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內(nèi)燃機種動力機械通過使燃料機器內(nèi)部燃燒并其放出熱能直接轉(zhuǎn)換動力熱力發(fā)動機
廣義上內(nèi)燃機僅包括往復活塞式內(nèi)燃機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機和自由活塞式發(fā)動機也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式燃氣輪機、噴氣式發(fā)動機等通常所說內(nèi)燃機指活塞式內(nèi)燃機
活塞式內(nèi)燃機往復活塞式普遍活塞式內(nèi)燃機燃料和空氣混合其氣缸內(nèi)燃燒釋放出熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓燃氣燃氣膨脹推動活塞作功再通過曲柄連桿機構或其機構機械功輸出驅(qū)動從動機械工作
內(nèi)燃機發(fā)展歷史
活塞式內(nèi)燃機自19世紀60年代問世來經(jīng)過斷改進和發(fā)展已比較完善機械熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、配套方便、機動性好所獲得了廣泛應用全世界各種類型汽車、拖拉機、農(nóng)業(yè)機械、工程機械、小型移動電站和戰(zhàn)車等都內(nèi)燃機動力海上商船、內(nèi)河船舶和常規(guī)艦艇及某些小型飛機也都由內(nèi)燃機來推進世界上內(nèi)燃機保有量動力機械居首位人類活動占有非常重要地位
活塞式內(nèi)燃機起源于用火藥爆炸獲取動力因火藥燃燒難控制而未獲成功1794年英國人斯特里特提出從燃料燃燒獲取動力并且第次提出了燃料與空氣混合概念1833年英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功設計
之人們又提出過各種各樣內(nèi)燃機方案十九世紀葉前均未付諸實用直1860年法國勒努瓦模仿蒸汽機結構設計制造出第臺實用煤氣機種無壓縮、電點火、使用照明煤氣內(nèi)燃機勒努瓦首先內(nèi)燃機采用了彈力活塞環(huán)臺煤氣機熱效率4%左右
英國巴尼特曾提倡燃混合氣點火之前進行壓縮隨又有人著文論述對燃混合氣進行壓縮重要作用并且指出壓縮大大提高勒努瓦內(nèi)燃機效率1862年法國科學家羅沙對內(nèi)燃機熱力過程進行理論分析之提出提高內(nèi)燃機效率要求早四沖程工作循環(huán)
1876年德國發(fā)明家奧托運用羅沙原理創(chuàng)制成功第臺往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)四沖程內(nèi)燃機仍煤氣燃料采用火焰點火轉(zhuǎn)速156.7轉(zhuǎn)/分壓縮比2.66熱效率達14％運轉(zhuǎn)平穩(wěn)當時無論功率還熱效率都高
奧托內(nèi)燃機獲得推廣性能也提高1880年單機功率達11～15千瓦(15～20馬力)1893年又提高150千瓦由于壓縮比提高熱效率也隨之增高1886年熱效率15.5%1897年已高達20～26％1881年英國工程師克拉克研制成功第臺二沖程煤氣機并巴黎博覽會上展出
隨著石油開發(fā)比煤氣易于運輸攜帶汽油和柴油引起了人們注意首先獲得試用易于揮發(fā)汽油1883年德國戴姆勒創(chuàng)制成功第臺立式汽油機特點輕型和高速當時其內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速超過200轉(zhuǎn)/分卻躍而達800轉(zhuǎn)/分特別適應交通動輸機械要求1885～1886年汽油機作汽車動力運行成功大大推動了汽車發(fā)展同時汽車發(fā)展又促進了汽油機改進和提高久汽油機又用作了小船動力
1892年德國工程師狄塞爾受面粉廠粉塵爆炸啟發(fā)設想吸入氣缸空氣高度壓縮使其溫度超過燃料自燃溫度再用高壓空氣燃料吹入氣缸使之著火燃燒首創(chuàng)壓縮點火式內(nèi)燃機(柴油機)于1897年研制成功內(nèi)燃機發(fā)展開拓了新途徑
