內(nèi)燃機原理第一章

內(nèi)燃機原理主講：肖平職稱：副教授院系：機械學院《發(fā)動機原理》課程教學大綱

一、課程編號二、學時和學分

30學時三、先修課程

熱力學、流體力學、動力機械基礎、渦輪增壓器原理等四、課程教學目標本課程屬于熱能與動力工程專業(yè)動力機械專業(yè)方向的專業(yè)主干課程。本門課程的教學目標，旨在使學生獲得發(fā)動機工作原理、現(xiàn)代發(fā)動機清潔燃料、排放控制及電控應用技術(shù)方面的必備知識，掌握提高發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和降低有害排放物的基本方法。培養(yǎng)學生綜合所學知識進行發(fā)動機性能設計與研究的能力。第一章緒論第二章發(fā)動機的工作指標與性能分析第三章發(fā)動機的工作循環(huán)第四章內(nèi)燃機的換氣過程第五章內(nèi)燃機混合氣的形成和燃燒第六章內(nèi)燃機的代用燃料第七章內(nèi)燃機的燃料供給與調(diào)節(jié)第八章內(nèi)燃機污染物的生成與控制第九章內(nèi)燃機的使用特性與匹配第十章內(nèi)燃機動力學第十一章內(nèi)燃機的概念設計五、

課程內(nèi)容(1)課內(nèi)講授：30學時

1）內(nèi)燃機排放氣體分析試驗；(2)實踐環(huán)節(jié)：發(fā)動機原理試驗（4學時）3）內(nèi)燃機油耗檢測試驗；2）柴油機排放氣體煙度檢測試驗；4）試驗地點：汽車綜合性能測試實驗室內(nèi)燃機是將燃料燃燒釋放出來的熱能轉(zhuǎn)化為機械能的一種動力裝置。由于燃料燃燒在發(fā)動機氣缸內(nèi)部進行，故稱為內(nèi)燃機。

第一講緒論1－1內(nèi)燃機簡史p11784年英國發(fā)明家J·瓦特(J.Watte)發(fā)明了蒸汽機。這是一個劃時代的重大發(fā)明，拉開了產(chǎn)業(yè)革命的序幕。德國人N·A·奧托(N.A.Otto)和R·狄賽爾(R.Diesel)提出的內(nèi)燃機循環(huán)，于1876年和1897年分別推出了汽油機和柴油機，為現(xiàn)代內(nèi)燃機的發(fā)展奠定了基礎。這是繼蒸汽機之后發(fā)動機發(fā)展的又一個里程碑。內(nèi)燃機問世至今一百余年來，經(jīng)過前人艱辛的勞動與無數(shù)次的改進，其性能已達到一個較高的技術(shù)水平，主要表現(xiàn)在：A、經(jīng)濟性：內(nèi)燃機是所有熱機中熱效率最高的原動機。

現(xiàn)代高性能車用柴油機的循環(huán)熱效率已達40%以上；超長行程二沖程船用柴油機的循環(huán)熱效率甚至可高達50%以上(比油耗150g/(kW·h))；車用汽油機的有效熱效率也可達33%左右。功率覆蓋面大，檔次比較齊全

單機功率從小于1kW的汽油機到66000kW的船用柴油機；

B、動力性：轉(zhuǎn)速范圍寬，能滿足各種配套機具的需要。

從轉(zhuǎn)速只有70r/min的SulzerRTA68低速船用柴油機，到9000r/min的波爾舍V8—3000高速賽車汽油機，車用柴油機的轉(zhuǎn)速也可高達5000r/min(哥爾夫轎車柴油機)。

