汽車發(fā)動機原理1課件

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:Phone課內容第一篇動力輸出與能量利用第1章動力經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.動力經濟性指標3.影響動力經濟性指標的環(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內容第一篇動力輸出與能量利用第1章動力經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.動力經濟性指標3.影響動力經濟性指標的環(huán)節(jié)與因素1.動力性能指標功率(Power),轉矩(Torque),轉速(Revolution/Speed),平均有效壓力(BMEP)2.經濟性能指標燃油消耗率(Fuelconsumption),機油消耗率(Lubricantconsumption)3.環(huán)保性能指標碳氫(HC),一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx),顆粒物(PM),二氧化碳(CO2)噪聲振動(NVH)4.使用性能指標可靠性或耐久性(Robust,reliability),維修方便(I/Mconvenience),冷起動(Coldstart),發(fā)動機性能指標指示指標與有效指標1）以工質對活塞作功為計算基準的指標稱為指示指標◎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的指標稱為有效指標◎由試驗測出，直接反映產品最終性能◎用于產品開發(fā)、生產和使用當中只有與作功有關的指標，才有“有效”與“指示”之分。其余，如轉速、每小時耗油量等，則無此區(qū)別。摩擦損失＋附件消耗循環(huán)指示功、循環(huán)有效功與機械損失功理論上：測量上：以自然吸氣發(fā)動機為例：曲軸輸出的循環(huán)有效功循環(huán)凈指示功機械損失＝摩擦損失＋附件消耗＋泵氣損失循環(huán)總指示功以后循環(huán)功都是指循環(huán)總指示功!平均指示壓力（IMEP）IndicatedMeanEffectivePressure動力性能指標pWVmiis=[]p.VpdVWp1bar10Nm10Nmm0,1kJdmmisimi52533o====ò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的功。平均指示壓力反映發(fā)動機作功能力的大小（單位體積作功量大小J/m3）和強化程度。注意：這里的壓力事實上就是物理上所說的壓強，N/m2不同發(fā)動機平均有效壓力pme范圍摩托車發(fā)動機（四沖程）賽車發(fā)動機（自然吸氣）賽車發(fā)動機（渦輪增壓）轎車汽油機（自然吸氣）轎車汽油機（渦輪增壓）轎車柴油機（渦輪增壓）卡車柴油機（渦輪增壓）大型柴油機中型高速柴油機十字頭二沖程柴油機pme[

bar]1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.2功率Powerpmi:IMEP平均指示壓力pme:BMEP平均有效壓力pmm:MMEP平均機械損失壓力指示功率（Indicatedpower）有效功率（Effectivepower）機械損失功率（Mechanicallosspower）2-stroke:=24-stroke:=4動力性能指標注意：注意這里所列的性能指標單位是國標單位轉矩：轉矩（Torque）角速度（Angularvelocity）E.g.單缸四沖程發(fā)動機

動力性指標之間的關系平均有效壓力：功率：對于某一發(fā)動機，轉矩和平均有效壓力都反映負荷（率）的大小有效效率：BSFCEffectiveefficiencyFuelmassflow燃油流量(kg/s)Lowheatvalue低熱值(kJ/kg)Indicatedefficiency經濟性指標有效油耗：指示效率：指示油耗：ISFCE.g.求油耗：比功率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)比質量me—單位有效功率所占發(fā)動機質量（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（升功率）發(fā)動機轉速與活塞平均速度主要影響：慣性力引起的機械應力摩擦（磨損）熱負荷充氣效率噪聲活塞平均速度：（發(fā)動機強化指標之一）注意：發(fā)動機轉速與活塞速度不完全是一個概念！平均活塞速度越高，也說明發(fā)動機強化度越高單位：最大平均活塞速度vm2221.7279.519.812.314.78.113.17.8[m/s]7.0125.39.55.7摩托車發(fā)動機（四沖程）賽車發(fā)動機（自然吸氣）賽車發(fā)動機（渦輪增壓）轎車汽油機（自然吸氣）轎車柴油機卡車柴油機（渦輪增壓）大型柴油機中速柴油機十字頭二沖程柴油機講課內容第一篇動力輸出與能量利用第1章動力經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.動力經濟性指標3.影響動力經濟性指標的環(huán)節(jié)與因素決定動力輸出的三大環(huán)節(jié)設單位時間內加入整機的燃料總量為B(kg/s)，燃料的低熱值為Hu(kJ/kg)，燃料能量轉換的總效率為ηet，則有效功率Pe可表示為：

