汽车发动机原理

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 。 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 、 发 动 机 特 性 、 发 动机 的 排 放 与 控 制 等 。 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 96参 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 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 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、 工 质 所 经 历 的 状 态 变 化 为 一 闭 合 循 环 ； 2、 假 设 工 质 是 理 想 气 体 ； 3、 组 成 各 循 环 的 过 程 都 是 可 逆 的 ； 4、 假 设 外 界 无 数 高 温 热 源 等 容 或 等 压 向 工 质 加 热 ； 5、 假 设 工 质 的 压 缩 及 膨 胀 是 绝 热 等 熵 过 程 。 要 求 掌 握 ： 1、 车 用 发 动 机 的 理 想 循 环 各 是 什 么 ； 2、 理 想 循 环 各 由 哪 些 过 程 组 成 ； 3、 影 响 理 想 循 环 热 效 率 的 因 素 ； 4、 车 用 发 动 机 理 想 循 环 的 比 较 。 一 、 三 种 基 本 循 环1、 实 际 循 环 及 理 想 化实 际 工 作 过 程 ：进 气 、 压 缩 、 燃 烧 、膨 胀 、 排 气汽 油 机 的 理 想 循 环 ： 等 容 加 热 循 环低 速 柴 油 机 的 理 想 循 环 ： 等 压 加 热 循 环高 速 柴 油 机 的 理 想 循 环 ： 混 合 加 热 循 环 2、 汽 油 机 的 理 想 循 环1-2的 压 缩 过 程 绝 热 压 缩 ；2-3的 燃 烧 过 程 等 容 加 热 ；3-4的 膨 胀 过 程 绝 热 膨 胀 ；4-1的 排 气 过 程 等 容 放 热 。等 容 加 热 循 环 的 热 效 率 ： T=1-1/ k-1 -压 缩 比 ； k-绝 热 指 数 。 -等 容 加 热 循 环 Q2Q1 3、 车 用 柴 油 机 的 理 想 循 环 -混 合 加 热 循 环混 合 加 热 循 环 的 热 效 率 :1-2的 压 缩 过 程 绝 热 压 缩 ；2-3的 燃 烧 过 程 等 容 加 热 ；3-4的 燃 烧 过 程 等 压 加 热 ；4-5的 膨 胀 过 程 绝 热 膨 胀 ；5-1的 排 气 过 程 等 容 放 热 。 11 11 1 kk kt =V1/V2-压 缩 比 , =P3/P2 -压 力 升 高 比 ， =V4/V3 -预 胀 比 ， k-绝 热 指 数 .Q1 Q1 4、 低 速 柴 油 机 的 理 想 循 环 -等 压 加 热 循 环1-2的 压 缩 过 程 绝 热 压 缩 ；2-3的 燃 烧 过 程 等 压 加 热 ;3-4的 膨 胀 过 程 绝 热 膨 胀 ；4-1的 排 气 过 程 等 容 放 热 。等 容 加 热 循 环 的 热 效 率 ： T=1-1/ k-1 (K -1 )/K( -1) 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、 解 析 法 ： 从 循 环 热 效 率 的 公 式 出 发 进 行 分 析 。2、 图 示 法 ： 由 PV图 、 TS图 入 手 分 析 。 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 。由 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 。当 压 缩 比 较 小 时 ， 热效 率 随 压 缩 比 的 增 加显 著 增 大 ； 当 压 缩 比较 大 时 ， 热 效 率 随 压缩 比 的 增 加 增 大 较 少 。由 试 验 曲 线 看 出 : 2、 K的 影 响 由 公 式 看 出 ， K T （ 混 合 气 较 稀 ,K较 大 ）K取 决 于 工 质 的 性 质 ， 双 原 子 气 体 为 1.4； 多 原 子 为 1.33.3、 的 影 响 (1) 对 定 容 加 热 循 环 ， T不 变 因 为 则 Q1 和 W Q2/Q1不 变 。 (2) 对 混 合 加 热 循 环 ， TQ1不 变 ， 值 增 大 （ Q1v ） 则 相 对 的 减 少 了Q1p所 占 的 比 例 ， 而 Q2减 少 ， 使 整 个 循 环 的 热 效 率会 增 大 。4、 的 影 响 （ 1） 对 等 压 加 热 循 环 ， T 。 ( Q2) （ 2） 对 混 合 加 热 循 环 ， T 比 较 图 中 各 循 环 加 热过 程 所 对 应 的 面 积 ，得 出 ： Q2p Q2mQ2v所 以 ： tv tm tp三 、 活 塞 式 内 燃 机 理 想 循 环 的 比 较1、 在 等 压 缩 比 、 等 加 热 量 Q1条 件 下 2、 在 循 环 的 最 高 温 度 、 最 高 压 力 相 同 的 条 件 下在 T-S图 上 比 较 三 种 循环 的 加 热 量 和 放 热 量 ，可 以 看 出 ： 放 热 量 q2都 相 同 ， 而加 热 量 为 ： Q1pQ1mQ1v所 以 ： tptmtv 实 际 内 燃 机 中 ， 由于 压 缩 比 选 取 的 不 同 ，有 ： tm tp tv 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 。 