《工程概论》期末作业
内燃机功能剖析
班级：建环一班
学号：2014111108
姓名：杨震
2016年 6月 12日
1、内燃机概述
1.1 内燃机的发展概况
1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。之后人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在十九世纪中叶以前均未付诸实用。
1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，制造了第一台实用的煤气机。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机，这台煤气机的热效率为4%左右。
英国的巴尼特曾提倡将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。
1862年，法国科学家罗夏对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出四冲程工作循环的理论。
1876年，德国发明家奥托创制了第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦的四冲程内燃机，它以煤气为燃料，采用火焰点火运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。在这之后奥托内燃机得到推广，性能不断提高。
随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意， 1883年，德国的戴姆勒制造出第一台燃用汽油的立式汽油机，当时，其他内燃机的转速不超过200转/分，它却一跃而达到800转/分，因而机器轻了很多，特别适应交通运输机械。之后，德国人本茨和戴姆勒发明了以汽油机为动力的汽车，汽车的发展又促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小船的动力。
德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将气缸中的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料喷入气缸，使之自燃着火燃烧，于1892年获得压缩点火内燃机的技术专利。
1897年制成了第一台压缩点火的内燃机。最初，狄塞尔力图实现奥托循环，以获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达26％。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界的极大兴趣，也以发明者而命名为狄塞尔发动机。这种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。
在往复活塞式内燃机发展的同时，人们也在研究制造旋转式活塞的内燃机，提出了各种各样的旋转式内燃机的结构方案，但未获成功。1954年，联邦德国工程师汪克尔解决了密封问题，并于1957年研制出三角旋转活塞发动机。它具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内作旋转运动，按奥托循环工作，被称为汪克尔发动机。这种发动机功率高、比质量小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便，但由于燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，加上专利原因，所以只在赛车和军用等较少领域有应用。
1926年瑞士人A.J. 伯玉希第一次设计了带废气涡轮增压器的增压发动机， 50年代后市场上才普及生产增压内燃机，此后增压技术得到了迅速发展和广泛应用。
20世纪50年代发现的汽车排气污染和70年代出现的世界石油危机，促使内燃机技术的研究转向高效节能及开发利用洁净的代用燃料，以汽油机和柴油机为基础，开发了很多以天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油、
二甲醚和氢气等为燃料的代用燃料发动机。
1.2内燃机的工作原理
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。 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。
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。
2、内燃机的组成机构
2.1内燃机运动原理
四冲程内燃机（汽油机）
吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，雾状汽油和空气的混合物（柴油机为空气）进入气缸内。
压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩（机械能转化为内能）
做功冲程：在压缩冲程结束时，火花塞（柴油机为喷油嘴）产生电火花，使燃料猛烈燃烧（柴油机为压燃），产生高温高压气体。高温高压的气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。（内能转化为机械能）
排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出缸外。
2.2内燃机运动传递路线图
2.3 内燃机包含的基本机构
2.3.1 曲柄滑块机构
它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。
2.3.2 齿轮机构
内燃机内部的齿轮机构主要是驱动附属机构，有的可以用带传动代替。在工作中主要负责传递能量和运动。
2.3.3 凸轮机构
内燃机配气机构的一部分，根据各类型发动机，分为上置凸轮轴，下置凸轮轴，凸轮机构主要包括来自曲轴输出的动力传动机构，固定凸轮轴的各滑动轴承，还有凸轮轴驱动的进排气门等，对于柴油机内喷泵体内也有驱动凸轮机构。
3、内燃机的设计及分析
3.1 内燃机的设计流程
3.2内燃机的性能分析
1. 动力性能指标：发出多大功率，功率/扭矩储备多大。
2. 经济性能指标：单位功率单位时间内的燃油消耗量。
3. 可靠性与耐久性指标：大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力。
4. 环保性能指标（NOx 、HC 、CO 、微粒、噪声）：单位功率单位时间内有害物排放量。
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。
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。