛汽車由德國工程師卡本茨和戈特利布戴姆勒同時于1886年宣告制成本茨制成的是三輪汽車，而戴姆勒制成的四輪汽車，其發(fā)動機功率為1。1匹馬力。 附錄：附錄：內(nèi)燃機發(fā)展簡史內(nèi)燃機發(fā)展簡史 1897年，狄賽爾（德國著名熱機工程師）最早制成了柴油機魯?shù)婪?狄塞爾（Ru

16、dolf Diesel，1858-1913)，德國著名熱機工程師,柴油機的發(fā)明者，也是藝術(shù)鑒賞家，語言學(xué)家和社會理論家。狄塞爾出生在巴黎,他是個來自德國奧古斯堡的精細皮革制造商的兒子.在慕尼黑技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)期間,他對被稱為蒸汽機新機器很感興趣.法國人約瑟夫.莫勒特(Joseph Mollet)發(fā)明的氣動打火機激發(fā)了他的發(fā)明自燃式發(fā)動機的欲望.空氣被壓進一個含有易然物的玻璃圓筒中直到易燃物燃燒起來,這就是狄塞爾發(fā)動機的原理.1892年,狄塞爾取得了用壓縮空氣點燃煤粉提供動力的機械裝置的專利.一年后,奧古斯堡的MAN公司依據(jù)他的原理制造了第一臺發(fā)動機.狄塞爾卒于1913年,其他人繼承了他的工作.19

17、24年,在柏林汽車展上展出了MAN公司制造的第一臺狄塞爾卡車發(fā)動機(柴油機).與此同時在曼海姆,一臺帶預(yù)燃燒室的狄塞爾發(fā)動機被裝載了奔馳車上 1903年，首先裝在船上，1907年，用于潛艇的正反轉(zhuǎn)的柴油機試驗成功，1912年，遠洋貨輪上的柴油機首次遠航試驗成功附錄：附錄：內(nèi)燃機發(fā)展簡史內(nèi)燃機發(fā)展簡史 小資料：第一艘潛艇的雛形 1620年，荷蘭物理學(xué)家德雷布爾在英國建成一艘潛艇，用羊皮壓載水艙，船身為油脂皮革，能下潛三米，這是人類歷史上首次出現(xiàn)的潛水船只，只是潛艇的雛形。1906年英國D級潛艇建成服役，采用雙層殼體，用柴油機取代汽油機。 1926年，有人設(shè)計出用排氣能量將進氣壓縮的廢氣渦輪增壓器

18、。渦輪增壓器是利用發(fā)動機排出的廢氣能量，經(jīng)過渦輪變?yōu)檗D(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)機械能，從而帶動壓氣機高速旋轉(zhuǎn)，將新鮮空氣壓縮進氣缸，從而提高發(fā)動機的功率。 內(nèi)燃機增壓的發(fā)展起源可追溯到1885年。戈-戴姆勒在發(fā)明、制造煤氣機和汽油機時，已開始考慮利用增壓。魯-狄塞爾在柴油機發(fā)明專利中也提出了要安裝增壓泵以提高功率和熱效率的想法。小資料：第一艘潛艇的雛形 20世紀(jì)初，艾-比希申請專利，開創(chuàng)了渦輪增壓的歷史。最初是采用渦輪機、柴油機和壓氣機同軸連接，后改為渦輪單獨驅(qū)動壓氣機的方法。 1923年，德國客船上安裝的渦輪增壓四沖程柴油機把柴油機的功率從1288 kW提高到1840 kW。 1925年，比希獲得了脈沖增壓

19、專利并在試驗中獲得了成功，功率可提高50%-100%。 從50年代起，隨著渦輪增壓器效率的改進，柴油機采用渦輪增壓技術(shù)后的功率和效率都得到了很大提高，從而被廣泛地推廣應(yīng)用。 1936年,梅塞德斯-奔馳公司制造了第一臺裝有柴油機的轎車. 1950年起，開始在柴油機上采用增壓方式。 如今，已經(jīng)幾乎無機不增壓，增壓后，柴油機的功率能提高1-3倍。廢棄渦輪增壓對提高柴油機性能作出了重大的貢獻。增壓器是用來提高發(fā)動機的進氣充氣密度，以提高平均有效壓力來提高功率和改善經(jīng)濟性的器件，主要用于柴油發(fā)動機。在汽車發(fā)動機中采用比較普遍的就是廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。 在采用廢氣渦輪增壓器后，不僅可以大大提高發(fā)動機功率，縮小外形尺寸，節(jié)約原材料，降低燃油消耗，而且可以使排煙濃度降低，減少廢氣中的CO、HC以及NOx的含量，從而降低汽車排放。另外，由于燃燒壓力升高率降低，發(fā)動機工作柔和，噪聲也比較少。內(nèi)燃機的發(fā)展趨勢內(nèi)燃機的發(fā)展趨勢 (一)內(nèi)燃機性能指標(biāo)性能指標(biāo)的發(fā)展 1強化程度不斷提高。提高強化程度系指提高平均有效壓力和活塞平均