内燃机原理第1章.

内燃机原理沈阳航空工业学院动力与能源工程学院徐让书第1章概论内燃机是将燃料的化学能转变为机械功的一种热力发动机区别于外燃机，内燃机是燃料在机器（工质）内部燃烧而将能量释放做功的本课程讨论的主要是点燃式发动机（汽油机，尽管它也能燃用其他燃料）和压燃式发动机（柴油机，也能燃用其他燃料）内燃机热效率高（是当今热效率最高的热力发动机）结构简单比质量（单位输出功率的质量）轻移动方便内燃机简史1860年，莱诺依尔（J.J.E.Lenoir），1867年，奥托（NicolausA.Otto）和浪琴（EugenLangen）大气压力式内燃机1876年，奥托四冲程循环的内燃机1890年克拉克（Dlerk）和罗伯逊（JamesRobson）、德国的卡尔·奔驰（KarlBenz，）二冲程内燃机1892年德国鲁道夫·狄塞尔（RudolfDiesel）压燃式发动机—柴油机1957年汪克尔（F.Wankel）转子发动机内燃机简史内燃机的燃料最早用来产生机械功的是煤气1900年之后，汽油和原油中的轻馏分油成为商品，出现了各种各样将这种油料汽化并与空气混合的化油器高挥发性的油料使发动机起动容易，在寒冷地区使用有较好的性能1907—1915年，汽油需求量增加了5倍，威廉·伯尔顿（WilliamBurton，1865—1954年）发明了将重油在压力下加热裂解成易挥发轻馏分油的技术，从而大大提高了汽油的产量。但这种汽油沸点较高，使冷起动困难。由于在1912年发明了起动电机，从而较好地解决了这一问题。第一次世界大战以后，通用汽车公司发现了四乙铅的抗爆作用，1923年美国开始将它用来作为汽油的添加剂尤金·荷德莱（EugeneHoudry）发明了催化裂化法，既提高了汽油的产量，同时使汽油获得越来越好的抗爆性内燃机简史内燃机的增压1902年法国的路易斯·雷诺（LouisRenault）提出了增加缸内压力的发明专利，也就是后来被广泛接受的机械增压1907年美国试制成功了世界上第一台增压发动机1915年，瑞士工程师阿尔弗雷德·波希（AlfredBuchi）将这种增压器的机械驱动改造成为发动机的排气涡轮驱动第二次世界大战后，增压技术开始在压燃式发动机上得到广泛的应用，并逐步扩展到汽油机中内燃机简史近30年来，影响发动机设计和运行的主要因素，是控制发动机对环境的污染40年代在洛杉矾出现汽车所造成的空气污染事件光化学烟雾来自日照下的NOx和HC所产生的化学反应；而汽车则是NOx和HC以及CO的主要贡献者柴油机则是烟气微粒以及HC和NOx的主要来源美国加州首先建立了汽车排放标准60年代在美国，接着在欧洲、日本，相应确立了汽车排放标准，从而发展了汽油喷射、三效催化剂、无铅汽油的应用，以控制汽油机的排放。内燃机也是一个重要的噪声来源噪声来自空气动力效应、燃烧过程中气体的压力和旋转、往复零部件的机械激励等70年代末，国际上开始制订车辆噪声法规，以降低噪声对环境的污染。内燃机简史70年代初，由于原油价格上涨，引起对发动机燃油经济性的重视由于要控制排气污染，增加了改进燃油经济性的困难。为了减少内燃机对日益短缺的石油基燃料的依赖，各国正在进行内燃机燃用代用燃料的研究工作，以逐步取代汽油和柴油，如燃用天然气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油以及二甲基醚（CH3OCH3）等缸内直喷(GDI)、匀质混合气压缩燃烧(HCCI)等技术中国内燃机工业发展简史内燃机的基本工作原理四冲程内燃机工作循环进气冲程压缩冲程作功冲程排气冲程四冲程内燃机工作过程进气过程压缩过程燃烧过程膨胀过程排气过程内燃机的基本工作原理进气过程由进气门开始开启到进气门关闭进气门提前开启(10~40)CA活塞下行在气缸内形成真空，空气（汽油机是燃料与空气的混合物