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内燃机原理,授课教师闫兵教材内燃机构造与原理（第二版）李飞鹏主编,第一章内燃机的总体构造与基本工作原理,第一节概述内燃机在机械设备中的地位往复活塞式内燃机∈内燃机∈热力发动机∈发动机（动力机械）∈机械内燃机的基本特点P.11、将燃料中的化学能经过燃烧过程转变为热能，并通过一定的机构使之再转化为机械功；2、燃料的燃烧是在产生动力的空间通常就是气缸中进行的；3、活塞的运动方式为往复运动。,简要介绍几个基本常识,一、内燃机的分类二、内燃机的优缺点三、内燃机的应用范围四、内燃机的发展趋势五、工程机械用柴油机的特点和要求,一、内燃机的分类,1．燃料有汽油机、柴油机、煤气机、气体燃料及多种燃料发动机等。2．着火方式压燃式和点燃式。3．冷却方式水冷式和风冷式。4．工作循环所需行程数四冲程内燃机和二冲程内燃机5．进气状态非增压式和增压式。6．气缸布置形式直列式、V形、卧式、对置式。7．用途汽车用、工程机械用、农用、拖拉机用、发电用、机车用、船舶用、坦克用等。8．转速高速、中速和低速；9．气缸数有单缸、双缸、多缸内燃机。,二、内燃机的优缺点,优点1．热效率高，即燃油消耗率低，经济性好，最高有效热效率已达46％，甚至50％。2．功率范围广，单机功率可从零点几千瓦到上万千瓦。3．结构紧凑、质量轻、比质量较小（比质量是内燃机整机质量与其标定功率的比值）。4．起动迅速、操作简便。缺点1．对燃料要求较高。2．排气污染和噪声引起公害。3．结构较复杂，零部件加工精度要求较高。,三、内燃机的应用范围,运输地面运输汽车、拖拉机、内燃机车；水上运输内河及海上船舶；航空运输一些小型民用飞机。民用矿山、石油、工程机械、农业机械、林业机械和发电站等。军用坦克、装甲车、步兵战车、重武器牵引车、水面舰艇及潜水艇等方面都大量使用内燃机。,四、内燃机的发展过程和趋势,内燃机的发展过程1860（Lenoiv）发明大气压力式内燃机有效热效率5％，功率4.5kw，5000台；1867（OttoLangen改进后有效热效率11％，5000台；1876（Otto发明四冲程内燃机有效热效率14％，质量下降70％，500000台，标志内燃机工业形成1897（Diesel）发明柴油机1957（Wankel）发明转子发动机。,内燃机的发展趋势,一内燃机性能指标的发展1．强化程度不断提高。提高强化程度系指提高平均有效压力和活塞平均速度2．降低燃油消耗率、提高经济性。用提高热效率和降低内燃机的摩擦损失等措施来降低燃油消耗率。3．提高内燃机的可靠性和耐久性。4．降低废气中有害排放和噪声。,二内燃机技术的发展动向,1．电子技术的应用。2．采用增压技术。3．汽油机稀燃速燃技术。4．汽油机缸内喷射分层燃烧技术。5．柴油机采用直喷式燃烧系统。6．提高柴油机燃油喷射压力。7．排气后处理技术。8．采用代用燃料。,五、工程机械用柴油机的特点和要求,工程机械的种类繁多，大多数都采用柴油机作为动力。各种工程机械的负荷变化情况各异。而不同的地区、气候条件差异极大，故其使用环境可能十分恶劣，其性能参数和结构有许多特点和相应要求。,第二节内燃机的总体构造,一、基本名词术语内燃机的基本机构P.5固定件气缸、气缸盖、曲轴箱和进排气门等运动件活塞、活塞销、连杆、曲轴和飞轮等,活塞、连杆、曲轴的运动特点P.51活塞在气缸内作往复运动。2曲轴则绕主轴颈轴心线作旋转运动。曲轴每转一周，活塞向上向下各行一次两个行程。3连杆上端（小头）随活塞作往复运动，连杆下端（大头）随曲轴作旋转运动，故连杆作复杂的平面运动。,基本名词术语P.5-6,曲柄半径r主轴颈轴心与曲柄销轴心间的距离。连杆长度l连杆小头中心与连杆大头中心间的距离。上止点活塞离曲轴中心距离最大的位置。此时活塞销中心离曲轴中心的距离为lr下止点活塞离曲轴中心最小距离的位置。此时活塞销中心离曲轴中心的距离为l-r活塞行程S上止点与下止点间的距离。故slr-l-r2r,气缸工作容积Vh在一个气缸中，活塞从上止点到下止点所扫过的容积VhD2/（4106S内燃机总排量VHi个气缸工作容积的总和VHiVh气缸总容积Va当活塞在下止点时，活塞上方的气缸容积。燃烧室容积Vc当活塞在上止点时，活塞上方的气缸容积。