《发动机原理》.ppt

Speaker: Lin Ying,学院、系室：交通学院 交通工程系 专业、年级、班级：交通运输08级（1）（2） 主讲教师：丁 艺 教授,发动机原理,福建农林大学 2010年08月,汽车是现代交通运输的主要工具之一。汽车运输具有机动、灵活、快速、换装少、货损少、效率高、效益高的特点。汽车与国民经济发展紧密相连、与人民日常生活密切相关。 汽车工业是机械电子工业的一个重要组成部分，也是一个综合性的工业部门和技术密集行业。在一定程度上，一个国家的汽车工业代表了这个国家的工业发达水平。 发动机是汽车的心脏，汽车发动机原理是交通运输（汽车运用工程）专业的必修课程。,概 述,汽车发动机原理以发动机性能为主要研究对象，把合理组织工作过程，提高整机性能作为主要内容，通过分析各工作过程中影响性能指标的诸多因素，从中找到提高汽车发动机性能指标的一般规律。 本课程的任务是研究汽车发动机的工作过程及整机性能，使学生掌握发动机实际工作过程的分析方法及性能指标与各工作过程的内在联系；掌握性能实验的基本方法以及数据处理与分析；了解影响整机性能的基本途径，为从事汽车发动机的管理、使用、维护与修理提供理论基础。,发动机：将某种形式的能量转化为机械（Engine） 能的一种机器。,组件式GIS技术,空间数据挖掘技术,GIS与数据挖掘集成技术,发动机（狭义）：主要制用于可移动的交通工具或 可移动的机械设备上的动力装置。如航空发动机、 船舶、汽车、拖拉机 现代汽车发动机（Automotive Engine）多为往复 式的内燃机。,内燃机：将燃料在气缸内燃烧，使其热能直接转化为 机械能的机器。 往复活塞式发动机(Reciprocating Piston Engine) ：活 塞在气缸中作往复运动的发动机。 蒸汽机和目前大多内燃机都是往复活塞式发动机。 现代汽车发动机如果不加特别说明，一般都是往复活塞式发动机。 现代汽车用发动机的燃料有汽油、柴油、酒精和液化石油气等。但目前广泛使用的还是汽油和柴油。,该门课程主要内容及安排,主要内容：汽车发动机的实际工作过程与性能指标；燃烧热化学与热计算；换气过程及燃烧过程的进行与使用因素的影响；发动机噪声及排放污染的形成机理与防止措施；主要特性（负荷特性、速度特性、万有特性）与制取方法及分析；车用发动机的废弃涡轮增压等。 基本要求： (1) 明确本课程的地位、性质、任务及主要研究对象；了解目前国内外研究水平及主要发展方向; (2) 重点掌握发动机实际循环及指示指标、有效指标、机械效率的定义、计算与分析；明确实际循环的各项损失及减少损失的的基本途径;,(3) 明确换气过程的进行；重点掌握充气系数的概念及影响因素与 提高充气系数的措施；了解进排气管内的动力效应; (4) 熟悉汽油机及柴油机的混合气形成；掌握汽油机正常燃烧过程 的特点与分期及不正常燃烧现象与形成机理；掌握柴油机燃烧 过程的特点与分期；了解柴油不正常喷射发生的原因及消除措 施；明确使用因素对燃烧过程的影响; (5) 掌握发动机噪声及排放污染形成机理、测定方法与防治措施； 明确使用因素对发动机噪声及排气中有害气体浓度的影响。 (6) 明确发动机特性的定义、基本分析式及研究意义；重点掌握负 荷特性、速度特性、调速特性、万有特性曲线的制取方法与分 析；掌握大气修正方法。了解车用发动机的废弃涡轮增压技术;,安排：课堂教学30学时，其中含作业讲评、测验1次。 课程成绩评定：平时成绩（作业、测验）30%，期末 考试成绩70%。,主要参考书,汽车发动机原理（徐兆坤主编） 清华大学出版社 汽车发动机原理（张志沛主编） 人民交通出版社 汽车发动机原理（陈培陵主编） 人民交通出版社 汽车拖拉机发动机（武汉工学院董敬、庄志） 中国农业机械出版社 工程热力学（庞麓鸣） 工程热力学（曾丹玲） 工程热力学（沈维道） 汽车构造（各种版本）,发动机原理 2009-2010学年 第一学期,1-1 气体的热力性质,一、气体的热力状态及其基本状态参数 内燃机：燃料在机器内部燃烧的发动机（热能机械能）。 内燃机中，热能向机械能的转换是通过气体状态的变化来实现的。在气缸中，气体不断经历压缩、吸热、膨胀、放热等热力过程，气体的热力状态在不断发生变化。 