《能源动力装置基础》06a

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1、第 六 章 内 燃 机1第第0 0节节 往复活塞式发动机的分类基本结构往复活塞式发动机的分类基本结构一、往复活塞式发动机的分类一、往复活塞式发动机的分类内燃机是燃料在汽缸内燃烧，将燃料的化学能转变为机械功的装置。内燃机的结构形式有往复式活塞内燃机和旋转活塞式内燃机和燃气轮机。以往复式 活塞内燃机使用最广泛。1. 按工作循环的冲程数分类2. （1）四冲程循环内燃机 活塞往复4个冲程，曲轴转2圈，完成一个工作循环；3. （2）二冲程循环内燃机 活塞往复2个冲程，曲轴转1圈，完成一个工作循环。4. 2. 按汽缸数分类5. （1）单缸机 一台机只有1个气缸；6. （2） 多缸机一台机只有2个或2个以上

2、的气缸。23. 按曲轴转速分类（1）高速 n1000r/min（2）中速 n=3001000r/min （3）低速 n300r/min4. 按燃料分5. （1）柴油机6. （2）汽油机7. （3）煤油机8. （4）天然气机5. 按着火方式分6. （1）压燃式 利用缸内压缩空气温度高于燃料着火点使用燃料自行着火 燃烧。如柴油机。7. （2）点燃式 利用缸外热源（电火花）点火使燃料着火燃烧，如汽油机 等。3二、总体结构（图5-3）往复活塞式发动机，即内燃机，包括柴油机、汽油机和气体发动机。其基本结构相同。由以下主体结构和辅助系统组成。以YC6105QC型柴油机为例，说明其结构。41.主体结构 汽缸

3、体、汽缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮。汽缸体中部圆筒空间为汽缸，活塞在其中运动。汽缸盖封住上部。活塞通过连杆与曲折连接，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。2. 辅助系统： 配气机构：空气滤清器、进排气管、进排气道、进排气门、进排气凸轮轴、连摇臂和消声器等。根据工作过程需要，适时地开启、关闭进排气门，以完成换气。 燃料供给系统：喷油泵和调速器、供油自动提前器、喷油器、柴油滤清器、油水分离器、输油泵和柴油管路等。5 润滑系统 包括机油泵、机油粗滤器、机油精滤器、分离离心式机油滤清器、油底壳及润滑油道等。 冷却系统： 水泵、风扇、节温器出水管等。 启动操纵与电气系统： 直流启动电机、充电发电机、各

4、类传感器、操纵机构、空气压缩机。汽油机与柴油机在结构上的不同在于 可燃气体的形成于燃烧方式不同。汽油机设有化油器和汽油泵的油系统，或汽油喷燃系统，点火系统。无喷油泵和喷油器。6二、活塞、连杆和曲轴（主要运动件）1. 活塞（图5-6） 活塞组包括活塞本体（即活塞）、活塞环、活塞销及固定件。作用 与活塞顶部、汽缸盖和汽缸等组成燃烧室。在燃烧膨胀冲程中，活塞顶通过活塞销、连杆传递力矩，推动曲轴旋转。在压缩冲程中，将空气压缩成高温、高压气体，以便着火燃烧。活塞与缸壁有最佳的间隙活塞环槽：安装活塞环活塞裙部，起导向作用，中有活塞销座，是活塞磨损最严重部件，必须保持一定间隙。活塞环：为弹性金属环，分气环、

5、油环。活塞销：是活塞和连杆的链接件。图5-672. 连杆（图5-7） 作用：链接活塞与曲轴，传递力矩。 连杆由小头、连杆身和大头组成。3. 曲轴（图5-8）曲轴组成：由曲轴前端（称为自由端）、曲拐（包括主轴颈、曲臂、和连杆轴颈）和曲轴后端。作用：通过曲轴将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。曲轴受周期交变的气体压力、活塞连杆组的惯性力和扭力的作用，从而产生扭矩、弯曲、压缩和拉伸应力及变形；还受摩擦力。曲轴应有足够的刚度和疲劳强度，重量轻，轴颈表面耐磨。图5-7图5-88三、汽缸体、汽缸套和汽缸盖（主要固定件）内燃机的主要固定件：机体、汽缸套和汽缸盖，而机体是由汽缸体、 曲轴箱和机座或油底壳及主

