汽車發(fā)動機原理

汽車發(fā)動機原理點燃式和壓燃式內燃機的工作過程、燃燒理論、性能分析以及參數(shù)調控清華大學汽車工程系帥石金博士Email:sjshuai@Phone課內容第一篇動力輸出與能量利用第1章動力經(jīng)濟性能指標與影響因素第2章燃料與工質第3章循環(huán)分析與能量利用第4章?lián)Q氣過程與循環(huán)充量第二篇燃燒與排放第5章燃燒的基礎知識第6章燃燒過程及混合氣形成第7章特殊燃燒問題的機理與對策第8章有害排放物的生成與控制第9章燃燒室與調節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇運行特性與性能調控第10章發(fā)動機運行特性與整車匹配第11章柴油機調速特性動力的獲取和輸出；能量的消耗和利用。燃料能量轉換的“質”環(huán)節(jié)；加入整機能量總量的“量”環(huán)節(jié)。講課內容第一篇動力輸出與能量利用第1章動力經(jīng)濟性能指標與影響因素第2章燃料與工質第3章循環(huán)分析與能量利用第4章?lián)Q氣過程與循環(huán)充量第二篇燃燒與排放第5章燃燒的基礎知識第6章燃燒過程及混合氣形成第7章特殊燃燒問題的機理與對策第8章有害排放物的生成與控制第9章燃燒室與調節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇運行特性與性能調控第10章發(fā)動機運行特性與整車匹配第11章柴油機調速特性1.工質對活塞所作功及示功圖2.動力經(jīng)濟性指標3.影響動力經(jīng)濟性指標的環(huán)節(jié)與因素p-圖示功圖（四沖程）p-V圖EIIETDCTDCTDCBDCBDCw/ocombustion0180360540720°CAppzp0IVCEVOEVCIVOTDC上止點BDC下止點ppzp0VsVcVpAds示功圖(IndicatorDiagram)

：發(fā)動機氣缸內工質壓力p隨氣缸容積V（或曲軸轉角）的變化曲線TDC-TopDeadCenter;BDC-BottomDeadCenterIVO-IntakeValveOpen;IVC-IntakeValveCloseEVO-ExhaustValveOpen;EVC-ExhaustValveClose示功圖壓力圖/展開示功圖BDCTDCEPOIPOEPCIPCppzp0VcVsVBDCBDCTDCTDCBDCppzp00180360540720°CAIPO-IntakePortOpenIPC-IntakePortCloseEPO-ExhaustPortOpenEPC-ExhaustPortClose示功圖（二沖程汽油機）示功圖測取裝置WpdV=ò功正負確定原則：◎壓力方向與活塞運動方向一致，工質對活塞作正功◎壓力方向與活塞運動方向相反，工質對活塞作負功IVCEVOEVCIVOTDC上止點BDC下止點ppzp0VsVcV示功圖(IndicatorDiagram)四沖程pAds工質對活塞所作功循環(huán)功：動力過程功：壓縮與燃燒膨脹過程所作功之代數(shù)和泵氣過程功：進氣與排氣過程所作功之代數(shù)和總指示功＝動力過程功＋理論泵氣功(不考慮泵氣損失)凈指示功＝動力過程功＋泵氣過程功(考慮泵氣損失)CompressionW<0PowerW>0IntakeW>0ExhaustW<0自然吸氣(naturalaspirated)發(fā)動機作功分析缸內進氣壓力pd大氣壓力p0缸內排氣壓力pe

大氣壓力p0與泵氣有關的功：

理論泵氣功忽略流動阻力,進、排氣沖程壓力所作功之代數(shù)和。自然吸氣發(fā)動機進、排氣壓力相同（等于大氣壓力），即理論泵氣功為零。

泵氣損失功(pumpingloss)由于流動存在阻力，進氣壓力低于大氣壓，排氣壓力高于大氣壓力，造成進氣和排氣流動損失之功，兩者之和即為泵氣損失功。W2+W3負功

實際泵氣功（泵氣過程功）理論泵氣功減去泵氣損失功。W2+W3負功總指示功＝W1+W3凈指示功＝(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2