气态工质： 气体远离液态，不易液化的气态 蒸气刚由液态过渡过来或比较容易液化的气态 内燃机的工质是气体（包括空气、燃气和烟气）。,(一) 气体的热力状态 气体在任何一个瞬刻的状态就是它在该瞬刻所处的物 理条件。 (二) 状态参数 标志气体热力状态的物理量。每一个状态参数都是从 某一方面来描写气体所处的状态。 工程热力学中常用 的状态参数有6个：压力P 比容V 温度T 内能U 熵S 焓H 基本状态参数 （可直接测量、应用最多）,温度T：Temperature 温度表示气体的冷热程度。也就是气体分子热运动的强弱程度。与大量分子平均移动能的大小成正比。 其中： 比例系数 m 分子的质量 分子直线运动的均方根速度 是国际单位制SI中基本单位 温度是用以确定一个系统是否与另一个系统处于热平衡的一个热力学状态参数。,（3）朗肯温标 = 1.8K （4）华氏温标 = + 459.67,压力P： 单位面积上所受的垂直作用力称为压力。 根据分子运动论，气体的压力是大量分子向容器壁面撞击的平均结果。（统计量） 单位：在国际单位制（SI）中，压力单位是“帕斯卡”，代号Pa（N/m2）成正比。 1KPa=103Pa 1MPa=106Pa (千帕) （兆帕） 在工程实际中，使用的压力单位有“标准大气压”，代号atm； 及“巴”，代号bar；“工程大气压”， 代号at(kgf/cm2)。 1atm=101325 Pa=101.325 KPa 1bar=105 Pa 1个工程大气压1at(kgf/cm2)=98.067kPa,压力的测量：气体的压力通常使用压力计或真空计测量。 因为压力计读数是气体的真实压力与大气压力的差值，称为“表 压力”，用P表（Pg）表示。气体的真实压力称“绝对压力”，用P绝 （P）表示，大气压力用P0表示。 当P绝P0时 P绝=P0+P表（P=P0+Pg） 当P绝P0时 P绝=P0-P真（此时表压力是真空度） 注：此时表压力是负值，用真空度表示，代入上式时不随负号，仅取其数值,大气压力因地而异，即同一绝对压力的气体，其表压力也因地、因时而异，因此，只有绝对压力才能作为状态参数。,二、工质及平衡态、热力系、热力过程 (一) 工质及其平衡态 工质： 工程热力学中，把实现热能与机械能相互转换的工作物 质称为“工质”。 内燃机的工质是：空气和燃气 。 空气具有：好的流动性和膨胀性；（在相同温差或压差下， 其膨胀比最大，因而能够更有效地做功） 气体热力性质最简单，可以简化为理想气体。,平衡态： 一个系统不受外界作用，系统内部不发生状态地任 何改变，则称为该系统处于平衡状态。所谓外界作用，即是与 外界的热、功、质的交换。 无不平衡力：力学平衡 系统平衡状态条件： 无温度梯度：热平衡 无化学反应：扩散或溶解过程，化学 平衡 无电位差：电平衡 即：当一个系统内的各部分的温度和压力处处相等，不随时间而变化，它是 系统在没有外界作用的情况下可以长久保持的状态。这时系统各部分的状态均匀一致，每一个状态参数只有一个数值。,(二) 热力系统 凡是人为划定的热力学研究对象叫“热力学系统”，亦称“热力系”、“系统”。与系统相关的称“外界”（与系统有相互作用的其它系统称为外界）。 包围系统的封闭表面就是系统与外界的分界面，称为边界（或界面）。边界可以是真实的，也可以是假想的。 根据边界上物质和能量交换情况，热力系统可分为： 开口系统 open system ： 系统与外界不仅有功、热的交换，而且也有物质交换。（亦称控制体积 control volume） 如：燃气轮机 。 闭口系统 closed system：系统与外界可以有功、热的交换，但没有物质交换。（亦称控制质量 control mass） 如：气缸。,孤立系统 Isolated system：系统与外界不发生任何相互作用， 如物质交换、热和功的传递。 非孤立系统+相关的外界=孤立系统 （这是一种处理方法，实 际不存在） 绝热系统：系统与外界不进行热交换的系统。 热力系的选择取决于研究目的和任务。,(三) 热力过程、准静态过程、可逆过程与不可逆过程 （1）热力过程 系统在外界条件作用下，从某一状态变化到另一状态所经历的全部状态的总和。