汽车发动机原理.pptx

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1、课 程 概 述一、课程的性质和任务 1、研究发动机的工作过程和性能指标，主要包括动力性、经济性、排放性等。2、分析影响发动机性能指标的因素。3、找出提高发动机性能指标的途径。二、课程的地位和作用 本课程是一门专业课，为发动机的使用、维修打基础。本课程在整个课程体系中起承上启下的作用，对今后的实际工作起指导作用。第1页/共45页三、课程主要内容课程的主要内容分两大部分，工程热力学基础知识部分的重点是发动机的理想循环。发动机原理部分的重点是内燃机的燃烧过程和特性。主要内容包括：工程热力学基础、发动机示功图和性能指标、燃料和燃烧、发动机换气、汽油机混合气的形成与燃烧过程、柴油机混合气的形成与燃烧过程

2、、发动机特性、发动机的排放与控制等。第2页/共45页四、课程的特点、要求、学时分配、考核特点:本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的讲授以理论分析和推导为主。要求:要求课上集中精力听讲，做好笔记，课下及时复习。对重点章节要熟练掌握。学时分配：总学时9696参考书：1.汽车发动机原理（第二版）陈培陵主编 人民交通出版社 2003 2.车辆内燃机原理（第一版）秦有方主编 北京理工大学出版社 1997 第3页/共45页第一章 发动机性能本章要求：了解：热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环等。理解：热力学第一和第二定律，图和图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。第4页

3、/共45页第一节 发动机理论循环 为便于分析内燃机的实际工作过程，将内燃机的某个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆过程，这样得到的一个闭合循环，称为理想循环。理想化的原则及方法：1 1、工质所经历的状态变化为一闭合循环；2 2、假设工质是理想气体；3 3、组成各循环的过程都是可逆的；4 4、假设外界无数高温热源等容或等压向工质加热；5 5、假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程。第5页/共45页要求掌握：1 1、车用发动机的理想循环各是什么；2 2、理想循环各由哪些过程组成；3 3、影响理想循环热效率的因素；4 4、车用发动机理想循环的比较。第6页/共45页一、三种基本循环1 1、实际循

4、环及理想化实际工作过程：实际工作过程：进气、进气、压缩、压缩、燃烧、燃烧、膨胀、膨胀、排气排气汽油机的理想循环：汽油机的理想循环：等容加热循环等容加热循环低速柴油机的理想循环：低速柴油机的理想循环：等压加热循环等压加热循环高速柴油机的理想循环：高速柴油机的理想循环：混合加热循环混合加热循环第7页/共45页2 2、汽油机的理想循环、汽油机的理想循环1-21-2的压缩过程的压缩过程绝热压缩；绝热压缩；2-32-3的燃烧过程的燃烧过程等容加热；等容加热；3-43-4的膨胀过程的膨胀过程绝热膨胀；绝热膨胀；4-14-1的排气过程的排气过程等容放热。等容放热。等容加热循环的热效率：等容加热循环的热效率：

5、T T=1-1/=1-1/k-1k-1-压缩比；压缩比；k-绝热指数。-等容加热循环等容加热循环Q2Q1第8页/共45页3 3、车用柴油机的理想循环、车用柴油机的理想循环 -混合加热循环混合加热循环混合加热循环的热效率:1-21-2的压缩过程绝热压缩；2-32-3的燃烧过程等容加热；3-43-4的燃烧过程等压加热；4-54-5的膨胀过程绝热膨胀；5-15-1的排气过程等容放热。=V=V1 1/V/V2 2-压缩比压缩比,=P,=P3 3/P/P2 2-压力升高比，压力升高比，=V=V4 4/V/V3 3-预胀比，预胀比，k-k-绝热指数绝热指数.Q1Q1第9页/共45页4 4、低速柴油机的理想

6、循环、低速柴油机的理想循环-等压加热循环等压加热循环1-21-2的压缩过程的压缩过程 绝热压缩；绝热压缩；2-32-3的燃烧过程的燃烧过程 等压加热等压加热;3-43-4的膨胀过程的膨胀过程 绝热膨胀；绝热膨胀；4-14-1的排气过程的排气过程 等容放热。等容放热。等容加热循环的热效率：等容加热循环的热效率：T T=1-1/=1-1/k-1k-1(K-1)/K(-1)第10页/共45页二、影响内燃机理想循环的主要因素 分析循环的主要目的是找出影响循环热效率的因素，找到提高热效率的途径。常用的方法有：1 1、解析法：从循环热效率的公式出发进行分析。2 2、图示法：由P PV V图、T TS S图

