内燃机学幻灯片

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1、内燃机学,内燃机概论,内燃机概论,内燃机的发展与地位 内燃机的基本概念 内燃机的循环 内燃机的机械损失,内燃机的发展与地位,内燃机发展历史 内燃机产业的经济地位 内燃机发展方向 本课程的内容结构,返回,内燃机发展历史,1860年，Lenoir发明了大气压力式内燃机 1867年，Otto和Eugen发明的大气压力式内燃机，效率提高到11% 1876年，Otto提出了四冲程循环，内燃机热效率达到14%，重量减少70% 1890年以前，发明了二冲程内燃机 1892年，Diesel发明了柴油机 1957年，Wankel发明了转子发动机,油料及配套技术的发展,1910s，Burton发明了压力裂解的轻馏

2、分技术 1912年，发明了汽车电机 1923年，四乙铅作为汽油添加剂 1920s，Bosch发明了螺线槽式柱塞泵 1920s，Houdry发明了催化裂解汽油方法 1902年，Renault提出了增压技术 1915年，Buchi制造了排气涡轮增压器,烃的分类,石油主要由脂肪族、环烷烃、芳香烃化合物组成 脂肪族包括烷烃和烯烃，烷烃为饱和链状分子结构。 直链式排列的正构形式热稳定性低，滞燃期短，适合作柴油机燃料。 异构形式烷烃抗爆性强，适合作汽油机燃料。烯烃着火性能差，适合作汽油机燃料。 环烷烃热稳定性高，适合于汽油机。 芳香烃热稳定性更高，抗爆燃性能极强适合作汽油的抗爆添加剂,燃料的制取,典型工艺

3、流程有直接蒸馏法和裂解法。 裂解法有热裂解和催化裂解。 热裂解的方法简单，但是油料的稳定性差，还须进行催化裂解。 近来为了提高汽油的辛烷值，大量采用催化重整的工艺。,燃料的理化性质,柴油 燃料的自燃温度着火性能： 十六烷值（容积比） 正十六烷 100/-甲基萘 0 测试方法： 马达法研究法 浊点与凝点低温流动性 化学成分与发热量,汽油 挥发性 抗爆性 辛烷值：异辛烷 100/正庚烷 0 汽油和柴油的标号,返回,内燃机产业的经济地位,与汽车工业结合 与船舶工业结合 内燃机的应用特点,返回,与汽车工业结合,汽车保有量以2.5%年增长率，2000年超过6亿辆，生产量为保有量的10%。 以GM为例：1

4、997年产值达1790亿美元。 以美国为例：美国汽车工业用了全美75%橡胶，35%铁，13%钢，27%铝，是计算机的最大用户，是石油的最大用户。 美国汽车研究经费每年173亿美元，占全国全部商用科研经费的12% 。 全球50家最大企业中，13家是汽车企业，还有石油企业未计算在内。 美国17个人中有一个涉及汽车行业；在发展中国家，1个汽车装配线上的岗位可带动上下游19个工作岗位；岗位比例（装配1：零部件2：销售与服务9）。,与船舶工业结合,柴油机可作为船用推及动力 柴油机可作为船用电站动力 2000T以上的船用动力98%是柴油机,内燃机的应用特点,柴油机是目前热效率最高、应用面最广的热机，中速机

5、油耗率低于200g/kW.h、大型低速机循环热效率已经超过50%。 内燃机是目前最佳的移动动力源。 内燃机是主要的污染源。,应用广、效率高,现代高性能车用柴油机的循环热效率达40以上，超长行程二冲程船用柴油机的热效率可高达50以上(比油耗158gkWh)，车用汽油机的有效热效率也可达33左右，与其他热机相比是热效率最高的动力机械。 功率覆盖面大，转速范围宽，功率档次比较齐全；转速从70rmin的Sulzer RTA68低速船用柴油机，到9000rmin的波尔舍V83000高速赛车汽油机。,大气环境污染源,环境污染是现代工业社会发展的消极因素。80年代以来，环境污染巳到愈来愈严重的程度，已引起人

