资源描述
步进电动机也可以采用三相单、双拍通电方式，通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A……三相绕组经过六次切换完成一个循环，因而称为三相单双六拍。
步距角：
而一圈是360°
所以一个脉冲，转动的圈数是
转速： 转/分
即步进电机转速取决于脉冲频率、转子齿数和运行拍数。
【提示】步进电动机的转子齿数多，齿距角就小，步距角也就越小，位置精确度就越高。转子齿数多，步距角就小。
除三相反应式步进电动机外，还有四相、五相、六相反应式步进电动机。
2.永磁感应子式步进电动机
定子转子的齿距通常相同。
由于在磁路中含有永久磁钢，所以，永磁感应子式步进电动机的定子绕组断电后，仍有一定的定位转矩。
3.步进电动机的主要性能指标。步进电动机的主要性能指标有：
步距精度
空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差，以偏差的角度或相对百分数来衡量。我国生产的步进电动机的步距精度一般在±10～±30分的范围，有些可达±2～±5分。
最大静转距
转子处于静止状态时，能与最大负载转矩相平衡的电磁转矩称为步进电动机的最大静转矩。它是衡量步进电动机带负载能力的主要指标。
起动频率
使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，称为起动频率。在电动机空载情况下，称为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。
连续运行频率
步进电动机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率，称为连续运行频率的最高工作频率。步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电动机连续运行频率远高于其起动频率。
（二）步进电机对驱动电源的要求（了解）
1.电源的相数、电压、电流、通电方式与步进电机的要求相适应；
2.满足起动频率和运行频率的要求；
3.工作可靠、抗干扰能力强；
4.成本低，效率高，安装和维护方便；
驱动电源由环形分配器和功率驱动器组成。
【例题·单选题】（2010）步进电动机定子绕组所加的电压为（ ）电压。
A.直流 B.工频（50Hz）交流
C.高频交流 D.脉冲
『正确答案』D
『答案解析』步进电动机定子绕组所加的电压为脉冲电压。参见教材279页。
三、直流伺服电动机及其速度控制
以直流伺服电动机作为驱动元件的伺服系统即为直流伺服系统。直流伺服电动机具有良好的调速性能，尤其是他励（永磁）直流伺服电动机，其机械特性比较硬，即电动机的转速随负载的增加降幅很小，可以看成是一种恒速电动机。
（一）直流伺服电动机（掌握）
1.直流主轴电动机。直流主轴电动机的结构与普遍直流电动机的结构基本相同。
不同点：在主磁极上有补偿绕组；采用轴向强迫通风冷却或热管冷却；尾部有测速反馈元件（主要是测速发电机）。
在基本速度nj以下为恒转矩范围，在基本速度nj以上为恒功率范围。通常恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:2。
【提示】直流主轴电动机一般能承受150%的过载载荷，过载时间随生产厂家而已，1~30min不等。
2.进给直流伺服电动机
多采用永磁直流伺服电动机作为驱动元件。
永磁直流伺服电动机由电动机本体和检测部件组成。电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子三部分组成。永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体，不需要励磁功率。在同样的输出功率时体积和重量较小。反馈用的检测部件（测速发电机、旋转变压器及脉冲编码器）同轴安装在电动机的尾部（非轴伸出端）。
永磁直流伺服电动机的转子分为小惯量型和普通型两类。
小惯量型转子又可分无槽转子、空心杯形转子和印刷绕组转子。
优点：是转子惯量小，适合于快速响应的伺服系统。
缺点：过载能力低；当用于数控机床等进给伺服系统中时，由于转子惯量与机械传动系统匹配较差，电动机与机械传动系统不能直接相连，必须采取一些措施。
普通型转子永磁直流伺服电动机具有以下一些特点：
（1）低速时输出的转矩大，惯量比较大，能与机械传动系统直接相连，省去齿轮等传动机构，从而有利于减小机械振动和噪声，以及齿隙误差。