7、入手分析。第11页/共45页1 1、压缩比的影响 压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。由由热效率的公式热效率的公式：,提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度扩大了循环温差和膨胀比,T T 。当压缩比较小时，热当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比显著增大；当压缩比较大时，热效率随压较大时，热效率随压缩比的增加增大较少。缩比的增加增大较少。由试验曲线看出由试验曲线看出:第12页/共45页2 2、K K的影响的影响 由公式看出，由公式看出，KKT T（混合气较稀（混合气较稀,K,K较大）较大）K K取决于工质的性质，

8、双原子气体为取决于工质的性质，双原子气体为1.41.4；多原子为；多原子为1.33.1.33.3 3、的影响的影响 (1)(1)对定容加热循环，对定容加热循环，T T不变不变 因为因为 则则Q1Q1和和 WW Q2/Q1不变。(2)(2)对混合加热循环，对混合加热循环，T TQ1Q1不变，不变，值增大（值增大（Q1vQ1v）则相对的减少了）则相对的减少了Q1pQ1p所占的比例，而所占的比例，而Q2Q2减少，使整个循环的热效率会增减少，使整个循环的热效率会增大。大。4 4、的影响的影响 （1 1）对等压加热循环，）对等压加热循环，T T。(Q2)（2 2）对混合加热循环，）对混合加热循环，T T

9、第13页/共45页比较图中各循环加热比较图中各循环加热过程所对应的面积，过程所对应的面积，得出：得出：Q Q2p 2p QQ2m2mQQ2v2v所以：所以：tvtvtmtmtptp三、活塞式内燃机理想循环的比较1 1、在等压缩比、等加热量Q1条件下第14页/共45页2 2、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下在在T-ST-S图上比较三种循图上比较三种循环的加热量和放热量，环的加热量和放热量，可以看出：可以看出：放热量放热量q q2 2都相同，而都相同，而加热量为：加热量为：Q1pQ1mQ1v所以：所以：tptmtv 实际内燃机中，由实际内燃机中，由于压

10、缩比选取的不同，于压缩比选取的不同，有：有：tmtm tptptvtv第15页/共45页热力系统的分类（据界面上物质和能力交换的情况分）闭口系统：与外界无质量交换的系统；开口系统：与外界有质量交换的系统；绝热系统：与外界无热量交换的系统；孤立系统：与外界即无质量交换，又无 热量交换的系统。第16页/共45页压力的测量 当系统的压力高于大气压力时，用压力表测量。P=PP=Pb b+P+Pg g P:P:系统压力系统压力（绝对压力）；（绝对压力）；P Pb b:大气压力；大气压力；P Pg g:表压力（压力表压力（压力表读数）。表读数）。第17页/共45页压力的测量当系统的压力低于大气压力时，用真

11、空表测量。P=Pb-Pv PvPv：真空表读数：真空表读数。由于表压力和真空由于表压力和真空度随大气压力的变化度随大气压力的变化而变化，而变化，所以只有绝所以只有绝对压力才能作为系统对压力才能作为系统的状态参数。的状态参数。第18页/共45页第二节 四冲程发动机的实际循环 发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。实际循环比理论循环复杂的多。通常用气缸内的工质压力随气缸工作容积或曲轴转角而变化的图形（示功图）来研究。即-示功图和-第19页/共45页四冲程柴油机 图第20页/共45页四冲程汽油机 图第21页/共45页五个工作过程：1、进气过程2、压缩过程3、燃烧过程化学能热

12、能4、膨胀过程5、排气过程排气温度是重要参数第22页/共45页第三节 发动机的指示性能指标发动机的性能指标包括：指示指标：据示功图求得的动力性和经济性指标它是以工质在气缸内对活塞所做的功为基础的性能指标。意义：用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程。有效指标：考虑到机械损失的指标。小于指示指标 它是以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。意义：用来评定发动机性能的好坏。第23页/共45页发动机的指示指标：顺时针顺时针 正功正功-循环指示功循环指示功；逆时针逆时针 负功负功-泵气功泵气功;机械机械 损失功损失功示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多

13、少。示功的多少。在气缸完成一个循环，工在气缸完成一个循环，工质对活塞所做的功，用质对活塞所做的功，用W WCiCi（J J）表示。）表示。W WCiCi=Pdv（WCi相当于代表的功）相当于代表的功）一、指示功和平均指示压力一、指示功和平均指示压力1 1、指示功（或循环指示功）、指示功（或循环指示功）第24页/共45页1 1）定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。P Pi i=W=Wcici/V/Vh h (kpa)(kpa)2 2）单位：W Wcici（J J），V Vh h（L L），P Pi i（kpakpa）3 3）P Pi i，W Wcici =气缸工作容积的利用程度。4 4

