內燃機學第一章概論

Introduction第一節內燃機簡史第二節中國內燃機工業發展簡史第三節內燃機的典型構造與技術主要學習內容第一節內燃機發展簡史HistoryofICEngine內燃機內燃機的發明與發展內燃機燃料的發展內燃機的成功之路主要學習內容熱機(HeatEngine)內燃機INTERNALCOMBUSTIONENGINE各種變熱能為機械能的機器的統稱。燃料在機器內部燃燒釋放熱能推動活塞對外做功的熱機。點燃式內燃機（汽油及其代用燃料）壓燃式內燃機（柴油及其代用燃料）內燃機(ICEngine)內燃機的發明與發展Invention&DevelopmentofICEngine1860萊諾依爾大氣壓力式內燃機1876奧托四沖程點燃式內燃機1890奔馳二沖程內燃機1892狄塞爾四沖程壓燃式內燃機1957汪克爾轉子發動機┆現代內燃機1907美國路易斯?雷諾（LouisRenault）

機械增壓發動機1915瑞士阿爾弗雷德?波希(AlfredBuchi)排氣渦輪增壓發動機現代內燃機增壓技術：增壓壓力、溫度、流量排氣溫度、渦輪轉速增壓器電子控制技術內燃機增壓技術的發展大氣壓力式內燃機萊諾依爾（J.J.E.Lenoir)

Otto-Langen發動機NicolausA.Otto(1832-1891)

RudolfDiesel(1858-1913)

現代奧迪W12發動機煤氣。1900年之后，原油中的輕鎦分汽油。威廉?伯爾頓（WilliamBurton）發明了重油熱解技術。通用汽車公司發明了四乙鉛抗爆添加劑，1923年美國開始用作汽油抗爆添加劑。尤金?荷德萊（EugeneHoudry）發明了催化裂化法，既提高了汽油的產量，同時使汽油獲得越來越好的抗爆性。內燃機燃料的進步FuelsforICEngines現代內燃機技術的發展ModernICEngines動力性的不斷提高經濟性的不斷改善有害排放的趨零汽油機的技術進步

（1）基本型:1.6L,直列4缸，自然吸氣，進氣道噴

射，1372kg，6檔-手動變速器（2）縮缸強化（包括使用兩級增壓）下降12%（3）可變氣門機構下降8%（4）降低摩擦損失，優化熱管理下降3%（5）應用高辛烷值燃料如E85下降2%（6）7檔自動變速器下降2%（7）并聯混合動力下降10%2019年車隊燃油耗目標值為95g/km汽油機CO2排放的降低高速柴油機的技術進步（1）2.0L直噴式柴油機，6檔手動變速器，1590kg（2）縮缸強化：從2L到1.6L；采用技術的說明。下降8%（3）減輕自重75kg下降3%（4）起動-停車系統和發電機管理系統下降7%（5）低壓EGR下降1.5%（6）熱管理系統（分開式循環冷卻和全特性曲線場恒溫）下降2%（7）降低摩擦下降3.5%（8）降低轉速下降2.5%柴油機CO2排放的降低排放機理的研究排放法規的建立高效排放后處理系統高效排放后處理系統Roadvehicles:Off-roadvehicles:Railroad:Marine:Stationary:SmallEngines:Aircrafts廣泛應用內燃機的成功之路SuccessesofICEngines成功之源LowcostdensityHighpowerdensityRobustandversatileWellmatchedtocheapavailablehighenergydensitypetroleum-basedfuelsEfficientenoughMetemissionsregulationstodate18第二節中國內燃機工業發展簡史BriefIntroductionofChinaICenginedevelopment

內燃機工業的起步發展階段（1908－1949）內燃機工業的初級發展階段（1950－1979）主要學習內容內燃機工業的快速發展階段（1980－)19內燃機工業的起步發展階段（1908－1949）