（曾丹玲：“热力系状态连续变化的过程叫做热力学过程） 热力学系统在外界条件作用下，任何一个状态参数发生变化时，这个系统的工质从一个状态经过一系列的中间状态变至另一个状态，称工质经历了一个热力过程。 循环：热力系统初始状态和终了状态相同称热力系统经过了一个循环（有正循环和逆循环）。 （2）准静态过程（内平衡过程） 在一个热力过程中，必定在系统内或系统与外界之间存在某种不平衡势，使系统的状态发生变化，如果这种不平衡势无限小，以致系统在任意时刻均无限接近于一个平衡态，这种的过程称为准静态过程。,引入准静态过程的好处： 可以用状态参数描述过程 可以用状态方程进行必要的计算 可以在参数坐标图上表示过程 可以计算过程中系统与外界的功、热交换 （3）参数坐标图上表示过程（只有准静态过程才能在图上表示出来，不平衡状态由于没有确定的热力状态参数，无法在图上表示） 一个平衡态只有一组唯一的状态参数，并且在（P、V、T）三个状态参数之间存在内在的联系，三个状态参数之间只有两个是彼此独立的。因此，用任意两个参数就可以表明工质所处的状态。, 我们只要用任意两个参数作为平面直角坐标图的纵、横坐标，构成参数坐标图，就可以清晰地表示工质所处地热力状态。图示法具有直观、简明、便于分析等优点。 如果非准静态过程，在图上只能用虚线表示它从一个平衡点开始到另一个平衡点经历的过程，无法确定其真实过程。,（4）可逆过程与不可逆过程（是carnot在17961832引出的） 一个热力学系统沿某一过程曲线由状态1变为状态2后，若能沿着逆方向的同一曲线从状态2回到状态1，而不引起外界的变化，这个过程叫可逆过程。 或：一个热力学系统经历一个过程，其结果是系统和外界的初态均可完全恢复而不留任何痕迹，此过程称为可逆过程。 可逆过程：无摩擦、无温差的平衡过程。 不可逆过程 ： 有压差下的膨胀、有温差的传热；自发过程（均衡过程）；伴有摩擦存在的过程（耗散过程） 摩擦 扩散 耗散效应 渗透 溶解 涡流 准静态过程可逆过程,共同点：无限缓慢、无限接近平衡态 。 差别：准静态过程要求工质内部平衡，不排斥耗散效应存 在；可逆过程要求工质内部平衡，内外无耗散效应。 简单地说：可逆过程=准静态过程+无任何耗散效应。 系统在可逆过程中对外输出的功量等于准静功。因此，可以直接根据系统内部的参数来计算它。这在工程计算上将带来极大方便。 可逆过程是没有任何损失的理想过程，实际的热力过程既不可能是绝对的平衡过程，又不可避免地会有摩擦。因此，可逆过程是实际过程地理想极限。今后我们所讨论的主要是可逆过程。,三、理想气体状态方程 Ideal gas equation of state 理想气体是一种实际上不存在的假想气体。这种气体的分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子之间也没有相互作用力。 引入理想气体概念，主要是为了研究问题方便。因为，如果考虑了气体的性质非常复杂，状态参数之间则是极其复杂的函数关系，使研究问题复杂。 气体的温度愈高、压力愈低时，气体比容愈大，气体离液态愈远。气体分子间的距离很大，与距离有关的分子之间的作用力就很小，分子本身体积相对气体分子运动所占有的空间也显得极为微小。这时，这些气体就可以作为理想气体处理。通常所见的气体o2、N2、H2、co、co2及空气等都作为理想气体看待，误差并不大，锅炉中所产生的水蒸汽离液态较近，一般不能作为理想气体处理。,另一方面，该式也说明了在一定状态时，已知两个独立参数就可以确定气体的状态。若气体得质量为m千克，将上式两边同乘以m得： 式中： 为m千克气体所占总容积（米3） 阿伏加德罗定律指出，在同温、同压下，1摩尔的任何气体所占的容积相同。 且由实验测得，在标准状态（压力为1个标准大气压，即1.01325105帕（Pa），温度为0（273.15K）时）时，摩尔容积为： =22.41410-3 米3/摩=22.414标准m3/kmol 因此，若采用摩尔质量为度量气体质量的单位，则所有气体的气体常数相等了。,四、工质的比热 在工程中，热量的计算常常利用比热 比热：单位量的物质作单位温度变化时所吸收或放出的热量。 （在一个系统中，工质单位温升所吸收的热量，即在温度间隔 内使气体温度升高1k时平均所需热量，称平均热容量。） 