内燃机原理第一章

1、 内 燃 机 原理主讲：主讲： 肖肖 平平职称：职称： 副教授副教授院系：院系： 机械学院机械学院发动机原理课程教学大纲 一、课程编号二、学时和学分 30 学时学时三、先修课程 热力学、流体力学、动力机械基础、涡轮增压器原理等热力学、流体力学、动力机械基础、涡轮增压器原理等四、课程教学目标本课程属于热能与动力工程专业动力机械专业方向的专业本课程属于热能与动力工程专业动力机械专业方向的专业主干课程。本门课程的教学目标，旨在使学生获得主干课程。本门课程的教学目标，旨在使学生获得发动机发动机工作原理工作原理、现代发动机清洁燃料现代发动机清洁燃料、排放控制及电控应用技排放控制及电控应用技术术方面的必备

2、知识，掌握方面的必备知识，掌握提高发动机动力性提高发动机动力性、经济性经济性和和降降低有害排放物低有害排放物的基本方法。培养学生综合所学知识进行发的基本方法。培养学生综合所学知识进行发动机性能设计与研究的能力。动机性能设计与研究的能力。第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 发动机的工作指标与性能分析发动机的工作指标与性能分析第三章第三章 发动机的工作循环发动机的工作循环第四章第四章 内燃机的换气过程内燃机的换气过程第五章第五章 内燃机混合气的形成和燃烧内燃机混合气的形成和燃烧第六章第六章 内燃机的代用燃料内燃机的代用燃料第七章第七章 内燃机的燃料供给与调节内燃机的燃料供给与调节第八章第八章 内燃

3、机污染物的生成与控制内燃机污染物的生成与控制第九章第九章 内燃机的使用特性与匹配内燃机的使用特性与匹配第十章第十章 内燃机动力学内燃机动力学第十一章第十一章 内燃机的概念设计内燃机的概念设计五、 课程内容(1)课内讲授：课内讲授：30学时学时 1）内燃机排放气体分析试验；）内燃机排放气体分析试验；(2)实践环节：发动机原理试验（实践环节：发动机原理试验（4学时）学时）3）内燃机油耗检测试验；）内燃机油耗检测试验；2）柴油机排放气体烟度检测试验；）柴油机排放气体烟度检测试验；4）试验地点：汽车综合性能测试实验室）试验地点：汽车综合性能测试实验室内燃机是将内燃机是将燃料燃烧燃料燃烧释放出来的热能转

4、化为机械能的一释放出来的热能转化为机械能的一种动力装置。由于燃料燃烧在发动机气缸内部进行，故称种动力装置。由于燃料燃烧在发动机气缸内部进行，故称为内燃机。为内燃机。 第一讲第一讲 绪绪 论论11 内燃机简史p11784年英国发明家年英国发明家J瓦特瓦特(J. Watte)发明了蒸汽机。发明了蒸汽机。这是一个划时代的重大发明，拉开了产业革命的序幕。这是一个划时代的重大发明，拉开了产业革命的序幕。德国人德国人NA奥托奥托(N.A.Otto)和和R狄赛尔狄赛尔(R.Diesel)提出的提出的内燃机循环，内燃机循环，于于1876年和年和1897年分别推出年分别推出了汽油机和柴油机，为现代内燃机的发展奠

5、定了基础。了汽油机和柴油机，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。这是继蒸汽机之后发动机发展的又一个里程碑。 内燃机问世至今一百余年来，经过前人艰辛内燃机问世至今一百余年来，经过前人艰辛的劳动与无数次的改进，其性能已达到一个较高的劳动与无数次的改进，其性能已达到一个较高的技术水平的技术水平 ，主要表现在：，主要表现在：A、经济性：、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

