发动机原理1发动机的性能

汽车发动机原理,汽车发动机原理,1722年 英国 纽科门 研制第一台蒸汽机 1766年 英国发明家瓦特改进了蒸汽机，拉开了第一次 工业革命的序幕。 1767年 法国军官库尼奥研制第一辆蒸汽机三轮车 1873年 英国人戴维逊发明铅电池 1900年 英国人哈特制造了电动汽车 1860年 法国 勒努瓦 内燃机，煤气作为原料的单缸2 冲程内燃机 1876年 德国工程师奥托Otto研制成功世界上第一台往 复活塞式四冲程煤气发动机。 1892年德国人狄塞尔Diesel展出第一台柴油发动机。 1883年 戴姆勒 化油器 1886年1月29日，德国专利局批准卡尔本茨为其在1885年研制成功的三轮汽车申请专利，这天被称为现代汽车诞生日。 并成立了世界上第一家汽车制造公司奔驰汽车公司 1886年 德国人哥德里普.戴姆勒 第一辆四轮汽车，单缸水冷， 1926年 戴姆勒和本茨的公司合并，戴姆勒-奔驰汽车公司，汽车之父 1908年 美国人福特 第一次流水线生产了丁型四轮汽车，甲壳虫,汽车发动机原理,1956年中国第一汽车制造厂成立，“解放”牌汽车问世。,汽车发动机原理,数据1：自世界能源危机，汽车百公里油耗下降50%，废气排放减少90%。 代用燃料也取得巨大进步，混合动力汽车、电动汽车、燃料电池 电动汽车已处于一定规模。 数据2：经过百年努力，安全性、舒适性和环保性等各方面均有极大的发展， 近几年，出现有眼、有耳、有鼻、有触觉、有声音、有脑、能思维 可防卫的汽车。,汽车发动机原理,一、课程的任务,研究工作循环与整机特性， 揭示影响性能的因素 及提高性能的措施。,二、课程研究的内容,三、研究方法,第一章 发动机的性能,发动机构造演示,1 发动机理论循环 空气标准循环的简化条件： 工质是理想气体，其比热为定值； 工质作封闭循环； 压缩和膨胀是绝热等熵过程； 燃烧是定容或定压加热；,三种基本空气标准循环： 定容加热循环：汽油机 定压加热循环：高增压和低速大型柴油机 混合加热循环：高速柴油机,第一章 发动机的性能,一、三种基本循环,汽油机,混合气燃烧迅速，气缸内温度压力增长很快，可以认为其燃烧过程基本是在容积不变的条件下进行的，即可简化为定容加热循环。,高增压和低速大型柴油机,高速柴油机,混合加热循环（萨巴特循环）,定压加热循环（Diesel循环）,定容加热循环(奥托循环）,由于受燃烧最高压力的限制，大部分燃料是在上死点以后燃烧，燃烧时气缸压力变化不显著，是在压力基本上一定的情况下进行，即可简化为等压加热循环。,介于两者之间，其燃烧过程可认为是先定容加热后定压加热的组合，即可简化为混合加热循环。,第一章 发动机的性能,加热循环的热效率8、32、46,混合加热循环热效率tm: 其中为压力升高比Pz/Pc; 为预膨胀比 =Vz/Vz=/ , 压缩比 为后膨胀比Vb/Vz ；K为绝热指数，空气的K1.4 定容加热循环（1） 定压加热循环（1）,第一章 发动机的性能,理想循环影响因素的分析,1压缩比,2绝热指数,3压力升高比,4预膨胀比,第一章 发动机的性能,评定理论循环的两个指标 1、循环热效率：评定循环的经济性，是工质所做循环功W与循环热量Q1之比。,影响循环热效率的主要因素：,压缩比增大，热效率增大 但是对汽油机，压缩比为611，因为限制压缩比提高的因素有： （1）爆然辛烷值的限制 （2）Pmax 提高，汽油机愈笨重； （3）排气净化的限制压缩比愈高，NOx愈高。 绝热指数K增大，热效率增大； 压力升高比 定容加热时，吸热、放热都增加，热效率不变； 混合加热时（总加热量和压缩比不变），定容加热部分增加，热效率提高；,预膨胀比 定压加热：当压缩比不变，加热量增加，热效率下降； 混合加热：预膨胀比增大，等压加热部分增加，热效率下降；,第一章 发动机的性能,2、循环平均压力评定循环的做功能力 单位气缸容积所作的循环功； 加热量相同 压缩比相同时，定容、混合和定压加热的热效率依次减小； Q2pQ2mQ2v， 则，tv tm tp 最高压力相同时，定容、混合和 定压加热的热效率依次增大； Q2vQ2mQ2p， 则, tp tm tv,第一章 发动机的性能,2 四行程发动机的实际循环,四冲程内燃机活塞上、下共四个行程，曲轴旋转二周（720），完成一个工作循环的内燃机。 