内燃机原理教材_内燃机原理全

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【发动机原理】教案

教材: 《汽车发动机原理》

张志沛 主编

大连海运学院出版社

长安大学

汽车学院机电与动力研究所

曹建明

目 录

绪 论----------------------------第一章 发动机工作循环及性能指标--------------------------§1-1 发动机理想循环概述---------------------------

5§1-2 发动机实际循环-

§1-3 热平衡----------

§1-4 指示指标---------9 §1-5 有效指标--------§1-6 机械损失--------

§1-7 燃烧热化学------

§1-8 发动机混合气的着火和燃烧方式----------------第二章 发动机的换气过程------§2-1 四冲程发动机的换气过程-----------------------§2-2 四冲程发动机的充气效率-----------------------§2-3 影响充气效率的各种因素-----------------------§2-4 提高充气效率的措施---------------------------

§2-5 进气管内的动态效应---------------------------§2-6 单位时间充气量与循环充气量------------------第三章 柴油机混合气形成和燃烧-----------------------------§3-1 柴油机混合气形成-----------------------------§3-2 柴油机的燃烧过程-----------------------------

§3-3 柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响----------------------------§3-4 柴油机的燃烧室 第四章 汽油机混合气形成和燃烧----------------------------

§4-1 汽油机混合气形成-----------------------------

§4-2 汽油机的燃烧过程-----------------------------

§4-3 汽油机的燃烧室 第五章 发动机噪声及排放污染

§5-1 发动机噪声污染及防治------------------------

§5-2 发动机排放污染及防治------------------------第六章 发动机特性-------------§6-1 发动机工况和性能指标分析式-----------------§6-2 发动机速度特性 §6-3 发动机负荷特性 §6-4 发动机万有特性 §6-5 发动机调速特性 §6-6 大气修正-------第七章 发动机台架试验--------§7-1 测量与计算参数 §7-2 参数的测量-----§7-3 测取方法-------第八章 车用发动机的废气涡轮增压概述--------------------16 20 22 22 23 25 27 29 30 32 32 36 39 41 46 46 49 57 60 60 63 66 66 66 70 72 73 77 79 79 79 83 85

绪 论

第一台实际使用过的内燃机，是1859年法国工程师勒努瓦制造的。这是一台煤气机，效率很低。1876年德国工程师奥托制成了按四冲程原理工作的煤气机，称为奥托循环机，这是内燃机划时代的进步。1892年，德国工程师狄塞尔。提出了压缩点火式内燃机的设计原理，经过多次试验和改进，于1897年制成第一台压燃式内燃机，使用液体燃料，热效率比以前的内燃机都高。内燃机的发明，使热机的效率由蒸汽机的10％左右，提高到内燃机的40％左右。而且由于内燃机轻巧，适于用在交通工具上，对促进交通运输业的发展起了关键的作用。

能量转换：发动机－燃料的化学能热能机械能

机械能、电能等－高级能源；热能－低级能源 《发动机原理》课研究：热能机械能（转换效率：理论上小于100%）

机械能热能（转换效率：理论上可达100%）

发动机：内燃机和外燃机

车用发动机：间歇工作式发动机

四个冲程中只有一个冲程做功，做功不连续。

燃气轮机：连续工作式发动机

一 分 类

（一）种 类往复活塞式（普遍）转子式－汪克尔式（THE WANKEL ENGINE）

早在19世纪, 就有人设想过, 但泄漏问题是这种发动机发展的致命弱点。它结构紧凑，运转平稳，是高速车用发动机的发展方向之一。1956 年德国工程师汪克尔制造出样机。目前日本已用于小轿车上，时速 200 km/h 左右。但光泄漏损失就要占30%以上。目前我国苏杭等地已经生产出了样机。与往复式比较应特别注意的一点是，往复式活塞在上下止点都稍有短暂的停留，与一般认为的观点相反，运动方向的这些改变并不影响它的效率；也就是说，在这个过程中，并没有什么固有的损失。旋转式比往复式的优越之处主要是几何形状上的紧凑性及由此而引起的一些优越之处，并非直接在气体动力学和热力学方面有何优越之处。摆动活塞式（ROCKING PISTON ENGINE）