6、的有效热效率也可达33%左右。功率覆盖面大，档次比较齐全功率覆盖面大，档次比较齐全 单机功率从小于单机功率从小于1kW1kW的汽油机到的汽油机到66000kW66000kW的船的船用柴油机；用柴油机； B、动力性：、动力性：转速范围宽，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 V83000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)。 C、 运转特性运转特性 正因为正因为上述上述优势，内燃机的应用在所有热优势，内燃机的应用在所有热机中一直居于

7、领先地位，机中一直居于领先地位，无论是无论是过去过去还是还是现在现在，均广泛均广泛应用于国民经济和国防应用于国民经济和国防建设建设( (陆、海、空陆、海、空军的动力装备军的动力装备) )的各个领域。从农业机械、汽车、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、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机，特别是在水陆交通运输和农用动力中占有压倒优势。压倒优势。 内燃机作为一种科技产品历时百余年，经久内燃机作为一种科技产品历时百余年，经久不衰，现在还充满

8、发展活力，无可替代地迈入不衰，现在还充满发展活力，无可替代地迈入21世纪。世纪。 4）新中国成立后，内燃机工业得到了恢复与）新中国成立后，内燃机工业得到了恢复与发展发展。12中国内燃机工业发展简史 一，内燃机工业的创建阶段1）1901年年 外国内燃机作为商品进入中国外国内燃机作为商品进入中国市场市场；2）1908年均和安机器厂和协同和机器厂开始年均和安机器厂和协同和机器厂开始生产内生产内燃机燃机；3）1929年我国制造出第一台功率为年我国制造出第一台功率为26.47KW双缸柴双缸柴油机油机。4 4）在废气涡轮与增压柴油机方面，）在废气涡轮与增压柴油机方面，19581958年新年新中动力机厂成功

9、研制成功我国第一台轴流式排中动力机厂成功研制成功我国第一台轴流式排气气涡轮增压器的柴油机。涡轮增压器的柴油机。二，二，建设内燃机建设内燃机工业体系阶段工业体系阶段1）19581966年，内燃机工业发展迅速；年，内燃机工业发展迅速；上海柴油机厂试制成功多用途柴油机。上海柴油机厂试制成功多用途柴油机。2）1959年建成了年建成了洛阳第一拖拉机厂洛阳第一拖拉机厂，生产东，生产东方红方红54型履带式拖拉机。型履带式拖拉机。3）在大功率柴油机方面，我国自行设计了）在大功率柴油机方面，我国自行设计了12V180型车用柴油机等。型车用柴油机等。2 2）近百年来，我国内燃机工业取得了长足的进步，）近百年来，我

10、国内燃机工业取得了长足的进步，截止截止20012001年底，我国内燃机总产量已达年底，我国内燃机总产量已达2.52.5亿亿kWkW，品，品种、数量可满足国民经济种、数量可满足国民经济日益增长的需要。日益增长的需要。三，三，内燃机工业体系内燃机工业体系的形成与发展的新阶段的形成与发展的新阶段1）1979年后，内燃机工业进行了一系列调整整顿工作，年后，内燃机工业进行了一系列调整整顿工作，通过引入市场机制，推行全面质量管理，引进国外先进通过引入市场机制，推行全面质量管理，引进国外先进技术和对企业进行技术改造等，我国内燃机的技术水平技术和对企业进行技术改造等，我国内燃机的技术水平有了明显提高。这一时期

11、是我国内燃机发展史上的鼎盛有了明显提高。这一时期是我国内燃机发展史上的鼎盛时期，引进与开发了时期，引进与开发了很多的新产品。很多的新产品。13内燃机的应用与分类内燃机的种类很多，它们可以按如下不同方式分类：1）按燃料分：汽油机、柴油机、天然气发动机、液化石）按燃料分：汽油机、柴油机、天然气发动机、液化石油气发动机、酒精发动机、双燃料发动机等。油气发动机、酒精发动机、双燃料发动机等。2）按缸内着火方式分：压燃式、点燃式；）按缸内着火方式分：压燃式、点燃式；3）按冲程分：四冲程、二冲程；）按冲程分：四冲程、二冲程；4）按活塞运动方式分：往复活塞式、旋转活塞式；）按活塞运动方式分：往复活塞式、旋转活

