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1、张 志 强,内燃机构造与原理,Email:zhangzhiqiang78,内燃机构造与原理,第一章 内燃机概述 第二章 内燃机的工作原理 第三章 内燃机的热力循环 第四章 内燃机的性能指标 第五章 曲柄连杆机构 第六章 内燃机换气过程与配气机构 第七章 柴油机燃油系统 第八章 汽油机燃油系统和点火系统 第九章 润滑系统/冷却系统/起动装置,曲柄连杆机构 配气机构 燃料供给系 点火系 润滑系 冷却系 起动系 这些机构和系统保证了内燃机连续不断地正常工作。,内燃机的总体构造,内燃机换气过程包括排气过程与进气过程。换气过程的任务是将气缸内的废气排除干净并在一定的进气状态下，在有限的气缸容积内，尽可能
2、地充入更多的充量空气（柴油机）或混合气（汽油机）。 要提高内燃机的功率和转矩，就需要燃料在气缸内燃烧释放更多的能量，这既有赖于进入气缸的燃料量，也有赖于进入气缸的空气量。对于内燃机来说，液体燃料所占的体积极小，气缸中燃烧所能放出热量的多少，主要受限于进入气缸空气量的多少。同时，为了使充量易于流入，还必须尽可能地将前一循环留在气缸内的废气排除干净。换气过程进行的完善程度，是保证内燃机动力性能的前提和关键。 功用：按照内燃机各气缸的工作次序和配气相位完成换气过程，并在压缩行程和膨胀行程时保证气缸的密封性。,第六章 内燃机换气过程与配气机构,换气过程由配气机构实现。四冲程内燃机均采用气门式配气机构，
3、而二冲程内燃机则采用气口式或气口气门式配气机构。 气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成。每组的零件组成则与气门的位置、凸轮轴的位置和气门驱动形式等有关。现代内燃机均采用顶置式气门，即进、排气门置于气缸盖内，倒挂在气缸顶上。 凸轮轴置于气缸盖上的配气机构为凸轮轴顶置式配气机构，其优点是往复运动件少，特别是完全取消了挺柱、推杆等零件，整个机构刚度大，高速时由于往复质量惯性力引起的振动最小，广泛用于高速发动机。但这种机构由于曲轴和凸轮轴的距离较远，两者之间的传动链长，常采用链条传动或齿形带传动。,第六章 内燃机换气过程与配气机构,四冲程内燃机的换气过程,第六章 内燃机换气过程与配气机构,换气
4、过程,四冲程内燃机的换气过程包括从排气门开始开启直到进气门完全关闭的整个时期，约占380480CA（曲轴转角）。根据气体流动的特点，可以把换气过程分成自由排气、强制排气、进气、气门叠开及燃烧室扫气四个阶段。 自由排气阶段：从排气门开启到气缸内压力达到或接近于排气管压力的时期称为自由排气阶段。由于气门动作的初期只能逐渐增大其流通截面，如果排气门刚好在活塞到达下止点时才开始开启，则因气门流通截面增大过慢，不仅使排气阻力增加，不能迅速排除废气，而且在活塞又向上止点运动时形成较大的反压力，增加排气行程中所消耗的功。因此排气门在膨胀行程接近终了、活塞尚未到达下止点前就开始打开，这就是所谓排气提前（排气提
5、前角一般为3080CA，会带来排气损失）。,自由排气阶段中，废气的流动状态分为超临界状态和亚临界状态两种（由气缸压力与排气管压力之比大小决定，当大于临界值1.9时为超临界状态）。在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无关，而只决定于气缸内的气体状态和气门流通截面大小。在高速内燃机中，为使气缸废气压力及时下降，需加大排气提前角（因为转速越高，相对应的排气时间越短）。,当气缸内压力下降到与排气管内压力之比低于临界值1.9时，废气的流动状态由超临界而进入到亚临界状态。其排出流量除了与气缸内的气体状态及气门流通界面的大小有关外，还将取决于气缸内和排气管内的压力差。,在自由排气阶段中，从气缸内排出的废
