1、发动机原理发动机原理 汽车工程学院汽车工程学院许广举许广举 Tel：13814972332E-Mail：一一、常用、常用缩写词缩写词ICEInternal Combustion EngineNA-ICENaturally Aspirated ICE自然吸气内燃机自然吸气内燃机TC-ICETurbocharged ICE增压内燃机增压内燃机SI-ICESpark Ignition ICE火花点火内燃机火花点火内燃机CI-ICECompression Ignition ICE压燃式内燃机压燃式内燃机GDIGasoline Direct Injection汽油缸内直喷汽油缸内直喷DIDirect I
2、njection缸内直接喷射缸内直接喷射IDIIndirect Injection间接喷射间接喷射TDCTop Dead CenterBottom Dead CenterBDC构造构造What原理原理WhyWere3W二、原理的重要性二、原理的重要性学习内燃机原理的根本目的：学习内燃机原理的根本目的：2、载货汽车为什么很少用汽油机？、载货汽车为什么很少用汽油机？1、改装、改装CNG和和LPG内燃机为什么动力不佳？内燃机为什么动力不佳？3、柴油汽车为什么冒烟？、柴油汽车为什么冒烟？4、为什么国、为什么国标准推迟实施标准推迟实施？内燃机如何面内燃机如何面对能源与能源与环境两大挑境两大挑战？三、学习
3、方法三、学习方法1、理解且善于思考；、理解且善于思考；2、做好每章的思考题；、做好每章的思考题；3、锻炼分析问题能力；、锻炼分析问题能力；4、注意符号应用和单位换算；、注意符号应用和单位换算；5、做一些笔记；、做一些笔记；6、特别注意对应用性、前沿性问题的了解；、特别注意对应用性、前沿性问题的了解；7、教材和讲课、教材和讲课PPT结合学习。结合学习。1、掌握各种概念；、掌握各种概念；3、掌握、掌握NA-ICE和和TC-ICE示功图的画法，以及各种功的示功图的画法，以及各种功的 表达方法；表达方法；5、掌握、掌握ICE性能指标的测算方法；性能指标的测算方法；6、掌握性能指标的理论推导过程，分析影
4、响性能的主要因素；、掌握性能指标的理论推导过程，分析影响性能的主要因素；2、掌握、掌握ICE的主要评价指标：动力性、经济性和环保指标；的主要评价指标：动力性、经济性和环保指标；7、了解、了解ICE的其它指标。的其它指标。4、了解内燃机了解内燃机的示功图画法；的示功图画法；一、一、ICE评价指标评价指标（一）动力性指标（一）动力性指标定义：定义：ICE对外输出功的能力。对外输出功的能力。表达方式表达方式l转速转速(Revolution or Speed)：工程单位：工程单位：r/min l转矩转矩(Torque)：工程单位：工程单位：Nm l有效功率有效功率 (Brake Effective P
5、ower)：工程单位：工程单位：kW l加权平均功率：加权平均功率：加权平均功率用于工况法测量内燃机的污染物排放中加权平均功率用于工况法测量内燃机的污染物排放中评价指标评价指标l最高转速：最高转速：l最大转矩：最大转矩：l标定功率：标定功率：注意：注意：l标定功率是内燃机可靠运行的最大功率！标定功率是内燃机可靠运行的最大功率！l标定转速不一定是内燃机运行的最高转速！标定转速不一定是内燃机运行的最高转速！（二）经济性指标（二）经济性指标定义：定义：ICE对燃料和润滑油的消耗程度。对燃料和润滑油的消耗程度。表达方式表达方式l燃油消耗率：燃油消耗率：工程单位：工程单位：kg/h l润滑油消耗率：润滑
