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内燃机原理

内燃机原理. 黄勇成 办公室：东 3 甲 125 Tel: 13096938383 E-mail: huangyc@mail.xjtu.edu.cn. 本课程定位. 高等内燃机学. 内燃机燃烧理论. 研究生课程. 发动机设计. 汽车电子技术. 内燃机原理 （专业核心课）. 发动机实验技术. 汽车排放与控制. 内燃机工作过程数值模拟. 增压技术. 本科生课程. 汽车与发动机构造（专业平台课）. 教学大纲. 纲： 提高内燃机性能作为主要研究目标，深入到工作过程的各个阶段，分析影响内燃机性能指标的各种因素，研究提高性能指标的具体措施及努力方向.

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内燃机原理

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Presentation Transcript

  1. 内燃机原理 黄勇成 办公室：东3甲125 Tel: 13096938383 E-mail: huangyc@mail.xjtu.edu.cn

  2. 本课程定位 高等内燃机学 内燃机燃烧理论 研究生课程 发动机设计 汽车电子技术 内燃机原理 （专业核心课） 发动机实验技术 汽车排放与控制 内燃机工作过程数值模拟 增压技术 本科生课程 汽车与发动机构造（专业平台课）

  3. 教学大纲 纲：提高内燃机性能作为主要研究目标，深入到工作过程的各个阶段，分析影响内燃机性能指标的各种因素，研究提高性能指标的具体措施及努力方向 • 主要授课内容（56学时） • 第一章 概论 • 第二章 内燃机的工作指标 • 第三章 内燃机的工作循环 • 第四章 内燃机的换气过程 • 第五章 内燃机混合气的形成和燃烧 • 第六章 内燃机的替代燃料 • 第七章 内燃机的燃料供给与调节 • 第八章 内燃机污染物的生成和控制 • 第九章 内燃机的特性与匹配 • 实验内容（8学时） • 汽油机特性实验：汽油机的速度特性、负荷特性 • 柴油机特性实验：柴油机的速度特性、负荷特性 • 气道实验：进气流量系数及进气涡流比的测定 • 高压油泵实验：喷油泵供油速度特性与各缸均匀性 黄佐华教授 杨中乐高工

  4. 教学大纲 • 教学基本要求 熟练掌握内燃机工作过程的性能指标，掌握点燃式汽油机和压燃式柴油机的充量更换规律、燃料供给与调节方式、混合气形成、燃烧及排放等工作过程的特点等。在此基础上，能够对运用所学内燃机的原理知识，分析内燃机强化、降低油耗和减少排放等各项技术的工作源理和工程实际的可行性，培养学生创新的思维能力，以及综合所学知识进行发动机性能设计与研究的能力。 要求学生掌握内燃机常规试验的方法和技巧。 • 考核方式 闭卷考试+考勤 • 教材：周龙保、刘巽俊、高宗英，内燃机学，北京：机械工业出版社，2005。 • 参考书： 1．蒋德明，内燃机原理（第二版），北京：机械工业出版社，1986。 2．J．B．Heywood．Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, 1988。

  5. 本课程学习方法 • 学科是发展的而不是静止的（尤其是近年），以讲课内容为准、辅以自学和课下思考题、实验课 • 定量计算不多，但侧重于理论分析：分析依据主要是经验公式，试验数据和相应的图表，因此学习过程中贯彻理论联系实际的原则，学会运用理论分析、提高解决实际问题的能力 • 体系看似面大离散，注意抓纲——性能指标（影响因素、提高措施） • 汽油机与柴油机的相互对比、融会贯通 • 注意复习相关课程内容（汽车构造、热工、流体…….）

  6. 第一章 概 论Introduction 主要学习内容 • 第一节 内燃机简史 • 第二节 中国内燃机工业发展简史 • 第三节 内燃机的构造与分类 • 第四节 各种内燃机的典型结构

  7. 第一节 内燃机发展简史 History of IC Engine 主要学习内容 • 内燃机 • 内燃机的发明与发展 • 内燃机燃料的发展 • 内燃机技术的发展

  8. 内燃机 INTERNAL COMBUSTION ENGINE 热 机 (Heat Engine) 各种变热能为机械能的机器的统称。 内燃机(IC Engine) 燃料在机器内部燃烧释放热能推动活塞对外做功的热机。 • 点燃式内燃机（汽油及其代用燃料） • 压燃式内燃机（柴油及其代用燃料）

