《发动机原理》课件

发动机原理欢迎来到《发动机原理》课程！本课程是车辆工程与机械专业的基础课程，年最新版通过系统学习内燃机的工作原理、结构特点、性能参数及最2025新技术发展，您将全面掌握现代发动机的核心知识本课程理论与实践并重，通过丰富的案例分析、动态演示和实际应用，帮助您建立从基础到前沿的发动机技术知识体系无论您未来是从事发动机研发、汽车设计还是新能源技术，这门课程都将为您打下坚实基础课程介绍知识体系本课程全面覆盖内燃机基础理论、性能参数、典型应用及最新技术进展，从基本概念到前沿技术，构建完整知识架构理论与实践强调理论知识与工程应用的紧密结合，通过实验数据和案例分析加深对理论的理解能力培养培养发动机设计分析、性能评估和故障诊断能力，为后续专业课程和工程实践奠定基础学习方法采用讲授、讨论、案例分析和实验相结合的教学方式，促进主动学习与批判性思维发动机的定义与历史年11769詹姆斯瓦特改良蒸汽机，提高了效率，开启了工业革命时代·2年1876尼古拉斯奥托发明四冲程内燃机，被认为是现代发动机的基础·年31892鲁道夫狄塞尔发明压燃式发动机，即现代柴油机的前身·4年代1950电子燃油喷射系统开始应用，提高了发动机效率和可靠性世纪521直喷技术、可变气门正时与混合动力系统的普及与发展发动机的分类按点火方式分类按工作循环分类火花点火式通过火花塞点燃•四冲程发动机完成一个循环•混合气需四个行程按用途分类压燃式依靠高温高压自燃按燃料分类•二冲程发动机完成一个循环•汽车发动机轿车、商用车等•表面点火式依靠高温表面点燃需两个行程•汽油机使用汽油为燃料•船舶发动机各类船舶动力•柴油机使用柴油为燃料•航空发动机飞机、无人机等•天然气机使用天然气为燃料•工程机械发动机挖掘机、推•多燃料发动机可使用多种燃料土机等•汽油机与柴油机对比汽油机特点柴油机特点应用场景差异汽油机采用火花点火方式，混合气在压柴油机采用压燃方式，利用高温高压空汽油机主要应用于轿车、摩托车及小型缩行程末端由火花塞点燃其特点是转气使喷入的柴油自燃其热效率高，燃设备，其高转速特性适合需要快速响应速高、运转平稳、噪音小，但热效率相油经济性好，但噪音较大，转速范围有和较高功率密度的场合对较低限柴油机则广泛应用于商用车、工程机械、汽油机混合气形成主要通过化油器或电柴油机直接将燃料喷入缸内形成混合气，船舶等领域，其高效率、高可靠性和长子喷射系统，混合气在燃烧室内均匀分压缩比通常在之间由于其工作寿命特性使其成为重载和长时间运行场14-22布压缩比一般在之间，以避免爆原理，柴油机扭矩大、低速性能优越，合的首选动力8-12震现象适合需要大扭矩的商用车辆发动机结构总览基本机构气缸体是发动机的主体结构，内部设有气缸，活塞在气缸内往复运动活塞通过连杆与曲轴相连，将直线运动转化为旋转运动气缸盖封闭气缸顶部，形成燃烧室配气机构包括气门、气门弹簧、气门导管、气门座、凸轮轴、推杆等其功能是控制进气和排气的时机与流量，影响发动机的充气效率与性能辅助系统包括润滑系统、冷却系统、进气系统、排气系统和燃油供给系统，共同保障发动机的正常运行、提高效率和延长使用寿命控制系统现代发动机配备电子控制单元，通过各类传感器监测工况，控制喷油量、ECU点火时机等参数，优化发动机性能，降低排放发动机基本工作原理能量输出转化为轴功输出，驱动车辆或机械能量转换热能转化为机械能，活塞推动曲轴旋转燃烧释放能量混合气燃烧产生高温高压气体化学能储存燃料中储存的化学能发动机工作原理的核心是能量转化过程首先，燃料中储存的化学能通过燃烧释放出来，产生高温高压气体这些气体膨胀推动活塞做功，活塞通过连杆带动曲轴旋转，将热能转化为机械能在这个过程中，发动机需要完成进气、压缩、燃烧做功和排气等基本步骤，形成一个完整的工作循环不同类型的发动机在循环过程和能量转化效率上有所差异，但基本原理相同四冲程发动机详解进气冲程压缩冲程活塞从上止点向下止点运动，进气门打开，活塞从下止点向上止点运动，气门关闭，混新鲜混合气被吸入气缸合气被压缩，温度和压力升高排气冲程做功冲程活塞从下止点向上止点运动，排气门打开，混合气被点燃，燃烧产生的高压气体推动活废气被排出气缸塞从上止点向下止点运动四冲程发动机的图展示了各冲程中气缸内压力与体积的变化关系其中压缩和做功冲程形成上半部分循环，是发动机获得净功的关键过程而P-V进气和排气冲程形成下半部分循环，是气体交换过程四冲程发动机的关键时序包括进气门开启提前角、排气门关闭滞后角等，这些参数对发动机性能有着重要影响在现代发动机中，电子控制系统能根据工况实时调整这些参数，优化发动机性能二冲程发动机简述压缩做功-结合了压缩和做功过程排气进气-结合了排气和进气过程气体交换通过气流冲刷完成换气二冲程发动机将四冲程发动机的四个行程合并为两个行程，每转曲轴一周完成一个工作循环，理论上功率密度可达四冲程发动机的两倍其特点是结构简单、重量轻、成本低，特别适合小型设备如摩托车、园林工具等然而，二冲程发动机也存在明显缺点由于进排气过程同时进行，部分新鲜混合气会直接排出，造成燃油浪费和排放增加此外，润滑油需要与燃油混合，燃烧后产生大量污染物因此，在排放法规日益严格的今天，二冲程发动机在汽车领域应用受限，主要用于一些特殊领域典型曲线分析图压力体积图温度熵P-V-T-S-图展示了气缸内工质压力与体积的变化关系，是分析发动机图反映了循环中温度与熵的变化关系，有助于分析热力过程P-V