內(nèi)燃機原理第一章

內(nèi)燃機原理第一章第一頁，共二十一頁，2022年，8月28日《發(fā)動機原理》課程教學(xué)大綱

一、課程編號二、學(xué)時和學(xué)分56學(xué)時，3.5學(xué)分三、先修課程熱力學(xué)、流體力學(xué)、動力機械基礎(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)動機工作原理、現(xiàn)代發(fā)動機清潔燃料、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)動機動力性、經(jīng)濟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)知識進行發(fā)動機性能設(shè)計與研究的能力。五、

課程內(nèi)容(1)課內(nèi)講授：50學(xué)時

第二頁，共二十一頁，2022年，8月28日第一章緒論（1.5學(xué)時）第二章發(fā)動機的工作循環(huán)（4學(xué)時）第三章發(fā)動機的工作指標(biāo)與性能分析（4學(xué)時）第四章發(fā)動機的燃燒（10.5學(xué)時）第五章發(fā)動機的燃料與燃料供給（8學(xué)時）第六章發(fā)動機的換氣過程（6學(xué)時）第七章發(fā)動機增壓（8學(xué)時）第八章發(fā)動機的排放與控制（4學(xué)時）第九章發(fā)動機的運行特性（4學(xué)時）(2)實踐環(huán)節(jié)：發(fā)動機原理試驗（6學(xué)時）①噴油泵特性與調(diào)整試驗；②發(fā)動機缸內(nèi)示功圖,高壓油管壓力與噴油器針閥升程試驗；③發(fā)動機速度特性、負荷特性與機械效率試驗（用油耗線法、停缸法與倒拖法測機械效率）；

第三頁，共二十一頁，2022年，8月28日

六、教材1）本課程使用教材：《內(nèi)燃機原理》，劉永長主編，華中科技大學(xué)出版社出版，2001年第1版。2）參考教材：①《內(nèi)燃機學(xué)》，周龍保主編，機械工業(yè)出版社，1999年第1版;②《汽車發(fā)動機原理教程》劉崢、王建昕編著，清華大學(xué)出版社,2001年第1版③《內(nèi)燃機原理》蔣德明主編，機械工業(yè)出版社，1988年第2版;④《汽車內(nèi)燃機原理》倪計民編，同濟大學(xué)出版社，1997年第1版。

第四頁，共二十一頁，2022年，8月28日第一章緒論1－1內(nèi)燃機在國民經(jīng)濟及國防建設(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。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)燃機循環(huán)，于1876年和1897年分別推出了汽油機和柴油機，為現(xiàn)代內(nèi)燃機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這是繼蒸汽機之后發(fā)動機發(fā)展的又一個里程碑。

內(nèi)燃機是將燃料燃燒釋放出來的熱能轉(zhuǎn)化為機械能的一種動力裝置。由于燃料燃燒在發(fā)動機氣缸內(nèi)部進行，故稱為內(nèi)燃機。

第五頁，共二十一頁，2022年，8月28日

內(nèi)燃機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，其性能已達到一個較高的技術(shù)水平，主要表現(xiàn)在：A、經(jīng)濟性：內(nèi)燃機是所有熱機中熱效率最高的原動機。

現(xiàn)代高性能車用柴油機的循環(huán)熱效率已達40%以上；超長行程二沖程船用柴油機的循環(huán)熱效率甚至可高達50%以上(比油耗150g/(kW·h))；車用汽油機的有效熱效率也可達33%左右。B、動力性：功率覆蓋面大，檔次比較齊全

單機功率從小于1kW的汽油機到66000kW的船用柴油機；

第六頁，共二十一頁，2022年，8月28日

C、運轉(zhuǎn)特性

轉(zhuǎn)速范圍寬，能滿足各種配套機具的需要。從轉(zhuǎn)速只有70r/min的SulzerRTA68低速船用柴油機，到9000r/min的波爾舍V8—3000高速賽車汽油機，車用柴油機的轉(zhuǎn)速也可高達5000r/min(哥爾夫轎車柴油機).

正因為上述優(yōu)勢，內(nèi)燃機的應(yīng)用在所有熱機中一直居于領(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)機械、汽車、摩托、賽車、工程機械、機車、戰(zhàn)車、電站、艦艇和民用船舶，乃至于飛機都廣泛采用內(nèi)燃機，特別是在水陸交通運輸和農(nóng)用動力中占有壓倒優(yōu)勢。

內(nèi)燃機作為一種科技產(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)。

第七頁，共二十一頁，2022年，8月28日1－2內(nèi)燃機面臨能源與環(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)濟發(fā)展的重要因素。在實現(xiàn)經(jīng)濟目標(biāo)的同時，保持潔凈環(huán)境將是各國面臨的一大挑戰(zhàn)。

能源挑戰(zhàn)

1993年，我國已由石油出口國變成了石油凈進口國。2000年，我國石油需求的缺口達到4000萬t,到2010年需求缺口將達到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)第八頁，共二十一頁，2022年，8月28日環(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)燃機的有害物排放量約占60％以上，因此，內(nèi)燃機排放是城市大氣環(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的排放標(biāo)準(zhǔn)限值。第九頁，共二十一頁，2022年，8月28日表1－1歐洲車用柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)g/kW?h，煙度單位

實施時間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)動機表1－2我國車用柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)g/kW?h實施時間COHCNOxPM≤85kW＞85kW歐Ⅰ:2000.10.14.51.18.00.610.36歐Ⅱ:2005.10.14.01.17.00.150.15

