機械作業(yè)-現(xiàn)代機械內(nèi)燃機

內(nèi)燃機的原理和發(fā)展2023/2/51內(nèi)燃機內(nèi)燃機是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入氣缸內(nèi)部的高壓燃燒室燃燒爆發(fā)產(chǎn)生動力。這也是將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的一種熱機。內(nèi)燃機具有體積小、質(zhì)量小、便于移動、熱效率高、起動性能好的特點廣義上的內(nèi)燃機不僅包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機和自由活塞式發(fā)動機，也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發(fā)動機等，但通常所說的內(nèi)燃機是指活塞式內(nèi)燃機活塞式內(nèi)燃機以往復(fù)活塞式最為普遍?；钊絻?nèi)燃機將燃料和空氣混合，在其汽缸內(nèi)燃燒，釋放出的熱能使汽缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功，再通過曲柄連桿機構(gòu)或其他機構(gòu)將機械功輸出，驅(qū)動從動機械工作。常見的有柴油機和汽油機，通過將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，是通過做功改變內(nèi)能2023/2/52內(nèi)燃機的發(fā)展史活塞式內(nèi)燃機起源于荷蘭物理學(xué)家惠更斯用火藥爆炸獲取動力的研究，但因火藥燃燒難以控制而未獲成功1833年，英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設(shè)計。19世紀中期，科學(xué)家完善了通過燃燒煤氣，汽油和柴油等產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)化機械動力的理論。這為內(nèi)燃機的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。1860年，法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結(jié)構(gòu)，設(shè)計制造出第一臺實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內(nèi)燃機。勒努瓦首先在內(nèi)燃機中采用了彈力活塞環(huán)。這臺煤氣機的熱效率為4%左右。2023/2/531862年，法國科學(xué)家羅沙對內(nèi)燃機熱力過程進行理論分析之后，提出提高內(nèi)燃機效率的要求，這就是最早的四沖程工作循環(huán)。1866年，德國發(fā)明家奧托（Otto）運用羅沙的原理，創(chuàng)制成功第一臺往復(fù)活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)的四沖程內(nèi)燃機，仍以煤氣為燃料，采用火焰點火，轉(zhuǎn)速為156.7轉(zhuǎn)/分，壓縮比為2.66，熱效率達到14%，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在當時，無論是功率還是熱效率，它都是最高的。1881年，英國工程師克拉克研制成功第一臺二沖程的煤氣機，并在巴黎博覽會上展出。隨著石油的開發(fā)，比煤氣易于運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意，首先獲得試用的是易于揮發(fā)的汽油。1883年，德國的戴姆勒（Daimler）創(chuàng)制成功第一臺立式汽油機，它的特點是輕型和高速1892年，德國工程師狄塞爾（Diesel）受面粉廠粉塵爆炸的啟發(fā)，設(shè)想將吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使之著火燃燒。他首創(chuàng)的壓縮點火式內(nèi)燃機(柴油機)于1897年研制成功，為內(nèi)燃機的發(fā)展開拓了新途徑2023/2/54常用術(shù)語工作循環(huán)：內(nèi)燃機熱能和機械能的轉(zhuǎn)換，通過活塞在氣缸中的，連續(xù)的進氣，壓縮，動力和排氣過程。每臺機器的過程稱為一個工作循環(huán)?；钊麤_程：上、下止點之間的最小直線距離，稱為活塞的行程（或活塞沖程），曲軸與連桿大端的連接中心到曲軸的旋轉(zhuǎn)中心之間的最小直線距離稱為曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑。上止點和下止點：活塞在氣缸中移動時，最高的點叫上止點（或叫上死點），最低的叫下止點2023/2/55作容積：活塞從上止點運動到下一個點，稱為氣缸容積（活塞排量移）。壓縮比：空氣充滿氣缸，汽缸占據(jù)的總體積，就會死占有氣缸總?cè)莘e，氣壓縮比越大，表明活塞運動時，氣體被壓縮得越厲害，其氣體的溫度和壓力就越高，內(nèi)燃機的效率也越高2023/2/56利用范圍內(nèi)燃機的利用范圍很是遍及。地面上各類運輸車輛（汽車、拖沓機、內(nèi)燃機車等），礦山、建筑及工程等機械，就是因為國家的限電所以早就了很多地方用自備電源發(fā)電，水上運輸可作內(nèi)河及海上船舶的主機和輔機。在軍事方面，如坦克、裝甲車、步兵戰(zhàn)車、重兵器牽引車和各類水面艦艇等方面都大量利用內(nèi)燃機。2023/2/57優(yōu)點①內(nèi)燃機的熱能利用率高。目前增壓柴油機的最高熱效率可達46%。而蒸氣機僅有11~16%。②功率范圍廣，適應(yīng)性能好，最小的內(nèi)燃機功率不到0.73千瓦，最大的內(nèi)燃機功率可達34000千瓦。三。結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小，燃料和水的消耗量也少。④使用操作方便，起動快。在正常情況下，一般的柴油機和汽油機能夠在3~5秒的時問內(nèi)起動，并能在短時間內(nèi)謎到全負荷運轉(zhuǎn)，而且操作比。簡單安全。在石油工業(yè)中，石油勘探工作都在野外，流動性大，對于動力設(shè)備的選擇和要求是:其有足夠大的功率、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、便于搬運和安裝、燃料和水的消耗少。因此內(nèi)燃機在石油勘探工作中得到廣泛的應(yīng)用。2023/2/58內(nèi)燃機的缺點是：⑴對燃料要求較高高速內(nèi)燃機一般利用汽油或輕柴油作料，并且對燃料的潔凈度要求嚴格。⑵對環(huán)境的污染也愈來愈嚴重。⑶布局復(fù)雜，發(fā)展空間——機電行業(yè)的多來源業(yè)務(wù)經(jīng)營路線及通過長期大量的潛在客戶積累與轉(zhuǎn)化的方式2023/2/59內(nèi)燃機的分類.根據(jù)所用燃料分：汽油機、柴油機、天然氣（CNG）、LPG發(fā)動機、乙醇發(fā)動機等，另有雙燃料發(fā)動機（dualfuelengine）和靈活燃料發(fā)動機（Bi-fuelengine）。2.根據(jù)缸內(nèi)著火方式分：電燃式、點燃式、壓燃式3.根據(jù)沖程數(shù)分：二沖程、四沖程4.根據(jù)活塞運動方式分：往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式5.根據(jù)氣缸冷卻方式分：水冷式、風(fēng)冷式6.根據(jù)氣缸數(shù)目分：單缸機、多缸機2023/2/5107.根據(jù)內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速分：低速(<300r/min)、中速(300~1000r/min)、高速(>1000r/min)；8.根據(jù)進氣充量壓力分：自然吸氣式、增壓式9.根據(jù)汽缸排列方式，內(nèi)燃機可以分為直列、斜置、對置、V形和w形2023/2/511發(fā)動機的一般結(jié)構(gòu)發(fā)動機是一種由許多機構(gòu)和系統(tǒng)組成的復(fù)雜機器。無論是汽油機，還是柴油機；無論是四行程發(fā)動機，還是二行程發(fā)動機；無論是單缸發(fā)動機，還是多缸發(fā)動機。要完成能量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)工作循環(huán)，保證長時間連續(xù)正常工作，都必須具備以下一些機構(gòu)和系統(tǒng)。（1）曲柄連桿機構(gòu)（2）配氣機構(gòu)2023/2/512（3）燃料供給系統(tǒng)2023/2/5135）冷卻系統(tǒng)（6）點火系統(tǒng)（7）起動系統(tǒng)內(nèi)燃機的工作原理2023/2/514我們以單缸汽油發(fā)動機為例，講解一下汽油機的工作原理。氣缸內(nèi)裝有活塞，活塞通過活塞銷、連桿與曲軸相連接?；钊跉飧變?nèi)做往復(fù)運動，通過連桿推動曲軸轉(zhuǎn)動。為了吸入新鮮氣體和排出廢氣，設(shè)有進氣門和排氣門?；钊旊x曲軸中心最遠處，即活塞最高位置，稱為上止點?；钊敳侩x曲軸中心最近處，即活塞最低位置，稱為下止點。上、下止點間的距離稱為活塞行程，曲軸與連桿下端的連接中心至曲軸中心的距離稱為曲軸半徑。