（2）转子的热容量大，电动机的过载性能好，一般能加倍过载几十分钟。
（3）调速范围宽，当与高性能速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围可达1:1000以上。
（4）转子惯量比较大，为了满足快速响应的要求，需要加大电源容量。
（5）转子温升高（电动机允许温升可达1500 C～1800 C）可通过转轴传到机械上去，这会影响精密机械的精度。
伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分成三个区域：
Ⅰ 区为连续工作区，在该区域内转矩和转速的任意组合都可以长时间连续工作。
Ⅱ 区为断续工作区，在该区域内电动机只能按允许的工作时间和断电时间歇工作。
Ⅲ 区为加速和减速区，在该区域内电动机只能作加速或减速，工作极短的时间。
选择进给伺服电动机时，一定要满足以下条件：
1.机床空载运行时，应在转矩－速度特性曲线的连续工作区；
2.电动机加减速过程中的转矩应在加减速区；
3.频繁起动、制动以及周期变化的负载，必须检查一个周期内转矩的均方根值，并应小于电动机的连续额定转矩；
4.最大负载转矩、加载周期以及过载时间都应在特性曲线允许的范围以内。
【拓展】均方根值的计算方法是先平方、再平均、然后开方。
（二）直流伺服电动机的速度控制方法（熟悉）
1.直流主轴电动机的速度控制方法
其中，励磁磁通Φ和转子回路电流Ia是相互独立的，可以分别进行调节，从而得到良好的静态和动态转矩控制特性。
直流主轴电动机的调速系统为双域调速系统，由转子绕组控制回路和磁场控制回路两部分组成。
在转子绕组控制回路中，通过改变转子绕组电压（即外加电压）调速，适于基本速度以下的恒转矩范围。
在磁场控制回路中，通过改变励磁电流If （即改变磁通φ）调速，为恒功率调速，适于基本速度以上的恒功率范围。
2.永磁直流伺服电动机的速度控制。
用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机多采用改变外加电压的调速方法。这种调速方法具有恒转矩调速特性、机械特性好、经济性能好等特点。
常采用的调速系统有两种，即晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。
四、交流伺服电动及其速度控制
直流伺服电动机具有优良的调速性能，但它的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制；直流电动机结构复杂，制造困难，成本高。因此，20世纪80年代中期以来，交流伺服电动机得到飞速发展，交流伺服系统正在逐步取代直流伺服系统。
（一）交流伺服电动机（掌握）
1.交流主轴电动机
是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。特点是：
（1）没有外壳，定子铁芯直接暴露在空气中，而且有轴向通风孔，以利于电动机冷却、缩小电动机体积，增大了电动机的功率。
（2）转子做成细长型，以便减小转子的转动惯量。
（3）尾部都同轴安装有脉冲发生器（或脉冲编码器）。
交流主轴电动机的功率一速度特性曲线与直流主轴电动机相类似：在基本速度以下为恒转矩区域，在基本速度以上为恒功率区域。
恒功率的速度范围只有1:3的速度比，当速度超过一定值后，功率一速度特性曲线会向下倾斜。
交流主轴电动机也具有一定的过载能力，一般能在额定负载的1.2～1.5倍负载下工作几分钟至半个小时。
【链接】直流主轴电动机一般能承受150%的过载载荷，过载时间随生产厂家而已，1~30min不等。
2.永磁同步交流伺服电动机。主要由定子、转子和检测部件三部分组成：
定子形状与普通感应电动机的定子相似，具有齿槽，内有三相绕组，外表面多呈多边形，且无外壳，这样有利于散热。
转子是永久磁铁。当定子三相绕组接上电源后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场吸引永磁转子同步旋转。
转子转速为：
式中：nr——转子转速； ns——定子旋转磁场转速； f—电源频率； Ｐ——磁极对数。
【注意】无转差率，旋转磁场的转速和永磁转子同步旋转。而交流三项异步电动机的转速还需要考虑转差率。
交流伺服电动机的性能用特性曲线和数据表来描述。其中最重要的是电动机的工作曲线，即转矩一速度特性曲线。
