汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理 教學(xué)課件 作者 吳建華 第一章發(fā)動(dòng)機(jī)性能

第一章發(fā)動(dòng)機(jī)的性能第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)第二節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)第三節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示性能指標(biāo)第四節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效性能指標(biāo)第五節(jié)機(jī)械損失與機(jī)械效率第六節(jié)熱平衡第一章發(fā)動(dòng)機(jī)的性能本章要求：了解：發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)過(guò)程。理解：發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)。掌握：提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的根本途徑，機(jī)械效率的測(cè)定方法。

衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的指標(biāo)：

三個(gè)主要性能指標(biāo)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性運(yùn)轉(zhuǎn)性〔功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等〕〔燃油消耗率等〕〔冷起動(dòng)、排放、噪音等〕實(shí)際上，上述指標(biāo)在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上難以同時(shí)兼顧，必須根據(jù)需要權(quán)衡利弊；另外，作為一種群眾化的消費(fèi)品，還必須考慮其生產(chǎn)本錢(qián)、使用維修、可靠耐用等方面。第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)：PV

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)過(guò)程非常復(fù)雜，進(jìn)行理論研究時(shí)十分困難。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)P-V圖abcrzr-a進(jìn)氣a-c壓縮c-z燃燒z-b膨脹作功b-r排氣引入空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)，根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)，將實(shí)際循環(huán)簡(jiǎn)化為等容、等壓和混合加熱循環(huán)。PVPVPVabczabczabcz/z等容加熱循環(huán)〔汽油機(jī)〕等壓加熱循環(huán)〔低速柴油機(jī)〕混合加熱循環(huán)〔高速柴油機(jī)〕PVabcrz一、三種根本循環(huán)

二、循環(huán)熱效率ηt：對(duì)于混合加熱循環(huán)：對(duì)于等容加熱循環(huán)〔ρ0=1〕：對(duì)于等壓加熱循環(huán)〔λp=1〕：其中εc為壓縮比，λp為定容增壓比〔pz/pc〕，ρ0為定壓預(yù)脹比〔Vz/Vz/〕。PVabcz/z混合加熱循環(huán)1、壓縮比εc對(duì)循環(huán)熱效率ηt的影響：TSabczc1z1b1Tz

εc增大,提高了循環(huán)平均吸熱溫度，降低了循環(huán)平均放熱溫度，擴(kuò)大了循環(huán)溫差,ηt提高。ηtεc100.20.40.60.848121620最高溫度相同時(shí)，εc對(duì)循環(huán)熱效率ηt的影響ηt

隨εc的變化關(guān)系εc增大2、定壓預(yù)脹比ρ0和定容增壓比λp對(duì)循環(huán)熱效率ηt的影響：TSabczz/b1等容等壓z1/z1ρ0和λp對(duì)循環(huán)熱效率ηt的影響在總吸熱量Q1不變的情況下，隨著λp增大〔等容加熱局部增大〕，ρ0減小〔等壓加熱局部減小〕，使得循環(huán)放熱量Q2減少，ηt增大。λp增大3、等熵指數(shù)κ對(duì)循環(huán)熱效率ηt的影響：ηtεc100.20.40.60.848121620ηt

與κ、εc的關(guān)系

隨著κ增大，循環(huán)熱效率ηt也增大。

增大εc、λp，減小ρ0，有利于ηt的提高，但實(shí)際應(yīng)用中還必須綜合考慮以下因素：〔1〕結(jié)構(gòu)條件—增大εc和λp，會(huì)使最高燃燒壓力Pz急劇升高，提高了對(duì)零部件強(qiáng)度的要求；〔2〕機(jī)械效率—εc和λp增大，Pz升高，會(huì)使機(jī)械效率降低；〔3〕燃燒方面—εc過(guò)大，汽油機(jī)容易產(chǎn)生爆燃和外表點(diǎn)火等不正常燃燒，柴油時(shí)機(jī)因燃燒室容積過(guò)小而設(shè)計(jì)困難，同時(shí)使燃燒效率降低；

目前，柴油機(jī)εc一般在12～22，λp為1.3～2.2，最高爆發(fā)壓力Pz在7～14MPa；汽油機(jī)εc一般在6～12，λp為2.0～4.0，最高爆發(fā)壓力Pz在3～8.5MPa；

三、循環(huán)平均壓力pt：

定義：?jiǎn)挝黄兹莘e所做的循環(huán)功稱(chēng)為循環(huán)平均壓力pt〔kPa〕：

對(duì)于混合加熱循環(huán)有：取ρ0=1〔等容加熱循環(huán)〕有：取λp=1〔等壓加熱循環(huán)〕有：式中pde為進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力〔kPa〕〔用于評(píng)定氣缸工作容積做工能力的大小〕