狄塞爾開始力圖使內(nèi)燃機實現(xiàn)卡諾循環(huán)求獲得高熱效率實際上做近似等壓燃燒其熱效率達26％壓縮點火式內(nèi)燃機問世引起了世界機械業(yè)極大興趣壓縮點火式內(nèi)燃機也發(fā)明者而命名狄塞爾引擎
種內(nèi)燃機大多用柴油燃料故又稱柴油機1898年柴油機首先用于固定式發(fā)電機組1903年用作商船動力1904年裝于艦艇1913年第臺柴油機動力內(nèi)燃機車制成1920年左右開始用于汽車和農(nóng)業(yè)機械
早往復活塞式內(nèi)燃機誕生前人們曾致力于創(chuàng)造旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機均未獲成功直1954年聯(lián)邦德國工程師汪克爾解決了密封問題才于1957年研制出旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機被稱汪克爾發(fā)動機具有近似三角形旋轉(zhuǎn)活塞特定型面氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動按奧托循環(huán)工作種發(fā)動機功率高、體積小、振動小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結構簡單、維修方便由于燃料經(jīng)濟性較差、低速扭矩低、排氣性能理想所還只別型號轎車上得采用
內(nèi)燃組成
往復活塞式內(nèi)燃機組成部分主要有曲柄連桿機構、機體和氣缸蓋、配氣機構、供油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動裝置等
氣缸圓筒形金屬機件密封氣缸實現(xiàn)工作循環(huán)、產(chǎn)生動力源地各裝有氣缸套氣缸安裝機體里頂端用氣缸蓋封閉著活塞氣缸套內(nèi)往復運動并從氣缸下部封閉氣缸從而形成容積作規(guī)律變化密封空間燃料此空間內(nèi)燃燒產(chǎn)生燃氣動力推動活塞運動活塞往復運動經(jīng)過連桿推動曲軸作旋轉(zhuǎn)運動曲軸再從飛輪端動力輸出由活塞組、連桿組、曲軸和飛輪組成曲柄連桿機構內(nèi)燃機傳遞動力主要部分
活塞組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷等組成活塞呈圓柱形上面裝有活塞環(huán)借活塞往復運動時密閉氣缸上面幾道活塞環(huán)稱氣環(huán)用來封閉氣缸防止氣缸內(nèi)氣體漏泄下面環(huán)稱油環(huán)用來氣缸壁上多余潤滑油刮下防止?jié)櫥透Z入氣缸活塞銷呈圓筒形穿入活塞上銷孔和連桿小頭活塞和連桿聯(lián)接起來連桿大頭端分成兩半由連桿螺釘聯(lián)接起來與曲軸曲柄銷相連連桿工作時連桿小頭端隨活塞作往復運動連桿大頭端隨曲柄銷繞曲軸軸線作旋轉(zhuǎn)運動連桿大小頭間桿身作復雜搖擺運動
曲軸作用活塞往復運動轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運動并膨脹行程所作功通過安裝曲軸端上飛輪傳遞出去飛輪能儲存能量使活塞其行程能正常工作并使曲軸旋轉(zhuǎn)均勻了平衡慣性力和減輕內(nèi)燃機振動曲軸曲柄上還適當裝置平衡質(zhì)量
氣缸蓋有進氣道和排氣道內(nèi)裝進、排氣門新鮮充量(即空氣或空氣與燃料燃混合氣)經(jīng)空氣濾清器、進氣管、進氣道和進氣門充入氣缸膨脹燃氣經(jīng)排氣門、排氣道和排氣管經(jīng)排氣消聲器排入大氣進、排氣門開啟和關閉由凸輪軸上進、排氣凸輪通過挺柱、推桿、搖臂和氣門彈簧等傳動件分別加控制套機件稱內(nèi)燃機配氣機構通常由空氣濾清器、進氣管、排氣管和排氣消聲器組成進排氣系統(tǒng)