12、塞式；5）按汽缸数分：单缸、多缸；）按汽缸数分：单缸、多缸；1010）按燃烧室设计分：开式燃烧室、分隔式燃烧室。）按燃烧室设计分：开式燃烧室、分隔式燃烧室。 6 6）按冷却方式分：液体冷却、空气冷却、复合冷却。）按冷却方式分：液体冷却、空气冷却、复合冷却。7 7）按转速分：低速、中速、高速；）按转速分：低速、中速、高速；8 8）增压程度：非增压、增压（底增压、中增压、高增压）增压程度：非增压、增压（底增压、中增压、高增压、超高增压）、超高增压）9 9）按混合气准备方式分：化油器式、进气管或进气道喷）按混合气准备方式分：化油器式、进气管或进气道喷射、缸内直接喷射。射、缸内直接喷射。 现在能源问题

13、已是世界瞩目的问题，能源现在能源问题已是世界瞩目的问题，能源危机将日益深化；环境污染日趋恶化，已引起危机将日益深化；环境污染日趋恶化，已引起人们的严重关注和不安，能源与环境已成为人们的严重关注和不安，能源与环境已成为2121世纪制约经济发展的重要因素。世纪制约经济发展的重要因素。在实现经济目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标的同时，保持洁净环境将是各国面临的一大挑战。挑战。 内燃机面临能源与环境的严峻挑战内燃机面临能源与环境的严峻挑战 19931993年，我国已由石油出口国变成了石油净进口年，我国已由石油出口国变成了石油净进口国。国。20002000年，我国石油需求的缺口达

14、到年，我国石油需求的缺口达到40004000万万t,t,到到20102010年需求缺口将达到年需求缺口将达到90009000万万t t左右，这就是我国在左右，这就是我国在2121世纪所面对的能源形势。世纪所面对的能源形势。内燃机正面临着节约能源内燃机正面临着节约能源、提高能源、提高能源利用率的严峻挑战。利用率的严峻挑战。 能源挑战能源挑战 环境问题是当代人类面临的四大社会问题环境问题是当代人类面临的四大社会问题( (粮食、人口、粮食、人口、环境、能源环境、能源) )之一。大气污染是环境污染最重要的一个方面，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。城市人烟稠密，大

15、气污染尤也是控制与治理较为困难的一面。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为严重，在城市大气污染中，内燃机的有害物排放量约占6060以上，因此，内燃机排放是城市大气环境的主要污染源。随着以上，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，城市大气环境污染程度有增无减，已经成汽车保有量的增加，城市大气环境污染程度有增无减，已经成为我国城市环境治理中的为我国城市环境治理中的重中之重重中之重。 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。如表格的内燃机排放法规。如表1

16、 11 1所示的为欧洲现行排放标准。所示的为欧洲现行排放标准。表表1 12 2所示的是我国车用柴油机的排放所示的是我国车用柴油机的排放标准限值标准限值 。环境挑战环境挑战 表11 欧洲车用柴油机排放标准 g/kWh，烟度单位 实施时间 CO HC NOx PM 烟度欧： 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（仅EEVs） 1.5 0.25 2.0 0.02 0.15 2000.10 2.1 0.66 5.0 0.10/0.13

17、* 0.8欧： 2005.10 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5 欧： 2008.10 1.5 0.46 2.0 0.02 0.5 注：*用于每缸排量小于0.75升和额定功率转速高于3000r/min的发动机 表12 我国车用柴油机排放标准 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 0.15 1m 随着能源短缺和环境污染的日趋严重，内燃机正面随着能源短缺和环境污染的日趋严重，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，

