高等内燃机概论1

大学课件：内燃机一、引言内燃机是一种将燃料在气缸内燃烧产生的高温高压气体直接作用于活塞，将热能转化为机械能的热力发动机。

作为一种重要的动力机械，内燃机在交通运输、农业机械、工业设备等领域具有广泛的应用。

本课件旨在对内燃机的基本原理、分类、工作过程、性能指标及未来发展进行详细阐述，以期为大学生提供全面、系统的内燃机知识。

二、内燃机的基本原理与分类1.基本原理内燃机的基本原理是将燃料和空气混合后在气缸内燃烧，产生高温高压气体推动活塞运动，进而驱动曲轴旋转，完成热能向机械能的转换。

内燃机的工作循环包括进气、压缩、燃烧、排气四个过程。

2.分类内燃机按燃料类型可分为汽油机、柴油机、天然气发动机等；按气缸排列方式可分为直列式、V型、水平对置式等；按冷却方式可分为水冷式和风冷式。

三、内燃机的工作过程1.进气过程进气过程是活塞由上往下运动，气缸内形成负压，吸入新鲜空气和燃油混合物的过程。

进气门开启，排气门关闭。

2.压缩过程压缩过程是活塞由下往上运动，将吸入的混合气压缩，使其温度和压力升高。

此时，进气门和排气门均关闭。

3.燃烧过程当混合气压缩到一定程度时，火花塞产生电火花点燃混合气，产生高温高压气体推动活塞向下运动。

此时，进气门和排气门均关闭。

4.排气过程排气过程是活塞由上往下运动，将燃烧后的废气排出气缸。

此时，排气门开启，进气门关闭。

四、内燃机的性能指标1.功率功率是内燃机输出的能力，通常用马力（hp）或千瓦（kW）表示。

功率与发动机转速和扭矩有关。

2.扭矩扭矩是内燃机输出的力矩，通常用牛·米（N·m）表示。

扭矩与发动机功率和转速有关。

3.燃油消耗率燃油消耗率是指内燃机在单位时间内消耗的燃油量，通常用克/千瓦时（g/kW·h）表示。

燃油消耗率越低，发动机的经济性越好。

4.排放性能排放性能是指内燃机排放的废气中含有的有害物质浓度，如二氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等。

排放性能越好，对环境污染越小。

高等内燃机学一、内燃机工作原理内燃机是一种将燃料在有限空间内燃烧，将化学能转化为热能和机械能的装置。

内燃机通常由曲柄连杆机构、燃烧室、冷却系统、润滑系统等组成。

内燃机根据燃料种类、工作方式、进气方式等可以分为汽油机、柴油机、燃气轮机等。

二、内燃机燃烧与排放内燃机燃烧过程是实现能量转换的关键环节，而排放物则是燃烧过程的副产品。

汽油机和柴油机采用不同的燃烧方式，如点燃式和压燃式。

在燃烧过程中，燃料与空气混合、点燃、燃烧、排放等过程需要经过深入的研究和优化，以实现高效的能量转换和减少环境污染。

三、内燃机传热与热负荷内燃机在工作过程中会产生大量的热量，这些热量需要通过冷却系统进行散发，以防止发动机过热。

传热过程涉及到热传导、热对流和热辐射等三种方式，需要对发动机的散热性能进行深入研究和优化。

热负荷是发动机性能的重要指标之一，需要根据发动机类型、用途和工作条件来确定。

四、内燃机性能优化内燃机性能优化是提高发动机效率、降低油耗、减少污染物排放的重要手段。

性能优化包括多个方面，如进气系统优化、压缩比优化、配气机构优化等。

此外，还可以采用先进的燃烧室设计、新型燃料等手段来提高内燃机的性能。

五、内燃机振动与噪声内燃机在工作过程中会产生振动和噪声，这些因素会影响乘员的舒适性和机器的可靠性。

振动的来源包括燃烧过程的不稳定、曲轴的不平衡等，而噪声则来自于进气、排气和风扇等部位。

减震器和隔音材料是解决这些问题的重要手段，同时还需要对发动机结构进行优化，以减少振动和噪声的产生。

六、内燃机结构强度与疲劳内燃机结构强度和疲劳是影响发动机可靠性和寿命的重要因素。

在发动机工作过程中，各部件会受到周期性的载荷作用，这些载荷会导致部件产生疲劳裂纹和断裂等问题。

为了提高发动机的可靠性和寿命，需要对发动机结构进行优化，采用高强度材料和抗疲劳设计等手段。

七、内燃机材料与制造工艺内燃机所使用的材料和制造工艺对发动机的性能和可靠性有着重要影响。

《内燃机学》习题集第一部分内燃机学(Ⅰ)（理论学时：72学时）第一章概论（2学时）一、内容1. 内燃机简史2. 内燃机的发展第二章内燃机的工作指标（5学时）一、内容1. 内燃机指标体系2. 内燃机指示性能指标3. 内燃机有效性能指标4. 内燃机热平衡5. 提高内燃机动力性能与经济性能的途径二、填空题1.内燃机指标体系中主要有⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽等几类指标。

