汽车发动机原理(第1章

汽车发动机原理,点燃式和压燃式内燃机的 工作过程、燃烧理论、性能分析以及参数调控,清华大学 汽车工程系 帅石金 博士,Email: Phone: 010-62772515,讲课内容,第一篇 动力输出与能量利用 第1章 动力经济性能指标与影响因素 第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量 第二篇 燃烧与排放 第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策 第8章 有害排放物的生成与控制 第9章 燃烧室与调节参数的优化 第三篇 运行特性与性能调控 第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性,动力的获取和输出；能量的消耗和利用。 燃料能量转换的“质”环节；加入整机能量总量的“量”环节。,讲课内容,第一篇 动力输出与能量利用 第1章 动力经济性能指标与影响因素 第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量 第二篇 燃烧与排放 第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策 第8章 有害排放物的生成与控制 第9章 燃烧室与调节参数的优化 第三篇 运行特性与性能调控 第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性,1. 工质对活塞所作功及示功图 2. 动力经济性指标 3. 影响动力经济性指标的环节与因素,p- 图,示功图（四冲程）,p-V 图,IVC,EVO,EVC,IVO,TDC上止点,BDC下止点,p,pz,p0,Vs,Vc,V,p,A,ds,示功图(Indicator Diagram) ： 发动机气缸内工质压力p随气缸容积V（或曲轴转角）的变化曲线,TDC-Top Dead Center; BDC-Bottom Dead Center IVO-Intake Valve Open; IVC-Intake Valve Close EVO-Exhaust Valve Open; EVC-Exhaust Valve Close,示功图,压力图/ 展开示功图,BDC,TDC,EPO,IPO,EPC IPC,p,pz,p0,Vc,Vs,V,IPO-Intake Port Open IPC-Intake Port Close EPO-Exhaust Port Open EPC-Exhaust Port Close,示功图（二冲程汽油机）,示功图测取装置,功正负确定原则： 压力方向与活塞运动方向一致，工质对活塞作正功 压力方向与活塞运动方向相反，工质对活塞作负功,工质对活塞所作功,循环功：,动力过程功：压缩与燃烧膨胀过程所作功之代数和 泵气过程功：进气与排气过程所作功之代数和,总指示功动力过程功理论泵气功(不考虑泵气损失) 净指示功动力过程功泵气过程功(考虑泵气损失),自然吸气(natural aspirated)发动机作功分析,缸内进气压力pd 大气压力 p0 缸内排气压力pe 大气压力p0,与泵气有关的功： 理论泵气功 忽略流动阻力, 进、排气冲程压力所作功之代数和。自然吸气发动机进、排气压力相同（等于大气压力），即理论泵气功为零。 泵气损失功(pumping loss) 由于流动存在阻力，进气压力低于大气压，排气压力高于大气压力，造成进气和排气流动损失之功，两者之和即为泵气损失功。 W2+W3 负功 实际泵气功（泵气过程功） 理论泵气功减去泵气损失功。 W2+W3 负功,总指示功W1+W3 净指示功(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2,理论泵气功 (pb pk) Vs 正功 泵气损失功 阴影面积 负功 实际泵气功 W2 正功 总指示功 W1(pb-pk)Vs 净指示功 W1+W2,涡轮增压(turbo-charged)发动机作功分析,缸内进气压力pd 缸内排气压力pe 大气压力p0,填空 根据缸内工质对活塞所作功的特点，判断下述各功是正功还是负功： a）压缩过程功 （ ） b）四冲程自然吸气内燃机理论泵气功 （ ） c）四冲程增压内燃机泵气损失功 （ ） d）四冲程自然吸气内燃机泵气过程功 （ ）,小测验,负,零,负,负,讲课内容,第一篇 动力输出与能量利用 第1章 动力经济性能指标与影响因素 第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量 第二篇 燃烧与排放 第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策 第8章 有害排放物的生成与控制 第9章 燃烧室与调节参数的优化 第三篇 运行特性与性能调控 第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性,1. 工质对活塞所作功及示功图 2. 