第01章 华科内燃机原理绪论

1、一、课程名称 发动机原理（Principles of Internal Combustion Engine）二、课程编号 822181三、学时和学分 40学时，2.5学分四、课程教学目标 本门课程的教学目标，旨在使学生获得发动机工作原理、现代发动机清洁燃料、排放控制及电控应用技术方面的必备知识，初步掌握提高发动机动力性、经济性和降低有害排放物的基本方法。培养学生综合所学知识初步进行发动机性能设计与研究的能力。五、基本教学内容与学时安排第一章 绪论（2学时）第二章 内燃机的工作循环（4学时）第三章 内燃机的工作指标与性能分析（4学时）第四章 内燃机的燃烧（10学时）第五章 内燃机的燃料与燃料供给

2、（8学时）第六章 内燃机的换气过程（4学时）第七章 内燃机的排放与控制（4学时）第八章 内燃机的运行特性（4学时）时间：1784年人物：J瓦特（ J.Watte ）国籍：英国事件：发明了蒸汽机意义：这是一个划时代的重大发明，拉开了产业革命的序幕， 从18世纪80年代开始，人类进入蒸汽机时代。时间：1876年和1897年人物：NA奥托（ N.A.Otto ）和R狄赛尔（ R.Diesel ）国籍：德国事件：提出了内燃机循环，分别推出了汽油机和柴油机。意义：为现代内燃机的发展奠定了基础， 这是继蒸汽机之后发动机发展的又一个里程碑。热机、外燃机及内燃机的定义a. 将燃料燃烧所产生的热能转变为机械能的

3、装置叫做热机。根据燃料燃烧过程所处地点不同，热机又分为外燃机和内燃机两大类。b. 燃料的燃烧和热能的释放都在发动机气缸外部发生，水蒸气被用来作为热能转为机械能的工质的热机就叫做外燃机，如蒸汽机、汽轮机等。c. 燃料直接在发动机气缸内部进行燃烧，且发动机的工质就是燃料燃烧后的产物的热机称为内燃机，如汽油机、柴油机、煤气机及燃气轮机等。外燃机内燃机蒸汽机汽轮机热机汽油机柴油机煤气机内燃机的分类a. 内燃机结构型式很多，根据基本工作原理可分为往复活塞式内燃机、旋转活塞式内燃机和燃气轮机等。其中以往复活塞式内燃机的使用最为广泛，所以，常讲的“内燃机”系指这种形式。b. 根据着火方式、燃料类别、冲程数和

4、进气状态等的不同，内燃机又常常分为各种不同的类型。（1）按着火方式可分为：压燃式与点燃式内燃机；（2）按使用燃料的不同又可分为：汽油机、柴油机、煤气机、多种燃料发动机；（3）按冲程数分为：四冲程内燃机和二冲程内燃机之别；（4）按进气状态的不同可分为：增压内燃机和非增压（自然吸气式）内燃机；（5）按照气缸数分为：单缸机和多缸机；（6）按照气缸排列方式分为：直列式、V型式、W型式、星型式、对置式等。V型发动机水平发动机直列发动机转子发动机内燃机对社会发展的推动作用 内燃机出现于19世纪，发展、应用于20世纪，对20世纪的发展起到了重要的作用。 20世纪社会的发展和进步是全方位、多层面的。而交通的现

5、代化对20世纪的发展起了至关重要的作用。蒸汽机时代20世纪40年代内燃机时代发达的交通运输畅通的物资流通广泛的文化科技交流20世纪的飞速发展（1）汽车a.汽车是使用内燃机最早的交通工具，早在1886年德国人G本茨（ G.Benz ）就发明了世界上第一辆内燃机汽车。b .汽车作为产品，汽车工业作为一个产业，带动其他产业和工业门类的发展，并促进整个国民经济的发展，是在20世纪，所以，汽车被列入20世纪的重大科技发明。汽车是现代物质文明的重要标志，汽车工业是国民经济的支柱产业，规模宏大，发展极快。图1-1 1885年本茨制造的装有汽油机的三轮汽车图1-2 1885年戴姆勒制造的装有汽油机的自行车图1