2.内燃机强化指标主要有：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽、⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽等。

3.造成内燃机有效指标与指示指标不同的主要原因是⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。

4.平均有效压力可以看作是一个假想不变的力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程所做的⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。

5.在标定工况下，高速四冲程柴油机的有效燃油消耗率的一般范围为g/kW.h。

6.汽油机有效效率的一般区间为：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽；柴油机有效效率的一般区间为：⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽。

7.从内燃机示功图上可以得到的信息包括：、、等。

8.增压柴油机的示功图与非增压相比，主要不同点有：、等。

9.什么动力机械应该用持续功率？；什么动力机械应该用十五分钟功率？。

10.给出几个能反映普通汽油机特点的性能指标值：、、等。

11.内燃机的指示指标是指工质对做功为基础的指标；指示功减有效功等于。

12.平均指示压力是一个假想不变的压力，这个压力作用在活塞顶上，使活塞所做的功。

13.发动机转速一定，负荷增加时，机械效率。

14.测量机械损失的方法主要有几种。

15.内燃机中机械损失最大的是：。

16.活塞和活塞环的摩擦损失大约占机械损失功率的％。

17.机械损失的测量方法有：、、等。

汽油机缸内直喷对于一台汽油发动机来说，将汽油送入气缸，并与空气混合，再使油气混合物充分燃烧才能获得强大的动力，因此油气混合技术也是发动机的关键之一。

在经历了化油器、单点电喷、多点电喷技术阶段之后，油气混合技术终于进入了直喷时代，越来越多的车型开始采用直喷发动机。

（一）分层燃烧和均质燃烧缸内直喷（GDI）燃烧可实现直喷发动机有两种燃烧模式：分层燃烧和均质燃烧。

在一般的正常行驶状态下，发动机处于低速或中速运转的工况下，采用分层燃烧模式，此时节气门为半开状态，空气由进气管进入气缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。

当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃混合气，此时只有火花塞周围状态较好的油气混合体被点燃，这时周围的新鲜空气以及来自废气再循环的气体形成了很好的隔热保护，减少了缸壁散热，提升了热效率，大大降低了燃油消耗和尾气排放。

这种模式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。

当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入气缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。

发动机处于较为激烈的运转工况下，采用均质燃烧状态，燃烧室内充满均匀的油气混合物，促进燃油充分燃烧，充分的燃烧以提供强劲的动力。

燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。

FSI发动机具有以下优点：1）燃油经济性提高，部分负荷经济性改善可达30%～50%，一般为20%，并相应降低CO2排放；2）由于燃油直接喷射到缸内，发动机瞬态相应改善；3）启动时间短；4）冷启动HC排放改善。

FSI发动机燃油经济性的改善主要归功于：1）混合气采用变质调节，无节气门装置，泵气损失降低；2）部分负荷使用稀混合气，混合气等熵指数κ增加；3）燃油缸内早期喷射，燃油蒸发吸热使进气温度下降，充量系数提高；4）燃油蒸发使末端混合气温度降低，许用压缩比提高；5）分层混合气燃烧，外围空气起到隔热层的作用，避免传热损失降低。

《内燃机学》课后习题答案（第4版）第一章概论1-1.内燃机发明对工业进程的影响。

①内燃机的发明，既给传统的动力机械创造了新的动力源，又推动了一大批新兴工业产业（例如交通运输、发电、工程机械等）落地生根，在一定程度解放了生产力，促进了人类工业文明的发展。

②内燃机的发明，带动了包括石油炼制、钢铁、汽车等一大批上下游企业的产生与发展，给国民经济发展创造了新支柱，并推动很多国家走上了工业化道路。

1-2.内燃机燃料和润滑油对内燃机技术进步的影响。

①内燃机的燃料众多，常见的有汽油、柴油、煤油、气体燃料等，不同的燃料物理化学性质不同，对内燃机的要求也不同，根据内燃机的实际工作情况合理选择不同的燃料，不仅可以提高内燃机的动力性、经济性，降低排放，还能带动内燃机新型燃烧技术的发展与完善。

