內(nèi)燃機(jī)原理第一章

1、內(nèi)燃機(jī)原理第一章第1頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一發(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：50學(xué)時(shí) 第2頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期

2、一第一章 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(guò)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)（6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）； 第3頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一 六、教材1） 本課程使用教

3、材：內(nèi)燃機(jī)原理，劉永長(zhǎng)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4頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一第一章 緒 論 11 內(nèi)燃機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防建設(shè)中的地位 與作用 1784年英國(guó)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(guó)人NA奧托(N.A.Otto)和R

4、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(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(lái)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)。 第5頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一 內(nèi)燃機(jī)問(wèn)世至今一百余年來(lái)，經(jīng)過(guò)前人艱辛的勞動(dòng)與無(wú)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、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)。 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(zhǎng)行程二沖程船用柴油機(jī)的循環(huán)熱效率甚至可高達(dá)5

5、0%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、動(dòng)力性： 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)； 第6頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一 C、 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。 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(wú)論是過(guò)去還是現(xiàn)在，均廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)

6、(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、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(wú)可替代地邁入21世紀(jì)。 第7頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一12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(wèn)題已是世界矚目的問(wèn)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(guó)面臨的一大挑戰(zhàn)。 能源挑戰(zhàn) 1993年

7、，我國(guó)已由石油出口國(guó)變成了石油凈進(jìn)口國(guó)。2000年，我國(guó)石油需求的缺口達(dá)到4000萬(wàn)t,到2010年需求缺口將達(dá)到9000萬(wàn)t左右，這就是我國(guó)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)第8頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一 環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)代人類面臨的四大社會(huì)問(wèn)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

8、無(wú)減，已經(jīng)成為我國(guó)城市環(huán)境治理中的重中之重。 為了控制大氣污染，美國(guó)、日本、歐共體各國(guó)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所示的是我國(guó)車用柴油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)限值 。第9頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一 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

9、.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 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(guó)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 第10頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星

10、期一13 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(wú)例外地采用柴油機(jī)。 1.在Pe=7503000kW , n=450-1500r/min范圍內(nèi),pe=

11、2.5MPa，pmax18MPa,be200g/(kWh)。第11頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一 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Pe=750066000kW范圍內(nèi)，低速長(zhǎng)行程或超長(zhǎng)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=1

12、2.5MPa，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?gòu)?qiáng)載柴油機(jī) m=1.36kg/kW。第12頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一(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(guò)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)

13、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) 第13頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一 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(lái)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?jī)?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。(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

14、，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)。第14頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一 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=75mm70mm，Vh=309mL，Pemax=5.15kW/(300

15、0r/min)，M=50kg,bemin=273.4g/(kWh)。 我國(guó)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(wú)中冷，處于一個(gè)技術(shù)水平較低的發(fā)展第15頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一階段?，F(xiàn)在，大功率柴油機(jī)已是“無(wú)機(jī)不增壓”，國(guó)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

16、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(lái)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(zhǎng)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)第16頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一功率、燃油耗和

17、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，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(guò)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(guò)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。現(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

18、十分廣闊。第17頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期一14 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(wèn)題，這種零污染車的上市還尚待時(shí)日。第18頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)47分，星期

19、一 新技術(shù)、新材料、新工藝將為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展帶來(lái)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(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(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。第19頁(yè)，共2