第一章绪论
1.1内燃机概述
汽车自19世纪诞生至今，已经有100多年的历史了。汽车工业从无到有，以惊人的速度在发展着，汽车工业给人类的近代文明带来翻天覆地的变化，在人类的文明进程中写下了宏伟的篇章。汽车工业是衡量一个国家是否强大的重要标
准之一，而内燃机在汽车工业中始终占据核心的地位。内燃机是将燃料中的化学能转变为机械能的一种机器。由于内燃机的热效率高（是当今热效率最高的热力发动机）、功率范围广、适应性好、结构简单、移动方便、比质量（单位输出功率质量）轻、可以满足不同要求等特点，已经广泛的应用于工程机械、农业机械、交通运输（陆地、内河、海上和航空）和国防建设事业当中。因此，内燃机工业的发展对整个国民经济和国防建设都有着十分重要的作用。
1.1.1世界内燃机简史
内燃机的出现和发明可以追溯到1860年，来诺伊尔（J.J.E.Lenoir1822~1900年）首先发明了一种叫做大气压力式的内燃机，这种内燃机的大致工作过程是：空气和煤气在活塞的上半个行程被吸入气缸内，然后混合气体被火花点燃；后半个行程是膨胀行程，燃烧的煤气推动着活塞下行，然后膨胀做功；活塞上行时
开始排气。这种内燃机和现代主流的四冲程内燃机相比，在燃烧前没有压缩行程，但基本思想已经有了雏形。这种内燃机的热效率低于5%，最大功率只有4.5KW，1860~1865年间，共生产了约5000台。1867年奥拓（Nicola u s A.Otto，1832~1891 年）和浪琴（EugenLangen，1833~1895年）发明了一种更为成功的大气压力式内燃机。这种内燃机是利用燃烧所产生的缸内压力，随着缸内压力的升高，在膨胀行程时加速一个自由活塞和齿条机构，他们的动量将使得缸内产生真空，然
后大气压力推动活塞内行。齿条则通过滚轮离合器和输出轴相啮合，然后输出功率。这种发动机的热效率可以达到11%，共生产了近5000台。
由于煤气机必须使用气体燃料，而当时的气体燃料的来源非常困难，这从
某种意义上讲就阻碍了煤气机的进一步发展。1885年德国人戈特利布·戴姆勒（Gottlieb ·Daimle r）仿照四冲程煤气机的工作原理，成功地制造了第一台汽油机，并于1886年搭载这台汽油机驱动汽车问世。由于这种内燃机的体积小、重量轻、价格便宜；起动性好，最大功率时的转速高，工作中的噪声和振动小，运转
平稳等优点，迅速在运输车辆上得到了广泛的应用。
紧接着，在1890年英国的克拉克（Dugald Clerk，1854~1913年）和罗宾逊（James Robson 1833~19
13年）、德国的卡尔·奔驰（Karl Benz，1844~1929年）成功的发明了二冲程内燃机，即在膨胀行程末期和压缩行程初期进行进气和排气行程。二冲程内燃机和四冲程内燃机相比，二冲程内燃机具有较高的单位容积功率和比较均匀的扭矩，并且结构简单、使用和维修方便；二冲程的燃油及润滑油耗量较高，冷却比较困难，耐用性较差。目前二冲程内燃机多用于摩托车、割草机、大型船舶等，而四冲程内燃机多用于汽车行业，并且比较广泛。
1892年德国工程师鲁道夫·迪塞尔（Rudolf Diesel，1858~1913年）提出了一种新型的内燃机，即在压缩终了时，将液体燃料喷人缸内，利用压缩终了的气体高温将燃料点燃。这种内燃机可以采用大的压缩比和膨胀比，没有爆燃，热效率可以比当时其他的内燃机高出一倍。迪塞尔的构想在5年后终于变成了现实，一种崭新的压燃式发动机——柴油机。之后，学者们曾提出了各种各样的回转式内燃机的结构方案，但直到1957年才由汪克尔（F.Wankel）成功地实验了他发明的转子发动机。这种发动机通过多年的努力和发展，在解决了密封和缸体震纹之后，也在一定领域获得了较好的应用。现代汽车企业中，马自达仍有转子发动机技术，马自达官方说是技术储备了，但并不是不再研究了，是因为就现在的科技来讲满足不了转子发动机的用钢需求。
1.1.2内燃机的燃料