Foundation&ElementaryDevelopmentPeriod1901：上海出現由外國人帶入的汽車，外國生產的內燃機作為商品也開始進入我國口岸。1908～1924：我國制造壓縮著火四沖程低速柴油機。1929～1939：高速柴油機1949生產能力為7000kW左右，1908～1949累計生產內燃機不足14萬kW。1949后：上海柴油機廠試制成功110系列柴油機天津動力機廠研制成功4146柴油機上海與天津建立油泵油嘴生產點1956年長春第一汽車制造廠和南京汽車廠建立201957年全國產量達到50萬千瓦，內燃機工業已初具規模。

車船工程機械用135系列柴油機,由仿制到自行設計,到批量生產;農業機械：洛陽第一拖拉機廠、天津拖拉機廠、北京內燃機總廠及65、75、95系列多種小型機等大功率柴油機：12V180、6250Z、6300；1966年文化大革命開始內燃機工業停滯。內燃機工業的初級發展階段（1950－1979）InfantileDevelopmentPeriod211979年十一屆三中全會后，內燃機工業進行了一系列調整整頓工作，為我國內燃機工業快速發展奠定了基礎。引進、消化、吸收，我國內燃機工業全面快速發展。3大汽車公司＋廣汽奇瑞、長安……載重汽車、客車（發動機：濰柴、錫柴、玉柴、云南動力…）農用車2000年起汽油車實施國Ⅰ排放標準，推動了我國汽油機電控噴射和三效催化后處理裝置的應用。2016年，京6與國6之爭，標志著我國的車用發動機的排放標準已基本與國際接軌。內燃機工業的快速發展階段（1980－）FastDevelopmentPeriodAutomobileEnterprises一汽、二汽、上汽、廣汽、北汽長安、奇瑞、江淮、比亞迪、吉利、長城重型汽車：中國重汽、陜汽、福田、北奔等輕型載重汽車（農用車）：客車：宇通、金龍等EngineManufacturers濰柴vs玉柴上柴：上海柴油機廠（上汽）錫柴：無錫柴油機廠(一汽)大柴、朝柴(一汽)云內動力：云南內燃機總廠康明斯發動機（多家）全椒柴油機廠、常州柴油機廠等615、616、617、華柴等407、408、寧波中策摩托車和通用小型汽油機24第三節內燃機的典型構造TypicalICEnginesandTechnologies主要學習內容車用柴油機車用汽油機25二沖程汽油機TwoStroke

SIEngines26優點:結構簡單、零件數少，每缸僅有3個運動零件—活塞、連桿、曲軸；升功率比四沖程高，因為做功次數為四沖程機的一倍；小型輕便的動力裝置。缺點：掃氣損失大；未燃碳氫排放量高；燃油、潤滑油消耗量大。二沖程汽油機TwoStroke

SIEngines27僅有兩個主要運動零件，即三角形轉子與偏心軸。轉子轉動時通過缸體中的進、排氣孔（有時鑄在端蓋中）換氣，燃燒室由缸體與轉子表面型線構成。優點：

結構簡單、緊湊、零部件少，平衡性好，噪聲振動小，高升功率和單位質量功率，高速性能好。缺點：

燃燒室面容比大，燃油消耗率高，HC排放高，低速性能差。汪克爾轉子發動機RotatoryEngine2829基本沒有獨立的車用汽油機的生產企業。各企車一般配套自己的發動機，以方便整車傳動系統的調校和性能開發。車用汽油機SIEngines感謝長安汽車提供的車用汽油機的結構與性能資料301.進氣道噴射汽油機312.缸內直噴汽油機323.混合動力汽油機33車用柴油機CIEngines與車用汽油機相反，獨立的柴油機企業較多，如濰柴、玉柴、云內動力等等，提供乘用車、商用車、非道路等車輛配套使用，其排放性能已國Ⅳ，國VI的也也已完成開發。感謝濰柴、玉柴、云內動力提供的車用柴油機的結構與性能資料34云內動力D19TCI柴油機

