内燃机原理课件

北京航空航天大学汽车工程系汽车发动机原理北京航空航天大学汽车系主讲：徐斌汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论2主要内容1内燃机发展概况2内燃机分类3典型内燃机结构•绪论（3学时）•第1章性能指标与影响因素（4学时）•第2章发动机工作循环（4学时）•第3章发动机燃料特性（2学时）•第4章换气过程（5学时）•第5章混合气形成和燃烧（8学时）•第6章燃料供给与调节（4学时）•第7章使用特性与匹配（2学时）•复习汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论3教学大纲课程教学目标汽车发动机原理是一门培养学生具有汽车发动机原理知识和汽车发动机理论设计能力的专业课程。通过该课程的学习，学生应掌握热力发动机的发展历史和国内外动态；熟练掌握热力发动机的主要循环特点、基本工作原理；熟知发动机混合气形成与燃烧技术，实验理论与试验方法；使毕业生能够成为该领域里的具有创新意识和创新能力的开发、生产、试验和管理人才主要内容介绍汽车发动机发展概况；发动机各性能指标；发动机的主要循环；燃料特性；换气过程分析；混合气的组织与燃烧；发动机的燃料共给与调节；发动机的应用与匹配。教学安排及方式本课程讲授32学时，共8周，周学时为4。与本课程相关的独立设置的实践性教学环节有两个：汽车拆装实习：实习内容为汽车及其发动机的结构和工作原理发动机特性汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论4教学大纲综合实验：实验内容为内燃机特性和调节考核方式：考试（80%）+平时作业考核（20%）参考教材：汽车构造（上、下册）（第三版），陈家瑞主编，人民交通出版社，1994.6车用内燃机原理，秦有方主编，北京理工大学出版社，1997．7汽车拖拉机发动机”（第3版），董敬等，机械工业出版社，1997年“内燃机原理”，唐开元等，译自“InternalCombustionEngineFundamental”,J.B.Heywood精品课网站：汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论5本课程定位发动机原理（专业核心课）发动机设计发动机实验技术内燃机现代设计方法汽车电子技术增压技术汽车排放与控制汽车与发动机构造（专业平台课）高等内燃机学内燃机燃烧理论研究生课程本科生课程汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论6绪论§0-1内燃机发展概况内燃机：燃料在机器内部燃烧而将能量释放并对外做功的机械设备。工质燃烧前为燃油与空气的混合物，燃烧后为燃烧产物。本课程主要内容：往复式活塞内燃机点燃式发动机压燃式发动机一、内燃机发展历史1.不同类型发动机的出现•1860年：第一台内燃机出现，J.J.E.Lenoir制造了煤气机，指标：η5%Pmax=4.5kw整机重量大汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论7绪论•1867年：大气压力式内燃机，Otto,Langen指标：η11%Pmax=28kw整机重量4000磅•1862：Rochas描述了四冲程发动机工作原理，•1876年：第一台四冲程发动机，Otto研制实用的发动机。指标：η14%Pmax=80kw整机重量1250磅。汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论8§0-1内燃机发展概况•1890年：第一台二冲程发动机，Clerk,Benz等•1892年：压燃式发动机理论形成，1897第一台柴油发动机，Diesel为产生雾化微粒使用压缩空气喷射，发动机体机重量很大。笨重的第一台柴油机汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论9§0-1内燃机发展概况•1907机械增压发明Renault，1915Buchi第一台涡轮增压发动机。1915第一台涡轮增压发动机原理结构汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论10§0-1内燃机发展概况•1957年第一台转子发动机，Wankel转子发动机—Wankel发动机汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论11§0-1内燃机发展概况汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论12§0-1内燃机发展概况MazdaWankelenginePe=184kWat8500rpmMmax=220Nmat7500rpm汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论13§0-1内燃机发展概况IO/BODCChargeafterICEO/BEDCEC/AODCChargebeforeEO汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论14§0-1内燃机发展概况汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论15§0-1内燃机发展概况汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论16§0-1内燃机发展概况2.燃料技术的发展•煤气（1860）热值低，充气效率低•汽油（1890）产生爆燃爆振压缩比4•抗爆剂的发现（1923）--汽油生产工艺的改变，产量抗爆性提高，改进了发动机动力性、经济性。压缩比不断提高83.环境要求对内燃机发展的影响•40年代产生汽车排放污染，1952年HaagenSmit阐明了污染的根源，60年代，美国欧洲日本建立了汽车排放的标准，汽油喷射、三效催化出现。•噪声污染：气动噪声、燃烧噪声、轮胎噪声、振动噪声。汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论17§0-1内燃机发展概况二、内燃机技术发展1.汽油机技术•1860-1950：一方面提高压缩比，另一方面大幅度的提高转速；一直沿着降低油耗、增大升功率、减轻比重量的方向发展。压缩比的提高爆燃严重添加抗爆剂排气污染严重•60-70年代：汽油机发展进入不同领域（为改善燃烧所采用的大活塞顶挤气面积和激冷面积方法行不通了（HC、CO增加），因而主要解决排放与噪声问题。主要技术：减少面容比、减少激冷层面积、S/D增大、排气催化器、补燃、EGR等，但是NOx与CO、HC减低措施相互矛盾。汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论18§0-1内燃机发展概况•稀薄燃烧技术：1915年Ricardo提出（为经济性和抗爆燃），60年代才为解决排放与经济性进行研究。