6、轴承盖组成。1. 汽缸体2. 移动式水冷内燃机的汽缸体和曲轴箱常铸成一体，称为汽缸体曲轴 箱（简称汽缸体）。汽缸体上半节内腔活塞往复运动导向和容纳工质的圆形 空腔（汽缸）。汽缸体下半部分支承曲轴的轴承箱，内腔为连杆和曲轴的运 动空间；汽缸体顶部与汽缸盖连接，底部与机座或油底壳连接。 汽缸体结构形式：平分式，龙门式，隧道式三种。2. 汽缸套： 其内壁是活塞的导向面。接受高温、高压燃气，活塞往复运动 ，故磨损大，容易破坏。常用的汽缸套有干、湿两种。湿式汽缸套外有水冷 却。3. 汽缸盖：其底面与活塞顶部及汽缸形成燃烧室，其上部设计有进排汽口 及相应的进排汽组件、摇臂、摇臂座。还有喷油器和火花塞等。9

7、第一节第一节 内燃机的工作过程内燃机的工作过程一、内燃机的工作原理（一）四冲程内燃机的工作过程* 四冲程内燃机：在内燃机中，燃料在缸内依靠活塞上行压缩的气体着火燃烧，放出大量热能，使可燃混合气体（工质）的压力、温度急剧升高，并在缸内膨胀推动活塞作功。作功后的废气必须排出并重新吸入新鲜空气。也就是说，内燃机作功，必须具备进汽、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成的工作循环。该循环是通过活塞往复四个行程来完成的，故称为四冲程内燃机。1011下面以单缸柴油机为例予以说明：1. 第一冲程进汽冲程（图6-1a）进汽冲程开始时，进汽门开启，排气门关闭，活塞从上止点向下止点运动。当活塞下行，活塞上部汽缸容积

8、增大，当压力降到大气压力下或增压压力以下，在压力差作用下，新鲜空气（柴油机）或混合气（汽油机）通过进汽门被吸入汽缸。当活塞运动到下止点后，进汽门关闭，进汽过程结束。 由于柴油机进汽系统有空气滤清器、进汽管和进汽门，即存在阻力损失 ，汽缸内的压力 略低于大气压力 或增压压力 。而汽油机进汽系统又多了节气门等调节装置，转速又高，故缸内进汽压力比柴油机还低。图6-1a12为了增大柴油机的功率，在进汽过程中应提高进汽量，通常采用下列措施：（1 1）进汽阀的直径应大于排汽阀的直径；）进汽阀的直径应大于排汽阀的直径；（2 2）尽可能减少进汽系统的流阻，在流道中避免产生涡流；）尽可能减少进汽系统的流阻，在流

9、道中避免产生涡流；（3 3）进汽门提前在上止点前）进汽门提前在上止点前2020 3030 曲轴转角打开，减少气流经气门口曲轴转角打开，减少气流经气门口时的阻力；时的阻力；（4 4）进汽门延迟在下止点后进汽门延迟在下止点后2020 3030曲轴转角关闭，延长进汽时间利用曲轴转角关闭，延长进汽时间利用气流流动惯性，增加进汽量。气流流动惯性，增加进汽量。132. 第二冲程压缩冲程（图6-1b）3. 活塞自下止点回上止点的运动。这时，进、排气阀都处于关闭状态。开始时，活塞位于下止点，曲轴在飞轮惯性作用下旋转，通过连杆推动向上运动。随着汽缸容积不断减小，缸内气体被压缩，温度、压力迅速上升。当活塞到达上止

10、点时，压缩过程结束。在柴油机中，压缩的是空气，压缩比较高，压缩终了时，缸内气体压力可达34MPa，温度可达800900K【高于柴油自燃温度(600K)】，可使喷入柴油自燃。在汽油机中，压缩的是可燃混合气，为防止爆炸，压缩比较低，压缩终了时，缸内气体压力可达0.71.5MPa，温度600800K。图6-1b143. 第三冲程作功冲程（燃烧与膨胀）（图6-1c）在压缩过程接近终了时，柴油机喷入的柴油与高温、高压空气混合，并着火燃烧。在汽油机中，用电火花点燃混合气燃烧。由于进、排气阀都处于关闭状态，缸内燃气温度、压力急剧升高。 柴油机的最高燃烧压力一般可达 =69MPa，最高燃烧温度可达 =1800

11、2200K； 汽油机的 =35MPa， =25002800K。在高压高温燃气作用下，推动活塞下移并带动曲轴旋转，使热能转变为机械能，从而对外作功。随着活塞下移，汽缸容积增大，燃气的温度、压力下降，当活塞到达下止点时膨胀过程结束。此时，柴油机的燃气温度降至10001200K，压力降至34MPa；汽油机的燃气温度降至12001500K，压力降至0.30.6MPa。图6-1c154. 第四冲程排气冲程（图6-1d）当作功冲程结束，活塞到达下止点时，排气门打开，曲轴靠惯性继续旋转带动活塞向上止点运动，把膨胀后的废气经排气门从汽缸中排出。活塞到达上止点后，排气门关闭，排气过程结束。为了减小活塞上行的背压