35WP10濰柴柴油機

36YC6K12玉柴柴油機

第二章內燃機的性能指標ENGINE

OPERATINGPARAMETERS主要學習內容2.3機械效率與機械損失2.1示功圖與指示性能指標2.2有效性能指標2.4提高內燃機的動力性與經濟性第一節示功圖與指示性能指標示功圖

指示性能指標PressureDiagramandIndicatedParameters主要學習內容利用不同形式的示功器或內燃機數據采集系統來觀察或記錄相對于不同活塞位置或曲軸轉角時氣缸內工質壓力的變化，所得的結果即為p-V示功圖或p-φ示功圖。示功圖PressureDiagram

內燃機缸內壓力數據采集系統上止點

氣缸壓力

進氣行程壓縮行程燃燒膨脹行程排氣行程下止點

上止點

下止點

曲軸轉角/(o)CA0180360540720p－V

壓力示功圖p-VDiagram指示性能指標IndicatedParametersParametersthatarebasedontheworkdeliveredfromthegastothepistonovertheentirecycle.以缸內氣體工質對活塞做功為基礎的性能指標。

活塞完成一個工作循環所獲得有用功（Wi）。指示功的大小可以由p-V圖中閉合曲線所占有的面積求出。+F1F2一、指示功IndicatedWork四沖程非增壓發動機的示功圖jPumpingWork:Intake&ExhauststrokeGrossandPumpingWorkGrosswork:WorkdoneinCompression&Expansionstroke平均指示壓力是指單位氣缸容積一個循環所做的指示功.

二、平均指示壓力(imep)平均指示壓力是一個假想不變的平均壓力作用在活塞上使活塞移動一個行程所做的功等于這個循環的指示功。平均指示壓力是從循環的角度評價發動機氣缸工作容積利用率高低的一個參數。pmip0三、指示功率IndicatedPowerτ：沖程數。四沖程內燃機,τ=4;二沖程內燃機,τ=2單位時間內燃機所做的指示功。四、指示熱效率IndicatedThermalEfficiency發動機的指示功與燃料熱量的比值。單位指示功的燃油消耗量。五、指示燃油消耗率isfc指示性能指標之間的關系第二節有效性能指標內燃機的功率和轉矩有效性能指標EffectiveParameters主要學習內容內燃機的功率和轉矩

EnginePowerandTorqueAirconsumptionrateenginedynamometerFuelconsumptionratetorqueEnginespeedemissions(W)(kW)有效性能指標EffectiveParametersEffectiveParametersthatarebasedontheworkoutputfromcrankshaft.以發動機曲軸輸出功為基礎的性能指標。

平均有效壓力反映了發動機單位氣缸工作容積輸出轉矩的大小。有效平均壓力Brakemeaneffectivepressure,bmep/BMEP升功率從發動機有效功率的角度對氣缸工作容積的利用率作出的總評價標定工況下，發動機每升氣缸工作容積所發出的有效功率。從n

和bmep

兩方面反映了發動機的強化程度。升功率VolumetricPower有效熱效率和有效燃油消耗率BrakeThermalEfficiency,BTEBrakespecificfuelconsumption,BSFC第三節機械效率與機械損失機械效率機械損失低摩擦技術EngineFrictionandMechanicalEfficiency主要學習內容IMPORTANCEBRAKEMEASUREScylinderpressureCrankshaftTorqueTtqINDICATEDMEASURESmechanicalefficiency機械效率MechanicalEfficiency內燃機機械效率大致范圍非增壓柴油機0.78～0.85增壓柴油機0.80～0.92汽油機0.80～0.90機械損失MechanicalLosses活塞和活塞環的摩擦損失 45%~65%整個活塞連桿曲軸機構中的摩擦損失60%~70%氣門機構的驅動損失2%~3%附屬機械的驅動損失10%~20%泵氣損失10%~20%1.缸套與活塞及環組的摩擦損失活塞裙部及環岸與氣缸套之間的摩擦損失活塞環組與氣缸套之間的摩擦損失影響因素：活塞運動速度：Cm潤滑狀態：液體潤滑、邊界潤滑、干摩擦缸內壓力：活塞側推力、環間壓力活塞形狀及表面特性潤滑油2.軸承的摩擦損失主軸承連桿軸承活塞銷凸輪軸軸承其他各種軸承影響因素：流體潤滑狀態軸徑圓周速度軸心軌跡3.流體摩擦損失連桿等往復運動件與空氣、油霧等之間的摩擦損失。曲軸等旋轉運動件與空氣、油霧等之間的摩擦損失。特點:

