[机械工程]内燃机原理课件

内燃机原理内燃机原理是机械工程专业的核心课程之一，主要研究内燃机作为热能转换装置的基本工作原理和性能特点本课程将系统介绍内燃机的工作循环、燃烧过程、性能指标以及现代内燃机技术的发展趋势课程概述课程目标学习要求教学方法培养学生对内燃机工作原理的深入要求学生具备扎实的热力学和流体理解，掌握热力学理论在内燃机中力学基础，能够运用理论知识分析的应用，具备分析和解决内燃机工实际工程问题，培养工程思维和创程问题的能力新能力学习目标性能指标掌握全面掌握内燃机的功率指标、经济性指标、排放指标等各类性能参数的计算方法和评价标准工作原理理解深入理解内燃机的工作过程，包括进气、压缩、燃烧、膨胀等各个阶段的能量转化机理燃烧过程分析掌握不同类型内燃机的燃烧特点，理解燃烧过程对发动机性能的重要影响技术发展认知了解现代内燃机技术的发展趋势，掌握提高内燃机性能的主要技术途径和方法第一章内燃机概述定义与分类发展历史现代应用内燃机是一种将燃料的化学能通过燃烧从年奥托发明第一台四冲程内燃内燃机在汽车工业、航空航天、船舶运1876转化为机械能的动力装置根据不同的机开始，内燃机技术经历了一个多世纪输、发电设备等领域发挥着重要作用，分类标准，内燃机有多种类型，每种类的发展，在结构设计、燃烧技术、控制是现代工业文明不可缺少的重要组成部型都有其特定的应用场合和技术特点系统等方面都取得了重大突破分内燃机的分类方法燃料类型分类冷却方式分类汽油机、柴油机和气体燃料机各有特点，汽油机运转平稳，柴油水冷系统散热效果好适用于大功机经济性好，气体燃料机环保性率发动机，风冷系统结构简单适工作循环分类优用于小功率发动机气缸排列分类二冲程和四冲程是最基本的分类方式，四冲程发动机结构复杂但直列式结构简单制造成本低，V效率高，二冲程发动机结构简单型结构紧凑功率密度高，水平对但功率密度大置结构重心低运转平稳内燃机的基本结构曲柄连杆机构曲柄连杆机构是内燃机的主要运动机构，负责将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，是发动机输出功率的核心部件主要包括活塞、连杆、曲轴等关键零部件配气机构配气机构控制进气门和排气门的开闭时序，确保新鲜充量及时进入气缸和燃烧产物及时排出包括凸轮轴、气门、气门弹簧等组件燃料供给系统燃料供给系统负责向气缸提供适量的燃料，包括燃油箱、燃油泵、喷油器等部件现代发动机多采用电子控制燃油喷射系统辅助系统冷却系统维持发动机正常工作温度，润滑系统减少摩擦和磨损，起动系统提供起动转矩，控制系统优化发动机运行参数第二章热力学基础1热力学第一定律能量守恒定律在热力学中的表述，描述了热量、功和内能之间的关系，是分析内燃机能量转换过程的基础2热力学第二定律揭示了热力过程的方向性和不可逆性，确定了热机效率的理论上限，为内燃机性能改进提供理论指导3热力循环概念工质经历一系列状态变化后回到初始状态的过程，是分析内燃机工作过程的重要工具4状态参数内能、焓、熵等热力学参数描述了工质的热力状态，是进行热力计算的基础量卡诺循环绝热压缩过程等温压缩过程工质与外界无热量交换进行绝热压绝热膨胀过程工质在低温热源温度下等温压缩，缩，温度从低温升高到高温，回到等温膨胀过程工质与外界无热量交换进行绝热膨向低温热源放出热量外界对系统初始状态，完成一个完整的循环过工质在高温热源温度下等温膨胀，胀，温度从高温降低到低温这个做功，维持工质温度恒定程吸收热量并对外做功这个过程中过程中工质靠消耗自身内能继续对系统温度保持恒定，内能不变，吸外做功收的热量全部转化为有用功理想气体循环混合循环结合等容和等压特点等压循环柴油机理论循环等容循环汽油机理论循环理想气体循环是分析内燃机工作过程的重要理论基础奥托循环（等容循环）适用于汽油机分析，假设燃烧过程为等容加热；柴油循环（等压循环）适用于柴油机分析，假设燃烧过程为等压加热混合循环（萨巴特循环）更接近实际情况，综合考虑了等容和等压燃烧的特点不同循环的效率比较为内燃机设计优化提供了理论依据奥托循环分析1-2绝热压缩混合气绝热压缩，温度