18、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从而促进了各种基础研究和应用研究的开展研究的开展。内燃机当前的发展水平内燃机当前的发展水平 内燃机经历一百余年的发展，有两个重要的发内燃机经历一百余年的发展，有两个重要的发展阶段是具有划时代意义的：展阶段是具有划时代意义的： 一是一是20世纪世纪 50年代初兴起的增压技术在内燃机产品年代初兴起的增压技术在内燃机产品上的上的广泛应用（机械增压、涡轮增压）广泛应用（机械增压、涡轮增压）。 二是二是20世纪世纪70年代开始的电子技术及计算机在内燃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机研制中的应

19、用，这两个发展趋势至今都方兴未艾。都方兴未艾。一、内燃机综合性能的进展 2.在在Pe=30007500kW 较大型内燃机中，四较大型内燃机中，四冲程柴油机在生产成本上优于二冲程柴油机，而油冲程柴油机在生产成本上优于二冲程柴油机，而油耗二者不相上下，耗二者不相上下，1. 在中、低速大型动力装置中几乎毫无例外地采在中、低速大型动力装置中几乎毫无例外地采用柴油机。用柴油机。 (一一)用于机车、船舶及固定式装置的中、低速柴油用于机车、船舶及固定式装置的中、低速柴油机机 3. 3.在在Pe=7500Pe=750066000kW66000kW范围内，范围内，低速低速长行程或超长长行程或超长行程二冲程柴油机

20、在近行程二冲程柴油机在近1010年中得到了发展，年中得到了发展，n=200-n=200-60r/min 60r/min 以下时，具有倒车直接耦合能力，适用于直接以下时，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。驱动船舶螺旋桨，从而可提高推进效率。 4.中速四冲程柴油机大修期达中速四冲程柴油机大修期达t= 1200015000h；中速强载柴油机中速强载柴油机 m=1.36kg/kW。汽油机仍是汽车发动机的传统机型，由于其汽油机仍是汽车发动机的传统机型，由于其升功率高升功率高、工作柔、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和平稳、噪声低、比容积小和比

21、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。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目前欧洲和日本小轿车的百公里平均油耗一般在5.55.56.5L6.5L之之间，部分机型甚至达到了间，部分机型甚至达到了5L5L以下，而且各汽车公司还正以下，而且各汽车公司还正 在为在为研制成油耗为研制成油耗为3L/100km3L/100km的小型轿车而努力。的小型轿车而努力。 (二二)高速车用发动机高速车用发动

22、机 1.车用汽油机车用汽油机 在载货车的运行费中，燃料费约占在载货车的运行费中，燃料费约占7070，通常柴，通常柴油车的运行油耗比汽油机车要低油车的运行油耗比汽油机车要低(30(3040)40)，可达到可达到小于小于200 g/kW.h200 g/kW.h。近年来发展趋势是大量发展柴油车，近年来发展趋势是大量发展柴油车，车用柴油机的发展趋势有如下几个特点：小排量内燃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、机的柴油机化、 直喷化及其向轿车领域的扩展；分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；直喷式柴油机的开式燃烧室柴油机的直喷化；直喷式柴油机的( (涡轮涡轮)

23、 )增压化；涡轮增压直喷式柴油机再加进气中冷器；电增压化；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。子控制技术的应用等。2.车用柴油机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。 22kW级的代表机型为久保田公司的KND3200型柴油机； 洋马公司的HS95型柴油机； 久保田公司的E70型柴油机。(三)小型通用柴油机 1950 1950年增压技术才开始在柴油机上采用并作为产品年增压技术才开始在柴油机上采用并作为产品提供市场。提供市场。5050年代，增压度约为年代，增压度约为5050，四冲程机的平均，四冲程机的平均有效压力约有效

24、压力约 在在0.70.70.8MPa0.8MPa之间，无中冷，处于一个技之间，无中冷，处于一个技术水平较低的发展术水平较低的发展阶段。阶段。二、增压技术的发展二、增压技术的发展 现在，大功率柴油机已是现在，大功率柴油机已是“无机不增压无机不增压”，国外车用，国外车用柴油机柴油机60以上为增压机型，车用汽油机采用涡轮增压以上为增压机型，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。提高起了划时代的作用。 目前增压比可达到单级目前增压比可达到单级5 5以上，超高增压系统单以上，超高增压系统单级可达到级