6、们的严重关注和不安。环境科学家们预计，到21世纪中叶，大气层中的CO2可能比现在要增加60，即比工业革命前增加一倍，此外排气中还含有有毒气体CO、HC和NOx及微粒，污染大气，直接危害人体。环境问题是当代社会面临的四大问题(粮食、人口、环境、能源)之一。大气污染是环境污染最重要的一个方面，也是控制与治理较为困难的一面，在城市大气污染中，内燃机的有害排放量约占60，因此，内燃机排放是城市大气环境的主要污染源。,返回,内燃机发展方向,一、多气门可变进气系统 二、进气道 三、电子控制燃油喷射技术 四、电控点火定时和爆燃控制 五、电控EGR技术 六、增压技术 七、汽油机稀燃速燃技术 八、汽油机缸内喷射

7、分层燃烧技术 九、代用燃料,十、排气后处理技术 十一、柴油机的直喷化 十二、米勒循环发动机 十三、燃烧室 十四、陶瓷材料 十五、计算机辅助设计 十六、混合电动汽车,返回,本课程的内容结构,内燃机概述 内燃机原理 内燃机特性与控制 内燃机结构特点 动力学 典型零部件,研究内容,以燃烧为核心，研究： 1、 配气 2、 燃烧 3、 排放 4、 控制 性能与评价 内燃机结构及零部件特点,参考书目,Internal combustion engine fundamentals, John. B. Heywood, McGraw-Hill Company, 1988 柴油机原理，刘元诚、吴锦翔、崔可润，大

8、连海运学院出版社，1992 内燃机原理，蒋德明，机械工业出版社，1988 内燃机原理，刘永长，华中理工大学出版社，1992 内燃机的排气净化，崔心存、金国栋，华中理工大学出版社，1991 涡轮增压柴油机热力过程模拟计算，顾宏中，上海交通大学出版社，1985 柴油机设计，陈大荣，国防工业出版社，1988 内燃机燃烧学，金国栋，华中理工大学出版社，1992 内燃机燃烧学，魏象仪，大连理工大学出版社，1992,返回,内燃机的基本概念,内燃机的基础概念 指示指标 有效指标 平均有效压力的计算 强化指标,返回,内燃机的基础概念,工作循环 上止点和下止点 曲柄半径和活塞行程 气缸工作容积和发动机排量 压缩

9、比 发动机运转工况和特性 发动机示功图,发动机的示功图,要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对内燃机一个工作循环中热功转换的质和量两方面加以分析。 从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段（压缩、燃烧、膨胀）以及进气、排气行程中的压力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们与所积累的试验数据进行分析比较，可以对其工作的完善程度进行分析,示功图示例,温度图示例,返回,指示指标,指示功：气缸内完成一个工作循环而得到的有用功 。 平均指示压力：单位气缸容积一个工作循环而作的指示功。 指示功率：单位时间所作的功。 指示热效率：指示功与耗能之比。 指示油耗：单位指示功的耗油量。,影响平均指示压力

10、的主要因素,平均指示压力不仅表示热功转换程度，还表示气缸容积的利用程度，其影响因素： 增压度 过量空气系数 换气质量 油气混合的完善程度 燃烧完善程度,平均指示压力的范围,柴油机 四冲程 非增压 0.60.95MPa 增压 0.852.6MPa 二冲程 0.351.3MPa 汽油机 四冲程 0.61.4MPa 二冲程 0.40.85MPa,指示热效率的影响因素,燃料热能释放的好坏 热量损失的大小 热能转化的有效程度,指示热效率与指标油耗范围：,四冲程柴油机 0.410.4 210175 二冲程柴油机 0.40.48 218177 四冲程汽油机 0.250.4 344218 二冲程汽油机 0.1

11、90.27 435305,返回,有效指标,有效功率 指标功率减去机械损失功率。 平均有效压力 单位工作容积的有效功。 一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，是活塞移动一个冲程所作的功等于每循环所作的有效功。 有效油耗率有效效率,有效热效率与有效油耗范围,低速柴油机 0.380.45 190225 中速柴油机 0.360.43 195240 高速柴油机 0.30.4 215285 四冲程汽油机 0.200.3 410274 二冲程汽油机 0.150.20 545410,进气与燃烧过程的参数,充量系数 每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状态的体积与活塞排量之比。 过量空气系数 燃烧1kg燃料的

