《工程概论》期末作业
内燃机功能剖析
班级：建环1班
学号：20111360
姓名：卢润阳
2012/5/30
1、内燃机概述
1.1 内燃机的发展概况
最早的内燃机——煤气机
最早出现的内燃机是以煤气为燃料的煤气机。1860年，法国发明家莱诺制成了第一台实用内燃机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机，输出功率为0.74—1.47KW ，转速为100r/min，热效率为4%）。法国工程师德罗沙认识到，要想尽可能提高内燃机的热效率，就必须使单位气缸容积的冷却面积尽量减小，膨胀时活塞的速率尽量快，膨胀的范围（冲程）尽量长。在此基础上，他在1862年提出了著名的等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。
汽油机的出现
第一阶段是本世纪最初二十年，为适应交通运输的要求，以提高功率和比功率为主。
第二阶段时间在20年代，主要解决汽油机的爆震燃烧问题。
第三阶段是从20年代后期到40年代早期，主要是在汽油机上装备增压器。
第四阶段从50年代至今，汽油机技术在原理重大变革之前发展已近极致。
柴油机——内燃机家族的另一个明星
1.2内燃机的工作原理
燃料在机器内部燃烧做功的机器，燃料在燃烧过程中不直接与空气接触。燃料燃烧产生热能驱动内燃机工作。
2、内燃机的组成机构
2.1内燃机运动原理
往复活塞式内燃机主要由气缸、活塞、气缸盖、曲柄连杆机构、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等组成。气缸是一个圆筒形金属机件。密封气缸是实现工作循环，产生动力的源地。燃油通过喷油系统喷入气缸中的密封空间，在高温高压下自行着火燃烧，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转动，并由曲轴从飞轮端将动力输出。内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀对外做功、排气等过程组成。按实现一个工作循环的行程数，工作循环分为四冲程和二冲程两类。与其他热力发动机相比 ， 往复活塞式内燃机热效率高 （ 柴油机0.40～0.46 ，汽油机 0.30 ，汽轮机 0.35 ，蒸汽机 0.09～0.16，燃气轮机0.30），功率范围大（0.6～40000千瓦），转速范围宽（90～6000转／分，甚至达10000转／分），配套方便，成本较低，已成为现代动力机械中的重要组成部分，并仍在不断地发展。
旋转活塞式内燃机是燃烧室内产生的高温高压燃气推动活塞旋转以产生动力的内燃机。由旋转活塞 、主轴 、气缸、内齿大齿圈、外齿小齿轮等组成。发动机运转时，外齿的小齿轮不动，活塞上的内齿大齿轮绕外齿小齿轮啮合旋转作行星运动。旋转活塞绕偏心轴颈的
轴线自转，偏心轴颈又绕主轴轴线公转。动力由主轴输出。活塞在气缸内旋转一周，火花塞发火3次，即完成3个循环。
自由活塞式内燃机是对外不直接输出机械功，仅提供压缩空气或一定压力、温度的工作气体的内燃机。除有动力气缸外，还带有空气压缩机和气垫缸。动力活塞与压缩机活塞做成一体，构成活塞组。动力气缸与压缩机之间动力的传递靠活塞组完成。活塞组运动的转点是内、外止点位置都可以改变，由同步机构保持左、右活塞组对称运动。
2.2内燃机运动传递图
2.3 内燃机包含的基本机构
2.3.1 曲柄滑块机构
一般都认为曲柄滑块机构具有上止点与下止点两个止点位置，其实这种说法不完整。曲柄滑块机构除了有固定不动的机架还有能在机架上作360°回转的曲柄、能在机架上作往复直线运动的滑块和连接曲柄与滑块的连杆这四个构件（又称四杆）组成。所以曲柄滑块机构是四杆
机构种的一种。曲柄滑块机构中的曲柄与机架是铰链连接，滑块与机架是面接触（内燃机中是圆柱面接触），它们都是连架杆。
当连架杆曲柄为主动构件且曲柄转动到与连杆处于同一直线位置时从动构件滑块存在两个极限位置，这时滑块的速度为零，运动方向在此点改变；当连架杆滑块为主动构件且滑块运动到离曲柄转动轴心最远或最近位置时，曲柄与连杆也分别处于同一直线位置，这时滑块的两个位置称上止点或下止点位置，在这两个位置上活塞是无法带动从动杆曲柄转动的。
简单地说：曲柄主动时滑块出现极限位置；滑块主动时机构出现止点。以单缸内燃机为例：当内燃机在进气、压缩和排气行程时曲柄是主动构件，机构不存在死点现象；当内燃机在工作行程时活塞（滑块）是主动构件。
活塞处于上止点时活塞顶上接受的可燃气体爆炸压力通过连杆作用在曲柄上，力作用线与曲柄销的速度方向成90°夹角，这时可燃气体爆炸所作的功：W=FPVcosα；W90°=FPVcos90°=0。由此可见活塞在上止点时接受可燃气体最大爆炸压力并不是好事。
既浪费燃料又加剧零部件磨损，从内燃机的示功图上可以看出活塞过了上止点后接受可燃气体最大爆炸压力才比较理想。所以内燃
机总是在上止点前开始供油或点火让混合气开始燃烧，当活塞过了上止点而混合气燃烧又最强烈，产生最大的气体压力推动活塞向下运动这时效果最好。
内燃机很强调喷油提前角或点火提前角这一参数就是这个道理。
2.3.2 齿轮机构
内燃机中有一个齿轮组，其主要是实现发动机与飞轮的连接以及能量传递。发动机通过四冲程作用产生动力，推动齿轮组运动，齿轮组带动飞轮运动，飞轮与外部连接，传送能量。
2.3.3 凸轮机构