可見(jiàn)pt主要與進(jìn)氣終點(diǎn)壓力pde、壓縮比εc、定壓預(yù)脹比ρ0、等熵指數(shù)κ和循環(huán)熱效率ηt有關(guān)。四、三種根本循環(huán)的比較：〔1〕同一機(jī)型不同循環(huán)模式的比照〔εc和Q1不變〕：TSabmczmz/bvzv同一機(jī)型不同循環(huán)模式的比較bpzp因此，要提高熱效率，就應(yīng)增大等容加熱的比重，即提高循環(huán)加熱“等容度〞；但需要適當(dāng)限制最高溫度和壓力。放熱量：熱效率：最高溫度：最高壓力：混合加熱等容加熱等壓加熱TSabmczmz/bpzp不同機(jī)型三種循環(huán)ηt的比較〔Q1和pmax相同〕bvzvcpcv〔2〕三種循環(huán)具有相同加熱量Q1的比較〔Q1和pmax相同〕混合加熱等容加熱等壓加熱放熱量：熱效率：最高溫度：〔3〕汽油機(jī)、柴油機(jī)負(fù)荷變化〔吸熱Q1不同〕時(shí)的比較：a)柴油機(jī)負(fù)荷降低噴油時(shí)間減少燃燒時(shí)間減少ρ0減小而λp根本不變?chǔ)莟升高b)汽油機(jī)負(fù)荷降低剩余廢氣增多燃燒速度降低ρ0增大而λp減小ht降低〔特點(diǎn)是邊噴油邊燒，燃燒時(shí)間與噴油時(shí)間有關(guān)〕〔點(diǎn)燃后火焰?zhèn)鞑ト紵紵龝r(shí)間與燃燒速度有關(guān)〕燃燒時(shí)間增長(zhǎng)第二節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹作功和排氣5個(gè)局部。

包括：四沖程汽油機(jī)工作工程四沖程柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)一、進(jìn)氣過(guò)程〔r—a)：1、由于進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力，進(jìn)氣終了壓力pa小于大氣壓力p0〔約0.85～0.95p0〕,一般柴油機(jī)要略高于汽油機(jī)。2、受高溫零件和廢氣加熱，進(jìn)氣終了溫度Ta高于大氣環(huán)境溫度T0〔約300～380K)，一般汽油機(jī)略高于柴油機(jī)。

進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟，排氣門(mén)關(guān)閉，活塞下行，新鮮工質(zhì)被吸入汽缸。

特點(diǎn)：二、壓縮過(guò)程〔a—c)：

進(jìn)、排氣門(mén)關(guān)閉，活塞上行，工質(zhì)被壓縮，溫度和壓力升高?！惨弧硥嚎s的作用：1、增大工作過(guò)程的溫差，獲得大的膨脹比，提高熱效率，同時(shí)為燃燒過(guò)程創(chuàng)造有利條件。2、在柴油機(jī)中，壓縮后氣體的高溫是保證燃燒著火的必要條件。

汽油機(jī)pc=0.8～2.0MPa，Tc=600～750K；柴油機(jī)pc=3.0～5.0MPa，Tc=750～1000K〔二〕壓縮比εc：

壓縮過(guò)程為一個(gè)多變指數(shù)n不斷變化的過(guò)程。

汽油機(jī)中,為提高熱效率,希望提高壓縮比,但受到不正常燃燒的限制；柴油機(jī)中,為保證噴入氣缸的燃料能及時(shí)自燃以及冷啟動(dòng)時(shí)可靠著火,需選取較高的壓縮比。〔三〕多變指數(shù)n：Pn=0n=±∞n=κq>0q<0Vac壓縮P-V圖P、n1Vacn1n壓縮過(guò)程n的變化*思考：壓縮過(guò)程中轉(zhuǎn)速和漏氣對(duì)n如何影響？三、燃燒過(guò)程〔c—z)：

進(jìn)、排氣門(mén)關(guān)閉，活塞在上止點(diǎn)前后，可燃混合氣著火燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，工質(zhì)溫度和壓力急劇升高。

燃燒放出的熱量越多，放熱時(shí)活塞越靠近上止點(diǎn)，熱效率越高。

特點(diǎn)：汽油機(jī)與柴油機(jī)燃燒過(guò)程比較：Pczc/z/通常：柴油機(jī)pmax=4.5～14.5MPa，Tmax=1800～2200K；汽油機(jī)pmax=3.0～8.0MPa，Tmax=2200～2800K；VPczc/V柴油機(jī)汽油機(jī)上止點(diǎn)上止點(diǎn)噴油開(kāi)始燃燒開(kāi)始等容加熱等容加熱點(diǎn)火開(kāi)始燃燒開(kāi)始等容加熱*思考：為什么柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力比汽油機(jī)高，而最高溫度卻低于汽油機(jī)？四、膨脹過(guò)程〔z—b)：

