內(nèi)燃機(jī)原理第一章

內(nèi)燃機(jī)原理主講：肖平職稱：副教授院系：機(jī)械學(xué)院《發(fā)動機(jī)原理》課程教學(xué)大綱

一、課程編號二、學(xué)時和學(xué)分

30學(xué)時三、先修課程

熱力學(xué)、流體力學(xué)、動力機(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力工程專業(yè)動力機(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)動機(jī)工作原理、現(xiàn)代發(fā)動機(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，掌握提高發(fā)動機(jī)動力性、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)知識進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能設(shè)計(jì)與研究的能力。第一章緒論第二章發(fā)動機(jī)的工作指標(biāo)與性能分析第三章發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)第四章內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第五章內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成和燃燒第六章內(nèi)燃機(jī)的代用燃料第七章內(nèi)燃機(jī)的燃料供給與調(diào)節(jié)第八章內(nèi)燃機(jī)污染物的生成與控制第九章內(nèi)燃機(jī)的使用特性與匹配第十章內(nèi)燃機(jī)動力學(xué)第十一章內(nèi)燃機(jī)的概念設(shè)計(jì)五、

課程內(nèi)容(1)課內(nèi)講授：30學(xué)時

1）內(nèi)燃機(jī)排放氣體分析試驗(yàn)；(2)實(shí)踐環(huán)節(jié)：發(fā)動機(jī)原理試驗(yàn)（4學(xué)時）3）內(nèi)燃機(jī)油耗檢測試驗(yàn)；2）柴油機(jī)排放氣體煙度檢測試驗(yàn)；4）試驗(yàn)地點(diǎn)：汽車綜合性能測試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)燃機(jī)是將燃料燃燒釋放出來的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種動力裝置。由于燃料燃燒在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)部進(jìn)行，故稱為內(nèi)燃機(jī)。

第一講緒論1－1內(nèi)燃機(jī)簡史p11784年英國發(fā)明家J·瓦特(J.Watte)發(fā)明了蒸汽機(jī)。這是一個劃時代的重大發(fā)明，拉開了產(chǎn)業(yè)革命的序幕。德國人N·A·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)動機(jī)發(fā)展的又一個里程碑。內(nèi)燃機(jī)問世至今一百余年來，經(jīng)過前人艱辛的勞動與無數(shù)次的改進(jìn)，其性能已達(dá)到一個較高的技術(shù)水平，主要表現(xiàn)在：A、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/(kW·h))；車用汽油機(jī)的有效熱效率也可達(dá)33%左右。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)；

B、動力性：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SulzerRTA68低速船用柴油機(jī)，到9000r/min的波爾舍V8—3000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))。

C、運(yùn)轉(zhuǎn)特性

正因?yàn)樯鲜鰞?yōu)勢，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、空軍的動力裝備)的各個領(lǐng)域。從農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車、摩托、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)用動力中占有壓倒優(yōu)勢。內(nèi)燃機(jī)作為一種科技產(chǎn)品歷時百余年，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)。4）新中國成立后，內(nèi)燃機(jī)工業(yè)得到了恢復(fù)與發(fā)展。1－2中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)發(fā)展簡史一，內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的創(chuàng)建階段1）1901年外國內(nèi)燃機(jī)作為商品進(jìn)入中國市場；2）1908年均和安機(jī)器廠和協(xié)同和機(jī)器廠開始生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)；3）1929年我國制造出第一臺功率為26.47KW雙缸柴油機(jī)。4）在廢氣渦輪與增壓柴油機(jī)方面，1958年新中動力機(jī)廠成功研制成功我國第一臺軸流式排氣渦輪增壓器的柴油機(jī)。二，建設(shè)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)體系階段1）1958～1966年，內(nèi)燃機(jī)工業(yè)發(fā)展迅速；上海柴油機(jī)廠試制成功多用途柴油機(jī)。2）1959年建成了洛陽第一拖拉機(jī)廠，生產(chǎn)東方紅54型履帶式拖拉機(jī)。3）在大功率柴油機(jī)方面，我國自行設(shè)計(jì)了12V180型車用柴油機(jī)等。2）近百年來，我國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)取得了長足的進(jìn)步，截止2001年底，我國內(nèi)燃機(jī)總產(chǎn)量已達(dá)2.5億kW，品種、數(shù)量可滿足國民經(jīng)濟(jì)日益增長的需要。三，內(nèi)燃機(jī)工業(yè)體系的形成與發(fā)展的新階段1）1979年后，內(nèi)燃機(jī)工業(yè)進(jìn)行了一系列調(diào)整整頓工作，通過引入市場機(jī)制，推行全面質(zhì)量管理，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和對企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造等，我國內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)水平有了明顯提高。這一時期是我國內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上的鼎盛時期，引進(jìn)與開發(fā)了很多的新產(chǎn)品。1－3內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用與分類內(nèi)燃機(jī)的種類很多，它們可以按如下不同方式分類：1）按燃料分：汽油機(jī)、柴油機(jī)、天然氣發(fā)動機(jī)、液化石油氣發(fā)動機(jī)、酒精發(fā)動機(jī)、雙燃料發(fā)動機(jī)等。2）按缸內(nèi)著火方式分：壓燃式、點(diǎn)燃式；3）按沖程分：四沖程、二沖程；4）按活塞運(yùn)動方式分：往復(fù)活塞式、旋轉(zhuǎn)活塞式；5）按汽缸數(shù)分：單缸、多缸；10）按燃燒室設(shè)計(jì)分：開式燃燒室、分隔式燃燒室。

