内燃机原理-第1章.ppt

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19071915年，汽油需求量增加了5倍，威廉伯尔顿（WilliamBurton，18651954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(1040)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(2060)CA柴油机进气终点气缸内压力pa=(0.80.95)p0温度Ta=300340K汽油机进气终点气缸内压力pa=(0.070.09)MPa温度Ta=370400K,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=35MPa温度Tc=750950K汽油机压缩终点压力pc=0.81.4MPa温度Tc=600700K,内燃机的基本工作原理,燃烧过程柴油机在压缩上止点前(1035)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(1015)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=69MPa，最高温度Tz=18002200K汽油机燃烧最高压力（爆发压力）pz=35MPa，最高温度Tz=22002700K燃烧过程在膨胀过程中某一时刻结束,GDI,DieselFlame,Spray,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=10001200K汽油机到下止点时气缸内压力pb=0.4MPa温度Tb=12001500K,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(3080)CA排气过程中气缸内压力大于外界压力排气门延迟关闭(1070)CA到排气上止点时气缸内压力pz=0.1050.12MPa温度Tz=700900K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（3001000r/min）高速（1000r/min）按增压程度分非增压（自然吸气）增压低增压（b1.8）中增压（b：1.82.5）高增压（b：2.53.6）超高增压（b3.6）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，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=d2s/4燃烧室容积（余隙容积）Vc排量iVs压缩比c=(Vs+Vc)/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：50mm50mm12h功率/转速：2.2kW/4000rmin-115min功率/转速：3kW/5000rmin-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2.54.5L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：685mm72mm标定功率/标定转速：26.2kW/5500rmin-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：81mm86.4mm最大功率：66kW（5200r/min时）,最大转矩：145Nm（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：86.4mm81mm标定功率/转速：110kW/6800rmin-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）,VOLVOaeroengine,ROTEC,ROTEC,ROTEC,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，采用密封片、密封条和密封销及它们底部的弹簧片来保证这些密封件紧贴在缸体型面和端盖平面上进行密封三角形转子转一圈，偏心轴转三圈，三个燃烧室产生三个做功行程，因此相当于偏心轴转一圈产生一个做功行程,汪克尔转子发动机,MazdaH2RX-8RE,汪克尔转子发动机,压燃式发动机,压燃式发动机（或柴油机）被广泛应用于载货汽车、机车、船舶和发电混合气形成方式与汽油机不同由于采用压燃，柴油机压缩比比汽油机大，在1224范围内柴油机由于应力水平高于汽油机，因此较点燃式内燃机质量大废气涡轮增压和机械增压一般用于较大的发动机,一汽锡柴6110/125ZL柴油机直列6缸四冲程水冷增压柴油机缸径行程：110mm125mm标定功率/标定转速：170kW/2300rmin-1最大转矩：850Nm/1400rmin-1形直喷式燃烧室，4孔喷油器,特殊设计的进气道产生绕气缸轴线旋转的进气涡流WHIE型增压器，增压压力为120kPa最大转矩时的平均有效压力可达1.5MPa锻钢曲轴最低燃油消耗率不高于205g/(kWh)，排放低,一汽CA495ZL柴油机直列4缸四冲程增压中冷直接喷射式柴油机缸径行程：95mm105mm标定功率/标定转速：100kW/3600rmin-1最大转矩：320Nm形燃烧室,BoschVP37电控喷油泵，多孔P型喷油器每缸4气门，双顶置凸轮轴GarrettGT22增压器锻钢曲轴，铸铁缸盖满足欧III排放标准,东风-康明斯B系列柴油机直列四冲程水冷直喷式柴油机有自然吸气型、增压型、增压中冷（水冷、气冷）型有4缸机、6缸机缸径行程：102mm120mm,D/IBD234发动机四冲程水冷缸径行程：128140mm直喷型燃烧室有增压和非增压两种机型缸数有6、8、12气缸为V形排列、60夹角采用Bosch高压燃油系统增压机型采用KKK增压器，进气中冷平均有效压力达1.737MPa单缸功率最高可达60kW最低燃油消耗率