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内燃机原理和构造(共57张)

一、内燃机概述

(1)内燃机作为一种热力发动机，广泛应用于汽车、船舶、飞机等交通工具中，其工作原理是将燃料的化学能转化为机械能。内燃机的发展历程可以追溯到19世纪末，经过不断的技术革新，目前已成为现代工业和交通运输中不可或缺的动力来源。据统计，全球内燃机年产量超过数亿台，市场规模持续扩大。以汽车行业为例，内燃机在汽车动力系统中的占比仍然高达90%以上。

(2)内燃机按照燃料类型可分为汽油机和柴油机两大类。汽油机采用汽油作为燃料，具有轻便、高效、环保等优点，广泛应用于轻型汽车和摩托车。而柴油机则以柴油为燃料，具有动力强劲、燃油经济性高等特点，主要应用于重型汽车、工程机械和船舶等领域。以我国为例，2019年柴油车销量达到710万辆，占汽车总销量的40%以上。

(3)内燃机的主要部件包括气缸、活塞、曲轴、连杆、气门、点火系统等。其中，气缸是内燃机的核心部件，其结构直接影响发动机的性能。现代内燃机气缸的制造技术已经非常成熟，常见的制造材料有铸铁、铝合金和轻合金等。以我国某知名汽车品牌为例，其汽油机气缸采用高强度铝合金材料制造，重量减轻20%，同时提高了发动机的燃油效率和动力性能。

二、内燃机工作原理

(1)内燃机的工作原理基于热力学中的热循环，主要通过燃烧燃料产生高温高压气体，推动活塞运动，进而带动曲轴旋转，实现机械能的输出。整个工作过程分为四个冲程：进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在进气冲程中，气门开启，活塞下行，将新鲜空气或混合气体吸入气缸；随后，活塞上行，气门关闭，压缩气缸内的气体，提高其温度和压力；在压缩冲程结束时，点火系统点燃混合气体，产生高温高压气体，推动活塞下行，进行做功冲程；最后，在排气冲程中，活塞再次上行，将燃烧后的废气排出气缸，为下一个循环做好准备。以汽油机为例，其热效率通常在20%到30%之间，而柴油机则可以达到30%到40%。

(2)内燃机的燃烧过程是内燃机工作的关键，它涉及到燃料的蒸发、混合、点燃和膨胀。在进气冲程中，空气被吸入气缸，同时燃油通过喷油嘴雾化成微小颗粒，与空气混合形成可燃混合气。当混合气达到一定的压缩比时，点火系统产生火花，点燃混合气，瞬间产生高温高压气体。这些气体迅速膨胀，推动活塞下行，将化学能转化为机械能。燃烧过程中，燃料的热值、空气的混合比例、点火时机等因素都会影响发动机的性能。例如，提高燃油喷射压力和优化燃烧室设计，可以提升燃烧效率，降低排放。

(3)内燃机的工作效率受到多种因素的影响，包括热力学损失、摩擦损失和泵送损失等。热力学损失主要包括燃烧损失、冷却损失和排气损失，其中燃烧损失是由于燃料未完全燃烧造成的能量损失；冷却损失是由于气缸壁和冷却水吸收热量造成的能量损失；排气损失是由于废气带走热量造成的能量损失。摩擦损失主要发生在活塞与气缸壁、曲轴轴承、气门机构等部位，这些部位的摩擦会导致能量损失。泵送损失则是指发动机在吸入和排出气体时产生的能量损失。为了提高内燃机的效率，工程师们通过优化设计、改进材料和采用先进的控制技术来减少这些损失。例如，采用涡轮增压技术可以提高进气压力，从而增加发动机的功率和效率。

三、内燃机构造与部件

(1)内燃机的构造复杂，主要由气缸体、活塞、曲轴、连杆、气门机构、点火系统、燃油喷射系统、润滑系统和冷却系统等部分组成。气缸体是内燃机的骨架，通常由铸铁或铝合金制成，其内部加工出多个气缸，用于容纳活塞。以某款现代汽车发动机为例，其气缸体采用高强度铝合金材料，重量减轻约10%，同时提高了发动机的散热性能。

活塞是内燃机的动力转换元件，其顶部形状和材料对发动机性能有重要影响。活塞顶部通常设计有凹槽或燃烧室，用于容纳燃油和空气的混合物。活塞材料主要有铝合金、铸铁和复合材料等，其中铝合金活塞因其轻量化特点而被广泛应用于高性能发动机。例如，某款高性能跑车采用铝合金活塞，重量减轻约30%，有效降低了发动机的惯性，提高了加速性能。

(2)曲轴和连杆是内燃机中将活塞的往复运动转换为旋转运动的部件。曲轴通常由高强度钢制成，其上加工出若干曲柄，与连杆连接。连杆则连接活塞和曲轴，其长度和重量对发动机性能有直接影响。为了提高发动机的效率和功率，工程师们对曲轴和连杆进行了优化设计。例如，某款高性能柴油机的曲轴采用锻造工艺，提高了其强度和刚度；连杆则采用轻量化设计，减轻了发动机的惯性。

气门机构是内燃机中控制进气和排气的重要部件，包括气门、气门弹簧、气门导管和气门摇臂等。气门的开闭时机和角度对发动机的性能和排放有重要影响。现代内燃机普遍采用电子气门技术，通过控制气门的开启和关闭时间，优化发动机的燃烧过程。例如，某款高性能汽油机采用可变气门正时技术，根据发动机的工作状态调整气门的开启和关闭时间，提高了发动机的功率和燃油经济