第一章工程機(jī)械發(fā)動機(jī)概述

工程機(jī)械發(fā)動機(jī)構(gòu)造(gòuzào)共二十七頁《工程機(jī)械發(fā)動機(jī)構(gòu)造》課程簡介

《工程機(jī)械發(fā)動機(jī)構(gòu)造》是工程機(jī)械專業(yè)(zhuānyè)學(xué)生的一門專業(yè)(zhuānyè)課，是培養(yǎng)造就從事工程機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用等相關(guān)工作高層次專業(yè)(zhuānyè)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(jī)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(jī)工作過程的基本原理、內(nèi)燃機(jī)各機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理、內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)、內(nèi)燃機(jī)的特性、增壓技術(shù)等，其中包含了現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)上日益廣泛應(yīng)用的電控柴油噴射系統(tǒng)和電子點(diǎn)火系統(tǒng)等內(nèi)容。本課程采用課內(nèi)講授和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。通過課內(nèi)知識的傳授，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的力學(xué)、機(jī)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(shí)驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，培養(yǎng)獨(dú)立工作能力、組織協(xié)調(diào)能力和分析解決工程實(shí)際問題的能力。共二十七頁第一節(jié)概述簡要介紹(jièshào)幾方面的基本知識：一、內(nèi)燃機(jī)的分類二、內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)三、內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用范圍四、內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢五、工程機(jī)械用柴油機(jī)的特點(diǎn)和要求共二十七頁一、內(nèi)燃機(jī)的分類(fēnlèi)(一)、發(fā)動機(jī)：將某一種形式的能量（熱能、電能、化學(xué)能、太陽能等）轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的機(jī)器。(二)、熱力發(fā)動機(jī)：將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的發(fā)動機(jī)。1、外燃機(jī)：燃料在機(jī)器外部燃燒，產(chǎn)生的熱能輸入到機(jī)器內(nèi)部并轉(zhuǎn)變成機(jī)械能輸出的熱力發(fā)動機(jī)。如蒸汽機(jī)。2、內(nèi)燃機(jī)：液體或氣體燃料和空氣混合(hùnhé)后直接輸入機(jī)器內(nèi)部燃燒而產(chǎn)生熱能，然后再將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能輸出的熱力發(fā)動機(jī)。如活塞式內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)(按熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的主要構(gòu)件分）。3、比較：外燃機(jī)體積大，重量重，熱效率低；內(nèi)燃機(jī)熱效率高，體積小，重量輕，便于移動，起動性能好;燃?xì)廨啓C(jī)功率大，轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量?。]有往復(fù)運(yùn)動件，單位功率質(zhì)量小），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、噪聲和制造成本均較高，適用于坦克發(fā)動機(jī)。共二十七頁

(a)柴油機(jī)(b)噴氣式發(fā)動機(jī)

(c)燃?xì)廨啓C(jī)(ránqìlúnjī)(d)汽油機(jī)共二十七頁

下面(xiàmian)是早期內(nèi)燃機(jī)車，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，外燃機(jī)剖面及汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)如：

（a）蒸汽機(jī)車(b)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子共二十七頁(三)、活塞式內(nèi)燃機(jī)：

按活塞運(yùn)動方式(fāngshì)分：1、往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)2、轉(zhuǎn)子活塞式內(nèi)燃機(jī)

三角活塞旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)（簡稱轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)）于1958年由德國F.汪克爾發(fā)明，關(guān)鍵技術(shù)是1954年F.汪克爾提出的氣密封系統(tǒng)，1964年德國NSU公司將轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)裝在轎車上，1967年日本東洋工業(yè)公司成批生產(chǎn)至今。比較：轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)與往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)相比，優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速高，升功率大，現(xiàn)代(xiàndài)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)燃油消耗率水平接近往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)，但耐久性、可靠性等較差，制造成本較高。共二十七頁內(nèi)燃機(jī)在機(jī)械設(shè)備中的地位：往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)∈內(nèi)燃機(jī)∈熱力發(fā)動機(jī)∈發(fā)動機(jī)（動力機(jī)械）∈機(jī)械

內(nèi)燃機(jī)的基本特點(diǎn):(P.1)

1、將燃料中的化學(xué)能經(jīng)過燃燒過程(guòchéng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑼ㄟ^一定的機(jī)構(gòu)使之再轉(zhuǎn)化為機(jī)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(jìn)行的；