T-S热力循环的基本工具图中闭合曲线所包围的面积代表了一个循的可逆性和热效率在图上，等温过程为水平线，绝热过程T-S环中的指示功为垂直线通过图，可以直观地看到进气、压缩、燃烧做功和排气各个对于发动机循环，图中闭合曲线所包围的面积代表了从高温P-V T-S过程中的压力变化实际循环中，由于燃烧不完全、热损失等因热源吸收的热量与向低温热源放出热量的差值，即转化为有用功素，图会偏离理想模型的能量通过分析图，可以识别循环中的主要损失环节P-V T-S理想循环与实际循环奥托循环奥托循环是理想汽油机循环，假设燃烧过程为等容加热其包括四个基本过程绝热压缩、等容加热、绝热膨胀和等容冷却奥托循环的热效率主要由压缩比决定，理论上压缩比越高，热效率越高，但实际受到爆震限制柴油循环柴油循环是理想柴油机循环，假设燃烧过程为等压加热其热效率不仅受压缩比影响，还与切断比有关在相同压缩比下，柴油循环的热效率略低于奥托循环，但柴油机可以采用更高的压缩比，实际热效率通常更高萨巴特循环萨巴特循环结合了等容和等压燃烧过程，更接近实际柴油机的工作过程燃烧初期为等容过程，后期为等压过程萨巴特循环的热效率介于奥托循环和柴油循环之间，更准确地反映了现代柴油机的热力特性实际循环与理想循环的差异实际循环与理想循环存在多方面差异工质不是理想气体，各过程不是严格的绝热或等容等压过程，燃/烧时间有限，存在热损失、机械损失和泄漏等这些因素导致实际循环的热效率显著低于理想循环发动机关键性能参数压缩比与影响压缩比定义压缩比是活塞在下止点时气缸容积与活塞在上止点时气缸容积的比值，表示为V1V2ε它是发动机设计中的关键参数，直接影响发动机的性能、经济性和排放特性=V1/V2对功率的影响较高的压缩比可使混合气获得更高的压力和温度，增大循环热效率，提高功率输出根据理论分析，提高压缩比是提高发动机热效率的最有效途径之一对经济性的影响压缩比增加会提高热效率，降低比油耗，改善经济性理论上，压缩比每提高，热效率1可提高约但过高的压缩比会增加机械损失和冷却损失，经济性反而下降3-4%对排放的影响适当提高压缩比有利于完全燃烧，减少和排放但过高的压缩比会导致燃烧温度升HC CO高，增加排放此外，高压缩比容易引起爆震，影响排放控制系统的正常工作NOx热效率与能量平衡分析发动机外特性曲线115kW最大功率此发动机在时达到最大功率5500rpm245Nm最大扭矩在时达到最大扭矩值3000rpm240g/kWh最低油耗经济工况区间为2500-3500rpm75%扭矩储备良好的低速加速性能表现发动机外特性曲线是指在全负荷下，发动机的功率、扭矩和比油耗随转速变化的关系曲线这组曲线是评价发动机整体性能的重要工具，直观反映了发动机在不同转速下的输出特性从曲线可见，功率随转速增加先增后减，而扭矩曲线则在中等转速区域达到最大值扭矩储备系数和功率储备系数是衡量发动机适应性的重要指标，影响车辆的加速性能和爬坡能力现代电控发动机通过优化控制策略，可以调整外特性曲线以适应不同的应用场景发动机运转过程示意活塞连杆曲轴--往复运动转化为旋转运动配气机构控制进排气的时机和流量配气正时保证各机构协调运行发动机运转过程涉及复杂的运动学和动力学原理核心机构是活塞连杆曲轴系统，它将燃气爆发产生的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动--在这一过程中，活塞承受着高温高压的燃气压力，同时还要克服惯性力、摩擦力等阻力配气机构由凸轮轴、推杆、摇臂、气门弹簧和气门等组成，负责控制进排气的时机和流量配气正时直接影响发动机的充气效率和排气效率，进而影响动力性能和经济性现代发动机普遍采用可变气门正时技术，根据工况实时调整气门开启和关闭的时机，优化发动机性能混合气形成与配气系统汽油机混合气形成柴油机混合气形成化油器利用文丘里效应机械泵喷射机械控制喷油••间接喷射在进气门前喷油电控共轨电控高压喷射••直接喷射直接在气缸内喷油气缸内直接喷射形成混合气••进气增压配气系统自然吸气依靠大气压顶置式气门位于气缸顶部••机械增压由曲轴驱动侧置式气门位于气缸侧面••涡轮增压利用废气能量固定正时与可变正时系统••汽油机混合气形成传统化油