发动机原理绪论

1、热力发动机原理热力发动机原理1饶国燃一、目的与任务一、目的与任务n发动机原理是以发动机性能指标为主要发动机原理是以发动机性能指标为主要研究对象。研究对象。n深入到发动机工作过程的各个阶段，分析深入到发动机工作过程的各个阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中找出提高影响这些性能的各种因素，从中找出提高性能的一般规律，为后续课程的学习奠定性能的一般规律，为后续课程的学习奠定良好的基础。良好的基础。n是是一门理论性较强的专业课程，是热能一门理论性较强的专业课程，是热能与动力工程专业的核心课程之一。与动力工程专业的核心课程之一。2一、目的与任务一、目的与任务3p掌握发动机工作各项性能指标的概念和内掌握

2、发动机工作各项性能指标的概念和内涵及其影响因素涵及其影响因素p熟悉发动机基本理论、一般工作过程和实熟悉发动机基本理论、一般工作过程和实际工作循环的特点际工作循环的特点p能运用所学知识，分析提高内燃机各种工能运用所学知识，分析提高内燃机各种工作性能指标、降低排放的技术措施和适用条作性能指标、降低排放的技术措施和适用条件件p了解当今国内外内燃机技术的新发展。了解当今国内外内燃机技术的新发展。p初步具有利用发动机的基本原理解决实际初步具有利用发动机的基本原理解决实际问题的专业技术应用能力问题的专业技术应用能力二、教学内容及学时分配二、教学内容及学时分配理论教学理论教学(44学时学时)n第一章第一章

3、绪论绪论n第二章第二章 内燃机循环及性能评价指标内燃机循环及性能评价指标n第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程n第四章第四章 内燃机的燃料与燃烧内燃机的燃料与燃烧n第五章第五章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧n第六章第六章 柴油机混合气的形成和燃烧柴油机混合气的形成和燃烧n第七章第七章 发动机的特性发动机的特性n第八章第八章 发动机与整车性能匹配发动机与整车性能匹配实验学时：实验学时：4学时学时 三、考核方式n考核性质：考核性质：考试课，百分制n考核形式：考核形式： 闭卷、笔试n成绩评定方法：成绩评定方法： 期末总评成绩平时成绩20 +实验成绩10 +期末成绩70n

4、补考方法：补考方法： 总评成绩低于60 分的学生，须参加学校统一组织的补考。56四、教科书与参考书 发动机原理发动机原理林学东林学东（教材）（教材）汽车构造汽车构造（上册）（上册）陈家瑞陈家瑞机械工业出版社机械工业出版社2001工程热力学工程热力学沈维道沈维道高等教育出版社高等教育出版社2007内燃机学内燃机学周龙保周龙保机械工业出版社机械工业出版社2004内燃机原理内燃机原理蒋德明蒋德明中国农业机械出版社中国农业机械出版社 1988内燃机原理内燃机原理刘永长刘永长华中理工出版社华中理工出版社1992汽车拖拉机发动机汽车拖拉机发动机董敬董敬机械工业出版社机械工业出版社2001发动机原理 林学东

5、主编 机械工业出版社1.1 1.1 发动机的发展发动机的发展1.2 1.2 发动机在汽车上的应用发动机在汽车上的应用第第1 1章章 绪论绪论发动机的应用发动机的应用1、在工程中：、在工程中：林业工程：采伐、运输、木材加工；林业工程：采伐、运输、木材加工；农业、矿山农业、矿山2、在生活中，室内外：乘车、船、飞机、在生活中，室内外：乘车、船、飞机3、在军工中：坦克、特种车辆在军工中：坦克、特种车辆 从内燃机草图从内燃机草图蒸汽机发明蒸汽机发明汽车的发展汽车的发展内燃机内燃机一、内燃机概念的形成一、内燃机概念的形成赫更斯的草图赫更斯的草图产生于产生于1673年，赫更斯在凡尔赛宫用水过程中借年，赫更斯

