《內(nèi)燃機(jī)學(xué) 第5版》 課件 第1、2章 概論、內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)

內(nèi)燃機(jī)學(xué)第一章概論

Introduction第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)簡史第二節(jié)中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)發(fā)展簡史第三節(jié)內(nèi)燃機(jī)的典型構(gòu)造與技術(shù)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)發(fā)展簡史HistoryofICEngine內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明與發(fā)展內(nèi)燃機(jī)燃料的發(fā)展內(nèi)燃機(jī)的成功之路主要學(xué)習(xí)內(nèi)容熱機(jī)(HeatEngine)內(nèi)燃機(jī)INTERNALCOMBUSTIONENGINE各種變熱能為機(jī)械能的機(jī)器的統(tǒng)稱。燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒釋放熱能推動(dòng)活塞對(duì)外做功的熱機(jī)。點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)（汽油及其代用燃料）壓燃式內(nèi)燃機(jī)（柴油及其代用燃料）內(nèi)燃機(jī)(ICEngine)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明與發(fā)展Invention&DevelopmentofICEngine1860萊諾依爾大氣壓力式內(nèi)燃機(jī)1876奧托四沖程點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)1890奔馳二沖程內(nèi)燃機(jī)1892狄塞爾四沖程壓燃式內(nèi)燃機(jī)1957汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)┆現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)1907美國路易斯?雷諾（LouisRenault）

機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)1915瑞士阿爾弗雷德?波希(AlfredBuchi)排氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)：增壓壓力、溫度、流量排氣溫度、渦輪轉(zhuǎn)速增壓器電子控制技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展大氣壓力式內(nèi)燃機(jī)萊諾依爾（J.J.E.Lenoir)

Otto-Langen發(fā)動(dòng)機(jī)NicolausA.Otto(1832-1891)

RudolfDiesel(1858-1913)

現(xiàn)代奧迪W12發(fā)動(dòng)機(jī)煤氣。1900年之后，原油中的輕鎦分汽油。威廉?伯爾頓（WilliamBurton）發(fā)明了重油熱解技術(shù)。通用汽車公司發(fā)明了四乙鉛抗爆添加劑，1923年美國開始用作汽油抗爆添加劑。尤金?荷德萊（EugeneHoudry）發(fā)明了催化裂化法，既提高了汽油的產(chǎn)量，同時(shí)使汽油獲得越來越好的抗爆性。內(nèi)燃機(jī)燃料的進(jìn)步FuelsforICEngines現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展ModernICEngines動(dòng)力性的不斷提高經(jīng)濟(jì)性的不斷改善有害排放的趨零汽油機(jī)的技術(shù)進(jìn)步

（1）基本型:1.6L,直列4缸，自然吸氣，進(jìn)氣道噴

射，1372kg，6檔-手動(dòng)變速器（2）縮缸強(qiáng)化（包括使用兩級(jí)增壓）下降12%（3）可變氣門機(jī)構(gòu)下降8%（4）降低摩擦損失，優(yōu)化熱管理下降3%（5）應(yīng)用高辛烷值燃料如E85下降2%（6）7檔自動(dòng)變速器下降2%（7）并聯(lián)混合動(dòng)力下降10%2019年車隊(duì)燃油耗目標(biāo)值為95g/km汽油機(jī)CO2排放的降低高速柴油機(jī)的技術(shù)進(jìn)步（1）2.0L直噴式柴油機(jī)，6檔手動(dòng)變速器，1590kg（2）縮缸強(qiáng)化：從2L到1.6L；采用技術(shù)的說明。下降8%（3）減輕自重75kg下降3%（4）起動(dòng)-停車系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)管理系統(tǒng)下降7%（5）低壓EGR下降1.5%（6）熱管理系統(tǒng)（分開式循環(huán)冷卻和全特性曲線場恒溫）下降2%（7）降低摩擦下降3.5%（8）降低轉(zhuǎn)速下降2.5%柴油機(jī)CO2排放的降低排放機(jī)理的研究排放法規(guī)的建立高效排放后處理系統(tǒng)高效排放后處理系統(tǒng)Roadvehicles:Off-roadvehicles:Railroad:Marine:Stationary:SmallEngines:Aircrafts廣泛應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)的成功之路SuccessesofICEngines成功之源LowcostdensityHighpowerdensityRobustandversatileWellmatchedtocheapavailablehighenergydensitypetroleum-basedfuelsEfficientenoughMetemissionsregulationstodate18第二節(jié)中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)發(fā)展簡史BriefIntroductionofChinaICenginedevelopment

