內(nèi)燃機(jī)原理第一章2h

1、內(nèi) 燃 機(jī) 原 理主講：主講： 黃榮華教授黃榮華教授 0270276215336262153362e-mail: e-mail: 發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程教學(xué)大綱 一、課程編號(hào)二、學(xué)時(shí)和學(xué)分 56學(xué)時(shí)，3.5學(xué)分 三、先修課程 熱力學(xué)、流體力學(xué)、動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)、渦輪增壓器原理等四、課程教學(xué)目標(biāo)本課程屬于熱能與動(dòng)力工程專業(yè)動(dòng)力機(jī)械專業(yè)方向的專業(yè)主干課程。本門課程的教學(xué)目標(biāo)，旨在使學(xué)生獲得發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理、現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)清潔燃料、排放控制及電控應(yīng)用技術(shù)方面的必備知識(shí)，掌握提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低有害排放物的基本方法。培養(yǎng)學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)與研究的能力。五、 課程內(nèi)容(1)課內(nèi)講授：課內(nèi)講授：5

2、0學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 第一章 緒論（1.5學(xué)時(shí)）第二章 發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)（4學(xué)時(shí)）第三章 發(fā)動(dòng)機(jī)的工作指標(biāo)與性能分析（4學(xué)時(shí)）第四章 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒（10.5學(xué)時(shí)）第五章 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料與燃料供給（8學(xué)時(shí)）第六章 發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程（6學(xué)時(shí)）第七章 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓 （8學(xué)時(shí)）第八章 發(fā)動(dòng)機(jī)的排放與控制（4學(xué)時(shí)）第九章 發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性（4學(xué)時(shí)）(2)實(shí)踐環(huán)節(jié)：發(fā)動(dòng)機(jī)原理試驗(yàn)（實(shí)踐環(huán)節(jié)：發(fā)動(dòng)機(jī)原理試驗(yàn)（6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）噴油泵特性與調(diào)整試驗(yàn)；發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)示功圖,高壓油管壓力與噴油器針閥升程試驗(yàn)；發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性、負(fù)荷特性與機(jī)械效率試驗(yàn)（用油耗線法、停缸法與倒拖法測(cè)機(jī)械效率）； 六、教材1） 本課程使用教材：內(nèi)燃機(jī)原理，劉永

3、長主編，華中科技大學(xué)出版社出版，2001年第1版。2） 參考教材：內(nèi)燃機(jī)學(xué)，周龍保主編，機(jī)械工業(yè)出版社，1999年第1版;汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理教程劉崢、王建昕編著，清華大學(xué)出版社,2001年第1版內(nèi)燃機(jī)原理蔣德明主編，機(jī)械工業(yè)出版社，1988年第2版;汽車內(nèi)燃機(jī)原理倪計(jì)民編，同濟(jì)大學(xué)出版社，1997年第1版。 第一章 緒 論 11 內(nèi)燃機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)及國防建設(shè)中的地位 與作用 1784年英國發(fā)明家J瓦特(J. Watte)發(fā)明了蒸汽機(jī)。這是一個(gè)劃時(shí)代的重大發(fā)明，拉開了產(chǎn)業(yè)革命的序幕。 德國人NA奧托(N.A.Otto)和R狄賽爾(R.Diesel)提出的內(nèi)燃機(jī)循環(huán)，于1876年和1897年分別推出了汽