动力经济性指标 3. 影响动力经济性指标的环节与因素,1. 动力性能指标 功率(Power), 转矩(Torque), 转速(Revolution/Speed), 平均有效压力(BMEP) 2. 经济性能指标 燃油消耗率(Fuel consumption), 机油消耗率(Lubricant consumption) 3. 环保性能指标 碳氢(HC), 一氧化碳(CO), 氮氧化物(NOx), 颗粒物(PM), 二氧化碳(CO2) 噪声振动(NVH) 4. 使用性能指标 可靠性或耐久性(Robust, reliability), 维修方便(I/M convenience), 冷起动(Cold start),发动机性能指标,指示指标与有效指标,1）以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示指标 基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏 用于理论分析和科研 2）以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效指标 由试验测出，直接反映产品最终性能 用于产品开发、生产和使用当中,只有与作功有关的指标，才有“有效”与“指示”之分。其余，如转速、每小时耗油量等，则无此区别。,摩擦损失附件消耗,循环指示功、循环有效功与机械损失功,理论上：,测量上：,以自然吸气发动机为例：,曲轴输出的循环有效功,循环净指示功,机械损失摩擦损失附件消耗泵气损失,循环总指示功,以后循环功都是指循环总指示功!,平均指示压力（IMEP） Indicated Mean Effective Pressure,动力性能指标,定义：单位气缸工作容积所作的循环指示功。 循环指示功可以认为是一个假想不变的压力pmi作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作的功。 平均指示压力反映发动机作功能力的大小（单位体积作功量大小 J/m3）和强化程度。,注意：这里的压力事实上就是物理上所说的压强，N/m2,不同发动机平均有效压力pme范围,摩托车发动机（四冲程）,赛车发动机（自然吸气）,赛车发动机（涡轮增压）,轿车汽油机（自然吸气）,轿车汽油机（涡轮增压）,轿车柴油机（涡轮增压）,卡车柴油机（涡轮增压）,大型柴油机,中型高速柴油机,十字头二冲程柴油机,pme bar,12,16.6,56,9,14.1,14,20,12,21.2,11,23.5,15,29.4,15,25,15,18.2,功率 Power,p,mi,:,IMEP 平均指示压力,p,me,:,BMEP 平均有效压力,p,mm,:,MMEP 平均机械损失压力,指示功率（Indicated power）,有效功率（Effective power）,机械损失功率（Mechanical loss power）,2 - stroke: =2 4 - stroke: =4,动力性能指标,注意：注意这里所列的性能指标单位是国标单位,转矩：,转矩（Torque）,角速度（Angular velocity）,E.g. 单缸四冲程发动机,动力性指标之间的关系,平均有效压力：,功率：,对于某一发动机，转矩和平均有效压力都反映负荷（率）的大小,有效效率：,BSFC,Effective efficiency,Fuel mass flow 燃油流量 (kg/s),Low heat value低热值 (kJ/kg),Indicated efficiency,经济性指标,有效油耗：,指示效率：,指示油耗： ISFC,E.g. 求油耗：,比功率 PL单位发动机排量发出的功率（评价气缸容积利用程度和紧凑性） PL= Pe / Vs （kW/L) 比质量 me单位有效功率所占发动机质量（评价轻量化和紧凑性） me= m / Pe （kg/kW） 比容积 Ve单位有效功率所占发动机的体积（评价紧凑性） Ve= V / Pe （m3/kW）,功率密度评价指标,（升功率）,发动机转速与活塞平均速度,主要影响：,惯性力引起的机械应力,摩擦（磨损）,热负荷,充气效率,噪声,活塞平均速度： （发动机强化指标之一）,注意： 发动机转速与活塞速度不完全是一个概念！ 平均活塞速度越高，也说明发动机强化度越高,单位：,最大平均活塞速度,vm,22,21.7,27,9.5,19.8,12.3,14.7,8.1,13.1,7.8,m/s,7.0,12,5.3,9.5,5.7,摩托车发动机（四冲程）,赛车发动机（自然吸气）,赛车发动机（涡轮增压）,轿车汽油机（自然吸气）,轿车柴油机,卡车柴油机（涡轮增压）,大型柴油机,中速柴油机,十字头二冲程柴油机,讲课内容,第一篇 动力输出与能量利用 第1章 动力经济性能指标与影响因素 第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量 第二篇 燃烧与排放 第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策 第8章 有害排放物的生成与控制 第9章 燃烧室与调节参数的优化 第三篇 运行特性与性能调控 第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性,1. 