内燃机工程基础(第2版)

第1章 概述

1.1 引言

1.2 早期历史

1.3 发动机的分类

1.3.1 按点燃方式分类

1.3.2 按工作循环分类

1.3.3 按气门位置分类

1.3.4 按基本设计形式分类

1.3.5 按气缸布置方式分类

1.3.6 按进气过程分类

1.3.7 按供油方式分类

1.3.8 按使用燃料分类

1.3.9 按应用范围分类

1.3.10 按冷却方式分类

1.4 相关术语和缩写

1.5 发动机部件

1.5.1 发动机主要部件

1.5.2 发动机外部附件

1.6 发动机的工作循环

1.6.1 四冲程点燃式发动机工作循环

1.6.2 四冲程压燃式发动机工作循环

1.6.3 二冲程点燃式发动机工作循环

1.6.4 二冲程压燃式发动机工作循环

1.7 混合动力汽车

1.8 燃料电池汽车

1.9 发动机排放和空气污染

习题1

设计题1

第2章 运行特性

2.1 内燃机参数

2.2 做功

2.3 平均有效压力

2.4 扭矩和功率

2.5 测功机

2.6 空燃比和燃空比

2.7 燃油消耗率

2.8 发动机效率

2.9 容积效率

2.10 排放

2.11 降低噪声

2.12 42V电气系统

2.13 可变排量-停缸技术

2.14 公式总结

习题2

设计题2

第3章 发动机工作循环

3.1 空气标准循环

3.2 奥托循环

3.2.1 奥托循环介绍

3.2.2 节气门全开时奥托循环的热力学分析

3.3 实际空气-燃料循环

3.4 点燃式发动机节气门部分开启循环

3.5 排气过程

3.6 狄塞尔循环

3.6.1 狄塞尔循环介绍

3.6.2 狄塞尔循环的热力学分析

3.7 复合循环

3.7.1 复合循环介绍

3.7.2 复合循环的热力学分析

3.8 奥托循环、狄塞尔循环和复合循环的比较

3.9 米勒循环

3.10 奥托循环和米勒循环的比较

3.11 二冲程循环

3.11.1 二冲程点燃式发动机

3.11.2 二冲程压燃式发动机

3.12 斯特林循环

3.13 勒努瓦循环

3.13.1 勒努瓦循环介绍

3.13.2 标准勒努瓦循环的热力学分析

3.14 小结

习题3

设计题3

第4章 热化学和燃料

第5章 进气和燃料供给系统

第6章 燃烧室内的流体运动

第7章 燃烧

第8章 废气排放

第9章 排放与空气污染

第10章 发动机中的热交换

第11章 摩擦与润滑

第1章概述

本章给出了内燃机的定义，列出了内燃机的分类方法及专业术语，并对一些内燃机通用零部件以及四冲程、二冲程点燃式和压燃式内燃机的工作原理做了介绍。

1.1 引言

内燃机（通常又称为发动机）是一种将燃料的化学能经由旋转输出轴转化为机械能的热机。首先，燃料通过与缸内的空气发生氧化反应（燃烧）将化学能转化为热能。这部分热能提高了内燃机缸内气体的温度和压力，进而缸内的高压气体膨胀并对机械传动部件做功。该膨胀功通过机械连接件传递到旋转的动力输出轴上。然后，输出轴通过变速箱或传动系统将旋转的机械能传递到最终的动力需求端。内燃机通常是交通工具（如汽车、卡车、机车、海洋船舶等）的推进装置，其他应用包括固定式发电机、水泵、便携式伐木工具或割草机等。

大多数内燃机是一种往复式机械，活塞在发动机的气缸内部做往复运动。本书着眼于此类机械的热动力学研究。除此之外，还有一些其他类型的内燃机，但其保有量要少得多，如转子式发动机。本书也将对这些内燃机进行简要介绍。本书内容不涉及蒸汽机和燃气轮机，因为它们属于外燃机（即燃烧发生在发动机机械系统的外部）。还有一些种类的发动机虽然也可以归类为内燃机（如火箭发动机、喷气发动机等），但其也不在本书的内容范围之内。