器系统化油器利用文丘里效应，空气通过喉管时产生负压，吸入燃油并雾化，形成混合气化油器结构简单，成本低，但混合气浓度难以精确控制，燃油经济性和排放性能较差电喷系统PFI电子燃油喷射系统在进气门前喷油，由电控单元根据传感器信号精确控制喷油量和喷油时机与化油器相比，电喷系统可实现更精确的混合气控制，提高经济性和降低排放直喷技术GDI缸内直喷技术直接将燃油喷入气缸，可实现分层燃烧，在低负荷时采用超贫油燃烧，大幅提高燃油经济性技术还能提高发GDI动机的功率密度，实现更高的压缩比柴油机混合气形成喷油压力与雾化柴油机混合气形成的关键在于高压喷油系统早期柴油机喷油压力约为，200-400bar现代共轨系统可达以上高压有助于燃油充分雾化，形成细小油滴，增大表2000bar面积，促进蒸发和混合喷油器设计喷油器结构对混合气形成至关重要多孔喷嘴可以形成多股燃油射流，优化燃油分布喷孔直径、喷射角度和锥度都会影响射流形态和雾化质量电控喷油器还可以实现多次喷射策略气流运动气缸内的气流运动包括旋流、滚流和翻滚流，这些气流有助于燃油与空气的混合通过进气道和燃烧室设计可以优化气流模式，提高混合效率，促进完全燃烧自燃条件柴油机混合气不是预先形成的，而是在喷油过程中逐渐形成，并在高温高压下自燃混合气形成与燃烧几乎同时进行，这种边混合边燃烧的特性决定了柴油机燃烧的复杂性燃烧过程与类型燃烧基本概念发动机中的燃烧是燃料与氧气的快速氧化反应，释放热量并产生高温高压气体完全燃烧需要适当的混合气浓度、足够的氧气、合适的温度和足够的反应时间不同发动机类型采用不同的燃烧方式，影响性能和排放特性均质燃烧传统汽油机采用均质燃烧方式，混合气在燃烧前已均匀混合，火花点燃后形成火焰面，沿气缸径向传播这种燃烧方式稳定可靠，但在低负荷工况下泵气损失大，热效率较低分层燃烧缸内直喷汽油机可采用分层燃烧，在低负荷时形成局部浓混合气，周围为稀混合气或纯空气这种燃烧方式可减少泵气损失，提高部分负荷热效率，但对控制精度要求高扩散燃烧柴油机主要采用扩散燃烧，燃油喷入高温高压空气中自燃，燃烧过程中混合气持续形成这种边混合边燃烧的特性使柴油机燃烧过程较长，但热效率高，适应负荷变化能力强汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程始于火花塞产生的电火花，点燃周围混合气点火后的燃烧过程可分为火核形成期、火焰传播期和燃烧后期三个阶段火核形成期约占曲轴转角的°，火焰传播期为主要燃烧阶段，约占°，燃烧后期完成剩余的混合气燃烧1025-3010-15%爆震是汽油机燃烧的异常现象，指未被正常火焰面点燃的末端混合气因压力和温度升高而自燃，产生高频压力波动，导致金属敲击声爆震会降低发动机性能，甚至造成机械损伤抑制爆震的措施包括降低压缩比、使用高辛烷值燃油、优化点火正时、改善冷却系统等现代发动机通过爆震传感器实时监测，在检测到爆震时自动调整参数柴油机燃烧过程着火延迟期预混合燃烧期喷入的燃油需一定时间完成物理和化学变化，着火延迟期间累积的混合气迅速燃烧，压力准备自燃急剧上升扩散燃烧期后燃烧期燃烧速率主要受混合速率控制，压力变化平剩余燃油在膨胀行程中继续缓慢燃烧缓柴油机燃烧过程的特点是边混合边燃烧，不同于汽油机的预混合均质燃烧燃烧质量受索特指数影响，高索特值燃油着火延迟短，有利于降CN低爆震强度和噪音柴油的着火性能与分子结构有关，直链烷烃着火性好，芳香烃较差柴油机缸内压力变化曲线反映了燃烧过程的特点在预混合燃烧期，压力急剧上升，形成压力曲线上的预混峰，是柴油机噪音的主要来源通过多次喷射、提高喷油压力、等技术，可以优化燃烧过程，降低噪音和排放EGR发动机排放及控制进气系统自然吸气系统增压系统现代增压技术自然吸气发动机依靠气缸内的负压将空增压技术通过提高进气压力，增加单位为克服涡轮滞后问题，现代增压技术采气吸入，结构简单可靠，成本低，响应体积内的空气质量，从而提高发动机的用可变几何涡轮、双涡管或双级VGT性好其空气流量主要受节气门开度和功率密度主要分为机械增压和涡轮增增压等方案小排量涡轮增压发动机俗发动机转速影响压两种类型称小排量增压已成为提高燃油经济性的主流技术路线自然吸气发动机通过优化进气道设计，机械增压器由发动机曲轴驱动，响应迅利用惯性增压和共振增压效应，在特定速但会消耗一部分发动机功率涡轮增电动增压器结合传统涡轮增压，可进一转速下提高容积效率然而，自然吸气压器利用排气能量驱动，能源利用效率步减少涡轮滞后，提高低速响应性增发动机的功率密度有限，不易实现高功高，但在低转速区域存在涡轮滞后现象压系统与中冷器配合使用，降低进气温率输出度，提高充气密度和抗爆性排气系统与余热利用能量回收利用最高级别的排气能量利用废气再循环EGR降低燃烧温度，减少排放NOx涡轮增压利用排气能量驱动增压器后处理系统催化转化器、、等净化装置DPF