第一章 性能指標(biāo)與影響因素

山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院劉從車發(fā)動機原理AutomotiveEngineFundamentals本學(xué)期的任務(wù)基本任務(wù)：基本課程、實習(xí)核心任務(wù)：為自己的前程確定方向{一條原則：為自己多創(chuàng)造路

找工作：學(xué)好專業(yè)課？了解多方信息、禮儀、權(quán)衡（單位地域、家庭、收入考研：報志愿、努力、學(xué)習(xí)方法、休息、心態(tài)、身體、營養(yǎng)、安排計劃、調(diào)劑發(fā)動機的用途很廣泛本課程定位_專業(yè)核心課程汽車發(fā)動機總體構(gòu)造（一體兩機構(gòu)五系統(tǒng)）奧迪A62.4T發(fā)動機前視圖奧迪A62.4T發(fā)動機后視圖奧迪A62.4T發(fā)動機上視圖以問題為導(dǎo)向?qū)W習(xí)本課程學(xué)習(xí)發(fā)動機原理的根本目的：汽車構(gòu)造What（一體兩機構(gòu)五系統(tǒng)）發(fā)動機原理WhyHow2、載貨汽車為什么很少用汽油機？1、柴油車為什么冒黑煙？為什么比汽油車噪聲和振動大？4、為什么淘汰黃標(biāo)車？國四標(biāo)準(zhǔn)到底影響多大？（1）提高動力性（2）降低油耗（3）改善排放3、汽油機采用電噴的優(yōu)點？柴油機采用共軌的優(yōu)點？？？？？？？以發(fā)動機性能為研究對象課程特點多學(xué)科的綜合應(yīng)用

熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、機械學(xué)形散而意不散（圍繞三個目標(biāo)，三個環(huán)節(jié)）：

強動力－降能耗－減排放 燃料－燃燒－排放能量加入的“量”和能量轉(zhuǎn)化的“質(zhì)” 燃料能量轉(zhuǎn)換的效率

動力性經(jīng)濟性指標(biāo)的表達式多因素、多參數(shù)的綜合分析：

一因多果和一果多因 優(yōu)化、折衷、合理匹配的辨證觀念發(fā)展觀點:

關(guān)注新能源新技術(shù)教材和參考資料使用教材：王建昕、帥金石編著，汽車發(fā)動機原理，清華大學(xué)出版社， 2011年3月第一版1、周龍保主編，內(nèi)燃機學(xué)，機械工業(yè)出版社，2011年1月第三版參考資料：本課程教材體系介紹（篇章之邏輯關(guān)系）第一篇（基礎(chǔ)篇）動力輸出與能量利用---主線和核心第1章動力經(jīng)濟性能指標(biāo)與影響因素--發(fā)動機性能基本概念和指標(biāo)，導(dǎo)出影響性能的四大類理論因素第2章燃料與工質(zhì)--第2至第8章具體介紹影響性能的四大類因素（15個參數(shù)）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（基礎(chǔ)延伸篇）燃燒與排放---主線的延伸、派生問題第6章燃燒的基礎(chǔ)知識第7章柴油機的混合氣形成與燃燒過程第8章汽油機的混合氣形成與燃燒過程第9章有害污染物的生成與控制---如何控制發(fā)動機的排放，滿足法規(guī)要求第三篇（應(yīng)用篇）運行特性與性能調(diào)控---發(fā)動機實際運轉(zhuǎn)特性及匹配問題第5章發(fā)動機運行特性與整車匹配----發(fā)動機如何與底盤匹配第四篇（創(chuàng)新及展望篇）新技術(shù)新結(jié)構(gòu)新能源第10章新燃燒方法及替代燃料發(fā)動機----如何面對能源危機和環(huán)境污染出勤+課堂：10%實驗成績：10%考試成績：70%課堂教學(xué)：22學(xué)時實驗：2學(xué)時學(xué)時分配考核方式作業(yè)：10%課程地位

本課程是車輛工程領(lǐng)域的主干課程，也是本專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握汽油機、柴油機等常規(guī)動力的工作過程與工作原理，理解發(fā)動機性能的各種影響因素，并了解發(fā)動機節(jié)能技術(shù)的前沿知識。本課程不僅為相關(guān)專業(yè)后繼課程的學(xué)習(xí)提供了理論依據(jù)，而且為這些專業(yè)學(xué)生日后的工作和科研打下堅實的理論基礎(chǔ)，這使本課程在本專業(yè)課程中處于重要地位。