交流伺服电动机的机械特性要比直流伺服电动机的机械特性更硬，其直线更接近水平线。另外，断续工作区的范围更为扩大，尤其是在高速区域，这将有利于提高电动机的加、减速能力。
（二）交流伺服电动机的速度控制方法（熟悉）
1.交流主轴电动机的速度控制
广泛采用矢量控制调速。
对于交流主轴电动机而言，气隙磁通和转子电流不是独立变量，它们都是转差率S的函数，无法分开进行独立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比标量难控制得多。将交流矢量转换成标量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来控制它的转矩，称为交流矢量的直流标量化。
【拓展】矢量又有数值又有方向，如速度，加速度等；标量只有数值没有方向，如质量。交流电是有相位的，而直流电却没有。
2.永磁同步交流伺服电动机的速度控制
由同步电动机的转速计算公式可知，可以通过改变电源频率来实现调速的要求。改变频率可以采用交—直—交变频器或交—交变频器。
【链接】在第三章的直流电动机中，改变电源频率还有“变频机组”，这种方式运用很少。
第四节 工业机器人
国家标准GB/T12643－90将工业机器人定义为：
工业机器人是一种能自动定位控制，可重复编程、多功能、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。工业机器人不同于机械手。工业机器人具有独立的控制系统，可以通过编程实现动作程序的变化；而机械手只能完成简单的搬运、抓取及上下料工作，它一般作为自动机或自动线上的附属装置，工作程序固定不变。
一、工业机器人的组成和分类
（一）工业机器人的组成（熟悉）
工业机器人一般由操作机、驱动装置和控制系统三部分组成。
1.操作机。也称执行机构，由末端执行器、手腕、手臂和机座组成。
末端执行器又称手部，是操作机直接执行操作的装置。其上可安装夹持器、工具、传感器等。夹持器分为机械夹紧、磁力夹紧、液压张紧和真空抽吸四种。
2.驱动装置。驱动装置为操作机工作提供动力。按所采用的动力源分为电动、液动和气动三种类型。
3.控制系统。控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统，其功能是控制工业机器人按照要求动作。一般设计成二级计算机控制或三级计算机控制。
（二）工业机器人的分类（了解）
1.按坐标形式分。
（1）直角坐标式（PPP）。机器人末端执行器（手部）空间位置的改变是通过三个互相垂直的坐标x、y、z轴的移动来实现的。
（2）圆柱坐标式（RPP）。机器人末端执行器空间位置的改变是由两个移动坐标和一个旋转坐标实现的。
（3）球坐标式（RRP）。又称极坐标式，机器人手臂的运动由一个直线运动和二个转动组成，即沿x轴的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。
（4）关节坐标式（RRR）。又称回转坐标式，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标。
2.按驱动方式分：
（1）电力驱动。使用最多，驱动元件可以是步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。目前交流伺服电动机是主流。
（2）液压驱动。有很大的抓取能力（可抓取高达上千牛力），液压力可达7Mpa，液压传动平稳，防爆性好，动作也较灵敏，但对密封性要求高，对温度敏感。
（3）气压驱动。结构简单、动作迅速、价格低，但由于空气可压缩而使工作速度稳定性差，气压一般为0.7MPa，抓取力小（几十牛力至一百牛力）。
3.按控制方式分。
（1）点位控制。适用于上下料、点焊、卸运等作业。
（2）连续轨迹控制。采用这种控制方式的机器人，常用于焊接、喷漆和检测等作业。
【例题·单选题】（2010）在工业机器人的驱动中，使用最多的是（ ）。
A.机械驱动 B.液压驱动
C.电力驱动 D.气压驱动
『正确答案』C
『答案解析』工业机器人中，电力驱动是最多的驱动方式，主要的驱动元件可以是步进电动机、直流伺服电动机或交流伺服电动机。参见教材300页。
二、工业机器人的特性参数和技术要求（熟悉）
（一）特性参数
表5—3 工业机器人的主要特性参数
项目名称
说明
坐标形式
常用的坐标形式有直角坐标、圆柱坐标、球坐标、关节坐标等
运动自由度数