平均热容量： KJ/K 瞬时热容量（真实热容）： 单位热容量（比热）： （ ） 式中：C某工质在某一状态下的比热 dq某工质在某一状态下温度变化时所吸收或放出的热量（KJ）,(一) 与工质的性质（种类）关系：不同的工质比热不同，可通过查有关表格得。 (二)比热与单位关系：量度气体质量的单位可以是： kg、kmd、m3 质量比热： 摩尔比热： 热容比热： 三者关系 （ ：摩尔质量 ）,(三) 比热与热力过程关系 工质的比热与工质从一状态到另一状态所经历的热力过程有关。热力工程中最常见的加热过程是定压过程和定容过程。,在一定温度下，同一种气体的 与 值彼此不等，且 ， 与 关系式可由第一定律解析式导出。,在一定温度下，同一种气体的 与 值彼此不等，且 ， 与 关系式可由第一定律解析式导出。,(四) 比热与加热时工质的状态关系(与温度和压力关系) 实验证明：气体的比热是温度、压力的函数。,对于理想气体，比热仅是温度的函数。(因理想气体分子间没有相互作用力，因而分子具有内动能而不存在内位能。因此，理想气体的比热仅是温度函数，与压力、比容无关。） 理想气体： 理想气体 与 的关系极为复杂，可近似表示为： （ ） 式中： 、 、 等系数均由实验确定，与气体种类有关。（常数）,如果以比热为纵坐标，温度为横坐标，则得 的关系曲线。可见不同的温度对应不同的比热。工质在每一温度下所对应的比热称为工质的“真实比热”。,=面积1、2、 、 因比热随T不同而变化，使计算复杂，为使计算方便，取平均比热 。 平均比热：在一定温差范围内单位量物质所吸收或放出的热量和温度差之比值。 =面积1、2、 、 =面积ABCD = AC,矩形高AC表示在 至 范围内的平均比热,= 工程上将平均比热制成表，可直接查取。此表的温度是从0 （因若 、 温度都变化，使制表困难） 12 =面积OE2DO-面积C0E1C = = 又 ,(五)理想混合气体及其比热 内燃机的工质通常是由各种气体组成的混合气体，燃气由CO2、O2、N2及少量SO2、H2o、CO等组成。在高温时，燃气内部存在极复杂的化学反应，高温分解，低温还原，研究十分困难，但高温时间极短，一般在1400以下时，分解、分离现象相对次要。所以，我们常将混合气体视为理想气体研究。（不存在化学反应） 有关理想气体的公式和定律对理想混合气体也都适用。 ：理想混合气体的平均摩尔质量 ：理想混合气体的平均摩尔质量,式中： 组成气体的质量 组成气体的摩尔数 理想混合气体的比热：其比热取决于各组成气体的比热和其相对成分。 第种组成气体的相对重量成分 （ ）,1-2 热力学第一定律,一、几个基本概念 1、功 work,平常工程热力学说的简单系统只有一种形式的功膨胀功（亦称容积功）。 容积功：作用在系统边界的力使系统边界发生位移，并使容积发生变化而作功。 设一千克工质在气缸中进行膨胀，经历一个可逆过程 是可逆过程 式中： 活塞移动 时工质作的微量功 膨胀过程中工质在某瞬间的压力,整个过程1-2中所作的功应为 m千克工质所作的功，则为 （ ）,以上两式为工质在可逆过程中对外界（包括活塞）所作膨胀功的数学表达式，如已知在状态变化过程中 与 的变化规律，即过程方程式 ，即可求得功量。 工质在可逆过程中所作得功可以用 图上过程曲线下的面积表示。所以，压容图亦称示功图。,从示功图可知，膨胀功的数值不仅决定于工质初态和终态，而且 和过程经过的途径有关，即与过程的性质有关。所以，膨胀功不 是状态参数，而是过程的函数。 规定：膨胀功为正，压缩功为负,2、热量、熵 热量（hert） ：依靠温差而传递的能量称为传热量或称热量。 功与热的比较 规定：系统吸收热量为正，放热为负,熵和温熵图（示热图）,m千克工质 （ 可逆） 1千克工质 （如不可逆 ） 做功推动力 传热推动力 这用完全形式逻辑对比引出，但这不是很好的说明，只是为了加深记忆,二、热力学第一定律 热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用。能量转换定律（The Lew of Conservation Energy）是1843年英国业余物理学家Joule通过大量实验找出热功当量，实际上是德国一个医生Mayer在1842年已发现，但他的论文未被采纳。 