工程机械发动机构造与原理工程机械发动机构造与原理胡正军胡正军天然气管道第二工程公司机械施工处2011年11月11日学习的目的学习的目的以自己的专业知识履行自己的义务和责任以自己的专业知识履行自己的义务和责任以自己的专业知识保障自身的权利以自己的专业知识保障自身的权利以自己的专业知识创造自身的幸福以自己的专业知识创造自身的幸福以自己的专业树立行业信心，热爱本职工作以自己的专业树立行业信心，热爱本职工作了解发动机及底盘的基础知识。正确使用维修保养了解发动机及底盘的基础知识。正确使用维修保养设备，掌握一定的专业技能解决实际工作中的设备设备，掌握一定的专业技能解决实际工作中的设备故障故障柴油发动机之父狄赛尔(Rudolf Diesel)另辟蹊径，在奥图循环发动机之外，开创了柴油发动机的新世界!内燃机的崛起内燃机的崛起在机械工程学的定义中，凡利用热能而产生动力的机械，统在机械工程学的定义中，凡利用热能而产生动力的机械，统称为热机称为热机(Heat Engine)(Heat Engine)。而热机又分为内燃机与外燃机两。而热机又分为内燃机与外燃机两大类，燃料在热机内部燃烧产生热能，再将热能转变为机械大类，燃料在热机内部燃烧产生热能，再将热能转变为机械动力者，皆称为内燃机，如汽油发动机、柴油发动机、燃气动力者，皆称为内燃机，如汽油发动机、柴油发动机、燃气涡轮发动机等。而燃料在热机外燃烧者称为外燃机，如蒸气涡轮发动机等。而燃料在热机外燃烧者称为外燃机，如蒸气机。机。在一般常见的发动机中，又分为利用点火器在一般常见的发动机中，又分为利用点火器( (如如火花塞火花塞) )点火的点火的火花火花点火点火(SI)(SI)发动机，及利用高压高温空气使燃料燃发动机，及利用高压高温空气使燃料燃烧的压缩点火烧的压缩点火(CI)(CI)发动机。汽油发动机属于发动机。汽油发动机属于火花火花点火发动机，点火发动机，柴油发动机则属压缩点火发动机。柴油发动机则属压缩点火发动机。十八世纪末期，瓦特十八世纪末期，瓦特(James Watt)(James Watt)发明了蒸气机促使了发明了蒸气机促使了英国第一次的工业革命，也改变了人类的生活方式，使人们英国第一次的工业革命，也改变了人类的生活方式，使人们由自身劳力或畜力转而利用机械动力。一百年后由自身劳力或畜力转而利用机械动力。一百年后(1876(1876年年) )，德国人奥图德国人奥图(Nikolaus Otto)(Nikolaus Otto)发明了第一具四发明了第一具四冲程冲程内燃发动内燃发动机，随后机，随后(1887(1887年年) )，戴姆勒，戴姆勒(Daimler)(Daimler)将四将四冲程冲程发动机成功发动机成功应用于汽车上。公元应用于汽车上。公元18921892年，德国工程师狄赛尔年，德国工程师狄赛尔(Rudolf (Rudolf Diesel)Diesel)发明了燃烧效率较高的非发明了燃烧效率较高的非火花火花点火发动机，并取得点火发动机，并取得专利，这是内燃机发展的一个新专利，这是内燃机发展的一个新里程里程碑。碑。柴油发动机的发展柴油发动机的发展在奥图发明了第一台四在奥图发明了第一台四冲程冲程内燃发动机后，当时许多内燃发动机后，当时许多工程师都致力于内燃机的发展，但是多以工程师都致力于内燃机的发展，但是多以火花火花点火发动机点火发动机为发展方向，如梅赛德斯为发展方向，如梅赛德斯- -奔驰奔驰的创办人戴姆勒，正是将的创办人戴姆勒，正是将汽油发动机应用于车辆的始祖。但由于当时点火装置技术汽油发动机应用于车辆的始祖。但由于当时点火装置技术并不成熟，狄赛尔便以空气压缩使温度升高的理论，朝向并不成熟，狄赛尔便以空气压缩使温度升高的理论，朝向压缩点火方向发展内燃机技术。也就是先将压缩点火方向发展内燃机技术。也就是先将气缸气缸内的空气内的空气压缩至高温，再将燃料注入燃烧室，燃料因高温高压而自压缩至高温，再将燃料注入燃烧室，燃料因高温高压而自燃，产生发动机所需动力燃，产生发动机所需动力由于要将空气加热至燃料的燃点温度，需要极大的压力，由于要将空气加热至燃料的燃点温度，需要极大的压力，当时的燃油当时的燃油汽油在如此高温高压下，会产生猛烈的汽油在如此高温高压下，会产生猛烈的爆爆震震，所以狄赛尔必须发展不同的燃油，他甚至曾经尝试使，所以狄赛尔必须发展不同的燃油，他甚至曾经尝试使用植物油，而最后选定了当时最不受重视的柴油。