6、油消耗率：工程单位：工程单位：g/h l有效燃油消耗率有效燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)：工程单位：工程单位：g/(kWh)评价指标评价指标最低有效燃油消耗率：最低有效燃油消耗率：注意：最低有效燃油消耗率指外特性曲线上数值！注意：最低有效燃油消耗率指外特性曲线上数值！（三）环境指标（三）环境指标定义：定义：内燃机的污染物排放和噪声。内燃机的污染物排放和噪声。表达：表达：l四种污染物四种污染物THC、CO、NOx和和PM (Particulate Matter)的排放；的排放；l内燃机的运行噪声。内燃机的运行噪声。评价指标评价指标l四种污染
7、物的比排放量四种污染物的比排放量工程单位：工程单位：g/(kWh)注意：国家标准有详细的污染物排放和噪声测量方法和限值！注意：国家标准有详细的污染物排放和噪声测量方法和限值！l内燃机的最大噪声值内燃机的最大噪声值工程单位：工程单位：dB(A)（四）强化指标（四）强化指标定义：定义：内燃机承受机械和热负荷的能力。内燃机承受机械和热负荷的能力。表达方式表达方式l升功率：升功率：在标定工况下，内燃机单位排量发出的功率。在标定工况下，内燃机单位排量发出的功率。l强化系数：强化系数：在标定工况下，内燃机平均有效压力与在标定工况下，内燃机平均有效压力与 活塞平均速度的乘积。活塞平均速度的乘积。工程单位：工
8、程单位：kW/L工程单位：工程单位：MPa m/s（五）紧凑性指标（五）紧凑性指标定义：定义：内燃机单位标定功率的质量或者体积。内燃机单位标定功率的质量或者体积。表达方式表达方式l比质量：比质量：内燃机干质量与内燃机干质量与标定功率标定功率的比值。的比值。l比体积：比体积：内燃机外廓体积与内燃机外廓体积与标定功率标定功率的比值。的比值。工程单位：工程单位：kg/kW工程单位：工程单位：L/kW各种用途内燃机比较各种用途内燃机比较r/ming/(kWh)kW/Lkg/kWm/sSI摩托摩托车四冲程四冲程500090008113502703070411020轿车NA4500750081235025
9、0356531TC50007000793802805010031载货车2500500079380270203063CI轿车NA350050002024320240203053TC250045002024290240304042载货车NA200040001618240210101594TC200032001517230205152083TC中冷中冷180026001416225195202553注意：注意：现代代货车内燃机多内燃机多为CI-ICE（六）可靠性指标（六）可靠性指标定义：定义：ICE在规定使用条件下正常持续工作的能力。在规定使用条件下正常持续工作的能力。表达方式：表达方式：首次故障里
10、程、平均故障时间间隔、故障率。首次故障里程、平均故障时间间隔、故障率。ICE可靠性试验方法，查看相关国家标准。可靠性试验方法，查看相关国家标准。（七）耐久性指标（七）耐久性指标定义：定义：ICE主要零部件磨损到不能持续工作的极限时间。主要零部件磨损到不能持续工作的极限时间。ICE耐久性试验方法，查看相关国家标准。耐久性试验方法，查看相关国家标准。（八）工艺性指标（八）工艺性指标用于评价用于评价ICE的制造工艺学和维修方便性。的制造工艺学和维修方便性。intakecompressionpowerexhaust四个冲程四个冲程二、工质对活塞作功及示功图（二、工质对活塞作功及示功图（Indicate
11、d Diagram of Work）缸内工质缸内工质曲轴箱内工质曲轴箱内工质TDCBDC由于曲由于曲轴箱内箱内压力不力不变，四冲程内燃机各冲程功四冲程内燃机各冲程功量相互抵消，在示功量相互抵消，在示功图研究中不考研究中不考虑曲曲轴箱工箱工质影响。影响。intakeexhaust压力与运力与运动方向相同方向相同为“+”；相反相反为“”。（一）概念（一）概念活塞运动一个行程，缸内工质对活塞所作的功。活塞运动一个行程，缸内工质对活塞所作的功。压缩和膨胀行程，工质对活塞所作的功。压缩和膨胀行程，工质对活塞所作的功。进气和排气行程，工质对活塞所作的功。进气和排气行程，工质对活塞所作的功。1、冲程功、冲程