與前面所學(xué)課程的聯(lián)系:

本課程是專業(yè)理論課，以《力學(xué)》、《電器》、《機械原理》、《工程制圖》、《汽車構(gòu)造》等基本課程為基礎(chǔ)。特別是《汽車構(gòu)造》，根據(jù)專業(yè)知識的銜接，學(xué)生需首先學(xué)習(xí)發(fā)動機基本的曲柄連桿機構(gòu)和配氣機構(gòu)的組成、結(jié)構(gòu)、功用、工作原理以及汽、柴油的燃油供給系統(tǒng)的組成、工作原理等構(gòu)造的基礎(chǔ)知識，對發(fā)動機有感性認(rèn)識之后，才能學(xué)習(xí)燃料的燃燒過程、配氣定時、噴油控制、發(fā)動機特性等理論知識。因此本課程是對學(xué)生前兩年所學(xué)工科知識和汽車構(gòu)造知識的綜合利用和提升。第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標(biāo)與影響因素第2章燃料、工質(zhì)與熱化學(xué)第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎(chǔ)知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力本書知識結(jié)構(gòu)動力的獲取和輸出；能量的消耗和利用燃料能量轉(zhuǎn)換的“質(zhì)”環(huán)節(jié)；加入整機能量總量的“量”環(huán)節(jié)第一章性能指標(biāo)與影響因素★1.1工質(zhì)對活塞所作功及示功圖1.2發(fā)動機的性能指標(biāo)1.3影響動力經(jīng)濟性指標(biāo)的環(huán)節(jié)與因素邏輯關(guān)系：先說明發(fā)動機的做功過程，然后定義這一過程中的許多指標(biāo)，再解釋在做功過程中，影響指標(biāo)的因素。p-

圖★示功圖（四沖程）p-V

圖BDC(下止點)ppzp0VsVp示功圖壓力圖/展開示功圖要求會識圖和畫圖！正負功確定原則：壓力方向與活塞運動方向一致，工質(zhì)對活塞作正功壓力方向與活塞運動方向相反，工質(zhì)對活塞作負功工質(zhì)對活塞所作功：Compression壓縮過程W<0Power作功過程W>0Intake進氣過程W>0Exhaust排氣過程W<0WpdV=ò循環(huán)功：動力過程功：壓縮與燃燒膨脹沖程所作功之代數(shù)和泵氣過程功：進氣與排氣沖程所作功之代數(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)進氣壓力pd大氣壓力p0排氣壓力pe

大氣壓力p0與泵氣有關(guān)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

實際泵氣功(泵氣過程功)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功，兩者之和為實際泵氣功

W2+W3

負功泵氣損失(Pumpingloss)

（實際泵氣功理論泵氣功）

W2+W3

負功★自然吸氣發(fā)動機作功分析：進氣壓力pd大氣壓力p0排氣壓力pe

大氣壓力p0與泵氣有關(guān)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

實際泵氣功(泵氣過程功)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功，兩者之和為實際泵氣功

W2+W3

負功泵氣損失(Pumpingloss)

（實際泵氣功理論泵氣功）

W2+W3

負功自然吸氣發(fā)動機作功分析：(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

實際泵氣功

W2

正功

泵氣損失功

W2-(pb–pk)Vs

陰影面積負功

(總)指示功

W1＋(pb-pk)Vs

凈指示功

W1+W2渦輪增壓發(fā)動機作功分析實際進氣壓力pd＞實際排氣壓力pe＞大氣壓力p0記住：理論泵氣功和實際泵氣功可正、可負，但泵氣損失功永遠為負！1.動力性能指標(biāo)（力量）功率(Power),轉(zhuǎn)矩(Torque),轉(zhuǎn)速(Revolution/Speed)有效平均壓力(BrakeMeanEffectivePressure,BMEP)2.經(jīng)濟性能指標(biāo)（消耗）有效燃料消耗率(BrakeSpecificFuelConsumption,BSFC)機油消耗率(Oil/LubricantConsumption)3.環(huán)保性能指標(biāo)（負面）碳氫(HC),一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx),二氧化碳(CO2)顆粒物(ParticulateMatter,PM),干碳煙(DrySoot,DS)噪聲振動沖擊(NoiseVibrationHarshness,NVH)4.使用性能指標(biāo)（便捷）可靠性或耐久性(Robust/Reliability,Durability)檢測/維護(Inspection/Maintenance,I/M)1.2發(fā)動機性能指標(biāo)★