柴油因用植物油，而最后选定了当时最不受重视的柴油。柴油因不易点燃不能作为不易点燃不能作为火花火花点火发动机燃料，并且柴油点燃后点火发动机燃料，并且柴油点燃后会产生黑烟，也不能像煤油般作为照明燃料，所以在那时会产生黑烟，也不能像煤油般作为照明燃料，所以在那时不受重视。但是柴油稳定不易不受重视。但是柴油稳定不易爆震爆震的特性，正好可作为压的特性，正好可作为压缩点火发动机使用。缩点火发动机使用。经过将近二十年的研发，第一具压缩点火发动机经过将近二十年的研发，第一具压缩点火发动机于于18921892年问世，同年，狄赛尔也取得此项技术专利。由年问世，同年，狄赛尔也取得此项技术专利。由于狄赛尔的柴油发动机在发展初期技术尚未成熟，尽管于狄赛尔的柴油发动机在发展初期技术尚未成熟，尽管它有不错的热效率及省油特性，在当时却很难与技术已它有不错的热效率及省油特性，在当时却很难与技术已经成熟的汽油发动机竞争。然而狄赛尔却仍将它推入市经成熟的汽油发动机竞争。然而狄赛尔却仍将它推入市场中，导致他销售的场中，导致他销售的2020台柴油发动机一一招致退货，并台柴油发动机一一招致退货，并且在往后一段时间，人们都无法接受柴油发动机。而失且在往后一段时间，人们都无法接受柴油发动机。而失意的狄赛尔也于意的狄赛尔也于19131913年年1010月月2929日投海自尽。日投海自尽。柴油发动机在沉寂了一段时间后，美国柴油发动机在沉寂了一段时间后，美国CumminsCummins公公司在司在19241924年时，将供油喷射泵应用于柴油发动机上，解年时，将供油喷射泵应用于柴油发动机上，解决了当时狄赛尔以高压空气供油方式的不稳定运转，并决了当时狄赛尔以高压空气供油方式的不稳定运转，并首度将柴油发动机装于卡车上，奠定了车辆使用柴油发首度将柴油发动机装于卡车上，奠定了车辆使用柴油发动机的基础。动机的基础。19361936年，柴油发动机也搭载于梅赛德斯年，柴油发动机也搭载于梅赛德斯- -奔驰奔驰260D260D，这也是柴油发动机首次应用于轿车。，这也是柴油发动机首次应用于轿车。第一章第一章工程机械发动机的基本构造与工作原理工程机械发动机的基本构造与工作原理第一节第一节 柴油机的基本概念与常用术语柴油机的基本概念与常用术语1.上止点：活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向上运上止点：活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向上运动到最高位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位动到最高位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位置，称为上止点置，称为上止点TDC(Top Dead Center)。2.下止点：活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向下运动到最下止点：活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向下运动到最低位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置，称为下止低位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置，称为下止点。点。3.活塞行程：活塞从一个止点到另一个止点移动的距离，即上、下活塞行程：活塞从一个止点到另一个止点移动的距离，即上、下止点之间的距离称为活塞行程。一般用止点之间的距离称为活塞行程。一般用s表示，对应一个活塞行程，表示，对应一个活塞行程，曲轴旋转曲轴旋转180。