進(jìn)、排氣門(mén)關(guān)閉，高溫、高壓工質(zhì)推動(dòng)活塞下行，膨脹作功，工質(zhì)溫度和壓力迅速下降。通常：汽油機(jī)pb=0.3～0.6MPa,Tb=1200～1500K；柴油機(jī)pb=0.25～0.5MPa，

Tb=800～1200K*思考：為什么柴油機(jī)膨脹終了的壓力和溫度要比汽油機(jī)低？Pn=0n=±∞n=κq>0q<0VbzP、n1Vbzn1n膨脹過(guò)程中n的變化補(bǔ)燃〔吸熱〕散熱〔汽缸〕*思考：轉(zhuǎn)速和漏氣對(duì)膨脹過(guò)程中n如何影響？

類(lèi)似壓縮過(guò)程，多變指數(shù)n也是不斷變化的。

多變指數(shù)n：五、排氣過(guò)程〔b—r)：進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，排氣門(mén)翻開(kāi)，廢氣先靠自身壓力排出，而后在活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)強(qiáng)制排出。

特點(diǎn)：1、由于排氣系統(tǒng)阻力，排氣終了壓力pr高于大氣壓力p0，阻力越大，pr也越大，汽缸中剩余廢氣也就越多?！布s1.05～1.25p0〕,一般汽油機(jī)要略高于柴油機(jī)。2、排氣終了溫度Tr:Tr越低，轉(zhuǎn)化為有用功的熱量就越多，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)就越好。〔約700～1100K〕,一般汽油機(jī)要高于柴油機(jī)。六、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的比較：柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)比較汽油機(jī)實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)比較六、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的比較：1〕實(shí)際工質(zhì)的影響〔Wk〕：工質(zhì)成分的改變和泄露2〕換氣損失〔Wr〕：泵氣損失和提前排氣損失3〕燃燒損失〔Wz〕：時(shí)間損失、后燃、不完全燃燒和工質(zhì)的高溫分解4〕傳熱損失〔Wb〕：工質(zhì)與氣缸壁間的熱交換、渦流與節(jié)流損失5〕缸內(nèi)流動(dòng)損失：缸內(nèi)流動(dòng)損失指壓縮及燃燒、膨脹過(guò)程中，由于缸內(nèi)氣流〔渦流與湍流〕所形成的損失。發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)與實(shí)際循環(huán)熱效率值各種熱損失使熱效率下降的熱量分配第三節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示性能指標(biāo)

定義：

以工質(zhì)對(duì)活塞所作之功為計(jì)算基準(zhǔn)的指標(biāo)稱(chēng)為指示性能指標(biāo)，簡(jiǎn)稱(chēng)指示指標(biāo)；反映了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行的好壞。指示性能指標(biāo)的研究方法：示功圖法〔p-V、p-〕P-V圖P-φ

圖

一、指示功和平均指示壓力：

1、指示功：

指氣缸內(nèi)完成一個(gè)循環(huán)所得到的有用功，其大小可由p-V圖上的有效循環(huán)面積求得。四沖程非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)p-v圖四沖程增壓發(fā)動(dòng)機(jī)p-v圖式中：〔+〕〔-〕F1F2〔+〕〔+〕F1F2

2、平均指示壓力：

指單位氣缸容積完成一個(gè)循環(huán)所作的指示功。式中：可見(jiàn)，越大，相同容積的氣缸發(fā)出的也越大，故表征了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸工作容積利用率的上下，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)動(dòng)力性的一個(gè)很重要的指標(biāo)。式中：

通常，汽油機(jī)pi=0.7～1.3MPa，非增壓柴油機(jī)pi=0.6～1.0MPa；增壓柴油機(jī)pi=0.9～2.5MPa。

二、指示功率：

定義：

指發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所作的指示功，用表示。假設(shè)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)為，沖程數(shù)為，每缸工作容積為，轉(zhuǎn)速為，平均指示壓力為，那么指示功率為多少？

一個(gè)氣缸一個(gè)循環(huán)內(nèi)作的指示功：

個(gè)氣缸一個(gè)循環(huán)內(nèi)作的指示功：〔單位：kJ〕〔單位：kJ〕

一分鐘內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)次數(shù)：

一分鐘內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的總指示功：〔單位：kJ〕那么該發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率為：〔單位：kW〕