自由度数表示机器人动作的灵活程度；机器人的自由度一般少于6个，也有多于6个的（三个移动三个转动）
各自由度的动作范围
自由度的动作范围是指各关节的活动范围；各关节的基本动作范围决定了机器人操作机工作空间的形状和大小
各自由度的动作速度
各自由度的动作速度是指各关节的极限速度
额定负载
额定负载是指在规定性能范围内，在手腕机械接口处所能承受的最大负载允许值
精度
精度主要包括位姿精度、位姿重复性、轨迹精度、轨迹重复性等
（二）技术要求
1.外观和结构。工业机器人要求布局合理、操作方便、造型美观、便于维修；无漏油、漏气现象；润滑冷却情况良好；机构动动应灵活、平稳、可靠。
2.电气设备。动力线与信号线尽可能分开远离，信号线应采用屏蔽、双绞等抗干扰技术；在运动中突然停电后，恢复供电时不得自行接通；非接地处的绝缘电阻不得小于5MΩ；电子元器件一般应进行老化处理；控制柜应具有良好的通风、散热措施；电源电压波动允许±10%，频率允许50±1HZ。
3.可靠性。采用平均无故障工作时间（MTBF）及可维修时间（MTTR）作为衡量可靠性的指标。
4.安全性。安全性要求应满足《工业机器人安全规范》（GB11291－89）的规定。
三、工业机器人的编程方式（了解）
示教编程方式
手把手示教编程；示教盒示教编程
语言编程方式
动作级语言、对象级语言、任务级语言
动作级语言，是直接记述工业机器人手臂、手腕等动作的语言系统，如VAL语言。
对象级语言主要面向作业对象和装配操作，是一种以描述操作物体间关系为中心的语言系统，如AML、AUTOPASS等。
任务级语言允许使用者对任务目标直接下达指令，而不必规定任务细节，是比较高级的机器人语言。
【提示】对于重复操作型机器人，所面对的作业任务比较简单，一般采用示教编程方式编程。对于动作复杂，操作精度要求高的工业机器人（如装机器人），采用工业机器人语言编程方式编程。
第五节 FMC与FMS
一、柔性制造单元FMC（熟悉）
柔性制造单元的构成常有两种形式：
（一）托板存储库式FMC
这种 FMC 以托板交换为特征，托板可同时沿托板库的长圆形轨道运行，实现托板的输送和定位。
托板的选定和定位由PLC进行控制。
（二）机器人直接搬运式FMC由加工中心、数控机床配上工业机器人和工件传输系统组成。有些单元还包括清洗设备在内。
柔性制造单元既可以作为独立使用的加工生产设备，又可作为更大、更复杂的柔性制造系统和柔性自动线的基本组成模块。
二、柔性制造系统FMS（了解）
（一）柔性制造系统的组成
1.加工系统。由加工中心或加工中心与数控机床混合组成的加工设备。机床的配置要满足“互补”和“互替”两方面的要求。
2.物流系统。包括工件与刀具夹具的输送、装卸及仓库存储等装置。在FMS中，工件夹具的存储多用立体仓库，并由仓库计算机进行控制和管理。
3.信息流系统。该系统为协调多台机床加和物料输送的计算系统。
（二）柔性制造系统的基本功能
1.自动加工功能（包括检验、清洗等）；
2.自动搬运功能；
3.将以上两者综合起来的综合软件功能。
（三）FMS的柔性主要表现在以下几个方面：
1.随机加工能力。即同时加工一个以上零件的能力，并且工件在品种、类型、要求或数量方面有变化时，都能很好地适应。
2.容忍故障能力。机床出现故障时，可自动安排其他机床代替，工件运输系统会相应调整工件的运输路线，使之继续运行。
3.工作和生产能力的柔性。
4.系统生产纲领的柔性。
三、CIMS概述（计算机集成制造系统）
第六章 其他常见机电设备
考情分析
本章主要介绍了内燃机、熔炼设备、压力加工设备、压力容器、锅炉、起重机械等六类机电设备，内容较为丰富，难度不大。历年考分较重，容易和其他章节一起考察综合题，属于重点章节。
近年考试题型及分值分布
年份
单选
多选
综合
合计
2010
4题4分
1题2分
—
5题6分
2009
5题5分
1题2分
0.4题6分
6.4题13分
2008
5题5分
1题2分
—
6题7分
2007
5题5分
1题2分
0.6题11分
6.6题18分
本章重要考点
1.汽油机与柴油机的主要区别；
2.主要技术参数（内燃机、铸铁熔炼设备、剪板机、通用压力机、锅炉、起重机）；
3.压力容器的使用工艺条件、主要分类；
4.锅炉的分类；
5.桥式起重机、流动起重机的特点及用途。
2012年教材变化
2010年教材第311页，删除中间部分“7.按可燃混合气形成的方式分类……（如柴油机）”；