  9. 内燃机 INTERNAL COMBUSTION ENGINE 内燃机的优点： • 经济性: 热效率高 内燃机是所有热机中热效率最高的原动机 • 蒸汽机 热效率11-16% • 蒸汽透平 热效率<30% • 点燃式内燃机 热效率可达33%左右 • 压燃式内燃机 热效率已达40%以上 超长行程二冲程船用柴油机的循环热效率甚至可高达50%以上(比油耗150g/(kW·h)) • 动力性：功率覆盖面大，档次比较齐全 • 单机功率从小于1kW的汽油机到66000kW的船用柴油机； • 运转特性 ：转速范围宽，能满足各种配套机具的需要 • 从转速只有70r/min的Sulzer RTA68低速船用柴油机，到9000r/min的波尔舍 V8—3000高速赛车汽油机，车用柴油机的转速也可高达5000r/min (高尔夫轿车柴油机). • 比质量轻、易于起动、运转安全 内燃机的应用在所有热机中一直居于领先地位，农用动力、交通运输（铁路、水路、公路）、工程机械、军用动力

  10. New Sulzer Diesel RTA-series Low-speed Two-stroke Diesel Engines 1480-48600 kW 2000-66120 bhp 196-54 rpm Sulzer 9 RTA 84C

  11. Model plane engineCox Pee Wee, 0.33 cm3 Displacement: 0.33 cm3 Rated power: 27 W Bore: 7.6 mm Max. speed: 17 500 rpm Stroke: 6.1 mm Tank volume: 2.2 cm3 Mass: 21 g

  12. 内燃机的发明与发展 Invention & Development of IC Engine • 1860年第一台内燃机出现 莱诺依尔 大气压力式内燃机 • 指标：ηet<5%，Pe=4.5kW，整机重量大 1867年奥托改进 • 指标：ηet达11%，Pe=28kW，整机重量4000磅(1814kg) • 特征：燃烧前混合气不进行压缩 由于当时认为对燃烧混合气进行 预压缩要消耗额外的功，而不知 道预压缩可提高热效率。 莱诺依尔发动机的使用，激励人们进一步从理论上研究内燃机，改善工作循环，提高性能

  13. 内燃机的发明与发展 Invention & Development of IC Engine • 1876年 奥托( Otto)第一台四冲程点燃式内燃机 • 指标：ηet达14%，Pe=80kW，整机重量1250磅（566kg） • 特征：源于1862年Rochas描述的四冲程循环原理 进气、着火前的压缩、燃烧膨胀、排气 • 1890年 克拉克，奔驰二冲程内燃机 • 特征：在膨胀行程末期和压缩行程初期进行进气和排气行程 • 1897年 狄塞尔(Diesel)第一台四冲程压燃式内燃机 • 指标：ηet达26%，比当时其他的内燃机高一倍 • 特征：在压缩终了利用压缩空气装置将液体燃料雾化喷入缸内，利用压缩终了气体的高温将燃料点燃，压缩比、膨胀比较大 • 1957年 汪克尔 转子发动机

  14. 1885年德国工程师卡尔．奔驰(1844一 l929)在曼海姆制成

  15. 德国工程师戈特利布．戴姆勒(1834一l900)

  16. six-horsepower, four-cycle models used for stationary power Cummins in 1919

  17. 内燃机增压的发明与发展 Development of IC Engine Supercharging • 1907 美国 路易斯•雷诺（Louis Renault） 离心式压缩机机械增压发动机 • 1915 瑞士 阿尔弗雷德•波希(Alfred Buchi ) 排气涡轮增压发动机 增压技术和电子技术及计算机在内燃机研制中的应用是内燃机经历一百余年的发展中，两个重要的发展阶段，是具有划时代意义的。

  18. 内燃机燃料的进步 Fuels for IC Engines • 最早，煤气（1860）热值低，充气效率低。 • 1900年后，原油中的轻镏分汽油，避免爆震，压缩比<4。 • 威廉•伯尔顿（William Burton）发明了重油热解技术,汽油产量提高。 • 通用汽车公司发明了四乙铅抗爆添加剂， 1923年美国开始用作汽油抗爆添加剂，压缩比提高。 • 尤金•荷德莱（Eugene Houdry）发明了催化裂化法，既提高了汽油的产量，同时使汽油获得越来越好的抗爆性。 • 20世纪70年代初，石油危机和环境恶化，代用燃料的研究成为热点。 如，CNG，LPG，甲醇、乙醇、生物柴油、二甲基谜等