理論泵氣功(pb–pk)Vs正功

泵氣損失功

陰影面積負功

實際泵氣功W2正功

總指示功W1＋(pb-pk)Vs

凈指示功W1+W2渦輪增壓(turbo-charged)發(fā)動機作功分析缸內進氣壓力pd＞缸內排氣壓力pe＞大氣壓力p0填空根據(jù)缸內工質對活塞所作功的特點，判斷下述各功是正功還是負功：a）壓縮過程功（）b）四沖程自然吸氣內燃機理論泵氣功（

）c）四沖程增壓內燃機泵氣損失功（

）d）四沖程自然吸氣內燃機泵氣過程功（）小測驗負零負負講課課內內容容第一一篇篇動動力力輸輸出出與與能能量量利利用用第1章章動動力力經(jīng)經(jīng)濟濟性性能能指指標標與與影影響響因因素素第2章章燃燃料料與與工工質質第3章章循循環(huán)環(huán)分分析析與與能能量量利利用用第4章章?lián)Q換氣氣過過程程與與循循環(huán)環(huán)充充量量第二二篇篇燃燃燒燒與與排排放放第5章章燃燃燒燒的的基基礎礎知知識識第6章章燃燃燒燒過過程程及及混混合合氣氣形形成成第7章章特特殊殊燃燃燒燒問問題題的的機機理理與與對對策策第8章章有有害害排排放放物物的的生生成成與與控控制制第9章章燃燃燒燒室室與與調調節(jié)節(jié)參參數(shù)數(shù)的的優(yōu)優(yōu)化化第三三篇篇運運行行特特性性與與性性能能調調控控第10章章發(fā)發(fā)動動機機運運行行特特性性與與整整車車匹匹配配第11章章柴柴油油機機調調速速特特性性1.工工質質對對活活塞塞所所作作功功及及示示功功圖圖2.動動力經(jīng)濟濟性指標標3.影影響動力力經(jīng)濟性性指標的的環(huán)節(jié)與與因素1.動動力性能能指標功率(Power),轉矩矩(Torque),轉速速(Revolution/Speed),平平均有效效壓力(BMEP)2.經(jīng)經(jīng)濟性能能指標燃油消耗耗率(Fuelconsumption),機機油消消耗率(Lubricantconsumption)3.環(huán)環(huán)保性能能指標碳氫(HC),一氧氧化碳(CO),氮氮氧化物物(NOx),顆粒粒物(PM),二氧氧化碳(CO2)噪聲振動動(NVH)4.使使用性能能指標可靠性或或耐久性性(Robust,reliability),維維修方便便(I/Mconvenience),冷起起動(Coldstart),發(fā)動機性性能指標標指示指標標與有效效指標1）以工工質對活活塞作功功為計算算基準的的指標稱稱為指示指標標◎基于于示功圖圖算出，，直接反反映燃燒燒和熱力力循環(huán)組組織的好好壞◎用于于理論分分析和科科研2）以曲曲軸輸出出功為計計算基準準的指標標稱為有效指標標◎由試試驗測出出，直接接反映產產品最終終性能◎用于于產品開開發(fā)、生生產和使使用當中中只有與作作功有關關的指標標，才有有“有效效”與““指示””之分。。其余，，如轉速速、每小小時耗油油量等，，則無此此區(qū)別。。摩擦損失失＋附件件消耗循環(huán)指示示功、循循環(huán)有效效功與機機械損失失功理論上：測量上：以自然吸吸氣發(fā)動動機為例例：曲軸輸出出的循環(huán)環(huán)有效功功循環(huán)凈指指示功機械損失失＝摩擦擦損失＋＋附件消消耗＋泵泵氣損失失循環(huán)總指指示功以后循環(huán)環(huán)功都是是指循環(huán)環(huán)總指示示功!平均指示示壓力（（IMEP）IndicatedMeanEffectivePressure動力性能能指標pWVmiis=[]p.VpdVWp1bar10Nm10Nmm0,1kJdmmisimi52533o====ò定義：單位氣氣缸工作作容積所所作的循循環(huán)指示示功。循環(huán)指示示功可以以認為是是一個假假想不變變的壓力力pmi作用在活活塞上，，使活塞塞移動一一個沖程程所作的的功。