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1、内燃机结构、原理及发展简介,2020/8/3,1,前言,热机是将燃料中的化学能转变为机械功 的热力发动机。区别于外燃机，内燃机是燃 料在机器内部燃烧而将能量释放做功的，它的 工质在燃烧前是燃油与空气的混合气，在燃 烧后则是燃烧产物。由于内燃机的热效率高 （是当今热效率最高的热力发动机）且结构 简单、比质量轻、移动方便，因而被广泛应 用于交通运输、农业机械、工程机械和发电 时作为动力。,2020/8/3,2,经过超过一个世纪的发展之后，内燃机的 发展远远没有达到其顶点，在动力性、经济性 以及排污控制方面还在不断改进。新材料的出 现导致内燃机可以进一步减轻质量、降低成本 和热损失，新型的综合了汽油
2、机和柴油机的特 点，可以使用多种燃料的分层充量发动机会有 很好的应用前景。这些都对内燃机工作者提出 了新的挑战。 本讲座将就内燃机（主要是柴油机）的结 构、原理及发展方向进行介绍。,2020/8/3,3,内燃机分类,按所用燃料分：汽油机、柴油机、天然气发动 机、液化石油气发动机、酒精发动机、双燃料 发动机、灵活燃料发动机 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,) 按转速分：低速（1000r/min),2020/8/3,4,按增压程度分：非增压（自然
3、吸气） 低增压（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（如浴盆形、楔 形、半圆形、碗形、形等）、分隔式燃烧室 （如涡流室，预燃室等）,2020/8/3,5,按进排气门、凸轮轴设计和布置分：二气门、 四气门（或多气门）、顶置或侧置气门、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,2020/8/3,6,内燃机结构,2020/8/3,7,一、内燃机总体构造,机体与气缸盖 曲柄连杆
4、机构 供给系（包括燃油供给系，进排气系统） 配气机构 点火系（汽油机、煤气机特有） 冷却系 润滑系 起动装置,2020/8/3,8,2020/8/3,9,2020/8/3,10,内燃机的工作指标,2020/8/3,11,一、指示性能指标,指示功和平均指示压力 指示功率 指示热效率和指示燃油消耗率,2020/8/3,12,二、有效性能指标,机械效率和有效功率 平均有效压力、有效功率和升功率 有效热效率和有效燃油消耗率,2020/8/3,13,三、机械损失与机械效率,1.机械损失的组成部分 活塞与活塞环的摩擦损失 轴承与气门机构的摩擦损失 驱动附属机构的功率消耗 流体摩擦损失 驱动扫气泵及增压器的
5、损失,2020/8/3,14,2. 机械损失的测定 示功图法 倒拖法 灭缸法 油耗线法,2020/8/3,15,四、提高内燃机动力性能与经济性能的途径,1.采用增压技术 2.合理组织燃烧过程，提高循环指示效率it 3.改善换气过程，提高气缸的充量系数c 4.提高发动机的转速 5.提高内燃机的机械效率 6.采用二冲程提高升功率,2020/8/3,16,内燃机的工作循环,2020/8/3,17,一、内燃机的理论循环,1.等容加热循环 2.等压加热循环 3.混合加热循环,2020/8/3,18,二、内燃机的实际循环,内燃机的实际循环与理论循环相比， 存在着许多不可逆损失，往往达不到理论 循环的热效率
6、和循环平均压力值，两者之 间的差异和损失主要有： 工质不同带来的影响 换气损失 传热损失 燃烧损失,2020/8/3,19,内燃机的充量更换,2020/8/3,20,一、四冲程内燃机的换气过程,1.自由排气阶段 2.强制排气阶段 3.进气过程 4.气门叠开和燃烧室扫气过程,2020/8/3,21,二、换气损失,1.排气损失 2.进气损失 3.泵气损失,2020/8/3,22,三、提高充量系数的措施,衡量内燃机充气性能的一个重要指标是充 量系数，定义为：内燃机每循环实际进入气缸 的新鲜充量与以进气管内状态充满气缸的工作 容积的理论充量之比。 提高充量系数的措施有： （一）降低进气系统的流动阻力