內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的起步發(fā)展階段（1908－1949）內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的初級(jí)發(fā)展階段（1950－1979）主要學(xué)習(xí)內(nèi)容內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的快速發(fā)展階段（1980－)19內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的起步發(fā)展階段（1908－1949）

Foundation&ElementaryDevelopmentPeriod1901：上海出現(xiàn)由外國人帶入的汽車，外國生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)作為商品也開始進(jìn)入我國口岸。1908～1924：我國制造壓縮著火四沖程低速柴油機(jī)。1929～1939：高速柴油機(jī)1949生產(chǎn)能力為7000kW左右，1908～1949累計(jì)生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)不足14萬kW。1949后：上海柴油機(jī)廠試制成功110系列柴油機(jī)天津動(dòng)力機(jī)廠研制成功4146柴油機(jī)上海與天津建立油泵油嘴生產(chǎn)點(diǎn)1956年長春第一汽車制造廠和南京汽車廠建立201957年全國產(chǎn)量達(dá)到50萬千瓦，內(nèi)燃機(jī)工業(yè)已初具規(guī)模。

車船工程機(jī)械用135系列柴油機(jī),由仿制到自行設(shè)計(jì),到批量生產(chǎn);農(nóng)業(yè)機(jī)械：洛陽第一拖拉機(jī)廠、天津拖拉機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)總廠及65、75、95系列多種小型機(jī)等大功率柴油機(jī)：12V180、6250Z、6300；1966年文化大革命開始內(nèi)燃機(jī)工業(yè)停滯。內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的初級(jí)發(fā)展階段（1950－1979）InfantileDevelopmentPeriod211979年十一屆三中全會(huì)后，內(nèi)燃機(jī)工業(yè)進(jìn)行了一系列調(diào)整整頓工作，為我國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。引進(jìn)、消化、吸收，我國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)全面快速發(fā)展。3大汽車公司＋廣汽奇瑞、長安……載重汽車、客車（發(fā)動(dòng)機(jī)：濰柴、錫柴、玉柴、云南動(dòng)力…）農(nóng)用車2000年起汽油車實(shí)施國Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了我國汽油機(jī)電控噴射和三效催化后處理裝置的應(yīng)用。2016年，京6與國6之爭，標(biāo)志著我國的車用發(fā)動(dòng)機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)已基本與國際接軌。內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的快速發(fā)展階段（1980－）FastDevelopmentPeriodAutomobileEnterprises一汽、二汽、上汽、廣汽、北汽長安、奇瑞、江淮、比亞迪、吉利、長城重型汽車：中國重汽、陜汽、福田、北奔等輕型載重汽車（農(nóng)用車）：客車：宇通、金龍等EngineManufacturers濰柴vs玉柴上柴：上海柴油機(jī)廠（上汽）錫柴：無錫柴油機(jī)廠(一汽)大柴、朝柴(一汽)云內(nèi)動(dòng)力：云南內(nèi)燃機(jī)總廠康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)（多家）全椒柴油機(jī)廠、常州柴油機(jī)廠等615、616、617、華柴等407、408、寧波中策摩托車和通用小型汽油機(jī)24第三節(jié)內(nèi)燃機(jī)的典型構(gòu)造TypicalICEnginesandTechnologies主要學(xué)習(xí)內(nèi)容車用柴油機(jī)車用汽油機(jī)25二沖程汽油機(jī)TwoStroke