第十頁，共二十一頁，2022年，8月28日1－3內(nèi)燃機當(dāng)前的發(fā)展水平內(nèi)燃機經(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)及計算機在內(nèi)燃機研制中的應(yīng)用，這兩個發(fā)展趨勢至今都方興未艾。隨著能源短缺和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，內(nèi)燃機正面臨著排氣凈化法規(guī)和燃油耗法規(guī)進一步強化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從而促進了各種基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的開展。一、內(nèi)燃機綜合性能的進展(一)用于機車、船舶及固定式裝置的中、低速柴油機

在中、低速大型動力裝置中幾乎毫無例外地采用柴油機。1.在Pe=750～3000kW,n=450-1500r/min范圍內(nèi),pe=2.5MPa，pmax<18MPa,be<200g/(kW·h)。第十一頁，共二十一頁，2022年，8月28日2.在Pe=3000～7500kW較大型內(nèi)燃機中，四沖程柴油機在生產(chǎn)成本上優(yōu)于二沖程柴油機，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范圍內(nèi)，低速長行程或超長行程二沖程柴油機在近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=200～150g/(kW·h)左右，大修期t=20000h中速四沖程柴油機大修期達t=12000～15000h；中速強載柴油機m=1.36kg/kW。第十二頁，共二十一頁，2022年，8月28日(二)高速車用發(fā)動機1.車用汽油機汽油機仍是汽車發(fā)動機的傳統(tǒng)機型，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，部分機型甚至達到了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

第十三頁，共二十一頁，2022年，8月28日在載貨車的運行費中，燃料費約占70％，通常柴油車的運行油耗比汽油機車要低(30～40)％，可達到小于200g/kW.h。近年來發(fā)展趨勢是大量發(fā)展柴油車，車用柴油機的發(fā)展趨勢有如下幾個特點：小排量內(nèi)燃機的柴油機化、直噴化及其向轎車領(lǐng)域的擴展；分開式燃燒室柴油機的直噴化；直噴式柴油機的(渦輪)增壓化；渦輪增壓直噴式柴油機再加進氣中冷器；電子控制技術(shù)的應(yīng)用等。(三)小型通用柴油機

小缸徑系列機型也采用直噴燃燒方式，把經(jīng)濟性放在首位，在整機性能上已有較大提高，以滿足用戶的需要。22kW級的代表機型為久保田公司的KND3200型柴油機:D×S=150mm×210mm,Vh=3711mL,Pemax=23.5kW/(1000r/min)，M=788kg，bemin=197.2g/(kW·h)。第十四頁，共二十一頁，2022年，8月28日洋馬公司的HS95型柴油機:D×S=88mm×88mm，V=535mL，Pemax=7kW/(2400r/min)，M=103kg,bemin=258.4g/(kW·h)。久保田公司的E70型柴油機:D×S=75mm×70mm，Vh=309mL，Pemax=5.15kW/(3000r/min)，M=50kg,bemin=273.4g/(kW·h)。我國的195柴油機:D×S=95mm×115mm,Pemax=8.8kW/(2000r/min),bemin=250g/kW·h（渦流室),240g/kW·h（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)展第十五頁，共二十一頁，2022年，8月28日階段?，F(xiàn)在，大功率柴油機已是“無機不增壓”，國外車用柴油機60％以上為增壓機型，車用汽油機采用渦輪增壓或機械增壓的機型也逐年增多，增壓技術(shù)對內(nèi)燃機性能的提高起了劃時代的作用。目前增壓比可達到單級5以上，超高增壓系統(tǒng)單級可達到10以上，平均有效壓力可達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)動機領(lǐng)域中的應(yīng)用日益擴大，特別是近十幾年來的發(fā)展更為迅速，車用發(fā)動機增壓器在設(shè)計、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)燃機上的應(yīng)用具有劃時代的意義。進入90年代，內(nèi)燃機電控技術(shù)已有了很大的發(fā)展，其主要目標(biāo)是保持內(nèi)燃機各運行參數(shù)的最佳值，以求得內(nèi)燃機第十六頁，共二十一頁，2022年，8月28日功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，并監(jiān)視運行工況。內(nèi)燃機采用電子控制，已達到接近理想的最佳控制運行的程度，因而增大了在現(xiàn)代內(nèi)燃機上的使用價值。

四、柴油機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，其特點是在整個柴油機運行范圍內(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?，F(xiàn)有柴油機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。第十七頁，共二十一頁，2022年，8月28日1－4面向21世紀(jì)的內(nèi)燃機

一、21世紀(jì)內(nèi)燃機發(fā)展的展望

現(xiàn)代內(nèi)燃機產(chǎn)品已不是傳統(tǒng)意義上的機械產(chǎn)品，它將機械與電子技術(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。第十八頁，共二十一頁，2022年，8月28日新技術(shù)、新材料、新工藝將為內(nèi)燃機的發(fā)展帶來新的機遇。現(xiàn)代設(shè)計方法發(fā)展很快，計算機技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計理論、現(xiàn)代計算方法、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、計算、分析方面的現(xiàn)代技術(shù)方法，使這些方法在內(nèi)燃機設(shè)計中的應(yīng)用成為可能，進而發(fā)展概念設(shè)計、虛擬設(shè)計，使設(shè)計更趨合理、更加完善，達到設(shè)計最佳化，這是內(nèi)燃機技術(shù)今后發(fā)展的重要方面。新材料的發(fā)展和應(yīng)用必將促進內(nèi)燃機產(chǎn)品的巨大進步，這是不容置疑的。結(jié)構(gòu)陶瓷材料在內(nèi)燃