6、-3 1886年戴姆勒制造的装有汽油机的四轮汽车图1-4 1908年开始生产的美国福特T型轿车图1-5 德国大众公司的甲壳虫式轿车内燃机与汽车的关系 内燃机是汽车的“心脏”，汽车与内燃机相互依存，共同发 展，汽车性能的好坏、汽车工业的兴衰，与内燃机的发展息息相关。20世纪一百年来，汽车产品的巨大进步，首先缘于内燃机工业强劲发展的推动，同时又促进了内燃机自身的发展。没有内燃机的发展就没有汽车的发展，这就是汽车发展历史的结论。汽车发展至今，内燃机仍是现代汽车的最佳原动机。出于能源和环保的需要，尽管现在有电动汽车、太阳能汽车、混合动力汽车、天然气汽车等各种动力源汽车的研制与开发，但受技术、成本、实用

7、性等多 方面因素的制约，至21世纪中叶，内燃机在汽车动力中的主导地位不会有大的改变。 在世界各国中，铁路是主要的交通干线，特别是内陆国家，铁路承担着最大的运输量。机车使用蒸汽机长达一个半世纪以上，直至20世纪50年代才最终为内燃机所取代。（3）船舶 船舶是水上交通的重要交通工具。如机车一样，轮船也是最早使用蒸汽机的交通工具之一。但随着内燃机技术的不断发展及其产品性能的不断提高，船舶柴油机逐渐取代了蒸汽机。就世界范围而言，20世纪40年代以后，新建的商船已再没有蒸汽机船了。根据过去的统计资料，以柴油机作为主机的船舶占世界年造船总量的98%左右，可见内燃机是现代船舶最主要的动力装置。 （4）飞机

8、1903年，美国赖特兄弟试飞以汽油机作为动力的飞机取得成功，这是人类第一次实现上天飞行的梦想，开创了现代航空之先河，具有伟大的历史意义，最近被美国时代周刊列入20世纪文化、科技领域重大事件之一载入史册，飞机也被列入20世纪的重大科技发明。由此开始，内燃机作为军用、民用飞机的动力长达半个世纪以上。直到战后航空内燃机才逐渐为燃气轮机所取代。但即使是现在，农用飞机、体育竞技用飞机，教练机、直升机仍有采用内燃机作为动力的，因此，内燃机对20世纪航空事业的发展发挥了重大的作用。 此外，内燃机还广泛应用于工业、农业、电力、国防等各个领域，是当今用量最大、用途最广、无一与之匹敌的最重要的热能动力机械，在国民

9、经济、国防建设和人们生活中发挥着重要的作用。内燃机的优越性 内燃机问世至今已有一百余年的历史，经过前人艰辛的劳动与无数次的改进，其性能已达到一个比较高的技术水平，主要表现在：A、经济性： 内燃机是所有热机中热效率最高的原动机。内燃机是所有热机中热效率最高的原动机。 现代高性能车用柴油机的循环热效率已达40%以上； 超长行程二冲程船用柴油机的循环热效率甚至可高达50%以上（比油耗150g/(KWh)）； 车用汽油机的有效热效率也可达33%左右。B、动力性： 功率覆盖面大，档次比较齐全。功率覆盖面大，档次比较齐全。 单机功率从小于1kW的汽油机到66000kW的船用柴油机。C、运转特性 转速范围宽

10、，能满足各种配套机具的需要。转速范围宽，能满足各种配套机具的需要。 从转速只有70r/min的Sulzer RTA68低速船用柴油机，到9000r/min的波尔舍V8-3000高速赛车汽油机，车用柴油机的转速也可高达5000r/min（哥尔夫轿车柴油机）。 正因为上述优势，内燃机的应用在所有热机中一直居于领先地位，无论是过去还是现在，均广泛应用于国民经济和国防建设（陆、海、空军的动力装备）的各个领域。从农业机械、汽车、摩托、赛车、工程机械、机车、战车、电站、舰艇和民用船舶，乃至于飞机都广泛采用内燃机，特别是在水陆交通运输和农用动力中占有压倒优势。1-2 内燃机面临能源与环境的严峻挑战 现在能源