4.曲柄半径：曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，曲柄半径：曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，一般用一般用R表示。通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即表示。通常活塞行程为曲柄半径的两倍，即S=2R。5.气缸工作容积：活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积，气缸工作容积：活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积，称为气缸工作容积。一般用称为气缸工作容积。一般用Vh表示。表示。6.气缸总容积：活塞位于下止点时，其顶部与气缸盖之间的容积称气缸总容积：活塞位于下止点时，其顶部与气缸盖之间的容积称为气缸总容积。一般用为气缸总容积。一般用Va表示，显而易见，气缸总容积就是气缸表示，显而易见，气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和，即工作容积和燃烧室容积之和，即VaVcVh。7.发动机排量：多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机排发动机排量：多缸发动机各气缸工作容积的总和，称为发动机排量。一般用量。一般用VL表示。表示。8.压缩比：它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值，压缩比：它是气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般用即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般用表示。压缩表示。压缩比是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表示了气体的压缩程比是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表示了气体的压缩程度。通常汽油机的压缩比为度。通常汽油机的压缩比为610，柴油机的压缩比较高，一般，柴油机的压缩比较高，一般为为1622。计算公式：。计算公式：燃烧室容积燃烧室容积VH/（-1）9.工作循环：每一个工作循环包括进气、压缩、作功和排气过程，工作循环：每一个工作循环包括进气、压缩、作功和排气过程，即完成进气、压缩、作功和排气四个过程叫一个工作循环。即完成进气、压缩、作功和排气四个过程叫一个工作循环。10有效功率：发动机曲轴对外输出的功率。有效功率：发动机曲轴对外输出的功率。11发动机的速度特性：在负荷保持不变时，发动机的性能指标发动机的速度特性：在负荷保持不变时，发动机的性能指标随转速变化的关系。随转速变化的关系。12配气相位：用曲轴转角表示的进排气门开闭时刻和开启持续配气相位：用曲轴转角表示的进排气门开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。时间，称为配气相位。13气门叠开：由于进气门早开和排气门晚关，出现的一段进排气门叠开：由于进气门早开和排气门晚关，出现的一段进排气门同时开启的现象，称为气门叠开。气门同时开启的现象，称为气门叠开。14修理尺寸法：在零件结构、强度和强化层允许的条件下，将修理尺寸法：在零件结构、强度和强化层允许的条件下，将配合副中主要件的的磨损部位经过机械加工至规定的尺寸，恢复配合副中主要件的的磨损部位经过机械加工至规定的尺寸，恢复其正确的几何形状和精度，然后更换相应的配合件，得到尺寸改其正确的几何形状和精度，然后更换相应的配合件，得到尺寸改变而配合性质不变的修理方法。变而配合性质不变的修理方法。15过量空气系数：发动机过量空气系数：发动机1kg燃料燃烧时实际消耗的空气量与燃料燃烧时实际消耗的空气量与理论上需要的空气量的比值。