6、气量与内燃机的转速完全无关，因此随着转速的增加，自由排气阶段拖延到下止点以后的曲轴转角度数也愈大（因此随发动机转速的增加应相应增大排气提前角），一般是在下止点后1030CA才结束，而后转入强制排气阶段。自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于排气流速很高，排出的废气量可达60%以上。,四冲程内燃机的换气过程,第六章 内燃机换气过程与配气机构,换气过程,强制排气阶段：在这一阶段，气缸内的废气被上行活塞强制推出。此时气缸内的平均压力要比排气管内平均压力略高一些，这压力差主要是排气门通道处节流的结果。流速越高，此差值越大。,在强制排气阶段接近终了时，如果排气门开始关闭，会产生较大的节流作用，
7、这时活塞还在向上运动，使气缸内压力上升，结果是增加了排气消耗功和残余废气量。因此，排气门的完全关闭不能恰恰在活塞到达上止点之时，而应在活塞过了上止点之后，这就是所谓的排气迟闭。此外，排气门的延迟关闭，还可以利用排气管中气体的高速流动惯性把气缸内的废气继续吸出，以降低残余废气量和增加充量。通常，内燃机的排气滞后角为上止点后1035CA。,进气提前角大约为上止点前040CA。但是充量真正开始吸入要待气缸内残余废气膨胀到低于进气管内进气压力之后。,进气门也必须在活塞过了下止点以后的某一时刻才能完全关闭，这就是所谓的进气迟闭。以便利用进气过程中高速气流的惯性在下止点后继续充气而增加气缸充气量（因此高速
8、时进气迟闭角应相对大一些）。一般的进气滞后角是在下止点后2060CA（过大的进气滞后角会导致冷起动困难：起动时，转速低，气流惯性小，进气不足，而且易发生气流倒流进入进气管的现象，影响有效压缩比，使压缩终了温度、压力降低，起动困难）。气缸中活塞对充量的真正压缩是在进气门关闭之后。,进气过程：在活塞到达上止点之前，进气门已经开始开启，以便使活塞下行时进气门具有一定的通道面积，减小进气阻力。,四冲程内燃机的换气过程,第六章 内燃机换气过程与配气机构,换气过程,气门叠开及燃烧室扫气过程：由于在实际的内燃机配气过程中存在着进气提前和排气滞后。这样，在排气（进气）行程上止点的一段时间内出现了进、排气门同时
9、开启的现象，称为气门叠开。气门叠开的结果是把进气系统、燃烧室和排气系统三者在这一时期内沟通起来。,汽油机中，进气总管中节流阀开度用于调节发动机功率。当节流阀开度较小而转速较低时，进气管内压力低，进气门过早开启会促使高温废气倒流到进气管中，既减少了气缸的充量，又容易引起进气管中的回火现象。因此，汽油机的进排气重叠角一般都比较小，约为2050CA。,在非增压柴油机中，其进气管内压力始终接近于大气压力（并且不存在回火现象）。为了更好地发挥进气提前和排气滞后的有利作用，已达到提高在常用转速范围内气缸充量的目的，可以允许采用较大的进排气重叠角，其数值通常在2070CA范围内。,在增压柴油机中，一般都要利
10、用进、排气管压差组织燃烧室扫气过程，即促使充量以一定的数量扫过燃烧室而直接流入排气管内，这不仅可以更多地清除燃烧室中的残余废气，增加气缸内的充量，还可借扫气期间通过的低温充量冷却气缸内的高温零件，降低其热负荷，此外也降低了排气温度，这对改善增压器中涡轮叶片的工作条件具有很大的意义。因此，在增压柴油机中一般采用比非增压柴油机大得多的进排气重叠角，其数值约在100140CA范围内。,四冲程内燃机的换气过程,第六章 内燃机换气过程与配气机构,换气损失,换气损失：内燃机理论循环的换气功与实际循环的换气功之差。在进排气过程线之间所包围的面积即代表了活塞在换气过程中所消耗的换气功。 换气损失由排气损失和进
11、气损失两部分相加而成。 排气损失：从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力达到大气压力时，在这段时期内所损失的功为排气损失。排气损失又可分为膨胀损失w和推出损失x（即气缸内气压高于大气压力的部分）两部分。,四冲程非增压内燃机换气过程示功图,膨胀损失：因排气门提前开启而引起的膨胀功的减少。推出损失：活塞把废气推出所消耗的功。 随着排气提前角的加大，膨胀损失将随之增大，而推出损失则相应减小（曲线b）。排气提前角减小，推出损失增大（曲线c）。应选择最有利的排气提前角，以使膨胀损失与推出损失之和最小。 流动损失与气流的速度成正比。当内燃机的转速升高时，排气损失也随之增大（发动机膨胀损失增大幅度远