11、问题已是世界瞩目的问题，能源前景不容乐观，能源危机将日益深化，环境污染日趋恶化，已引起人们的严重关注和不安，能源与环境已成为21世纪制约经济发展的重要因素。促进经济增长、提高生活水平、保证能源供应是各国努力的方向，在实现经济目标的同时，保持洁净环境将是各国面临的一大挑战。A、能源挑战 随着我国国民经济的迅速发展，石油生产的增长速度还是难以满足经济发展的需求。1993年，我国已由石油出口国变成了石油净进口国。2000年，我国石油需求的缺口达到4000万t，到2010年需求缺口将达到9000万t左右，这就是我国在21世纪所面对的能源形势。内燃机正面临着节约能源、提高能源利用率的严峻挑战。B、环境挑

12、战 环境问题是当代人类面临的四大社会问题（粮食、人口、环境、能源）之一。大气污染是环境污染最重要的一个方面，也是控制与治理较为困难的一面，主要表现在大气质量、温室效应、酸雨和臭氧层破坏等。城市人烟稠密，大气污染尤为严重，在城市大气污染中，内燃机的有害物排放量约占60以上，因此，内燃机排放是城市大气环境的主要污染源。随着汽车保有量的增加和城市化进程的加快，城市大气环境污染程度有增无减，我国城市的大气污染类型正由煤烟型向混合型和机动车排放型转化，已经成为我国城市环境治理中的重中之重。 为了控制大气污染，美国、日本、欧共体各国都制定了严格的内燃机排放法规。如表1-1所示的为欧洲现行排放标准。表1-2

13、所示的是我国车用柴油机的排放标准限值。表1-1 欧洲车用柴油机排放标准（单位：g/kWh） 实施时间 CO HC NOx PM 欧： 1992 4.5 1.1 8.0 85kW, 0.612 85kW, 0.360欧： 1996.10 4.0 1.1 7.0 0.25 1998.10 4.0 1.1 7.0 0.15 欧： 1999.10 1.5 0.25 2.0 0.02 2000.10 2.1 0.66 5.0 0.10/0.13* 欧： 2005.10 1.5 0.46 3.5 0.02 欧： 2008.10 1.5 0.46 2.0 0.02 注：*用于每缸排量小于0.75升和额定功率

14、转速高于3000r/min的发动机表1-2 我国车用柴油机排放标准（单位：g/kWh） 实施时间 CO HC NOx PM 85kW 85kW欧: 2000.10.1 4.5 1.1 8.0 0.61 0.36欧: 2005.10.1 4.0 1.1 7.0 0.15 0.151-3 内燃机当前的发展水平 内燃机经历一百余年的发展，迄今已达到一个较高的技术水平。在这漫长的发展历程中，有两个重要的发展阶段是具有划时代意义的：一是20世纪50年代初兴起的增压技术在内燃机产品上的广泛应用，再就是20世纪70年代开始的电子技术及计算机在内燃机研制中的应用，这两个发展趋势至今都方兴未艾。随着能源短缺和环

15、境污染的日趋严重，内燃机正面临着排气净化法规和燃油耗法规进一步强化的严峻挑战，从而促进了各种基础研究和应用研究的开展。一、内燃机综合性能的进展（一）用于机车、船舶及固定式装置的中、低速柴油机 在中、低速大型动力装置中几乎毫无例外地采用柴油机。a.在7503000kW功率范围内，中速四冲程柴油机具有结构紧凑、操作灵活与成本适中等特点；此外，转速范围为4501500r/min有利于高功率化和与配套装置的高效匹配，其平均有效压力可达2.5MPa，最高压力限制在18MPa以下，比油耗已低于200g/(kWh)。.功率30007500kW的较大型内燃机中，四冲程柴油机在生产成本上优于二冲程柴油机，而油耗

16、二者不相上下，在平均有效压力为22.3MPa的情况下，其最高压力为1516MPa，活塞平均速度9m/s左右，行程缸径比为1.21.4。.在750066000kW功率范围内，长行程或超长行程二冲程柴油机在近10年中得到了发展，循环热效率比其他形式的内燃机高，现已达(5055.6)。其额定转速在200r/min60r/min以下时，具有倒车直接耦合能力，适用于直接驱动船舶螺旋桨，从而可提高推进效率。 目前，这类柴油机在平均有效压力约为1.7MPa时的最高压力一般为12.5MPa，行程缸径比为33.5，活塞平均速度限制在7m/s左右，比油耗已降至200150g/(kWh)左右，达到较高的技术水平。使