6、在凡尔赛宫用水过程中借助动力来代替体力劳动过程中的构想。助动力来代替体力劳动过程中的构想。 第一章第一章 绪论绪论 内燃机的发展史内燃机的发展史凡尔赛宫塞纳河赫更斯赫更斯：荷兰物理学家：荷兰物理学家负责庭院里的树木浇水负责庭院里的树木浇水和喷水池的喷水和喷水池的喷水从塞纳河提水。从塞纳河提水。1509年，意大利人雷欧那德年，意大利人雷欧那德.达芬奇绘出类似的火药发动达芬奇绘出类似的火药发动机草图，但没有试制。机草图，但没有试制。赫更斯的内燃机草图赫更斯的内燃机草图:自方案问世后，经自方案问世后，经12年后的年后的1685年，用年，用14台直径台直径12m的水的水车完成，并满足凡尔赛宫一天车完成

7、，并满足凡尔赛宫一天3000m3的用水要求。的用水要求。当时科学背景：当时科学背景： 十六世纪末和十七世纪初的三大实验：十六世纪末和十七世纪初的三大实验：英国包尔塔的英国包尔塔的蒸汽压力蒸汽压力实验；实验；托里拆利和巴斯噶的托里拆利和巴斯噶的大气压力大气压力实验；实验；那末格里凯的那末格里凯的真空作用真空作用实验。实验。三大实验的作用：三大实验的作用： 人们开始认识蒸汽、大气和真空的相互作人们开始认识蒸汽、大气和真空的相互作用。用。 这些重大的实验成果为这些重大的实验成果为早期蒸汽早期蒸汽动力技动力技术的开发奠定了牢固的术的开发奠定了牢固的科学科学实验实验基础基础。第一次技术创新：法国物理学家

8、工程师巴本（第一次技术创新：法国物理学家工程师巴本（Denis Papin 1647-1712），最先应用蒸汽动力技术。），最先应用蒸汽动力技术。从火药发动机演变到蒸汽机从火药发动机演变到蒸汽机;将当时欧洲炼铁场广泛使用的活塞式风箱将当时欧洲炼铁场广泛使用的活塞式风箱将将箱箱变为汽缸；把风箱中的活塞变为汽缸中的活塞。变为汽缸；把风箱中的活塞变为汽缸中的活塞。二、蒸汽机发明二、蒸汽机发明三次技术革新三次技术革新实验：先将汽缸底部注入少量水，加热。当汽缸内实验：先将汽缸底部注入少量水，加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽推动活塞慢慢上升；然后，从汽的水沸腾后，蒸汽推动活塞慢慢上升；然后，从汽缸底部抽掉火

9、，汽缸内蒸汽慢慢冷凝缸底部抽掉火，汽缸内蒸汽慢慢冷凝汽缸内产生汽缸内产生真空，在大气压力推动下，活塞慢慢下降。真空，在大气压力推动下，活塞慢慢下降。结论：结论：利用蒸汽压力、大气压力、真空的相互作用，利用蒸汽压力、大气压力、真空的相互作用，可以推动汽缸内活塞作往返直线运动。可以推动汽缸内活塞作往返直线运动。这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械运动。运动。 发明带有活塞的蒸汽泵后，考虑到蒸汽发明带有活塞的蒸汽泵后，考虑到蒸汽压力大可能会使汽缸爆炸，于压力大可能会使汽缸爆炸，于1680年发明年发明了安全阀。了安全阀。第一台可以把热能转变为机第一台可以把热

10、能转变为机械能的实验型蒸汽泵，于械能的实验型蒸汽泵，于1680年在英国试年在英国试验成功。验成功。n第二次技术突破：第二次技术突破：英国机械工程师英国机械工程师赛维利赛维利（T.Savery 1650-1715）。）。n设计依据：基于包尔塔的蒸汽力原理，其蒸汽泵设计依据：基于包尔塔的蒸汽力原理，其蒸汽泵主要由汽缸与锅炉组成。主要由汽缸与锅炉组成。特点：汽缸中未采用活塞，只是在其中接有吸水管特点：汽缸中未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和进汽管。、排水管和进汽管。与巴本汽缸不同点与巴本汽缸不同点原理：原理：蒸汽蒸汽从锅炉经汽管进入汽缸后被从锅炉经汽管进入汽缸后被冷却冷却时所造成的时所造成的