由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有 盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹 簧或施加重力。具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠。
3、内燃机的设计及分析
3.1 内燃机的设计流程
对于大批量生产的内燃机大题分为以下4个阶段。
1. 方案调查和拟定技术任务书
2. 样机总体方案设计和先期研究阶段
3. 样机施工设计试制和实验阶段
4. 鉴定和投产阶段
具体的说内燃机的总体设计：
1. 内燃机的选型
2. 外形尺寸粗略估算
3. 初步的总体布置
4. 完成热力动力计算及主要系统的草图
5. 各主要零件及辅助系统的初步设计
6. 修正方案
3.2内燃机的性能分析
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。
4、内燃机与同类机械的比较
蒸汽机
蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。
简单蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成，汽缸和底座是静止部分。从锅炉来的新蒸汽，经主汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧，推动活塞运动。
蒸汽机在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。 蒸汽机的弱点是：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。
内燃机
内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。 内燃机以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便的优点著称于世。
广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。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。
气轮机
气轮机严格上分为“气轮机”和“汽轮机”。主要由燃烧室（或锅炉）、喷嘴、气轮（或汽轮）组成。高温高压的燃气或蒸汽通过喷嘴作用在气轮（或汽轮）的叶片上，使叶片旋转输出能量做功。现在火力发电厂大都是汽轮机，一些大型油轮上也用汽轮机做主推进装置。一般以天然气为燃料的发电厂使用的是燃气轮机。
喷气式发动机：利用发动机本身高速喷射的燃气流所产生的反作用力做功的，燃料燃烧产生的高温燃气通过喷管时, 在其中绝热膨胀而高速喷出，常见的超音速飞机和火箭发动机都是喷气式发动机。
《工程概论》期末作业
内燃机功能剖析
班级：建环1班
学号：20111360
姓名：卢润阳
2012/5/30
1、内燃机概述
1.1 内燃机的发展概况
最早的内燃机——煤气机
最早出现的内燃机是以煤气为燃料的煤气机。1860年，法国发明家莱诺制成了第一台实用内燃机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机，输出功率为0.74—1.47KW ，转速为100r/min，热效率为4%）。法国工程师德罗沙认识到，要想尽可能提高内燃机的热效率，就必须使单位气缸容积的冷却面积尽量减小，膨胀时活塞的速率尽量快，膨胀的范围（冲程）尽量长。在此基础上，他在1862年提出了著名的等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。
汽油机的出现
第一阶段是本世纪最初二十年，为适应交通运输的要求，以提高功率和比功率为主。
第二阶段时间在20年代，主要解决汽油机的爆震燃烧问题。
第三阶段是从20年代后期到40年代早期，主要是在汽油机上装备增压器。
第四阶段从50年代至今，汽油机技术在原理重大变革之前发展已近极致。
柴油机——内燃机家族的另一个明星
1.2内燃机的工作原理
燃料在机器内部燃烧做功的机器，燃料在燃烧过程中不直接与空气接触。燃料燃烧产生热能驱动内燃机工作。
2、内燃机的组成机构
2.1内燃机运动原理
往复活塞式内燃机主要由气缸、活塞、气缸盖、曲柄连杆机构、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等组成。气缸是一个圆筒形金属机件。密封气缸是实现工作循环，产生动力的源地。燃油通过喷油系统喷入气缸中的密封空间，在高温高压下自行着火燃烧，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转动，并由曲轴从飞轮端将动力输出。内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀对外做功、排气等过程组成。按实现一个工作循环的行程数，工作循环分为四冲程和二冲程两类。与其他热力发动机相比 ， 往复活塞式内燃机热效率高 （ 柴油机0.40～0.46 ，汽油机 0.30 ，汽轮机 0.35 ，蒸汽机 0.09～0.16，燃气轮机0.30），功率范围大（0.6～40000千瓦），转速范围宽（90～6000转／分，甚至达10000转／分），配套方便，成本较低，已成为现代动力机械中的重要组成部分，并仍在不断地发展。
旋转活塞式内燃机是燃烧室内产生的高温高压燃气推动活塞旋转以产生动力的内燃机。由旋转活塞 、主轴 、气缸、内齿大齿圈、外齿小齿轮等组成。发动机运转时，外齿的小齿轮不动，活塞上的内齿大齿轮绕外齿小齿轮啮合旋转作行星运动。旋转活塞绕偏心轴颈的
