车辆工程导论-发动机

1、College of Engineering, CAU车辆工程导论车辆工程导论发动机部分发动机部分纪纪 威威20122012年年1010月月College of Engineering, CAU一、一、 过去过去100多年的内燃机多年的内燃机内燃机（发动机）以其热效率高、结构紧内燃机（发动机）以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便的优点著凑，机动性强，运行维护简便的优点著称于世。一百多年以来，内燃机的巨大称于世。一百多年以来，内燃机的巨大生命力经久不衰，在国民经济中占有相生命力经久不衰，在国民经济中占有相当重要的地位。当重要的地位。现代内燃机现代内燃机更是成为了更是成为了当今用量最大、

2、用途最广、无一与之匹当今用量最大、用途最广、无一与之匹敌的的最重要的动力机械。敌的的最重要的动力机械。 College of Engineering, CAU内燃机在它的发展史中应当特别提到的是内燃机在它的发展史中应当特别提到的是德国德国人奥托（人奥托（OTTO）和狄塞尔（）和狄塞尔（DIESEL），正，正是他们在总结了前人无数实践经验的基础上，是他们在总结了前人无数实践经验的基础上，对内燃机的工作循环提出了较为完善的对内燃机的工作循环提出了较为完善的奥托奥托循环和狄塞尔循环循环和狄塞尔循环，才使得到他们为止几十，才使得到他们为止几十年间无数人的实践和创造活动得到了一个科年间无数人的实践和创造

3、活动得到了一个科学地总结，并有了质的飞跃，他们将前任粗学地总结，并有了质的飞跃，他们将前任粗浅的、纯经验的、零乱无序的的经验，加以浅的、纯经验的、零乱无序的的经验，加以继承、发展、总结、提高，找出了规律性，继承、发展、总结、提高，找出了规律性，为现代汽油机和柴油机热力循环奠定了热力为现代汽油机和柴油机热力循环奠定了热力学基础，为内燃机的发展做出了伟大的贡献。学基础，为内燃机的发展做出了伟大的贡献。College of Engineering, CAU 1824年，卡诺（年，卡诺（Sadi Carnot）发表了热力发动机）发表了热力发动机的经典理论的经典理论卡诺原理。卡诺原理。 1876年，德国

4、人奥托（年，德国人奥托（Otto）发明了第一台四冲程）发明了第一台四冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、2.21KW、180r/min），当时该机压缩比约为），当时该机压缩比约为2.5，其热效率为其热效率为10%。在这部发动机上，奥托增加了。在这部发动机上，奥托增加了飞飞轮轮，使运转平稳，把，使运转平稳，把进气道加长进气道加长，又改进了，又改进了气缸盖气缸盖，使混合气充分形成。这是一部非常成功的发动机，使混合气充分形成。这是一部非常成功的发动机，其热效率相当于当时蒸汽机的两倍。奥托把三个关其热效率相当于当时蒸汽机的两倍。奥托把三个关键的技

5、术思想：键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程内燃、压缩燃气、四冲程融为一体，融为一体，使这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率使这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点。等容燃烧四冲程循环由奥托实现大等一系列优点。等容燃烧四冲程循环由奥托实现,也被称为奥托循环。此后的十八年间垄断了市场，也被称为奥托循环。此后的十八年间垄断了市场，承袭了当时处于全盛时期的蒸汽机的宝座。承袭了当时处于全盛时期的蒸汽机的宝座。College of Engineering, CAU 奥托发明的四冲程往复活塞式内燃机在奥托发明的四冲程往复活塞式内燃机在1878年巴黎年巴黎万国博览会上万国博览会上,被

6、誉为被誉为“瓦特以来动力机方面最伟大瓦特以来动力机方面最伟大的成就的成就”。 1883年，年，戴姆勒戴姆勒（Daimler）制成了用热管点火的）制成了用热管点火的立式汽油机，当时内燃机的最高转速立式汽油机，当时内燃机的最高转速200r/min，而，而他制作的汽油机竟达到他制作的汽油机竟达到1000r/min，1887年该机装年该机装在汽车上使用。在汽车上使用。 1890年，德国人奔驰（年，德国人奔驰（Benz），应用电火花点火），应用电火花点火法，使汽油机达到了与现今车用汽油机几乎相同的法，使汽油机达到了与现今车用汽油机几乎相同的型式，高速机获得了迅速地发展。现在汽油机的转型式，高速机获得了迅

7、速地发展。现在汽油机的转速最高的已达到速最高的已达到12000r/min。College of Engineering, CAU1897年年,德国人鲁德国人鲁道夫道夫.狄赛尔狄赛尔（Rudorf Diesel）最早研）最早研制成了柴油机。制成了柴油机。该机在转速为该机在转速为172r/min时时,发发出出14.7kW，其，其热效率达热效率达26.2，这在当时是最高这在当时是最高的热效率。的热效率。College of Engineering, CAUCollege of Engineering, CAU1903年柴油机首先装在船上。年柴油机首先装在船上。1907年，用于潜艇的正反转的柴油机年，