11、真空真空把矿井中的水从把矿井中的水从吸水吸水管管中吸进来中吸进来再将再将蒸汽蒸汽注入汽缸，由进入汽注入汽缸，由进入汽缸的蒸汽缸的蒸汽压力压力把水从排水管中把水从排水管中排出排出。第三次技术革新：托马斯第三次技术革新：托马斯纽可门（纽可门（Thomas Newcomen）针对赛维利蒸汽泵两大缺点改进）针对赛维利蒸汽泵两大缺点改进:缺点一：热效率太低。缺点一：热效率太低。 改进措施：冷却水不直接进入汽缸，而是通过一改进措施：冷却水不直接进入汽缸，而是通过一个细小龙头向汽缸内喷水冷却。个细小龙头向汽缸内喷水冷却。缺点二：只是一种抽水泵，不输出动力。缺点二：只是一种抽水泵，不输出动力。 改进措施：引入

12、活塞装置。靠蒸汽压力、大气压改进措施：引入活塞装置。靠蒸汽压力、大气压力和真空度的相互作用推动活塞作往复式机械运力和真空度的相互作用推动活塞作往复式机械运动动对外输出功对外输出功蒸汽机。蒸汽机。1712年纽可门蒸汽机问世。年纽可门蒸汽机问世。纽可门蒸汽机原型：纽可门蒸汽机原型：将气缸和活塞置于锅上部；将气缸和活塞置于锅上部；加热锅产生的蒸汽导入汽缸加热锅产生的蒸汽导入汽缸，推动活塞上升；，推动活塞上升；关闭阀门，向气缸喷水，缸关闭阀门，向气缸喷水，缸内蒸汽被冷却变成水，产生内蒸汽被冷却变成水，产生真空，活塞下降，抽水泵抽真空，活塞下降，抽水泵抽水。水。三、蒸汽革命三、蒸汽革命蒸汽汽车时代蒸汽汽

13、车时代詹姆斯詹姆斯瓦特：瓦特： 瓦特掌管格拉斯哥大学实验教具的机械员。瓦特掌管格拉斯哥大学实验教具的机械员。 1764年受命格拉斯哥大学教学用纽可门年受命格拉斯哥大学教学用纽可门蒸汽机的修理工作。蒸汽机的修理工作。在修理纽可门蒸汽机中，发现其两大缺点：在修理纽可门蒸汽机中，发现其两大缺点： 燃料消耗量大而效率低燃料消耗量大而效率低只能作往复直线运动。只能作往复直线运动。 因此，除了用于矿井抽水之外，无其他用途因此，除了用于矿井抽水之外，无其他用途，浪费蒸气达八成以上。，浪费蒸气达八成以上。故障诊断故障诊断第一个专利：第一个专利：启蒙：启蒙：1765年的春天，针对纽可门蒸汽机年的春天，针对纽可门

14、蒸汽机热效率低热效率低的原因的原因是蒸汽在缸内冷凝造成的是蒸汽在缸内冷凝造成的能否让蒸汽在能否让蒸汽在缸外冷凝缸外冷凝产生采用分离冷凝器的初步设想。产生采用分离冷凝器的初步设想。解决措施：利用蒸汽具有解决措施：利用蒸汽具有“弹性弹性” 特点，把特点，把汽缸和另一个容器相连接，让蒸汽接入其中汽缸和另一个容器相连接，让蒸汽接入其中，就不需要一再冷却汽缸，而浪费许多热量，就不需要一再冷却汽缸，而浪费许多热量。同年设计一个与汽缸分离的冷凝器，并在汽缸外面同年设计一个与汽缸分离的冷凝器，并在汽缸外面加绝热套加绝热套汽缸保持在高温工作状态。汽缸保持在高温工作状态。其特点：冷凝器与汽缸间用一个其特点：冷凝器