VaVhVc压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比Va/Vc,二、总体构造,四冲程汽油机主要由下列机构和系统组成P.71曲柄连杆机构2配气机构3供给系4点火系5润滑系6冷却系7起动装置,1．曲柄连杆机构P.7,功用曲柄连杆机构是内燃机的基本机构。在燃油燃烧时，活塞承受气体膨胀的压力，并通过连杆使曲轴旋转，将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动而输出动力。组成气缸体、气缸盖、活塞、连杆、带有飞轮的曲轴和曲轴箱。,2．配气机构P.7,功用使燃油与空气所组成的可燃混合气可以在一定的时刻被吸进气缸，并使燃烧后的废气可以在一定的时刻被排出。组成进气门、排气门、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴以及凸轮轴等。布置形式根据气门安装位置的不同，主要有侧置式和顶置式两种。,3．供给系P.8,功用供给气缸空气和燃油可燃混合气，并排出燃烧后的废气。组成汽油箱、汽油滤清器、汽油泵、化（喷）油器；空气滤清器、进气总管、进气支管；排气支管、排气总管、排气消声器。,4．点火系P.8,功用在一定的时刻产生电火花，点燃在气缸内被压缩后的混合气。组成电源蓄电池和发电机）；点火线圈、断电器；分电器、火花塞。,5．润滑系P.8-9,功用向内燃机的摩擦零件供给润滑油，以减少零件磨损和零件间的摩擦阻力。组成油底壳、机油泵、机油滤清器、机油管路和通道以及机油标尺等。润滑方式环流和飞溅。,6．冷却系P.9,功用将内燃机受热零件的热量传出，以保持内燃机正常的工作温度。冷却方式风冷和水冷。组成（水冷系）散热器水箱、水泵、进水管、气缸周围和气缸盖中的水套、排水支管、排水总管和风扇。,7．起动装置P.9,功用借助外力人力或其他动力将静止的内燃机转为自行运转。组成起动机、传动机构和操纵机构等。,柴油机结构特点P.9,1、柴油机是用气缸内空气被压缩后的高温来发火的压缩着火，所以没有点火系。2、柴油机的燃油供给部分也和汽油机的不同。其组成为柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、高压油管和喷油器。,第三节内燃机的基本工作原理P.10-11,工作循环内燃机气缸中进行的每一次将热能转变为机械功的一系列连续过程。每一次工作循环都包括进气、压缩、燃烧膨胀和排气等4个过程。四冲程内燃机的工作循环是在曲轴旋转两周，即4个行程中完成的；二冲程内燃机的工作循环是在曲轴旋转一周，即两个行程中完成的。,一、四冲程汽油机的工作原理,示功图,示功图一种表示气缸内气体压力p和相当于活塞不同位置时的气缸容积V或曲轴转角之间的变化关系图。P-V图表示一个工作循环中，气体在气缸内所作的功；P-图反映一个工作循环中，气体压力p随曲轴转角之间的变化关系。,一、四冲程汽油机的工作原理P.10-11,1.进气过程作用可燃混合气进入气缸。实现活塞从上止点向下止点移动，进气门开启，排气门关闭。这时活塞上方的气缸容积增大，于是压力降低到小于大气压力，产生了真空度，使可燃混合气经进气管和进气门进入气缸。主要参数pa0.0750.09MPa；Ta370400K充量系数每工作循环实际进入气缸的新气质量与理论上可充人气缸的新气质量之比。一般0.700.85,2．压缩过程,作用在燃烧前将混合气压缩，使其容积缩小，密度增大，温度升高，在燃烧过程迅速燃烧以产生较大的压力，使发动机发出较大的功率。实现进、排气门都关闭，曲轴继续旋转，活塞自下止点向上止点移动，将气缸中的混合气压缩。主要参数pc0.852MPa；Tc600700K610,3.燃烧膨胀过程,作用混合气燃烧时放出大量的热，气缸内气体的温度和压力骤增，在气体压力的作用下，活塞向下止点移动，并通过连杆使曲轴旋转而作功。实现当压缩过程接近上止点时，火花塞发出电火花，将混合气点燃。可燃混合气燃烧、膨胀，推动活塞向下移动作功。主要参数pz35MPa；Tz22002800Kpb0.30.5MPa；Tb15001700K,4.排气过程,作用排出气缸中燃烧后的废气，以便充入可燃混合气。实现排气门开启，进气门保持关闭，活塞由下止点向上止点移动排出废气。