數值較小。4.驅動附件機構的功率消耗氣門及配氣機構冷卻水泵、機油泵、燃油泵噴油泵、調速器正時齒輪發電機、空壓機、空調壓縮機冷卻風扇5.驅動掃氣泵及增壓器的損失掃氣泵功耗：二行程發動機機械增壓發動機機械損失隨轉速的變化a－泵氣損失

b－活塞及環組摩擦損失

c－氣門機構驅動損失d－附屬機構驅動損失

e－連桿軸承摩擦損失

f－凸輪軸承摩擦損失泵氣損失四沖程發動機在進氣和排氣過程氣體流動阻力所造成的功的損失。泵氣損失歸于機械損失。機械損失的測定MeasurementofMechanicalLosses示功圖法倒拖法油耗線法滅缸法1.示功圖法儀器測錄發動機氣缸內的壓力示功圖，從中計算Pi值測量發動機轉矩和轉速，計算發動機的有效功率Pe

計算Pm=Pi+Pe，計算機械效率誤差：活塞上止點、多缸不均勻性設備：發動機試驗設備、示功圖測量設備等適應性：任何發動機2.倒拖法（Mortoring）發動機運行至正常試驗狀態，倒拖轉換測量給定轉速發動機的倒拖功率：機械損失功率誤差：缸內壓力下降，摩擦損失減少；包含了泵氣損失；傳熱損失。實際結果偏高。設備：電力測功器適應性：低壓縮比汽油機3.滅缸法(Morsetest)穩態工況，測量有效功率Pe；滅缸并恢復轉速，測量有效功率Pe’；重復；計算

誤差：同倒拖，但誤差較倒拖小。設備：多缸機，測功機適應性：非增壓柴油機4.油耗線法(Willansline)中低負荷下的負荷特性試驗作圖（燃油流量與負荷的關系）直線外延至橫坐標，交點值即為平均機械損失功率或壓力誤差：基于ηit不變，誤差較小。設備：一般適應性：不適用于節氣門調節功率的汽油機5.測量方法比較Comparison倒拖法只能用于配有電力測功器的情況，不適用于大功率發動機，而較適用于測定壓縮比不高的汽油機的機械損失。對于非增壓或排氣渦輪增壓柴油機(pb<0.15MPa)，只能用示功圖法、油耗線法來測定機械損失。對于排氣渦輪中增壓、高增壓的柴油機(pb≥0.15MPa)，除示功圖外，尚無其他適用的方法。對于4沖程發動機，除示功圖法外，其他測量方法尚無法排除泵氣功。內燃機低摩擦技術MeasurementofMechanicalLosses低摩擦活塞組技術

活塞裙部非對稱主副推力面、橢圓形狀、二道環密封結構及活塞環的結構優化設計、缸套及活塞的熱變形控制、表面涂層技術等。低摩擦軸承技術

優化連桿大頭和小頭及主軸承的設計，如減小軸頸、軸承寬度和配合間隙等。采用滾動軸承設計的氣門驅動搖臂軸承和凸輪軸軸承等。潤滑劑及表面處理技術

采用合適粘度的多級潤滑油；改進運動副表面加工技術和涂層材料和涂覆技術等。第四節提高內燃機的動力性和經濟性內燃機動力經濟性指標的推算提高內燃機動力經濟性指標的途徑