找出内燃机的结构。

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内燃机是动力机的一种,它是通过在机器内燃烧燃料,并将从中释放的热能直接转化为动力的热机。

从广义上讲,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,还包括旋转叶轮燃气轮机和喷气发动机等。,但内燃机通常指活塞式内燃机。

往复式活塞是最常见的活塞式内燃机。活塞式内燃机将燃料与空气混合,在其气缸内燃烧,释放的热能使气缸产生高温高压气体。气体膨胀推动活塞做功,然后通过曲柄连杆机构或其他机构输出机械功,带动被驱动机械做功。

内燃机的发展历史

活塞式内燃机自60年代问世以来,经过不断的改进和发展,已经是一种比较完善的机器。因其热效率高、功率和转速范围大、匹配方便、机动性好而得到广泛应用。世界各地的各种汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站、战车都是以内燃机为动力的。海洋商船、内河船舶和常规船舶,以及一些小型飞机也是由内燃机推进的。内燃机的数量居世界动力机械之首,在人类活动中占有非常重要的地位。

活塞式内燃机起源于火药爆炸获得动力,但由于火药燃烧难以控制,并不成功。1794年,英国人斯特里特(streeter)提出从燃料的燃烧中获取动力,并首次提出燃料与空气混合的概念。1833年,英国人莱特提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设计。

之后人们提出了各种内燃机方案,但直到十九世纪中叶才付诸实施。直到1860年,法国人勒诺伊尔模仿蒸汽机的结构,设计制造了第一台实用的燃气发动机。这是一种无压缩、电点火、点燃煤气的内燃机。Lenoir首先在内燃机中采用了弹性活塞环。这种燃气机的热效率约为4%。

英国的Barnett曾主张在点火前压缩可燃混合气,随后有人撰文论述了压缩可燃混合气的重要作用,并指出压缩可以大大提高lenoir内燃机的效率。1862年,法国科学家罗莎从理论上分析了内燃机的热力过程后,提出了提高内燃机效率的要求,这就是最早的四冲程工作循环。

1876年,德国发明家奥托成功制造出第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2 kW (4.4 HP)四冲程内燃机,仍以气体为燃料,采用火焰点火,转速156.7 rpm,压缩比2.66,热效率14。当时无论是功率还是热效率都是最高的。

奥托内燃机已经普及,性能也在提高。1880年单机功率达到11 ~ 15 kW(15 ~ 20hp),1893年增加到150 kW。随着压缩比的增加,热效率也增加。1886中热效率为15.5%,1897中已达到20 ~ 26%。1881年,英国工程师克拉克成功研制出第一台二冲程燃气发动机,并在巴黎博览会上展出。

随着石油的发展,比气体更容易运输和携带的汽油和柴油受到了人们的关注。首先,易挥发的汽油已经试用过了。1883年,德国戴姆勒公司成功制造了第一台立式汽油发动机,其特点是重量轻、速度快。当时其他内燃机的转速都不超过200转,却跳到了800转,特别适合运输机械的要求。1885 ~ 1886年间,汽油发动机作为汽车动力成功运转,极大地促进了汽车的发展。同时,汽车的发展促进了汽油机的改进和提高。不久,汽油发动机又被用作船的动力。

1892年,德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发,设想将吸入气缸的空气进行高度压缩,使其温度超过燃油的自燃温度,然后用高压空气将燃油吹入气缸,使其点燃。他的第一台压燃式内燃机(柴油机)于1897年研制成功,为内燃机的发展开辟了一条新路。

柴油机开始尝试让内燃机实现卡诺循环,以获得最高的热效率,但实际上却实现了热效率26%的近似等压燃烧。压燃式内燃机的问世引起了世界机械工业的极大兴趣,压燃式内燃机也以发明者的名字命名为柴油机。

这种内燃机将来多以柴油为燃料,所以也叫柴油机。1898年柴油机首次用于固定式发电机组,1903年用作商船动力,1904年安装在船舶上,1913年制成第一台柴油机驱动的内燃机车,1920年左右开始用于汽车和农业机械。

早在往复活塞式内燃机诞生之前,人们就试图制造旋转活塞式内燃机,但都失败了。直到1954年,联邦德国工程师汪克尔解决了密封问题,才在1957年研制出旋转活塞发动机,称为汪克尔发动机。它有一个近似三角形的旋转活塞,在特定轮廓的气缸内旋转,按照奥托循环工作。这种发动机具有功率高、体积小、振动小、运行稳定、结构简单、维修方便等优点。但由于其燃油经济性差,低速扭矩低,排气性能不理想,仅在个别车型上使用。

内燃成分

往复活塞式内燃机的部件主要包括曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统和起动装置。

圆柱体是圆柱形金属部件。密封气缸是实现工作循环和产生动力的源泉。每个带有气缸套的气缸安装在机体内,其顶端用气缸盖封闭。活塞可以在缸套内往复运动,从气缸的下部密封气缸,从而形成一个容积变化规律的密封空间。燃料在这个空间燃烧,产生的气体动力驱动活塞运动。活塞的往复运动通过连杆带动曲轴转动,曲轴从飞轮端输出动力。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件。