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=Pb+Pg P:系 统 压 力（ 绝 对 压 力 ） ；Pb:大 气 压 力 ；P g:表 压 力 （ 压 力表 读 数 ） 。 压 力 的 测 量当 系 统 的 压 力 低 于大 气 压 力 时 ， 用 真空 表 测 量 。P=Pb-Pv Pv： 真 空 表 读 数 。 由 于 表 压 力 和 真 空度 随 大 气 压 力 的 变 化而 变 化 ， 所 以 只 有 绝对 压 力 才 能 作 为 系 统的 状 态 参 数 。 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 - 四冲程柴油机 图 四冲程汽油机 图 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 能4、 膨 胀 过 程5、 排 气 过 程 排 气 温 度 是 重 要 参 数 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 。 发 动 机 的 指 示 指 标 ：顺 时 针 正 功 -循 环 指 示 功 ；逆 时 针 负 功 -泵 气 功 ;机 械 损 失 功 示 功 图 上 循 环 曲 线 所 围 成 的 面积 的 大 小 表 示 功 的 多 少 。在 气 缸 完 成 一 个 循 环 ， 工质 对 活 塞 所 做 的 功 ， 用 WCi（ J） 表 示 。 WCi= Pdv（ WCi相 当 于 代 表 的 功 ）一 、 指 示 功 和 平 均 指 示 压 力1、 指 示 功 （ 或 循 环 指 示 功 ） 1） 定 义 ： 发 动 机 单 位 气 缸 工 作 容 积 每 循 环 做 的 指示 功 。 Pi=Wci/Vh (kpa)2） 单 位 ： Wci（ J） ， Vh（ L） ， Pi（ kpa）3） Pi， Wci =气 缸 工 作 容 积 的 利 用 程 度 。4） 作 用 ： 评 价 发 动 机 工 作 循 环 的 动 力 性 。 5） 汽 油 机 :P i=700-1300kpa 柴 油 机 :Pi=650-1100kpa 增 压 柴 油 机 :Pi=900-2500kpa 2、 平 均 指 示 压 力 Pi 二 、 指 示 功 率 Nii 气 缸 数 ； Pi 平 均 指 示 压 力 （ kpa)； n 转 数 ， r/min； 行 程 数 ；V h（ L） 汽 缸 工 作 容 积 。当 时 ：Pi， Ni， 动 力 性 指 标 。定 义 ： 单 位 时 间 内 所 做 的 指 示 功 ， Ni, KW。 Ni=Wci/t(N.m/s) 31030260 inVpniWN hicii 310120 inVpN hii KWKW 三 、 指 示 燃 油 消 耗率 gi定 义 ： 单 位 指 示 功 所 消 耗 的 燃 油 量 ， 用 gi表 示 。 gi （ 1000 Gf/Ni） g/kwh Gf 每 小 时 的 燃 油 消 耗 量 ， kg/h ； Ni 指 示 功 率 ， kw 。 gi， i， 经 济 性 指 标 。 四 、 指 示 热 效 率 i定 义 ： 实 际 循 环 指 示 功 Wci与 所 用 燃 油 的 发热 量 Q1之 比 值 ,用 i表 示 。 Ni KW ； Hu KJ/kg 燃 料 热 值 ； Gf kg/h ； gi g/kw h可 以 看 出 ： i 1 gi标 定 工 况 下 ， i， gi的 大 致 范 围 ： gi i汽 油 机 ： 205 320 0.25 0.40柴 油 机 ： 170 205 0.40 0.50 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、 有 效 功 和 有 效 功 率 循 环 有 效 功 率 ： Ne Ni-Nm 有 效 功 ： We Wi-Wm 2、 有 效 扭 矩 （ 转 矩 ） Me 3101047.01000602 nMnMN eee Ne： 功 率 ； KW Me： 扭 矩 ； N.mn： 转 速 ； r/min是 发 动 机 工 作 时 曲 轴 输 出 的 平 均 扭 矩 。Men= 9549 (KW) 3、 平 均 有 效 压 力 Pe1.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.与 Ne的 关 系 ： 31030 inVPN heePe平 均 有 效 压 力 kpa ， Vh 汽 缸 工 作 容 积 L 对 四 冲 程 发 动 机 ， 4， 310120 inVPN hee3.对 于 结 构 一 定 的 发 动 机 ， 平 均 有 效 压 力 Pe与 扭矩 Me成 正 比 。 iV MP h ee 14.3汽 油 机 :Pe=650-1200kpa ； 柴 油 机 :Pe=600-950kpa 4、 转 速 n和 活 塞 平 均 速 度 CmCm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 Cm=Sn/30 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 。 