8、用于潜艇的正反转的柴油机试验成功。试验成功。1912年装在远洋货轮上的柴油机首次年装在远洋货轮上的柴油机首次远航试验起功。该船载重远航试验起功。该船载重7000T（吨），（吨），航速航速11kn（节），柴油机的缸径（节），柴油机的缸径530mm，活塞行程，活塞行程780mm，在，在140r/min时，输出功率时，输出功率1471kW。College of Engineering, CAU内燃机的发展大事记：内燃机的发展大事记：18761876年年 奥托提出了四冲程内燃机的奥托提出了四冲程内燃机的“奥托循环奥托循环”。18901890年年 奔驰首次研制成功火花塞点火内燃机。奔驰首次研制成功火花塞

9、点火内燃机。18831883年年 戴姆勒发明热管点火的立式汽油机。戴姆勒发明热管点火的立式汽油机。18971897年年 狄赛尔最早制成了柴油机。狄赛尔最早制成了柴油机。19031903年年 柴油机首先装在船上。柴油机首先装在船上。19071907年年 用于潜艇的正反转的柴油机试验成功。用于潜艇的正反转的柴油机试验成功。19121912年年 远洋货轮上的柴油机首次远航试验成功。远洋货轮上的柴油机首次远航试验成功。19261926年年 设计出废气涡轮增压器。设计出废气涡轮增压器。19361936年年 梅塞德斯梅塞德斯- -奔驰公司制造了第一台装有柴奔驰公司制造了第一台装有柴 油机的轿车。油机的轿车

10、。19501950年起，开始在柴油机上采用增压方式。年起，开始在柴油机上采用增压方式。College of Engineering, CAU发动机的发展分为四个阶段：发动机的发展分为四个阶段：第一阶段（第一阶段（1900-19201900-1920）：）：为适应交通运输为适应交通运输的要求，以提高功率和比功率为主。的要求，以提高功率和比功率为主。采取的主要技术措施是采取的主要技术措施是提高转速提高转速、增加缸增加缸数数和改进相应辅助装置。这个时期内，转和改进相应辅助装置。这个时期内，转速从上世纪的速从上世纪的500-800r/min500-800r/min提高到提高到1000-1000-150

11、0r/min1500r/min，比功率从，比功率从3.68W/Kg3.68W/Kg提高到提高到441.3-735.5W/Kg441.3-735.5W/Kg，对提高飞机的飞行性，对提高飞机的飞行性能和汽车的负载能力具有重大的意义。能和汽车的负载能力具有重大的意义。 College of Engineering, CAU第二阶段（第二阶段（1920-19301920-1930）：）：主要解决汽油机的主要解决汽油机的爆震燃烧、提高功率和热效率爆震燃烧、提高功率和热效率问题。问题。当时汽油机的压缩比达到当时汽油机的压缩比达到4 4时，汽油机就发生时，汽油机就发生爆震。美国通用汽车公司研究室的米格雷和爆

12、震。美国通用汽车公司研究室的米格雷和鲍义德通过在汽油中加入少量的鲍义德通过在汽油中加入少量的四乙基铝四乙基铝，干扰氧和汽油分子化合的正常过程，解决了干扰氧和汽油分子化合的正常过程，解决了爆震的问题，使压缩比从爆震的问题，使压缩比从4 4提高到了提高到了8 8，大大，大大提高了汽油机的功率和热效率。当时另一严提高了汽油机的功率和热效率。当时另一严重影响汽油机功率和热效率的因素是燃烧室重影响汽油机功率和热效率的因素是燃烧室的形状和结构，英国的里卡多（的形状和结构，英国的里卡多（Ricardo ）及其合作者通过对多种燃烧室及燃烧原理的及其合作者通过对多种燃烧室及燃烧原理的研究，改进了燃烧室，使汽油机

13、的功率提高研究，改进了燃烧室，使汽油机的功率提高了了20%20%。 College of Engineering, CAU第三阶段（第三阶段（1930-19501930-1950）：）：主要是在汽油机上装备增压主要是在汽油机上装备增压器。废气涡轮增压可使气压增至器。废气涡轮增压可使气压增至1.4-1.61.4-1.6大气压，他大气压，他的应用为提高汽油机的功率和热效率开辟了一个新的应用为提高汽油机的功率和热效率开辟了一个新的途径。但是其真正的广泛应用，却是在的途径。但是其真正的广泛应用，却是在5050年代后年代后期才普及的。期才普及的。第四阶段（第四阶段（1950-19801950-1980）

