内燃机原理主讲黄荣华教授

内燃机原理

主讲：黄荣华教授

第一章绪论

1－1内燃机在国民经济及国防建设中的地位与作用

1784年英国发明家J·瓦特(J.Watte)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。德国人N·A·奥托(N.A.Otto)和R·狄赛尔(R.Diesel)提出内燃机循环，于1876年和1897年分别推出了汽油机和柴油机，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。

内燃机是将燃料燃烧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，故称为内燃机。

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。

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/(kW·h))；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

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，能满足各种配套机具的需要。

从转速只有70r/min的SulzerRTA68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。

内燃机作为一种科技产品历时百余年，经久不衰，现在还充满发展活力。

1－2内燃机面临能源与环境的严峻挑战

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。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。

能源挑战

1993年，我国已由石油出口国变成了石油净进口国。我国石油需求的缺口到2010年需求缺口达到9000万t，到2011年我国石油依存度达56%,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。

环境挑战

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。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，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g/kW•h，烟度单位

实施时间COHCNOxPM烟度欧Ⅰ：19924.51.18.0≤85kW,0.612

＞85kW,0.360欧Ⅱ：1996.104.01.17.00.251998.104.01.17.00.15欧Ⅲ：1999.10（仅EEVs）1.50.252.00.020.152000.102.10.665.00.10/0.13*0.8欧Ⅳ：2005.101.50.463.50.020.5欧Ⅴ：2008.101.50.462.00.020.5

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1－2我国车用柴油机排放标准g/kW•h

实施时间COHCNOxPM≤85kW＞85kW欧Ⅰ:2000.10.14.51.18.00.610.36欧Ⅱ:2005.10.14.01.17.00.150.15

欧Ⅲ：

2008.7.12.10.665.00.10/0.13*0.81－3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。

1.在Pe=750～3000kW,n=450-1500r/min范围内,pe=2.5MPa，pmax<18MPa,be<200g/(kW·h)。

2.在Pe=3000～7500kW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，而油耗二者不相上下，在pe

=2～2.3MPa下，pmax=15～16MPa，Cm=9m/s左右，S/D=1.2～1.4。

3.在Pe=7500～66000kW范围内，低速长行程或超长行程二冲程柴油机在近10年中得到了发展，n=200-60r/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。热效率=50-55.6%,pe=1.7MPa,pmax=12.5MPa，S/D=3-3.5,Cm=7m/s左右，be=200～150g/(kW·h)左右，大修期t=20000h

中速四冲程柴油机大修期达t=12000～15000h；中速强载柴油机m=1.36kg/kW。(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5.5～6.5L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。

2.车用柴油机

在载货车的运行费中，燃料费约占70％，通常柴油车的运行油耗比汽油机车要低(30～40)％，可达到小于200g/kW.h。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；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。(三)小型通用柴油机

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:D×S=150mm×210mm,Vh=3711mL,Pemax=23.5kW/(1000r/min)，

M=788kg，bemin=197.2g/(kW·h)。

洋马公司的HS95型柴油机:D×S=88mm×88mm，V=535mL，Pemax=7kW/(2400r/min)，M=103kg,bemin=258.4g/(kW·h)。久保田公司的E70型柴机:D×S=75mm×70mm,Vh=309mL，Pemax=5.15kW/(3000r/min),M=50kg,bemin=273.4g/(kW·h)。我国的195柴油机:D×S=95mm×115mm,Pemax=8.8kW/(2000r/min),bemin=250g/kW·h（涡流室),240g/kW·h（直喷式）。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0.7～0.8MPa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”，车用柴油机现在也大部分为增压机型，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，超高增压系统单级可达到10以上，平均有效压力可达3.3MPa以上，功率可提高2～4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。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,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,p=100-250MPa。现有柴油机在改用共轨式喷油系统时，结构上改动不大，目前达欧欧Ⅳ排放标准及以上的柴油机几乎均采用它,其应用前景十分广阔。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。汽车是内燃机的主要市场，全球各大汽车厂激烈角逐环保型汽车，GM公司首先推出了柴油/电动汽车，其后丰田公司也推出了汽油/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。

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、CAT、CAPP等设计、计算、分析方面的现代技术方法，使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。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