四冲程内燃机由下述四个冲程组成一个工作循环 1.进气冲程 2.压缩冲程 3.作功冲程 4.排气冲程,第一章 发动机的性能,工作过程：,行程：,四冲程内燃机工作循环,可燃混合气(或新鲜空气)引入气缸；将其压缩，压缩接近终点时点燃可燃混合气(或将柴油高压喷入气缸内形成可燃混合气并引燃)；可燃混合气着火燃烧，膨胀推动活塞下行实现对外作功；最后排出燃烧后的废气。即进气、压缩、作功、排气四个过程。 (1) 进气行程 (2) 压缩行程,第一章 发动机的性能,四冲程内燃机工作循环,可燃混合气(或新鲜空气)引入气缸；将其压缩，压缩接近终点时点燃可燃混合气(或将柴油高压喷入气缸内形成可燃混合气并引燃)；可燃混合气着火燃烧，膨胀推动活塞下行实现对外作功；最后排出燃烧后的废气。即进气、压缩、作功、排气四个过程。 (3) 作功行程 (4) 排气行程,第一章 发动机的性能,排气门关闭,进气门开启,活塞,温度370440 K， 压力7590 kPa,大气压力线,P,V,r,a,示功图,上止点,下止点,示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。,进气行程,第一章 发动机的性能,进气门关闭,排气门关闭,活塞,压缩比： =Va/Vc,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,上止点,下止点,温度600800K， 压力6001500 kPa,压缩行程,第一章 发动机的性能,进气门关闭,排气门关闭,活塞,P,V,r,a,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,瞬时最高：温度22002800 K， 压力35MPa,作功终了：温度15001700 K， 压力300500 kPa,作功行程,第一章 发动机的性能,进气门关闭,排气门打开,活塞,P,V,r,示功图,大气压力线,c,Z,b,上止点,下止点,温度9001200 K 压力105125 kPa,残余废气,排气行程,第一章 发动机的性能,实际循环常用示功图、示功展开图来表示；,第一章 发动机的性能,第一章 发动机的性能,1、进气过程（ra） 进气阻力的存在， pa T0； 2、压缩过程（ac） 最初，工质受缸壁加热， n1 K; 某一时刻，工质与缸壁温度相同， n1 =K； 工质温度高于缸壁的，向缸壁传热， n1 K；,平均压缩多变指数n1 ：以此计算得到的多变过程，始点、终点的工质状态与实际压缩过程的相符即可； 主要受工质与缸壁的热交换、工质的泄漏量影响； 实际工作中，常以 实测的压缩压力来检查内燃机的技术状况，当Pc下降时，应检修。,第一章 发动机的性能,3、燃烧过程（cz） 汽油机：定容加热; 柴油机：先定容再定压加热； 放热越多，放热时越靠近上止点，热效率越高；,第一章 发动机的性能,4、膨胀过程（zb） 初期，由于补燃，工质被加热， n2 K； 平均多变指数n2 ：主要受补燃的多少、工质与缸壁的热交换及漏气情况的影响； 5、排气过程（br） 排气阻力的存在， pr p0； 阻力越大， pr越大，残留在气缸中的废气越多； 排气温度越低，说明做功效果越好；,第一章 发动机的性能,3 实际循环的评定指示指标,以工质在气缸内对活塞做功为基础； 1、指示功Wi: Ai 为阴影示功图的面积 (J),a.b分别为坐标的比例尺。,图a四冲程非增压发动机的指示功面积Fi：由相当于压缩、燃烧、膨胀行程中所得到的有用功面积Fl和相当于进气、排气行程中消耗的功的面积F2(即泵损失)相减而成，即FiFlF2。