能量转换及守恒定律：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，它能够从一种形式转换为另一种形式，在转换中能量保持不变。 热力学第一定律：“在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后的总能量维持恒定。” 或：“第一类永动机是不可能造成。”,或：“热能可以转变为机械能，机械能也可以转变为热能，一定量的热能可以转化为数量相当的机械能，一定量的机械能也可以转化为数量相当的热能。” 国际单位制规定功 、热 的单位均使用“焦耳”（ ），这时 如果单位不同： 则： 或 式中： 功的热当量 热的功当量,五、闭口系统能量平衡方程 以气缸中定量工质为例：工质与外界并无质量的交换，只有能量的传递（传热与作功），这就是前面介绍的封闭热力系或定质量热力系（闭口系统）。 工质从外界吸收热量Q，从状态1变到状态2（膨胀），并对外界作膨胀功W，由于讨论是闭口系统，不存在工质流进流出的问题，所以 和 可不予考虑。则在此过程中工质储存能量的变化为： 热力学第一定律解析式：,以上三式仅从热一律原则直接推导得，没有附加条件，因此可适用于任何工质、任何过程（可逆和不可逆的一切变化过程） 若工质经历的是可逆过程，则上式可写成：,稳定流动能量平衡方程 现分析 千克工质流经开口系统时能量变化关系。 流入热力系时带入的能量为： 式中： 工质流出热力系时带出的能量：,热力系储存能量的变化为： 此外，系统在过程中从外界吸热Q，并对外输出轴功（控制体积功，除了轴功外，还可能有容积变形、膨胀功、拉伸功、电磁功等，在此假定除外，其余没有）。 为使截面前的 千克工质流入热力系，外界必须用力 ，克服阻力把它推入热力系，此时外界对工质作功 焦。同理， 千克工质由热力系截面流出时，也必须克服外界阻力 ，对外界作功 焦。上述 乃是千 克工质在流动时所作的功，称为流动功（或推动功、压缩功、压力势能）, 将 、 、 代入能量平衡方程,焓： 焦 对一千克工质： 焦/千克 可见：由状态参数 、 、 决定的焓也是状态参数，在状态变化过程中，焓变量为： 对于开口流动体系来说，焓是 内能+推进功 对于闭口系统没有更多物理意义，只是一个状态参数，,引用焓，在闭口系统有时很方便，如：一个闭口系统，定压膨胀，可逆过程： 可见：在闭口系统定压过程，系统所吸收的热量等于系统焓的增量。,技术功 ： 若工质流进、流出热力系的动能和位能的变化量很小，可略去不计,则 ： 工质流经热力设备时所作的技术功应等于膨胀功和推动功的代数和 ,也可由第一解析式直接转化而得 = 或： （复合状态参数） ,定压过程（焓的推导） 所以：理想气体无论经历什么过程，其内能变化在数值上总等于定容过程的加热量。 焓的变量在数值上总等于定压过程的加热量。,熵的计算 若 为定值，则： 或： ,若 为定值，则： 熵 从状态1变化到状态2，只与初态1和终态2有关， 与过程无关，所以， 也是状态参数。,熵的变量 （ 为定值） 在 图上，定容过程曲线为一条对数曲线。,二、等压过程 定压过程比容与温度成正比 膨胀功 热量 或,熵的变量,三、定温过程 定温过程气体绝热压力与比容成反比 膨胀功 热量 ,单原子气体 =1.67 双原子气体 =1.4 三（多）原子气体 =1.3 从 得,热量 熵的变量 功 闭口系统：膨胀功 可见：绝热过程中工质对外作膨胀功时消耗工质的内能。 ,四、多变过程 定义：压力、比容的关系符合 的过程（ ） 多变指数 这是一般化公式多变过程方程式 当 则 定压过程 则 定温过程 则 绝热过程 则 定容过程 可见：当 为某一定值时， 就代表一个特定过程，此式可将许多有规律的热力过程包括在内，具有相当的普遍性，讨论多变过程得到的结论，对其他特殊过程具有原则性指导意义。,由于多变过程方程式的数学形式与绝热过程相同，因此多变过程中的初、终态参数之间的关系，以及求膨胀功（技术功）的公式，在形式上均与绝热过程的公式完全相同，只是以代替各式中的值。 