SCR基础消音降噪排气管道和消声器的基本功能排气系统不仅承担排出废气的基本功能，还是能量回收和排放控制的重要平台排气歧管的设计影响排气脉动和背压，进而影响发动机的功率和扭矩特性排气歧管温度可达℃以上，900材料选择至关重要现代排气系统越来越注重废热回收利用除涡轮增压外，热电发电装置可将排气热能直接转化为电能；排气热回收系统可以加快发动机暖机和提供车厢加热；有机朗肯循TEG EHRS环系统则可将废热转化为机械能或电能这些技术有望将内燃机总效率提高，是未来发展的重要方向ORC5-10%废气涡轮增压技术涡轮增压器结构可变几何技术双增压系统涡轮增压器主要由涡轮部分、压气机部分可变几何涡轮增压器通过改变涡轮双涡轮增压和双级增压系统进一步提高了VGT和轴承系统组成排气驱动涡轮旋转，带入口导向叶片角度，调节排气流速和压力，增压效率和响应性双涡轮系统使用两个动同轴的压气机叶轮高速旋转，压缩空气使涡轮在宽广转速范围内有良好性能这相同尺寸的增压器并联工作；而双级增压送入气缸轴承系统承受高速旋转负荷，种技术有效减少了涡轮滞后，提高了低速则采用大小不同的增压器串联，小涡轮负需要可靠的润滑和冷却扭矩和响应性责低速增压，大涡轮在高速区间发挥作用内冷与中冷装置内冷系统原理内冷系统是指通过水套冷却燃烧室壁面，降低气缸内温度的装置它能减少燃烧室热损失，提高热效率，同时保护气缸组件免受过高温度损伤现代发动机采用精确控制的内冷系统，根据工况调整冷却强度中冷器工作原理中冷器位于增压器与进气歧管之间，用于冷却经压缩后温度升高的空气压缩Intercooler空气经过中冷器后，温度可降低℃，密度相应提高，有效改善发动机充100-15020-25%气效率和抗爆性中冷器类型常见的中冷器类型包括空气空气中冷器和水空气中冷器前者利用车辆行驶气流冷却，结--构简单但效率受环境温度影响大；后者使用发动机冷却液循环系统冷却，热交换效率稳定，但结构复杂，增加系统重量性能提升效果有效的内冷与中冷系统可使增压发动机功率提高，扭矩提高同时，降低15-20%10-15%进气温度有助于减少燃烧温度，降低排放中冷效率的提高和压降的降低是中冷器设计NOx的主要目标润滑系统减少摩擦辅助冷却在运动表面之间形成油膜，降低摩擦系数，减少带走运动零件产生的热量，维持适宜工作温度磨损清洁零件密封作用冲走并携带金属磨粒和污染物，保持零件表面清在活塞环与缸壁间形成密封，防止气体泄漏洁发动机润滑系统根据复杂程度可分为飞溅润滑、压力润滑和综合润滑三种类型小型发动机多采用简单的飞溅润滑；现代汽车发动机普遍采用综合润滑系统，主要轴承接受压力润滑，次要部位采用飞溅润滑润滑油的选择非常关键，需考虑粘度、温度特性、清洁分散性等多种因素润滑油标号如，前面的数字表示低温粘度，后面的数字表示高温粘度常5W-30见润滑系统故障包括油压过低、油耗过高和油质变劣等维护润滑系统的关键是定期更换优质机油和机油滤清器，保持正确的油位和油压冷却系统液冷系统风冷系统温度控制策略液冷系统利用循环的冷却液吸收并传递风冷系统直接利用空气冷却发动机，结现代发动机冷却系统采用智能温控策略，发动机热量系统主要由水套、水泵、构简单，重量轻，无泄漏和冻结风险根据工况调整冷却强度冷启动时减少节温器、散热器、风扇和膨胀水箱组成气缸外部设有散热鳍片增大散热面积，冷却，加速暖机；高负荷时增强冷却，冷却液在水泵驱动下循环流动，吸收发依靠自然风或强制风冷却防止过热；巡航时维持最佳工作温度，动机热量后在散热器中散热提高热效率和减少排放风冷系统主要应用于摩托车、小型设备现代液冷系统多采用闭式循环，使用压和一些航空发动机其缺点是冷却不均电子控制风扇、电控节温器和分区冷却力盖增加沸点，提高散热效率冷却液匀，温度波动大，散热能力受环境温度技术的应用使发动机温度控制更加精确一般由水和乙二醇组成，具有防冻、防影响显著，噪音较大随着发动机功率精确的温度控制不仅提高了发动机可靠沸、防腐蚀等功能液冷系统冷却均匀，密度增加，纯风冷系统应用日渐减少性，也有助于降低油耗和排放，延长催温度控制精确，但结构复杂，泄漏风险化转化器寿命高仪表与监控发动机仪表与监控系统是保障发动机安全运行和优化性能的关键组成部分主要监测参数包括温度冷却液温度、机油温度、进排气温度、压力机油压力、进气压力、燃油压力、转速、爆震情况和排放数据等现代发动机配备大量传感器，实时监测各项参数关键传感器及其功能冷却液温度传感器监测发动机热状态，是重要输入；机油压力传感器检测润滑系统健康状况；爆震传感器ECU通过检测发动机振动特性判断是否发生爆震；氧传感器检测排气中氧含量，是闭环控制的核心；曲轴位置传感器提供精确的点火和喷油时机现代车辆通过系统可以读取这些数据，帮助诊断故障，优化维护计划OBD启动与点火系统启动系统工作原理