1、內 燃 機 原 理主講：主講： 黃榮華教授黃榮華教授 0270276215336262153362e-mail: e-mail: 發動機原理課程教學大綱 一、課程編號二、學時和學分 56學時，3.5學分 三、先修課程 熱力學、流體力學、動力機械基礎、渦輪增壓器原理等四、課程教學目標本課程屬于熱能與動力工程專業動力機械專業方向的專業主干課程。本門課程的教學目標，旨在使學生獲得發動機工作原理、現代發動機清潔燃料、排放控制及電控應用技術方面的必備知識，掌握提高發動機動力性、經濟性和降低有害排放物的基本方法。培養學生綜合所學知識進行發動機性能設計與研究的能力。五、 課程內容(1)課內講授：課內講授：5

2、0學時學時 第一章 緒論（1.5學時）第二章 發動機的工作循環（4學時）第三章 發動機的工作指標與性能分析（4學時）第四章 發動機的燃燒（10.5學時）第五章 發動機的燃料與燃料供給（8學時）第六章 發動機的換氣過程（6學時）第七章 發動機增壓 （8學時）第八章 發動機的排放與控制（4學時）第九章 發動機的運行特性（4學時）(2)實踐環節：發動機原理試驗（實踐環節：發動機原理試驗（6學時）學時）噴油泵特性與調整試驗；發動機缸內示功圖,高壓油管壓力與噴油器針閥升程試驗；發動機速度特性、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）； 六、教材1） 本課程使用教材：內燃機原理，劉永

3、長主編，華中科技大學出版社出版，2001年第1版。2） 參考教材：內燃機學，周龍保主編，機械工業出版社，1999年第1版;汽車發動機原理教程劉崢、王建昕編著，清華大學出版社,2001年第1版內燃機原理蔣德明主編，機械工業出版社，1988年第2版;汽車內燃機原理倪計民編，同濟大學出版社，1997年第1版。 第一章 緒 論 11 內燃機在國民經濟及國防建設中的地位 與作用 1784年英國發明家J瓦特(J. Watte)發明了蒸汽機。這是一個劃時代的重大發明，拉開了產業革命的序幕。 德國人NA奧托(N.A.Otto)和R狄賽爾(R.Diesel)提出的內燃機循環，于1876年和1897年分別推出了汽

4、油機和柴油機，為現代內燃機的發展奠定了基礎。這是繼蒸汽機之后發動機發展的又一個里程碑。 內燃機是將燃料燃燒釋放出來的熱能轉化為機械能的一種動力裝置。由于燃料燃燒在發動機氣缸內部進行，故稱為內燃機。 內燃機問世至今一百余年來，經過前人艱辛的勞動與無數次的改進，其性能已達到一個較高的技術水平 ，主要表現在： A A、經濟性：、經濟性： 內燃機是所有熱機中熱效率最高的原動機。內燃機是所有熱機中熱效率最高的原動機。 現代高性能車用柴油機的循環熱效率已達40%以上； 超長行程二沖程船用柴油機的循環熱效率甚至可高達50%以上(比油耗150g/(kWh)； 車用汽油機的有效熱效率也可達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、 運轉特性運轉特性 轉速范圍寬，能滿足各種配套機具的需要。轉速范圍寬，能滿足各種配套機具的需要。 從轉速只有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，車用柴油機的轉速也可高達5000r/min(哥爾夫轎車柴油機). 正因為上述優勢，內燃機的應用在所有熱機中一直居于領先地位，無論是過去還是現在，均廣泛應用于國民經濟和國防建設(陸、海、空軍的動力裝備)的各個領域。從農業機械、汽車、摩托、

6、賽車、工程機械、機車、戰車、電站、艦艇和民用船舶，乃至于飛機都廣泛采用內燃機，特別是在水陸交通運輸和農用動力中占有壓倒優勢。 內燃機作為一種科技產品歷時百余年，經久不衰，現在還充滿發展活力，無可替代地邁入21世紀。 12內燃機面臨能源與環境的嚴峻挑戰 現在能源問題已是世界矚目的問題，能源危機將日益深化；環境污染日趨惡化，已引起人們的嚴重關注和不安，能源與環境已成為21世紀制約經濟發展的重要因素。在實現經濟目標的同時，保持潔凈環境將是各國面臨的一大挑戰。 能源能源挑戰挑戰 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

7、9000萬t左右，這就是我國在21世紀所面對的能源形勢。內燃機正面臨著節約能源、提高能源利用率的嚴峻挑戰。 環境挑戰環境挑戰 環境問題是當代人類面臨的四大社會問題(糧食、人口、環境、能源)之一。大氣污染是環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，大氣污染尤為嚴重，在城市大氣污染中，內燃機的有害物排放量約占60以上，因此，內燃機排放是城市大氣環境的主要污染源。隨著汽車保有量的增加，城市大氣環境污染程度有增無減，已經成為我國城市環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格的內燃機排放法規。如表11所示的為歐洲現行排放標準。表12所示的是我