SIEngines26優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少，每缸僅有3個(gè)運(yùn)動(dòng)零件—活塞、連桿、曲軸；升功率比四沖程高，因?yàn)樽龉Υ螖?shù)為四沖程機(jī)的一倍；小型輕便的動(dòng)力裝置。缺點(diǎn)：掃氣損失大；未燃碳?xì)渑欧帕扛?；燃油、潤滑油消耗量大。二沖程汽油機(jī)TwoStroke

SIEngines27僅有兩個(gè)主要運(yùn)動(dòng)零件，即三角形轉(zhuǎn)子與偏心軸。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過缸體中的進(jìn)、排氣孔（有時(shí)鑄在端蓋中）換氣，燃燒室由缸體與轉(zhuǎn)子表面型線構(gòu)成。優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、零部件少，平衡性好，噪聲振動(dòng)小，高升功率和單位質(zhì)量功率，高速性能好。缺點(diǎn)：

燃燒室面容比大，燃油消耗率高，HC排放高，低速性能差。汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)RotatoryEngine2829基本沒有獨(dú)立的車用汽油機(jī)的生產(chǎn)企業(yè)。各企車一般配套自己的發(fā)動(dòng)機(jī)，以方便整車傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)校和性能開發(fā)。車用汽油機(jī)SIEngines感謝長安汽車提供的車用汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能資料301.進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)312.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)323.混合動(dòng)力汽油機(jī)33車用柴油機(jī)CIEngines與車用汽油機(jī)相反，獨(dú)立的柴油機(jī)企業(yè)較多，如濰柴、玉柴、云內(nèi)動(dòng)力等等，提供乘用車、商用車、非道路等車輛配套使用，其排放性能已國Ⅳ，國VI的也也已完成開發(fā)。感謝濰柴、玉柴、云內(nèi)動(dòng)力提供的車用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能資料34云內(nèi)動(dòng)力D19TCI柴油機(jī)

35WP10濰柴柴油機(jī)

36YC6K12玉柴柴油機(jī)

第二章內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)ENGINE

OPERATINGPARAMETERS主要學(xué)習(xí)內(nèi)容2.3機(jī)械效率與機(jī)械損失2.1示功圖與指示性能指標(biāo)2.2有效性能指標(biāo)2.4提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性第一節(jié)示功圖與指示性能指標(biāo)示功圖

指示性能指標(biāo)PressureDiagramandIndicatedParameters主要學(xué)習(xí)內(nèi)容利用不同形式的示功器或內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來觀察或記錄相對(duì)于不同活塞位置或曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力的變化，所得的結(jié)果即為p-V示功圖或p-φ示功圖。示功圖PressureDiagram

內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上止點(diǎn)

氣缸壓力

進(jìn)氣行程壓縮行程燃燒膨脹行程排氣行程下止點(diǎn)

上止點(diǎn)

下止點(diǎn)

曲軸轉(zhuǎn)角/(o)CA0180360540720p－V

壓力示功圖p-VDiagram指示性能指標(biāo)IndicatedParametersParametersthatarebasedontheworkdeliveredfromthegastothepistonovertheentirecycle.以缸內(nèi)氣體工質(zhì)對(duì)活塞做功為基礎(chǔ)的性能指標(biāo)。

活塞完成一個(gè)工作循環(huán)所獲得有用功（Wi）。指示功的大小可以由p-V圖中閉合曲線所占有的面積求出。+F1F2一、指示功IndicatedWork四沖程非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖jPumpingWork:Intake&ExhauststrokeGrossandPumpingWorkGrosswork:WorkdoneinCompression&Expansionstroke平均指示壓力是指單位氣缸容積一個(gè)循環(huán)所做的指示功.

