高等内燃机概论课件.ppt

高等内燃机概论,汪洋,内容,第一讲.内燃机基本概念及基本结构第二讲汽油机的结构原理及电喷系统第三讲柴油机的结构原理及高压共轨技术第四讲内燃机的热点技术 均质压燃HCCI 汽油机缸内直喷GDI 代用燃料技术,第一讲内燃机的基本概念和基本结构,1、什么是内燃机2、内燃机发展史3、内燃机技术和理论的发展方向4、内燃机的工作原理和结构5、内燃机的热力循环6、内燃机的性能指标7、内燃机产品名称和型号编制规则,一、什么是内燃机？,电能转化转化为机械能的装置电动机,风能转化为机械能的装置风力发动机（风车）,1、能将燃料的化学能转化为机械能的发动机,水势能或动能转化为机械能的装置水力发动机（水轮机）,液压能转化为机械能的装置液压马达,2、先通过燃烧方式将化学能转换成热能，再转化成机械能 化学能热能机械能,化学能机械能的直接转换,动物的肌肉，人工肌肉,化学能电能机械能转换 电动汽车,3、燃烧是在汽缸内完成的,燃料在汽缸外燃烧外燃机,蒸汽机在锅炉内燃烧,蒸汽轮机无汽缸，在锅炉内燃烧,燃气轮机无汽缸，在燃烧室内燃烧,喷气式发动机无汽缸，在燃烧室内燃烧,斯特林发动机在热交换器外燃烧,不能持续进行的热机： 枪炮发射弹药的过程,4、这一过程能持续进行,因此，内燃机的定义可以总结为：通过燃料在汽缸内燃烧的，完成化学能热能机械能持续转换的发动机,简称：内燃机涉及的知识：化学、热力学、流体力学、传热学、机械、运动学、力学、电子、材料,第一讲内燃机的基本概念和基本结构,1、什么是内燃机2、内燃机发展史3、内燃机技术和理论的发展方向4、内燃机的工作原理和结构5、内燃机的热力循环6、内燃机的性能指标7、内燃机产品名称和型号编制规则,二、内燃机发展史发展过程：蒸汽机-煤气机-汽油机-柴油机在古代使用风力和水力作为动力；1700年英国人妞卡姆制成了直立气缸蒸汽机；1763年英国人瓦特改良了妞卡姆蒸汽机（三次革新，21年）1814年1829年英国人司蒂芬生制成蒸汽机车1860年法国人勒纳仿蒸汽机制成煤气机1876年德国人奥托创造了按等容燃烧的四冲程煤气机,1883年英国人司派尔仿奥托四冲程煤气机创造汽油机。1885年汽油机得到广泛应用，1887年第一台汽油机汽车制成。柴油机的发明创造沿以下两个方向进行：1.改进汽油机故障，特别是防止早燃的实用方向进行：斯托尔特2.从提高汽油机的热效率、提高压比、到达自燃的理论研究着手：班克和狄塞尔。1897年创造柴油机成功，1898年柴油机作为商用出售。,内燃机的竞争对手,如果从1860年法国人勒纳制成煤气机算起，内燃机已经149岁高龄了。在内燃机技术的发展过程中，遭遇许多竞争对手。但是至今在车载动力领域，内燃机仍然占据绝对的主导地位。,蒸汽机热效率低（9%）、功率密度低，被内燃机淘汰,燃气轮机热效率低（30%）、成本高，不适合汽车使用,斯特林发动机功率密度低，效率低，不适合在汽车中推广,纯电动汽车技术功率密度低，续航里程小,燃料电池汽车技术使用氢气作为燃料，携带性、续航能力差混合动力汽车动力的发展方向,第一讲内燃机的基本概念和基本结构,1、什么是内燃机2、内燃机发展史3、内燃机技术和理论的发展方向4、内燃机的工作原理和结构5、内燃机的热力循环6、内燃机的性能指标7、内燃机产品名称和型号编制规则,三、内燃机技术的发展方向,1、进一步提高功率密度提高转速、进气增压、轻量化，目标1Kw/L,2、降低燃油消耗燃烧过程合理组织、新型燃烧过程、降低摩擦损耗 目标：50%,3、降低有害排放燃烧过程（机内净化）、尾气后处理（机外净化）,4、降低噪声、改善音质,措施：1、结构优化设计2、先进材料的应用3、精密制造4、先进技术的应用： 增压中冷、废气再循环、催化器5、电控可变技术 电控喷射、可变点火、可变气门升程、可变气门相位、可变喷嘴增压器、可变进气管,我国内燃机技术与国外的差距,功率密度、燃油消耗、有害排放、噪声、音质,设计能力上的差距材料上的差距制造工艺上的差距制造过程管理上的差距,我们的责任就是通过直接或间接的研究，缩短设计方面的差距,好的设计,先进的性能指标,降低材料的要求,降低工艺性要求,降低成本,第一讲内燃机的基本概念和基本结构,1、什么是内燃机2、内燃机发展史3、内燃机技术和理论的发展方向4、内燃机的基本工作原理和结构5、内燃机的热力循环6、内燃机的性能指标7、内燃机产品名称和型号编制规则,内燃机理论研究的瓶颈问题,目前使用的湍流NS方程，实际上属于经验公式目前的化学反应动力学，只能近视模拟8个碳原子所组成的燃料分子的氧化反应发展方向：建立反映原子行为的化学反应动力学，建立反映分子行为的（流体力学、热力学、传热学）前提：超级计算机的出现,4、内燃机的基本工作原理和构造,第一节 内燃机的分类1、从结构上可分为往复活塞式和旋转活塞式两种。