17、用寿命明显的提高，大修期可达2万小时。中速强载柴油机单位功率的质量可达1.36kg/kW。由此，更增加了柴油机在这一功率档次内与燃气轮机和蒸汽轮机的竞争力。（二）高速车用发动机 1.车用汽油机 汽油机仍是汽车发动机的传统机型，由于其升功率高、工作柔和平稳、噪声低、比容积小和比质量轻，所以在轿车和轻型车上占有优势。在油耗方面，由于多气门技术和燃油喷射系统的采用，目前小轿车汽油机的燃油消耗较过去有较大幅度的降低。目前欧洲和日本小轿车的百公里平均油耗一般在5.56.5L之间，部分机型甚至达到了5L以下，而且各汽车公司还正在为研制成油耗为3L/100km的小型轿车而努力。 为了满足排放法规并达到良好的

18、燃油经济性，各种新技术在汽油机中纷纷得到了应用，如采用了高空燃比、稀混合气燃烧系统；采用高压缩比、分层充气的技术措施。此外，还有缸内直接喷射及可变气门正时等新技术。2.车用柴油机 在载货车的运行费中，燃料费约占70，降低油耗是内燃机运行经济性首要追求的目标。因为通常柴油机车的运行油耗比汽油机车要低(3040)，可达到小于200 g/kWh，近年来发展趋势是大量发展柴油机车，即使是在以汽油机占绝对优势的轿车领域，柴油机的渗透量在欧洲与日本也逐年增加。当前车用柴油机的发展趋势有如下几个特点：小排量内燃机的柴油机化、直喷化及其向轿车领域的扩展；分开式燃烧室柴油机的直喷化；直喷式柴油机的（涡轮）增压化

19、；涡轮增压直喷式柴油机再加进气中冷器；电子控制技术的应用等。在发展排气净化技术的同时，又综合采用了旨在提高燃油经济性、升功率和降低噪声的技术措施。（三）小型通用柴油机 为农业机械配套发展起来的小型通用柴油机大致可分为卧式和立式两大类。发展动向为小缸径系列机型也采用直喷燃烧方式，把经济性放在首位，在整机性能上已有较大提高，以满足用户的需要。 卧式柴油机以手摇启动形式为主，操作简便，功率大致在22kW以下。卧式通用柴油机以其用途和特性可分为：22kW级的低速卧式机型、以7.5kW为中心的小型通用机型和轻小机型三种。代表机型分别为久保田公司的KND3200型柴油机、洋马公司的HS95型柴油机、久保田

20、公司的E70型柴油机以及我国的195柴油机。 立式柴油机由于作业机械向大型发展，以及考虑到改善操作条件，并满足小型、高速、大功率以及低振动、低噪声等方面的要求，正向多缸机发展，功率扩大到74kW左右。二、增压技术的发展 1950年增压技术才开始在柴油机上采用并作为产品提供市场。50年代，增压度约为50，四冲程机的平均有效压力约在0.70.8MPa之间，无中冷，处于一个技术水平较低的发展阶段。现在，大功率柴油机已是“无机不增压”，国 外车用柴油机60以上为增压机型，车用汽油机采用涡轮增压或机械增压的机型也逐年增多，增压技术对内燃机性能的提高起了划时代的作用。 目前增压比可达到单级5以上，超高增压

21、系统单级可达到10以上，压缩比可降至6以下，平均有效压力可达3.3MPa以上，功率可提高24倍，油耗也可大大降低。 涡轮增压技术在车用发动机领域中的应用日益扩大，特别是近十几年来的发展更为迅速，车用发动机增压器在设计制造和材料等方面都得到了长足发展。三、电子控制技术的应用 20世纪70年代开始的电子技术在内燃机上的应用具有划时代的意义。进入90年代，内燃机电控技术已有了很大的发展，其主要目标是保持内燃机各运行参数的最佳值，以求得内燃机功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，并监视运行工况。 电子控制系统一般由传感器、执行器和控制器这三部分组成。内燃机电子控制的思路是根据预先用试验求得的内燃机性能和排