8、國車用柴油機的排放標準限值 。 表11 歐洲車用柴油機排放標準 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升和額定功率轉速高于3000r/min的發動機 表12 我國車用柴油機排放標準 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 內燃機當前的發展水平 內燃機經歷一百余年的發展，有兩個重要的發展階段是具有劃時代意義的：一是20世紀 50年代初興起的增壓技術在內燃機產品上的廣泛應用，再就是20世紀70年代開始的電子技術及計算機在內燃機研制中的應用，這兩個發展趨勢至今都方興未艾。隨著能源短缺和環境污染的日

10、趨嚴重，內燃機正面臨著排氣凈化法規和燃油耗法規進一步強化的嚴峻挑戰，從而促進了各種基礎研究和應用研究的開展。一、內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=7503000kW , n=450-1500r/min范圍內,pe=2.5MPa，pmax18MPa,be200g/(kWh)。 2.在Pe=30007500kW 較大型內燃機中，四沖程柴油機在生產成本上優于二沖程柴油機，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，低速長行程或超長行程二沖程柴油機在近10年中得到了發展，n=200-60r/min 以下時，具有倒車直接耦合能力，適用于直接驅動船舶螺旋槳，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=200150g/(kWh)左右，大修期t=20000h 中速四沖程柴油機大修期達t= 1200015000h；中速強載柴油機 m=1.36kg/kW。(二)高速車用發動機 1.車用汽油機 汽油機仍是汽車發動機的傳統機型，由于其升功率高、工作柔和平穩、噪聲低、比容積小和比質量輕，所以

12、在轎車和輕型車上占有優勢。在油耗方面，由于多氣門技術和燃油噴射系統的采用，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)，可達到小于200 g/kW.h。近年來發展趨勢是大量發展柴油車，車用柴油機的發展趨勢有如下幾個特點：小排量內燃機的柴油機化、 直噴化及其向轎車領域的擴展；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

13、輪增壓直噴式柴油機再加進氣中冷器；電子控制技術的應用等。(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: 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、增壓技術的發展 1950年增壓技術才開始在柴油機上采用并作為產品提供市場。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，處于一個技術水平較低的發展階段?，F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，增壓技術對內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24倍，油耗也可大大降低。 渦輪增壓技術在車用發動機領域中的應用日益擴大，特別是近十幾年來的發展更為迅速，車用發動機增壓器在設計、制造和材料等方面都得到了長足發展。 三、電子控制技術的應用 20世紀70年代開始的電子技術在內燃機上的應用具有劃時代的意義。進入90年代，內燃機電 控技術已有了很大的發展，其主要目標是保持內燃機各運行參數的最佳值，以求得內燃機功率、燃油耗和排放性能的最佳平衡，并監視運行工況。 內燃機采用電子控制，

16、已達到接近理想的最佳控制運行的程度，因而增大了在現代內燃機上的使用價值。 四、柴油機共軌式電控噴油系統 共軌式噴油系統不再采用傳統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。共軌式噴油系統是20世紀80年代末期才開始研制的新型高壓噴射系統,與電控技術緊密結合，其特點是在整個柴油機運行范圍內噴油壓力有較大柔性，可以預噴,p=100-200MPa。在今后510年內將取代部分直列泵而獲得大的發展?，F有柴油機在改用共軌式噴油系統時，結構上改動不大，其應用前景將十分廣闊。14 面向21世紀的內燃機一、21世紀內燃機發展

17、的展望 現代內燃機產品已不是傳統意義上的機械產品，它將機械與電子技術融為一體，形成技術密集型的高科技產品。汽車是內燃機的主要市場，全球各大汽車廠激烈角逐環保型汽車，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出良好的燃油經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，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、新材料、新工藝將為內燃機的發展帶來新的機遇。現代設計方法發展很快，計算機 技術、現代設計理論、現代計算方法、知識工程、圖形學等多個學科、多種技術的交叉、融 合，發展了CA

18、D、CFD、FEA、CAE、CAT、CAPP等設計、計算、分析方面的現代技術方法，使 這些方法在內燃機設計中的應用成為可能，進而發展概念設計、虛擬設計，使設計更趨合理 、更加完善，達到設計最佳化，這是內燃機技術今后發展的重要方面。 新材料的發展和應用必將促進 內燃機產品的巨大進步，這是不容置疑的。結構陶瓷材料在內燃機上的應用、陶瓷內燃機、 陶瓷渦輪對提高內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，改善瞬態特性等，都表現出明顯的效果。 此外，像陶瓷/金屬復合材料、金屬復合材料、耐熱高強度塑料、 功能梯度材料、碳纖維、納米材料等的開發研究，現已初見端倪。今后其他新型材料的發現 與發展是無法預測的。未來內燃機在新材料應用的推動下，在體積、質量以至零件結構型式 上將會有根本性的變化，對內燃機性能的提高也會帶來不可估量的影響。 21世紀，石油仍將是內燃機的主要燃料，但受能源和環境壓力的驅使，代用燃料和低污染或零污染燃料的開發、研究將會十分活躍，現已有開端。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