四冲程增压发动机(图b)，进气压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，因此，换气功的面积F2应与面积Fl叠加起来，即FiF1F2 。二冲程发动机(图c)，只有一块示功图面积Fi。,第一章 发动机的性能,2、平均指示压力Pmi 发动机单位气缸工作容积的指示功（一个实际循环工质对活塞所作的有用功）； pmi=Wi / Vs 3、指示功率Pi ：发动机单位时间所做的指示功；与n有关。 4、指示热效率i it=Wi /Q1 实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比； 5、指示燃料消耗率bi：单位指示功的耗油量，即比油耗（g/kw.h).如：可用它来比较两台发动机的经济性好坏。 bi=(B/Pi)103,第一章 发动机的性能,通常：,归纳,第一章 发动机的性能,一台四缸四行程车用柴油机，DS=110115mm,Pi=80kW,Pm=20kW,n=2000r/min,B=12.5kg/h 求：1.Pmi,Pe,Pme,be 2.m,PL. 3.Ttq,Cm,4 发动机经济性和动力性的评定有效指标,以曲轴对外输出的功率为基础，代表发动机整机性能； 一、发动机动力性能 1、有效功率pe = pi pm ：指示功率减去机械损失功率： 发动机的指示功Pi 并不能完全对外输出，功在发动机内部传递过程中的损失叫机械损失功率Pm，它由以下几部分组成： （1）内部运动零件的摩擦损失：占Pm的62-75，占Pi的8-20。 （2）驱动附件的损失：占Pm的1020，占Pi的15。 （3）泵气损失（进排气损失） 占Pm的1020，占Pi的24。,第一章 发动机的性能,2、有效扭矩Ttq：曲轴输出的扭矩，（牛顿米） 扭矩和功率的关系： n为转/分,或rpm 3、平均有效压力pme 发动机单位气缸工作容积输出的有效功,工作容积Vs一定时， 对已知发动机，Vs、i、一定，可用Pe来表示扭矩及负荷的大小。 4、转速和活塞平均速度Cm=sn/30（发动机强化程度） 转速增大，单位时间的做功次数增加； 活塞平均速度增大，磨损加剧； 所以值受到限制，一般：汽油机不超过18m/s， 柴油机不超过13m/s 。,第一章 发动机的性能,二、发动机经济性能 有效热效率e 有效功与所消耗燃料热量之比。 机械效率m: 有效燃料消耗率be 单位有效功的耗油量 三、发动机强化指标 升功率pl 发动机每升工作容积所发出的有效功率 比质量me 发动机的质量与所发出的有效功率之比 强化系数pme cm 平均有效压力与活塞平均速度的乘积,第一章 发动机的性能,5 发动机的环境指标,噪声 84dB 排放性能 排出有害气体（CO HC NOx） 、颗粒，其排出量有限制。 排放标准各国不同，标准还随着发展，不断提高。,第一章 发动机的性能,国 II： 北京：2003.01； 全国：2004.07 国 III： 北京：2005.09 ；全国：2007.07 国 IV： 北京：2008.01；全国：2010.07,欧 I,欧 0,China Emission Regulation Roadmap,北京,Beijing,国 II,国 III,北京,北京,国 IV,2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010,GB 18352.3,轻型车 3.5t,排放执行时间,第一章 发动机的性能,GB 17691-2005,China Emission Regulation Roadmap,国 III:2007.01 国 IV:2010.01 国 V:2012.01,国 V,国 III,国 IV,2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013,国 II,欧 I,重型车 