設單位時間進入發(fā)動機的混合氣總量為Gm(kg/s)，混合氣的低熱值為Hum(kJ/kg)，則有效功率Pe也可表示為：提高功率的三大環(huán)節(jié)：可燃混合氣或燃料的能量密度混合氣熱值Hum或燃料熱值Hu單位時間實際吸入內燃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與燃料熱值和混合氣濃度直接相關“質”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）設單位質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,稀混合氣;a

<1,濃混合氣;a

=1化學計量比（Stoichiometricratio），過去稱理論空燃比?？扇蓟旌蠚鉂舛扰c熱值燃空當量比(equivalentratio)＝1/a，歐美國家常用2）空燃比（Air/Fuelratio）3）燃空比（Fuel/Airratio）4）可燃混合氣熱值Hum（Mixturelowheatvalue）定義：單位質量或單位體積可燃混合氣發(fā)出的熱量（kJ/kg或kJ/m3）。Hu表示燃料的能量密度，越高越便于攜帶；Hum代表混合氣的能量密度，越高則相同工作容積時發(fā)出功率越高（pme也越高）?；蚩扇蓟旌蠚鉂舛扰c熱值能量轉換效率（1）燃燒效率（2）循環(huán)熱效率（3）機械效率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%CombustionEfficiencyThermalEfficiencyMechanicalEfficiencyEffectiveEfficiencyIndicatedEfficiency混合氣充量充量系數(shù)（容積效率）Volumetricefficiency定義：每缸每循環(huán)吸入缸內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%)可燃混合氣流量：大氣密度（自然吸氣機型）增壓后空氣密度（增壓機型）功率和油耗的表達式（課程總綱）燃燒效率（第二篇）循環(huán)熱效率（第3章）機械效率（第3章）充量效率（第4章）混合氣熱值（第2章）第1章小結要求掌握：1.基本概念各種功；平均有效壓力；空燃比/過量空氣系數(shù)/燃空當量比2.畫示功圖（p-Vp-），并會標識3.推導動力性和經濟性的性能指標表達式及其關系4.了解影響動力性和經濟性的主要環(huán)節(jié)和因素5.自學二沖程相關內容第1章作業(yè)思考題：11、12、14、15注意：只收手寫作業(yè)！不收打印作業(yè)或電子版作業(yè)！11．畫圖：1）在p-V坐標圖上畫出四沖程增壓柴油機的示功圖，用箭頭注明各過程進行方向，并在曲線上標出進、排氣門早開、晚關和著火的五個點。2）在p-坐標圖上對應畫出上述示功圖的壓力變化圖（整個循環(huán)）和上述對應的五個點。（注意：圖畫大一點。各曲線形狀及對應關系要定性準確。坐標原點及上、下止點都要標出來。）12.基于Pe的綜合表達式（1-31）分析：1）哪些參數(shù)屬于質環(huán)節(jié)參數(shù)？哪些參數(shù)屬于量環(huán)節(jié)參數(shù)？2）由自吸式改為增壓式發(fā)動機時，式中各種參數(shù)怎樣變化？能否提高Pe？14．6135Q-1四沖程柴油機，沖程140mm，發(fā)動機轉速2200r/min時的機械效率為0.75，輸出功率為154kW，有效油耗為217g/kW.h。已知柴油熱值為42500kJ/kg。求此時的pme、Ttq、Pm、e和Wi各值。第1章作業(yè)15．一臺四沖程6缸柴油機（缸徑x沖程=102mmx125mm）在全負荷時的臺架測量結果如下：燃油體積200cm3燃油測量時間21.22s燃油密度0.83kg/dm3空氣體積