主要参数pr0.1050.12MPa；Tr9001100K残余废气占进入气缸的新鲜混合气质量比例5％～15％,二、四冲程柴油机的工作原理,四冲程柴油机与汽油机工作过程的不同1.可燃混合气的形成P.12柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器以雾状喷人气缸，在很短的时间内与高温空气混合，形成混合气。,,2.着火的方法P.12柴油机是压缩着火的，压缩终了时，柴油机气缸内气体温度约750～950K，大大高于柴油的自燃温度。3.示功图示功图上刚过z点以后的压力下降不像汽油机那样急速。此时，虽然活塞已向下移动，气缸容积增大，但因柴油还在继续喷人和燃烧，所以压力在短时间内并不显著下降。,第四节内燃机的产品名称与型号P.15-16,内燃机产品名称和型号编制规则GB725911．名称按所采用的燃料命名，如柴油机、汽油机、煤气机、沼气机、双燃料发动机。2．内燃机型号由阿拉伯数字、汉语拼音字母和象形字符组成。型号包括首部、中部、后部和尾部四部分组成。,首部中部后部尾部3．型号示例DL16V240ZJC6135ZG6100Q,,第三章曲柄连杆机构第一节固定件,包括P.28气缸盖、气缸垫、气缸体、气缸套、曲轴箱。,一、气缸体,气缸体、曲轴箱、机体的关系气缸体与上曲轴箱合称机体。P.29下曲轴箱又称油底壳。干、湿式曲轴箱根据箱内是否贮存有机油来分类。大多数工程机械和汽车发动机用湿式。,各主要零部件需掌握的要点,功用工作条件要求材料工艺分类结构其他要点,气缸体P.29-30,功用是内燃机的主体，是其它分部件和附件的支承骨架；设有冷却水套、润滑油道和其他孔道。工作条件受力复杂，受气体爆发压力、螺栓预紧力、往复惯性力、旋转惯性力、倾倒力矩作用。要求强度、刚度大，结构紧凑。,气缸体,材料（1）一般用优质灰铸铁；（2）整体气缸的机体，可在铸铁中加少量合金元素；（3）某些高速转型汽油机，用铝合金铸造；工艺铸造或铸焊结合。,分类（1）龙门式刚度大，柴油机中广泛采用；（2）隧道式刚度大，结构复杂，笨重，适用小型单、双缸发动机中。（3）一般式质量轻，刚度差，适用于转型车用汽油机。（4）单体气缸气缸体与曲轴箱分开制造，适用于风冷式内燃机。,,其他要点主轴承盖也需刚度、强度大，其断面形状为“I”、“T”形，并有加强筋。,（二）气缸与气缸套,功用气缸内壁与活塞顶、气缸盖底面共同形成燃烧室。工作条件机械应力大，热应力大，摩擦严重。要求强度大，耐磨性好。材料广泛采用高磷铸铁，耐磨性好，成本低；另外还有用含硼铸铁、铌合金铸铁。工艺内表面用表面深硬，镀铬、氮化、喷镀等。外表面用镀镉、镀锌、镀铬等。,分类1.直接在机体上镗孔，适用于负荷轻缸径小的汽油机。用气缸套，适用于柴油机和强化程度高的汽油机。2.a、干式外表面不与冷却水直接接触。优点刚度好，冷却水密封好。缺点散热较差，加工面大，成本高，拆装困难。适用汽油机b、湿式外表面直接与冷却水接触。优点散热好，拆装方便，机体铸造容易。缺点刚底差，密封差。适用柴油机,结构（湿式）（1）圆环带5，径向定位及密封。（2）凸缘6，轴向定位。（3）下凸出环带装有1-3个封水圈。（4）切口，避免与连杆相碰。,二、气缸盖P.31-33,功用封闭气缸上部，与气缸上部及活塞顶构成燃烧室；安装配气机构、点火泵、供给泵另部件；布置进、排气道、水冷水套；柴油机，布置有涡流室或预燃室，汽油机布置燃烧室。工作条件热应力、机械应力大。要求强度、刚度大，导热性好，耐热。材料（1）优质灰铸铁，常用；（2）合金铸铁、球墨铸铁，大型或强化柴油机；（3）铝合金，部分汽油机和有特殊要求的柴油机，导热性好，刚度低。,工艺铸造。分类（结构型式）1、整体缸盖汽油机优点零件少，结构紧凑；缺点刚度差，易变形，维修不经济。2、单体缸盖大型或强化柴油机优点刚度大，变形小，密封好，经济性好缺点零件多，总质量及长度增加。3、块状缸盖载重汽车、工程机械柴油机上。结构其他要点气缸盖螺栓的拧紧1、按一定顺序以规定扭矩拧紧；2、冷车拧紧后，热机后再拧紧一次。3、螺栓一般用中碳钢、合金钢制造，调质处理。,三、气缸垫,功用密封气、水、油。要求耐热、耐压、密封强性。条件温度高，压力大材料1、金属石棉缸垫，常用；2、塑性金属，强化或增压柴油机上结构轮廓同缸盖，孔处镶边增强。