25、可达到1010以上，平均有效压力可达以上，平均有效压力可达3.3MPa3.3MPa以上，功以上，功率可提高率可提高2 24 4倍，油耗也可大大降低。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。增压器在设计、制造和材料等方面都得到了长足发展。 20 20世纪世纪7070年代开始的电子技术在内燃机上的应用具有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。进入划时代的意义。进入9090年代，内

26、燃机电年代，内燃机电 控技术已有了很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，大的发展，其主要目标是保持内燃机各运行参数的最佳值，以求得内燃机以求得内燃机功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，并监并监视运行工况。视运行工况。三、电子控制技术的应用三、电子控制技术的应用 内燃机采用电子控制，已达到接近理想的最佳控制运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。行的程度，因而增大了在现代内燃机上的使用价值。 共轨式喷油系统不再采用传统高压油泵脉动供油共轨式喷油系统不再采用传统高压油泵脉动供油的原理

27、的原理, ,而是通过高压共用管道，或共轨蓄压式或液力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。共轨式喷油系统是电磁阀控制喷射过程。共轨式喷油系统是2020世纪世纪8080年年代末期才开始研制的新型高压喷射系统代末期才开始研制的新型高压喷射系统, ,与电控技术紧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，可以预喷有较大柔性，可以预喷,p=100-200MPa,p=100-200MPa。在今后。在今后5 51010年内

28、将取代部分直列泵而获得大的发展。现有柴油机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。前景将十分广阔。四、柴油机共轨式电控喷油系统 现代内燃机产品已不是传统意义上的机械产品，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。汽车是内燃机的主要市场科技产品。汽车是内燃机的主要市场，全球各大汽车全球各大汽车厂激烈角逐环保型汽车，厂激烈角逐环保型汽车，GMGM公司首先推出了柴油公司首先推出了柴油/

29、/电动电动汽车，其后丰田公司也推出了汽油汽车，其后丰田公司也推出了汽油/ /电动汽车抢先在日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性和超低污染排放的性能排放的性能。纯电动汽车是努力追求的。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。的困难问题，这种零污染车的上市还尚待时日。面向面向21世纪的内燃机世纪的内燃机一、一、21世纪内燃机发展的展望世纪内燃机发展的展望 新技术、新材料、新工艺将为内燃机的发展带来

30、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，计算机新的机遇。现代设计方法发展很快，计算机 技术、现技术、现代设计理论、现代计算方法、知识工程、图形学等多个代设计理论、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、融学科、多种技术的交叉、融 合，发展了合，发展了CADCAD、CFDCFD、FEAFEA、CAECAE、CATCAT、CAPPCAPP等设计、计算、分析方面的现代等设计、计算、分析方面的现代技术方法，使技术方法，使 这些方法在内燃机设计中的应用成为可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，使设计更趋合理能，进而发展概念

31、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。的重要方面。 新材料的发展和应用必将促进新材料的发展和应用必将促进 内燃机产品的巨大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、用、陶瓷内燃机、 陶瓷涡轮对提高内燃机受热零件的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，提耐热、耐磨性能，提高零件的热强度，减少热损失，提高高 热效率，减轻重量，改善瞬态特性等，都表现出明热效率，减轻重量，改善瞬态特性等，都表现出明显的效果。显的效果。 此外，像陶瓷此外，像陶瓷/ /金属复合材料、金属复合材料、耐热高强度金属复合材料、金属复合材料、耐热高强度塑料、塑料、 功能梯度材料、碳纤维、纳米材料等的开发研究，现功能梯度材料、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。与发展是无法预测的。未来内燃机在新材料应用的推动