14、）作用：评价发动机工作循环的动力性。5 5）汽油机:P:Pi i=700-1300kpa=700-1300kpa 柴油机:P:Pi i=650-1100kpa=650-1100kpa增压柴油机:P:Pi i=900-2500kpa=900-2500kpa2 2、平均指示压力平均指示压力P Pi i第25页/共45页二、指示功率Nii i 气缸数；气缸数；P Pi i 平均指示压力平均指示压力（kpa)kpa)；n n 转数，转数，r/minr/min；行程数；行程数；V Vh h（L L）汽缸工作容积。汽缸工作容积。当当时：时：P Pi i，N Ni i，动力性指标。，动力性指标。定义：定义：

15、单位时间内所做的指示功，单位时间内所做的指示功，N Ni i,KW,KW。N Ni i=W=Wcici/t(N.m/s)/t(N.m/s)KWKW第26页/共45页三、指示燃油消耗率g gi i定义：单位指示功所消耗的燃油量，用g gi i表示。g gi i（1000G1000Gf f/N/Ni i）g/kwg/kwhh G Gf f 每小时的燃油消耗量，kg/hkg/h；N Ni i 指示功率，kwkw。g gi i，i i，经济性指标。，经济性指标。第27页/共45页四、指示热效率i定义：实际循环指示功W Wcici与所用燃油的发热量Q Q1 1之比值,用i i表示。N Ni i KWKW

16、；H Hu u KJ/kgKJ/kg燃料热值；燃料热值；G Gf f kg/hkg/h；g gi i g/kwhg/kwh可以看出：可以看出：i i11g gi i标定工况下，标定工况下，i i，g gi i的大致范围：的大致范围：g gi i i i汽油机：汽油机：205205320 0.25320 0.250.400.40柴油机：柴油机：170170205 0.40205 0.400.500.50第28页/共45页第四节 发动机的有效性能指标有效指标：以曲轴输出功为计算标准的指标一、发动机动力性指标 1 1、有效功和有效功率 循环有效功率：NeNi-Nm 有效功：WeWi-Wm第29页/共

17、45页2 2、有效扭矩（转矩）MeMeNeNe：功率；：功率；KW MeKW Me：扭矩；：扭矩；N.mN.mn n：转速；：转速；r/minr/min是发动机工作时曲轴输出的平均扭矩。是发动机工作时曲轴输出的平均扭矩。Men=9549(KW)第30页/共45页3 3、平均有效压力PePe1.1.定义：单位气缸工作容积的循环有效功。是评价发动机动力性和强化程度的重要指标。2.2.与NeNe的关系：PePe平均有效压力平均有效压力kpakpa，V Vh h 汽缸工作容积汽缸工作容积L L 对四冲程发动机，对四冲程发动机，4 4，3.3.对于结构一定的发动机，平均有效压力对于结构一定的发动机，平均

18、有效压力PePe与扭与扭矩矩MeMe成正比。成正比。汽油机汽油机:Pe=650-1200kpa；柴油机；柴油机:Pe=600-950kpa第31页/共45页4 4、转速n n和活塞平均速度CmCmCm大，活塞组的热负荷和连杆机构的惯性力均增大，磨损加剧，寿命下降。转速增加，活塞平均速度也增加转速增加，活塞平均速度也增加 Cm=Sn/30Cm=Sn/30 第32页/共45页二、发动机经济性指标.有效燃油消耗率:单位有效功率的油耗量。g ge e1000G1000Gf f/N/Ne e g/kwg/kwhh G Gf f:每小时的油耗量,kg/hkg/h Ne:Ne:有效功率kwkw有效热效率：发

19、动机的有效功WeWe与所消耗的燃油发出的热量Q Q1 1的比值。eWe/Q13.6/(ge Hu)106Wim/Q1im g ge e:有效燃油消耗率;H;Hu u:燃料的低热值kJ/kgkJ/kg g ge e、e e是发动机的经济性能指标。第33页/共45页三、发动机强化指标升功率N NL L：发动机每升工作容积发出的有效功率。N NL LNe/(i Ne/(i V Vh h)kw/Lkw/L 从有效功率的角度，衡量发动机排量利用的程度，N NL L越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。比重量：发动机的净重量G G与所发出功率NeNe的比值。GeGeG/Ne G/N

20、e 表征重量利用程度和结构紧凑性。升功率和比重量都是发动机的强化程度指标。越大，内燃机的热负荷和机械负荷越高。第34页/共45页3强化系数：平均有效压力与活塞平均速度的乘积 与活塞的单位面积的功率成正比 强化系数愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。第35页/共45页第五节 机械损失与机械效率 一、机械效率1.1.机械损失功率:发动机机械损失所消耗的功率，N Nm m2.2.平均机械损失压力:单位气缸工作容积的机械损失功，P Pm mP Pi i-P-Pe e .机械效率：机械效率：指示功转变指示功转变为有效功的程度。为有效功的程度。i i、e e、m m之间的关系之间的关系汽油机：汽油机：m