ge 1000 Gf/Ne g/kwh Gf:每 小 时 的 油 耗 量 , kg/h Ne:有 效 功 率 kw 有 效 热 效 率 ： 发 动 机 的 有 效 功 We与 所 消 耗的 燃 油 发 出 的 热 量 Q1的 比 值 。 e We/Q1 3.6/ (ge H u) 106 Wim/Q1 im g e:有 效 燃 油 消 耗 率 ; Hu:燃 料 的 低 热 值 kJ/kg ge、 e是 发 动 机 的 经 济 性 能 指 标 。 三 、 发 动 机 强 化 指 标 升 功 率 NL： 发 动 机 每 升 工 作 容 积 发 出 的 有 效 功 率 。 NL Ne/(i Vh) kw/L 从 有 效 功 率 的 角 度 ， 衡 量 发 动 机 排 量 利 用 的 程 度 ， NL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与 所 发 出 功 率 Ne的 比 值 。 Ge G/Ne 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 。 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 五 节 机 械 损 失 与 机 械 效 率 一 、 机 械 效 率1.机 械 损 失 功 率 :发 动 机 机 械 损 失 所 消 耗 的 功 率 ， Nm2.平 均 机 械 损 失 压 力 :单 位 气 缸 工 作 容 积 的 机 械 损 失 功 ，Pm Pi-Pe eim mie hmm NNN PPP niVPN 31030 .机 械 效 率 ： 指 示 功 转 变为 有 效 功 的 程 度 。mie imieimiem NN PPPPNNNN 11 i、 e、 m之 间 的 关 系 mie ieieiem QQNN 11汽 油 机 ： m 0.70.9； 柴 油 机 ： m 0.70.85； 增 压 柴 油 机 ： m 0.80.92 二 、 影 响 m的 因 素1 转 速 n负 荷 一 定 =Pi、 Ni基 本 不 变n =摩 擦 损 失 =机 械 损 失 =Pm 图 2-3 m随 转 速 的 变 化 关 系imieimiem PPPPNNNN 11得 : n , m故 用 提 高 n来 增 加 发 动 机的 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 ；结 构 设 计 因 素 ： 最 高 燃 烧 压 力 、 气 缸 尺 寸 数 目 、 大 气 状 态 等 。 2.负 荷n不 变 ， Ne Me， Ne Pe,故 负 荷 可 用 Ne,Pe表 示 。负 荷 率 ： Me/Memax 100%,负 荷 =Pi ,Pm近 似 不 变= m Pm/Pi怠 速 工 况 : N e 0 Ni Nm, m=0 负 荷 定 义 ： 发 动 机 的转 速 变 化 时 ,作 用 在 发动 机 曲 轴 上 的 阻 力 矩 。 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 Ni不 变 = m 粘 度 =Pm = m粘 度 过 小 =机 油 的 承 载 能 力 太 低 =油 膜 破 裂 =发 生 干 摩 擦 =烧 瓦 =Pm = 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 。 4.冷 却 水 温 度 冷 却 水 的 温 度 直 接影 响 到 润 滑 油 的 温 度 ，因 而 也 就 关 系 到 润 滑 油粘 度 和 摩 擦 损 失 的 大 小 使 用 中 ， 发 动 机 的冷 却 水 温 度 保 持 在 80 95 范 围 内 。 图 2-5 P m随 润 滑 油 温 度 变 化 的 关 系 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 之 和 。热 平 衡 方 程 式 : Q f=Qe+Qw+Qr+Qb+Qs Qf:燃 油 完 全 燃 烧 的 热 量 ;Qe:转 变 为 有 用 功 的 热 量 ; （ 占 25 40 )Qw:传 给 冷 却 介 质 的 热 量 ; （ 占 10 35 )Qr:被 废 气 带 走 的 热 量 ; （ 占 25 50 )Qb:燃 烧 不 完 全 热 量 损 失 ;Qs:其 他 热 量 损 失 ; 燃 油 完 全 燃 烧 的 热 量 Qf GThu (kJ/h)转 变 为 有 用 功 的 热 量 Qe 3.6 103Ne (kJ/h)传 给 冷 却 介 质 的 热 量 Qw Gwcs(t2-t1) (kJ/h)(Gw 通 过 冷 却 介 质 的 流 量 kg/h； cs 冷 却 介 质 的 比 热 kJ/(kg )；t1、 t2 冷 却 介 质 入 口 、 出 口 温 度 )被 废 气 带 走 的 热 量 Qr (GT+Gk)(cprtr-cpktk) (kJ/h)(GT、 GK 每 小 时 消 耗 的 燃 油 和 空 气 量 kg/h； cpr、 cpk 废 气 和 空 气的 定 压 比 热 kJ/(kg )； tk、 tr 进 排 气 门 处 工 质 温 度 )燃 烧 不 完 全 热 量 损 失 Qb Qf(1-r) (kJ/h) ( r 燃 烧 效 率 ）其 他 热 量 损 失 Qs Qf (Qe Qw Qr Qb) (kJ/h) 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 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 。