启动系统由蓄电池、启动机启动电机、继电器和点火开关组成当驾驶员转动钥匙或按下启动按钮时，电流流过继电器，启动电机转动，其小齿轮与发动机飞轮啮合，带动曲轴旋转，使发动机完成起动过程传统点火系统传统点火系统包括蓄电池、点火开关、点火线圈、分电器和火花塞等分电器根据发动机点火顺序，将高压电流依次分配给各缸火花塞，产生电火花点燃混合气这种系统结构复杂，易磨损，精度有限电子点火系统现代电子点火系统取消了机械分电器，采用电子控制单元根据传感器信号精确控制点火时间常见的有分布式点火系统一个线圈通过高压导线分配给多个火花塞和直接点火系统每个气缸配备独立点火线圈，直接连接火花塞电子点火系统精度高、可靠性好、维护简便发动机实验方法动力性能试验测量发动机在不同转速下的功率、扭矩特性，绘制外特性曲线试验设备主要包括发动机测功机、转速传感器和扭矩传感器测功机类型包括电涡流测功机、水力测功机和电动测功机，通过吸收发动机输出功率来测量性能参数经济性试验测定发动机在各工况下的燃油消耗率，评价经济性能试验方法包括容积法、质量法和流量计法通过测量发动机在不同负荷和转速下的油耗，可以绘制等油耗曲线，用于发动机优化设计和运行控制排放试验测量发动机排放的各类污染物浓度，验证排放控制效果测试设备包括气体分析仪、烟度计和颗粒物采样系统排放测试通常按标准工况循环进行，如欧洲循环、美国循环和中国循环NEDC FTP-75CHINA-5等耐久性试验评估发动机长期运行的可靠性和寿命特性试验方法包括全负荷持续运转、规定循环试验和变负荷试验等通过加速试验模拟发动机全寿命期内的磨损和性能变化，验证设计可靠性，发现潜在问题发动机主要故障与处理敲缸现象表现为发动机运行时发出金属敲击声，主要原因包括活塞与缸壁间隙过大、连杆轴承磨损、曲轴轴承损坏等严重敲缸需要大修发动机，更换磨损零件预防措施包括使用合适机油、定期保养和避免发动机过热烧机油问题表现为机油消耗量异常增大，排气管冒蓝烟主要原因包括活塞环磨损或卡滞、气门油封老化、气门导管磨损等严重时需拆修气缸盖或更换活塞环预防措施包括定期更换优质机油和避免发动机长时间高速运转过热故障表现为冷却液温度异常升高，严重时可能导致气缸垫损坏或气缸盖变形主要原因包括冷却系统泄漏、水泵故障、节温器卡死、散热器堵塞等诊断时先检查冷却液液位和泄漏情况，然后检查风扇、水泵和节温器的工作状态启动困难表现为发动机难以启动或无法启动可能原因包括启动系统故障、燃油系统问题、点火系统故障或压缩压力不足等诊断时应系统检查电气系统、燃油供应和点火系统，必要时进行压缩压力测试，确定具体故障点汽油机最新技术缸内直喷技术可变气门正时轻度混合动力VVT直接将燃油喷入气缸，实现精根据发动机转速和负荷调整气轻混系统通过启停系统、48V确控制，可根据工况采用均质门开启和关闭时间，优化不同能量回收和启动辅助等功能，或分层燃烧策略该技术提高工况下的性能双技术能在不大幅增加成本的情况下提VVT了功率和扭矩，降低了燃油消同时调整进排气凸轮轴相位，升燃油经济性该系统可与传耗，但需要更高的喷油压力和进一步提高发动机的适应性和统动力总成无缝集成，是实现更精确的控制系统效率排放法规的经济有效途径可变压缩比通过机械或液压装置改变活塞上止点位置，实现压缩比的动态调整高负荷时降低压缩比避免爆震，低负荷时提高压缩比改善热效率，显著提升全工况燃油经济性柴油机最新技术高压共轨技术将燃油增压至的高压，储存在共轨中，通过电控喷油器精确控制喷油量和1800-2500bar时机高压共轨系统可实现多次喷射策略，显著改善燃烧过程，降低噪音和排放，提高动力性能颗粒捕集器DPF安装在排气系统中，捕集排气中的碳颗粒物当积累到一定程度时，通过提高排气温度或添加燃油添加剂，实现再生过程，氧化积累的颗粒物是满足严格颗粒物排放限值的关键DPF技术选择性催化还原SCR通过喷射尿素溶液，在催化剂作用下将还原为氮气和水系统可将排AdBlue NOxSCR NOx放降低，是满足欧国六排放标准的主要技术手段，但需要定期添加尿素溶液80-95%VI/废气再循环EGR将部分排气重新引入进气歧管，降低燃烧温度，减少生成现代系统采用精确电子NOx EGR控制，结合低压和高压回路，优化不同工况下的率，平衡减排和燃油经济性EGR NOx新能源发动机简介氢燃料发动机混合动力系统可变燃料发动机氢燃料发动机是使用氢气作为燃料的内混合动力系统结合内燃机和电动机的优可变燃料发动机能够使用不同比例的燃燃机，基于传统发动机结构进行适应性势，根据动力耦合方式可分为串联式、料混合物，如汽油乙醇混合燃料、-E85改造氢气可在空气中广泛燃烧，理论并联式和混联式三种基本架构串联式汽油甲醇混合燃料等这类发动机通过-空燃比范围为，远大于汽油以发动机驱动发电机产生电能；并联式传感器识别燃料成分，自动调整点火时