4、油機(jī)和柴油機(jī)，為現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這是繼蒸汽機(jī)之后發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的又一個(gè)里程碑。 內(nèi)燃機(jī)是將燃料燃燒釋放出來的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種動(dòng)力裝置。由于燃料燃燒在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部進(jìn)行，故稱為內(nèi)燃機(jī)。 內(nèi)燃機(jī)問世至今一百余年來，經(jīng)過前人艱辛的勞動(dòng)與無數(shù)次的改進(jìn)，其性能已達(dá)到一個(gè)較高的技術(shù)水平 ，主要表現(xiàn)在： A A、經(jīng)濟(jì)性：、經(jīng)濟(jì)性： 內(nèi)燃機(jī)是所有熱機(jī)中熱效率最高的原動(dòng)機(jī)。內(nèi)燃機(jī)是所有熱機(jī)中熱效率最高的原動(dòng)機(jī)。 現(xiàn)代高性能車用柴油機(jī)的循環(huán)熱效率已達(dá)40%以上； 超長行程二沖程船用柴油機(jī)的循環(huán)熱效率甚至可高達(dá)50%以上(比油耗150g/(kWh)； 車用汽油機(jī)的有效熱效率也可達(dá)33%左右。 B B、

5、動(dòng)力性：、動(dòng)力性： 功率覆蓋面大，檔次比較齊全功率覆蓋面大，檔次比較齊全 單機(jī)功率從小于1kW的汽油機(jī)到66000kW的船用柴油機(jī)； C C、 運(yùn)轉(zhuǎn)特性運(yùn)轉(zhuǎn)特性 轉(zhuǎn)速范圍寬，能滿足各種配套機(jī)具的需要。轉(zhuǎn)速范圍寬，能滿足各種配套機(jī)具的需要。 從轉(zhuǎn)速只有70r/min的Sulzer RTA68低速船用柴油機(jī)，到9000r/min的波爾舍 V83000高速賽車汽油機(jī)，車用柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速也可高達(dá)5000r/min(哥爾夫轎車柴油機(jī)). 正因?yàn)樯鲜鰞?yōu)勢(shì)，內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用在所有熱機(jī)中一直居于領(lǐng)先地位，無論是過去還是現(xiàn)在，均廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)(陸、海、空軍的動(dòng)力裝備)的各個(gè)領(lǐng)域。從農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車、摩托、

6、賽車、工程機(jī)械、機(jī)車、戰(zhàn)車、電站、艦艇和民用船舶，乃至于飛機(jī)都廣泛采用內(nèi)燃機(jī)，特別是在水陸交通運(yùn)輸和農(nóng)用動(dòng)力中占有壓倒優(yōu)勢(shì)。 內(nèi)燃機(jī)作為一種科技產(chǎn)品歷時(shí)百余年，經(jīng)久不衰，現(xiàn)在還充滿發(fā)展活力，無可替代地邁入21世紀(jì)。 12內(nèi)燃機(jī)面臨能源與環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn) 現(xiàn)在能源問題已是世界矚目的問題，能源危機(jī)將日益深化；環(huán)境污染日趨惡化，已引起人們的嚴(yán)重關(guān)注和不安，能源與環(huán)境已成為21世紀(jì)制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的同時(shí)，保持潔凈環(huán)境將是各國面臨的一大挑戰(zhàn)。 能源能源挑戰(zhàn)挑戰(zhàn) 1993年，我國已由石油出口國變成了石油凈進(jìn)口國。2000年，我國石油需求的缺口達(dá)到4000萬t,到2010年需求缺口將達(dá)到

7、9000萬t左右，這就是我國在21世紀(jì)所面對(duì)的能源形勢(shì)。內(nèi)燃機(jī)正面臨著節(jié)約能源、提高能源利用率的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 環(huán)境挑戰(zhàn)環(huán)境挑戰(zhàn) 環(huán)境問題是當(dāng)代人類面臨的四大社會(huì)問題(糧食、人口、環(huán)境、能源)之一。大氣污染是環(huán)境污染最重要的一個(gè)方面，也是控制與治理較為困難的一面。城市人煙稠密，大氣污染尤為嚴(yán)重，在城市大氣污染中，內(nèi)燃機(jī)的有害物排放量約占60以上，因此，內(nèi)燃機(jī)排放是城市大氣環(huán)境的主要污染源。隨著汽車保有量的增加，城市大氣環(huán)境污染程度有增無減，已經(jīng)成為我國城市環(huán)境治理中的重中之重。 為了控制大氣污染，美國、日本、歐共體各國都制定了嚴(yán)格的內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)。如表11所示的為歐洲現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。表12所示的是我