②内燃机内部的摩擦副众多，工作时的摩擦损失不仅会降低内燃机的机械效率，还会加剧零部件的摩擦，降低内燃机寿命。

采用润滑油对关键零部件进行润滑，对于提高内燃机效率、延长寿命极为重要。

1-3.内燃机引进技术消化和吸收存在的问题。

国外内燃机于1901年开始进入中国市场，随后中国的一些工厂开始借鉴仿制，经历了由单缸到双缸，由低速到高速的过程。

新中国成立后，我国通过自主研发、仿制和接受援建，成立了一大批内燃机骨干企业，内燃机工业初具规模。

20世纪60年代，我国的内燃机由仿制转为自主研制生产，由小批量生产转为大批量生产，功率大大提高，并逐渐在农业、发电、船舶等领域得以应用。

20世纪80年代后，内燃机行业进行了一系列调整和改革，技术水平有所提高，很多合资企业出现，新型内燃机的研制受到重视，并逐渐融入了世界内燃机工业体系。

1-4.车用内燃机发展技术分析。

内燃机作为一种热动力装置，发明之初人们更倾向于它的动力性能与热效率，前期的一系列改进与创新也主要围绕效率和动力性能展开，并逐渐对其他方面的性能进行优化。

经历了一个半世纪的发展，在燃烧理论的指导下，通过材料、机械加工、燃料、电控等技术的发展与完善，其动力性、经济性、耐久性等技术指标的强化程度不断提高，满足了绝大部分固定和移动用途的要求，取得了广泛的应用。

内燃机噪声与控制一、前言随着人类社会工业的不断发展，噪声这种公害日趋严重，对人类活动和环境造成了严重的影响。

对城市环境噪声影响最大的是各种声强起伏很大的非稳态噪声，起主要影响作用的是交通噪声，而内燃机作为各种交通运输工具的主要动力，是城市环境噪声的主要来源。

内燃机的噪声污染不同程度地危害和影响了人们的健康、休息和正常工作，已成为世界各国城市和工矿企业一种严重的环境污染。

因此，国内外都制定了许多有关噪声控制的标准和法规，噪声控制已成为保证内燃机产品的一项重要的质量标准，并直接影响到创造优质产品以及产品在市场的竞争力。

所以内燃机噪声控制问题日益受到人们的重视。

二、内燃机的噪声源根据内燃机的工作原理、工作状态及声学理论，可将内燃机的主要噪声源分为3种：空气动力性噪声、机械噪声、燃烧噪声。

空气动力噪声主要包括进气噪声；排气噪声是内燃机中最大的噪声源；风扇噪声在风冷内燃机中也是主要噪声之一。

而机械噪声又有活塞敲击噪声、配气机构噪声、齿轮噪声和喷油泵噪声等。

通常把机械噪声和燃烧噪声又合称为表面辐射噪声。

三、内燃机噪声及控制主要措施声源控制是降低噪声的最直接有效的方法，因此降低内燃机噪声的主要措施要从噪声的声源入手，首先要查明各噪声源中最大的噪声成分和特性，然后通过相关技术有针对性的采取相关措施将噪声尽可能降至最低程度。

1 燃烧噪声及控制燃烧噪声主要是由于气缸在燃烧过程产生的结构震动和气缸内气体压力剧烈变化引起的，包括动力载荷变化及冲击波引起的高频振动。

影响因素及控制（1）燃烧室结构：内燃机的燃烧室结构形式及整个燃烧系统的设计对燃烧室压力升高率，最高燃烧压力和气缸压力频谱曲线都有明显影响，对燃烧噪声的影响很大，柴油机影响效果更大。

由此可见降低气缸压力为有效控制燃烧噪声的方法之一，资料表明采用低噪声的燃烧室即半开式燃烧室为优选。

（2）压缩温度和压力：提高压缩比可以提高压缩终了的温度和压力，从而缩短滞燃期，降低压力升高率，使燃烧噪声降低。

2004第一章内燃机的历史（9课时）第一节发动机的诞生一．蒸汽机的诞生二．内燃机的诞生第二节内燃机效率的追求一．“卡诺循环”理论（卡诺循环、奥托循环、迪赛尔循环、双烧循环。