6）按冷卻方式分：液體冷卻、空氣冷卻、復(fù)合冷卻。7）按轉(zhuǎn)速分：低速、中速、高速；8）增壓程度：非增壓、增壓（底增壓、中增壓、高增壓、超高增壓）9）按混合氣準(zhǔn)備方式分：化油器式、進(jìn)氣管或進(jìn)氣道噴射、缸內(nèi)直接噴射。

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，保持潔凈環(huán)境將是各國面臨的一大挑戰(zhàn)。

◆內(nèi)燃機(jī)面臨能源與環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(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9000萬t左右，這就是我國在21世紀(jì)所面對的能源形勢。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)。

能源挑戰(zhàn)環(huán)境問題是當(dāng)代人類面臨的四大社會問題(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1－1所示的為歐洲現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。表1－2所示的是我國車用柴油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)限值。環(huán)境挑戰(zhàn)表1－1歐洲車用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)g/kW?h，煙度單位

實(shí)施時間COHCNOxPM煙度歐Ⅰ：19924.51.18.0≤85kW,0.612＞85kW,0.360歐Ⅱ：1996.104.01.17.00.251998.104.01.17.00.15歐Ⅲ：1999.10（僅EEVs）1.50.252.00.020.152000.102.10.665.00.10/0.13*0.8歐Ⅳ：2005.101.50.463.50.020.5歐Ⅴ：2008.101.50.462.00.020.5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)動機(jī)表1－2我國車用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)g/kW?h實(shí)施時間COHCNOxPM≤85kW＞85kW歐Ⅰ:2000.10.14.51.18.00.610.36歐Ⅱ:2005.10.14.01.17.00.150.15

隨著能源短缺和環(huán)境污染的日趨嚴(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?！魞?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，有兩個重要的發(fā)展階段是具有劃時代意義的：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（機(jī)械增壓、渦輪增壓）。二是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，這兩個發(fā)展趨勢至今都方興未艾。一、內(nèi)燃機(jī)綜合性能的進(jìn)展2.在Pe=3000～7500kW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，1.在中、低速大型動力裝置中幾乎毫無例外地采用柴油機(jī)。(一)用于機(jī)車、船舶及固定式裝置的中、低速柴油機(jī)3.在Pe=7500～66000kW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，具有倒車直接耦合能力，適用于直接驅(qū)動船舶螺旋槳，從而可提高推進(jìn)效率。4.中速四沖程柴油機(jī)大修期達(dá)t=12000～15000h；中速強(qiáng)載柴油機(jī)m=1.36kg/kW。汽油機(jī)仍是汽車發(fā)動機(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，所以在轎車和輕型車上占有優(yōu)勢。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5.5～6.5L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。(二)高速車用發(fā)動機(jī)1.車用汽油機(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(30～40)％，可達(dá)到小于200g/kW.h。近年來發(fā)展趨勢是大量發(fā)展柴油車，車用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢有如下幾個特點(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。2.車用柴油機(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級的代表機(jī)型為久保田公司的KND3200型柴油機(jī)；洋馬公司的HS95型柴油機(jī)；久保田公司的E70型柴油機(jī)。(三)小型通用柴油機(jī)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。50年代，增壓度約為50％，四沖程機(jī)的平均有效壓力約在0.7～0.8MPa之間，無中冷，處于一個技術(shù)水平較低的發(fā)展階段。二、增壓技術(shù)的發(fā)展現(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)械增壓的機(jī)型也逐年增多，增壓技術(shù)對內(nèi)燃機(jī)性能的提高起了劃時代的作用。目前增壓比可達(dá)到單級5以上，超高增壓系統(tǒng)單級可達(dá)到10以上，平均有效壓力可達(dá)3.3MPa以上，功率可提高2～4倍，油耗也可大大降低。渦輪增壓技術(shù)在車用發(fā)動機(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。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。三、電子控制技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)采用電子控制，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)上的使用價值。共軌式噴油系統(tǒng)不再采用傳統(tǒng)高壓油泵脈動供油的原理,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5～10年內(nèi)將取代部分直列泵而獲得大的發(fā)展。現(xiàn)有柴油機(jī)在改用共軌式噴油系統(tǒng)時，結(jié)構(gòu)上改動不大，其應(yīng)用前景將十分廣闊。四、柴油機(jī)共軌式電控噴油系統(tǒng)

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，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/電動汽車，其后豐田公司也推出了汽油/電動汽車搶先在日本上市，這種混合動力汽車已表現(xiàn)出良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和超低污染排放的性能。純電動汽車是努力追求的目標(biāo)，但高效電池、價格、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日?！裘嫦?1世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)一、21世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的展望新技術(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?，F(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、知識工程、圖形學(xué)等多個學(xué)科、多種技術(shù)的交叉、融合，發(fā)展了CAD、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、