22、放图，通过电控系统对内燃机运行参数进行程序控制，对汽油机还增加了爆震控制。内燃机采用电子控制，已达到接近理想的最佳控制运行的程度，因而增大了在现代内燃机上的使用价值。四、柴油机共轨式电控喷油系统 共轨式喷油系统不再采用传统高压油泵脉动供油的原理，而是通过高压共用管道，或共轨蓄压式或液力增压式形成高压。采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程。 共轨式喷油系统是20世纪80年代末期才开始研制的新型高压喷射系统，并与电控技术紧密结合，其特点是在整个柴油机运行范围内喷油压力有较大柔性，可以预喷。90年代以来，各主要油泵油嘴公司与柴油机厂合作加快了对共轨式喷油系统的开发力度，并已批量生产。在今

23、后510年内将取代部分直列泵而获得大的发展。现有柴油机在改用共轨式喷油系统时，结构上改动不大，其应用前景将十分广阔。五、关于绝热发动机的研究 在传统内燃机中，输入的燃料约三分之一的能量为排气和冷却介质所带走。更充分地利用损失掉的热能是提高发动机热效率的关键。因而，提出了绝热发动机的设想。 陶瓷绝热发动机可分为三种类型：a. 利用陶瓷的耐磨、耐热、重量轻的特点来制造零件，以提高零件的隔热、耐热、耐磨性能；b. 将活塞、缸套、进排气门、排气道衬套等零件改用陶瓷材料，取消机体、缸盖水套，省掉散热器、水泵等，消除冷却水带走的热损失；c. 回收排气能量用以驱动动力涡轮，转换成有用功输送到曲轴，以提高热效

24、率。 绝热发动机热效率的提高不像预计或计算的那样高。绝热发动机仍是值得重视的研究课题，陶瓷材料在发动机上的采用也是无疑的。但是，决不像过去有些人所想像或宣传的那样，能带来那样巨大的好处。1-4 面向21世纪的内燃机一、21世纪内燃机发展的展望 现代内燃机产品已不是传统意义上的机械产品，它将机械与电子技术融为一体，形成技术密集型的高科技产品。进入21世纪，节能节能与环保环保将是内燃机发展面临的两大主题，寻求提高经济性和降低排放的技术途径将是内燃机研究的主要任务，以保持内燃机新的发展活力。a. 汽车是内燃机的主要市场，汽车技术的进步仍将是推动内燃机发展的强大动力。为了节约能源，减少污染，全球各大汽

25、车厂激烈角逐环保型汽车，低污染车、超低污染车、甚至零污染车成为环保话题。GM公司首先推出了EVI柴油/电动汽车，其后丰田公司也推出了Prius汽油/电动汽车抢先在日本上市，这种混合动力汽车已表现出良好的燃油经济性和超低污染排放的性能。纯电动汽车是努力追求的目标，但高效电池、价格、使用方便性等是亟待解决的困难问题，这种零污染车的上市还尚待时日。b. 新技术、新材料、新工艺将为内燃机的发展带来新的机遇。现代设计方法发展很快，计算机技术、现代设计理论、现代计算方法、知识工程、图形学等多个学科、多种技术的交叉、融合，发展了CAD、CFD、FEA、CAE、CAPP等设计、计算、分析方面的现代技术方法，使

26、这些方法在内燃机设计中的应用成为可能，进而发展概念设计虚拟设计，使设计更趋合理、更加完善，达到设计最佳化，这是内燃机技术今后发展的重要方面。c. 新材料的发展和应用必将促进内燃机产品的巨大进步，这是不容置疑的。结构陶瓷材料在内燃机上的应用、陶瓷内燃机、陶瓷涡轮对提高内燃机受热零件的耐热、耐磨性能，提高零件的热强度，减少热损失，提高热效率，减轻重量，改善瞬态特性等，都表现出明显的效果。 此外，像陶瓷/金属复合材料、金属复合材料、耐热高强度塑料、功能梯度材料、碳纤维、纳米材料等的开发研究，现已初见端倪。今后其他新型材料的发现与发展是无法预测的。未来内燃机在新材料应用的推动下，在体积、质量以至零件结构型式上将会有根本性的变化，对内燃机性能的提高也会带来不可估量的影响。d. 21世纪，石油仍将是内燃机的主要燃料，但受能源和环境压力的驱使，代用燃料和低污染或零污染燃料的开发、研究将会十分活跃，现已有开端。如：醇类燃料、氢气、沼气、植物油 、煤浆、二甲醚(DME)、含氧混合燃料、新配方汽油等这些代用燃料或新型燃料的开发、应用，都