2.往复活塞式内燃机，可根据每一个工作循环所需活塞行程数来分类： 四冲程发动机 （往复四个单程完成一个工作循环） 二冲程发动机 （往复二个单程完成一个工作循环）,3. 根据所用燃料种类分： 汽油燃料发动机 柴油燃料发动机 甲醇、乙醇、液化石油气发动机4.根据冷却方式分：水冷式 风冷式5.按气缸数分类：单缸发动机 多缸发动机6. 增压发动机 非增压发动机,7、根据燃烧模式 1）均质充量火花点燃 2）非均质充量火花点燃（缸内直喷汽油机） 3）均质充量热面点燃 3）非均质充量压燃（柴油机） 4）均质充量压燃（HCCI）,第二节 内燃机的基本结构和术语,往复式内燃机的基本结构,基本术语1、上死点、下死点、 活塞行程2、气缸工作容积Vs3、内燃机的排量 所有气缸工作容积的总和4、燃烧室容积Vc5、气缸总容积 Va= Vs +Vc6、压缩比7、工况 内燃机在某一时刻的运行状况简称为工况。以该时刻内燃机输出的有效功率或转矩及其相应的曲轴转速表示。,第三节 四冲程发动机工作原理,对于往复活塞式内燃机，曲轴每转两圈，活塞往复运动四次完成进气、压缩、作功、排气一个工作循环，称为四冲程内燃机。四冲程内燃机每一个活塞行程内只进行一个过程。,单缸柴油机的工作过程,四冲程柴油机的示功图,四冲程汽油机的工作原理,第五节 二冲程内燃机的工作原理,曲轴每旋转一周，活塞上下往复运动一次，完成进气、压缩、作功和排气一个工作循环的往复活塞式内燃机称为二冲程内燃机,1、二冲程柴油机的工作原理第一行程称为：换气压缩过程。第二行程也称：膨胀换气过程,2、二冲程汽油机的工作过程,二冲程内燃机的示功图,4、二冲程内燃机的特点,1）相同曲轴转速，工作次数是四冲程的2倍，实际功率是四冲程的1.5-1.7倍；2）输出扭距均匀；3）结构简单，可靠性好，维护方便；4）换气时间短，不彻底，短路，经济性差，排放差,第六节 发动机的总体构造 发动机是一部由许多机构和系统组成的复杂的机器。 下面以东风EQ1090E型汽车用的EQ61001发动机为例，介绍四冲程汽油机的一般构造。 1、 机体组：缸盖、气缸体、油底壳 作用：作为发动机各机构、系统的装配基体，而且本身又分别是曲柄连杆机构、配气机构、供给系、冷却系和润滑系的组成部分。气缸盖和气缸体的内壁组成燃烧室的一部分，是承受高温、高压的机件。 2、曲柄连杆机构：活塞、连杆、带有飞轮的曲轴。 作用：是发动机借以产生动力，并将活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力的机构。 3、配气机构：进、排气门，挺柱、推杆、摇臂、凸轮轴，以及凸轮轴正时齿轮。 作用：使可燃混合气及时进入气缸并及时从气缸排出废气。,4、供给系：汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进气管、排气管、排气消声器。 作用： 汽油和空气混合成可燃混合气供入气缸，以供燃烧并将燃烧生成的废气排出发动机。5、点火系：蓄电池、发电机、分电器、点火线圈、火花塞。 作用：保证按规定时刻点燃气缸中被压缩的混合气。6、冷却系：水泵、散热器、风扇、分水管、气缸体放水阀、气缸体和气缸盖里铸出的空腔水套等。 功用：把受热机件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。7、润滑系：机油泵、集滤器、限压阀、润滑油道、机油粗滤器、机油细滤器、机油冷却器、 功用：减少摩擦阻力，减轻机件磨损，冷却、清洗摩擦表面。8、起动系：起动机及附属装置。 功用：使静止的发动机起动并转入自行运转。,曲柄连杆机构 功用：把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的扭转，以向工作机械输出机械能。 分成三组：机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组。 工作条件的特点：高温、高压、高速和化学腐蚀。 受力情况：气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及外界阻力等。其中摩擦力相对较小，在进行分析时可忽略。 气体作用力：主要研究作功和压缩行程中气体作用力。 在工作循环的任何行程中，气体作用力的大小都是随活塞的位移而变化的，再加上连杆在左右摇摆，因而作用在活塞销和曲轴轴颈的表面以及二者的支承表面上的压力和作用力点不断变化造成各处磨损的不均匀性。