12、，一般排气门在上一冲程末期下止点前已开启，缸内燃气温度、压力迅速下降，此时活塞还在下行，废气靠缸内外压差排出。当活塞由下止点到达上止点时，废气被活塞挤出汽缸。在排气过程结束时，排气压力 =0.1050.11MPa，温度 =700900K。图6-1d16可见，活塞上下运动4个单程（即4个冲程），曲轴旋转2转，完成一个工作循环。每个循环中，只有第3个冲程是输出有效功。在此冲程中，完成燃油从化学能转变为热能，又从热能转变为机械能，共2次能量转换，其他冲程都是为工作冲程服务的，都要从外界输入能量才能进行。在单缸柴油机中，是靠膨胀冲程储藏在飞轮中的能量供给；在多缸柴油机中，是靠其他正在做功的汽缸供给的。

13、 17（二）二冲程往复式活塞发动机的工作过程在四冲程内燃机中，只有第3冲程对外作功，而其他三个冲程只做辅助性工作，反而要吸收部分有效功。为了提高内燃机的效率，发明了二冲程内燃机。 二冲程发动机的特点：活塞运动2个冲程，曲轴旋转1转，完成一个工作循环，即完成进气、压缩、燃烧、膨胀及排气5个过程。二冲程发动机把排气和进气过程安排在膨胀过程的末尾和压缩过程的初期。用一个扫气泵将新鲜空气压入汽缸，汽缸中燃烧后的废气一部分自己排出，其余部分被进入汽缸的新鲜空气挤出。图6-2为二冲程柴油机的工作原理示意图。这种有排气门和进气口的内燃机称为直流扫气二冲程柴油机。18191. 第一冲程扫气及压缩（图6-2a，

14、b）（1）扫气：活塞由下止点向上止点运动，在遮盖扫气孔之前，扫气空气先由扫气泵提高压力后进到汽缸扫气孔四周的扫气箱，再由扫气箱经扫气孔进入汽缸。扫气压力（0.110.13MPa)高于汽缸中残存的废气压力。在扫气的气体进入汽缸的同时，汽缸中残存的废气被扫气从排气阀挤出去。图6-2a，b（2）压缩：活塞继续上行，遮住扫气孔时，排气阀此时关闭，扫气过程结束。汽缸中的新鲜空气和少量未排尽的废气活塞继续上行被压缩，直到活塞达上止点，完成压缩过程。 在这一过程中，柴油机扫气的气体是空气，汽油机扫气的气体是可燃混合气体。柴油机的压缩比较高，压缩终点压力温度高，以保证柴油喷入后能自燃着火。柴油在上止点前102

15、0喷入。202. 第二冲程燃烧、膨胀、排气（图6-2c，d）（1）燃烧和膨胀： 当活塞到达上止点前，在柴油机中，柴油喷入汽缸内自行发火燃烧；在汽油机中，用电火花点火使可燃混合气体燃烧。在高温高压气体作用下，活塞从上止点推向下止点。在活塞下行运动中燃烧气体膨胀，直到排气阀（排气口）打开为止。此时膨胀过程结束。图6-2c，d21（2）排气：排气阀开启时间比扫气孔打开的早，废气利用本身压力自行排出。从排气阀开启到扫气孔被打开这段时间为自由式排气过程，大量废气这时排出。 活塞继续下移，扫气孔被打开，扫气泵开始将新鲜空气压入汽缸，并将残存的废气从汽缸中经排气阀排出，这就是扫气过程的开始。当活塞下移到下止点时，第二冲程结束。但扫气过程还在继续，直到活塞从下止点又重新向上运动，到扫气孔全部被遮盖，并同时将排气阀关闭，扫气过程才算结束。活塞继续上行，第二个工作循环的压缩过程又从新开始。22二、内燃机的热力循环及性能指标二、内燃机的热力循环及性能指标（一）理想循环及热效率内燃机的实际热力循环由进汽、压缩、燃烧、膨胀和排气等过程组成，是十分复杂的，先作一些简化处理，即理想循环。（1）工质为理想气体，其状态参量变化遵守气体状态方程。（2）不考虑工质更换及漏汽损失，工质数量保持不变；（3）工质在汽缸内进行膨胀压缩时，与外界无热交换，工质比热为常数；（4）不考虑燃烧过程，用假想的定容放热和定容或定压