2010年教材第321页，第二段“近年来，电子控制技术在内燃机控制方面的应用迅速发展，电控汽油机正在替代传统的化油器式汽油机”改为“目前，电控汽油机已替代传统的化油式汽油机”。
2010年教材第339页，最后一段“锻锤是由重锤下落或强迫高速运动产生的动能对坯料做功，使之塑性变形的机械，它”修订为“锻锤是锻造设备的作业部件。锻造是由锻锤下落或强迫其高速运动产生动能对坯料做功，使之产生塑性形变的工艺过程。锻造设备”
第一节 内燃机
一、概述（熟悉）
热机是将燃料中的化学能转变为机械功的热力发动机。
内燃机
燃料直接在发动机内部燃烧
活塞式内燃机（往复活塞式和旋转活塞式）
燃气轮机
外燃机
燃料在发动机外部燃烧的热机
【提示】内燃机与外燃机相比，具有热效率高、体积小、起动迅速等优点，因而广泛地应用于飞机、舰船、汽车、内燃机车、摩托车、拖拉机等各种车辆上。
（一）内燃机分类
使用燃料
工作循环冲程数
气缸数和排列方式
进气方式
冷却方式
着火方式
柴油、汽油、煤气等
四、二冲程
单缸、多缸；
多缸分为直立式、卧式、V型、X型等
非增压（自然吸气）、增压
水冷、风冷
点燃式（汽油机）压燃式（柴油机）
（二）内燃机基本名词术语
1.工作循环：进气、压缩、燃烧膨胀、排气。这一系列连续的过程称为内燃机的工作循环。
2.上、下止点：活塞在气缸内作往复运动时的两个极端位置。活塞离曲轴旋转中心最远的位置称为上止点，离曲轴旋转中心最近的位置称为下止点。
3.活塞行程：上下止点之间的距离。
S＝2r
r—曲轴半径
4.气缸工作容积（气缸排量）：活塞从上止点运动到下止点所走过的气缸容积。
燃烧室容积：活塞位于上止点时，活塞顶部与气缸盖之间的容积。用V c表示。
气缸总容积：活塞位于下止点时，活塞顶部与气缸盖之间的容积。用V a表示。
显然，气缸总容积＝气缸工作容积+燃烧室容积。
5.压缩比：气缸总容积与燃烧室容积之比，表示气体在气缸内被压缩的程度。
6.工况：一般用功率和曲轴转速表示，也可用负荷与转速表示。
（三）型号
1.型号表示方法如图6-2所示。
2.型号含义
内燃机产品名称均按所采用的燃料命名，例如：柴油机、汽油机、煤气机、沼气机、双（多种）燃料发动机。
内燃机型号由阿拉伯数字、汉语拼音字母和根据气缸布置所规定的象形字符号组成。
（1）首部：产品特征代号，由制造厂自选相应字母表示，包括系列代号、换代符号和地方、企业代号。每种符号一般用一个或两个字母表示。
（2）中部：由缸数符号、气缸布置形式符号、冲程符号和缸径符号组成。气缸数和缸径用数字表示，气缸布置形式符号，V为V型布置，P为平卧型布置，多缸直列及单缸一般不标符号。四冲程不标注。
（3）后部：结构特征符号及用途特征符号分别按表6-1和表6-2的规定执行。
（4）尾部：区分符号。
表6-1 结构特征符号
符号
结构特征
符号
结构特征
无符号
F
N
C
水冷
风冷
凝汽冷却
十字头式
Z
ZL
DZ
增压
增压中冷
可倒转
表6-2 用途特征符号
符号
用途
符号
用途
无符号
T
M
G
Q
J
通用型及固定动力
拖拉机
摩托车
工程机械
汽车
铁路机车
D
C
CZ
Y
L
发电机组
船用主机右机基本型
船用主机左机基本型
农用运输车
林业机械
【注意1】首部和尾部符号根据具体情况允许不表示。由国外引进的内燃机产品，若保持原结构性能不变，允许保留原产品型号。
【注意2】最重要的是缸数、气缸直径，是必不可少的；
【注意3】排列方式中，多缸直列及单缸一般不标符号；四冲程不标，二冲程用E表示；结构特征省略表示水冷；用途特征省略表示通用型及固定动力。
举例：
柴油机
165F
单缸、四冲程、缸径65mm；风冷、通用型；
R175A
单缸、四冲程、缸径75mm；水冷、通用型；R为175产品换代符号、A为系列产品改进的区分符号。
12V135ZG
12缸、V型、四冲程、缸径135mm；水冷，增压、工程机械用。
汽油机
1E65F
单缸、二冲程、缸径65mm；风冷、通用型。
492QA
四缸、直列、四冲程、缸径92mm；水冷、汽车用；A为区分符号。
【例题·单选题】（2010）下列关于内燃机排气量的说法中，正确的是（ ）。
A.内燃机的排气量等于活塞从上止点到下止点所走过的容积
B.内燃机的排气量等于各气缸的总容积之和
C.内燃机的排气量等于各气缸燃烧室容积之和
D.内燃机的排气量等于各气缸的工作容积之和
『正确答案』D