燃料在内燃机的发展中起着非常重要的作用。内燃机最早使用的燃料是煤气，1900年之后，原油中的轻
溜分油（汽油）成为商品，出现了将这种油料汽化并与空气混合的化油器。在1905年之前，为了避免爆燃（由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常的燃烧），压缩比用得普遍较低，汽油机的性能与供应都存在问题，高挥发性的油料使发动机起动容易，在寒冷地区使用有较好的性能。在1907~1915年，汽油的需求量增加了5倍。
第一次世界大战以后，随着对内燃机工业的进一步发展，人们对爆燃问题有了进一步的理解，通用汽车公司发明了四乙铅的抗爆作用，1923年美国便开始将它作为汽油的添加剂。尤金·赫德莱（Eugene Houdry）发明了催化裂化法，这
种方法既提高了发动机的动力性能，同时又使汽油的抗爆性能更好，从而使发动机的压缩比不断增加。后来他提出了增加缸内压力的发明专利，也就是后来说
的机械增压。1907年美国宾夕法尼亚的一家工厂试制成功了世界上第一台增压发动机。第二次世界大战后，增压技术开始在压燃式发动机中得到广泛应用，
并且逐步扩展到汽油机中。
近30年来，影响发动机设计和运行的主要因素则是控制发动机排放对环境的污染。20世纪40年代，在美国洛杉矶出现了由汽车排放物行成的空气污染事件后，1952年哈琴·施密特（A.J.Haagen Smit）阐明了光化学烟雾，它是来自日照下氮氧化合物和碳氢化合物的化学反应，而碳氢化合物、氮氧化合物以及一
氧化碳主要都来自汽车排气。柴油机则是微粒和氮氧化合物的主要来源。于是美国在加州建立了世界上首个汽车排放标准。
内燃机和汽车给世界带来了现代物质文明，在经过了超过一个世纪的发展
之后，它的发展远远没有达到其顶点，在动力性、经济性和排放性上还可以不
断地改善。新材料的出现给内燃机带来的是进一步轻质量、降低成本和热损失。目前内燃机主要使用压缩天然气（Compre ssedNatura l Gas—CNG）、液化天然气（Liquif ied Natura l Gas—LNG）、液化石油气（Liquif ied Petrol Gas—LPG）。各种新型模式内燃机都将会有更好的应用和美好的前景。
1.1.3中国内燃机工业简史
中国内燃机工业从1908年广州均和安机器厂制造成第一台煤气机开始，1915年广州协同和机器厂制造成第一台烧球式柴油机起至今已经有近百余年的历史，中国内燃机的发展历史可以概括为内燃机工业创建阶段、内燃机体系建
设阶段和内燃机工业体系成形和发展阶段。
内燃机工业创建阶段从1908年到1957年。最先在上海由外国人带入汽车，并且把内燃机也作为商品开始
进入我国口岸，特别是在上海先后有20多个洋行推销英、法、德、美等国的30多种型号的内燃机。由于内燃机在性能上比蒸汽机优越，有市场需求，因此得到了推广和应用。1949年新中国成立后，内燃机工业得到了回复和发展。上海柴油机厂试制成功110系列柴油机，天津、长春等地也相继有产品成功问世，到1957年全国内燃机产量达到50万台，内燃机工业已初具规模。
1958~1966年，中国的内燃机工业发展迅速，农业机械部的成立对我国内燃机工业的规划和发展起了重要的作用。在这段时期中，上海柴油机厂试制成功了可与汽车、工程机械、船舶、农业机械、大电机等多种用途配套的135系列柴油机，它是我国由仿制到自行设计、由小批量转化为大批量生产的第一个中小功率柴油机系列。在拖拉机与农用柴油机方面，1959年建成了洛阳第一拖拉机厂，生产东方红54型履带式拖拉机与4125型柴油机。该厂从苏联引进了柴油机的先进技术。在农业机械部的领导下，有关工厂还先后研发了多种型号（165、175、195系列）的小型单杠农用柴油机，推动了我国农业机械化进程。
我国也研发了如12V180大功率柴油机及6250Z船舶与发电用的发动机。1966年开始的文化大革命使内燃机工业遭到严重的破坏，基本停滞，甚至倒退的地步，从而拉大了我国与世界内燃机水平的差距。