8、國車用柴油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)限值 。 表11 歐洲車用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn) g/kWh，煙度單位 實(shí)施時(shí)間 CO HC NOx PM 煙度歐： 1992 4.5 1.1 8.0 85kW, 0.612 85kW, 0.360歐： 1996.10 4.0 1.1 7.0 0.25 1998.10 4.0 1.1 7.0 0.15 歐： 1999.10（僅EEVs） 1.5 0.25 2.0 0.02 0.15 2000.10 2.1 0.66 5.0 0.10/0.13* 0.8歐： 2005.10 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5 歐： 2008.10 1.5 0.46 2.0 0.02 0.5

9、 注：*用于每缸排量小于0.75升和額定功率轉(zhuǎn)速高于3000r/min的發(fā)動(dòng)機(jī) 表12 我國車用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn) g/kWh 實(shí)施時(shí)間 CO HC NOx PM 85kW 85kW歐: 2000.10.1 4.5 1.1 8.0 0.61 0.36歐: 2005.10.1 4.0 1.1 7.0 0.15 0.15 1m13 內(nèi)燃機(jī)當(dāng)前的發(fā)展水平 內(nèi)燃機(jī)經(jīng)歷一百余年的發(fā)展，有兩個(gè)重要的發(fā)展階段是具有劃時(shí)代意義的：一是20世紀(jì) 50年代初興起的增壓技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用，再就是20世紀(jì)70年代開始的電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)在內(nèi)燃機(jī)研制中的應(yīng)用，這兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)至今都方興未艾。隨著能源短缺和環(huán)境污染的日

10、趨嚴(yán)重，內(nèi)燃機(jī)正面臨著排氣凈化法規(guī)和燃油耗法規(guī)進(jìn)一步強(qiáng)化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從而促進(jìn)了各種基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的開展。一、內(nèi)燃機(jī)綜合性能的進(jìn)展 (一)用于機(jī)車、船舶及固定式裝置的中、低速柴油機(jī) 在中、低速大型動(dòng)力裝置中幾乎毫無例外地采用柴油機(jī)。 1.在Pe=7503000kW , n=450-1500r/min范圍內(nèi),pe=2.5MPa，pmax18MPa,be200g/(kWh)。 2.在Pe=30007500kW 較大型內(nèi)燃機(jī)中，四沖程柴油機(jī)在生產(chǎn)成本上優(yōu)于二沖程柴油機(jī)，而油耗二者不相上下， 在pe =22.3MPa下，pmax=1516MPa，Cm =9m/s左右，S/D=1.21.4。 3.在P

11、e=750066000kW范圍內(nèi)，低速長行程或超長行程二沖程柴油機(jī)在近10年中得到了發(fā)展，n=200-60r/min 以下時(shí)，具有倒車直接耦合能力，適用于直接驅(qū)動(dòng)船舶螺旋槳，從而可提高推進(jìn)效率。 熱效率=50-55.6%,pe=1.7MPa,pmax=12.5MPa，S/D=3- 3.5, Cm=7m/s左右，be=200150g/(kWh)左右，大修期t=20000h 中速四沖程柴油機(jī)大修期達(dá)t= 1200015000h；中速強(qiáng)載柴油機(jī) m=1.36kg/kW。(二)高速車用發(fā)動(dòng)機(jī) 1.車用汽油機(jī) 汽油機(jī)仍是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)機(jī)型，由于其升功率高、工作柔和平穩(wěn)、噪聲低、比容積小和比質(zhì)量輕，所以

