內(nèi)燃機原理第一章2h

1、內(nèi) 燃 機 原 理主講：主講： 黃榮華教授黃榮華教授 0270276215336262153362e-mail: e-mail: 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(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)動機性能設(shè)計與研究的能力。五、 課程內(nèi)容(1)課內(nèi)講授：課內(nèi)講授：5

2、0學(xué)時學(xué)時 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（實踐環(huán)節(jié)：發(fā)動機原理試驗（6學(xué)時）學(xué)時）噴油泵特性與調(diào)整試驗；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；發(fā)動機速度特性、負(fù)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）； 六、教材1） 本課程使用教材：內(nèi)燃機原理，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)燃機學(xué)，周龍保主編，機械工業(yè)出版社，1999年第1版;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版內(nèi)燃機原理蔣德明主編，機械工業(yè)出版社，1988年第2版;汽車內(nèi)燃機原理倪計民編，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。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NA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

4、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(jìn)行，故稱為內(nèi)燃機。 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(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 A、經(jīng)濟(jì)性：、經(jīng)濟(jì)性： 內(nèi)燃機是所有熱機中熱效率最高的原動機。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(dá)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(dá)50%以上(比油耗150g/(kWh)； 車用汽油機的有效熱效率也可達(dá)33%左右。 B B、

5、動力性：、動力性： 功率覆蓋面大，檔次比較齊全功率覆蓋面大，檔次比較齊全 單機功率從小于1kW的汽油機到66000kW的船用柴油機； C C、 運轉(zhuǎn)特性運轉(zhuǎn)特性 轉(zhuǎn)速范圍寬，能滿足各種配套機具的需要。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Sulzer RTA68低速船用柴油機，到9000r/min的波爾舍 V83000高速賽車汽油機，車用柴油機的轉(zhuǎn)速也可高達(dá)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(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)機械、汽車、摩托、

6、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)。 12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(jì)發(fā)展的重要因素。在實現(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)。 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)環(huán)境挑戰(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、國車用柴油機的排放標(biāo)準(zhǔn)限值 。 表11 歐洲車用柴油機排放標(biāo)準(zhǔn) g/kWh，煙度單位 實施時間 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)動機 表12 我國車用柴油機排放標(biāo)準(zhǔn) g/kWh 實施時間 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

10、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(jìn)一步強化的嚴(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)燃機綜合性能的進(jìn)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=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 =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。 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 中速四沖程柴油機大修期達(dá)t= 1200015000h；中速強載柴油機 m=1.36kg/kW。(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

12、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5.56.5L之間，部分機型甚至達(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 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(3040)，可達(dá)到小于200 g/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(kuò)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

13、輪增壓直噴式柴油機再加進(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 小缸徑系列機型也采用直噴燃燒方式，把經(jīng)濟(jì)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: 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: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:DS=75

14、mm70mm，Vh=309mL，Pemax=5.15kW/(3000r/min)，M=50kg,bemin=273.4g/(kWh)。 我國的195柴油機: 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0.70.8MPa之間，無中冷，處于一個技術(shù)水平較低的發(fā)展階段。現(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

15、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(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24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(kuò)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(jìn)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，

16、已達(dá)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。14 面向21世紀(jì)的內(nèi)燃機一、21世紀(jì)內(nèi)燃機發(fā)展

17、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(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。 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?，F(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CA

18、D、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(jìn)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(dá)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(jìn) 內(nèi)燃機產(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)燃機上的應(yīng)用、陶瓷內(nèi)燃機、 陶瓷渦輪對提高內(nèi)燃機受熱零件的耐熱、耐磨性能，提高零件的熱強度，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)測的。未來內(nèi)燃機在新材料應(yīng)用的推動下，在體積、質(zhì)量以至零件結(jié)構(gòu)型式 上將會有根本性的變化，對內(nèi)燃機性能的提高也會帶來不可估量的影響。 21世紀(jì)，石油仍將是內(nèi)燃機的主要燃料，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