,四、油底壳（下曲轴箱）,功用贮油、密封曲轴箱。材料薄钢板、铸铁、铝合金。结构散热片、稳油板、放油塞、底面呈斜面。,五、发动机的支承P.33,1、固定支承固定式发动机刚性固定在基座上。2、弹性支承通过气缸体、飞轮壳、变速器壳弹性支承在车架上。有三点支承、四点支承两种形式。,第二节活塞连杆组,包括P.34活塞、活塞环、活塞销、连杆,一、活塞P.34-38,功用承受燃气压力，并将力传给曲轴。工作条件高湿，高压，热负荷大，高速运动，润滑条件差。要求强度，刚度，耐热性好，质量小，耐磨性好。材料1、铸铁耐磨，强度高，热膨胀系数小，成本低；质量大，导热性差。2、铝合金质量小，导热性好，利于采用较高转速和压缩比；但热膨胀系数大。,工艺1、主体铸造；2、提高铝合金活塞耐磨性的方法热处理、镀锡、喷涂石墨、表面阳板氧化处理。3、克服铝合金热膨胀系数大的措施a.上小下大；b.裙部制成椭圆形；c.裙部切槽（汽油机）；d.镶铸膨胀系数小的钢片。分类整体铝合金、整体铸铁、钢顶铝裙,结构分为顶部、头部、裙部、销座1、顶部是构成燃烧室的一部分，形状与发动机有关，活塞顶内壁可能有喷油机构和加强筋。a、平顶，汽油；制造简单，受热面积小。b、凸顶，二冲程汽油机，排气好。c、特殊形状，柴油机，部分汽油机。2、头部头部壁较厚，上切有环槽，上为气环槽，下为油环槽，油环槽底面钻有回油孔。另还可能有隔热槽在第一道环槽上方，用于汽油机；环槽护圈耐热耐磨，高速柴油机。积炭槽吸附润滑油，防止咬合。,3、销座用以安装活塞销，销座部分较厚，有加强筋。4、裙部头部最低一道环槽以下的部分，用以导向和传递侧向力。其他要点裙部变形的原因受Pg、PN及热膨胀应力的作用。,二、活塞环,功用1、气环密封、传热；2、油环刮除多余润滑油，使油膜均匀分布，避免或减弱泵油作用和积炭。工作条件高温、高速、润滑差，磨损严重。要求有一定弹力，端面平滑，机械强度、耐磨性、工艺性好，对气缸壁磨损小。,材料优质灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁、钢（第一道环）工艺气环的表面处理第一道气环，多孔性铬层，钼层第二、三道气环，有时多孔性铬层，镀锡、磷化处理。,结构1、气环的断面形状a、矩形易于制造，应用广泛，磨合性较差。b、锥面环磨合较快，有刮油作用；磨损快、寿命短。c、扭曲环易于磨合，有刮油作用，增加密封性，防止环上下窜动而造成泵油和磨损。d、梯形环能将环槽中的积炭挤碎，防止活塞环结焦卡住。用于热负荷较大的发动机。e、桶形环易于磨合，润滑性好，密封性好，用于强化发动机。,2、油环基本结构与矩形断面气环相似，但中间有凹槽，槽底部有排油小孔或狭缝。结构型式（1）普通油环有倒角油环，鼻形油环，合装油环等，以提高刮油能力。（2）钢片组合油环由片簧、衬簧组成，能避免弹力减弱。（3）涨圈油环弹力好，制造安装方便。,装配端隙0.2～0.6mm（汽）0.4～0.8mm（柴）侧隙0.04～0.08mm（汽）0.08～0.16mm（柴）各环开口处错开角度,其他要点1、封气原理a.外圆表面靠本身弹力和活塞套背压贴合；b.上、下端面靠往复运动贴合；c.开口位置相错开，使气体压力迅速下降；2、泵油作用a.活塞向下，环紧压上端面，润滑油进入环下面和背面间隙；b.活塞向上，环又压向下端面，润滑油被挤压向上。,三、活塞销P.41-42,功用连接活塞与连杆，承受并传递气体压力和活塞往复惯性力。工作条件高温，周期性冲击负荷大，润滑条件差，轴承面比压大，高速运动。要求强度高，外表面硬度高，耐摩，内部韧性强，质量小。材料20号钢或合金钢工艺冷挤压成型，外表面渗碳或氮化处理后，再精磨。结构空心圆柱体。装配采用浮式安装；轴向由挡圈限位。,四、连杆P.42-43,功用连接活塞与曲轴，传递力和运动。工作条件复杂的交变应力和复杂运动。要求强度、刚度足够，疲劳强度高，质量轻。材料及工艺a.中碳钢、合金钢，调质、高温形变、表面喷丸、光整加工。b.球墨铸铁，小功率柴油机。c.硼钢，锻造，淬硬。,结构连杆小头、杆身、连杆大头、连杆螺栓。,连杆小头用于安装活塞销，小头轴承材料有锡青铜（常用），铝青铜（强化发动机用）、钢背减摩合金，铁基粉末冶金衬套。润滑方式飞溅、压力。