二、平均指示壓力(imep)平均指示壓力是一個(gè)假想不變的平均壓力作用在活塞上使活塞移動(dòng)一個(gè)行程所做的功等于這個(gè)循環(huán)的指示功。平均指示壓力是從循環(huán)的角度評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸工作容積利用率高低的一個(gè)參數(shù)。pmip0三、指示功率IndicatedPowerτ：沖程數(shù)。四沖程內(nèi)燃機(jī),τ=4;二沖程內(nèi)燃機(jī),τ=2單位時(shí)間內(nèi)燃機(jī)所做的指示功。四、指示熱效率IndicatedThermalEfficiency發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功與燃料熱量的比值。單位指示功的燃油消耗量。五、指示燃油消耗率isfc指示性能指標(biāo)之間的關(guān)系第二節(jié)有效性能指標(biāo)內(nèi)燃機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩有效性能指標(biāo)EffectiveParameters主要學(xué)習(xí)內(nèi)容內(nèi)燃機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩

EnginePowerandTorqueAirconsumptionrateenginedynamometerFuelconsumptionratetorqueEnginespeedemissions(W)(kW)有效性能指標(biāo)EffectiveParametersEffectiveParametersthatarebasedontheworkoutputfromcrankshaft.以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出功為基礎(chǔ)的性能指標(biāo)。

平均有效壓力反映了發(fā)動(dòng)機(jī)單位氣缸工作容積輸出轉(zhuǎn)矩的大小。有效平均壓力Brakemeaneffectivepressure,bmep/BMEP升功率從發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的角度對(duì)氣缸工作容積的利用率作出的總評(píng)價(jià)標(biāo)定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。從n

和bmep

兩方面反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度。升功率VolumetricPower有效熱效率和有效燃油消耗率BrakeThermalEfficiency,BTEBrakespecificfuelconsumption,BSFC第三節(jié)機(jī)械效率與機(jī)械損失機(jī)械效率機(jī)械損失低摩擦技術(shù)EngineFrictionandMechanicalEfficiency主要學(xué)習(xí)內(nèi)容IMPORTANCEBRAKEMEASUREScylinderpressureCrankshaftTorqueTtqINDICATEDMEASURESmechanicalefficiency機(jī)械效率MechanicalEfficiency內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率大致范圍非增壓柴油機(jī)0.78～0.85增壓柴油機(jī)0.80～0.92汽油機(jī)0.80～0.90機(jī)械損失MechanicalLosses活塞和活塞環(huán)的摩擦損失 45%~65%整個(gè)活塞連桿曲軸機(jī)構(gòu)中的摩擦損失60%~70%氣門機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)損失2%~3%附屬機(jī)械的驅(qū)動(dòng)損失10%~20%泵氣損失10%~20%1.缸套與活塞及環(huán)組的摩擦損失活塞裙部及環(huán)岸與氣缸套之間的摩擦損失活塞環(huán)組與氣缸套之間的摩擦損失影響因素：活塞運(yùn)動(dòng)速度：Cm潤滑狀態(tài)：液體潤滑、邊界潤滑、干摩擦缸內(nèi)壓力：活塞側(cè)推力、環(huán)間壓力活塞形狀及表面特性潤滑油2.軸承的摩擦損失主軸承連桿軸承活塞銷凸輪軸軸承其他各種軸承影響因素：流體潤滑狀態(tài)軸徑圓周速度軸心軌跡3.流體摩擦損失連桿等往復(fù)運(yùn)動(dòng)件與空氣、油霧等之間的摩擦損失。曲軸等旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件與空氣、油霧等之間的摩擦損失。特點(diǎn):

