《内燃机学 第5版》 课件 第1、2章 概论、内燃机的性能指标

内燃机学第一章概论

Introduction第一节内燃机简史第二节中国内燃机工业发展简史第三节内燃机的典型构造与技术主要学习内容第一节内燃机发展简史HistoryofICEngine内燃机内燃机的发明与发展内燃机燃料的发展内燃机的成功之路主要学习内容热机(HeatEngine)内燃机INTERNALCOMBUSTIONENGINE各种变热能为机械能的机器的统称。燃料在机器内部燃烧释放热能推动活塞对外做功的热机。点燃式内燃机（汽油及其代用燃料）压燃式内燃机（柴油及其代用燃料）内燃机(ICEngine)内燃机的发明与发展Invention&DevelopmentofICEngine1860莱诺依尔大气压力式内燃机1876奥托四冲程点燃式内燃机1890奔驰二冲程内燃机1892狄塞尔四冲程压燃式内燃机1957汪克尔转子发动机┆现代内燃机1907美国路易斯•雷诺（LouisRenault）

机械增压发动机1915瑞士阿尔弗雷德•波希(AlfredBuchi)排气涡轮增压发动机现代内燃机增压技术：增压压力、温度、流量排气温度、涡轮转速增压器电子控制技术内燃机增压技术的发展大气压力式内燃机莱诺依尔（J.J.E.Lenoir)

Otto-Langen发动机NicolausA.Otto(1832-1891)

RudolfDiesel(1858-1913)

现代奥迪W12发动机煤气。1900年之后，原油中的轻镏分汽油。威廉•伯尔顿（WilliamBurton）发明了重油热解技术。通用汽车公司发明了四乙铅抗爆添加剂，1923年美国开始用作汽油抗爆添加剂。尤金•荷德莱（EugeneHoudry）发明了催化裂化法，既提高了汽油的产量，同时使汽油获得越来越好的抗爆性。内燃机燃料的进步FuelsforICEngines现代内燃机技术的发展ModernICEngines动力性的不断提高经济性的不断改善有害排放的趋零汽油机的技术进步

（1）基本型:1.6L,直列4缸，自然吸气，进气道喷

射，1372kg，6档-手动变速器（2）缩缸强化（包括使用两级增压）下降12%（3）可变气门机构下降8%（4）降低摩擦损失，优化热管理下降3%（5）应用高辛烷值燃料如E85下降2%（6）7档自动变速器下降2%（7）并联混合动力下降10%2019年车队燃油耗目标值为95g/km汽油机CO2排放的降低高速柴油机的技术进步（1）2.0L直喷式柴油机，6档手动变速器，1590kg（2）缩缸强化：从2L到1.6L；采用技术的说明。下降8%（3）减轻自重75kg下降3%（4）起动-停车系统和发电机管理系统下降7%（5）低压EGR下降1.5%（6）热管理系统（分开式循环冷却和全特性曲线场恒温）下降2%（7）降低摩擦下降3.5%（8）降低转速下降2.5%柴油机CO2排放的降低排放机理的研究排放法规的建立高效排放后处理系统高效排放后处理系统Roadvehicles:Off-roadvehicles:Railroad:Marine:Stationary:SmallEngines:Aircrafts广泛应用内燃机的成功之路SuccessesofICEngines成功之源LowcostdensityHighpowerdensityRobustandversatileWellmatchedtocheapavailablehighenergydensitypetroleum-basedfuelsEfficientenoughMetemissionsregulationstodate18第二节中国内燃机工业发展简史BriefIntroductionofChinaICenginedevelopment

内燃机工业的起步发展阶段（1908－1949）内燃机工业的初级发展阶段（1950－1979）主要学习内容内燃机工业的快速发展阶段（1980－)19内燃机工业的起步发展阶段（1908－1949）

Foundation&ElementaryDevelopmentPeriod1901：上海出现由外国人带入的汽车，外国生产的内燃机作为商品也开始进入我国口岸。1908～1924：我国制造压缩着火四冲程低速柴油机。1929～1939：高速柴油机1949生产能力为7000kW左右，1908～1949累计生产内燃机不足14万kW。1949后：上海柴油机厂试制成功110系列柴油机天津动力机厂研制成功4146柴油机上海与天津建立油泵油嘴生产点1956年长春第一汽车制造厂和南京汽车厂建立201957年全国产量达到50万千瓦，内燃机工业已初具规模。