同样，气缸壁沿圆周方向的磨损也不均匀。,第一讲内燃机的基本概念和基本结构,1、什么是内燃机2、内燃机发展史3、内燃机技术和理论的发展方向4、内燃机的工作原理和结构5、内燃机的热力循环6、内燃机的性能指标7、内燃机产品名称和型号编制规则,第五节 内燃机的热力循环,1、内燃机的理论循环1）混合加热循环由定容加热、定压加热两个过程组成,P-V图 T-S 图,混合加热循环的热效率，随压缩比、压力升高比 的增大而增大，随初期膨胀比的增大而减小。,2）定容加热循环，又叫奥托循环上式中1低速发动机、HCCI发动机,压缩比对热效率的影响,绝热指数K,压力升高比T和初期膨胀比,2、内燃机的实际循环1）工质变化的影响 在理论循环中，假定工质为空气，而在实际循环中，燃烧前的工质是新鲜空气与上一循 环残留废气的混合物，燃烧后的工质变为燃烧产物燃气。 比热容增大。2）换气损失,3）传热损失4）燃烧损失（1）时间损失（2）燃烧效率损失5）气流运动及漏气损失,综合结果：对于柴油机，实际热效率是理论热效率的70,内燃机的热平衡,1、Qb=Qc+Qw+Qr+Qs 其中：Qb燃料放出的热量Qc转化为有效功的热量Qw冷却带走的热量Qr_废气带走热量Qc余项热量损失,1、燃料放出的热量2、冷却介质带走的热量3、排气热损失,QwGw,余项热损失 余项热损失包括驱动内燃机辅助机构的能量消耗、不完全燃烧、辐射以及其他未计及的热量损失。,内燃机热流图a一从残余废气和排气中回收的热量；b一自气缸壁传到进气的热量；c一排出废气传给冷却水的热量；d一在摩擦热中传结冷却水的部分；e一从排气系统辐射的热量；f从冷却系统和水套壁辐射的热量；g从曲轴箱壁和其他不冷却部分辐射的热量。,第一讲内燃机的基本概念和基本结构,1、什么是内燃机2、内燃机发展史3、内燃机技术和理论的发展方向4、内燃机的工作原理和结构5、内燃机的热力循环6、内燃机的主要性能指标7、内燃机产品名称和型号编制规则,第七节 发动机主要性能指标与特性 发动机的主要性能指标有： 动力性指标（有效转矩、有效功率、转速等） 经济性指标（燃油消耗率） (3)排放指标（碳氢，一氧化碳、氮氧化物、微粒）,有效转矩：发动机通过飞轮对外输出的转矩称为有效转矩，以Te表示，单位为Nm。有效功率：发动机通过飞轮对外输出的功率称为发动机的有效功率，用Pe表示，单位为KW。 式中：Te有效转矩，N.m; n曲轴转速，r/min额定功率和额定转速：发动机产品铬牌上标明的功率及转速称为额定功率和额定转速。,Gf发动机单位时间耗油量，kg/kWh，（由试验测定）;Pe发动机有效功率，kW。,燃油消耗率：发动机每发出1kW有效功率，在1h内所消耗的燃油质量（以g为单位）称为燃油消耗率，用ge表示。,发动机速度特性：指发动机功率，转矩和燃油消耗率三者随转速的变化规律。发动机外特性：当节气门开到最大（或油门拉到最大位置）时所得到的速度特性曲线。部分特性：节气门（或油门）在其它开度时的速度特性。,负荷特性：当发动机速度不变时，发动机功率，转矩和燃油消耗率等指标谁发动机负荷（功率、扭距、平均有效压力）的变化,内燃机的万有特性,发动机工作状况（简称工况）：一般是用它的功率与曲轴转速来表征，有时也可用负荷与曲轴转速来表征.,第一讲内燃机的基本概念和基本结构,1、什么是内燃机2、内燃机发展史3、内燃机技术和理论的发展方向4、内燃机的工作原理和结构5、内燃机的热力循环6、内燃机的主要性能指标7、内燃机产品名称和型号编制规则,第八节内燃机产品名称和型号编制规则 （GB72582）该标准的主要内容： 1内燃机产品名称均按所采用的燃料命名，如：柴油机、汽油机、煤气机、沼气机、双（多种）燃料发动机等。 2内燃机产品型号由阿拉伯数码和汉语拼音字母组成。 3内燃机型号由下列四部分组成： 首部：为产品系列符号和换代标志符号，由制造厂自选。 中部：由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号和缸径符号组成。 后部：结构特征和用途特征符号，以字母表示。 尾部：区分符号。同一系列产品因改进等原因需要区分时，由制造厂用适当符号表示。,思考题,1、与四冲程内燃机相比，二冲程内燃机有哪些特点。2、简述内燃机的结构组成。3、写出内燃机混合加热循环的理论热效率公式，说明各参数（压缩比、压力升高比、初期膨胀比、绝热指数）对热效率的影响。4、论述内燃机实际循环热效率比理论循环热效率低的原因。参考文献：陆耀祖主编，内燃机构造与原理中国建筑工业出版社，20041,