『答案解析』活塞从上止点到下止点所走过的容积称为气缸的工作容积（气缸排量）；活塞位于上止点时，活塞顶部与气缸盖、气缸套内表面形成的空间，称为燃烧室容积；活塞位于下止点时，活塞顶部与气缸盖、气缸套内表面形成的空间，称为气缸总容积；对于多缸内燃机而言，各气缸工作容积的总和称为内燃机工作容积或内燃机的排量。参见教材311页。
二、内燃机工作原理（了解）
（一）四冲程内燃机工作原理
1.进气冲程。工作时进气门打开，排气门关闭，活塞由上止点运动到下止点，曲轴旋转180°，新鲜气体吸入气缸。
2.压缩冲程。在进气终了，内燃机的进、排气门均关闭，气缸形成封闭系统，活塞开始向上运动，活塞由下止点运动到上止点，曲轴旋转180°，将气缸内的气体压缩，压力和温度均有很大提高。
3.做功冲程。由于内燃机燃料燃烧，使缸内气体压力和温度急剧提高。气缸内高温高压气体膨胀做功，推动活塞由上止点运动到下止点，曲轴旋转180°。膨胀功经连杆由曲轴输出，从而把燃料的热能变为机械功。
4.排气冲程。为了使能量转换过程连续地进行下去，缸内气体在膨胀做功以后，排气门打开活塞由下向上运动，将废气从排气门排出。内燃机经过进气、压缩、膨胀和排气过程，完成一个工作循环。当活塞再次由上向下运动时，又开始了下一个工作循环。
【总结】由此可见，四冲程内燃机在一个工作循环的四个行程中，只有一个行程是做功的，其余三个行程是做功的准备行程。因此单缸内燃机曲轴每转两周只有半周是由膨胀气体的作用使曲轴旋转，其余一周半则靠惯性维持转动，所以曲轴转速是不均匀的。
在多缸四冲程内燃机中，每个气缸的工作过程是相同的，但是所有气缸的做功行程并不同时发生，如四缸内燃机，曲轴每转半周便有一个气缸在做功。这样内燃机气缸数增多，不仅功率增加，工作转速也更加平稳。
（二）柴油机增压
增压器按照增压的程度不同，可分为低增压器、中增压器、高增压器和超高增压器；
按驱动增压器的动力不同，可以分为废气涡轮增压器、机械增压器和复合增压器。其中，应用最多的是废气涡轮增压。
废气涡轮增压内燃机可以增大功率、降低了耗油量率，提高了经济性、有利于改善内燃机的排放。
但是内燃机增压后增加了内燃机机械负荷和热负荷；在性能上要求内燃机与增压器有良好的配合；同时由于增压器转速很高，对其材料和制造工艺也要求较高。
【资料】单就效率而言，涡轮增压系统能以“倍数”来提升引擎动力输出，在1988年F1赛车禁止使用增压发动机之前，排量1.5升的涡轮增压发动机可以产生1200匹的马力。远远超过了如今F1赛车3升自然吸气式发动机的900匹马力。
【例题·单选题】（2008）下列关于四冲程柴油机的说法中，正确的是（ ）。
A.六缸柴油机曲轴每转六分之一周便有一个气缸做功
B.柴油机活塞从下止点压缩燃油混合气到达上止点附近时自行着火燃烧
C.柴油机的气缸数量越多转速越高
D.在四个冲程中，有两个冲程进气门和排气门同时处于关闭状态
『正确答案』D
『答案解析』对于一个气缸而言，曲轴每旋转两周，就会做功一次，对于六缸柴油机来说，曲轴每旋转三分之一周，便有一个气缸做功，所以选项A错误；柴油机压缩的主要是空气和上循环剩余的废气，当活塞达到上止点附近时，缸内气体的压力、温度都很高，适时地喷入柴油，在缸内形成可燃混合气并自行着火燃烧，所以选项B不正确；柴油机转速的快慢和气缸中曲柄旋转的快慢有关，即活塞的行程速度有关，而与气缸的多少无关，所以选项C不正确；在四个冲程中，压缩和燃烧两个冲程的进气门和排气门同时关闭，所以选项D正确。
三、内燃机总体结构（熟悉）
（一）曲柄连杆机构
主要运动部件，作用是将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动，将作用在活塞上的燃气压力变为扭矩通过曲轴输出。
活塞组
活塞、活塞环（气环和油环）、活塞销
活塞顶部与气缸盖、气缸共同组成燃烧室。活塞的主要作用是承受气缸中气体的作用力，并将此力通过活塞销传递给连杆，以推动曲轴旋转。
连杆组
连杆、连杆盖、连杆轴瓦、连杆螺栓
将活塞承受的力传给曲轴；并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。
曲轴飞轮组
曲轴、飞轮、附件
承受连杆传来的力，并转换成绕曲轴轴线的转矩，以输出所需要的动力。
（二）固定件：由机体、气缸盖、气缸垫、气缸套和油底壳等组成。作为内燃机的骨架，用来安装和支撑运动部件和辅助系统。
（三）配气机构：由凸轮轴、推杆、挺柱、摇臂、气门等组成。
（四）燃料供给系统：
柴油机燃料供给系统主要由油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等组成，其功用是定时、定量、定压地向燃烧室喷入柴油，并创造良好的燃烧条件，满足燃烧过程的需要。