形状斜面形，承载能力强，重量轻。,连杆杆身形状断面呈“I”字形特点质量小，强度、刚度大，杆身向大小头过渡处采用较大圆弧，避免应力集中。,连杆大头一般做成可分的，两个半部用连杆螺栓连接。少数做成整体。剖分形式（1）平切口剖分面垂直杆身中心线。刚度大，加工容易，连杆螺栓不受剪切作用，用于高速内燃机。曲柄销直径受限制。（2）斜切口部分面与杆身中心线呈一定角度。可以增大曲柄销直径，提高曲轴刚度，增大摩擦接触面积；V型发动机的曲轴箱外形可更紧凑。常用定位措施止口，销套，锯齿。装配注意事项连杆和连杆盖配对加工，正反面不能反。,连杆螺栓受交变惯性力作用，材料、工艺要求高。材料采用中碳合金钢；工艺上采用精加工、调质、磁力探伤等措施。需按规定扭矩拧紧，并有防松措施。,（三）连杆轴承,工作条件交变冲击力大，工作面滑动速度高，易发热和磨损。要求机械强度高，耐腐蚀性，耐热性，减摩性好。分类（1）轴瓦；（2）滚动轴承；（3）不另装轴承。,轴瓦构造P.44分开式薄壁圆环，由“钢背减摩合金（表层）”构成。内表面有周向浅槽（纵向油槽）、（油孔），外表面有凸缝。,材料减摩合金材料a.锡基白合金减摩性好，耐腐蚀，疲劳强度低。广泛用于汽油机。b.铜铅合金（或铅青铜合金）疲劳强度高，承载能力大，耐磨性好，减摩性较差，不耐腐蚀，成本较高。常用于柴油机。c.铝基合金疲劳强度高，减摩性较好，耐腐蚀性好，成本低。表层材料铅锡合金，可有效改善减摩合金表面性能（磨合性、顺应性、抗咬合性、耐腐蚀性）。,装配轴瓦制造精度高，具互换性，不需手工加工。装配时有适当油膜间隙，且保持干净。,第三节曲轴飞轮组P.45-48,功用传递力矩和运动。工作条件承受弯曲，扭转，剪切，拉压等复杂交变应力；扭振、弯曲振动引起的附加应力；轴承副承受高比压。要求强度、刚度大，轴颈承压面大，耐磨性好，避免应力集中，扭振小，输出扭矩均匀。材料优质中碳钢、合金钢、硼钢、球墨铸铁。工艺表面高频淬火，精磨，抛光，圆角滚压强化，圆角表面淬火。,结构组成主轴颈、曲柄销、曲柄臂、自由端、功率输出端、平衡块。分类（1）按主轴承支承分a、全支承b、非全支承（2）按结构型式分a、整体b、组合式,曲柄销功用与连杆大头配合个数直列等于气缸数，V型等于气缸数的一半。结构中空。主轴颈功用支承主轴承，分为滑动轴承，滚动轴承。主轴承结构材料与连杆轴承类似，一般轴出端轴颈与中间主轴颈较长。曲柄臂功用连接曲柄销和主轴颈，加工有油道。,平衡块功用平衡不平衡惯性力和力矩，减小主轴承负荷。曲轴自由端功用安装正时齿轮、皮带轮、起动爪，扭振减振器，轴向止推片等。曲轴功率输出端功用安装飞轮、挡油圈、回油螺纹等。油封装置功用防止润滑油漏出曲轴箱。材料毛毡、硅橡胶、聚脂橡胶、取胜四氟乙烯等。,（三）曲轴轴向定位目的保证曲柄连杆机构的正确位置，保证正时。位置输出端，中央立轴承，自由端。轴向游隙0.10～0.50mm。,飞轮功用贮存功能，便于起动，运行平稳，改善扭振性能。材料铸铁。结构圆盘状，质量主要分面在轮缘上。要点（1）要进行动平衡；（2）有上止点标记。,内燃机动力学,内燃机动力学方面主要了解5个内容1、内燃机发火次序的确定；2、曲柄连杆机构运动分析；3、曲柄连杆机构受力分析；4、内燃机的平衡；5、内燃机轴系的扭振,1.曲轴的形状和内燃机发火次序的确定P.48-50,发火次序以第1缸为基准的各气缸作功行程发生的顺序。为满足发动机工作平衡性和动力学性能的要求，曲轴的形状与冲程数，气缸数、气缸排列方式等许多因素有关，在设计时应考虑。本节主要讨论已知曲轴形状推知可能的发火次序，确定最佳发火次序，掌握常见发动机的发火次序。曲柄图从自由端观察的曲轴结构示意图。确定发火次序的基本原则1发火间隔角均匀（确定所有可能的发火次序）；发火间隔角式中i为缸数2避免相邻两缸连续发火（确定最佳发火次序）。,,,,例直列六缸机可能发火次序1－5－3－6－2－4－11－2－3－6－5－4－11－5－4－6－2－3－11－2－4－6－5－3－1,,最佳发火次序1－5－3－6－2－4－1,2、曲柄连杆机构运动分析,内容讨论活塞、连杆、曲轴随曲轴转角的运动规律。总的结论上述另件任一点的位移、速度、加速度都可以求出。,（1）活塞,,,,,,,,,,x、v、j也可用曲线表示；,（2）曲轴一般设ωC。