膨胀功 技术功 多变过程中气体的技术功 等于闭口系统中同量气体膨胀功的 倍,熵的变量 或,在 、 图上的表示,1-4 热力学第二定律,一、热力学第二定律的几种表述 热力学第二定律是人们根据无数经验总结出来的有关热现象的第二个经验定律，并被大量经验和事实说明它的正确性。热力学第二定律的实质就是指出一切过程的不可逆性。 第一种说法：克劳修斯说法（1950年），“不可能把热从低温物 体传至高温物体，而不引起其它变化。”即“热不可能自动（自发）地、不付代价地从低温物体传至高温物体。” 第二种说法：开尔文说法（1951年），“不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其它影响。”即“只冷却一个热源而连续不断作功的循环发动机是造不成功的。”,卡诺循环及其热效率 热力学第二定律指出，第二类永动机是不可能造成的，也就是说，任何热机都不可能将吸取的热量循环不息地全部转变为功。那么在一定条件下（高温恒温热源和低温恒温热源一定时），循环中吸取的热量最多能转变为多少功？即是说，提高循环中热变功的效率的基本途径是什么？卡诺循环和卡诺定理回答了这些问题。,问 题,由可逆过程组成的循环称为可逆循环。热机循环的经济性是以热效率来衡量的。,据热力学第一定律： 卡诺循环热效率,由卡诺循环的热效率公式可以得出： 1、卡诺循环的热效率决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质在定温吸热和定温放热时的温度。（ 取决于 、 ）。,卡诺定理 “在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，没有其他热机的热效率能比卡诺热机的热效率更高。”,发动机原理 2009-2010学年 第一学期,2、压缩 线 进气门、排气门均关，活塞从下止点向上止点运行，提高工质 、P.(工质受压缩的程度用 表示。) （610 ） 8002000 600750,4、排气 线 进气门关、排气门开、活塞从下止点 上止点。排出废气、为下一循环作准备。 ：9001100 ：1.051.15 从实际循环分析可知： 实际循环情况复杂，研究也十分困难 工质对活塞作功为正，活塞对工质作功为负,为研究方便，将内燃机实际工作过程抽象简化。,2-2 理论循环,由于12及34为定熵过程，则,二、定压加热循环 1、定压加热循环热效率 由于 令 预胀比（定压预胀比）, 将以上各式代入 公式得：,2、混合加热循环平均压力 （ ） 将 、 、 代入式子得：,由此可知： 一定的机器，其 不一定 实际机器最好是：燃烧放热宜占曲轴转角小，平均接近上止点 注：有些书用“等容度“来衡量在等容加热的程度 “等容度”：等容过程所占的程度。,第三章,3-1 指示指标,3-2 有效指标,3-3 机械损失,发动机性能指标,发动机（主要指汽、柴机）性能指标有动力性和经济性。此外，上世纪70年代以来，还考虑了噪音、排气烟度和排气成分等指标。 “发动机原理“是以性能指标为研究对象，深入到工作过程的各个阶段，分析影响性能指标的各种因素，从中找出提高性能指标的一般规律。 但衡量发动机的质量，还要考虑它的可靠性、耐久性及结构工艺性、操纵维修、成本核算等各个方面。所以，在研究提高性能指标的同时，必须根据使用特点，生产条件等实际情况，把要求合理的统一起来。 发动机性能指标有两种：一种是以工质对活塞作功为基础的指标指示指标。它们用来评定工作循环进行的好坏。另一类是以曲轴输出功率为基础的性能指标有效指标。它们用来评定整个发动机性能的好坏。,发动机性能指标,3-1 指示指标,一、循环指示功 和平均指示压力 (indicated),发动机性能指标,发动机性能指标,高，则同样大小的气缸工作容积发生的指示功愈多，气缸工作容积的利用程度愈佳，它排除了工作容积影响。（上世纪70年代后，都在寻求高的平均指示压力）可以比较不同大小，不同型式发动机的性能。,发动机性能指标,发动机性能指标,三、指示燃油消耗率 和指示热效率 工质每作1 的指示功所消耗的燃料量称为指示燃油消耗率（指示耗油率）。 ：工质完成的指示功与所消耗的燃料热量之比。