4.1-75同时使用发动机和电动机输出动力；混间、喷油量等参数

1.4-

2.8联式兼具两者特点氢发动机的优势在于零碳排放，只产生可变燃料技术为化石燃料和生物燃料的水和少量氮氧化物但面临氢气储存、从混合程度看，可分为微混、轻混、中平稳过渡提供了途径，有助于减少对石输送和基础设施等挑战目前多家车企混和全混系统轻混系统因成本效油的依赖不同国家根据资源情况发展48V正在开发氢燃料内燃机，作为燃料电池益比高而受到广泛关注；丰田和本不同类型的替代燃料，如巴西的乙醇燃THS的补充技术路线田等混联系统已广泛应用于量产料和中国的甲醇燃料计划i-MMD车型，显著提高了燃油经济性发动机与自动变速箱匹配匹配原则与变速箱匹配AT发动机与变速箱匹配的核心是使发动机在高效区域工作，同时满足动力性和经自动变速箱采用液力变矩器传递动力，可平滑传递扭矩，但存在一定滑移AT济性需求理想匹配应考虑发动机转矩曲线特性、车辆用途、道路工况和驾驶损失与匹配时，扭矩曲线平坦的发动机具有优势，有助于减少换挡频率AT习惯等因素匹配不当会导致动力不足、油耗增加、排放恶化或驾驶感受不佳现代多采用锁止离合器，在高速巡航时锁止变矩器，减少滑移损失AT与变速箱匹配与变速箱匹配CVT DCT无级变速箱能实现无级变速，理论上可使发动机始终在最佳工作点运行双离合变速箱传动效率高，换挡迅速，但低速平顺性较差与匹配CVT DCTDCT与匹配时，发动机应有清晰的高效工作区域涡轮增压发动机与配合的发动机应具有良好的低速扭矩特性，减少低速频繁换挡涡轮增压发动机往CVT CVT良好，可在低转速下输出较大扭矩，减少橡皮筋效应往需要专门标定起步离合器参数，避免涡轮滞后引起的顿挫感典型发动机剖析各类车辆发动机在结构和性能上存在显著差异轿车汽油发动机追求高转速、低噪音和紧凑设计，多采用铝合金缸体缸盖、多气门技术和电子控制系统，功率密度高但热效率相对较低商用车柴油发动机强调高可靠性、高扭矩和长寿命，通常采用铸铁缸体、较低的转速范围和更复杂的排放控制系统摩托车发动机因空间和重量限制，设计更为紧凑，多采用气缸倾斜布置，风冷或小型水冷系统近年来，电子燃油喷射系统逐渐取代化油器，提高了性能和环保性混合动力系统则融合了传统发动机和电动机的特点，通过复杂的动力管理系统实现最佳效率现代发动机设计越来越注重模块化和通用平台，降低开发和生产成本工质热力参数表工质气体常数定压比热定容比热比热比R CpCv k空气

287.11005718J/kg·K

1.4J/kg·K J/kg·K氮气

296.81039742J/kg·K

1.4J/kg·K J/kg·K二氧化碳

188.9842J/kg·K653J/kg·K

1.29J/kg·K水蒸气

461.

5186013981.33J/kg·K J/kg·K J/kg·K发动机热力计算需要准确的工质参数上表列出了主要工质的热力学基本参数，包括气体常数、定压比热、定容比热和比热比这些参数是进行热力循环分析和性能计算R CpCv k的基础，在不同温度和压力条件下有所变化实际计算中，常使用平均值或多项式拟合公式表示参数随温度的变化对于燃烧产物，其组成和性质取决于燃料类型、过量空气系数等因素，通常需要考虑解离现象的影响现代计算方法多采用专业软件进行复杂热力过程的模拟，提高了计算精度和效率排放法规与趋势国六欧排放标准/VI当前实施的国六标准分为国六和国六两个阶段，对、、、和a bCO HCNOx PM等多种污染物进行严格限制与国五相比，限值降低了，限PN NOx42%PM值降低了标准还引入了实际道路排放测试，要求车辆在实际驾33%RDE碳排放管控驶条件下满足排放限值除传统污染物外，排放限值日益严格欧盟规定年车队平均CO22025CO2排放需比年降低，年降低中国双积分政策对车企202115%

