01第一章 概论.docx

第一章 概 论第一节 内燃机简史热机是将燃料中的化学能转变为机械功的热力发动机区别于外燃机，内燃 机是燃料在机器内部燃烧而将能量释放做功的，它的工质在燃烧前是燃油与空气 的混合气，在燃烧后则是燃烧产物本书介绍的主要是点燃式发动机(汽油机，尽 管它也能燃用其他燃料)和压燃式发动机(柴油机，也能燃用其他燃料)燃气轮机 也是内燃机的一种，但它的工作原理与汽油机和柴油机完全不同，因而不在本书 讨论范围之内由于内燃机的热效率高(是当今热效率最高的热力发动机)、结构简 单、比质量(单位输出功率的质量)轻、移动方便，因而被广泛应用于交通运输 (陆 上、内河、海上和航空)、农业机械、工程机械和发电时作为动力内燃机的出现和发明可以追溯到I860年，莱诺依尔(JJ.E.lenoir, 1822—1900 年)首先发明了一种大气压力式内燃机，煤气和空气在活塞的上半个行程被吸入气 缸，然后放火花点燃；后半个行程为膨胀行程，燃烧的煤气推动活塞下行膨胀做功活塞上行时开始排气行程(它的示功图见图1— 1)，这种发动机在燃烧前没有压缩行程，热效率低 于 5％，最大功率为 4.5kW， 1860—1865 年共生产 了约 5000 台。

1867 年奥托(Nicolaus A. Otto，1832 —1891 年)和浪琴(Eugen Langen，1833—1895 年) 发明了一种更为成功的大气压力式内燃机它利用 燃烧所产生的缸内压力升高，在膨胀行程时加速一 个自由活塞和齿条机构，它们的动量将使气缸内产 生真空，然后大气压力推动活塞内行齿条通过m 滚轮离合器与输出轴相啮合，输出功率这种发动 机热效率可达11％，共生产了近5000台为了克服莱诺依尔和他本人提出的这种大气压力式内燃机热效率低、质量大的缺点，奥托提出了一种四冲程循环的内燃机，即进气、着火前的压缩、膨胀与 排气，他的四冲程的原型机于 1876 年投入运行，这种发动机的热效率提高到了14％，而质量则减少了近 70％，从而有效地投入工业使用而形成了内燃机工业至1890年，有50万台机器销往欧洲和美国接着在1890年前英国的克拉克(Dugald Clerk，1854—1913 年)和罗伯逊(James Robson，1833—1913 年)、德国的卡尔•奔 驰(Karl Benz, 1844—1929年)成功地发明了二冲程内燃机，即在膨胀行程末期和 压缩行程初期进行进气和排气行程。

1892年德国的工程师鲁道夫•狄塞尔(Rudolf Diese， 1858—1913年)提出了一种新型内燃机的专利，即在压缩终了将液体燃油喷 入缸内，利用压缩终了气体的高温将燃油点燃，它可以采用大的压缩比和膨胀比， 没有爆燃，热效率可以比当时其他的内燃机高一倍这种构想在 5 年之后终于变为一个实际的机器，即压燃式发动机——柴油机之后，学者们曾提出了各种各 样回转式内燃机的结构方案，但一直到1957年才由汪克尔(F.Wankel)成功地试验了 他发明的转子发动机这种发动机通过多年的努力和发展，在成功地解决了密封 与缸体震纹之后，也在一定领域(如赛车和小型发电机组)获得较好的应用燃料在发动机发展中起着重要的作用，最早用来产生机械功的是煤气； 1900年之后，汽油和原油中的轻馏分油成为商品，山现了各种各样将这种油料汽化并 与空气混合的化油器在1905年之前，为避免爆燃，压缩比用得较低(<4=，汽 油的性能与供应都不存在问题，高挥发性的油料使发动机起动容易，在寒冷地区 使用有较好的性能在1907—1915 年，汽油需求量增加了5 倍，要求增加从原油 中提炼出来的汽油产量威廉•伯尔顿(William Burton, 1865—1954年)发明了将 重油在压力下加热裂解成易挥发轻馏分油的技术，从而大大提高了汽油的产量。

