汽車發(fā)動機(jī)原理1課件

汽車發(fā)動機(jī)原理點(diǎn)燃式和壓燃式內(nèi)燃機(jī)的工作過程、燃燒理論、性能分析以及參數(shù)調(diào)控清華大學(xué)汽車工程系帥石金博士Email:Phone課內(nèi)容第一篇動力輸出與能量利用第1章動力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章燃料與工質(zhì)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(chǔ)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(jī)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(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章柴油機(jī)調(diào)速特性動力的獲取和輸出；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(jī)能量總量的“量”環(huán)節(jié)。講課內(nèi)容第一篇動力輸出與能量利用第1章動力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章燃料與工質(zhì)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(chǔ)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(jī)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(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章柴油機(jī)調(diào)速特性1.工質(zhì)對活塞所作功及示功圖2.動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)3.影響動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)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(diǎn)BDC下止點(diǎn)ppzp0VsVcVpAds示功圖(IndicatorDiagram)

：發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力p隨氣缸容積V（或曲軸轉(zhuǎn)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(jī)）示功圖測取裝置WpdV=ò功正負(fù)確定原則：◎壓力方向與活塞運(yùn)動方向一致，工質(zhì)對活塞作正功◎壓力方向與活塞運(yùn)動方向相反，工質(zhì)對活塞作負(fù)功IVCEVOEVCIVOTDC上止點(diǎn)BDC下止點(diǎn)ppzp0VsVcV示功圖(IndicatorDiagram)四沖程pAds工質(zhì)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(jìn)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(jī)作功分析缸內(nèi)進(jìn)氣壓力pd大氣壓力p0缸內(nèi)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(jìn)、排氣沖程壓力所作功之代數(shù)和。自然吸氣發(fā)動機(jī)進(jìn)、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(jìn)氣壓力低于大氣壓，排氣壓力高于大氣壓力，造成進(jìn)氣和排氣流動損失之功，兩者之和即為泵氣損失功。W2+W3負(fù)功

實(shí)際泵氣功（泵氣過程功）理論泵氣功減去泵氣損失功。W2+W3負(fù)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(fù)功

實(shí)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(jī)作功分析缸內(nèi)進(jìn)氣壓力pd＞缸內(nèi)排氣壓力pe＞大氣壓力p0填空根據(jù)缸內(nèi)工質(zhì)對活塞所作功的特點(diǎn)，判斷下述各功是正功還是負(fù)功：a）壓縮過程功（）b）四沖程自然吸氣內(nèi)燃機(jī)理論泵氣功（

）c）四沖程增壓內(nèi)燃機(jī)泵氣損失功（

）d）四沖程自然吸氣內(nèi)燃機(jī)泵氣過程功（）小測驗(yàn)負(fù)零負(fù)負(fù)講課內(nèi)容第一篇動力輸出與能量利用第1章動力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章燃料與工質(zhì)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(chǔ)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(jī)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(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章柴油機(jī)調(diào)速特性1.工質(zhì)對活塞所作功及示功圖2.動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)3.影響動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的環(huán)節(jié)與因素1.動力性能指標(biāo)功率(Power),轉(zhuǎn)矩(Torque),轉(zhuǎn)速(Revolution/Speed),平均有效壓力(BMEP)2.經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)燃油消耗率(Fuelconsumption),機(jī)油消耗率(Lubricantconsumption)3.環(huán)保性能指標(biāo)碳?xì)?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(biāo)可靠性或耐久性(Robust,reliability),維修方便(I/Mconvenience),冷起動(Coldstart),發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)指示指標(biāo)與有效指標(biāo)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(yàn)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)，才有“有效”與“指示”之分。其余，如轉(zhuǎn)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(jī)械損失功理論上：測量上：以自然吸氣發(fā)動機(jī)為例：曲軸輸出的循環(huán)有效功循環(huán)凈指示功機(jī)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(biāo)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(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的功。平均指示壓力反映發(fā)動機(jī)作功能力的大小（單位體積作功量大小J/m3）和強(qiáng)化程度。注意：這里的壓力事實(shí)上就是物理上所說的壓強(qiáng)，N/m2不同發(fā)動機(jī)平均有效壓力pme范圍摩托車發(fā)動機(jī)（四沖程）賽車發(fā)動機(jī)（自然吸氣）賽車發(fā)動機(jī)（渦輪增壓）轎車汽油機(jī)（自然吸氣）轎車汽油機(jī)（渦輪增壓）轎車柴油機(jī)（渦輪增壓）卡車柴油機(jī)（渦輪增壓）大型柴油機(jī)中型高速柴油機(jī)十字頭二沖程柴油機(jī)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(jī)械損失壓力指示功率（Indicatedpower）有效功率（Effectivepower）機(jī)械損失功率（Mechanicallosspower）2-stroke:=24-stroke:=4動力性能指標(biāo)注意：注意這里所列的性能指標(biāo)單位是國標(biāo)單位轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩（Torque）角速度（Angularvelocity）E.g.單缸四沖程發(fā)動機(jī)