轴线自转，偏心轴颈又绕主轴轴线公转。动力由主轴输出。活塞在气缸内旋转一周，火花塞发火3次，即完成3个循环。
自由活塞式内燃机是对外不直接输出机械功，仅提供压缩空气或一定压力、温度的工作气体的内燃机。除有动力气缸外，还带有空气压缩机和气垫缸。动力活塞与压缩机活塞做成一体，构成活塞组。动力气缸与压缩机之间动力的传递靠活塞组完成。活塞组运动的转点是内、外止点位置都可以改变，由同步机构保持左、右活塞组对称运动。
2.2内燃机运动传递图
2.3 内燃机包含的基本机构
2.3.1 曲柄滑块机构
一般都认为曲柄滑块机构具有上止点与下止点两个止点位置，其实这种说法不完整。曲柄滑块机构除了有固定不动的机架还有能在机架上作360°回转的曲柄、能在机架上作往复直线运动的滑块和连接曲柄与滑块的连杆这四个构件（又称四杆）组成。所以曲柄滑块机构是四杆
机构种的一种。曲柄滑块机构中的曲柄与机架是铰链连接，滑块与机架是面接触（内燃机中是圆柱面接触），它们都是连架杆。
当连架杆曲柄为主动构件且曲柄转动到与连杆处于同一直线位置时从动构件滑块存在两个极限位置，这时滑块的速度为零，运动方向在此点改变；当连架杆滑块为主动构件且滑块运动到离曲柄转动轴心最远或最近位置时，曲柄与连杆也分别处于同一直线位置，这时滑块的两个位置称上止点或下止点位置，在这两个位置上活塞是无法带动从动杆曲柄转动的。
简单地说：曲柄主动时滑块出现极限位置；滑块主动时机构出现止点。以单缸内燃机为例：当内燃机在进气、压缩和排气行程时曲柄是主动构件，机构不存在死点现象；当内燃机在工作行程时活塞（滑块）是主动构件。
活塞处于上止点时活塞顶上接受的可燃气体爆炸压力通过连杆作用在曲柄上，力作用线与曲柄销的速度方向成90°夹角，这时可燃气体爆炸所作的功：W=FPVcosα；W90°=FPVcos90°=0。由此可见活塞在上止点时接受可燃气体最大爆炸压力并不是好事。
既浪费燃料又加剧零部件磨损，从内燃机的示功图上可以看出活塞过了上止点后接受可燃气体最大爆炸压力才比较理想。所以内燃
机总是在上止点前开始供油或点火让混合气开始燃烧，当活塞过了上止点而混合气燃烧又最强烈，产生最大的气体压力推动活塞向下运动这时效果最好。
内燃机很强调喷油提前角或点火提前角这一参数就是这个道理。
2.3.2 齿轮机构
内燃机中有一个齿轮组，其主要是实现发动机与飞轮的连接以及能量传递。发动机通过四冲程作用产生动力，推动齿轮组运动，齿轮组带动飞轮运动，飞轮与外部连接，传送能量。
2.3.3 凸轮机构
由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有 盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹 簧或施加重力。具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠。
3、内燃机的设计及分析
3.1 内燃机的设计流程
对于大批量生产的内燃机大题分为以下4个阶段。
1. 方案调查和拟定技术任务书
2. 样机总体方案设计和先期研究阶段
3. 样机施工设计试制和实验阶段
4. 鉴定和投产阶段
具体的说内燃机的总体设计：
1. 内燃机的选型
2. 外形尺寸粗略估算
3. 初步的总体布置
4. 完成热力动力计算及主要系统的草图
5. 各主要零件及辅助系统的初步设计
6. 修正方案
3.2内燃机的性能分析
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。
4、内燃机与同类机械的比较
蒸汽机
蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。
简单蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成，汽缸和底座是静止部分。从锅炉来的新蒸汽，经主汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧，推动活塞运动。
蒸汽机在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。 蒸汽机的弱点是：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。
内燃机
内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。 内燃机以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便的优点著称于世。
广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。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。
气轮机
气轮机严格上分为“气轮机”和“汽轮机”。主要由燃烧室（或锅炉）、喷嘴、气轮（或汽轮）组成。高温高压的燃气或蒸汽通过喷嘴作用在气轮（或汽轮）的叶片上，使叶片旋转输出能量做功。现在火力发电厂大都是汽轮机，一些大型油轮上也用汽轮机做主推进装置。一般以天然气为燃料的发电厂使用的是燃气轮机。
喷气式发动机：利用发动机本身高速喷射的燃气流所产生的反作用力做功的，燃料燃烧产生的高温燃气通过喷管时, 在其中绝热膨胀而高速喷出，常见的超音速飞机和火箭发动机都是喷气式发动机。