12、功2、（循环）动力过程功、（循环）动力过程功3、泵气功（泵气过程功）、泵气功（泵气过程功）4、理论泵气功、理论泵气功无任何损失的泵气功。无任何损失的泵气功。5、泵气功损失（、泵气功损失（Pumping Loss）理论泵气功与实际泵气功的差。理论泵气功与实际泵气功的差。6、（循环总）指示功、（循环总）指示功动力过程功与理论泵气功的代数和。动力过程功与理论泵气功的代数和。7、（循环）净指示功、（循环）净指示功动力过程功与实际泵气功代数和。动力过程功与实际泵气功代数和。示功图：示功图：内燃机缸内工质压力随体积的变化关系。内燃机缸内工质压力随体积的变化关系。TDCBDCEVOIVCIVOEVCEVO：
13、Exhaust Valve OpenIgnitionEVC：Exhaust Valve CloseIVO：Intake Valve OpenIVC：Intake Valve Close冲程（行程）冲程（行程）过程程（二）四冲程（二）四冲程NA-ICE示功图示功图TDCBDCbarcz四个冲程的工质压力为：四个冲程的工质压力为：排气冲程功：排气冲程功：用面积表示：用面积表示：（三）（三）TC-ICE示功图示功图压气机气机涡轮机机空气空气空气空气入口入口入口入口排气入口排气入口排气入口排气入口排气出口排气出口排气出口排气出口空气出口空气出口空气出口空气出口放气放气放气放气阀阀TDCBDCarcz四
14、个冲程的工质压力为：四个冲程的工质压力为：由于由于扫气，气，进气气终点点压力和排气力和排气始点始点压力相同力相同用面积表示：用面积表示：作用：作用：燃烧分析燃烧分析思考：思考：用用 图如何得到图如何得到 图？图？TDCTDCBDCBDCTDC（四）示压图（四）示压图展开示功图展开示功图intakeTDCBDCTDCBDC（五）二冲程内燃机示功图（五）二冲程内燃机示功图排气口排气口进气口进气口扫气口扫气口两个行程完成：两个行程完成：换气、气、压缩、作功、作功SPOIPCIPOSPCEPCEPOTDCBDCEPC:Exhaust Port CloseSPC:Scavenging Port Clos
15、eIPO:Intake Port OpenSPCSPOEPOEPCIPCIPOSPO:Scavenging Port OpenEPO:Exhaust Port OpenIPC:Intake Port CloseSpark缸内工缸内工质曲曲轴箱内工箱内工质TDCBDC（+）（-）面面面面积积：WW1 1面面面面积积：WW2 2缸内工质对活塞作功：缸内工质对活塞作功：曲轴箱内工质对活塞作功：曲轴箱内工质对活塞作功：净指示功：净指示功：一、概念一、概念1、指示指标（、指示指标（Indicated）以工质对活塞做功为计算基础的指标。以下脚标以工质对活塞做功为计算基础的指标。以下脚标 表示表示2、有效指
16、标（、有效指标（Effective）以曲轴对外输出功计算基础的指标。以下脚标以曲轴对外输出功计算基础的指标。以下脚标 表示表示只有与作功有关的指只有与作功有关的指标，存在，存在“有效有效”、“指示指示”问题3、机械损失指标（、机械损失指标（Mechanical）以以ICE本机能量消耗为计算基础的指标。以下脚标本机能量消耗为计算基础的指标。以下脚标 表示表示单位时间内单位时间内 ICE缸内工质对活塞所作的功。缸内工质对活塞所作的功。4、指示功率、指示功率5、有效功率、有效功率单位时间内单位时间内 由由ICE曲轴输出的功。曲轴输出的功。6、机械损失功率、机械损失功率单位时间内单位时间内 ICE本机