活塞组由活塞、活塞环和活塞销组成。活塞是圆柱形的,上面有活塞环,以便在活塞往复运动时密封气缸。上面的活塞环叫气环,用来密封气缸,防止气缸内的气体泄漏。下环称为油环,用于刮掉气缸壁上多余的润滑油,防止润滑油逸入气缸。活塞销为圆柱形,穿入活塞和连杆小头上的销孔,连接活塞和连杆。连杆的大端分为两半,用连杆螺钉连接,与曲轴的曲柄销连接。连杆工作时,连杆的小端随活塞往复运动,连杆的大端随曲柄销绕曲轴轴线转动,连杆大小端之间的杆体做复杂的摆动运动。

曲轴的作用是将活塞的往复运动转化为旋转运动,并将膨胀冲程所做的功通过安装在曲轴后端的飞轮传递出去。飞轮可以储存能量,使活塞的其他冲程正常工作,曲轴匀速转动。为了平衡惯性力,减少内燃机的振动,曲轴的曲柄上也适当地装有一个配重块。

气缸盖上设有进气口和出气口,进气口和出气阀安装在气缸盖内部。新鲜充量(空气或可燃的空气和燃料混合物)通过空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入气缸。膨胀后的气体经过排气阀、排气管、排气管,最后通过排气消声器排入大气。进气门和排气门的开启和关闭由凸轮轴上的进气和排气凸轮通过传动部件如挺杆、推杆、摇臂和气门弹簧来控制。这组零件被称为内燃机的气门机构。通常,进排气系统由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成。

为了将燃料供应到气缸中,内燃机配备有供油系统。汽油机通过安装在进气管进口端的化油器将空气与汽油按一定比例(空燃比)混合,然后通过进气管送入气缸,每隔一定时间由汽油机点火系统控制的火花点燃。柴油机的燃油通过柴油机的燃油喷射系统喷入燃烧室,在高温高压下自燃。

内燃机气缸内燃料的燃烧使活塞、缸套、气缸盖和气门发热,温度升高。为了保证内燃机的正常运转,上述部件必须在允许的温度下工作,不被过热损坏,所以必须配备冷却系统。

内燃机不能自动从停止状态转到运转状态,必须借助外力转动曲轴才能启动。这种产生外力的装置叫做起动装置。常用的方法有电起动、压缩空气起动、汽油机起动和手动起动。

内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧膨胀、排气等过程组成。在这些过程中,只有膨胀过程是对外工作的过程,还需要其他过程来更好地实现工作过程。根据实现一个工作循环的冲程数,工作循环可分为四冲程和二冲程两大类。

四冲程是指在进气、压缩、膨胀、排气四个冲程中完成一个工作循环,期间曲轴旋转两次。在进气冲程中,进气门打开,排气门关闭。流经空气滤清器的空气,或化油器与汽油混合形成的可燃混合气,通过进气管和进气门进入气缸;在压缩冲程中,气缸内的气体被压缩,压力增加,温度升高;膨胀冲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,推动活塞向下做功;在排气冲程中,活塞推动气缸中的废气通过排气阀排出。之后,下一个工作循环将从进气冲程开始。

二冲程是指在两个冲程中完成一个工作循环,在此期间曲轴旋转一周。第一,当活塞处于下止点时,进气口和出气口都打开,新鲜充量从进气口充入气缸,气缸内的废气被扫出,从出气口排出;然后活塞上行,进气口和排气口关闭,气缸内的充量开始被压缩,直到活塞接近上止点,使气缸内的可燃混合气燃烧。然后气缸内的气体膨胀推动活塞向下做功;当活塞向下运动的排气口打开时,废气将从活塞排出,继续向下至下止点,即完成一个工作循环。

内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程。通风的主要作用是尽可能地排除上一个循环的废气,这样就可以向这个循环提供尽可能多的新鲜充量,使尽可能多的燃料在气缸内完全燃烧,从而产生更多的动力。通风过程的好坏直接影响到内燃机的性能。所以除了降低进排气系统的流动阻力,主要是在最合适的时间开启和关闭进排气门。

实际上是在上止点前开启进气门,以保证活塞下行时进气门有较大的开度,这样可以减少进气过程开始时的流动阻力,减少吸气消耗的功,同时充入更多的新鲜充量。当活塞在进气冲程中运行到下止点时,由于气流的惯性,新鲜充量仍能充入气缸,所以进气门在下止点后延迟关闭。

排气门也是在下止点前提前开启,也就是在膨胀冲程后开始排气。这是利用气缸内较高的气体压力,使废气自动流出气缸,使活塞从下止点运动到上止点时,气缸内的气体压力较低,以减少活塞将废气挤出气缸所消耗的功。上止点后关闭排气门的目的是利用排气流的惯性,使气缸内残留的废气更干净。

内燃机的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的量。标志动态性能的参数包括扭矩和功率。经济性能是指产生一定功率时的燃料消耗量,表示能量转换的质量。标志经济性能的参数是热效率和燃料消耗率。

内燃机未来的发展将集中在改善燃烧过程,提高机械效率,减少热损失,降低燃油消耗率;开发利用非石油产品燃料,扩大燃料资源;减少废气中的有害成分,降低噪音和振动,减少环境污染;采用高增压技术,进一步强化内燃机,提高单机功率;发展复合发动机、绝热涡轮复合发动机等。微处理器用于控制内燃机在最佳工况下运行。加强结构强度研究,提高工作可靠性和寿命,不断创造新的内燃机。