C、運轉(zhuǎn)特性

正因為上述優(yōu)勢，內(nèi)燃機的應用在所有熱機中一直居于領先地位，無論是過去還是現(xiàn)在，均廣泛應用于國民經(jīng)濟和國防建設(陸、海、空軍的動力裝備)的各個領域。從農(nóng)業(yè)機械、汽車、摩托、賽車、工程機械、機車、戰(zhàn)車、電站、艦艇和民用船舶，乃至于飛機都廣泛采用內(nèi)燃機，特別是在水陸交通運輸和農(nóng)用動力中占有壓倒優(yōu)勢。內(nèi)燃機作為一種科技產(chǎn)品歷時百余年，經(jīng)久不衰，現(xiàn)在還充滿發(fā)展活力，無可替代地邁入21世紀。4）新中國成立后，內(nèi)燃機工業(yè)得到了恢復與發(fā)展。1－2中國內(nèi)燃機工業(yè)發(fā)展簡史一，內(nèi)燃機工業(yè)的創(chuàng)建階段1）1901年外國內(nèi)燃機作為商品進入中國市場；2）1908年均和安機器廠和協(xié)同和機器廠開始生產(chǎn)內(nèi)燃機；3）1929年我國制造出第一臺功率為26.47KW雙缸柴油機。4）在廢氣渦輪與增壓柴油機方面，1958年新中動力機廠成功研制成功我國第一臺軸流式排氣渦輪增壓器的柴油機。二，建設內(nèi)燃機工業(yè)體系階段1）1958～1966年，內(nèi)燃機工業(yè)發(fā)展迅速；上海柴油機廠試制成功多用途柴油機。2）1959年建成了洛陽第一拖拉機廠，生產(chǎn)東方紅54型履帶式拖拉機。3）在大功率柴油機方面，我國自行設計了12V180型車用柴油機等。2）近百年來，我國內(nèi)燃機工業(yè)取得了長足的進步，截止2001年底，我國內(nèi)燃機總產(chǎn)量已達2.5億kW，品種、數(shù)量可滿足國民經(jīng)濟日益增長的需要。三，內(nèi)燃機工業(yè)體系的形成與發(fā)展的新階段1）1979年后，內(nèi)燃機工業(yè)進行了一系列調(diào)整整頓工作，通過引入市場機制，推行全面質(zhì)量管理，引進國外先進技術(shù)和對企業(yè)進行技術(shù)改造等，我國內(nèi)燃機的技術(shù)水平有了明顯提高。這一時期是我國內(nèi)燃機發(fā)展史上的鼎盛時期，引進與開發(fā)了很多的新產(chǎn)品。1－3內(nèi)燃機的應用與分類內(nèi)燃機的種類很多，它們可以按如下不同方式分類：1）按燃料分：汽油機、柴油機、天然氣發(fā)動機、液化石油氣發(fā)動機、酒精發(fā)動機、雙燃料發(fā)動機等。2）按缸內(nèi)著火方式分：壓燃式、點燃式；3）按沖程分：四沖程、二沖程；4）按活塞運動方式分：往復活塞式、旋轉(zhuǎn)活塞式；5）按汽缸數(shù)分：單缸、多缸；10）按燃燒室設計分：開式燃燒室、分隔式燃燒室。

6）按冷卻方式分：液體冷卻、空氣冷卻、復合冷卻。7）按轉(zhuǎn)速分：低速、中速、高速；8）增壓程度：非增壓、增壓（底增壓、中增壓、高增壓、超高增壓）9）按混合氣準備方式分：化油器式、進氣管或進氣道噴射、缸內(nèi)直接噴射。

現(xiàn)在能源問題已是世界矚目的問題，能源危機將日益深化；環(huán)境污染日趨惡化，已引起人們的嚴重關(guān)注和不安，能源與環(huán)境已成為21世紀制約經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。在實現(xiàn)經(jīng)濟目標的同時，保持潔凈環(huán)境將是各國面臨的一大挑戰(zhàn)。

◆內(nèi)燃機面臨能源與環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)

1993年，我國已由石油出口國變成了石油凈進口國。2000年，我國石油需求的缺口達到4000萬t,到2010年需求缺口將達到9000萬t左右，這就是我國在21世紀所面對的能源形勢。內(nèi)燃機正面臨著節(jié)約能源、提高能源利用率的嚴峻挑戰(zhàn)。

能源挑戰(zhàn)環(huán)境問題是當代人類面臨的四大社會問題(糧食、人口、環(huán)境、能源)之一。大氣污染是環(huán)境污染最重要的一個方面，也是控制與治理較為困難的一面。城市人煙稠密，大氣污染尤為嚴重，在城市大氣污染中，內(nèi)燃機的有害物排放量約占60％以上，因此，內(nèi)燃機排放是城市大氣環(huán)境的主要污染源。隨著汽車保有量的增加，城市大氣環(huán)境污染程度有增無減，已經(jīng)成為我國城市環(huán)境治理中的重中之重。為了控制大氣污染，美國、日本、歐共體各國都制定了嚴格的內(nèi)燃機排放法規(guī)。如表1－1所示的為歐洲現(xiàn)行排放標準。表1－2所示的是我國車用柴油機的排放標準限值。環(huán)境挑戰(zhàn)表1－1歐洲車用柴油機排放標準g/kW?h，煙度單位