1979年日内瓦发动机展览会上，展出了瑞士索罗图恩的萨尔茨曼（W.Salemann）设计部门的摆动活塞式发动机。斯特林（THE STIRLING ENGINE）

1816年由罗伯特·斯特林设想在气缸外部燃烧的一种热力发动机（外燃机），是现代发动机引人注目的一种。自由活塞式（FREE PISTON ENGINE）

只相当于涡轮发动机的燃气发生器。

（二）往复活塞式发动机的分类

我们这门课主要研究目前汽车上广泛应用的往复式活塞发动机。按用途分类

（1）灌溉（抽水）用 点工况

（2）电站用 n = const.线工况 固定式柴油机或机组

（3）船舶用 Ne = k n3（螺旋桨曲线）线工况 大型、低速柴油机（4）汽车、拖拉机用 变工况-面工况 中小型、高速柴油机（5）发动机车 大型高速柴油机组

（6）工程机械（矿山机械、建筑、石油钻探）多变型（7）坦克 V型、多缸机

（8）飞机 星型（径向式）已基本不用按燃油种类分类

汽油机，柴油机 按点火方式分类

自行着火（压燃式），外源点火（点燃式）按工作循环分类

四冲程，二冲程 按冷却方式分类

水冷，风冷 按汽缸排列分类

直列式，卧式，V型，星型（径向式）按汽缸数目分类

单缸机，多缸机（2，3，4，5，6，8，10，12，14，16缸„）按转速分类（1）低速: n 1500 r/min 但没有明确的界限。按增压分类

增压，非增压 按能源分类（代用燃料）

压缩天然气，液化天然气，液化石油气，氢气，甲醇，乙醇，二甲醚，植物油，电瓶，太阳能

二 优缺点

（一）优点 1 有效热效率高

蒸汽机 11～16%，蒸汽轮机 30%，汽油机 30%，柴油机 40%，增压柴油机 46%以上 2 功率范围广

Ne = 0.6～35000 kw 3 比重量小，升功率大（体积小、重量轻）

比重量: 柴油机 3.7 kg/kw，车用汽油机 1.37 kg/kw 4 起动性好

可很快达到全负荷

（二）缺点 1 对燃料要求高

石油紧张，汽油、柴油价格高；要求一定的标号。2 噪声、排污 3 结构较复杂

三 现代发动机的发展

年代以前: 动力性，可靠性，耐久性 70～80年代: 经济性，动力性 90 年代口号: 清洁，经济，安全 1 相关学科日益增多，学科之间相互渗透 2 标准化，系列化，通用化（三化）3 新材料，新工艺，新产品使用计算机设计、计算零部件及其配合，精密、准确、优化 5 设计、零部件生产商 分散集中分散

由分散的小公司到集中的大型脱拉斯，如今又分散到小公司，其主要原因是优

化产品，节省开支，降低成本。甚至象丰田、宝马这样的超级企业有时也需合 作开发新产品。电控应用日益增多，混合气制备更加完善 7 检测设备与手段先进低排放的代用燃料发动机正在普及，零排放的正在开发并进入实用

四 本课程的研究对象和任务

（一）对象

本课程以性能指标作为研究对象

深入到工作过程的各个阶段，分析影响性能指标的各种因素，找出规律，研究提高性能指标的措施与途径。

（二）性能指标动力性指标（功率、扭矩、转速）经济性指标（燃料和润滑油的消耗量及消耗率）3 运转性指标（冷起动性、噪声和排气品质）

衡量发动机的质量，还要考虑可靠性，耐久性，加工容易，操纵维修方便，成本核算等，全面综合评定。

（三）工作过程

发动机冲程（四个）: 吸气  压缩  做功  排气

热力过程（五个）: 吸气  压缩  燃烧  膨胀  排气

燃烧  膨胀 为能量转换过程

（四）任务

研究热力过程，热力循环，整机性能

明确基本概念，基本技能。培养综合分析问题的能力。

（五）单位制

我国的法定计量单位

第一章 发动机工作循环及性能指标

§1-1 发动机理想循环概述

一 实际循环向理想循环的简化

（一）实际循环（以车用柴油机为例）进气过程: 0～1（p > p0p

压缩过程: 1～2（p，T）

初期: 工质吸热；后期: 工质放热。燃烧过程: 2～3～4（p，T）4 膨胀过程: 4～5（p，T）

初期: 工质放热；后期: 工质吸热。排气过程: 5～0（p > p0）

（二）实际循环的简化忽略进、排气过程压缩、膨胀过程（复杂的多变过程）简化为绝热过程燃烧过程简化为定容加热过程（2～3）和定压加热过程（3～4）4 排气放热简化为定容放热过程 5 假定工质为定比热的理想气体