汽油机燃料供给系统主要有两种：化油器式燃油供给系统和电控燃油喷射系统。
化油器式燃料供给系统主要由油箱、输油泵、滤清器、化油器等组成功用是将汽油和空气按比例形成的可燃混合气连续地供给气缸，以满足混合气形成、燃烧过程的需要。汽油机电控燃料供给系统通过喷油器，定时、定量地把汽油喷入进气道或气缸中，使发动机在各种情况下都能获得最佳浓度的混合气。
电控柴油机喷射系统由传感器、控制器和执行器组成。
传感器
实时检测柴油机运行状态、使用者的操作思想及操作量等信息，并输送给控制器。基本传感器有：柴油机转速传感器、齿杆位移传感器及喷油提前角传感器等
控制器
其核心部分是计算机，它负责处理所有信息，执行程序，并将运行结果作为控制指令输出到执行器。它还有通信功能，与其他控制系统进行数据传输和交换，输送出必要的信息；同时，根据其他系统的实时情况，修改燃油系统的执行指令，适当修正喷油量、喷油提前角等。
执行器
根据控制器送来的执行指令，驱动调节喷油量及喷油定时的相应机构，从而调节柴油机的运行状态。
（五）冷却系统：由气缸、气缸盖、水泵、散热器等组成。
（六）润滑系统：由机油泵、机油滤清器、机油散热器、各种阀等组成。
（七）点火系统：是汽油机、煤气机等所特有的系统。
传统汽油机采用火花塞点火，点火系统主要由火花塞、点火线圈、分电器和蓄电池组成，其功用是在预定的时刻及时点燃气缸内的可燃混合气。
现代汽油机采用电控点火定时和爆燃控制，可使汽油机在不产生爆燃的条件下，在各种工况下实现最佳控制，最大限度地提高汽油机的扭矩和功率。
（八）启动系统：由启动电动机、蓄电池、启动按钮和导线组成。
四、汽油机和柴油机的主要区别（掌握）
柴油机：燃料在压缩终点前喷入气缸，在气缸内部混合，称为内部形成混合气。
汽油机：燃料和空气在气缸外部先混合好再进入气缸，称为外部形成混合气。
柴油机：空气在气缸内被压缩，产生高温、高压，使燃料自行燃烧，称为压燃式。
汽油机：利用火花塞产生的电火花将燃料点燃，称为点燃式。
此外，在压缩比、扭矩、热效率、转速和功率范围等方面，也有差别。
表6—3 汽油机与柴油机主要不同点的比较
项目
柴油机
汽油机
进气
纯空气
汽油与空气的混合气
点火方法
利用压缩空气的高温自燃点火（压燃）
现代汽油机广泛采用电控点火定时技术（点燃）
燃料的雾化与混合气的形成方法
柴油在燃烧室内由喷油器雾化，与被压缩的高温空气混合；采用电控喷射，可优化喷油规律及喷油量
采用电控喷射技术，定时、定量地把汽油喷入进气道或气缸中，可获得最佳浓度的混合气
压缩比
较高
较低
扭矩
低速时扭矩较大
高速时扭矩较大
机体结构
因燃烧压力高，机件强度大，构造坚固，较笨重
因燃烧压力低，机件强度低，构造轻巧
热效率
较高
较低
适于功率范围
适用于大、中和小功率
适用于中、小及微型功率
转速
较低
较高
五、内燃机主要性能指标（掌握）
动力性能参数是扭矩与功率；经济性能参数是热效率与燃料消耗率。
（一）输出扭矩：曲轴上输出的扭矩。
（二）有效功率：单位时间对外所做的功。
有效功率是内燃机的主要性能指标之一。
内燃机功率标定是制造企业根据内燃机的用途、寿命、可靠性及使用条件等要求，人为地规定该产品在大气条件下所输出的有效功率及相应的转速，被称为标定功率及标定转速。我国国家标准规定，内燃机功率分为以下四级：
15分钟功率
允许连续运行15分钟的最大有效功率，适用于较大功率储备或需要瞬时发出最大功率的汽车、军用车辆、快艇等用途的内燃机。
1小时功率
允许连续运行1小时的最大有效功率，适用于需要一定功率储备，以克服突增载荷的工程机械、内燃机车、大型载货汽车、船舶等用途的内燃机。
12小时功率
允许连续运行12小时的最大有效功率，适用于在12小时内连续运转，而且要充分发挥功率的拖拉机、农业排灌、内燃机车、移动式发电机组等用途的内燃机。
持续功率
该功率为内燃机允许长时间连续运行的最大有效功率，适用于需要长期连续运转的固定动力、排灌、船舶、电站等的内燃机。
【提示】除持续功率外，其他几种功率均具有间歇性工作的特点，故被称为间歇功率。
（三）有效燃料消耗率（比油耗）：1小时内，发出1千瓦的功率所消耗的燃料（克）。
（四）有效热效率
转换成有效功的热量与所消耗燃料热量的比值。
一般来说：
高速柴油机的热效率在0.36～0.40
中速柴油机的热效率在0.38～0.45
低速柴油机的热效率在0.40～0.48