12、在轎車和輕型車上占有優(yōu)勢(shì)。在油耗方面，由于多氣門技術(shù)和燃油噴射系統(tǒng)的采用，目前小轎車汽油機(jī)的燃油消耗較過去有較大幅度的降低。目前歐洲和日本小轎車的百公里平均油耗一般在5.56.5L之間，部分機(jī)型甚至達(dá)到了5L以下，而且各汽車公司還正 在為研制成油耗為3L/100km的小型轎車而努力。 2.車用柴油機(jī) 在載貨車的運(yùn)行費(fèi)中，燃料費(fèi)約占70，通常柴油車的運(yùn)行油耗比汽油機(jī)車要低(3040)，可達(dá)到小于200 g/kW.h。近年來發(fā)展趨勢(shì)是大量發(fā)展柴油車，車用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：小排量內(nèi)燃機(jī)的柴油機(jī)化、 直噴化及其向轎車領(lǐng)域的擴(kuò)展；分開式燃燒室柴油機(jī)的直噴化；直噴式柴油機(jī)的(渦輪)增壓化；渦

13、輪增壓直噴式柴油機(jī)再加進(jìn)氣中冷器；電子控制技術(shù)的應(yīng)用等。(三)小型通用柴油機(jī) 小缸徑系列機(jī)型也采用直噴燃燒方式，把經(jīng)濟(jì)性放在首位，在整機(jī)性能上已有較大提高，以滿足用戶的需要。 22kW級(jí)的代表機(jī)型為久保田公司的KND3200型柴油機(jī): DS=150mm210mm,Vh=3711mL,Pemax=23.5kW/(1000r/min)， M=788kg，bemin=197.2g/(kWh)。 洋馬公司的HS95型柴油機(jī):DS=88mm88mm，V=535mL，Pemax=7kW/(2400r/min)，M=103kg,bemin=258.4g/(kWh) 。 久保田公司的E70型柴油機(jī):DS=75

14、mm70mm，Vh=309mL，Pemax=5.15kW/(3000r/min)，M=50kg,bemin=273.4g/(kWh)。 我國的195柴油機(jī): DS=95mm115mm,Pemax=8.8kW /(2000r/min),bemin=250g/kWh（渦流室),240g/kWh （直噴式）。二、增壓技術(shù)的發(fā)展 1950年增壓技術(shù)才開始在柴油機(jī)上采用并作為產(chǎn)品提供市場(chǎng)。50年代，增壓度約為50，四沖程機(jī)的平均有效壓力約 在0.70.8MPa之間，無中冷，處于一個(gè)技術(shù)水平較低的發(fā)展階段?，F(xiàn)在，大功率柴油機(jī)已是“無機(jī)不增壓”，國外車用柴油機(jī)60以上為增壓機(jī)型，車用汽油機(jī)采用渦輪增壓或機(jī)械

15、增壓的機(jī)型也逐年增多，增壓技術(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的提高起了劃時(shí)代的作用。 目前增壓比可達(dá)到單級(jí)5以上，超高增壓系統(tǒng)單級(jí)可達(dá)到10以上，平均有效壓力可達(dá)3.3MPa以上，功率可提高24倍，油耗也可大大降低。 渦輪增壓技術(shù)在車用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益擴(kuò)大，特別是近十幾年來的發(fā)展更為迅速，車用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器在設(shè)計(jì)、制造和材料等方面都得到了長足發(fā)展。 三、電子控制技術(shù)的應(yīng)用 20世紀(jì)70年代開始的電子技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用具有劃時(shí)代的意義。進(jìn)入90年代，內(nèi)燃機(jī)電 控技術(shù)已有了很大的發(fā)展，其主要目標(biāo)是保持內(nèi)燃機(jī)各運(yùn)行參數(shù)的最佳值，以求得內(nèi)燃機(jī)功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，并監(jiān)視運(yùn)行工況。 內(nèi)燃機(jī)采用電子控制，