7、1.降低进气门处的流动损失 （1）加大进气门直径 （2）增加进气门数目 （3）合理设计进气道及气门的结构,2020/8/3,23,2.采用可变进气系统技术 （1）可变凸轮机构 （2）可变气门定时 3.减少进气管和空气滤清器的阻力 （二）降低排气系统的流动阻力 （三）减少对进气充量的加热,2020/8/3,24,四、二冲程内燃机的换气,1.自由排气阶段 2.扫气与强制排气阶段 3.过后排气或过后充气阶段,2020/8/3,25,内燃机混合气的形成和燃烧,2020/8/3,26,一、内燃机缸内的气体流动,1.涡流 在进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的 气流运动，称为进气涡流。在柴油机上，主 要用
8、于增强喷油油束与空气的混合，提高燃 油空气混合速率，有助于柴油机的快速燃烧。 进气涡流产生方法有： 采用带导气屏的进气门 切向气道 螺旋气道,2020/8/3,27,2.挤流 在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸 盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称 为挤流。挤流在汽油机上得到广泛应用。 3.滚流 在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线的有 组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。滚流 较适于在四气门汽油机上使用，在缸内直喷汽 油机上具有十分重要的地位。 4.湍流 在气缸中形成的无规则的气流运动称为湍流。 湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度， 在柴油机上组织适当的湍流可以改善燃油与空 气
9、的混合。,2020/8/3,28,二、压燃式内燃机的燃烧,（一） 燃烧阶段的划分 滞燃期 急燃期 缓燃期 后燃期,2020/8/3,29,（二）滞燃期 滞燃期对燃烧过程有极大影响，滞燃期越长，则在滞燃期内喷入燃烧室的燃料越多，在着火前形成的可燃混合气越多，这些燃料在急燃期几乎一起燃烧，使压力升高比和最高燃烧压力较高，发动机运转粗暴，因此应该设法缩短滞燃期。若滞燃期极短，又对混合气形成不利，柴油机性能恶化。 影响滞燃期的因素很多 ，在正常运转情况下，压缩温度和压力是主要因素。此外，喷油提前角、转速以及燃料性质也有较大影响。压缩温度和压力是影响滞燃期的直接因素，其他一些因素是通过压缩温度和压力间接
10、影响滞燃期的。随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小。,2020/8/3,30,（三）燃烧噪声 柴油机在滞燃期内喷入气缸的燃料， 其滞燃期不一样，因此往往是多处着火， 一旦着火，就有较多的燃料参加燃烧 ， 燃烧是冲击性的，从而形成燃烧噪声。 降低燃烧噪声的根本措施是适当降低 压力升高比，主要途径有下述三个： 1.缩短滞燃期 2.减小滞燃期内的喷油量 3.减少滞燃期内形成的可燃混合气数量,2020/8/3,31,（四）柴油机的冷起动性能 对一般柴油机而言，不加特殊的冷起 动措施（加装电热塞、起动液、进气空气 预热），大致均可在10-5的环境下顺 利起动，但在更低的环境温度下，冷起动 将遇到困难。实践
11、证明 ，要使柴油机顺 利起动，必须满足以下条件： 1.压缩温度必须足够高，即tctmin。 tc为压 缩终点温度, tmin 为在气缸内某种燃料有可 能开始着火的最低临界温度。 2.必须形成易于着火的混合气。,2020/8/3,32,三、压燃式内燃机的燃烧室,根据混合气形成和燃烧室结构特点，压燃式内燃机的燃烧室基本分为两大类：直接喷射式燃烧室和分隔式燃烧室。直喷式燃烧室又可以分为浅盆形和深坑形；分隔式燃烧室常用的有涡流室和预燃室。 各种燃烧室的比较如下表所示。,2020/8/3,33,各种燃烧室的比较,2020/8/3,34,(续表）,2020/8/3,35,燃烧室的选型要点归纳如下： 1.气