汽油机的热效率在0.25～0.36
增压内燃机偏于高值。
【结论】柴油机中，高速的低于低速的；汽油机低于柴油机；非增压低于增压的。
【例题·单选题】（2007）内燃机的热效率是一项重要的经济指标，在一般情况下（ ）的热效率较高。
A.高速柴油机
B.中速柴油机
C.低速柴油机
D.汽油机
『正确答案』C
『答案解析』对于内燃机来说，通常情况下，高速的热效率低于低速的，汽油机低于柴油机，非增压的低于增压的。
六、燃气轮机（熟悉）
（一）特点和用途
功率大，重量轻，体积小，振动噪声小，维修方便；但热效率低。是新型舰船动力装置，在航空上，也占据了绝对优势。
（二）基本结构及作用原理
燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部分组成。
1.压气机：在压气机中进行的是压缩过程。作用是完成吸气和压缩过程。提高工质（气体）的压力。
压气机有轴流式和离心式两种基本类型。
轴流式：空气沿着与轴线平行的方向流动。它的特点是流量大、效率高。
离心式压气机中，空气沿着半径方向流动。与轴流式相比，流量小，效率低。
【注意】单级离心式压气机结构简单、外形短、重量轻。且小尺寸的压气机，离心式的效率反而比轴流式高。
所以，航空和大型燃气轮机中以轴流式压气机为主，而小型燃气轮机以离心式压气机为主。
2.涡轮：作用是将燃气的热能和压力能转换为轴上的机械功。
涡轮分为轴流式蜗轮和径流式蜗轮两类。
和离心式（径流式）相比，轴流式在大流量的情况下，效率较高，应用广泛。
3.燃烧室：燃烧室中进行的是燃烧过程，将增压后的空气同燃料进行混合和燃烧，通过燃烧把燃料的化学能以热的形式施放出来。
燃烧室由外壳、火焰管、涡流器、喷油嘴、混合器组成，有圆筒形、管形、环形三类
燃料：可用煤油、柴油、重油、原油、天然气等。
第二节 金属熔炼设备
熔炼目的：获得预定成分和一定温度的金属液，并尽量减少金属液中的气体和夹杂物，提高熔炼设备的熔化率，降低燃料消耗，以达到最佳的技术经济指标。
一、铸铁熔炼设备（掌握）
主要有冲天炉、反射炉、工频感应炉等。其中，冲天炉简单、操作方便、熔化率高、成本低，应用广泛。
（一）冲天炉的结构
冲天炉由炉身、烟囱、炉缸和前炉组成。
加料口以下，主风口以上部分，称为炉身；高于加料口的部分，称为烟囱；主风口以下至炉底部分为炉缸；前炉是储存铁水和排渣用。
冲天炉生产率是用每小时能熔化多少吨铁水表示，通常为0.5～30吨/小时（t/h），最常用的为1.5～10吨/小时（t/h），炉子内径越大，其生产率越高。
（二）冲天炉的熔化过程
金属炉料：新生铁、回炉铁、废钢、铁合金。
炉料熔化后，含碳量增高，硅、锰因烧损而减少，磷基本不变，硫含量增大。
所以，脱硫是熔化过程中的重要问题。
（三）生产技术经济指标
1.铁水出炉温度1400～1500℃，在燃料消耗相同的条件下，温度越高，经济效果越好。
2.熔化率（生产率）：每小时熔化的铁水t/h（吨/小时），反映熔化能力，公称熔化率系列为2、3、5、8、10。
熔化强度：每平方米炉膛面积每小时熔化金属炉料的重量。
Q熔化率，A冲天炉内熔化带断面面积。
一般在q＝6～9t/m2.h，也有超过9t/m2.h的。
3.燃料消耗率：用铁焦比α或焦炭消耗率β表示。
国内，冲天炉的铁焦比α一般为8～10，即，焦炭消耗率β为10%～12.5%。
二、铸钢熔炼设备（熟悉）
氧化还原反应发生在钢液内、炉渣内、钢液与炉渣间、炉渣与炉气间，炉渣与炉衬间。
常用的设备：一般工厂为了生产铸钢件，采用电弧炉（容量为0.5～20t）和感应电炉做为铸钢熔炼设备。
（一）电弧炉：依靠石墨电极与炉料之间产生的电弧发热进行冶炼。炉温可达2000℃。
酸性炉衬：价格便宜、寿命长、生产率高，但不能去除硫、磷。
碱性炉衬：可以去除硫、磷，冶炼优质钢，但成本高。
最大优点是热效率高达75%。缺点是钢液吸收氢气。
（二）感应电炉
工作原理：当工频电流通过感应线圈时，金属炉料在交变磁场作用下，表面层产生感应电流（称为涡流）而发热，使金属熔化并过热达到所需温度。
感应电炉热效率为60%左右。
感应电炉的优点在于钢中元素烧损率较低，可以制得含气少、非金属夹渣少、含碳低、合金元素损失少的各种优质钢；其熔炼速度快，能源损耗少，易于实现真空熔炼，适用于中、小型铸钢件熔炼。
缺点是炉渣的温度较低，故其冶金化学反应能力较差，使得炼钢中的
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