12、远小于推出损失）。 因此，高速内燃机为了使气缸内的压力及时下降，减少排气损失，应选用较大的排气提前角。,四冲程内燃机的换气过程,第六章 内燃机换气过程与配气机构,换气损失,进气损失：进气压力线位于大气压力线之下，可用图中相当的面积y大小表示进气损失。 与排气损失相比，进气损失相对较小。就进气过程的组织而言，希望获得较高的充量系数，而进气损失本身通常对内燃机的功率和热效率只有微小的影响。但进气损失的大小却反映进气过程完善程度的重要参数充量系数。 为了提高充量系数，必须设法减小进气损失。加大进气门流通截面，正确设计进气流道，降低活塞平均速度以及合理地调整配气相位等，都可以减少进气损失。,四冲程非增
13、压内燃机换气过程示功图,换气损失随内燃机转速的变化,以活塞的上、下止点为基准计算的进、排气门开闭时间，用曲轴转角表示，即称为配气相位（或称配气正时）。用配气相位图可知内燃机的进气提前角、进气滞后角、进气持续角（180+ + ）、排气提前角、排气滞后角、排气持续角（ 180+ + ）和进排气门重叠角（ + ）等。 不同的内燃机其配气相位是不一样的。对同一台内燃机来说，最佳配气相位也是随转速和负荷的改变而变化的。近年来，在高性能车用内燃机上采用可变气门正时机构，可以满足转速变化对配气正时的不同要求，以保证车辆高、低速都获得良好的性能。但是对于一般内燃机来说，其运转时配气相位是不能随时调整的。因此，
14、通常所说的某种内燃机的配气相位，都是指在标定工况或最大扭矩工况下配气相位的最佳值，是经过反复试验选定的（表5-1） 。,第六章 内燃机换气过程与配气机构,四冲程内燃机的换气过程,配气相位,内燃机的充量系数及其影响因素,第六章 内燃机换气过程与配气机构,充量系数的分析式,充量系数是衡量内燃机换气过程完善程度的一个重要参数。提高充量系数使气缸进入更多的充量而增强内燃机的动力性，是换气过程研究的主要问题之一。 为简化讨论，假定进气过程在活塞到达下止点时结束，并同时开始压缩。则进气终点的气体状态方程为,式中： 、 、 分别为进气终点的压力、温度、以及气缸内气体所占的体积； 为每循环的残余废气量。,每循
15、环实际进入气缸的充量为,式中： 称为残余废气系数，也是衡量换气干净程度的标志之一。,在大气状态参数下可能充满气缸工作容积的充量状态方程为,由此,代入（3-21）充量系数表达式可得：,内燃机的充量系数及其影响因素,第六章 内燃机换气过程与配气机构,充量系数的分析式,由公式可知，充量系数c与进气终点的压力pa成正比（最为重要的影响因素），与进气终点的温度Ta成反比，并与内燃机的压缩比及残余废气系数有关。 由于在进气过程中有流动损失；并且充量进入气缸后要从高温的燃烧室壁面吸收热量，气缸内的残余废气与充量混合后也将使充量的温度进一步升高，这些因素的影响都使充量的密度下降，从而使实际进入气缸的充量要小于
16、理论上能够充满气缸工作容积的充量，即在一般情况下，内燃机的充量系数c总是小于1的（由式3-21可知）。,c的大致范围是：,四冲程非增压柴油机 0.750.9 四冲程增压柴油机 0.91.05 汽油机 0.70.85,内燃机的充量系数及其影响因素,第六章 内燃机换气过程与配气机构,影响充量系数的主要因素,进气终点压力pa,式中：pa气体流动时，由于进气系统阻力引起的压降。,式中：管道阻力系数；0大气的容重；v管道内气体流速。由此可知pa大小主要取决于值和气体流速v。,整个进气系统可视为若干不同管道的组合， pa是气体流过各段管道时所产生压力降的总和。其中进气门处流通截面最小，气体流速最大，是产生进气阻力的主要部位。为了便于分析，可近似地将进气过程看作是一个稳定流动过程，则进气门处气体的连续流量方程为,式中：1流过进气门处的平均流量系数；v1进气门处的平均流速；vm活塞