1979年十一届三中全会后，拨乱反正，内燃机工业进行了一系列的整顿工作。通过引入市场机制，推行全面管理，引进国外先进技术和对企业进行技术改造等，我国的内燃机水平有了明显的提高。为减少汽车与内燃机对日益短缺的石油燃料的依赖以及对环境的保护，国家鼓励发展代用清洁燃料汽车。中国加
入WTO后，汽车与内燃机产品面临着更加激烈的国际市场竞争，这将进一步推动我国内燃机工业的进步。我国内燃机现状是：自己能产，与世界先进水平有一定差距，大多为仿制和合资的形式的生产模式。
1.1.4评价内燃机指标
内燃机的设计性指标：内燃机的设计应该满足使用和制造方面的一系列要求。其中主要包括动力性指标（有效功率、转速、最大转矩和最大转矩）、经济性指标（燃油消耗率、机油消耗率）、可靠性、耐久性指标、质量、外形尺寸指标、低公害指标（噪声、有害气体排放）、制造、使用、维护指标。转子发动机
总的来讲就是设计一台好的内燃机，动力性能满足使用的要求；燃油和机油的消耗较低；工作安全可靠、平稳；工作适应性好；维修方便；排污少、噪音小；工艺性好，制造方便廉价。事实上。一台内燃机要满足上述要求是很困难的，因为其中有些要求是相互矛盾的。例如，为了设计重量轻的内燃机，就必须采用优质的材料来保证较高的制造精度和使用寿命，但这样会增加制造的成本。随着内燃机的具体用途不同，这些重要性也不同。又如，提高内燃机的转速
可以使功率提高，从而使单位功率体积减小、重量减轻。但是转速的提高会导致惯性力的增加，从而导致机械负荷增加，还使得内燃机的平衡、振动问题突出，噪声增加；转速增加还会导致工作频率增加，从而导致活塞、气缸盖、汽缸套、排气门等零件的热负荷增加。因此，内燃机要根据不同用途，保证良
好动力性前提下，折中考虑其他设计因素，然后尽量满足其他要求。
内燃机的设计中，在保证良好的动力性前提下，外形尺寸，整个动力装置体积和工作可靠性之间的矛盾最为突出。内燃机的外形尺寸小、整个动力装置的体积小，会受到工作可靠性的限制。内燃机的紧凑性指标通常是指内燃机的重量和外形尺寸指标。内燃机设计的中心任务就是在保证足够动力和可靠性的前提下，外形尺寸尽量小，质量尽量轻，结构紧凑。内燃机的可靠性是指在规定运转条件下，以规定的时间内，具有持续工作、不会因为故障而影响内燃机正常运转的能力。在我国，可靠性指标通常是以在保证期（有的称为保险期）内不停车故障次数、停车故障次数以及更换主要和次要零件的数目来表示。
内燃机是由大量的零部件有机的结合在一起，来完成规定功能的一个整体。因此，内燃机的可靠性取决于各个零部件的可靠度，且大多数零部件为串联的，用乘法原则计算可靠性。
1.2 曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，以向工作机械输出机械能。曲柄连杆机构主要零件可以分为三个组：机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组，目前车用内燃机主流还是往复式活塞。在这种内燃机中，曲柄连杆机构是由内燃机的传动装置和动力机构。
1.2.1曲柄连杆机构的工作特点与设计难点
曲柄连杆机构是内燃机中的主要受力部件，曲柄连杆机构的工作环境非常恶劣，曲柄连杆机构面临的是高温、高压、高速、和化学腐蚀。曲柄每转一周（二冲程内燃机）或者两周（四冲程内燃机）为一个变化周期。实际上，内燃机的工况是不断变化的，特别是作为车用动力时。因此，作用在曲柄连杆机构上的力是随着工况的不断变化而变化的。内燃机的工况一般由转速和功率来衡量。
内燃机曲柄连杆机构的设计是为了解决工作过程中惯性力的平衡以及改进结构来减少活塞对汽缸壁的侧压力，并且降低内燃机内的振动，但内燃机工作
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