17、消耗的能量。本机消耗的能量。单缸每循环工质对活塞所做的功。单缸每循环工质对活塞所做的功。7、（循环）指示功、（循环）指示功8、（循环）有效功、（循环）有效功单缸每循环曲轴对外输出的功。单缸每循环曲轴对外输出的功。9、机械损失功、机械损失功ICE正常运行，单缸每循环本机消耗的功。正常运行，单缸每循环本机消耗的功。机械摩擦损失功；机械摩擦损失功；驱动附件功；驱动附件功；泵气损失功。泵气损失功。10、指示平均压力、指示平均压力(Indicated Mean Effective Pressure,IMEP)单位气缸工作容积所做的指示功。单位气缸工作容积所做的指示功。11、有效平均压力、有效平均压力(B
18、rake Mean Effective Pressure,BMEP)单位气缸工作容积所做的有效功。单位气缸工作容积所做的有效功。12、机械损失平均压力、机械损失平均压力(Mechanical Loss Mean Effective Pressure,MMEP)单缸气缸工作容积单缸气缸工作容积ICE所消耗的能量。所消耗的能量。、表征了内燃机的表征了内燃机的强化程度化程度机型机型 （MPa）四冲程摩托四冲程摩托车内燃机内燃机1.2赛车内燃机（内燃机（NA）1.66赛车内燃机（内燃机（TC）5.6轿车汽油机（汽油机（NA）0.91.41轿车汽油机（汽油机（TC）1.42.0轿车柴油机（柴油机（TC）
19、1.22.12卡卡车柴油机（柴油机（TC）1.12.35大型柴油机大型柴油机1.52.94中型高速柴油机中型高速柴油机1.52.5十字十字头二冲程柴油机二冲程柴油机1.51.82各种各种ICE的平均有效压力比较的平均有效压力比较13、（整机）燃油消耗率、（整机）燃油消耗率ICE单位时间内消耗的燃料质量。单位时间内消耗的燃料质量。14、指示燃油消耗率（、指示燃油消耗率（ISFC）单位时间单位指示功率所消耗的燃料质量。单位时间单位指示功率所消耗的燃料质量。15、有效燃油消耗率（、有效燃油消耗率（BSFC）单位时间内单位有效功率所消耗的燃料质量。单位时间内单位有效功率所消耗的燃料质量。气缸数气缸数循
20、环时间循环时间冲程数冲程数循环喷油量循环喷油量16、活塞平均速度、活塞平均速度表征表征ICE的的强化程度化程度ICE的高活塞平均速度的影响：的高活塞平均速度的影响：高往复惯性引起的机械应力；（高往复惯性引起的机械应力；（）高耐磨损性能；高耐磨损性能；高的热负荷。高的热负荷。分析：分析：ICE最高转速受活塞平均速度限制；最高转速受活塞平均速度限制；加长冲程，必须降低加长冲程，必须降低ICE最高转速；最高转速；采用缩短冲程的方法，可以提高采用缩短冲程的方法，可以提高ICE最高转速。最高转速。机型机型 （m/s）四冲程摩托四冲程摩托车内燃机内燃机22赛车内燃机（内燃机（NA）21.7赛车内燃机（内燃
21、机（TC）27轿车汽油机（汽油机（NA）9.519.8轿车柴油机柴油机12.314.7卡卡车柴油机（柴油机（TC）8.113.1大型柴油机大型柴油机7.012中速柴油机中速柴油机5.39.5十字十字头二冲程柴油机二冲程柴油机5.77.8各种各种ICE的活塞平均速度比较的活塞平均速度比较17、过量空气系数（、过量空气系数（Excess air ratio），相对空燃比），相对空燃比,单位质量的燃料燃烧实际供给的干空气质量与理论完全燃烧单位质量的燃料燃烧实际供给的干空气质量与理论完全燃烧所需的空气量的比值。所需的空气量的比值。国外常用国外常用 表示表示实际空气量，实际空气量，kg/kg空气；空气；