3、活塞的運(yùn)動方式為往復(fù)運(yùn)動。共二十七頁1、按所用的燃料分：（1）液體燃料發(fā)動機(jī)；汽油機(jī)（gasolineengine）；柴油機(jī)（dieselengine）。（2）氣體燃料發(fā)動機(jī)：壓縮天然氣發(fā)動機(jī)（CNG）；液化石油氣發(fā)動機(jī)（LPG）。2、按發(fā)火方式分：（1）點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)（如汽油機(jī)、氣體燃料發(fā)動機(jī)）；（2）壓燃式發(fā)動機(jī)（如柴油機(jī)）。3、按工作循環(huán)的沖程數(shù)分：（1）四沖程發(fā)動機(jī)；（2）二沖程發(fā)動機(jī)。4、按冷卻方式分：（1）水冷發(fā)動機(jī)；（2）風(fēng)冷發(fā)動機(jī)。5、按進(jìn)氣方式分：（1）自然吸氣式發(fā)動機(jī)（非增壓式發(fā)動機(jī)）；（2）強(qiáng)制吸氣式（增壓式發(fā)動機(jī)）。6、按氣缸排列(páiliè)方式分：（1）單列發(fā)動機(jī)：直立式發(fā)動機(jī)、平臥式發(fā)動機(jī)（2）雙列發(fā)動機(jī)：V型發(fā)動機(jī)、水平對置式發(fā)動機(jī)往復(fù)(wǎngfù)活塞式內(nèi)燃機(jī)分類:共二十七頁

7．用途：汽車用、工程機(jī)械用、農(nóng)用、拖拉機(jī)用、發(fā)電用、機(jī)車用、船舶(chuánbó)用、坦克用等。

8．轉(zhuǎn)速：高速、中速和低速；

9．氣缸數(shù)：有單缸、雙缸、多缸內(nèi)燃機(jī)。往復(fù)(wǎngfù)活塞式內(nèi)燃機(jī)分類:共二十七頁二、內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1．熱效率高，即燃油消耗率低，經(jīng)濟(jì)性好，最高有效熱效率已達(dá)46％，甚至50％。2．功率范圍廣，單機(jī)功率可從零點(diǎn)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(jī)整機(jī)質(zhì)量與其標(biāo)定功率的比值）。4．起動迅速、操作簡便。

缺點(diǎn)：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)(jiégòu)較復(fù)雜，零部件加工精度要求較高。共二十七頁三、內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用(yìngyòng)范圍運(yùn)輸(yùnshū)

地面運(yùn)輸：汽車、摩托機(jī)、內(nèi)燃機(jī)車；共二十七頁內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用(yìngyòng)范圍運(yùn)輸水上運(yùn)輸：內(nèi)河及海上(hǎishànɡ)船舶；航空運(yùn)輸：一些小型民用飛機(jī)。共二十七頁內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用(yìngyòng)范圍民用(mínyòng)礦山、石油、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、林業(yè)機(jī)械和發(fā)電站等。共二十七頁內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用(yìngyòng)范圍軍用坦克、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(fāngmiàn)都大量使用內(nèi)燃機(jī)。共二十七頁四、內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展(fāzhǎn)過程和趨勢內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展過程簡述1824年，卡諾發(fā)表熱力發(fā)動機(jī)的經(jīng)典理論--卡諾原理1860（Lenoiv）發(fā)明大氣壓力式內(nèi)燃機(jī)

有效熱效率5％，功率4.5kw，5000臺；1867（Otto&Langen)改進(jìn)(gǎijìn)后

有效熱效率11％，5000臺；1876（Otto)發(fā)明四沖程內(nèi)燃機(jī)

有效熱效率14％，質(zhì)量下降70％，500000臺，標(biāo)志內(nèi)燃機(jī)工業(yè)形成1897（Diesel）發(fā)明柴油機(jī)1957（Wankel）發(fā)明轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)。（內(nèi)燃機(jī)發(fā)展簡史見附錄）共二十七頁附錄：內(nèi)燃機(jī)發(fā)展簡史內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，已有一百多年的歷史。通過(tōngguò)長期的不斷改進(jìn)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(yùn)輸業(yè)和國防建設(shè)事業(yè)。因此，內(nèi)燃機(jī)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(jì)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(jī)的經(jīng)典理論--卡諾原理。薩迪·卡諾（NicolasLeonardSadiCarnot,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。他出色地、創(chuàng)造性地用“理想實(shí)驗(yàn)”的思維方法，提出了最簡單，但有重要理論意義的熱機(jī)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(jī)（卡諾熱機(jī)）?？ㄖZ的目標(biāo)是揭示熱產(chǎn)生動力的真正的、獨(dú)立的過程和普遍的規(guī)律。1824年卡諾提出了對熱機(jī)設(shè)計(jì)具有普遍指導(dǎo)意義的卡諾定理，指出提高熱機(jī)效率的有效途徑，被后人認(rèn)為是熱力學(xué)第二定律的先驅(qū)。共二十七頁附錄：內(nèi)燃機(jī)發(fā)展簡史1866年，奧托（德國工程師）提出了四沖程內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)。奔馳（Benz,CarlFriedrich），德國工程師，出生于一個火車司機(jī)家庭，年青時(shí)受過技術(shù)方面的教育。1878年開始研究新型內(nèi)燃機(jī)，1879年首次研制成功火花塞點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)。1882年開始嘗試把發(fā)動機(jī)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(rèn)為汽車的誕生(dànshēng)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(jī)、雙人座、并且首先采用了橡膠充氣輪胎。共二十七頁附錄：內(nèi)燃機(jī)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(jī)發(fā)動機(jī)四輪車，1897年戴姆勒的公司生產(chǎn)出“鳳凰”牌小客車，尤其是以戴姆勒公司駐法國的總進(jìn)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(jī)，有前車燈、擋風(fēng)板、雙門5座位敞蓬車造型更加(gènjiā)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(shí)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(jī)功率為1。1匹馬力。共二十七頁附錄：內(nèi)燃機(jī)發(fā)展簡史1897年，狄賽爾（德國著名熱機(jī)工程師）最早制成了柴油機(jī)魯?shù)婪?狄塞爾（RudolfDiesel，1858-1913)，德國著名熱機(jī)工程師,柴油機(jī)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(xì)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(jī)"新機(jī)器很感興趣.法國人約瑟夫.莫勒特(JosephMollet)發(fā)明的氣動打火機(jī)激發(fā)了他的發(fā)明自燃式發(fā)動機(jī)的欲望.空氣被壓進(jìn)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(jī)的原理.1892年,狄塞爾取得了用壓縮空氣點(diǎn)燃煤粉提供動力的機(jī)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(jī).狄塞爾卒于1913年,其他人繼承了他的工作.1924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(jī)(柴油機(jī)).與此同時(shí)在曼海姆,一臺帶預(yù)燃燒室的狄塞爾發(fā)動機(jī)被裝載了奔馳車上