12、缸直径大于200mm、转速低于1000r/min 的大型增压柴油机，目前几乎都采用无涡 流或低进气涡流的浅盆形直喷式燃烧室。 2.高速直喷式柴油机大都采用中等涡流强度 的深坑形燃烧室，其中以形燃烧室居多。 3.缸径150200mm的高速柴油机上，目前直 喷式和预燃室式燃烧室均有应用。多倾向 于采用直喷式。 4.缸径小于100mm,转速大于3500r/min的车用高 速柴油机上多应用分隔式燃烧室，其中涡流室 的高速性能比预燃室更佳。,2020/8/3,36,改善燃烧性能的途径,2020/8/3,37,内燃机的燃料供给与调节,2020/8/3,38,一、压燃式内燃机燃料供给与调节系统要求,1.能产
13、生足够高的喷油压力，且燃油油束须与内 燃机燃烧室和气流运动相匹配。 2.对每一个运转工况，精确控制每循环喷入气缸 的燃油量，且喷油量能随工况变化而自动变化。 在工况不变时，各循环之间的喷油量应当一致。 对多缸机而言，各缸喷油量应当相等。 3.在内燃机所运转的工况范围内，尽可能保持最 佳的起始喷油时刻、喷油持续时间与喷油规律。,2020/8/3,39,二、压燃式内燃机燃料喷射过程,(一)喷油过程 (二)几何供油规律和喷油规律 (三)喷油规律的确定 1.试验测定法 （1）压力升程法 （2）博世长管法 2.计算法,2020/8/3,40,三、压燃式内燃机喷油泵的结构与参数选择,（一）供油提前角fd
14、供油提前角fd就是喷油泵安装于柴油机上，喷 油泵柱塞关闭进、回油孔开始压油到柴油机活 塞上止点所经历的曲轴转角。 （二）喷油泵的系列化和工作能力评价指标 （1）最大循环供油量 （2）最高平均供油速率 （3）最大许用泵端压力 （4）最高工作转速,2020/8/3,41,（三）喷油泵参数的选择 1.柱塞直径dp和有效供油行程he 2.凸轮最大升程、供油持续期和供油预行程的确定 3.出油阀结构和减压容积,2020/8/3,42,四、压燃式内燃机喷油器的结构与参数选 择 （一）喷油器的结构形式 （二）喷油器调整参数开启压力P0 (三）喷油器喷孔面积和流通特性 （四）喷雾锥角及其喷油油束在燃烧室的分布
15、（五）喷油器压力室容积,2020/8/3,43,五、压燃式内燃机异常喷射现象,二次喷射 穴蚀 不稳定喷射,2020/8/3,44,内燃机污染物的生成与控制,2020/8/3,45,一、污染物的生成机理和主要影响因素,1.一氧化碳 生成机理：由碳氢化合物燃料的不完全燃 烧而产生。 影响因素：可燃混合气的过量空气系数。 2.未燃碳氢化合物 点燃式内燃机HC生成机理： 冷激效应 油膜和沉积物吸附 容积淬熄 碳氢化合物的后期氧化,2020/8/3,46,柴油机HC生成机理： 柴油机HC排放较低，主要来自柴油喷 注的外缘混合过度造成的过稀混合气地区， 此外喷油器的残油腔容积以及火焰在壁面 上淬熄也是柴油
16、机HC排放的来源。 3.氮氧化物 生成机理：泽耳多维奇机理 O22O N2+O NO+N O2+N NO+O OH+N NO+H,2020/8/3,47,影响点燃式内燃机NO排放量的因素： 空燃比 已燃气体量 点火定时 影响柴油机NO排放量的因素：最先燃 烧的混合气比例（预混合燃烧比例）。 4.微粒 柴油机的微粒排放量要比汽油机大几十倍，这 种微粒由在燃烧室生成的含碳粒子（碳烟）及 其表面上吸附的多种有机物组成，后者称为有 机可溶成分（SOF)。,2020/8/3,48,二、柴油机的排放控制 （一）燃烧方式和燃烧室形状 （二）喷油系统 （三）气流组织和多气门技术 （四）排气再循环 （五）增压 （六）喷油定时,2020/8/3,49,内燃机的特性,2020/8/3,50,一、内燃机的工况,第一类工况，其特点是内燃机的功变化时，转速几乎保持不变，又被称为固定式内燃机工况，例如发电用内燃机 。 第二类工况，其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函数关系，又被称为螺旋桨工况或推进工况。 第三类工况，其特点是功率与转速都