12、实际空气量与理论空气量之比。,返回,平均有效压力的计算,平均有效压力与其它参数之间的关系,采用工程单位制之后的平均有效压力表达,返回,强化指标,升功率：在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。 单位质量功率 常用的一种强化指标：pme*vm,提高升功率的方法,采用二冲程循环 增大压缩比 减小过量空气系数 提高发动机转速 利用进排气系统的气动效应,提高动力性能和经济性能的途径,a.采用增压技术； b.合理组织燃烧过程； c.改善换气过程； d.提高发动机转速； e.提高机械效率； f.提高升功率。,返回,内燃机的循环,内燃机的循环过程 内燃机理想工作循环 理想循环与实际循环 压缩过

13、程 膨胀过程 内燃机的压缩比,返回,内燃机的循环过程,汽油机循环 四冲程汽油机 二冲程汽油机 柴油机循环 四冲程柴油机 二冲程柴油机,汽油机循环,二冲程汽油机的原理,柴油机四冲程循环,二冲程柴油机原理,返回,内燃机理想工作循环,内燃机理想工作循环建立在热力学第二定律基础上，是以卡诺循环为基础的 卡诺循环 奥托循环 狄塞尔循环 布雷顿循环,卡诺循环,对任何一种循环。其最大热效率产生于当热源温度尽可能最高，而冷源温度尽可能最低时。因此，可以看出，卡诺循环指出了运行在温度T1与T2之间的热机可能达到的最高热效率。,卡诺循环主要有两种不利的情况； (1)峰值压力高其结果增加了机械负荷，需要增强发动机的

14、结构。 (2)比较出功率低因此需要采用大的气缸排量(大的发动机尺寸和重量)以达到合用的功率值。,奥托循环,狄塞尔循环,布雷顿循环,工作循环的划分,1.吸气 2.压缩 3.膨胀 4.排气,理想循环与实际循环,实际循环与理想循环的差别,1.工质不同：实际工质成分会变化； 2.换气损失：存在进排气提前和延迟； 3.传热损失； 4.燃烧损失： a.燃烧速度有限； b.后燃及不完全燃烧。,返回,压缩过程,压缩过程有三个比较明显的作用： (1)压缩过程扩大了工作循环的温度范围。就是说在压缩过程终点的温度能使可燃混合气着火燃烧，使燃烧过程的最高温度提高，从而提高了工作循环的热效率。 (2)压缩过程使循环助工

15、质得到更大的膨胀比，对活塞作更多的功。 (3)压缩过程提高了工质的温度和压力，为冷机起动及着火燃烧创造了条件。,1.压缩终点的确定； 2.压缩多变指数（1.281.42）,压缩多变指数的特点,影响压缩指数的因素,1.气缸的尺寸； 2.气缸壁冷却程度； 3.燃烧室型式； 4.转速； 5.负荷； 6.其它。,返回,膨胀过程,膨胀过程是内燃机的做功过程。在这一过程中，工质的部分热能转变为机械功。在理想循环中，膨胀过程为绝热的等熵过程，而内燃机实际循环的膨胀过程则是一个比压缩过程更为复杂的热力过程，除了在压缩过程中存在工质与壁间的热交换和漏气损失外，还出现后燃现象和在高温时被裂解了的物质的复合现象。,

16、膨胀过程特征,膨胀过程是燃烧过程的后继过程，膨胀过程中的后燃或多或少总是存在的。在膨胀过程初期，放热率急骤增加，以后逐渐降低。在这过程中，不仅放出热量，也改变了工质的成分和数量。 在膨胀过程中还发生高温分解产物重新化合。在膨胀过程初期较为强烈，以后逐渐减少。 工质与周壁的温度差不断变化，活塞在膨胀过程中逐步下行时，散热面积不断扩大，而且活塞运动的速度也在不断变化。周壁传热的传热系数也在改变。这些使膨胀过程中工质向周壁的传热情况变得相当复杂。 通过活塞环及气缸壁之间的间隙，工质有微量泄漏改变了工质数量。,1.膨胀始点的确定； 2.膨胀多变指数 。（1.201.30）,影响膨胀多变指数的因素,膨胀过程是一个放热过程：n21.4 1.气缸尺寸； 2.气缸壁冷却程度； 3.燃烧速度与后燃情况； 4.转速； 5.负荷。,返回,内燃机的压缩比,发动机的压缩比是说明工