平均指示示壓力反反映發(fā)動動機作功功能力的的大?。ǎ▎挝惑w體積作功功量大小小J/m3）和強化化程度。。注意：這這里的壓壓力事實實上就是是物理上上所說的的壓強，，N/m2不同發(fā)動動機平均均有效壓壓力pme范圍摩托車發(fā)發(fā)動機（（四沖程程）賽車發(fā)動動機（自自然吸氣氣）賽車發(fā)動動機（渦渦輪增壓壓）轎車汽油油機（自自然吸氣氣）轎車汽油油機（渦渦輪增壓壓）轎車柴油油機（渦渦輪增壓壓）卡車柴油油機（渦渦輪增壓壓）大型柴油油機中型高速速柴油機機十字頭二二沖程柴柴油機pme[bar]1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.2功率Powerpmi:IMEP平均指示示壓力pme:BMEP平均有效效壓力pmm:MMEP平均均機械損損失壓力力指示功率率（Indicatedpower）有效功率率（Effectivepower）機械損失失功率（（Mechanicallosspower）2-stroke:=24-stroke:=4動力性能能指標注意：注注意這里里所列的的性能指指標單位位是國標標單位轉矩：轉矩（Torque）角速度（（Angularvelocity）E.g.單缸缸四沖程程發(fā)動機機動力性指指標之間間的關系系平均有效效壓力：：功率：對于某一一發(fā)動機機，轉矩矩和平均均有效壓壓力都反反映負荷荷（率））的大小小有效效率率：BSFCEffectiveefficiencyFuelmassflow燃油流量量(kg/s)Lowheatvalue低熱值(kJ/kg)Indicatedefficiency經(jīng)濟性指指標有效油耗耗：指示效率率：指示油耗耗：ISFCE.g.求油油耗：比功率PL—單位發(fā)發(fā)動機排排量發(fā)出出的功率率（評價價氣缸容容積利用用程度和和緊湊性性）PL=Pe/Vs（kW/L)比質量me—單位有有效功率率所占發(fā)發(fā)動機質質量（評評價輕量量化和緊緊湊性））me=m/Pe（kg/kW））比容積Ve—單位有有效功率率所占發(fā)發(fā)動機的的體積（（評價緊緊湊性））Ve=V/Pe（m3/kW））功率密度度評價指指標（升功率率）發(fā)動機轉轉速與活活塞平均均速度主要影響響：慣性力引引起的機機械應力力摩擦（磨磨損）熱負荷充氣效率率噪聲活塞平均均速度：：（發(fā)動機機強化指指標之一一）注意：發(fā)動機轉轉速與活活塞速度度不完全全是一個個概念?。∑骄钊俣仍皆礁?，也也說明發(fā)發(fā)動機強強化度越越高單位：最大平均均活塞速速度vm2221.7279.519.812.37.8[m/s]7.0摩托車發(fā)發(fā)動機（（四沖程程）賽車發(fā)動動機（自自然吸氣氣）賽車發(fā)動動機（渦渦輪增壓壓）轎車汽油油機（自自然吸氣氣）轎車柴油油機卡車柴油油機（渦渦輪增壓壓）大型柴油油機中速柴油油機十字頭二二沖程柴柴油機講課內容容第一篇動動力輸輸出與能能量利用用第1章動動力經(jīng)經(jīng)濟性能能指標與與影響因因素第2章燃燃料與與工質第3章循循環(huán)分分析與能能量利用用第4章?lián)Q換氣過過程與循循環(huán)充量量第二篇燃燃燒與與排放第5章燃燃燒的的基礎知知識第6章燃燃燒過過程及混混合氣形形成第7章特特殊燃燃燒問題題的機理理與對策策第8章有有害排排放物的的生成與與控制第9章燃燃燒室室與調節(jié)節(jié)參數(shù)的的優(yōu)化第三篇運運行特特性與性性能調控控第10章章發(fā)動動機運行行特性與與整車匹匹配第11章章柴油油機調速速特性1.工工質對活活塞所作作功及示示功圖2.動動力經(jīng)濟濟性指標標3.