15、与汽缸间用一个调节阀调节阀相连相连 二者二者既能连通又能分开。既能连通又能分开。 这样，把做功后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，这样，把做功后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使缸内产生真空，避免汽缸在一冷一热过又可以使缸内产生真空，避免汽缸在一冷一热过程中热量损耗。程中热量损耗。n从从1766年年1769年受他人赞助制出第一台样年受他人赞助制出第一台样机。同年，瓦特因发明冷凝器而获得在革机。同年，瓦特因发明冷凝器而获得在革新纽可门蒸汽机过程中的第一项专利。新纽可门蒸汽机过程中的第一项专利。带冷凝器的蒸汽机虽试制成功，但相对纽可门蒸汽带冷凝器的蒸汽机虽试制成功，但相对纽可门蒸汽机，除了热效率显著提高外

16、，还是无法作为真正机，除了热效率显著提高外，还是无法作为真正的动力机械。的动力机械。致命缺陷：活塞只能作往复直线运动。致命缺陷：活塞只能作往复直线运动。第一个专利的问题第一个专利的问题1781年，在参加圆月学社活动过程中，受到年，在参加圆月学社活动过程中，受到天王星以及由此引出的行星绕日圆周运动天王星以及由此引出的行星绕日圆周运动，或钟表中齿轮的圆周运动的启发，或钟表中齿轮的圆周运动的启发想到把活塞往复直线运动变为旋转运动就想到把活塞往复直线运动变为旋转运动就可以使动力传给任何工作机械。可以使动力传给任何工作机械。同年，研制出一套同年，研制出一套“太阳和行星太阳和行星”齿轮联动装齿轮联动装置；

17、置； 活塞的直线运动转变为齿轮的旋转运动；活塞的直线运动转变为齿轮的旋转运动； 为使轮轴圆周运动更加均匀，安装一个飞轮。为使轮轴圆周运动更加均匀，安装一个飞轮。n这一机构的重大革新，瓦特蒸汽机才真正这一机构的重大革新，瓦特蒸汽机才真正成为动力机械。成为动力机械。n1781年底，以发明带有齿轮和拉杆的机械联年底，以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。动装置获得第二个专利。n直线运动直线运动旋转运动旋转运动方案措施：让蒸汽从两端进入和排出，就可以方案措施：让蒸汽从两端进入和排出，就可以让蒸汽既能推动活塞向上运动又能推动活塞让蒸汽既能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动向下运动 效率就可

18、以提高一倍。效率就可以提高一倍。第三项专利：第三项专利：针对蒸汽机效率不高的原因：蒸汽单项运动；针对蒸汽机效率不高的原因：蒸汽单项运动；即从一端进入、另一端出来。即从一端进入、另一端出来。n1782年，试制出一种带有年，试制出一种带有双向装置的新汽缸双向装置的新汽缸n获得第三项专利。获得第三项专利。1784年以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的年以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机综合组装，取得第四项专利；高压蒸汽机综合组装，取得第四项专利；1788年，又发明离心调速器和节气阀；年，又发明离心调速器和节气阀；1790年，发明汽缸示功器。年，发明汽缸示功器。 至此完成了蒸汽机发明的全过

19、程至此完成了蒸汽机发明的全过程蒸汽动力装置蒸汽动力装置。在改进纽可门蒸汽机过程中的三次飞跃在改进纽可门蒸汽机过程中的三次飞跃三个专利，三个专利，首次把引入汽缸的蒸汽由低压变为高压首次把引入汽缸的蒸汽由低压变为高压纽可门蒸纽可门蒸汽机汽机瓦特蒸汽动力装置。瓦特蒸汽动力装置。迎来蒸汽革命迎来蒸汽革命四、奥托循环四、奥托循环瓦特蒸汽机存在的问题：瓦特蒸汽机存在的问题： 蒸汽机体积庞大，热效率低。蒸汽机体积庞大，热效率低。要克服这一缺点，必须解决锅炉与汽缸分要克服这一缺点，必须解决锅炉与汽缸分离的问题离的问题使锅炉与汽缸合二为一。使锅炉与汽缸合二为一。前期探索工作：如前期探索工作：如利用燃烧烟气冷却后