工质对活塞所作功及示功图 2. 动力经济性指标 3. 影响动力经济性指标的环节与因素,决定动力输出的三大环节,设单位时间内加入整机的燃料总量为B (kg/s)，燃料的低热值为Hu(kJ/kg)，燃料能量转换的总效率为et，则有效功率Pe可表示为： 设单位时间进入发动机的混合气总量为Gm(kg/s)，混合气的低热值为Hum (kJ/kg)，则有效功率Pe也可表示为： 提高功率的三大环节： 可燃混合气或燃料的能量密度 混合气热值Hum或燃料热值Hu 单位时间实际吸入内燃机的可燃混合气总量Gm或燃料总量B 可燃混合气能量或燃料能量转换为有效输出功的多少 工作过程各环节效率或总效率et,与燃料热值和混合气浓度直接相关,“质”的环节,“量”的环节,油/气混合比（浓度）是影响发动机性能的重要参数： 1） 过量空气系数 a（Excess air ratio/Relative air-fuel ratio） 设单位质量燃料完全燃烧所需理论空气量为l0，而实际供给的空气量为l，则a定义为： a 1 ,稀混合气; a 1, 浓混合气; a =1 化学计量比（Stoichiometric ratio），过去称理论空燃比。,可燃混合气浓度与热值,燃空当量比(equivalent ratio) 1 / a，欧美国家常用,2）空燃比 （Air/Fuel ratio） 3）燃空比（Fuel/Air ratio） 4）可燃混合气热值Hum（Mixture low heat value） 定义：单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量（kJ/kg或kJ/m3）。 Hu表示燃料的能量密度，越高越便于携带；Hum代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积时发出功率越高（pme也越高）。,或,可燃混合气浓度与热值,能量转换效率,（1）燃烧效率,（2）循环热效率,（3）机械效率,有效效率,每缸每循环燃烧时发出的热量 (kJ),单缸循环油量(kg),指示效率,正常燃烧： 汽油机c=95%98% 柴油机c=98%99%,Combustion Efficiency,Thermal Efficiency,Mechanical Efficiency,Effective Efficiency,Indicated Efficiency,混合气充量,充量系数（容积效率）,Volumetric efficiency,定义：每缸每循环吸入缸内的新鲜空气量与按进气系统前状态计算而得的 理论充气量之比。(75%-90%),可燃混合气流量：,大气密度（自然吸气机型） 增压后空气密度（增压机型）,功率和油耗的表达式（课程总纲）,燃烧效率 （第二篇）,循环热效率 （第3章）,机械效率 （第3章）,充量效率 （第4章）,混合气热值 （第2章）,第1章小结,要求掌握： 1. 基本概念 各种功；平均有效压力；空燃比/过量空气系数/燃空当量比 2. 画示功图（p-V p-），并会标识 3. 推导动力性和经济性的性能指标表达式及其关系 4. 了解影响动力性和经济性的主要环节和因素 5. 自学二冲程相关内容,第1章作业,思考题： 11、12、14、15 注意：只收手写作业！不收打印作业或电子版作业！,11画图：1）在p-V坐标图上画出四冲程增压柴油机的示功图，用箭头注明各过程进行方向，并在曲线上标出进、排气门早开、晚关和着火的五个点。2）在p- 坐标图上对应画出上述示功图的压力变化图（整个循环）和上述对应的五个点。（注意：图画大一点。各曲线形状及对应关系要定性准确。坐标原点及上、下止点都要标出来。） 12. 基于Pe的综合表达式（1-31）分析：1）哪些参数属于质环节参数？哪些参数属于量环节参数？2）由自吸式改为增压式发动机时，式中各种参数怎样变化？能否提高Pe？ 146135Q -1四冲程柴油机，冲程140mm，发动机转速2200r/min时的机械效率为0.75，输出功率为154kW，有效油耗为217g/kW.h。已知柴油热值为42500kJ/kg。求此时的pme、Ttq、Pm、e和Wi各值。,第1章作业,15一台四冲程6缸柴油机（缸径x冲程=102mmx125mm）在全负荷时的台架测量结果如下： 燃油体积 200 cm3 燃油测量时间 21.22 s 燃油密度 0.83 kg/dm3 空气体积 5 m3 空气测量时间 30.1 s 环境空气压力 0.1 MPa 环境空气温度 300 K 最大有效转矩 424 Nm 发动机转速 2650 r/min 平均摩擦压力 0.1758 MPa 柴油热值 42800 kJ/kg 计算：1) 燃油体积流量和质量流量；2) 空气体积流量和质量流量；3) 有效功率；4) 有效比油耗和有效热效率；5）指示比油耗和指示热效率。,第1章作业,