14、：）：汽油机技术在原理重大变革汽油机技术在原理重大变革之前发展已近极致。它的结构越来越紧凑，转速越之前发展已近极致。它的结构越来越紧凑，转速越来越高。来越高。第五阶段（第五阶段（1980-1980-至今）：全面的发动机电子管理系统。至今）：全面的发动机电子管理系统。多气门技术；进气滚流，稀薄分层燃烧；电子控制多气门技术；进气滚流，稀薄分层燃烧；电子控制点火正时、汽油喷射及空燃比随工况精确控制；废点火正时、汽油喷射及空燃比随工况精确控制；废气再循环（气再循环（EGREGR）；三元催化（）；三元催化（TWCTWC）等排气净化技）等排气净化技术等。术等。College of Engineering,

15、 CAU随着随着8080年代开始的电子技术在发动机上的应用，年代开始的电子技术在发动机上的应用，为内燃机技术的改进提供了条件为内燃机技术的改进提供了条件, ,使内燃机基本使内燃机基本上满足了目前世界各国有关排放、节能、可靠上满足了目前世界各国有关排放、节能、可靠性和舒适性等方面的要求。内燃机电子控制包性和舒适性等方面的要求。内燃机电子控制包括电控燃油喷射、电控点火、怠速控制、排放括电控燃油喷射、电控点火、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、警告提示、自我控制、进气控制、增压控制、警告提示、自我诊断、失效保护等诸多方面。诊断、失效保护等诸多方面。 其集中体现在近年来研制成功并投产的缸内直喷其

16、集中体现在近年来研制成功并投产的缸内直喷分层稀燃汽油机（分层稀燃汽油机（GDIGDI）；柴油机的电控高压共）；柴油机的电控高压共轨技术；预混合气均匀压燃技术轨技术；预混合气均匀压燃技术HCCIHCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition ）。）。College of Engineering, CAU内燃机电控技术的发展也可分为四个阶段：内燃机电控技术的发展也可分为四个阶段：1. 1. 内燃机零部件或局部系统的单独控制内燃机零部件或局部系统的单独控制, ,如电子如电子油泵、电子点火装置等。油泵、电子点火装置等。2. 2. 内燃机单一系统或几个相关系统的

17、独立控制内燃机单一系统或几个相关系统的独立控制, ,如燃油供给系统控制、最佳空燃比控制等。如燃油供给系统控制、最佳空燃比控制等。3. 3. 整台内燃机的统一智能化控制整台内燃机的统一智能化控制, ,如内燃机电子如内燃机电子控制系统。控制系统。4. 4. 装置与内燃机动力的集中电子控制装置与内燃机动力的集中电子控制, ,如汽车、如汽车、船舶、发电机组的集中电子控制系统。船舶、发电机组的集中电子控制系统。 College of Engineering, CAU二、未来二、未来100100年的发动机年的发动机1.先进的车用发动机技术先进的车用发动机技术 电控直喷式汽油机电控直喷式汽油机 电控直喷式柴

18、油机电控直喷式柴油机2.2.内燃混合动力车内燃混合动力车 发动机发动机+ +电机电机+ +蓄电池蓄电池3.3.燃料电池（燃料电池（Full cellFull cell）混合动力车）混合动力车 发动机发动机+ +燃料重整器燃料重整器+ +燃料电池燃料电池+ +蓄电池蓄电池4.4.电动车电动车 电机电机+ +蓄电池蓄电池College of Engineering, CAU 发动机技术的发展：发动机技术的发展： 1. 1. 超低排放发动机超低排放发动机（ULEEULEE：Ultra low emission engineUltra low emission engine） 2. 2. 部分零排放发

19、动机部分零排放发动机（PZEEPZEE：Partial zero emission enginePartial zero emission engine） 3. 3. 零排放发动机零排放发动机（ZEEZEE：Zero emission engineZero emission engine）College of Engineering, CAU2121世纪的发动机将面临来自各方面的挑战世纪的发动机将面临来自各方面的挑战, ,它将义无它将义无返顾地朝着节约能源、燃料多样化、提高功率、延返顾地朝着节约能源、燃料多样化、提高功率、延长寿命、提高可靠性、降低排放和噪声、减轻质量、长寿命、提高可靠性、降低

20、排放和噪声、减轻质量、缩小体积、降低成本、简化维护保养等方向迅猛发缩小体积、降低成本、简化维护保养等方向迅猛发展。在展。在2121世纪世纪, ,天然气、醇类、生物质油及氢等代天然气、醇类、生物质油及氢等代用燃料将为发动机增添新的活力用燃料将为发动机增添新的活力, ,而发动机电子控而发动机电子控制技术在提高品质的同时也焕发了发动机的制技术在提高品质的同时也焕发了发动机的“新生新生命命”，新材料、新工艺的技术革命，新材料、新工艺的技术革命, ,为为2121世纪发动世纪发动机的发展产生了新的推动力。机的发展产生了新的推动力。2121世纪的发动机世纪的发动机, ,将以更加完美的形象为人类作出新将以更加完美的形象为人类作出新的贡献。的贡献。College of Engineering, CAU三、发动机用燃料三、发动机用燃料1.1.石油（汽油，柴油，石油（汽油，柴油，LPGLPG）60-