16、已達(dá)到接近理想的最佳控制運(yùn)行的程度，因而增大了在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)上的使用價(jià)值。 四、柴油機(jī)共軌式電控噴油系統(tǒng) 共軌式噴油系統(tǒng)不再采用傳統(tǒng)高壓油泵脈動(dòng)供油的原理,而是通過高壓共用管道，或共軌蓄壓式或液力增壓式形成高壓。采用壓力時(shí)間式燃油計(jì)量原理，用電磁閥控制噴射過程。共軌式噴油系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代末期才開始研制的新型高壓噴射系統(tǒng),與電控技術(shù)緊密結(jié)合，其特點(diǎn)是在整個(gè)柴油機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)噴油壓力有較大柔性，可以預(yù)噴,p=100-200MPa。在今后510年內(nèi)將取代部分直列泵而獲得大的發(fā)展?，F(xiàn)有柴油機(jī)在改用共軌式噴油系統(tǒng)時(shí)，結(jié)構(gòu)上改動(dòng)不大，其應(yīng)用前景將十分廣闊。14 面向21世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)一、21世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)展

17、的展望 現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品已不是傳統(tǒng)意義上的機(jī)械產(chǎn)品，它將機(jī)械與電子技術(shù)融為一體，形成技術(shù)密集型的高科技產(chǎn)品。汽車是內(nèi)燃機(jī)的主要市場(chǎng)，全球各大汽車廠激烈角逐環(huán)保型汽車，GM公司首先推出了柴油/電動(dòng)汽車，其后豐田公司也推出了汽油/電動(dòng)汽車搶先在日本上市，這種混合動(dòng)力汽車已表現(xiàn)出良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和超低污染排放的性能。純電動(dòng)汽車是努力追求的目標(biāo)，但高效電池、價(jià)格、使用方便性等是亟待解決的困難問題，這種零污染車的上市還尚待時(shí)日。 新技術(shù)、新材料、新工藝將為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法發(fā)展很快，計(jì)算機(jī) 技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、現(xiàn)代計(jì)算方法、知識(shí)工程、圖形學(xué)等多個(gè)學(xué)科、多種技術(shù)的交叉、融 合，發(fā)展了CA

18、D、CFD、FEA、CAE、CAT、CAPP等設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析方面的現(xiàn)代技術(shù)方法，使 這些方法在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用成為可能，進(jìn)而發(fā)展概念設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更趨合理 、更加完善，達(dá)到設(shè)計(jì)最佳化，這是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)今后發(fā)展的重要方面。 新材料的發(fā)展和應(yīng)用必將促進(jìn) 內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的巨大進(jìn)步，這是不容置疑的。結(jié)構(gòu)陶瓷材料在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用、陶瓷內(nèi)燃機(jī)、 陶瓷渦輪對(duì)提高內(nèi)燃機(jī)受熱零件的耐熱、耐磨性能，提高零件的熱強(qiáng)度，減少熱損失，提高 熱效率，減輕重量，改善瞬態(tài)特性等，都表現(xiàn)出明顯的效果。 此外，像陶瓷/金屬復(fù)合材料、金屬復(fù)合材料、耐熱高強(qiáng)度塑料、 功能梯度材料、碳纖維、納米材料等的開發(fā)研究，現(xiàn)已初見端倪。今后其他新型材料的發(fā)現(xiàn) 與發(fā)展是無法預(yù)測(cè)的。未來內(nèi)燃機(jī)在新材料應(yīng)用的推動(dòng)下，在體積、質(zhì)量以至零件結(jié)構(gòu)型式 上將會(huì)有根本性的變化，對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的提高也會(huì)帶來不可估量的影響。 21世紀(jì)，石油仍將是內(nèi)燃機(jī)的主要燃料，但受能源和環(huán)境壓力的驅(qū)使，代用燃料和低污染或零污染燃料的開發(fā)、研究將會(huì)十分活躍，現(xiàn)已有開端。如：醇類燃料、氫氣、沼氣、植物油 、煤漿、二甲醚(DME)、含氧混合燃料、新配方汽油等這些