1.2.1指示與有效指示指標(biāo):工質(zhì)對活塞做功為基準(zhǔn)的指標(biāo)。直接反映燃燒和熱力循環(huán)組織的好壞有效指標(biāo)：以曲軸對外輸出的功率為基礎(chǔ)。

直接反映產(chǎn)品整機性能★功：指示功：工質(zhì)對活塞所作的功，有效功：飛輪對外輸出的功，機械損失功：功由活塞傳遞到飛輪過程中損失的功，包括機械摩擦損失、附件消耗和泵氣損失。循環(huán)指示功、循環(huán)有效功與機械損失功理論上：測量上：以自然吸氣內(nèi)燃機為例：曲軸輸出的循環(huán)有效功循環(huán)凈指示功機械損失功＝摩擦損失功＋附件消耗功＋泵氣損失功循環(huán)(總)指示功這里，循環(huán)指示功是指循環(huán)總指示功!即泵氣損失功計算在機械損失功內(nèi)！摩擦損失功＋附件消耗功曲軸輸出的循環(huán)有效功思考：反應(yīng)發(fā)動機動力性能的指示功應(yīng)為循環(huán)凈指示功循環(huán)(總)指示功？or1、反映熱功轉(zhuǎn)換的質(zhì)量，而不是進、排氣系統(tǒng)的阻力大?。?、難以將泵氣損失直接測出。指示指標(biāo):

工質(zhì)對活塞做功為基準(zhǔn)的指標(biāo)pWiVmis=注意：這里的壓力事實上就是物理上所說的壓強，N/m21、指示平均壓力定義：單位氣缸工作容積所作的循環(huán)指示功循環(huán)指示功可以認(rèn)為是一個假想不變的壓力pmi作用在活塞上，使活塞移動一個沖程所作功指示平均壓力反映發(fā)動機作功能力的大小和強化程度。使不同發(fā)動機的動力性具有可比性2、指示功率Pi(kw)定義：發(fā)動機單位時間所作的指示功—指示功率Pmi(MPa)Vs(L)n(r/min)Wi(Kj)D、S（cm）τ行程數(shù)四行程τ=4二行程τ=24指示燃油消耗率bi:

定義：單位指示功的耗油量(g/kw.h)B---小時耗油量kg/h3指示（熱）效率ηi

定義：是實際

循環(huán)指示功與消耗的燃料熱量之比值有效指標(biāo)：以發(fā)動機曲軸對外輸出的功率為基礎(chǔ)。1、有效功率Pe：單位時間輸出的有效功。2、有效平均壓力定義：單位氣缸工作容積所作的有效功。pWeVmis=3、有效熱效率ηe

定義：實際

循環(huán)有效功(J)與消耗的熱量(J)之比值4、有效燃油消耗率be:

定義：單位有效功的耗油量(g/kw.h)B---小時耗油量kg/h★指示指標(biāo)與有效指標(biāo)的比較：1.以工質(zhì)對活塞作功為計算基準(zhǔn)的指標(biāo)稱為指示指標(biāo)基于示功圖算出，直接反映燃燒和熱力循環(huán)組織的好壞用于理論分析和科研2.以曲軸輸出功為計算基準(zhǔn)的指標(biāo)稱為有效指標(biāo)由試驗測出，直接反映產(chǎn)品最終性能用于產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和使用當(dāng)中只有與作功有關(guān)的指標(biāo)，如功、功率、油耗、平均壓力、熱效率等才有“有效”與“指示”之分“指示”與“有效”★指示：活塞得到的燃料燃燒對其做功，燃料燃燒不可能把所有熱能轉(zhuǎn)化成機械能，熱能只是一部分轉(zhuǎn)化成機械能，這部分機械能就是活塞得到功，取名“指示功”；反映“熱功轉(zhuǎn)換”過程的好壞。有效：活塞擁有的指示功經(jīng)過發(fā)動機一整套傳送過程，將功傳遞給飛輪，而在傳遞過程中，一部分要損失（如摩擦、附件），因此飛輪得到的功已經(jīng)不再是活塞所擁有的指示功，而是指示功減去傳遞損失后剩余的功。飛輪對外做的功，是對外界有用的功，因而將飛輪所擁有的功取名“有效功”。反映“整機性能”，包含了燃燒過程和機械損失過程。燃料指示功有效功燃燒、熱功轉(zhuǎn)換機械傳遞指示效率機械效率

比功率(升功率,powerdensity)