1903年，首先裝在船上，1907年，用于潛艇(qiántǐng)的正反轉(zhuǎn)的柴油機(jī)試驗(yàn)成功，1912年，遠(yuǎn)洋貨輪上的柴油機(jī)首次遠(yuǎn)航試驗(yàn)成功共二十七頁附錄：內(nèi)燃機(jī)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(chuánzhī)，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(jī)取代汽油機(jī)。1926年，有人設(shè)計(jì)出用排氣能量將進(jìn)氣壓縮的廢氣渦輪增壓器。渦輪增壓器是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣能量，經(jīng)過渦輪變?yōu)檗D(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)機(jī)械能，從而帶動壓氣機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，將新鮮空氣壓縮進(jìn)氣缸，從而提高發(fā)動機(jī)的功率。內(nèi)燃機(jī)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(jī)和汽油機(jī)時(shí)，已開始考慮利用增壓。魯-狄塞爾在柴油機(jī)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。共二十七頁小資料：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(jī)、柴油機(jī)和壓氣機(jī)同軸連接，后改為渦輪單獨(dú)驅(qū)動壓氣機(jī)的方法。1923年，德國客船上安裝的渦輪增壓四沖程柴油機(jī)把柴油機(jī)的功率從1288kW提高到1840kW。1925年，比希獲得了脈沖增壓專利并在試驗(yàn)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(jìn)，柴油機(jī)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(guǎngfàn)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(jī)的轎車.1950年起，開始在柴油機(jī)上采用增壓方式。如今，已經(jīng)幾乎無機(jī)不增壓，增壓后，柴油機(jī)的功率能提高1-3倍。廢棄渦輪增壓對提高柴油機(jī)性能作出了重大的貢獻(xiàn)。增壓器是用來提高發(fā)動機(jī)的進(jìn)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(jì)性的器件，主要用于柴油發(fā)動機(jī)。在汽車發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)工作柔和，噪聲也比較少。共二十七頁內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢(一)內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)的發(fā)展1．強(qiáng)化程度不斷提高(tígāo)。提高(tígāo)強(qiáng)化程度系指提高(tígāo)平均有效壓力和活塞平均速度2．降低燃油消耗率、提高經(jīng)濟(jì)性。用提高熱效率和降低內(nèi)燃機(jī)的摩擦損失等措施來降低燃油消耗率。3．提高內(nèi)燃機(jī)的可靠性和耐久性。4．降低廢氣中有害排放和噪聲。共二十七頁(二)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展(fāzhǎn)動向1．電子技術(shù)的應(yīng)用。2．采用增壓技術(shù)。3．汽油機(jī)稀燃—速燃技術(shù)。4．汽油機(jī)缸內(nèi)噴射(pēnshè)分層燃燒技術(shù)。5．柴油機(jī)采用直噴式燃燒系統(tǒng)。6．提高柴油機(jī)燃油噴射壓力。7．排氣后處理技術(shù)。8．采用代用燃料。共二十七頁五、工程機(jī)械用柴油機(jī)的特點(diǎn)和要求特點(diǎn):1、柴油機(jī)型式：以水冷四沖程式為主。少量機(jī)械采用風(fēng)冷或二沖程柴油機(jī)。氣