内燃机的结构和工作原理

HEATS · 发表于 2010-10-23 18:31:31

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【内燃机的结构】

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　　往复活塞式-内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。

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　　气缸是一个圆筒形金属机件。密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。各个装有气缸套的气缸安装在机体里，它的顶端用气缸盖封闭着。活塞可在气缸套内往复运动，并从气缸下部封闭气缸，从而形成容积作规律变化的密封空间。燃料在此空间内燃烧，产生的燃气动力推动活塞运动。活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作旋转运动，曲轴再从飞轮端将动力输出。由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分。

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　　活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭气缸。上面的几道活塞环称为气环，用来封闭气缸，防止气缸内的气体漏泄，下面的环称为油环，用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入气缸。活塞销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连杆联接起来。连杆大头端分成两半，由连杆螺钉联接起来，它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时，连杆小头端随活塞作往复运动，连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线作旋转运动，连杆大小头间的杆身作复杂的摇摆运动。

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　　曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动，并将膨胀行程所作的功，通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去。飞轮能储存能量，使活塞的其他行程能正常工作，并使曲轴旋转均匀。为了平衡惯性力和减轻内燃机的振动，在曲轴的曲柄上还适当装置平衡质量。

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【内燃机的工作原理】

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　　气缸盖中有进气道和排气道，内装进、排气门。新鲜充量(即空气或空气与燃料的可燃混合气)经空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入气缸。膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管，最后经排气消声器排入大气。进、排气门的开启和关闭是由凸轮轴上的进、排气凸轮，通过挺柱、推杆、摇臂和气门弹簧等传动件分别加以控制的，这一套机件称为内燃机配气机构。通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成进排气系统。

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　　为了向气缸内供入燃料，内燃机均设有供油系统。汽油机通过安装在进气管入口端的化油器将空气与汽油按一定比例(空燃比)混合，然后经进气管供入气缸，由汽油机点火系统控制的电火花定时点燃。柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入燃烧室，在高温高压下自行着火燃烧。

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　　内燃机气缸内的燃料燃烧使活塞、气缸套、气缸盖和气门等零件受热，温度升高。为了保证内燃机正常运转，上述零件必须在许可的温度下工作，不致因过热而损坏，所以必须备有冷却系统。

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　　内燃机不能从停车状态自行转入运转状态，必须由外力转动曲轴，使之起动。这种产生外力的装置称为起动装置。常用的有电起动、压缩空气起动、汽油机起动和人力起动等方式。

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　　内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。

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　　四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。

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　　二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环，此期间曲轴旋转一圈。首先，当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀，推动活塞下行作功；当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出活塞继续下行至下止点，即完成一个工作循环。

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　　内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气的主要作用是尽可能把上一循环的废气排除干净，使本循环供入尽可能多的新鲜充量，以使尽可能多的燃料在气缸内完全燃烧，从而发出更大的功率。换气过程的好坏直接影响内燃机的性能。为此除了降低进、排气系统的流动阻力外，主要是使进、排气门在最适当的时刻开启和关闭。

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　　实际上，进气门是在上止点前即开启，以保证活塞下行时进气门有较大的开度，这样可在进气过程开始时减小流动阻力，减少吸气所消耗的功，同时也可充入较多的新鲜充量。当活塞在进气行程中运行到下止点时，由于气流惯性，新鲜充量仍可继续充入气缸，故使进气门在下止点后延迟关闭。

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　　排气门也在下止点前提前开启，即在膨胀行程后部分即开始排气，这是为了利用气缸内较高的燃气压力，使废气自动流出气缸，从而使活塞从下止点向上止点运动时气缸内气体压力低些，以减少活塞将废气排挤出气缸所消耗的功。排气门在上止点后关闭的目的是利用排气流动的惯性，使气缸内的残余废气排除得更为干净。