压力升高2-3等容燃烧瞬时燃烧，压力急剧升高3-4绝热膨胀高温高压气体推动活塞做功4-1等容排气排气门开启，压力瞬间降低奥托循环效率主要取决于压缩比，效率公式为，其中为压缩比，为比热比压缩比越高，循环效率越高，但受到η=1-1/ε^γ-1εγ燃料抗爆性能和机械强度的限制柴油循环分析绝热压缩空气被压缩到高温高压状态等压燃烧燃油喷入后逐渐燃烧膨胀绝热膨胀高温气体继续膨胀做功等容排气排气门开启完成循环柴油循环的效率公式为×，其中为切断比柴油循环的效率不仅与压缩比有关，还与切断比密切相关切断η=1-1/ε^γ-1[ρ^γ-1]/[γρ-1]ρ比增大会降低循环效率，因此控制燃烧持续期对提高柴油机效率很重要第三章内燃机工作循环进气冲程压缩冲程活塞下行，进气门开启，新鲜充量进入两气门关闭，活塞上行压缩混合气或空气缸内部气排气冲程做功冲程排气门开启，活塞上行排出燃烧产物燃烧产生高压，推动活塞下行输出功率四冲程工作原理进气冲程压缩冲程做功冲程进气门开启，排气门关进排气门全部关闭，活燃烧产生的高温高压气闭，活塞从上止点向下塞从下止点向上止点运体推动活塞从上止点向止点运动，气缸容积增动，压缩气缸内的混合下止点运动，通过连杆大，形成负压吸入新鲜气或空气压缩过程提带动曲轴旋转输出机械充量进气过程的充量高了燃烧前的温度和压功这是发动机产生动系数直接影响发动机的力，有利于燃烧和做功力的唯一冲程功率输出排气冲程排气门开启，进气门关闭，活塞从下止点向上止点运动，将燃烧后的废气排出气缸良好的排气过程为下一循环创造条件二冲程工作原理上行程特点下行程特点活塞上行时同时进行压缩和做功两个过程压缩冲程压缩上一循活塞下行时既有膨胀做功过程，又有排气和进气过程当活塞接环的混合气，而曲轴箱内形成负压吸入新的混合气，实现了时间近下止点时，排气口和进气口相继开启，利用新鲜充量的动量扫上的重叠除废气这种设计使得二冲程发动机在相同排量下能够产生更大的功率，扫气效果直接影响二冲程发动机的性能，良好的扫气组织能够提但也带来了燃油经济性和排放性能的挑战高充量系数和降低残余废气系数实际工作循环进排气阻力实际发动机中进排气过程存在流动阻力，导致进气压力低于大气压力，排气压力高于大气压力，影响发动机的充量系数和残余废气系数传热损失燃烧过程中高温气体向气缸壁、活塞顶和气缸盖传递热量，造成能量损失，实际循环的平均有效压力明显低于理想循环工质特性实际工质的比热容随温度变化，且燃烧过程改变了工质成分，使得实际循环偏离理想气体假设，影响循环效率计算机械损失发动机运转过程中存在摩擦损失、驱动附件损失等机械损失，使得有效功率低于指示功率，机械效率通常在之间80%-90%内燃机指示图第四章内燃机性能指标功率指标经济性指标包括指示功率、有效功率、升功率等，反映燃料消耗率、热效率等指标，评价发动机的发动机的动力性能水平燃油经济性表现可靠性指标排放指标耐久性、故障率、维护间隔等，反映发动机、、、等污染物排放量，衡HC CONOx PM的可靠性水平量发动机环保性能功率指标指示功率有效功率机械效率比功率气缸内气体对活塞做功的功率曲轴输出的净功率有效功率与指示功率的比值单位排量或重量的功率输出指示功率×××，其中为指示平均有效压力，为排量，为转速，为冲程数有效功率×Pi=pmi Vhn/30τpmi VhnτPe=Me，其中为有效转矩机械效率，反映了机械传动的效率水平n/9550Meηm=Pe/Pi经济性指标指标类型计算公式典型值范围有效燃油消耗率be=B/Pe g/kW·h200-300指示燃油消耗率bi=B/Pi g/kW·h180-250有效热效率ηe=35-45%×3600/be Hu指示热效率×ηi=3600/bi Hu40-50%燃料消耗率是评价发动机经济性的重要指标，现代汽油机的有效燃油消耗率约为，柴油机约为热效率反映了燃料250-300g/kW·h200-250g/kW·h化学能转化为机械功的效率，是经济性评价的核心指标排放指标碳氢化合物HC未完全燃烧的燃料成分，主要来源于燃烧室壁面淬熄、缝隙容积和混合气不均匀现代汽油机排放约为HC