實施時間COHCNOxPM煙度歐Ⅰ：19924.51.18.0≤85kW,0.612＞85kW,0.360歐Ⅱ：1996.104.01.17.00.251998.104.01.17.00.15歐Ⅲ：1999.10（僅EEVs）1.50.252.00.020.152000.102.10.665.00.10/0.13*0.8歐Ⅳ：2005.101.50.463.50.020.5歐Ⅴ：2008.101.50.462.00.020.5注：*－用于每缸排量小于0.75升和額定功率轉(zhuǎn)速高于3000r/min的發(fā)動機表1－2我國車用柴油機排放標準g/kW?h實施時間COHCNOxPM≤85kW＞85kW歐Ⅰ:2000.10.14.51.18.00.610.36歐Ⅱ:2005.10.14.01.17.00.150.15

隨著能源短缺和環(huán)境污染的日趨嚴重，內(nèi)燃機正面臨著排氣凈化法規(guī)和燃油耗法規(guī)進一步強化的嚴峻挑戰(zhàn)，從而促進了各種基礎研究和應用研究的開展?！魞?nèi)燃機當前的發(fā)展水平內(nèi)燃機經(jīng)歷一百余年的發(fā)展，有兩個重要的發(fā)展階段是具有劃時代意義的：一是20世紀50年代初興起的增壓技術(shù)在內(nèi)燃機產(chǎn)品上的廣泛應用（機械增壓、渦輪增壓）。二是20世紀70年代開始的電子技術(shù)及計算機在內(nèi)燃機研制中的應用，這兩個發(fā)展趨勢至今都方興未艾。一、內(nèi)燃機綜合性能的進展2.在Pe=3000～7500kW較大型內(nèi)燃機中，四沖程柴油機在生產(chǎn)成本上優(yōu)于二沖程柴油機，而油耗二者不相上下，1.在中、低速大型動力裝置中幾乎毫無例外地采用柴油機。(一)用于機車、船舶及固定式裝置的中、低速柴油機3.在Pe=7500～66000kW范圍內(nèi)，低速長行程或超長行程二沖程柴油機在近10年中得到了發(fā)展，n=200-60r/min以下時，具有倒車直接耦合能力，適用于直接驅(qū)動船舶螺旋槳，從而可提高推進效率。4.中速四沖程柴油機大修期達t=12000～15000h；中速強載柴油機m=1.36kg/kW。汽油機仍是汽車發(fā)動機的傳統(tǒng)機型，由于其升功率高、工作柔和平穩(wěn)、噪聲低、比容積小和比質(zhì)量輕，所以在轎車和輕型車上占有優(yōu)勢。在油耗方面，由于多氣門技術(shù)和燃油噴射系統(tǒng)的采用，目前小轎車汽油機的燃油消耗較過去有較大幅度的降低。目前歐洲和日本小轎車的百公里平均油耗一般在5.5～6.5L之間，部分機型甚至達到了5L以下，而且各汽車公司還正在為研制成油耗為3L/100km的小型轎車而努力。(二)高速車用發(fā)動機1.車用汽油機在載貨車的運行費中，燃料費約占70％，通常柴油車的運行油耗比汽油機車要低(30～40)％，可達到小于200g/kW.h。近年來發(fā)展趨勢是大量發(fā)展柴油車，車用柴油機的發(fā)展趨勢有如下幾個特點：小排量內(nèi)燃機的柴油機化、直噴化及其向轎車領域的擴展；分開式燃燒室柴油機的直噴化；直噴式柴油機的(渦輪)增壓化；渦輪增壓直噴式柴油機再加進氣中冷器；電子控制技術(shù)的應用等。2.車用柴油機小缸徑系列機型也采用直噴燃燒方式，把經(jīng)濟性放在首位，在整機性能上已有較大提高，以滿足用戶的需要。