ω的精确值，可由扭振计算得出。（3）连杆连杆小头中心运动规律与活塞相同，又可求出杆身绕小头中心摆动的运动规律故连杆上任一点的运动规律都可求出。,,3、曲柄连杆机构受力分析,作用在曲柄连杆机构上的力a.气体力（已知）b.惯性力（已知）c.重力（忽略不计）d.反作用力矩（待求）e.支承反力（待求）,（1）气体力可由测试、热计算、类比法得到。（2）惯性力往复惯性力Pj-mpmcaj-mjj-mjrω2cosα-mjrω2λcos2αPjIPjII离心惯性力Prmdmcbrω2mrrω2,,（3）连杆受力分析,总力PPgPjPg-mpj-mcaj以连杆为分离体小头Pg，-mpj，PN大头切向力T，法向力Z。惯性力mcaj、mcbrω2可列三个平衡方程ΣFx0，Pg-mpj-mcaj-zmcbrω2cosα-Tsinα0ΣFy0，PNzmcbrω2sinα-Tcosα0ΣMo0，Tr-PNh0,解方程，得,,,,PN、T、Z也可用曲线描述,,（4）曲柄受力分析通过建立平衡方程，同样可求出,,,（5）机体受力分析,同样可求出机体受的力（也即内燃机传给基础的力）为1Pj2Pr3Mc-TtgP.55,4、内燃机的平衡,一、基本概念a、振动三要素b、产生振动的条件内因系统是弹性系统（单质量6自由度）外因有外力（矩）作用在系统上。c、减小振动的方法隔振设计ω0b，以减小往复惯性力。（2）短臂端装有调整螺钉、锁紧螺母。（3）长臂末端为圆柱面。（4）摇臂中心孔压有青铜衬套。润滑摇臂轴→摇臂衬套→摇臂两端的摩擦面。,配气定时P.76-77,为进气充分排气干净，进、排气门都提前开启，迟后关闭。进气过程进气提前角，进气迟后角。排气过程排气提前角，排气迟后角。气门重叠角进气提前角排气迟后角,一、气门间隙P.77定义气门与气门传动组摇臂（挺柱）间的间隙，分为热、冷间隙，0.20-0.35mm。作用补偿热膨胀。要求间隙适当。（1）气门间隙过大，气门开启滞后，开启高度减少，延续时间减少；撞击、磨损、噪声增大。（2）过小，气门关闭不严。,第三节气门间隙的调整,调整方法当挺柱与凸轮背接触时，转动调整螺钉调至适当间隙，再用锁紧螺母拧紧。P.78,第六章柴油机的供给系,功用供给空气和燃油，排出燃烧后的废气。组成燃油系统、进气系统、排气系统燃油系统柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、高压油管、喷油器、调速器。进气系统空气滤清器、（进气消声器）、进气管。排气系统排气管、排气消声器。,,,第一节喷油器,功用将燃油雾化、分布到燃烧室中，形成可燃混合气。要求喷射压力、射程、喷雾锥角准确，雾化良好，停油迅速。分类孔式、轴针式。,一、孔式喷油器用途直喷式柴油机。主要结构针阀、针阀体、挺杆、调压弹簧、调压螺钉、喷油器体。喷油过程,结构要点1,针阀偶件1滑动配合面精度极高，间隙0.0010.0025mm；2承压锥面承受轴向推力；3密封锥面实现密封；4通过研磨保证滑动配合面及密封锥面的配合精度，不能互换；5针阀升程受喷油器体的限制；6喷孔数目与方向决定于燃烧室的特点，一般1-9个，孔径0.20-0.50mm。,结构要点2,调压弹簧和调压螺钉调压螺钉通过改变调压弹簧的压缩量，控制喷射压力。PΔSkx油道、油腔油腔中的高压柴油推动针阀向上回油通道回油通道为滑动配合表间隙→挺杆周围空隙→调压螺钉孔→回油管。缝隙式滤芯对柴油进行精滤。铜锥体实现与气缸盖的密封。,二、轴针式喷油器,用途涡流室、预燃室柴油机。特点1倒圆锥体轴针与喷孔形成圆环状狭缝，喷注为空心的圆锥形成圆柱形。2喷孔直径大（1-3mm），不易积碳。3可采用节流式喷油器或分流式喷油器改善喷油效果。,,,高压油管,功用连接喷油器和喷油泵结构（1）外径3倍内径；（2）管端为60锥面；（3）长度一致。,第二节喷油泵,功用定时、定量、定压向喷油器供给柴油。要求供油开始时间、供油延续时间、供油量、供油压力准确；停油迅速。对于多缸机各缸供油符合发火次序、各缸供油均匀、各缸供油提前角一致、供油延续时间一致。,喷油泵分类,1、柱塞式喷油泵结构简单、可靠、供油量调节精确，用于中小功率高速柴油机。2、泵一喷油器结构紧凑，用于二冲程高速柴油机3、转子式分配泵体积小、重量轻、成本低；工艺复杂、精度要求高，对柴油质量要求高，寿命短，用于小型高速柴油机。