车船工程机械用135系列柴油机,由仿制到自行设计,到批量生产;农业机械：洛阳第一拖拉机厂、天津拖拉机厂、北京内燃机总厂及65、75、95系列多种小型机等大功率柴油机：12V180、6250Z、6300；1966年文化大革命开始内燃机工业停滞。内燃机工业的初级发展阶段（1950－1979）InfantileDevelopmentPeriod211979年十一届三中全会后，内燃机工业进行了一系列调整整顿工作，为我国内燃机工业快速发展奠定了基础。引进、消化、吸收，我国内燃机工业全面快速发展。3大汽车公司＋广汽奇瑞、长安……载重汽车、客车（发动机：潍柴、锡柴、玉柴、云南动力…）农用车2000年起汽油车实施国Ⅰ排放标准，推动了我国汽油机电控喷射和三效催化后处理装置的应用。2016年，京6与国6之争，标志着我国的车用发动机的排放标准已基本与国际接轨。内燃机工业的快速发展阶段（1980－）FastDevelopmentPeriodAutomobileEnterprises一汽、二汽、上汽、广汽、北汽长安、奇瑞、江淮、比亚迪、吉利、长城重型汽车：中国重汽、陕汽、福田、北奔等轻型载重汽车（农用车）：客车：宇通、金龙等EngineManufacturers潍柴vs玉柴上柴：上海柴油机厂（上汽）锡柴：无锡柴油机厂(一汽)大柴、朝柴(一汽)云内动力：云南内燃机总厂康明斯发动机（多家）全椒柴油机厂、常州柴油机厂等615、616、617、华柴等407、408、宁波中策摩托车和通用小型汽油机24第三节内燃机的典型构造TypicalICEnginesandTechnologies主要学习内容车用柴油机车用汽油机25二冲程汽油机TwoStroke

SIEngines26优点:结构简单、零件数少，每缸仅有3个运动零件—活塞、连杆、曲轴；升功率比四冲程高，因为做功次数为四冲程机的一倍；小型轻便的动力装置。缺点：扫气损失大；未燃碳氢排放量高；燃油、润滑油消耗量大。二冲程汽油机TwoStroke

SIEngines27仅有两个主要运动零件，即三角形转子与偏心轴。转子转动时通过缸体中的进、排气孔（有时铸在端盖中）换气，燃烧室由缸体与转子表面型线构成。优点：

结构简单、紧凑、零部件少，平衡性好，噪声振动小，高升功率和单位质量功率，高速性能好。缺点：

燃烧室面容比大，燃油消耗率高，HC排放高，低速性能差。汪克尔转子发动机RotatoryEngine2829基本没有独立的车用汽油机的生产企业。各企车一般配套自己的发动机，以方便整车传动系统的调校和性能开发。车用汽油机SIEngines感谢长安汽车提供的车用汽油机的结构与性能资料301.进气道喷射汽油机312.缸内直喷汽油机323.混合动力汽油机33车用柴油机CIEngines与车用汽油机相反，独立的柴油机企业较多，如潍柴、玉柴、云内动力等等，提供乘用车、商用车、非道路等车辆配套使用，其排放性能已国Ⅳ，国VI的也也已完成开发。感谢潍柴、玉柴、云内动力提供的车用柴油机的结构与性能资料34云内动力D19TCI柴油机

35WP10潍柴柴油机

36YC6K12玉柴柴油机

第二章内燃机的性能指标ENGINE

OPERATINGPARAMETERS主要学习内容2.3机械效率与机械损失2.1示功图与指示性能指标2.2有效性能指标2.4提高内燃机的动力性与经济性第一节示功图与指示性能指标示功图

指示性能指标PressureDiagramandIndicatedParameters主要学习内容利用不同形式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果即为p-V示功图或p-φ示功图。示功图PressureDiagram

内燃机缸内压力数据采集系统上止点

气缸压力

进气行程压缩行程燃烧膨胀行程排气行程下止点

上止点

下止点

曲轴转角/(º)CA0180360540720p－V

压力示功图p-VDiagram指示性能指标IndicatedParametersParametersthatarebasedontheworkdeliveredfromthegastothepistonovertheentirecycle.以缸内气体工质对活塞做功为基础的性能指标。

活塞完成一个工作循环所获得有用功（Wi）。指示功的大小可以由p-V图中闭合曲线所占有的面积求出。+F1F2一、指示功IndicatedWork四冲程非增压发动机的示功图jPumpingWork:Intake&ExhauststrokeGrossandPumpingWorkGrosswork:WorkdoneinCompression&Expansionstroke平均指示压力是指单位气缸容积一个循环所做的指示功.

二、平均指示压力(imep)平均指示压力是一个假想不变的平均压力作用在活塞上使活塞移动一个行程所做的功等于这个循环的指示功。平均指示压力是从循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数。pmip0三、指示功率IndicatedPowerτ：冲程数。四冲程内燃机,τ=4;二冲程内燃机,τ=2单位时间内燃机所做的指示功。四、指示热效率IndicatedThermalEfficiency发动机的指示功与燃料热量的比值。单位指示功的燃油消耗量。五、指示燃油消耗率isfc指示性能指标之间的关系第二节有效性能指标内燃机的功率和转矩有效性能指标EffectiveParameters主要学习内容内燃机的功率和转矩