PL—單位發(fā)動機排量發(fā)出的功率

(評價氣缸容積利用程度和緊湊性)

PL=Pe/Vs(kW/L)

比質(zhì)量

me—單位有效功率所占發(fā)動機質(zhì)量

(評價輕量化和緊湊性)

me=m/Pe(kg/kW)

比容積

Ve—單位有效功率所占發(fā)動機的體積

(評價緊湊性)

Ve=V/Pe(m3/kW)功率密度評價指標(biāo)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與活塞平均速度主要影響：慣性力引起的機械應(yīng)力摩擦(磨損)熱負荷充氣效率噪聲活塞平均速度：(強化指標(biāo)之一)注意：發(fā)動機轉(zhuǎn)速與活塞速度不完全是一個概念！活塞平均速度越高，說明發(fā)動機強化度越高1.3影響動力經(jīng)濟性指標(biāo)的環(huán)節(jié)與因素追求：pWeVmis=高高從燃料到We轉(zhuǎn)化傳遞過程中，什么因素決定其大小？一、油量多少；二、利用率（轉(zhuǎn)化率）高低具體：（1）Hu

油質(zhì)本身1.3.2

（2）gb

用量1.3.3

（3）η

總效率1.3.41.3影響動力經(jīng)濟性指標(biāo)的環(huán)節(jié)與因素決定動力輸出的兩大環(huán)節(jié)設(shè)單位時間加入發(fā)動機的燃料總質(zhì)量為B(kg/s)，燃料低熱值(lowheatvalue)為Hu(kJ/kg)，燃料能量轉(zhuǎn)換的總效率為et

，則有效功率Pe可表示為：

設(shè)單位時間進入發(fā)動機的混合氣總量為Gm(kg/s)，混合氣低熱值為Hum(kJ/kg)，則有效功率Pe也可表示為：與燃料熱值和混合氣濃度直接相關(guān)，不是定值！提高功率的兩大環(huán)節(jié)：

混合氣熱值Hum或燃料熱值Hu

單位時間實際吸入發(fā)動機的可燃混合氣總量Gm或燃料總量B

可燃混合氣能量或燃料能量轉(zhuǎn)換為有效輸出功的多少工作過程各環(huán)節(jié)效率或總效率et“質(zhì)”的環(huán)節(jié)

“量”的環(huán)節(jié)

油/氣混合比(濃度)是影響發(fā)動機性能的重要參數(shù)：1)過量空氣系數(shù)

a（Excessairratio/Relativeair-fuelratio）設(shè)單位質(zhì)量燃料完全燃燒所需理論空氣量為l0，而實際供給的空氣量為l，則a定義為：a

>1,稀(lean)混合氣a

<1,濃(rich)混合氣a

=1,化學(xué)計量比（stoichiometricratio），過去稱理論空燃比1.3.2可燃混合氣濃度與熱值2)空燃比

(Air/Fuelratio,A/F)3)燃空比(Fuel/Airratio,F/A)可燃混合氣濃度與熱值燃空當(dāng)量比(equivalentratio)

＝1/a，歐美國家常用

1.3.3混合氣(進氣)充量充量系數(shù)(容積效率)定義：每缸每循環(huán)實際吸入缸內(nèi)的新鮮空氣量與按進氣系統(tǒng)前狀態(tài)計算而得的理論充氣量之比(75%-90%)

大氣密度(自然吸氣機型)

增壓后空氣密度(增壓機型)充量系數(shù)是決定發(fā)動機動力性好經(jīng)濟性和進氣過程完善程度的重要評價指標(biāo)，第四章細述。1.3.4能量轉(zhuǎn)換效率1)燃燒效率2)循環(huán)熱效率3)機械效率4)有效效率每缸每循環(huán)燃燒時發(fā)出的熱量(kJ)單缸循環(huán)油量(kg)指示效率

正常燃燒：汽油機c=95%~98%柴油機c=98%~99%曲軸輸出功總指示功整機性能熱功轉(zhuǎn)化功率和油耗的表達式(課程總綱)燃燒效率(第二部分)循環(huán)熱效率(第3章)機械效率(第3章)進氣充量(第4章)混合氣熱值(第2章)本章總結(jié)：1、工質(zhì)對活塞所作功及示功圖動力過程功：壓縮與燃燒膨脹沖程所作功之代數(shù)和泵氣過程功：進氣與排氣沖程所作功之代數(shù)和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

實際泵氣功(泵氣過程功)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