但这种汽油沸点较高,使冷起动困难由于在1912年发明了起动电机,从而较好 地解决了这一问题第一次世界大战以后,对爆燃问题有了进一步的理解,通用汽车公司发现了 四乙铅的抗爆作用，1923年美国开始将它用来作为汽油的添加剂尤金•荷德莱 (Eugene Houdry)发明了催化裂化法，既提高了汽油的产量，同时使汽油获得越来 越好的抗爆性，从而使发动机的压缩比不断增加，改进了发动机的动力性能与经 济性能1902年法国的路易斯•雷诺(Louis Renault)提出了增加缸内压力的发明专 利，也就是后来被广泛接受的机械增压 1907 年美国宾夕法尼亚的一家工厂试制 成功了世界上第一台增压发动机,它采用了曲轴通过传动带驱动一个直径为8in(约 203mm)的离心式压气机的机械增压方案1915年，瑞士工程师阿尔弗雷德•波希 (Alfred Buchi )将这种增压器的机械驱动改造成为发动机的排气涡轮驱动，这是第一 台用于内燃机的涡轮增压器的雏形第二次世界大战后，增压技术开始在压燃式 发动机上得到广泛的应用，并逐步扩展到汽油机中近30年来，影响发动机设计和运行的主要因素，是控制发动机对环境的污染 40年代在洛杉矶出现汽车所造成的空气污染事件后， 1952年哈琴•史密特(A.J.Haagen Smit)阐明了光化学烟雾来自日照下的氯氧化合物和碳氢化合物所产 生的化学反应，而汽车则是氮氧化合物和碳氢化合物以及一氧化碳的主要贡献者， 柴油机则是烟气微粒以及碳氢化合物和氮氧化合物的主要来源。

美国加州首先建 立了汽车排放标准 60 年代在美国，接着在欧洲、日本，相应确立了汽车排放标 准，从而发展了汽油喷射、三效催化剂、无铅汽油的应用，以控制汽油机的排放内燃机也是一个重要的噪声来源，噪声来自空气动力效应、燃烧过程中气体 的压力和旋转、往复零部件的机械激励等 70 年代末，国际上开始制订车辆噪声 法规，以降低噪声对环境的污染70 年代初，由于石油危机导致原油价格成倍上涨，引起对发动机燃油经济性 的重视，但由于要控制排气污染，因而增加了改进燃油经济性的困难为了减少 内燃机对日益短缺的石油基燃料的依赖，各国正在进行内燃机燃用代用燃料的研 究工作，以逐步取代汽油和柴油，如燃用天然气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成 柴油以及二甲基醚(CH3OCH3)等在我国，随着车辆保有量的迅速增加，汽车造成的对环境的污染越来越严重， 我国已经制订了一系列排放与噪声法规来限制它们对环境的污染，这些法规将越 来越严格我国正在推广使用无铅汽油以及发展汽油喷射、三效催化技术，到 2000 年将停止生产有铅汽油，同时大力发展代用燃料的基础和应用研究，以求改善人 们的生存环境及缓解石油基燃料短缺的矛盾内燃机和汽车给世界带来了现代物质文明，在经过了超过一个世纪的发展之 后，它的发展远远没有达到其顶点，在动力性、经济性以及排污控制方面还在不 断地改进。

新材料的出现导致内燃机可以进一步减轻质量、降低成本和热损失， 新型的综合了汽油机和柴油机的特点，可以使用多种燃料的分层充量发动机将会 有很好的应用前景这些都对内燃机工作者提出了新的挑战让我们应用对内燃 机工作过程日益增加的了解和知识，设计制造出更好的内燃机以造福人类，造福 社会第二节 内燃机分类L汽油机卜柴油机丄天然气发动机（包括液化天然气和压蜡天然气）厂液化石油气发动机厂按所用燃料分亠丄酒精发动机仲醇，乙醇）「双燃料发动机仗口吸入天然气，喷人柴油点火等）L灵活燃料发动机涣]汽油与醇类燃料可以切换等）i—压燃式一按缸内着火方式分」 点燃式厂四冲程-按冲程数分！-二冲程[-往复活塞式匚旋转活塞式「液体挣却—按活塞运动方式分内燃机种类很多，它们可以按如下不同方式分类：—按气缸冷却方式分 丄空气冷却L单缸—按气缸数目护一多缸（Z 3 4 5, -■）£速（＜ 300r/min）」按转遠分 分IL按增压程度分]—中速（30卜 lOOOr/min） L” 高速（＞ lOOOr/ min ）L非增压（自然吸气）厂低增压1. 8）匸、中增压（叭：1.8-2. 5}L高增压（叭：2. F玄6）」超高增压（Kb＞ 3. 6）立式、卧式、直列式、V形、W形一按气缸排列 对置气缸或对置活塞式趣、王字形、祿、星形I 它油器式匚按混合气唯备方式分-十进气管或进气道喷射） 1一缸内直接喷射j 匚分层充量丄蹴戲点祈甘从一「开式燃烧室昨多种设计，如浴盆形、楔形、半圆形，碗形，我等） F燃焼星戌曲 匚分隔式燃烧室很有辅肋燃烧室许多种设计如涡流室，预燃室等） 「二气门、四气门盛多气门）—按进排气门、凸轮轴设计和布置炉+顶置（上置）或侧置（下置汽门 丄顶置或侧置凸轮轴「按用途分一I农用、船用、汽车用、工程机械用拖拉机用、发电用、内燃机车用第三节各种内燃机的典型结构一、点燃式发动机 小型点燃式发动机被广泛应用于家庭割草机、链锯、移动式小发电机组、植 保、够外机和摩托车，它们通常是单缸机，其特点是尺寸小，质量轻，便宜。