22kW級的代表機型為久保田公司的KND3200型柴油機；洋馬公司的HS95型柴油機；久保田公司的E70型柴油機。(三)小型通用柴油機1950年增壓技術(shù)才開始在柴油機上采用并作為產(chǎn)品提供市場。50年代，增壓度約為50％，四沖程機的平均有效壓力約在0.7～0.8MPa之間，無中冷，處于一個技術(shù)水平較低的發(fā)展階段。二、增壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在，大功率柴油機已是“無機不增壓”，國外車用柴油機60％以上為增壓機型，車用汽油機采用渦輪增壓或機械增壓的機型也逐年增多，增壓技術(shù)對內(nèi)燃機性能的提高起了劃時代的作用。目前增壓比可達到單級5以上，超高增壓系統(tǒng)單級可達到10以上，平均有效壓力可達3.3MPa以上，功率可提高2～4倍，油耗也可大大降低。渦輪增壓技術(shù)在車用發(fā)動機領域中的應用日益擴大，特別是近十幾年來的發(fā)展更為迅速，車用發(fā)動機增壓器在設計、制造和材料等方面都得到了長足發(fā)展。20世紀70年代開始的電子技術(shù)在內(nèi)燃機上的應用具有劃時代的意義。進入90年代，內(nèi)燃機電控技術(shù)已有了很大的發(fā)展，其主要目標是保持內(nèi)燃機各運行參數(shù)的最佳值，以求得內(nèi)燃機功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，并監(jiān)視運行工況。三、電子控制技術(shù)的應用內(nèi)燃機采用電子控制，已達到接近理想的最佳控制運行的程度，因而增大了在現(xiàn)代內(nèi)燃機上的使用價值。共軌式噴油系統(tǒng)不再采用傳統(tǒng)高壓油泵脈動供油的原理,而是通過高壓共用管道，或共軌蓄壓式或液力增壓式形成高壓。采用壓力時間式燃油計量原理，用電磁閥控制噴射過程。共軌式噴油系統(tǒng)是20世紀80年代末期才開始研制的新型高壓噴射系統(tǒng),與電控技術(shù)緊密結(jié)合，其特點是在整個柴油機運行范圍內(nèi)噴油壓力有較大柔性，可以預噴,p=100-200MPa。在今后5～10年內(nèi)將取代部分直列泵而獲得大的發(fā)展?，F(xiàn)有柴油機在改用共軌式噴油系統(tǒng)時，結(jié)構(gòu)上改動不大，其應用前景將十分廣闊。四、柴油機共軌式電控噴油系統(tǒng)

現(xiàn)代內(nèi)燃機產(chǎn)品已不是傳統(tǒng)意義上的機械產(chǎn)品，它將機械與電子技術(shù)融為一體，形成技術(shù)密集型的高科技產(chǎn)品。汽車是內(nèi)燃機的主要市場，全球各大汽車廠激烈角逐環(huán)保型汽車，GM公司首先推出了柴油/電動汽車，其后豐田公司也推出了汽油/電動汽車搶先在日本上市，這種混合動力汽車已表現(xiàn)出良好的燃油經(jīng)濟性和超低污染排放的性能。純電動汽車是努力追求的目標，但高效電池、價格、使用方便性等是亟待解決的困難問題，這種零污染車的上市還尚待時日?！裘嫦?1世紀的內(nèi)燃機一、21世紀內(nèi)燃機發(fā)展的展望新技術(shù)、新材料、新工藝將為內(nèi)燃機的發(fā)展帶來新的機遇?，F(xiàn)代設計方法發(fā)展很快，計算機技術(shù)、現(xiàn)代設計理論、現(xiàn)代計算方法、知識工程、圖形學等多個學科、多種技術(shù)的交叉、融合，發(fā)展了CAD、CFD、FEA、CAE、CAT、CAPP等設計、計算、分析方面的現(xiàn)代技術(shù)方法，使這些方法在內(nèi)燃機設計中的應用成為可能，進而發(fā)展概念設計、虛擬設計，使設計更趨合理、更加完善，達到設計最佳化，這是內(nèi)燃機技術(shù)今后發(fā)展的重要方面。

新材料的發(fā)展和應用必將促進內(nèi)燃機產(chǎn)品的巨大進步，這是不容置疑的。結(jié)構(gòu)陶瓷材料在內(nèi)燃機上的應用、陶瓷內(nèi)燃機、陶瓷渦輪對提高內(nèi)燃機受熱零件的耐熱、耐磨性能，提高零件的熱強度，減少熱損失，提高熱效率，減輕重量，改善瞬態(tài)特性等，都表現(xiàn)出明顯的效果。此外，像陶瓷/金屬復合材料、金屬復合材料、耐熱高強度塑料、