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0.5g/km一氧化碳CO燃料不完全燃烧的产物，主要在富混合气条件下产生汽油机排放通常控制在CO以下，柴油机排放较低

1.0g/km CO氮氧化物NOx高温高压下空气中氮气和氧气反应生成，是形成光化学烟雾的主要污染物现代发动机排放要求控制在以下NOx

0.08g/km颗粒物PM主要来自柴油机的不完全燃烧，包括固体炭烟和可溶性有机物现代柴油机排放要求PM低于

0.005g/km第五章内燃机换气过程进气过程新鲜充量通过进气系统进入气缸，充量系数和进气阻力是关键参数，直接影响发动机的功率输出和燃烧质量混合过程燃料与空气在气缸内混合形成可燃混合气，混合质量影响燃烧效率和排放性能，现代发动机采用多种技术改善混合过程3排气过程燃烧产物通过排气系统排出气缸，排气阻力和残余废气系数影响下一循环的工作质量换气效率评价换气效率反映了发动机换气过程的完善程度，包括充量系数、残余废气系数等多个评价指标四冲程换气系统配气正时进排气门开闭时机的精确控制进排气道气道形状影响气流特性和充气效率气门升程气门开启高度决定流通截面积系统优化综合考虑各参数实现最佳换气效果现代发动机广泛采用可变气门正时技术，根据发动机工况调整配气相位，在不同转速下获得最佳的换气效果进气道设计注重产生适当的湍流强度，改善混合气形成质量气门升程曲线设计需要兼顾最大流通能力和控制精度增压技术机械增压废气涡轮增压增压系统匹配由发动机曲轴直接驱动压气机，响应迅利用排气能量驱动涡轮带动压气机，能增压器与发动机的匹配设计至关重要，速但消耗发动机功率罗茨增压器和离量利用率高但存在涡轮迟滞现象现代需要考虑压比、流量、效率等参数良心增压器是常见类型，多用于高性能发涡轮增压器采用可变截面技术改善响应好的匹配能显著提高发动机功率密度和动机特性燃油经济性•响应速度快能量利用率高•压比匹配••低速扭矩好•不消耗发动机功率流量匹配••消耗发动机功率•存在涡轮迟滞•效率优化第六章压缩过程8-12汽油机压缩比受限于燃料抗爆性能，典型范围为8-1214-22柴油机压缩比需要达到燃料自燃温度，压缩比较高°600-800C压缩终了温度压缩过程使混合气温度显著升高85-95%压缩效率实际压缩过程相对理想过程的效率压缩过程是内燃机循环的重要环节，压缩比是影响发动机性能的关键参数压缩过程提高了混合气的温度和压力，有利于燃烧和提高热效率但过高的压缩比可能导致爆震等异常燃烧现象，因此需要根据燃料特性合理选择压缩比压缩比影响因素热效率要求更高效率需要更高压缩比燃料抗爆性辛烷值决定最大允许压缩比排放控制排放随压缩比增加而增大NOx机械强度高压缩比要求更强的机械结构压缩比的选择需要综合考虑多种因素热效率随压缩比增加而提高，但受到燃料抗爆性能的限制现代发动机采用可变压缩比技术，在不同工况下动态调整压缩比，既保证了高效率又避免了爆震排放法规对的严格要求也限制了压缩比的进一步提高NOx第七章燃料与燃烧基础汽油特性柴油特性替代燃料主要由烷烃组成，主要由烷烃组包括天然气、氢气、醇类燃C4-C12C10-C20易挥发易点燃，辛烷值是重成，挥发性差但热值高，十料等，具有清洁环保的特要指标现代汽油添加多种六烷值反映自燃性能柴油点生物柴油和乙醇汽油正添加剂改善性能，如抗爆的密度和粘度影响喷射雾化在得到推广应用剂、清净剂、抗氧化剂等质量燃烧化学燃烧是燃料与氧气发生的放热化学反应，涉及复杂的链式反应机理理解燃烧化学有助于优化燃烧过程燃料特性第八章火花点火发动机燃烧过程混合气形成燃料与空气按一定比例混合形成可燃混合气，混合均匀性影响燃烧质量化油器和电喷系统是主要的混合气形成方式火花点火火花塞产生高能电火花引燃混合气，点火时机和点火能量是关键参数现代发动机采用电子点火系统精确控制点火火焰传播火焰以球面形式从火花塞向外传播，传播速度受混合气成分、温度、压力和湍流强度影响燃烧完成火焰传播到燃烧室边界，燃烧过程基本结束燃烧持续期影响发动机的功率和排放性能混合气形成化油器系统利用文丘里管原理将燃油吸入空气流中，结构简单但控制精度有限，现已基本被电喷系统取代电子喷射系统通过电子控制单元精确控制喷油量和喷油时机，包括单点喷射、多点喷射和直喷等形式缸内直喷技术燃料直接喷入气缸内，可实现分层充气和稀薄燃烧，提高燃油经济性和降低排放混合比控制理论空燃比为，实际运行中需要根据工况调整，通过氧传感器