,柱塞式喷油泵分类,a、单体式用于单缸机及大缸径柴油机上。b、整体式用于中小功率高速多缸柴油机中。,,,一、柱塞式喷油泵的工作原理,主要结构件柱塞偶件、出油阀偶件、油量调节机构、柱塞弹簧、出油阀弹簧、挺柱、凸轮。,,,柱塞偶件结构1配合间隙严格，0.0015-0.0025mm；2选配后经研磨保证配合精度；3柱塞套两侧开有两个油孔与泵体的低压油腔相通；4柱塞上部有中心孔、径向孔、圆柱表面有斜槽，并相互连通。,工作过程凸轮轴→凸轮工作面→挺柱→柱塞→压缩柱塞上端空腔柴油→出油阀开→柴油经出油口到高压油管→喷油器。凸轮工作面转过，柱塞在弹簧作用下下移→出油阀关闭→低压油经柱塞套油孔进入柱塞上端空腔。,工作原理a柱塞在弹簧作用下向下运动时，柴油经油孔进入柱塞上端空腔；b柱塞在凸轮作用下向上运动时，柱塞顶遮住油孔上边缘前，柴油被压回低压油腔；c柱塞顶遮住油孔至斜槽边缘与油孔下边缘接通前，压缩柴油，推开出油阀，送出高压柴油；d斜槽边缘与油孔下边缘接通接通后，柱塞上面柴油经中心孔、径向孔、斜槽、油孔回到低压油腔。,描述喷油泵工作原理的几个概念,柱塞行程柱塞上下止点间的距离，由凸轮升程决定。供油始点柱塞顶遮住柱塞套油孔的位置。供油终点柱塞斜槽接通柱塞套油孔的位置。柱塞有效行程供油始点到供油终点的距离，即柱塞上边缘遮住柱塞套油孔到柱塞斜槽接通柱塞套油孔的距离，其控制着供油延续时间和供油量。,描述喷油泵工作原理的几个概念,柱塞行程柱塞上下止点间的距离，由凸轮升程决定。供油始点柱塞顶遮住柱塞套油孔的位置。供油终点柱塞斜槽接通柱塞套油孔的位置。柱塞有效行程供油始点到供油终点的距离，即柱塞上边缘遮住柱塞套油孔到柱塞斜槽接通柱塞套油孔的距离，其控制着供油延续时间和供油量。,供油量调节的原理转动柱塞→改变柱塞斜槽与柱塞套油孔的相对位置→改变供油终点→改变柱塞有效行程→调节供油延续时间和供油量。,a、齿条式拉动齿杆→调节齿圈→油量控制套筒→柱塞。特点工作可靠，结构复杂。,油量调节机构1,油量调节机构2,b、拨叉式调节拉杆→调节叉→调节臂→柱塞。特点结构简单，维修调整方便。,二、出油阀的工作原理,功用柴油到达一定压力时进入高压油管，防止高压柴油倒流；迅速降低高压油轴管中的压力。出油阀结构要点1密封带与阀座严密配合，0.4－0.5mm，造配研磨。2尾部导向，通油。3减压环带迅速隔绝与高压油管的油路，使其压力迅速降低，停止供油。4圆柱弹簧定位。5与阀座组成精密偶件，不能互换。,工作原理,出油时，柱塞向上压油→油压升高→出油阀上升→减压环带离开阀座导向孔→高压柴油进入高压油管；停油时，减压环带进入导向孔，高压油管与喷油泵由路断开。减压环带继续下降，增大高压油空间的容积，而油量不增加，喷油器迅速降压，迅速停止喷油。否则，压力将逐步降低，产生滴漏现象。,第三节调速器,定义限制内燃机转速在一定范围内的自动调节装置。影响循环供油量的因素a、主要因素油量调节杆的位置；b、次要因素转速。,一、柱塞式喷油泵的速度特性喷油泵速度特性定义油量调节杆位置不变时，循环供油量随转速变化的关系。规律供油量随转速上升而略有增加；转速很高时，变化逐渐不明显。,原因,a、泄漏影响压力差大、密封长度有限、柱塞与柱塞套的偏心，都会导致一定的燃油泄漏。b、节流作用柱塞上方压油腔单位时间减小的体积ΔV大于燃油从柱塞套油孔流出的体积ΔVf，使压油腔中燃油压力迅速增大；转速↑，节流作用↑，泄漏↓，供油量↑。但节流作用和泄漏有一定极限量，到一定转速，影响不再明显。,二、柴油机装置调速器的必要性,1、保持柴油机工作稳定保持柴油机工作稳定的条件当输出扭矩阻力矩，工作稳定，供油量不变；当输出扭矩阻力矩，转速升高，应减少供油量；当输出扭矩Mk，调速杆杠带动调节杆，减少供油量，控制转速。,功能控制柴油机不超过最高转速；并在怠速时稳定运转。结构特点有两根长度和刚度都不同的弹簧。工作原理飞球旋转引起的对调速杠杆的作用力Fr与弹簧弹性力（Flk和Fhk）的平衡关系控制。,（二）两速式调速器,FlkFhk,Fr,Fr的产生喷油泵凸轮轴→支承盘→飞球→摇臂→滑动盘→调速杠杆。工作特点转速n↑，力Fr↑，作用在调速杠杆上的力↑。控制过程1.怠速操纵杆置于怠速位置，顶块推入一定程度，离心力Fr与低速弹簧弹性力Flk相平衡。