20、产生的真空来抽水；利用燃烧烟气冷却后产生的真空来抽水；利用火药在汽缸内爆炸时产生的压力来驱动活塞；利用火药在汽缸内爆炸时产生的压力来驱动活塞；用氢气和空气的混合燃料来推动活塞。用氢气和空气的混合燃料来推动活塞。 根源根源途径途径煤气机煤气机n法国，雷诺法国，雷诺n煤气，空气吸入气缸后混合点燃煤气，空气吸入气缸后混合点燃n气缸、活塞、连杆和飞轮组成气缸、活塞、连杆和飞轮组成n由于压缩比为由于压缩比为0，热效率只有，热效率只有4.5%，低于蒸汽，低于蒸汽机机n如何提高热效率？法国，德罗赛，一、点火前如何提高热效率？法国，德罗赛，一、点火前要高压；二、燃料必须迅速膨胀。由此产生了要高压；二、燃料必须

21、迅速膨胀。由此产生了四冲程的概念：进气、压缩、做工、排气四冲程的概念：进气、压缩、做工、排气n德国商人奥拓将德罗赛的理论变成现实，提高德国商人奥拓将德罗赛的理论变成现实，提高压缩比至压缩比至2.5，热效率，热效率10-12%第一台内燃机第一台内燃机（纽科门的蒸汽机发明（纽科门的蒸汽机发明155年后，年后，1860年）年） 经过很多人70多年的努力，法国人勒诺瓦尔（兰诺）于1860用”煤气+空气”代替200年前火力发动机中的火药研制了第一台内燃机。 压缩比 =1，效率4.5%，最大功率4.5kW 18601865年共生产了约5000台当时蒸汽机的效率已近10%。第一台内燃机对前人的研究成果进行深

22、入分析后，找到问题的对前人的研究成果进行深入分析后，找到问题的症结：设计方案缺少提高效率的有效途径。症结：设计方案缺少提高效率的有效途径。法国科学家德罗夏，立志要法国科学家德罗夏，立志要“站在瓦特肩膀上站在瓦特肩膀上”，解决这些问题。解决这些问题。他认为高效率内燃机，必须具备两个必要条他认为高效率内燃机，必须具备两个必要条件：件： 第一，点火前要高压第一，点火前要高压压缩过程；压缩过程； 第二，燃料必须迅速膨胀，达到最大膨胀比第二，燃料必须迅速膨胀，达到最大膨胀比。实现的具体方案：把活塞运动分成实现的具体方案：把活塞运动分成4个冲程个冲程，即，即 进气进气压缩压缩点火燃烧膨胀做功点火燃烧膨胀做

23、功排气。排气。四冲程理论的建立：四冲程理论的建立：德国商人奥托一直关注内燃机研制情况。德国商人奥托一直关注内燃机研制情况。从蒸汽机的广泛应用中，从蒸汽机的广泛应用中，看到内燃机的发展前途；看到内燃机的发展前途；从德罗夏的理论设计中看到希望。从德罗夏的理论设计中看到希望。n奥托对德罗夏方案，反复研读，深刻领会奥托对德罗夏方案，反复研读，深刻领会其设计思想；并全心投入内燃机的研制工其设计思想；并全心投入内燃机的研制工作。作。 他虽建立四冲程理论，但未能制造出他虽建立四冲程理论，但未能制造出! 奥托的实验：奥托的实验：目的目的在发动机气缸里实现烟在发动机气缸里实现烟囱冒烟现象。囱冒烟现象。手段手段用