數(shù)值較小。4.驅(qū)動(dòng)附件機(jī)構(gòu)的功率消耗氣門及配氣機(jī)構(gòu)冷卻水泵、機(jī)油泵、燃油泵噴油泵、調(diào)速器正時(shí)齒輪發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)冷卻風(fēng)扇5.驅(qū)動(dòng)掃氣泵及增壓器的損失掃氣泵功耗：二行程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失隨轉(zhuǎn)速的變化a－泵氣損失

b－活塞及環(huán)組摩擦損失

c－氣門機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)損失d－附屬機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)損失

e－連桿軸承摩擦損失

f－凸輪軸承摩擦損失泵氣損失四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣和排氣過程氣體流動(dòng)阻力所造成的功的損失。泵氣損失歸于機(jī)械損失。機(jī)械損失的測(cè)定MeasurementofMechanicalLosses示功圖法倒拖法油耗線法滅缸法1.示功圖法儀器測(cè)錄發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的壓力示功圖，從中計(jì)算Pi值測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率Pe

計(jì)算Pm=Pi+Pe，計(jì)算機(jī)械效率誤差：活塞上止點(diǎn)、多缸不均勻性設(shè)備：發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備、示功圖測(cè)量設(shè)備等適應(yīng)性：任何發(fā)動(dòng)機(jī)2.倒拖法（Mortoring）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至正常試驗(yàn)狀態(tài)，倒拖轉(zhuǎn)換測(cè)量給定轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的倒拖功率：機(jī)械損失功率誤差：缸內(nèi)壓力下降，摩擦損失減少；包含了泵氣損失；傳熱損失。實(shí)際結(jié)果偏高。設(shè)備：電力測(cè)功器適應(yīng)性：低壓縮比汽油機(jī)3.滅缸法(Morsetest)穩(wěn)態(tài)工況，測(cè)量有效功率Pe；滅缸并恢復(fù)轉(zhuǎn)速，測(cè)量有效功率Pe’；重復(fù)；計(jì)算

誤差：同倒拖，但誤差較倒拖小。設(shè)備：多缸機(jī)，測(cè)功機(jī)適應(yīng)性：非增壓柴油機(jī)4.油耗線法(Willansline)中低負(fù)荷下的負(fù)荷特性試驗(yàn)作圖（燃油流量與負(fù)荷的關(guān)系）直線外延至橫坐標(biāo)，交點(diǎn)值即為平均機(jī)械損失功率或壓力誤差：基于ηit不變，誤差較小。設(shè)備：一般適應(yīng)性：不適用于節(jié)氣門調(diào)節(jié)功率的汽油機(jī)5.測(cè)量方法比較Comparison倒拖法只能用于配有電力測(cè)功器的情況，不適用于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，而較適用于測(cè)定壓縮比不高的汽油機(jī)的機(jī)械損失。對(duì)于非增壓或排氣渦輪增壓柴油機(jī)(pb<0.15MPa)，只能用示功圖法、油耗線法來測(cè)定機(jī)械損失。對(duì)于排氣渦輪中增壓、高增壓的柴油機(jī)(pb≥0.15MPa)，除示功圖外，尚無其他適用的方法。對(duì)于4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，除示功圖法外，其他測(cè)量方法尚無法排除泵氣功。內(nèi)燃機(jī)低摩擦技術(shù)MeasurementofMechanicalLosses低摩擦活塞組技術(shù)

活塞裙部非對(duì)稱主副推力面、橢圓形狀、二道環(huán)密封結(jié)構(gòu)及活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、缸套及活塞的熱變形控制、表面涂層技術(shù)等。低摩擦軸承技術(shù)

優(yōu)化連桿大頭和小頭及主軸承的設(shè)計(jì)，如減小軸頸、軸承寬度和配合間隙等。采用滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的氣門驅(qū)動(dòng)搖臂軸承和凸輪軸軸承等。潤滑劑及表面處理技術(shù)

采用合適粘度的多級(jí)潤滑油；改進(jìn)運(yùn)動(dòng)副表面加工技術(shù)和涂層材料和涂覆技術(shù)等。第四節(jié)提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的推算提高內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的途徑