203037.5%禁售燃油车时间表平均油耗提出硬性要求，推动低碳技术发展多国宣布未来禁售传统燃油车时间表挪威年，荷兰、丹麦、爱尔兰2025年，法国、英国年中国尚未明确时间表，但提出年新能203020402035未来发展方向源汽车占比达以上的目标50%排放法规将持续趋严，未来可能引入全生命周期碳排放评价体系内燃机短期内将通过先进燃烧技术、新型后处理系统和电气化技术提高清洁度；长期看，碳中和燃料如生物燃料、合成燃料将成为关注热点可靠性与耐久考核100,000km基本耐久里程乘用车发动机最低耐久要求160,000km排放耐久要求国六标准要求的排放控制系统保证里程500,000km商用车耐久目标重型柴油机设计使用寿命小时2,000标准台架试验常规耐久性试验累计运行时间发动机的可靠性和耐久性考核是产品开发中的关键环节考核内容主要包括三个方面振动与载荷考核，测试发动机在各种振动条件和负载变化下的结构强度；磨损考核，评估关键零部件如活塞环、气门座和轴承等的磨损率和寿命；热负荷考核，测试发动机在极端温度条件下的性能和耐久性耐久试验方式包括常规耐久试验、加速耐久试验和实车道路试验加速耐久试验通过增加负荷、提高温度或频繁变工况等方式，在较短时间内模拟长期使用效果典型试验包括最大功率持久试验、负荷循环试验和城市模拟循环等现代发动机开发广泛采用技术进行虚拟耐久性预测，结合实际试验验证，80%CAE显著提高了开发效率发动机轻量化设计轻量化意义发动机轻量化能降低整车重量，提高燃油经济性和动力性能，减少排放研究表明，整车减重可降低油耗此外，轻量化还有利于改善车辆操控性、减少零部件磨损和延长10%6-8%使用寿命新材料应用轻量化材料广泛应用于发动机各部件铝合金已成为主流缸体缸盖材料，可减重；25-30%镁合金用于油底壳、正时链盖等非承力部件；高强度钢和钛合金用于连杆和气门；陶瓷材料用于隔热和耐磨部件；碳纤维复合材料开始应用于进气歧管等部件结构优化通过拓扑优化、仿生设计和有限元分析等方法，优化发动机结构，如薄壁设计、整体式设计和肋板优化等水套和油道的合理布置不仅可减轻重量，还能提高冷却效率模块化设计和功能集成也是轻量化的重要手段先进制造技术打印技术可生产复杂结构和轻量化部件，已用于制造原型和小批量生产精密铸造、半固3D态成型和激光焊接等先进工艺提高了轻量化部件的制造可行性数字化设计和智能制造使轻量化理念从设计到生产形成完整链条发动机噪声分析及控制噪声来源噪声传播途径噪声控制技术发动机噪声主要包括机械噪声、燃烧噪声发动机噪声通过空气传播气传声和结构发动机噪声控制遵循源头控制、传播阻断、和进排气噪声三类机械噪声源自活塞、传播固传声两种途径气传声直接从噪终端处理的原则源头控制包括优化燃烧连杆、气门等运动部件的撞击和摩擦；燃声源辐射到空气中；固传声则是振动通过过程、改进机械结构和提高加工精度；传烧噪声是高压燃气在燃烧室内急剧膨胀产发动机支架和车身结构传递，在车内产生播阻断采用隔振支架、隔音罩和阻尼材料；生的；进排气噪声则是气流脉动引起的空噪声不同频率噪声的传播特性不同，需终端处理则通过消声器、共鸣腔等装置降气动力学噪声采用针对性的控制措施低排放噪声发动机经济性提升路径系统集成优化整车协同控制与能量管理智能控制优化基于大数据和的精确控制AI热管理优化减少热损失，提高热效率燃烧优化改善燃烧过程，提高热效率降低机械损失减少摩擦和泵气损失降低摩擦损失是提升经济性的基础通过优化活塞环组设计、采用低摩擦轴承和润滑油、应用表面纳米处理技术等手段，可减少约的摩擦损失减小泵气损失则主要通过可变气门技20%术、缸内直喷和增压降排量技术实现智能控制是当前发动机经济性提升的关键技术可变气门正时与升程技术能根据工况优化进排气过程；缸内压力传感器可实现闭环燃烧控制；启停技术和能量回收系统能有VVT/VVL效利用车辆运动和热能通过整车系统集成优化，如车载导航与动力控制的协同，还可进一步提高实际道路经济性智能控制与电控单元发动机电控单元是现代发动机的大脑，负责采集传感器信号、处理数据并控制执行器工作硬件由微处理器、存储器、ECU/EMSECU输入输出接口和电源模块组成，运行复杂的控制算法主要控制功能包括喷油控制、点火控制、怠速控制、增压控制等，通过闭环反馈保/持发动机在最佳状态故障诊断功能可监测系统异常并存储故障码现代发动机通过车载诊断系统，将故障信息传递给车辆和维修人员常见故ECU OBDECU障包括传感器异常、连接器接触不良和内部电路故障等诊断时可使用专用诊断仪读取故障码和数据流，进行故障树分析近年来，基于云平台的远程诊断和预测性维护技术开始应用，提高了故障诊断效率和准确性国内外发动机发展趋势环保节能智能化强化排放控制，提高热效率，降低碳排放智能控制、自诊断和预测性维护替代燃料电气化生物燃料、氢能、合成燃料等碳中和方案混动系统多样化，内燃机与电驱协同优化全球主流车企的技术路线呈现多元化趋势欧洲厂商如大众、梅赛德斯奔驰等一方面发展先进柴油技术，一方面加速电气化转型；日本厂商如丰田坚持混合动力技-术路线，同时开发氢燃料技术；美国厂商则在大排量汽油机领域保持优势，并加速推进电动化战略中国发动机技术正在从跟跑向并跑甚至领跑转变在传统发动机领域，自主研发能力显著提升，已掌握增压直喷、可变气门等核心技术；在新能源领域，混合动力、替代燃料等技术取得突破未来，中国发动机技术将更注重自主创新，加强产学研合作，形成具有国际竞争力的技术体系代表性发动机案例分析丰田混合动力系统THS丰田混合动力系统采用动力分流式混合动力架构，通过行星齿轮机构将发动机、发电机和电动机巧THS妙结合其核心发动机采用阿特金森循环，压缩比高达，热效率最高可达系统优势在于14:141%THS可靠性高、燃油经济性优异，但高速巡航效率略低，适合城市工况大众涡轮增压发动机EA888是大众集团的主力发动机平台，涵盖至多个排量该发动机采用铝合金缸体、双、EA