,发动机性能指标,发动机性能指标,3-2 有效指标,发动机性能指标,发动机性能指标,发动机性能指标,发动机性能指标,发动机性能指标,发动机性能指标,2、比质量 ：发动机质量 与所发出标定功率 之比 发动机质量，指未加水、油， 不包括散热器、排气管、空滤器、 消音器、仪表等附件时发动机质量 说明金属材料在发动机中利用程度。,发动机性能指标,发动机性能指标,3-3 机械损失,发动机性能指标,换气过程：发动机的排气过程和进气过程的总和称之。 发动机气缸内充气量的多少是决定发动机动力性能的主要因素。 因发动机是利用燃料在气缸内燃烧所放出的热能使工质压力提高而对活塞作功的。 燃料燃烧热量的放出，依赖于燃料和空气中氧气，要使 、 、 ，就需要燃料在气缸内燃烧时放热多，这就依赖于气缸中所能充填 进去的燃料量，也依赖于充填进去的空气量。 液体燃料发动机，其燃料占体积极小，所以从燃料量来看，可以使燃料多到保证将气缸内的氧气完全利用的程度，而并不会对气缸内的充气量有明显的影响。可是由于空气占体积大，所以从而使得发动机气缸中燃烧所能放出热量的多少，主要是限于能够充入气缸的空气量的多少。 液体燃料与空气比例： 重量比 115 体积比 110000,另外，燃料是强制进入，由化油器或喷油泵多供一些燃料容易作到，而更多的充入（吸入）空气却较困难。因此，气缸中燃烧放出热量的大小，就取决于充入气缸空气量的多少，如果每循环进入气缸的空气量多，就可以多供一些燃料，使燃烧放出的热量增加，从而提高发动机的功率和扭矩。 所以，发动机气缸内充气量的多少，是决定发动机动力性能的主要因素，我们研究换气过程的目的，就在于了解换气过程进行的情况，分析影响充气量的因素，从而设法使对气缸大小一定的发动机充气量尽可能提高。,泵气损失 + - 即示功图中的下环面积。 和 在计算时，已考虑进去了，实际示功图中进排气过程负功为 + - 。 平均泵气损失压力 ， 一般在0.150.3 左右，作为功的损失并不很大，但时 ，对提高充气性能是很重要的。,实际进气量： 差别不大,据： 一般指油门全开时的充气系数。,因此，就一定的转速而言，可以配合进气管长度，使发动机功率提高。（可变进气支管） 排气管压力波动 同样道理，排气管中的气体压力波动也是可以利用，如在排气门关闭之前，排气管中正好有膨胀波到达，使排气门处压力降低，能帮助燃烧室扫气，使废气排除干净，利于 。 进排气管的压力波动，在单缸机转速变化小时好用，在多缸机上由于各缸进排气管与总管相连，易互相干扰，利用很困难。,第五章,5-1 燃料及主要性能,5-2 汽油机的燃烧过程,5-3 燃油机的燃烧过程,发动机的燃烧过程,5-1 燃料及主要性能,燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程，燃烧过程好坏，关系到能量转换的效率的高低，从而直接影响发动机的性能指标。 发动机实际燃烧过程的进展情况十分复杂，牵涉面很广，影响因素多。 对燃烧过程的基本要求：,二、汽油的抗爆性 汽油机产生爆 震燃烧与很多因素有关，但在一定结构和使 用工况下，主要取决于燃料的性能。 汽油的抗爆性：汽油对发动机发生爆燃的抵抗称之，抗爆性 好，可以承受高的压缩比，从而改善发动机的性能。 燃料抗爆性与其化学组成有关，烷烃的抗爆性最差，烯烃次 之，环烷烃较好，芳香烃最好，在同一种烃内，轻馏分优于重馏 分，异构体优于正构体。 汽油的抗爆性指标和测定 评定汽油抗爆性指标：辛烷值 汽油抗爆性取决于各种烃类的含量，而含抗爆性高的烃类多 的汽油其抗爆性高，否则就低。,由于各种烃的抗爆性不同，所以汽油的抗爆性很难用同一个理 化指标表示，目前广泛采用与标准燃料在特定条件下实验的比较方 法，确定燃料的抗爆性。 两种标准液 异辛烷：抗爆性很高，定为100 正庚烷：抗爆性很低，定为0 按不同容积比混合得到各种不同抗爆性的标准燃料，其中异辛 烷的百分数即为该标准液的辛烷值。 测定方法 有 研究法辛烷值（东欧及美、英）RON 马达法辛烷值（我国SYB2106-59）NON,五、燃料的热值 1kg燃料完全燃烧时，所产生的热量。单位（ ）或（ ） 1、高热值：燃料的热值中包括水的汽化潜热在内的热值（包括燃料中H燃烧后生成水蒸汽冷凝放出的潜热）。 2、低热值：高热值中减去水的汽化潜热的热值，在发动机工作中，排气温度高，水的汽化潜热不能利用，故采用低热值作为燃料热值来计算。 