影影響動力力經(jīng)濟性性指標的的環(huán)節(jié)與與因素決定動力力輸出的的三大環(huán)環(huán)節(jié)設單位時時間內加加入整機機的燃料料總量為為B(kg/s)，，燃料的的低熱值值為Hu(kJ/kg)，燃料料能量轉轉換的總總效率為為ηet，則有效功功率Pe可表示為：：設單位時間間進入發(fā)動動機的混合合氣總量為為Gm(kg/s)，混合合氣的低熱熱值為Hum(kJ/kg)，則則有效功率率Pe也可可表示為：：提高功率的的三大環(huán)節(jié)節(jié)：可燃混合氣氣或燃料的的能量密度度混合氣熱值值Hum或燃料熱值值Hu單位時間實實際吸入內內燃機的可可燃混合氣氣總量Gm或燃料總量量B可燃混合氣氣能量或燃燃料能量轉轉換為有效效輸出功的的多少工作過過程各環(huán)節(jié)節(jié)效率或總總效率et與燃料熱值值和混合氣氣濃度直接接相關“質”的環(huán)環(huán)節(jié)“量”的環(huán)環(huán)節(jié)油/氣混合合比（濃度度）是影響響發(fā)動機性性能的重要要參數(shù)：1）過量量空氣系數(shù)數(shù)a（Excessairratio/Relativeair-fuelratio）設單位質量量燃料完全全燃燒所需需理論空氣氣量為l0，而實際供供給的空氣氣量為l，則a定義為：a>1,稀稀混合氣;a<1,濃濃混合氣;a=1化學學計量比（（Stoichiometricratio），，過去稱理論論空燃比。?？扇蓟旌蠚鈿鉂舛扰c熱熱值燃空當量比比(equivalentratio)＝＝1/a，歐美國家家常用2）空燃比比（Air/Fuelratio）3）燃空比比（Fuel/Airratio）4）可燃混混合氣熱值值Hum（Mixturelowheatvalue）定義：單位位質量或單單位體積可燃混合氣氣發(fā)出的熱量量（kJ/kg或kJ/m3）。Hu表示燃料的的能量密度度，越高越越便于攜帶帶；Hum代表混合氣氣的能量密密度，越高高則相同工工作容積時時發(fā)出功率率越高（pme也越高）。?；蚩扇蓟旌蠚鈿鉂舛扰c熱熱值能量轉換效效率（1）燃燒燒效率（2）循環(huán)環(huán)熱效率（3）機械械效率有效效率每缸每循環(huán)環(huán)燃燒時發(fā)發(fā)出的熱量量(kJ)單缸循環(huán)油油量(kg)指示效率正常燃燒：：汽油機c=95%~98%柴油機c=98%~99%CombustionEfficiencyThermalEfficiencyMechanicalEfficiencyEffectiveEfficiencyIndicatedEfficiency混合氣充量量充量系數(shù)（（容積效率率）Volumetricefficiency定義：每缸每循環(huán)環(huán)吸入缸內內的新鮮空空氣量與按按進氣系統(tǒng)統(tǒng)前狀態(tài)計計算而得的的理論充氣量量之比。(75%-90%)可燃混合氣氣流量：大氣密度（（自然吸氣氣機型）增壓后空氣氣密度（增增壓機型））功率和油耗耗的表達式式（課程總總綱）燃燒效率（第二篇））循環(huán)熱效率率（第3章））機械效率（第3章））充量效率（第4章））混合氣熱值值（第2章））第1章小結要求掌握：：1.基本本概念各種功；平平均有效壓壓力；空燃燃比/過量量空氣系數(shù)數(shù)/燃空當當量比2.畫示示功圖（p-Vp-），并會會標識3.推導導動力性和和經(jīng)濟性的的性能指標標表達式及及其關系4.了解解影響動力力性和經(jīng)濟濟性的主要要環(huán)節(jié)和因因素5.自學學二沖程相相關內容第1章作業(yè)思考題：11、12、14、、15注意：只收手寫寫作業(yè)！不不收打印作作業(yè)或電子子版作業(yè)??！11．畫圖圖：1）在在p-V坐坐標圖上畫畫出四沖程程增壓柴油油機的示功功圖，用箭箭頭注明各各過程進行行方向，并并在