理论上需要的空气量的比值。16气门间隙：发动机冷装配时，在气门与其传动机构中，留有气门间隙：发动机冷装配时，在气门与其传动机构中，留有适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。17全制式调速器：在发动机最低到最高转速范围内均起作用的全制式调速器：在发动机最低到最高转速范围内均起作用的调速器。调速器。全程式调速器图全程式调速器图第二节第二节柴油机的基本构造与工作原理柴油机的基本构造与工作原理1.排气门、2.汽缸盖、3.喷油器、4.进气门、5.新鲜空气、6.活塞、7.连杆、8.曲轴。一、四行程柴油机的工作原理一、四行程柴油机的工作原理1进气行程进气行程活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动。此时，进气门开启，排气活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动。此时，进气门开启，排气门关闭。由于活塞下移，活塞上腔容积增大，形成一定的真空度。门关闭。由于活塞下移，活塞上腔容积增大，形成一定的真空度。在真空吸力的作用下，被滤清的纯净空气，经进气门被吸人气缸。在真空吸力的作用下，被滤清的纯净空气，经进气门被吸人气缸。至活塞运动到下止点时，进气门关闭，停止进气，进气行程结束。至活塞运动到下止点时，进气门关闭，停止进气，进气行程结束。进气行程结束时，由于进气过程中进气管、进气门等有进气阻力，进气行程结束时，由于进气过程中进气管、进气门等有进气阻力，气缸内压力低于大气压力，一般为气缸内压力低于大气压力，一般为0.08MPa0.09MPa。由于气。由于气缸壁、活塞等高温机件及残留高温废气的加热，气体温度为缸壁、活塞等高温机件及残留高温废气的加热，气体温度为320K350K。2压缩行程压缩行程进气行程结束时，活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动，进气行程结束时，活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动，如图如图1-2b)所示。此时，进、排气门均关闭。随着活塞上移、活塞所示。此时，进、排气门均关闭。随着活塞上移、活塞上腔容积不断减小，气缸内的空气被压缩，至活塞到达上止点时，上腔容积不断减小，气缸内的空气被压缩，至活塞到达上止点时，压缩行程结束。在压缩行程过程中，气体压力和温度同时升高。由压缩行程结束。在压缩行程过程中，气体压力和温度同时升高。由于柴油机压缩比较大，在压缩终了的温度和压力均较高，压力可达于柴油机压缩比较大，在压缩终了的温度和压力均较高，压力可达3MPa5MPa，温度可达800K1000K。3作功行程作功行程压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷人气缸内的高温压缩行程末，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷人气缸内的高温空气中，柴油迅速汽化并与空气形成可燃混合气。因为此时气缸内空气中，柴油迅速汽化并与空气形成可燃混合气。因为此时气缸内的温度远远高于柴油的自燃温度（柴油的自燃温度为的温度远远高于柴油的自燃温度（柴油的自燃温度为500K左右），左右），柴油自行着火燃烧，且在以后的一段时间内，喷油和燃烧同时进行柴油自行着火燃烧，且在以后的一段时间内，喷油和燃烧同时进行（即一边喷油，一边燃烧）。气缸内的温度、压力急剧升高，推动（即一边喷油，一边燃烧）。气缸内的温度、压力急剧升高，推动活塞下行作功。活塞下行作功。此行程中，开始阶段气缸内气体压力和温度急剧上升，瞬时压力可此行程中，开始阶段气缸内气体压力和温度急剧上升，瞬时压力可达达5MPalOMPa，瞬时温度可达，瞬时温度可达1800K2200K。随着活塞的。随着活塞的下移，压力和温度下降。作功行程终了时，气缸压力为下移，压力和温度下降。