14.7:1ECU实现闭环控制火焰传播特性点火核心形成层流火焰阶段火花塞电极间形成高温等离子体通道，火焰以较低速度向外传播，火焰前锋面点燃周围混合气形成初始火焰核心相对平滑，传播速度约10-40m/s燃烧完成湍流火焰阶段火焰传播到燃烧室壁面，最后气缸内湍流运动使火焰前锋面起皱变10-15%的混合气燃烧完毕形，大大加快火焰传播速度爆震分析爆震机理未燃混合气在高温高压下自燃，产生压力波与正常火焰碰撞形成爆震爆震会产生金属敲击声和压力振荡爆震危害爆震产生的高频压力振荡会损坏气缸垫、活塞顶部和气缸盖，严重时可能导致发动机机械损坏影响因素压缩比、点火提前角、混合气浓度、燃料辛烷值、燃烧室温度等都会影响爆震倾向性控制方法使用高辛烷值燃料、优化点火时机、降低压缩比、改善燃烧室设计、安装爆震传感器实时监测第九章压燃发动机燃烧过程混合气形成特点柴油机采用压缩点火方式，燃油在压缩冲程末期喷入高温高压空气中由于柴油挥发性差，混合气形成主要依靠喷油系统的雾化质量和气缸内的空气运动燃油喷射雾化高压喷射系统将燃油雾化成细小液滴，增大燃油表面积促进蒸发和混合现代柴油机喷射压力可达以上，喷孔直径仅200MPa

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0.2mm燃烧阶段特征柴油机燃烧分为着火延迟、预混合燃烧、扩散燃烧和后燃烧四个阶段各阶段的相对长短影响发动机的性能和排放特性燃烧改善措施采用多次喷射策略、优化喷油器结构、改善空气运动、提高喷射压力等措施可以改善柴油机的燃烧质量，降低排放和噪声柴油喷射系统机械泵喷嘴系统共轨喷射系统传统的机械式燃油喷射系统，喷油压力和时机由机械结构控制采用高压共轨储存燃油，电磁控制喷油器实现精确控制可实现包括直列泵、分配泵和泵喷嘴等形式预喷射、主喷射、后喷射等多种喷射策略•结构相对简单控制精度高••成本较低•可实现多次喷射控制精度有限降低噪声和排放•••难以实现多次喷射•系统复杂度较高柴油机燃烧过程1着火延迟期从燃油喷射开始到开始燃烧的时间段，期间燃油雾化、蒸发、与空气混合并达到自燃条件延迟期长短影响燃烧噪声2预混合燃烧延迟期内形成的预混合气瞬间燃烧，燃烧速度快，压力升高率大这一阶段的燃烧质量影响发动机噪声3扩散燃烧后续喷入的燃油边雾化边燃烧，燃烧速度受扩散控制这是柴油机燃烧的主要阶段，持续时间较长4后燃烧阶段主燃烧结束后仍有部分燃油继续燃烧，主要是壁面附近的燃油和积炭颗粒影响排气温度和排放柴油机燃烧室直喷式燃烧室1燃烧室位于活塞顶部，结构简单效率高分室式燃烧室2分为主燃烧室和副燃烧室，改善混合涡流室设计利用涡流运动改善燃油与空气混合现代燃烧室结合直喷和涡流优点的先进设计现代柴油机主要采用直喷式燃烧室，通过优化活塞顶部形状和进气道设计产生适当的气流运动燃烧室形状直接影响燃油雾化、混合和燃烧过程，是柴油机设计的关键技术浅盆形、深盆形、再入式等不同形状适用于不同的应用场合第十章膨胀过程与排气过程35-40%膨胀功比例膨胀过程产生的功占总循环功的比例25-30%传热损失膨胀过程中向冷却介质的传热损失15-20%排气能量排气带走的能量占燃料总能量比例°800-900C排气温度典型柴油机排气温度范围膨胀过程是内燃机唯一的做功过程，高温高压燃气推动活塞下行输出机械功实际膨胀过程存在传热损失，导致膨胀终了温度和压力高于理想循环排气过程的能量损失较大，现代发动机采用废气涡轮增压等技术回收部分排气能量排气系统设计排气歧管消声器系统能量回收收集各缸排气并导入排气通过阻性和抗性消声原理废气涡轮增压器利用排气管，设计需考虑脉动效应降低排气噪声现代消声能量驱动压气机，有机朗和传热等长歧管设计可器采用多腔室结构，在有肯循环可将低品位排气热改善多缸发动机的排气脉效消声的同时尽量减少排能转化为电能，提高系统动均匀性气阻力整体效率后处理装置三元催化器、颗粒捕集器、系统等后处理设备净SCR化排气中的有害物质，满足日益严格的排放法规要求第十一章内燃机热平衡。