24、透明气缸和手动活塞用透明气缸和手动活塞以及侧式进排气管模型，将以及侧式进排气管模型，将香烟的烟放入进气阀反复观香烟的烟放入进气阀反复观察察结果：研究出空气与煤气的添结果：研究出空气与煤气的添加混合方法加混合方法奥托受里诺煤气机启发，认为如果用液体燃料，奥托受里诺煤气机启发，认为如果用液体燃料，其用途将更为拓宽，为此设计了汽化器。其用途将更为拓宽，为此设计了汽化器。1862年年2月，奥托制造出一台四冲程样机。月，奥托制造出一台四冲程样机。 1863年获得专利，并建立年获得专利，并建立“奥托公司奥托公司”。奥托的4冲程点燃式煤气机问题：问题： 当时的发动机都是两冲程的（膨胀和排气），与现在的主冲程

25、为膨胀和压缩的两冲程发动机不同，进气在活塞上止点附近完成（ =1 ）。 由于没有独立的进气冲程，很难实现分层燃烧。解决措施：解决措施： 增加独立的进气冲程，提出采用4冲程发动机。第四个冲程即为“压缩冲程压缩冲程”！奥托的4冲程点燃式煤气机n 奥托不仅提出了“四冲程发动机的设想”，而且在得力助手梅巴哈的帮助下于1876年研制了第一台4冲程点燃式煤气机。由于有独立的压缩冲程，可以说不得不实现较高的压缩比。 n 该煤气机为单缸、四冲程、卧式、按等容燃烧， =2.52.5， Pe=4PS， e=14%，运转平稳，体积小，质量减小了70%。很快得到推广应用，从而形成了内燃机工业。奥托4冲程点燃式煤气机的

26、快速发展 当人们真正知道了“提高压缩比可以提高效率”后 1880年功率达1520PS，1893年则达到200PS。 1886年热效率达到15.5%，1894年热效率高达20%。 理论指导的重要性！理论指导的重要性！1882年年戴姆勒戴姆勒离开奥托公司离开奥托公司 目的：把奥托发动机应用到交通工具上。目的：把奥托发动机应用到交通工具上。1883年，发明点火系统，在奥托四冲程年，发明点火系统，在奥托四冲程煤气机的基础上，研制出一台小型单缸煤气机的基础上，研制出一台小型单缸汽油机汽油机转速达转速达700900r/min；功率功率1.1马力，空气冷却马力，空气冷却奥托发动机最大转速奥托发动机最大转速1

27、80200r/min。1885年，将这台小汽油机装在一辆年，将这台小汽油机装在一辆自行车上，自行车上，制造出第一台摩托车。制造出第一台摩托车。五、汽油机汽车问世五、汽油机汽车问世 1886年将小汽油机和转向器装在一辆四轮车上。年将小汽油机和转向器装在一辆四轮车上。 该车气缸总排量为该车气缸总排量为469cm3，时速达到了，时速达到了16公里。公里。这辆车的性能：这辆车的性能： 有风扇冷却；有风扇冷却； 内燃机下垫着减振橡胶块；内燃机下垫着减振橡胶块； 还有发动机预热系统。还有发动机预热系统。 成为第一辆实用汽车之一。成为第一辆实用汽车之一。从此用小汽油机驱动车从此用小汽油机驱动车“马车的机械化马车的机械化”。 n戴姆勒，发明化油器，解决当时在气缸内戴姆勒，发明化油器，解决当时在气缸内形成混合器的关键问题，研制出第一台汽形成混合器的关键问题，研制出第一台汽油机。油机。n同时，奔驰公司利用线圈点火方式研制二同时，奔驰公司利用线圈点火方式研制二冲程汽油机，后由于战争、经济原因，二冲程汽油机，后由于战争、经济原因，二者合并，成为现在的戴姆勒者合并，成为现在的戴姆勒-奔驰公司。奔驰公司。柴油机的发展柴油机的发展n德国，德国，Rudolf.Dieseln出发点：热效率低，着火困难出发点：热效率低，着火困难n着眼点：将卡诺循环变为现实，提高热效着眼点：将卡诺循环变为