EnginePowerandTorqueAirconsumptionrateenginedynamometerFuelconsumptionratetorqueEnginespeedemissions(W)(kW)有效性能指标EffectiveParametersEffectiveParametersthatarebasedontheworkoutputfromcrankshaft.以发动机曲轴输出功为基础的性能指标。

平均有效压力反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。有效平均压力Brakemeaneffectivepressure,bmep/BMEP升功率从发动机有效功率的角度对气缸工作容积的利用率作出的总评价标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。从n

和bmep

两方面反映了发动机的强化程度。升功率VolumetricPower有效热效率和有效燃油消耗率BrakeThermalEfficiency,BTEBrakespecificfuelconsumption,BSFC第三节机械效率与机械损失机械效率机械损失低摩擦技术EngineFrictionandMechanicalEfficiency主要学习内容IMPORTANCEBRAKEMEASUREScylinderpressureCrankshaftTorqueTtqINDICATEDMEASURESmechanicalefficiency机械效率MechanicalEfficiency内燃机机械效率大致范围非增压柴油机0.78～0.85增压柴油机0.80～0.92汽油机0.80～0.90机械损失MechanicalLosses活塞和活塞环的摩擦损失 45%~65%整个活塞连杆曲轴机构中的摩擦损失60%~70%气门机构的驱动损失2%~3%附属机械的驱动损失10%~20%泵气损失10%~20%1.缸套与活塞及环组的摩擦损失活塞裙部及环岸与气缸套之间的摩擦损失活塞环组与气缸套之间的摩擦损失影响因素：活塞运动速度：Cm润滑状态：液体润滑、边界润滑、干摩擦缸内压力：活塞侧推力、环间压力活塞形状及表面特性润滑油2.轴承的摩擦损失主轴承连杆轴承活塞销凸轮轴轴承其他各种轴承影响因素：流体润滑状态轴径圆周速度轴心轨迹3.流体摩擦损失连杆等往复运动件与空气、油雾等之间的摩擦损失。曲轴等旋转运动件与空气、油雾等之间的摩擦损失。特点:

数值较小。4.驱动附件机构的功率消耗气门及配气机构冷却水泵、机油泵、燃油泵喷油泵、调速器正时齿轮发电机、空压机、空调压缩机冷却风扇5.驱动扫气泵及增压器的损失扫气泵功耗：二行程发动机机械增压发动机机械损失随转速的变化a－泵气损失

b－活塞及环组摩擦损失

c－气门机构驱动损失d－附属机构驱动损失

e－连杆轴承摩擦损失

f－凸轮轴承摩擦损失泵气损失四冲程发动机在进气和排气过程气体流动阻力所造成的功的损失。泵气损失归于机械损失。机械损失的测定MeasurementofMechanicalLosses示功图法倒拖法油耗线法灭缸法1.示功图法仪器测录发动机气缸内的压力示功图，从中计算Pi值测量发动机转矩和转速，计算发动机的有效功率Pe

计算Pm=Pi+Pe，计算机械效率误差：活塞上止点、多缸不均匀性设备：发动机试验设备、示功图测量设备等适应性：任何发动机2.倒拖法（Mortoring）发动机运行至正常试验状态，倒拖转换测量给定转速发动机的倒拖功率：机械损失功率误差：缸内压力下降，摩擦损失减少；包含了泵气损失；传热损失。实际结果偏高。设备：电力测功器适应性：低压缩比汽油机3.灭缸法(Morsetest)稳态工况，测量有效功率Pe；灭缸并恢复转速，测量有效功率Pe’；重复；计算

误差：同倒拖，但误差较倒拖小。设备：多缸机，测功机适应性：非增压柴油机4.油耗线法(Willansline)中低负荷下的负荷特性试验作图（燃油流量与负荷的关系）直线外延至横坐标，交点值即为平均机械损失功率或压力误差：基于ηit不变，误差较小。设备：一般适应性：不适用于节气门调节功率的汽油机5.测量方法比较Comparison倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。对于非增压或排气涡轮增压柴油机(pb<0.15MPa)，只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。对于排气涡轮中增压、高增压的柴油机(pb≥0.15MPa)，除示功图外，尚无其他适用的方法。对于4冲程发动机，除示功图法外，其他测量方法尚无法排除泵气功。内燃机低摩擦技术MeasurementofMechanicalLosses低摩擦活塞组技术

活塞裙部非对称主副推力面、椭圆形状、二道环密封结构及活塞环的结构优化设计、缸套及活塞的热变形控制、表面涂层技术等。低摩擦轴承技术

优化连杆大头和小头及主轴承的设计，如减小轴颈、轴承宽度和配合间隙等。采用滚动轴承设计的气门驱动摇臂轴承和凸轮轴轴承等。润滑剂及表面处理技术

采用合适粘度的多级润滑油；改进运动副表面加工技术和涂层材料和涂覆技术等。第四节提高内燃机的动力性和经济性内燃机动力经济性指标的推算提高内燃机动力经济性指标的途径