）在压力差作用下进入气缸活塞到达下止点时，空气仍以惯性向气缸内流动，进气门延迟关闭(20~60)CA柴油机•进气终点气缸内压力pa=(0.8~0.95)p0•温度Ta=300~340K汽油机•进气终点气缸内压力pa=(0.07~0.09)MPa•温度Ta=370~400K进气过程汽油喷射内燃机的基本工作原理压缩过程由进气门关闭到活塞到上止点活塞向上运动，气缸内气体被压缩，气体的压力和温度上升压缩过程中气缸内气体与气缸壁之间存在热交换柴油机•压缩终点压力pc=3~5MPa•温度Tc=750~950K汽油机•压缩终点压力pc=0.8~1.4MPa•温度Tc=600~700K内燃机的基本工作原理燃烧过程柴油机在压缩上止点前(10~35)CA时，柴油以高压由喷油器喷入燃烧室，与空气混合形成可燃混合气，在高温下自燃汽油机在压缩上止点前(10~15)CA时，火花塞跳火点燃可燃混合气，可燃混合气迅速燃烧气缸内压力和温度急剧升高柴油机燃烧最高压力（爆发压力）pz=6~9MPa，最高温度Tz=1800~2200K汽油机燃烧最高压力（爆发压力）pz=3~5MPa，最高温度Tz=2200~2700K燃烧过程在膨胀过程中某一时刻结束GDIDieselFlameSpray内燃机的基本工作原理膨胀过程活塞到达上止点后开始下行，燃气膨胀作功，直到排气门开启膨胀过程中气缸内气体压力和温度下降膨胀过程中燃烧过程还在进行排气门开启时气缸内压力pb=~0.5Mpa柴油机•到下止点时气缸内压力pb=~0.3MPa•温度Tb=1000~1200K汽油机•到下止点时气缸内压力pb=~0.4MPa•温度Tb=1200~1500K膨胀过程内燃机的基本工作原理排气过程从排气门开启到排气门关闭排气门提前开启(30~80)CA排气过程中气缸内压力大于外界压力排气门延迟关闭(10~70)CA到排气上止点时•气缸内压力pz=0.105~0.12MPa•温度Tz=700~900K气门叠开阶段内燃机的基本工作原理增压柴油机工作原理增压器机械增压废气涡轮增压•压气机压缩空气，提高进气压力•废气涡轮柴油机废气在废气涡轮中膨胀作功，驱动压气机二冲程内燃机工作原理由气口或气口-气阀换气扫气泵（或利用曲轴箱）实现扫气内燃机分类内燃机种类很多，它们可以按如下不同方式分类按所用燃料分汽油机柴油机天然气发动机（液化天然气和压缩天然气）液化石油气发动机酒精发动机（甲醇，乙醇）双燃料发动机（如吸入天然气，喷入柴油点火等）灵活燃料发动机（汽油与醇类切换）按缸内着火方式分压燃式点燃式按冲程数分四冲程二冲程按活塞运动方式分往复活塞式旋转活塞式按气缸冷却方式分液体冷却空气冷却按气缸数目分单缸多缸（2，3，4，5，…）内燃机分类按转速分低速（＜300r/min）中速（300~1000r/min）高速（＞1000r/min）按增压程度分非增压（自然吸气）增压•低增压（πb＜1.8）•中增压（πb：1.8~2.5）•高增压（πb：2.5~3.6）•超高增压（πb＞3.6）按气缸排列分立式、卧式、直列式、V形、W形对置气缸或对置活塞式H形、王字形、X形、星形按混合气准备方式分化油器式进气管或进气道喷射缸内直接喷射分层充量按燃烧室设计分开式燃烧室（许多种设计，如浴盆形、楔形、半圆形，碗，ω形等）分隔式燃烧室（具有辅助燃烧室，许多种设计，如涡流室，预燃室等）按进排气门、凸轮轴设计和布置分二气门、四气门（或多气门）顶置（上置）或侧置（下置）气门顶置或侧置凸轮轴按用途分农用、船用、汽车用、工程机械用拖拉机用、发电用、内燃机车用内燃机名称和型号编制规则内燃机名称按所采用的主要燃料命名柴油机、汽油机、煤气机内燃机型号反映内燃机的主要结构特征和性能气缸数（1，2，3，……）机型系列•冲程（E表示二冲程）•气缸直径用途及结构特点•Q——汽车用•T——拖拉机