了向氣缸內(nèi)供入燃料內(nèi)燃機均設有供油系統(tǒng)汽油機通過安裝進氣管入口端化油器空氣與汽油按定比例(空燃比)混合經(jīng)進氣管供入氣缸由汽油機點火系統(tǒng)控制電火花定時點燃柴油機燃油則通過柴油機噴油系統(tǒng)噴入燃燒室高溫高壓下自行著火燃燒
內(nèi)燃機氣缸內(nèi)燃料燃燒使活塞、氣缸套、氣缸蓋和氣門等零件受熱溫度升高了保證內(nèi)燃機正常運轉(zhuǎn)上述零件必須許溫度下工作致因過熱而損壞所必須備有冷卻系統(tǒng)
內(nèi)燃機能從停車狀態(tài)自行轉(zhuǎn)入運轉(zhuǎn)狀態(tài)必須由外力轉(zhuǎn)動曲軸使之起動種產(chǎn)生外力裝置稱起動裝置常用有電起動、壓縮空氣起動、汽油機起動和人力起動等方式
內(nèi)燃機工作循環(huán)由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成些過程只有膨脹過程對外作功過程其過程都更好地實現(xiàn)作功過程而需要過程按實現(xiàn)工作循環(huán)行程數(shù)工作循環(huán)分四沖程和二沖程兩類
四沖程指進氣、壓縮、膨脹和排氣四行程內(nèi)完成工作循環(huán)此間曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈進氣行程時此時進氣門開啟排氣門關閉流過空氣濾清器空氣或經(jīng)化油器與汽油混合形成燃混合氣經(jīng)進氣管道、進氣門進入氣缸；壓縮行程時氣缸內(nèi)氣體受壓縮壓力增高溫度上升；膨脹行程壓縮上止點前噴油或點火使混合氣燃燒產(chǎn)生高溫、高壓推動活塞下行并作功；排氣行程時活塞推擠氣缸內(nèi)廢氣經(jīng)排氣門排出此再由進氣行程開始進行下工作循環(huán)
二沖程指兩行程內(nèi)完成工作循環(huán)此期間曲軸旋轉(zhuǎn)圈首先當活塞下止點時進、排氣口都開啟新鮮充量由進氣口充入氣缸并掃除氣缸內(nèi)廢氣使之從排氣口排出；隨活塞上行進、排氣口均關閉氣缸內(nèi)充量開始受壓縮直至活塞接近上止點時點火或噴油使氣缸內(nèi)燃混合氣燃燒；氣缸內(nèi)燃氣膨脹推動活塞下行作功；當活塞下行使排氣口開啟時廢氣即由此排出活塞繼續(xù)下行至下止點即完成工作循環(huán)
內(nèi)燃機排氣過程和進氣過程統(tǒng)稱換氣過程換氣主要作用盡能把上循環(huán)廢氣排除干凈使本循環(huán)供入盡能多新鮮充量使盡能多燃料氣缸內(nèi)完全燃燒從而發(fā)出更大功率換氣過程好壞直接影響內(nèi)燃機性能此除了降低進、排氣系統(tǒng)流動阻力外主要使進、排氣門適當時刻開啟和關閉
實際上進氣門上止點前即開啟保證活塞下行時進氣門有較大開度樣進氣過程開始時減小流動阻力減少吸氣所消耗功同時也充入較多新鮮充量當活塞進氣行程運行下止點時由于氣流慣性新鮮充量仍繼續(xù)充入氣缸故使進氣門下止點延遲關閉
排氣門也下止點前提前開啟即膨脹行程部分即開始排氣了利用氣缸內(nèi)較高燃氣壓力使廢氣自動流出氣缸從而使活塞從下止點向上止點運動時氣缸內(nèi)氣體壓力低些減少活塞廢氣排擠出氣缸所消耗功排氣門上止點關閉目利用排氣流動慣性使氣缸內(nèi)殘余廢氣排除得更干凈
內(nèi)燃機性能主要包括動力性能和經(jīng)濟性能動力性能指內(nèi)燃機發(fā)出功率(扭矩)表示內(nèi)燃機能量轉(zhuǎn)換量大小標志動力性能參數(shù)有扭矩和功率等經(jīng)濟性能指發(fā)出定功率時燃料消耗多少表示能量轉(zhuǎn)換質(zhì)優(yōu)劣標志經(jīng)濟性能參數(shù)有熱效率和燃料消耗率
內(nèi)燃機未來發(fā)展著重于改進燃燒過程提高機械效率減少散熱損失降低燃料消耗率；開發(fā)和利用非石油制品燃料、擴大燃料資源；減少排氣有害成分降低噪聲和振動減輕對環(huán)境污染；采用高增壓技術進步強化內(nèi)燃機提高單機功率；研制復合式發(fā)動機、絕熱式渦輪復合式發(fā)動機等；采用微處理機控制內(nèi)燃機使之佳工況下運轉(zhuǎn)；加強結構強度研究提高工作靠性和壽命斷創(chuàng)制新型內(nèi)燃機