往复式内燃机具有一个或多个气缸，有的甚至有超过20个气缸，而且气缸的排列方式也有很多种；输出功率范围从小型模型飞机发动机的100W到大型多缸固定式发动机的单缸上万千瓦。

内燃机的生产商非常多，不同时代的内燃机在功率、尺寸、结构和操作特点上各不相同。内燃机的特征（大小、气缸数目、冲程等）没有绝对的界限。本书主要介绍主流内燃机的几何形状和操作参数。同时，本书也会介绍一些特种发动孔。

伴随着汽车工业的发展，早期内燃机的发展开始于19世纪下半叶。更早的记录可以追溯到17世纪的原油发动机和自走式车辆发动机。大部分早期汽车采用蒸汽机驱动，但由于技术、道路条件、材料和燃料开采等方面的不足，早期汽车未能成为具有实用价值的车辆。早期的热机包括内燃机和外燃机，使用火药和其他固体、液体和气体燃料。现代蒸汽机的发展使铁路机车在18世纪下半叶至19世纪初得到迅猛发展。到19世纪20到30年代，世界上许多国家都出现了铁路。图1.1所示为美国费尔班克斯·莫尔斯（Fairbanks Morse）公司生产的早期单缸发动机。

在汽车发展的早期，作为动力源的内燃机是与电动机和蒸汽机相竞争的。在20世纪初，电动汽车和蒸汽汽车逐渐消失。因为电动汽车的续航里程有限，而蒸汽汽车的起动时间太长。因此，20世纪是内燃机的时代，几乎所有汽车的动力都是由内燃机提供的。而现在，内燃机又再次受到电力和其他形式推进系统的挑战。

1.2早期历史

在19世纪下半叶，工程师们制造和测试了许多不同风格的内燃机。这些发动机采用不同的机械系统和工作循环模式，其中有的成功，有的失败，有的很可靠，有的则不可靠。

第一款具有实用价值的发动机是勒努瓦（J.J.E.Lenoir,1822-1900）在1860年左右发明的。在之后的十余年中，这款发动机共生产了数百台，其功率达到4.5kW，热效率可达5%。该发动机所用的勒努瓦循环将在本书3.13节中进行阐述。1867年，奥托-兰根（Ot-to-Langen）发动机首次出现，其效率提高到11%，这是一种空气发动机，动力冲程由压差推动。在之后的十余年中，这款发动机产量达到几千台。尼古拉斯·奥托（Nicolaus A.Otto，1832-1891）和尤金·兰根（Eugen Langen,1833-1895）是这一阶段众多发动机发明者中的两位。

在这个时期，与现代汽车发动机相同的四冲程工作循环模式逐渐演化为最优设计。虽然当时有很多研究者在设计四冲程循环发动机，但是1876年当奥托的原型机诞生后，这款发动机使他赢得了声誉。

在19世纪80年代，内燃机在汽车上首次出现。同期，二冲程循环发动机开始实用化并大量生产。

1892年，鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel,1858--1913）完善了他的压缩点燃式发动机，其发明一直沿用至今。狄塞尔的压缩点燃式发动机是经过多年的开发工作完成的，在狄塞尔早期的开发中他还使用过固体燃料。早期的压缩点燃式发动机噪声大、转速低，且只有一个气缸。然而，这种发动机通常比火花点燃式发动机效率更高。直到20世纪20年代，多缸压缩点燃式发动机才做得足够小，可用于汽车和卡车上。

本书主要讲述内燃机相关的基本理论。全书共包括11章：第一章为“概述”；第二章为“运行特性”；第三章为“发动机工作循环”；第四章为“热化学和燃料”；第五章为“进气和燃料供给系统”；第六章为“燃烧室内的流体运动”；第七章为“燃烧”；第八章为“废气排放”；第九章为“排放与空气污染”；第十章为“发动机中的热交换”；第十一章为“摩擦与润滑”。