但 出于是单缸价，因而转矩不均匀性和振动较大图 l —2 给出了一台二冲程点燃式发动机的横剖面图它的主要型式为单缸、 直立风冷、缸径X行程为 50mm X 50mm、12h功率/曲轴转速为 2.2kW / 4000r・min-1、15min功率/曲轴转速为3 kW / 5000 r・min-1、采用曲轴箱换气这种型式发动机的优点为结构简单、零件数少，每缸仅有 3 个运动零件，即 活塞、连杆、曲轴由于做功次数为四冲程机的一倍，因此升功率比四冲程高； 但由于有扫气损大加之采用混合油（将润滑油以一定比例加入汽油中）或采用润滑 油一次性地润滑活塞、活塞环与缸套，因此它的燃油、润滑油消耗量，未燃碳氢 排放量比四冲程发动机高，常用于小型轻便动力装置上图 l —3 为一台 368 汽油机的剖视图它的主要型式为直立、四冲程、水冷、3 缸机，缸径X行程为 68.5mm X 72mm，标定功率/标定转速为 26.2 kW / 5500 r・min-1,采用化油器供油、二气门、多球形燃烧室和单顶置凸轮轴由曲轴前端 的定时同步带轮通过同步带带动安装于气缸盖上的凸轮轴，再通过摇臂驱动气门 这种传动方式较之下置凸轮铀、齿轮传动，简化了配气机构传动装置，减少了挺 柱、推杆等往复运动零件，降低了配气机构的动力载荷，降低了噪声。

该发动机 主要用于奥拓轿车以及其他小型动力装置图1-3奥拓3胡汽油机剖视图1—气此盖罩2―气缸盖3—火花塞4—排气歧管5—丸缸障 6—飞轮 7—活塞 8—连杆 9—曲轴 图1-2 1E50F发动机横剖面图 10—油底壳11—机赠彙越器12—机油泵13—#轴带轮14 一定时带轮15-发电机传动带16-一水泵带銘 18—张紧轮19—定肘传动带卫轮轴带轮一十疑轴 22-气门23~气打擢臂24—气门摇臂轴芒一仔电器 多缸机常应用于汽车，它们的转矩输出较均匀，平衡也比单缸机好2.5L以 下排量的汽车通常使用四缸机为多六缸机通常用于排量为2.5—4.5L的发动机， 其转矩比四缸机更均匀，但气缸直线排列会增加发动机长度，使曲轴扭转振动增 加；由于进气管长、使燃料在各缸之间分配不易均匀V —6发动机将气缸分成二 列，每列三缸；二列气缸轴线夹角力 60°，使发动机更为紧凑，一级惯性力可以 得到平衡，但二级惯性力平衡情况要比直立式差V —8和V—12缸机也是常用的 发动机，它们工作柔和、紧凑、排量大、振动小、增压汽油机可以在给定排量下 获得更大的功率输出，因为发动机的功率取决于缸内燃烧的燃料量，燃料量又取 决于每循环吸入气缸的新鲜混合气量，增压可以增加进入气缸混合气的密度，从 而增加发动机在给定排量下的输出功率。

图1—4为桑塔纳（普通型）轿车用的JV型发动机的纵横剖面图垂医尿變森屁福辗弩<。