二 理想循环及其分析比较

（一）混合加热循环

－车用柴油机的理想循环循环特征参数（1）压缩比

v 

v2（2）压力升高比

p 

p2（3）预胀比 v 

v32 热效率

w0q2q2v t 11q1q1q1vq1pk1

计算得: t1k1

(1)k(1)13 分析（1） 为定值

  t ；  t 。 = 1  t = const.（汽油机，定容加热循环）

（2）  t  ；当  = 20 左右时，  t  不大

柴油机  = 12～22

（二）定容加热循环（奥托OTTO循环）

－ 汽油机的理想循环热效率

v4

因为: 预胀比 1

v3

所以: 热效率 t12 分析

 = 1  t = const.  t  ；当  = 10 左右时，  t  不大

且汽油机容易爆燃，因此，汽油机  = 6～10

1k1

（三）定压加热循环（狄赛尔DIESEL 循环）

－船舶用大型低速柴油机的理想循环热效率

p3

因为: 压力升高比 1

p2k1

所以: 热效率 t1k1

k(1)12 分析

（1） 为定值   t 

（2）为定值   t 

（四）三种理想循环热效率的比较初态1相同，压缩比相同，加热量q1相同

t,vt,mt,p初态1相同，最高压力pmax、最高温度Tmax相同，放热量q2相同

t,vt,mt,p

§1-2 发动机实际循环

发动机理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际循环。

一 工质改变损失

（一）工质性质

理论上: 理想气体，双原子气体。

实际上: 燃烧前: 燃料+空气；

燃烧后: 燃烧产物。

（二）比热

理论上: 定比热

实际上: 温度T  比热C

（三）高温分解

例

C + O  CO + 热量 [+ O]  CO2 + 热量

其中 CO 为中间产物，CO2 为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反

应，即高温分解:

CO2  CO + Op’）无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。亚临界排气 D

p = 1.9 p’  排闭。

其流量取决于压差（p油滴平均直径 匀：雾化好

粒细均匀度好，粒粗均匀度差。

（四）喷油规律

单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角）的变化规律。

喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。1 喷油延迟角

喷油提前角 — 开始喷油  上止点的曲轴转角。

’ — 上止点  停止喷油的曲轴转角。

喷油延迟角’ — 开始喷油  停止喷油的曲轴转角。2 喷油延迟角对性能的影响

’  喷油持续时间长, 工作柔和，但油耗增大, 排放变差。

’  喷油持续时间短, 油耗下降, 排放好，但工作粗暴。喷油延迟角的比较

a.’

 油耗, 排放好，但工作粗暴。b.先急后缓



 工作粗暴。

’

 油耗 , 排放差。c.先缓后急



 工作柔和。

’

 油耗 , 排放好, 尽量采用，但很难做到。

（五）喷油嘴孔式喷嘴

主要用于直喷式燃烧室中。

孔数: 1～5个， = 0.25～0.8 mm。

雾化好，但易阻塞。孔数越少，雾化越好，但也易阻塞。2 轴针式喷嘴

主要用于分隔式燃烧室中。

 = 1～3 mm，通道间隙  = 0.025～0.05 mm。

雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。

三 气流运动对混合气形成的影响

（一）气流运动的作用

（二）气流运动

组织气流运动，加速混合气形成。进气涡流

使进气气流相对于汽缸中心产生一个力，形成涡流。

（1）切向气道

特点: 气道母线与汽缸相切。

优点: 结构简单，气流阻力小  v

缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。（2）螺旋气道

特点: 进气道呈螺旋型。

优点: 能产生强烈的进气涡流。

缺点: 工艺要求高，制造、调试难度较高 2 挤气涡流

活塞上行: 将活塞顶隙的气体挤出流向燃烧室中，形成挤气涡流。

活塞下行: 燃烧室中的气体流向活塞顶隙处，形成反涡流。

挤气间隙  挤气涡流强度

挤气面积  挤气涡流强度

挤气涡流虽然不如进气涡流强，但它的形成正好处于压缩冲程终了，此时进气涡流已经衰减得很弱，所以挤气涡流就显得相当重要了。燃烧涡流

燃烧在燃烧室中产生压力差，形成燃烧涡流。

尤其是分隔式的涡流室型燃烧室，汽缸盖内的 副燃烧室中的燃料燃烧后，高压混合气流和火焰高 速喷向活塞顶部的主燃烧室中，由于主燃烧室的导 向作用，形成燃烧涡流，或称二次涡流。

（三）热混合作用刚性涡流

涡流中心质点速度为零，越向边缘速度越大。势涡流

涡流中心质点速度最大，压力最小。越向边缘速度越小，压力越大，壁面处速度为零。

一般认为涡流为势涡流。热混合作用（主要在涡流室型燃烧室的涡流室中产生）

涡流中的质点受两个力作用，离心力使质点向外运动，压差力使质点向中心运动。

若 ’ — 质点密度， — 空气密度。

当 ’ =  时，— 质点作圆周运动。

当 ’ >  时，— 离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。

当 ’

液体油、燃油蒸汽: ’ > 400 ，向外运动。

燃烧产物: ’

燃烧产物将新鲜空气挤向外围与燃油混合，并使混合气与燃烧产物分开，火焰呈螺旋形向中心运动，这就是热混合作用。

§3-2 柴油机的燃烧过程

一 燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向

（一）燃烧过程的特点高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。2 压缩自燃。

（二）柴油机燃烧的主要研究方向喷油雾化 2 喷油规律 3 气流运动 4 燃烧室结构

配合要好。

二 燃烧过程