22、理论空气量，理论空气量，kg/kg空气。空气。浓混合气（浓混合气（Rich Mixture）化学计量比混合气（化学计量比混合气（Stoichiometric Ratio）稀混合气（稀混合气（Lean Mixture）19、空燃比（、空燃比（Air-fuel Ratio）混合气中空气质量与燃料质量之比。混合气中空气质量与燃料质量之比。18、燃空当量比（、燃空当量比（Equivalent Ratio）（国外常用（国外常用 AF 表示）表示）欧美国家使用欧美国家使用单位质量的燃料理论上完全燃烧所需的空气质量与实际单位质量的燃料理论上完全燃烧所需的空气质量与实际燃烧所需干空气质量的比值。燃烧所需干空气
23、质量的比值。20、充量系数（容积效率，、充量系数（容积效率，Volumetric Efficiency）单缸每循环实际进入气缸的空气量与按进气状态计算单缸每循环实际进入气缸的空气量与按进气状态计算得到的理论空气量的比值。得到的理论空气量的比值。NA-ICE：大气密度：大气密度TC-ICE：压气机后的空气密度：压气机后的空气密度kJ/kg混合气混合气单位质量的燃料在物理标准状态（单位质量的燃料在物理标准状态（25、0.1MPa）下）下定压、定容完全燃烧所能放出的热量。定压、定容完全燃烧所能放出的热量。21、燃料的低热值（、燃料的低热值（Low Heating Value）低热值低热值H2O为气态
24、为气态22、可燃混合气质量热值（、可燃混合气质量热值（Mixture Heating Value）单位质量可燃混合气的低热值。单位质量可燃混合气的低热值。23、可燃混合气流量、可燃混合气流量单位时间内进入单位时间内进入ICE的新鲜空气质量与燃料质量之和。的新鲜空气质量与燃料质量之和。24、有效效率（、有效效率（ICE的热效率，的热效率，Effective Efficiency）ICE燃料输入热量转化为有效功的程度。燃料输入热量转化为有效功的程度。燃烧效率燃烧效率ICE能量转化过程：能量转化过程：化学能化学能热能热能机械能机械能热力循环热力循环燃烧燃烧有用功有用功内部损耗内部损耗整机燃烧放热率，
25、整机燃烧放热率，J/s；燃料热值，燃料热值，J/g。循环燃烧放热量，循环燃烧放热量，J；循环喷油量，循环喷油量，g；燃烧效率燃烧效率燃空当量比燃空当量比燃烧效率随燃空当量比的变化规律燃烧效率随燃空当量比的变化规律柴油机柴油机汽油机汽油机稀薄燃稀薄燃烧可得到高燃可得到高燃烧效率效率循环效率循环效率工质吸热经过热力循环后，热能转化为机械功的程度。工质吸热经过热力循环后，热能转化为机械功的程度。机械效率机械效率指示功转化为曲轴有效功的程度。指示功转化为曲轴有效功的程度。25、指示效率、指示效率正常运行正常运行时，可忽略燃，可忽略燃烧效率效率对热效率的影响效率的影响二、指标测算二、指标测算台架台架间控
26、制室控制室油耗油耗仪ICE台架试验测量指标：台架试验测量指标：、。由机械效率计算指示指标和机械损失指标。由机械效率计算指示指标和机械损失指标。计算指算指标：l有效指标：有效指标：、；l指示指标：指示指标：、；l机械损失指标：机械损失指标：、。指示指标由机械效率计算得到指示指标由机械效率计算得到三、动力性经济性指标的理论算式三、动力性经济性指标的理论算式目的：目的：理论推导动力性、经济性指标，分析提高性能的措施。理论推导动力性、经济性指标，分析提高性能的措施。掌握推掌握推导过程程三、影响因素分析三、影响因素分析（一）动力性分析（一）动力性分析高高热效率效率高混合气高混合气热值高充量系数高充量系数大排量大排量增增压中冷中冷小冲程数小冲程数多缸多缸高高转速速采用高热值燃料；采用高热值燃料；（二）经济性分析（二）经济性分析提高热效率。提高热效率。ICE的评价指标；的评价指标；ICE的示功图及其各种功的表达方法；的示功图及其各种功的表达方法；各种概念；各种概念；性能指标的测算；性能指标的测算；性能指标理论表达式的推导；性能指标理论表达式的推导；性能指标影响因素分析。性能指标影响因素分析。