稀薄燃烧技术均匀稀混合气燃烧—采用高能点火，结构简单非均匀稀混合气燃烧—分层充气，分为分隔室、统一室燃烧。SKS分层方案、本田CVCC复合涡流燃烧系统、彗星MK-V等汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论19§0-1内燃机发展概况•增压技术：增压比达到2，使HC、NOx、CO下降，油耗下降。•电喷技术的广泛应用:类型----机械式喷射、电控喷射。多点喷射、单点喷射等汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论20§0-1内燃机发展概况2.柴油机技术—高功率、高寿命、低油耗、低排放•Diesel于1897年研制了第一台柴油机。•1910年Mckechnie完成了燃油高压喷射系统研制，为康明斯发动机原型。•Benz公司于1922发明了分开式燃烧室，研制出车用发动机。•1924年MAN公司制成了第一台直喷式柴油机。•1927年BOSCH开始生产标准的喷油泵。•1931年三菱公司学习欧洲技术开始生产预燃室、涡流室、直喷发动机。汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论21§0-1内燃机发展概况高寿命：依赖设计计算、测试技术、工艺材料等技术发展。到80`s寿命提高3-6倍。技术：改善混合气的形成和增压系统，控制机械负荷与热负荷、控制活塞平均速度、减小整机的震动、采用新型材料等。强化混合气形成强化制造精度减少零部件强化工作频率强化进气过程主要技术：改善燃烧系统、提高燃烧效率减少活塞环数、改良机油品质采用二冲程或提高转速增加进气门数、减小气道阻力、谐振增压、涡轮增压等60年代以来柴油机技术发展远远快于汽油机的发展，发展的标志：•高功率：大型化—增大工作容积或缸数，为36000kW以上,D1m强化—指工作过程的有效指标(Pe)和工作频率的提高(n)。汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论22§0-1内燃机发展概况低油耗：通过提高机械效率和循环指示效率获得。热效率—30年代为30%--45%。技术：提高制造精度和表面光洁度，减少辅助系统的消耗，减少活塞环数，改善燃烧系统，提高燃烧效率，采用增压技术。小型柴油机ge=2.7~4g/kwh低排放：主要排放物HC、CO、NOx和碳烟微粒。Nox和碳烟为主要排放物。产生的原因：Nox取决于燃烧最高温度、燃烧室氧气浓度和生成Nox反应滞留时间。因而推迟点火和降低燃烧室高温是主要的手段。补燃增加、排烟增加经济性下降。微粒排放两类：液态微粒—燃油和润滑油，冷启动、怠速低负荷时产生。固态微粒—不完全燃烧产生的碳烟，产生于大负荷。汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论23§0-1内燃机发展概况技术：采用较强的进气涡流，加速膨胀初期燃烧，为提高充气效率，目前有采用中低的涡流比的趋势，同时提高喷油压力和雾化程度。改进燃烧室使气流运动与雾化很好配合。采用电子控制技术—高压共轨。同缸径冲程气油机与柴油机比较汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论24§0-1内燃机发展概况汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论25绪论§0-2内燃机分类内燃机：按其不同的特点可分为多种类型一、使用的燃料：1.汽油机：用火花塞点燃，往复活塞式。ε=8-122.柴油机：柴油和空气混合气通过压燃自行着火的往复活塞式。3.天然气发动机NG4.液化石油气发动机LPG5.酒精发动机6双燃料多燃料发动机二、点火方式：1.压燃式2.点燃式三、工作循环：1.二冲程2.四冲程四、活塞运动方式：1.往复式2.旋转式汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论26§0-2内燃机分类五、冷却方式：1.液体冷却2.空气冷却六、气缸数量：1.单缸机2.多缸机七、进气形式：1.非增压—自然吸气式2.增压八、混合气的形成：1.化油器式2.缸内直喷低增压：π1.8中等增压：1.8π2.5高增压：2.5π3.6超高增压：π3.63.进气管道内喷射4.分层充气式九、燃烧室形式：1.开式燃烧室2.分隔室燃烧式十、气门形式与数量：1.二气门与多气门2.顶置气门与侧置气门汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论27第一章概论§0-3典型内燃机结构一.点燃式发动机1.单缸机主要特点：体积小重量轻，结构简单，零部件少，应用于小型设备的动力。图为一台二冲程风冷发动机，升功率高于四冲程机，存在扫气损失，采用混合燃油，存在烧机油，且HC排放高，油耗高。汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论28§0-3典型内燃机结构2.多缸机主要特点：转矩输出均匀，平衡好，体积中量较大，应用于车辆。分为直列和V性排列方式，常用3、4、6、V6、V8、V12缸等。排放与油耗好于二冲程机。图中所示为一台四冲程水冷直列三缸机发动机，采用化油汽供油，单顶置凸轮轴，通过摇臂驱动气门，齿型带传动。汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论29§0-3典型内燃机结构图为直列四缸四冲程水冷发动机，化油器供油，顶置凸轮轴，齿型带传动、中间轴驱动分电器。汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论30§0-3典型内燃机结构图为奥迪A4直列四缸四冲程水冷发动机，球形燃烧室，顶置凸轮轴，齿型带传动、中间轴驱动分电器，五气门、中冷增压，采用电控喷射以及三效催化剂。110kW/6800rmin-1pe=1.48MPa汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论31§0-3典型内燃机结构汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论32§0-3典型内燃机结构汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论33•AlfaRomeo1.9JTD16v§0-3典型内燃机结构汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论34萨博9-7X上配备的大型V8发动机结构图§0-3典型内燃机结构汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论35AUDIW12engine汽车工程系23:56汽车发动机原理---绪论36§0-3典型内燃机结构二.压燃式发动机主要特点：具有较高的压缩比，热效率高，通常采用增压技术，平均有效压力高，其热负荷与机械负荷远高于器油机，输出功率高，油耗低