8881.8T

2.0T VVT缸内直喷技术，部分型号集成排气歧管于缸盖，实现快速暖机其特点是扭矩平坦、响应迅速，版

2.0T本最大功率可达，是小排量增压理念的典型代表220kW德国柴油技术TDI涡轮直喷柴油机技术代表了现代高效柴油机的发展方向采用高压共轨直喷、可变几何涡轮增压和TDI精确控制系统，热效率可达以上最新一代发动机配备复杂的排放控制系统，包括、45%TDI DOCDPF和，满足最严格排放法规，同时保持优异的动力性能和经济性SCR特斯拉三电系统作为对比参考，特斯拉的三电系统电池、电机、电控代表了纯电动技术路线其核心为高能量密度电池包和高效永磁同步电机，系统效率可达以上，远高于内燃机特斯拉的成功表明，电气化是未来重90%要方向，但内燃机在成本、基础设施和长途使用等方面仍具优势，两者将长期并存未来内燃机挑战与机遇技术挑战实现更高热效率；满足更严格排放法规；应对燃料多元化；与电气化系统深度50%+融合；降低成本并保持竞争力环境挑战应对全球碳减排目标；适应各国禁售燃油车时间表；降低全生命周期环境影响；解决资源短缺和回收问题发展机遇新一代内燃机效率突破；碳中和燃料应用；混合动力系统多样化；专用领域长期价值；尖端技术转移和跨界应用内燃机与电驱动的融合已成必然趋势从微混、轻混到强混和插电混动，内燃机越来越多地作为混合动力系统的一部分存在未来内燃机需要为混合应用专门优化，如适应频繁启停、提高部分负荷效率等与此同时，燃料电池技术也在发展，未来可能与内燃机形成互补关系政策、资源与环境因素将深刻影响内燃机发展各国碳中和目标推动低碳转型；石油资源有限性促使替代燃料研发；环境保护意识增强要求更清洁的动力技术内燃机技术需要在这些因素的综合考量下，找到可持续发展路径总体看，未来年内，内燃机仍将在全球交通领域发挥重要作用，尤其20-30在重型运输、远程出行等领域复习与思考题1概念理解题解释发动机的基本工作原理和四冲程循环过程比较分析汽油机与柴油机在燃烧过程和性能特点上的差异讨论压缩比对发动机性能的影响，并说明汽油机和柴油机压缩比选择的考虑因素2参数计算题已知发动机的几何参数和工作条件，计算其理论功率、有效功率和机械效率根据发动机外特性曲线，分析其在不同转速下的性能特点使用图分析发动机的循环过程，计算指示P-V功和循环效率3案例分析题分析某车型采用小排量涡轮增压发动机的技术路线，评估其优缺点针对发动机常见故障如敲缸、过热等，分析可能的原因并提出解决方案评估不同类型混合动力系统的技术特点，推荐适合特定应用场景的最佳方案4前沿探讨题讨论内燃机在电气化时代的发展前景，分析其面临的挑战和机遇探讨氢燃料内燃机的技术可行性和未来发展潜力分析碳中和目标下，内燃机技术的可能发展路径和创新方向总结与展望核心原理回顾我们系统学习了发动机的定义、分类、基本结构和工作原理，理解了能量转换过程和热力循环的基本概念掌握了汽油机和柴油机的燃烧特点、性能参数及影响因素，建立了完整的发动机知识体系关键技术总结课程涵盖了发动机各系统的结构与功能，包括进排气系统、冷却系统、润滑系统和控制系统等我们详细讨论了增压技术、直喷技术、可变气门技术等先进技术，以及混合动力和替代燃料等新兴领域未来发展方向未来发动机技术将朝着更高效率、更低排放和更智能化方向发展混合动力系统将成为主流，内燃机与电气化技术深度融合碳中和燃料和氢能源技术将为内燃机带来新的发展空间个人发展建议在学习和职业发展中，建议关注跨学科知识的融合，如机械、材料、电子控制和能源环境等积极参与实践项目，培养动手能力和创新思维，为未来在汽车工程、能源技术等领域的发展打下坚实基础。