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　　内燃机性能主要包括动力性能和经济性能。动力性能是指内燃机发出的功率(扭矩)，表示内燃机在能量转换中量的大小，标志动力性能的参数有扭矩和功率等。经济性能是指发出一定功率时燃料消耗的多少，表示能量转换中质的优劣，标志经济性能的参数有热效率和燃料消耗率。

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　　内燃机未来的发展将着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；减少排气中有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染；采用高增压技术，进一步强化内燃机，提高单机功率；研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制内燃机，使之在最佳工况下运转；加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型内燃机

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　　变气门，变升程，变相位，甚至停掉几个缸的技术，都没能做到在行进中连续变缸径，但有等效的。

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　　这种发动机有一个桶形缸体，桶底后，桶底中间有圆孔。还有一个缸体，好像一根筷子穿过一张厚的圆饼并粘合，筷子就是轴，这个轴也穿过桶形缸体底部的孔，饼形体也纳入桶中，封闭成一个空心圆柱体的缸腔。这个缸腔的容积是可以变化的，比如只要固定桶，用机械装置或者液压装置抽动轴就可以实现。

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　　桶底从圆孔的边到桶的内避割条缝，插入一个矩形板；饼面从圆边到轴割条缝，也插入一块矩形板，两块矩形板可以把缸腔一分为二，成为两个密封缸腔，第一密封缸腔和第二密封缸腔。其中一个密封缸腔从桶壁的矩形板本侧开口，充入高压气体，或充入油气混合物并点燃；第二密封腔从桶壁上与前一开口相隔一个矩形板的位置开口放气。固定桶，矩形板就牵引饼和筷子转动，反过来也行。

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　　第一个密封腔从最小、充气到转过一定相位（转角）就停止供气，可以用阀门或者控制油气供应量来实现。由于高压气体膨胀，装置会继续转动，第一密封缸腔内的气压会降低，直到稍微低于环境气压，这样会产生转动阻力。于是第二个矩形板需要在头部靠近边缘开一个孔，安装单向阀，向内补气。如果当初的气压适当，在第二块矩形板转到第二开口的时候，第一密封缸腔的气压正好等于或接近于环境气压，这是最经济的。第三种情况是还有少量余压。

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　　当两个矩形板快要相遇的时候，需要避让。于是从桶的裙部内圆刻成曲线滑槽，装上滑动块，滑动块与第二块矩形板连接；从轴穿出桶底的一侧套装一个空心圆柱体，外圆面刻曲线滑槽，装上滑动块，与第一块矩形板连接。滑槽由圆和摆线构成，控制矩形板前冲、顶住和抽回。桶底和饼都够厚，所以不会抽脱。第二块矩形板在转动方向上，和饼一块转动；在轴向上，则由桶上的滑槽控制，所以变换容积的时候仍能抵住桶的底部。同样道理，第一块矩形板总是能抵住饼的内表面。

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　　这种装置在一个着力面上沿弧形轨迹，把高压气体的内能转化为动能，是一种动力机械装置。反过来，也可以在机械的带动下反向转动，制取压缩空气，或者作为一个刹车器。做一个容量小的压气装置，制取高压油气，配上点火装置，再做一个容量动力机械装置，将燃烧后大量高温高压气体的内能转化为动能，就是一台发动机。

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　　它做功的轨迹是一段弧，而且可以无级的改变容量，也就意味着可以改变发动机排量。配合油门，可以改变燃烧后气压，灵活改变转速；改变排量，配合变速器，在一定范围内可以适应各种负荷，而且采取上述“最经济的”方式。如果多套矩形板对置使用，可以减轻轴的弯曲；它是连续排气的，因而噪音低；可以多套缸错相联轴，动力平稳。它可以最大限度的减少余压排放，而且在不同负载下都能采取最经济的工况，所以是好用节能技术。

　　作为一类发动机，不同于蒸汽机、活塞发动机和三角转子发动机。叫作“可变容弧缸发动机。”

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