作功行程终了时，气缸压力为0.2MPa0.4MPa，温度为，温度为1200K1500K。4排气行程排气行程在作功行程终了时，排气门被打开，活塞在曲轴的带动下由下止点在作功行程终了时，排气门被打开，活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动，如图向上止点运动，如图1-2d）所示。废气在自身的剩余压力和活塞）所示。废气在自身的剩余压力和活塞的驱赶作用下，自排气门排出气缸，至活塞运动到上止点时，排气的驱赶作用下，自排气门排出气缸，至活塞运动到上止点时，排气门关闭，排气行程结束。门关闭，排气行程结束。排气终了时，由于燃烧室容积的存在，气缸内还存在少量的废气，气排气终了时，由于燃烧室容积的存在，气缸内还存在少量的废气，气体压力也因排气门和排气道等有阻力而高于大气压力。此时，气缸压体压力也因排气门和排气道等有阻力而高于大气压力。此时，气缸压力为力为0.105MPa0.125MPa，温度为，温度为800K1000K。排气行程结束后，进气门再次开启，又开始了下一个工作循环。如此排气行程结束后，进气门再次开启，又开始了下一个工作循环。如此周而复始，发动机就自行运转。周而复始，发动机就自行运转。第二节发动机的总体构造发动机的总体构造发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。现代工程机械用发发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂机器。现代工程机械用发动机的形式很多，但基本构造是相似的。柴油机由二大机构、四大系动机的形式很多，但基本构造是相似的。柴油机由二大机构、四大系统组成。汽油机由二大机构、五大系统（比柴油机多点火系）组成。统组成。汽油机由二大机构、五大系统（比柴油机多点火系）组成。下面以柴油机为例，介绍发动机的总体构造：下面以柴油机为例，介绍发动机的总体构造：（一）两大机构（一）两大机构1曲柄连杆机构曲柄连杆机构曲柄连杆机构主要由缸盖、缸体、活塞、连杆、曲轴和飞轮等组曲柄连杆机构主要由缸盖、缸体、活塞、连杆、曲轴和飞轮等组成。由前述的发动机工作原理可知，可燃混合气在气缸内燃烧产生的高成。由前述的发动机工作原理可知，可燃混合气在气缸内燃烧产生的高压是通过活塞、连杆、曲轴等变为机械能输出，可见曲柄连杆机构是维压是通过活塞、连杆、曲轴等变为机械能输出，可见曲柄连杆机构是维持发动机工作循环、实现能量转换的主要机构。持发动机工作循环、实现能量转换的主要机构。2配气机构配气机构配气机构主要由进气门、排气门、挺柱、推杆、摇臂、凸轮轴、凸轮配气机构主要由进气门、排气门、挺柱、推杆、摇臂、凸轮轴、凸轮轴正时齿轮等组成。其作用是：适时开关进、排气门，以便可燃混合气能轴正时齿轮等组成。其作用是：适时开关进、排气门，以便可燃混合气能及时进人气缸，废气能及时从气缸内排出。及时进人气缸，废气能及时从气缸内排出。（二）四大系统（二）四大系统1燃料供给系燃料供给系柴油机的燃料供给系主要由燃油箱、燃油滤清器、喷油泵、喷油器、柴油机的燃料供给系主要由燃油箱、燃油滤清器、喷油泵、喷油器、空气滤清器、进排气歧管、排气消声器等组成。其作用是将滤清的空气滤清器、进排气歧管、排气消声器等组成。其作用是将滤清的柴油和空气按一定的比例供人气缸，并将燃烧后的废气排出发动机。柴油和空气按一定的比例供人气缸，并将燃烧后的废气排出发动机。1.高压油泵进油管2.减振器3.回油节流孔4.高压油泵5.回油管6.喷油嘴7.连接块8.手动注油泵9.注油旁通阀10.燃油箱11.进油管12.燃油粗滤器（CWR没有）13.燃油压力表14.燃油细滤器15.溢流阀16.燃油输送泵2冷却系冷却系冷却系主要由水泵、散热器、水套、节温器、风扇等组成。其作冷却系主要由水泵、散热器、水套、节温器、风扇等组成。其作用是将机件多余的热量散发到大气中，以保持发动机正常的工作用是将机件多余的热量散发到大气中，以保持发动机正常的工作温度。温度。