工作、应用、效率特点）二．绝热发动机（设想、问题：可靠性、效率）三．绝热复合式发动机（提高效率的设想、措施）四．节能的X 车第三节内燃机可靠性追求一．早期可靠性问题二．润滑问题（活塞环-缸套工作可靠性、润滑、油膜、密封、磨损问题）三．提高发动机寿命的主要技术突破四．热负荷问题（热应力与降低措施）第四节不同年代的技术标志第五节追求效率的机型一．斯特林发动机（效率高的原因、特点）二．回热式发动机（回热式发动机提高效率思路与措施）第二章内燃机的发展（12课时）第一节柴油机的发展一．柴油机的优势（概念）二．柴油机的劣势（概念）三．柴油机排放治理思路（思路与主要措施组合）第二节载重车辆柴油机低排放技术一．载重柴油机评价指标的变化趋势二．满足排放法规要求需开发的技术三．达到各阶段排放要求应采用的技术（主要结论与措施组合）第三节提高经济性、降低排放的措施一．工作循环（Miller循环、阿特金森循环）二．换气（配气相位、进气涡流可变的益处与有关变化规律）三．供油（实现高压问题，高压共轨优点、问题、多次喷射）四．点燃燃烧（定义、特点、问题）1．研究重点2．滚流和斜滚流3．分层充气和稀燃4．缸内直喷5．放热率计算（R-W多变指数法概念）五．压燃燃烧1．直喷式柴油机燃烧技术进展2．放热率计算3．新型燃烧方式（MK(低温)燃烧方式、HCCI）4．燃烧匹配（喷油、缸内气流与燃烧室）5．燃料（柴油重整、燃料设计）第二节过渡工况与柔性发动机一．内燃机的使用工况（起动工况）二．柔性内燃机第三章内燃机故障诊断（4课时）（基本概念）第一节故障诊断及内容一．故障诊断技术二．故障诊断内容（基本概念：关键环节、检测参量、特征信息、特征分析、状态监测、故障诊断）第二节特征分析（基本概念）一．幅域法二．时域法三．频域法第三节状态识别（对比分析法、模型分析法、模糊诊断法）一．模糊诊断法第四章内燃机可靠性（8课时）第一节可靠性的基本概念一．可靠性、可维修性与可用性二．可靠度函数与故障率曲线（故障率与典型故障率曲线）三．可靠性设计中的常用概率分布（常用概率分布的特点与适用性）第二节零件强度可靠性一．概述二．可靠性设计的干涉理论三．零件静强度的可靠性分析举例四．零件疲劳强度的可靠性分析第三节系统可靠性一．典型系统的可靠性（典型系统的可靠性（串、并、混、表决、储备））二．一般系统的可靠性分析（一般系统的可靠性分析（状态枚举法、全概率公式分解法））三．故障模式与结果分析（FMEA）四．故障树分析法（FTA）（故障树分析法（一般概念、故障树的建立（步骤）与特点、结构函数、最小割集（关系）、利用故障树的可靠性计算方法））第四节内燃机可靠性试验第五章三次设计（10课时）（基本概念、目的、特点）第一节概念一．产品的质量（产品的质量）二．质量损失函数（质量损失函数、正态分布下的质量损失函数、意义）三．质量因素与质量特性值（望目、望小与望大特性）四．三次设计（概念与机理）（三次设计（概念与机理））第二节设计基础一．方差设计（目的、方法）二．回归分析（目的：趋势预测、可控线形项分离）三．正交试验设计（目的，正交性：试验点均衡分散、整齐可比）四．容差设计（容差的确定方法；目的：谋求质量和成本的平衡）第三节静态问题三次设计一．信噪比（SN意义、优点，望目、望小、望大特性的SN））二．三次设计步骤（基于试验或计算）（三次设计步骤）三．静态问题三次设计应用。

高等内燃机原理答案整理-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第一章第二章思考题1．分析上止点误差对内燃机工作过程分析的影响，有几种确定上止点的方法，倒拖示功图法为什么要考虑热力损失角的影响。

给出一种确定上止点方法的步骤。

P9~13步骤按照1.静态测定法的步骤NO3．直喷式柴油机以动力性、经济性为优化目标和以动力性、经济性、排放x和噪声综合性能为优化目标组织燃烧有什么不同，试分析之。

P24~25 图6．采用稳流气道实验台能进行哪些零部件性能试验试验中测量哪些参数，简介测量方法，用哪些量来评价系统的进气性能进、排气管，气缸盖，消声器等；测量方法：等压差法，等流量法（分别简述）P35~36试验中测量的参数：气门升程、气道流动压力降△P1、气体的体积流量Q、风速仪转速n D，流动气体温度t评价参数：P368．汽油机和直喷柴油机采用四气门后，试从影响性能的诸方面探讨与两气门相比有何优点和存在的缺点。

(结合第2、3、5等章内容综述)P42、待完善第三章第四章思考题φ特性场）会取得怎样的汽油2．使用理想的空燃比特性场（或过量空气系数a机性能P62对汽油机而言过浓或过稀混合气....1.1~1.3之间（性能）；按负荷、转φ的较理想的特性场？（它是综合考虑动力性、经济速变化分析图3-6为什么说是a性、排放性能得出的，当在小负荷，低转速时，为了保证怠速稳定性及起动和加速，应适当加浓混合气0.8~0.9；当汽油机在部分负荷范围内运行时，应供给较稀的混合气1.05~1.15，当发动机在大负荷、高转速运转时，也需要较浓的混合气α模式0.85~0.95）电喷汽油机为什么不采用图3-6模式，而在大部分工况用闭环1≈控制（内燃机学99或高等内燃机原理P62）11.简述汽油机电控喷油的喷油量控制的实现方法？电控器根据发动机转速和表示发动机负荷的空气流量决定喷油脉宽的基本值，冷却液温度、进气温度等都是用来对喷油脉宽修正的条件参数。