21、m0.70.90.70.9；柴油机：；柴油机：m m0.70.850.70.85；增压柴油机：；增压柴油机：m0.80.92第36页/共45页二、影响m m的因素1 1转速n n负荷一定=P=Pi i、N Ni i基本不变nn=摩擦损失 =机械损失=P Pm m图图2-3 2-3 m m随转速的变化关系随转速的变化关系得得:n,n,m m故用提高故用提高n n来增加发动机的来增加发动机的动力性指标受到限制。动力性指标受到限制。使用因素：转速、负荷、润滑油品质、水温等；使用因素：转速、负荷、润滑油品质、水温等；结构设计因素：最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。结构设计因素：最高燃烧压力、气缸

22、尺寸数目、大气状态等。第37页/共45页2.2.负荷n n不变，NeMeNeMe，NePe,NePe,故负荷可用Ne,PeNe,Pe表示。负荷率：M Me e/M/Memaxemax100%,100%,负荷=P Pi i,P,Pm m近似不变=m mP Pm m/P/Pi i怠速工况:N Ne e0 N0 Ni iN Nm m,m m=0=0 负荷定义：负荷定义：发动机的发动机的转速变化时转速变化时,作用在发作用在发动机曲轴上的阻力矩。动机曲轴上的阻力矩。第38页/共45页3.3.润滑油粘度 润滑油的粘度即机油的稠稀程度。粘度=内部摩擦=机械损失 NiNi不变=m m 粘度=PmPm=m m粘

23、度过小=机油的承载能力太低=油膜破裂=发生干摩擦=烧瓦=PmPm=m m另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，导致机油粘度降低。第39页/共45页4.4.冷却水温度 冷却水的温度直接冷却水的温度直接影响到润滑油的温度，影响到润滑油的温度，因而也就关系到润滑油因而也就关系到润滑油粘度和摩擦损失的大小粘度和摩擦损失的大小 使用中，发动机的使用中，发动机的冷却水温度保持在冷却水温度保持在80809595范围内。范围内。图图2-5 2-5 P Pm m随润滑油温度变化的关系随润滑油温度变化的关系第40页/共45页第六节 热平衡发动机的热平衡：燃油燃烧所产生的热量恒等于转变为有效功与各项散失的热量

24、之和。热平衡方程式:Q Qf f=Q=Qe e+Q+Qw w+Q+Qr r+Q+Qb b+Q+Qs sQ Qf f:燃油完全燃烧的热量燃油完全燃烧的热量;Q Qe e:转变为有用功的热量转变为有用功的热量;（占（占25254040)Q Qw w:传给冷却介质的热量传给冷却介质的热量;（占（占1035)Q Qr r:被废气带走的热量被废气带走的热量;（占（占2550)Q Qb b:燃烧不完全热量损失燃烧不完全热量损失;Q Qs s:其他热量损失其他热量损失;第41页/共45页燃油完全燃烧的热量Q Qf fG GT Th hu u (kJ/h)(kJ/h)转变为有用功的热量Q Qe e3.63.6

25、10103 3Ne Ne (kJ/h)(kJ/h)传给冷却介质的热量Q Qw wG Gw wc cs s(t2-t1)(t2-t1)(kJ/h)(kJ/h)(Gw(Gw通过冷却介质的流量kg/hkg/h；cscs冷却介质的比热kJ/(kgkJ/(kg)；t1t1、t2t2冷却介质入口、出口温度)被废气带走的热量Q Qr r(G(GT T+G+Gk k)(c)(cprprt tr r-c-cpkpkt tk k)(kJ/h)(kJ/h)(G(GT T、G GK K每小时消耗的燃油和空气量kg/hkg/h；c cprpr、c cpkpk废气和空气的定压比热kJ/(kgkJ/(kg)；t tk k、t tr r进排气门处工质温度)燃烧不完全热量损失Q Qb bQ Qf f(1-(1-r r)(kJ/h)(kJ/h)(r r燃烧效率）其他热量损失Q Qs sQ Qf f(Q(Qe eQ Qw wQ Qr rQ Qb b)(kJ/h)(kJ/h)第42页/共45页第43页/共45页燃料燃烧的总热量仅有转变为有效燃料燃烧的总热量仅有转变为有效功，其余的热量损失掉。其中主要由功，其余的热量损失掉。其中主要由废气带走，其次传给冷却水，在某些汽油机中不完废气带走，其次传给冷却水，在某些汽油机中不完全燃烧所占比例也不小。全燃烧所占比例也不小。第44页/共45页感谢您的观看。第45页/共45页