当转速n↓，Fr↓，Fr＜Flk，弹簧伸张，调节杆左移，油量↑，转速n↑；当转速n↑，Fr↑，Fr＞Flk，弹簧压缩，调节杆右移，油量↓，转速n↓。故可保证怠速转速的相对稳定。,2.n怠nn标这时FlkFrMk，调节杆左移，供油量减少，转速n↓，直到新的平衡位置。反之，当负荷↑，转速n↓，Mr↓，Mr＜Mk，调节杆右移，供油量增加，转速n↑，直到新的平衡位置。。调节稳定转速的原理操纵杆右移，弹簧力矩Mk↑，大于Mr，调速杆杠右移，供油量↑，转速n↑，Mr↑，直到调速杆杠的力矩Mr与弹簧力矩Mk平衡；反之亦然。,五、调速器的性能指标调速率不灵敏度,（一）调速率机械调速器不能实现恒速工作，当负载减小，转速会略有升高；反之则减小。调速率是描述这种波动的一个指标。实际中，根据标定工况的突变负荷试验求稳定调速率和瞬时调速率。,稳定调速率n1突变负荷前的转速；n3突变负荷后的稳定转速；neb柴油机的标定转速。工机用柴油机8-12；汽车用柴油机≤10瞬时调速率n2突变负荷后的最大转速；一般要求≤12。,,,（二）不灵敏度,反映摩擦阻力对调速器工作的影响。当转速升高时，离心力产生的推力要大于弹力和静摩擦力之和后，调速器才工作（n3′）；反之，当转速下降时，弹力要大于离心推力和摩擦力之和，调速器才工作（n1′）。n3′负荷减小时，调速器开始起作用时的曲轴转速；n1′负荷增大时，调速器开始起作用时的曲轴转速；nm平均转速。不灵敏度↑，转速不稳，调速率↑,,第四节喷油提前角调节装置,调节喷油提前角的作用喷油提前角对燃烧过程有很大影响，在柴油机工作过程中，应尽量使其具有最佳喷油提前角。实现方法改变喷油泵凸轮轴与柴油机曲轴间的相对角位置→改变喷油泵供油提前角→喷油提前角。喷油泵联轴器结构原理主要结构有驱动齿轮轴、驱动凸缘盘、喷油泵凸轮轴、从动凸缘盘等。驱动凸缘盘安装孔为弧形长孔，故可改变两凸缘盘间的相对角位置，从而改变喷油泵供油提前角和喷油提前角。,离心式供油提前角自动调节器,离心式供油提前角自动调节器的作用喷油泵联轴器是按标定工况来调节最佳喷油提前角，但在其它工况不是最有利。转速不同，最佳喷油提前角也不同，希望喷油提前角能随转速自动调节。结构主要结构有壳体、飞块座架、飞块、弹簧，为内腔充满润滑油的密闭体。位于在喷油泵和联轴器之间，壳体由柴油机直接驱动，飞块架通过键与喷油泵凸轮轴相联。原理转速n↑，飞块向外移动，迫使飞块座架相对于驱动壳体转动，供油提前角↑。转速n↓，飞轮座架反方向转动，供油提前角↓。,第五节进、排气及辅助装置,一、进、排气装置包括空气滤清器，进、排气管，进、排气道，排气消声器。,（一）空气滤清器,工程机械用柴油机一般采用两级空气滤清器。第一级利用惯性阻挡大颗粒尘粒；第二级利用纸质滤清。旋流纸质空气滤清器结构、原理主要由旋流粗滤器、纸质主精滤芯、安全滤芯组成。,空气,旋流粗滤器,安全滤芯,集尘器,纸质主精滤芯,引射管,,,,尘粒,,,,,清洁空气,尘粒,（二）进、排气管和消声器,功用将新鲜空气送到各个气缸；导出各缸废气；消除排放噪声。构造特点（1）进、排气管可分别铸造，也可铸成整体。（2）安装在气缸盖（体）上，用石棉衬垫防漏气。（3）应具有较小的流通阻力。（4）进、排气管一般分置两侧；（5）用消声器减小排气噪声、消除火星。（6）消声器出口喉管处装有排气引射管。,二、辅助装置,包括柴油滤清器输油泵柴油箱,（一）柴油滤清器,功用、结构基本同汽油滤清器，但滤清程度更高。,（二）输油泵,功用保证柴油在低压油路内循环，连续不断地供应足够数量及一定压力的柴油给喷油泵。分类活塞式、齿轮式、转子式、叶片式活塞式输油泵的优点结构简单、可靠，应用广泛。,工作原理活塞在凸轮和弹簧作用下作往复运动。凸轮凸起部分离开滚轮时，弹簧推动活塞向下，活塞上方压力下降→进油阀开，止回阀关，活塞上部进油；活塞下部压力升高→经出油口出油。凸轮凸起部分转向滚轮时，推杆推动活塞向上，活塞上部压力升高→进油阀关；活塞下部压力下降，止回阀开→柴油从活塞上部进入下部。,（三）柴油箱,结构与汽油箱相似。,第五章汽油机的供给系,第一节组成功用供给空气和燃油，形成可燃混合气；排出燃烧后的废气。组成油箱、油量表、汽油滤清器、汽油泵、化油器（喷油器）、空气滤清器、进气管、排气管、排气消声