3.5t,第一章 发动机的性能,轻型汽车排放试验工况,从点火开始起取样,时间，s,车速 （km/h),第一章 发动机的性能,重型柴油车排放试验工况（R49与ESC）,第一章 发动机的性能,6 机械损失,机械效率m 有效功率与指示功率之比 机械损失的测定 1、示功图法：取决于示功图的测录的正确程度 只适用研发：（a）上止点难以精确测量（b）各缸不均匀性 2、倒拖法： 发动机在给定工况下工作，之后切断燃油或停止点火，将平衡式电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发动机，维持冷却水和油温不变； 测量结果往往偏大 3、灭缸法：适用多缸机；误差5 4、油耗线法：先绘出负荷特性曲线， 找出接近直线的线段，将其延长与 横坐标相交，交点到原点的长度即 为平均机械损失压力的值； 不适于汽油机 （进气量随负荷会明显改变）,第一章 发动机的性能,实验方法： 让内燃机在给定的工况下稳定运转， 当冷却水和机油温度到达正常值时， 立即切断供油 （柴油机）或停止点 火（汽油机），同时将电力测功器 转换为电动机，以给定转速倒拖内燃机； 此过程中尽可能维持冷却水和机油温度不变， 这时电力测功器所测得的倒拖功率即为内燃机在该 工况下的机械损失功率。,2.倒拖法,特点：必须使用平衡式电力测功器。,适用：汽油机和柴油机,第一章 发动机的性能,实验方法： 首先将内燃机调整到给定工况稳定工作，测定其有效功率，然后停止向一个气缸（例如第一缸）供油，并调整测功器的阻力矩，使内燃机恢复到原来的转速，再测定内燃机的有效功率，由于有一个气缸不工作，第二次测得的有效功率比第一次测得的小，两者之差即为停油气缸的指示功率，然后恢复第一缸的工作，同法，依次使各缸熄火，即可测得对应的有效功率、。,3.灭缸法,第一章 发动机的性能,适用：多缸柴油机 不适用：汽油机(偏差大)，废气涡轮增压内燃机，单缸机,各缸的指示功率为：,将上列各式相加得到整机指示功率为：,因此，机械损失功率为,第一章 发动机的性能,4.油耗线法,实验方法： 保证内燃机转速不变，如逐渐改变柴油机供油齿条的位置，测出每小时耗油量B随负荷变化的关系，绘制成曲线，这个曲线称为负荷特性曲线，在曲线中找出接近直线的线条，并顺此线条作延长线，直到与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即该机的平均机械损失压力。,适用：柴油机 不适用：汽油机,第一章 发动机的性能,影响机械损失的因素,气缸直径及行程 气缸容积一定，而S/D减小， m提高 气缸容积增加， m提高 摩擦损失（占70） 转速增加， m减小 负荷减小， m减小 润滑油品质和冷却水温度 在保证发动机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量选用粘度较小的润滑油；SD FD 100 125 锡柴漏油 冷却水温直接影响燃烧过程和传热损失。,第一章 发动机的性能,7 热平衡,实际循环热平衡 实际工质的影响：实际气体比热大Wk 换气损失Wr 泵气损失： 进、排气系统的 阻力所消耗的功； 排气门提前开启 所损失的功； 燃烧损失Wz 非瞬时燃烧损失 和补燃损失； 不完全燃烧损失； 热分解损失； 传热损失：热交换损失 Wb,第一章 发动机的性能,提高实际循环热效率的途经,提高来提高汽油机的热效率； 燃用稀混合气来提高汽油机的热效率； 改善混合气形成及燃烧组织不完善的状况来提高柴油机的热效率；,第一章 发动机的性能,发动机热平衡,发动机所耗燃油的热量QT 转化为有效功的热量QE 废气带走的热量QR （2550） 传递给冷却介质的热量QS （1035） 燃料不完全燃烧热损失QB 其他热量损失QL,第一章 发动机的性能,第一章 发动机的性能,以四冲程自然吸气柴油机的能量利用递减图为例说明从燃料化学能到输出功的能量转换。,第一章 发动机的性能,