汽油低热值约10500 （44000 ） 柴油低热值约10000 （42500 ）,当 值变浓或稀，有抑制爆燃作用，但浓一些混合气使发动机燃料消耗增加，用稀混合气则功率有所降低。 =1.051.15 经济混合气， 低。,3、气缸的尺寸 缸径太大，易引起爆燃。 大，燃烧室尺寸也相应大，使火焰传播距离长。同时燃烧室面积比值下降，冷却效果差，使得爆燃倾向上升，所以没有缸径很大的汽油机。一般车用汽油机 100mm。 （采运机械上 ） 小结： 着火落后期（化学准备） 1、汽油机燃烧分三期 火焰传播期（重要期、要求时间短） 补燃期（要求 ） 2、希望期 ，最大压力希望在上止点附近（上止点后一点）太前：有用功消耗多；太后：有用功减少。,（三）缓燃期 从 出现到 的阶段， 一般在上止点后2025。 燃料仍在继续喷射，此期内仍有大量燃料燃烧，由于此时，气缸内容积是在不断增大的情况下进行的，故压力略有下降，其温度升高到最高值， =17002000左右。随着燃烧进行，废气增多，氧和燃油浓度下降，燃烧变得不利，逐渐缓慢。 缓燃期一般喷油已结束，到缓燃期终了，放热量达循环放热量的7080%。 （四）补燃期 后 结束点难确定，一般认为放热量达9597%，即可认为补燃期结束。 柴油机中，由于燃烧时间短，混合又不均匀，总有一些燃料不能及时燃烧，拖到膨胀过程进行。,此期：缸内压力下降 ，气流运动减慢 ，废气量增多（故燃烧条件极差，形成碳烟可能性大），且补燃期是在膨胀中进行，有效功下降，相反使零件热负荷增大，排气温度提高，冷却损失增大（动力性和经济性下降）。因此，希望补燃期短（即加强气流运动，改善混合气形成，使之充分混合，减少缓燃期喷油量，使燃烧在上止点附近完成）。 根据上述对柴油机燃烧过程的分析，可以知道： 1、为了保证柴油机工作可靠（尤其是冷起动的可靠性），应该保证燃料有很好的发火性。 2、为使柴油机工作柔和，燃烧噪音小，寿命长，速燃期的压力升高率和最高燃烧压力不超过一定限度，应尽可能缩短发火延迟期，减少在发火延迟期内形成的作好燃烧准备的混合气量。 3、为使燃烧完全、及时，提高动力性和经济性，减少排气冒烟，应改善和加速缓燃期中燃料与空气的混合，提高后期的燃烧速率，减少补燃。,第六章,6-1 汽油机的特性,6-2 柴油机的特性,6-3 发动机的万有特性,发动机的特性,发动机的特性,发动机的特性,6-1 汽油机的特性,随 变化如前； ： 提高， 增加，而 下降，由于 ，故 随 的提高而下降。 在某一中间 时， 乘积最大，即 最大，其 达最小，其它转速时， 都有所上升。,小客车，对车速（最高）要求高，需增大高速时的扭矩以提高其超车能力，且它的后备功率较大，低速时已有良好的加速性能。因此不强调扭矩储备，应选用最大扭矩出现在较高 下的扭矩特性。 4、发动机的工作范围 一般应在最大功率转速 与最大扭矩转速 之间。 当工作转速 时，经济性、动力性、可靠性大大变坏，不能使用。当 时，发动机工作不稳定，也不能使用。,（三）部分速度特性 汽车大部分在部分负荷下工作（即节气门部分开），随节气门关小，节流损失增大，进气终了压力 下降，从而引起 降低，且 随上升， 下降更快。 所以节气门开度减小， 随 转速 提高而下降更快，而且最 大扭矩点以及最大功率点均向低 速方向移动。,发动机的特性,二、汽油机的负荷特性 在点火提前角和化油器调整完好，发动机转速 不变时，改变节气门开度（改变负荷）， （每小时耗油量）和 （耗油率）随负荷变化的关系。 汽油机的负荷调节是改变节气门的开度，直接改变进入气缸的混合气量，故称之为“量调节”。 在 一定时，随节气门开度增加（即负荷增加）其 、 、均提高，故可用 、 、 其中任一个来表示负荷的变化。,发动机负荷特性可以表示不同负荷下的经济性，由负荷特性可以看出： 的最低值 愈小，经济性愈好，同时在负荷减小时， 曲线上升愈缓慢愈好，这样就表示在负荷变化较广的范围内能保持较好的经济性，这对于负荷变化很大的汽车、拖拉机发动机尤为重要。 根据负荷特性，汽车在低负荷下工作是不经济的，而且负荷愈小愈不经济，因此，合理选择发动机的功率大小，使它在工作时经常处于负荷较高的状况，