  19. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines • 1860-1950：一方面提高压缩比，另一方面大幅度的提高转速；一直沿着降低油耗、增大升功率、减轻比重量的方向发展。 压缩比的提高 爆燃严重 添加抗爆剂 排气污染严重 • 20世纪60-70年代：主要解决排放与噪声问题。主要标志： • 1964年开始使用闭式曲轴箱通风。 • 1966年公布工况法排放法规，限制汽车有害气体的排放。 • 1972年VW(大众汽车公司)展出了三效催化转换器。 • 1973年起使用热转换器(氧化转换器)。 • 1975年起使用三效催化转换器。 • 1976年起使用三效催化转换器与氧传感器（可除去排气中75％-95％的CO、NOx和HC的有害气）+EGR+空气喷射

  20. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines • 20世纪80年代、90年代初内燃机技术上的重要标志 • 增压旁通技术，解决动态性能差的问题 • 采用多气门 • 采用满足日益苛刻的环保要求的技术措施TWC，PFI。 • 采用电子管理内燃机(即电控技术) • 可变压缩比 • 变气门面积与正时控制。 • 高强度、低密度材料的使用，降低内燃机重量。 • 进一步降低柴油机微粒排放。 • 其它发动机的开发与改善。电动、氢能、混合动力

  21. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines • 车用内燃机的未来三特点 • 高经济性 • 低公害 • 高升功率

  22. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines • 车用内燃机的未来 • 高经济性，措施 轿车正在向低油耗“3L汽车”的目标前进 • 采用高效率的内燃机工作循环。如米勒(Miller)循环，高增压、中冷循环，内燃机与涡轮复合循环等。 • 改进进气系统，减小进气阻力，采用低涡流的进气道。进气系与内燃机进行良好的动态匹配，充分利用进气的脉动或共振能量，使内燃机的转矩特性可在宽广的转速范围内有较大的提高(可提高10％)，进气管、进气道采用CAD、CAM、CAT技术。 • 采用多气门内燃机。小轿车内燃机从传统的二气门增加到3个、4个甚至5个气门，以弥补高速时气门时面值大幅下降(低10％～40％)的需要，气门正时也可随工况而自动调节。 • 改进燃烧室及燃烧过程。改进燃烧室形状及结构参数，提高压缩比。在燃烧过程的研究手段上，采用可视化模拟实验，利用先进的激光技术和高速摄影。出现了三维流动与燃烧模型对燃烧过程进行仿真计算的各种大型软件。

  23. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines • 车用内燃机的未来 • 高经济性，措施 • 改进燃油供给系。 • 电控汽油机有从将汽油喷在进气道内发展到直接喷在燃烧室内 • 柴油机则采用高喷射压力(配低空气涡流)的喷油系统，如共轨式、蓄压式、单体泵等。其最高喷射压力从目前的近100MPa提高到120～150MPa，进一步可望达到200～250MPa。在提高喷射压力的同时，燃油的喷油正时和喷油速率也可实现控制与调节。另一方面，可改变喷射规律， • 采用稀薄燃烧，高能点火。空燃比在20以上，点火能量在100—120mJ以上。 • 采用能量再生系统。如串接在内燃机和变速器之间的电动机——发电机和电容器等装置 • 降低运动机件的摩擦损失。 • 降低内燃机与汽车质量。

  24. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines

  25. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines CO2 For C-Class Vehicle 200 Conventional HSDI Powertrain 180 160 2008 target 140 Euro Cycle CO2 [g/km] 120 2012 target 100 80 1990 1995 2000 2005 2010

  26. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines • 车用内燃机的未来 • 低公害 其主要技术措施：

  27. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines

  28. 内燃机技术的发展 Development of IC Engines • 车用内燃机的未来 • 高升功率 TCi- VNT Engine uprate TCi- VNT Electrical Assist TC Engine uprate TCi - VNT TCi TC

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