活塞每走一個行程相應(yīng)于曲軸轉(zhuǎn)角180°。對于氣缸中心線通過曲軸中心線的發(fā)動機，活塞行程等于曲柄半徑的兩倍。活塞從上止點到下止點所掃過的容積稱為發(fā)動機的工作容積或發(fā)動機排量，用符號VL表示。四沖程發(fā)動機的工作循環(huán)包括四個活塞行程，既進氣行程、壓縮行程、膨脹行程（作功行程）和排氣行程。2023/2/515進氣行程化油器式汽油機將空氣與燃料先在氣缸外部的化油器中進行混合，然后再吸入氣缸。進氣行程中，進氣門打開，排氣門關(guān)閉。隨著活塞從上止點向下止點移動，活塞上方的氣缸容積增大，從而氣缸內(nèi)的壓力降低到大氣壓力以下，即在氣缸內(nèi)造成真空吸力。這樣，可燃混合氣便經(jīng)進氣管道和進氣門被吸入氣缸。2023/2/516壓縮行程為使吸入氣缸內(nèi)可燃混合氣能迅速燃燒，以產(chǎn)生較大的壓力，從而使發(fā)動機發(fā)出較大功率，必須在燃燒前將可燃混合氣壓縮，使其容積縮小、密度加大、溫度升高，即需要有壓縮過程。在這個過程中，進、排氣門全部關(guān)閉，曲軸推動活塞由下止點向上止點移動一個行程稱為壓縮行程。2023/2/517作功行程在這個行程中，進、排氣門仍舊關(guān)閉。當活塞接近上止點時，裝在氣缸蓋上的火花塞即發(fā)出電火花，點燃被壓縮的可燃混合氣?？扇蓟旌蠚獗蝗紵?，放出大量的熱能，因此，燃氣的壓力和溫度迅速增加，所能達到的最高壓力約為3-5Mpa，相應(yīng)的溫度則為2200-2800K。高溫高壓的燃氣推動活塞從上止點向下止點運動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機械能，除了用于維持發(fā)動機本身繼續(xù)運轉(zhuǎn)而外，其余即用于對外作功2023/2/518排氣行程可燃混合氣燃燒后生成的廢氣，必須從氣缸中排除，以便進行下一個進氣行程。當膨脹接近終了時，排氣門開啟，靠廢氣的壓力進行自由排氣，活塞到達下止點后再向上止點移動時，繼續(xù)將廢氣強制排到大氣中?；钊缴现裹c附近時，排氣行程結(jié)束。在排氣行程中氣缸內(nèi)壓力稍高于大氣壓力，約為0.105-0.115Mpa。排氣終了時，廢氣溫度約為900-1200K。由于燃燒室占有一定容積，因此在排氣終了時，不可能將廢氣排盡，留下的這一部分廢氣稱為殘余廢氣。2023/2/519起動系統(tǒng)2023/2/520汽油機由以上兩大機構(gòu)和五大系統(tǒng)組成，即由曲柄連桿機構(gòu)，配氣機構(gòu)、燃料供給系、潤滑系、冷卻系、點火系和起動系組成；柴油機由以上兩大機構(gòu)和四大系統(tǒng)組成，即由曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、燃料供給系、潤滑系、冷卻系和起動系組成，柴油機是壓燃的，不需要點火系。內(nèi)燃機的組成往復(fù)活塞式內(nèi)燃機的組成部分主要有曲柄連桿機構(gòu)、機體和氣缸蓋、配氣機構(gòu)、供油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動裝置等。2023/2/521氣缸是一個圓筒形金屬機件。密封的氣缸是實現(xiàn)工作循環(huán)、產(chǎn)生動力的源地。各個裝有氣缸套的氣缸安裝在機體里，它的頂端用氣缸蓋封閉著?；钊稍跉飧滋變?nèi)往復(fù)運動，并從氣缸下部封閉氣缸，從而形成容積作規(guī)律變化的密封空間。燃料在此空間內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的燃氣動力推動活塞運動?；钊耐鶑?fù)運動經(jīng)過連桿推動曲軸作旋轉(zhuǎn)運動，曲軸再從飛輪端將動力輸出。由活塞組、連桿組、曲軸和飛輪組成的曲柄連桿機構(gòu)是內(nèi)燃機傳遞動力的主要部分。2023/2/522塞組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等組成?；钊蕡A柱形，上面裝有活塞環(huán)，借以在活塞往復(fù)運動時密閉氣缸。上面的幾道活塞環(huán)稱為氣環(huán)，用來封閉氣缸，防止氣缸內(nèi)的氣體漏泄，下面的環(huán)稱為油環(huán)，用來將氣缸壁上的多余的潤滑油刮下，防止?jié)櫥透Z入氣缸。活塞銷呈圓筒形，它穿入活塞上的銷孔和連桿小頭中，將活塞和連桿聯(lián)接起來。連桿大頭端分成兩半，由連桿螺釘聯(lián)接起來，它與曲軸的曲柄銷相連。連桿工作時，連桿小頭端隨活塞作往復(fù)運動，連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉(zhuǎn)運動，連桿大小頭間