動力性指標(biāo)之間的關(guān)系平均有效壓力：功率：對于某一發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)矩和平均有效壓力都反映負(fù)荷（率）的大小有效效率：BSFCEffectiveefficiencyFuelmassflow燃油流量(kg/s)Lowheatvalue低熱值(kJ/kg)Indicatedefficiency經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)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(jī)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(jī)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(jī)的體積（評價緊湊性）Ve=V/Pe（m3/kW）功率密度評價指標(biāo)（升功率）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與活塞平均速度主要影響：慣性力引起的機(jī)械應(yīng)力摩擦（磨損）熱負(fù)荷充氣效率噪聲活塞平均速度：（發(fā)動機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)之一）注意：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)強(qiáng)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(jī)（四沖程）賽車發(fā)動機(jī)（自然吸氣）賽車發(fā)動機(jī)（渦輪增壓）轎車汽油機(jī)（自然吸氣）轎車柴油機(jī)卡車柴油機(jī)（渦輪增壓）大型柴油機(jī)中速柴油機(jī)十字頭二沖程柴油機(jī)講課內(nèi)容第一篇動力輸出與能量利用第1章動力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章燃料與工質(zhì)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(chǔ)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(jī)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(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章柴油機(jī)調(diào)速特性1.工質(zhì)對活塞所作功及示功圖2.動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)3.影響動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的環(huán)節(jié)與因素決定動力輸出的三大環(huán)節(jié)設(shè)單位時間內(nèi)加入整機(jī)的燃料總量為B(kg/s)，燃料的低熱值為Hu(kJ/kg)，燃料能量轉(zhuǎn)換的總效率為ηet，則有效功率Pe可表示為：

設(shè)單位時間進(jìn)入發(fā)動機(jī)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(shí)際吸入內(nèi)燃機(jī)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與燃料熱值和混合氣濃度直接相關(guān)“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(jī)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(shí)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(xué)計量比（Stoichiometricratio），過去稱理論空燃比。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(zhì)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(zhuǎn)換效率（1）燃燒效率（2）循環(huán)熱效率（3）機(jī)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(jī)c=95%~98%柴油機(jī)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(nèi)的新鮮空氣量與按進(jìn)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(jī)型）增壓后空氣密度（增壓機(jī)型）功率和油耗的表達(dá)式（課程總綱）燃燒效率（第二篇）循環(huán)熱效率（第3章）機(jī)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(jié)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(dāng)量比2.畫示功圖（p-Vp-），并會標(biāo)識3.推導(dǎo)動力性和經(jīng)濟(jì)性的性能指標(biāo)表達(dá)式及其關(guān)系4.了解影響動力性和經(jīng)濟(jì)性的主要環(huán)節(jié)和因素5.自學(xué)二沖程相關(guān)內(nèi)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(biāo)圖上畫出四沖程增壓柴油機(jī)的示功圖，用箭頭注明各過程進(jìn)行方向，并在曲線上標(biāo)出進(jìn)、排氣門早開、晚關(guān)和著火的五個點(diǎn)。2）在p-坐標(biāo)圖上對應(yīng)畫出上述示功圖的壓力變化圖（整個循環(huán)）和上述對應(yīng)的五個點(diǎn)。（注意：圖畫大一點(diǎn)。各曲線形狀及對應(yīng)關(guān)系要定性準(zhǔn)確。坐標(biāo)原點(diǎn)及上、下止點(diǎn)都要標(biāo)出來。）12.基于Pe的綜合表達(dá)式（1-31）分析：1）哪些參數(shù)屬于質(zhì)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(jī)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(jī)，沖程140mm，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2200r/min時的機(jī)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(jī)（缸徑x沖程=102mmx125mm）在全負(fù)荷時的臺架測量結(jié)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