用•C——船用•J——铁路牵引用•Z——增压•K——复合•F——风冷变形符号（-1，-2，……）上止点、下止点活塞行程s曲柄半径r=s/2气缸工作容积Vs=πd2s/4燃烧室容积（余隙容积）Vc排量iVs压缩比εc=(Vs+Vc)内燃机的基本名词术语内燃机总体构造机体——各种机构和系统都装在机体上气缸体、曲轴箱、油底壳等气缸盖——与活塞顶共同组成燃烧室，配气机构和气道布置在上面曲柄连杆机构——主要运动件活塞、连杆、曲轴、飞轮等供给系燃料供给系——化油器、燃料喷射系统进排气系统——空气滤清器、进、排气管、消声器配气机构——定时开启和关闭进、排气门驱动组、传动组、气门组点火系——蓄电池点火系、磁电机点火系火花塞、点火线圈、断电器、分电器冷却系——水冷——水泵、散热器、风扇、冷却水套风冷——风扇、导风罩、散热片润滑系——压力润滑、飞溅润滑、油雾润滑润滑油泵、润滑油滤清器、润滑油冷却器起动装置——手摇起动、电起动、压缩空气起动附件及其它特殊装置——传感器等点燃式发动机小型点燃式发动机广泛应用于家庭割草机、链锯、移动式小发电机组、植保、舷外机和摩托车它们通常是单缸机，其特点是尺寸小，质量轻，便宜由于是单缸机，因而转矩不均匀性和振动较大。二冲程点燃式发动机单缸、直立风冷缸径×行程：50mm×50mm12h功率/转速：2.2kW/4000r·min-115min功率/转速：3kW/5000r·min-1采用曲轴箱换气。各种内燃机的典型结构多缸机多缸机常用于汽车，它们的转矩输出较均匀，平衡也比单缸机好2.5L以下排量的汽车通常使用四缸机为多六缸机通常用于排量为2.5~4.5L的发动机其转矩比四缸机更均匀但气缸直线排列会增加发动机长度，使曲轴扭转振动增加由于进气管长，使燃料在各缸之间分配不易均匀V-6发动机气缸分成二列，每列三缸二列气缸轴线夹角为60°，使发动机更为紧凑一级惯性力可以得到平衡，但二级惯性力平衡情况要比直列式差V-8和V-12缸机工作柔和、紧凑、排量大、振动小增压汽油机可以在给定排量下获得更大的功率输出368汽油机直立、四冲程、水冷、3缸机缸径×行程：68．5mm×72mm标定功率/标定转速：26.2kW/5500r·min-1采用化油器供油、二气门、多球形燃烧室和单顶置凸轮轴同步带带动安装于气缸盖上的凸轮轴，再通过摇臂驱动气门用于奥拓轿车以及其他小型动力装置桑塔纳轿车JV型发动机直列4缸4冲程水冷发动机缸径×冲程：81mm×86.4mm最大功率：66kW（5200r/min时）最大转矩：145N·m（3500r/min时）采用化油器供油、顶置凸轮轴高速性能好。奥迪A4型汽油机直立四冲程、水冷、4缸缸径×行程：86.4mm×81mm标定功率/转速：110kW/6800r·min-1球型燃烧室、顶置凸轮轴、五气门及增压中冷电控汽油喷射、闭环、电子管理自诊断系统及三效催化剂平均有效压力达1.48MPa对置气缸发动机（Boxer）VOLVOaeroengineROTECROTECROTEC汪克尔转子发动机结构简单、紧凑，零件数少，平衡性好，噪声振动小，有高的升功率和单位质量功率，高速性能好缺点是燃油消耗率高，燃烧室面容比大，HC排放较高，低速低负荷性能较差汪克尔转子发动机仅有两个运动零件，即三角形转子与偏心轴三角形转子在缸体型线中的运动规律是由固定在三角形转子上的定时内齿轮绕固定在前端盖上的定时外齿轮作行星运动实现的内齿轮固定在三角形转子上，三角形转子轴承套在偏心轴颈上，偏心轴一端支承于外齿轮的主轴承中，另一端支承于后端盖的主轴承中内外齿轮的齿数比为3：2缸体型线为“双弧外次摆线”又名“双弧长短幅圆外旋轮线”，三角形转子的型线为“外旋轮线的内包络线”或“内旋轮线”转子转动时通过缸体中的进、排气孔（有时铸在端盖中）换气燃烧室由缸体与转子表面型线构成，采用密