机油冷却器机油冷却器气气缸缸套套冷却水旁通冷却水旁通缸头缸头冷冷却却水水泵泵节温器节温器冷冷却却水水箱箱风扇及风扇皮带风扇及风扇皮带3润滑系润滑系润滑系主要由机油泵、集滤器、润滑油道、机油粗滤器、机油细润滑系主要由机油泵、集滤器、润滑油道、机油粗滤器、机油细滤器、限压阀、油底壳等组成。其主要作用是减小摩擦，减缓机滤器、限压阀、油底壳等组成。其主要作用是减小摩擦，减缓机件的磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗和保护摩擦表面。件的磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗和保护摩擦表面。缸体中的分配油道:1.去摇臂轴的油道2.堵信住的油道3.堵头4.去高压油泵的油道5.摇臂轴6.去气门挺柱的油道7.凸轮轴轴承孔8.去涡轮增压器的油道9.活塞冷却喷嘴10.去正时齿轮壳体的油道11.缸体主油道的供油管12.去前惰齿轮的油道13.缸体中的主油道14.主轴承孔供油系统:1.去主油道的管路2.机油滤清器旁通阀3.机油冷却器4.机油冷却器旁通管5.机油泵6.油底壳7.机油滤清器4起动系起动系起动系主要是由电源、起动机及其附属装置组成。其作用是：起动系主要是由电源、起动机及其附属装置组成。其作用是：使静止的发动机起动，并使之转人自行运转。使静止的发动机起动，并使之转人自行运转。第三节第三节发动机的主要性能指标发动机的主要性能指标1.发动机性能指标发动机性能指标发动机的性能指标是用来衡量发动机性能好坏的标准。发动机的发动机的性能指标是用来衡量发动机性能好坏的标准。发动机的主要性能指标有：动力性能指标，经济性能指标。主要性能指标有：动力性能指标，经济性能指标。(1)动力性能指标动力性能指标动力性能指标指曲轴对外作功能力的指标，包括有效扭矩、有效动力性能指标指曲轴对外作功能力的指标，包括有效扭矩、有效功率和曲轴转速。功率和曲轴转速。a.有效扭矩：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的扭矩，通常用有效扭矩：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的扭矩，通常用Te表示，单位为表示，单位为Nm。有效扭矩是作用在活塞顶部的气体压力通。有效扭矩是作用在活塞顶部的气体压力通过连杆、传给曲轴产生的扭矩，并克服了摩擦，驱动附件等损失过连杆、传给曲轴产生的扭矩，并克服了摩擦，驱动附件等损失之后从曲轴对外输出的净扭矩。之后从曲轴对外输出的净扭矩。b.有效功率：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率，通常用有效功率：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率，通常用Pe表示，单位为表示，单位为kW。有效功率同样是曲轴对外输出的净功率。有效功率同样是曲轴对外输出的净功率。它等于有效扭矩和曲轴转速的乘积。发动机的有效功率可以在专它等于有效扭矩和曲轴转速的乘积。发动机的有效功率可以在专用的试验台上用测功器测定，测出有效扭矩和曲轴转速，然后用用的试验台上用测功器测定，测出有效扭矩和曲轴转速，然后用下面公式计算出有效功率。下面公式计算出有效功率。Pe=（有效扭矩（有效扭矩/9.8）N/716.2c.转速：指发动机曲轴每分钟的转数，单位为转速：指发动机曲轴每分钟的转数，单位为r/min。发动机。发动机品品铭牌上标明的功率及相应转速称为额定功率和额定转速。铭牌上标明的功率及相应转速称为额定功率和额定转速。(2)经济性能指标经济性能指标通常用燃油消耗率来评价内燃机的经济性能。燃油消耗率是指单位通常用燃油消耗率来评价内燃机的经济性能。燃油消耗率是指单位有效功的燃油消耗量，也就是发动机每发出有效功的燃油消耗量，也就是发动机每发出1kW有效功率在有效功率在1小时小时内所消耗的燃油质量内所消耗的燃油质量(以以g为单位为单位)，燃油消耗率通常用，燃油消耗率通常用ge表示，其表示，其单位为单位为g/kWh。