三、指示熱效率和指示燃油消耗率：

1、指示熱效率：

指發(fā)動(dòng)機(jī)所得指示功與所消耗的燃油熱值的比值。式中：

2、指示燃油消耗率：指單位指示功的耗油量，通常用每千瓦時(shí)的耗油量來(lái)表示〔g/(kW.h))。故：第四節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效性能指標(biāo)

定義：

以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出功為計(jì)算基準(zhǔn)的指標(biāo)稱(chēng)為有效性能指標(biāo)，簡(jiǎn)稱(chēng)有效指標(biāo)；反映了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作性能的好壞。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性指標(biāo)：1、有效功和有效功率：〔標(biāo)定工況下〕

通常，有效功、有效功率、機(jī)械損失功和機(jī)械損失功率都可以在試驗(yàn)臺(tái)架上直接測(cè)得。

2、有效轉(zhuǎn)矩：式中：為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

可見(jiàn)，對(duì)的測(cè)量可通過(guò)對(duì)曲軸輸出端的和的測(cè)量得到。

3、平均有效壓力：

單位氣缸容積一個(gè)循環(huán)輸出的有效功。

式中：為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，為沖程數(shù)，為氣缸數(shù)。

可見(jiàn)，平均有效壓力反映了發(fā)動(dòng)機(jī)有效輸出轉(zhuǎn)矩的大小,是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和強(qiáng)化程度的重要指標(biāo)。

通常，汽油機(jī)pme=0.65～1.25MPa，非增壓柴油機(jī)pi=0.6～0.9MPa；增壓柴油機(jī)pi=0.85～2.5MPa。

4、轉(zhuǎn)速和活塞平均速度：轉(zhuǎn)速增大發(fā)動(dòng)機(jī)功率增大〔體積小、重量輕〕活塞平均速度增大式中：為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，為活塞行程?；钊?、曲柄連桿機(jī)構(gòu)慣性大，磨損大所以，為了提高轉(zhuǎn)速而又不使過(guò)大，通常適當(dāng)減小S，加大D，即采用較小的行程缸徑比〔S/D〕；但過(guò)小的S/D會(huì)使燃燒室高度降低，不僅燃燒室布置困難，并使燃燒條件變差。氣缸根本結(jié)構(gòu)

二、發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：

1、有效熱效率：

實(shí)際得到的有效功與所消耗的燃油低熱值之比。式中：為有效功率〔kW〕，為每小時(shí)耗油量〔kg/h〕，為燃料的低熱值〔kJ/kg)。

2、有效燃油消耗率：每小時(shí)單位功率消耗的燃料〔g/(kW.h))。故：可見(jiàn)，有效熱效率越高，燃油消耗率也就越低。發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況下的be和ηet

三、發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)：

發(fā)動(dòng)機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。

1、升功率：

升功率是從有效功的角度來(lái)衡量發(fā)動(dòng)機(jī)排量的利用程度，越大，發(fā)出單位功率的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸就越小，發(fā)動(dòng)機(jī)也就越輕巧、緊湊。

提高平均有效壓力和轉(zhuǎn)速，是提高升功率、強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的有效途徑。發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量與所發(fā)出的有效功率〔標(biāo)定功率〕之比。

2、比質(zhì)量：

與升功率類(lèi)似，比質(zhì)量表征了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的利用程度，其值越小，發(fā)出單位功率的發(fā)動(dòng)機(jī)就越輕巧、越緊湊。

其值越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷越高。

3、強(qiáng)化系數(shù)：可見(jiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)根本參數(shù)〔D、i和τ〕不變的情況下，強(qiáng)化系數(shù)越大，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的有效功也就越多。第五節(jié)機(jī)械損失與機(jī)械效率

一、機(jī)械效率：

單位氣缸工作容積所損失的功。

1、平均機(jī)械損失壓力：式中：為機(jī)械損失功率〔kW〕，為氣缸工作容積〔L〕，為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速〔r/min),為沖程數(shù)，為氣缸數(shù)。

有效功率與指示功率之比。

2、機(jī)械效率：因此，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)以提高其性能指標(biāo)的同時(shí)，必須考慮機(jī)械效率的影響。

二、機(jī)械效率的影響因素：

1、轉(zhuǎn)速：摩擦損失增大轉(zhuǎn)速增大機(jī)械效率降低負(fù)荷一定〔輸出功率不變〕

可見(jiàn)，通過(guò)提高轉(zhuǎn)速來(lái)增加發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性指標(biāo)受到限制。

2、負(fù)荷：輸出功率增大負(fù)荷增大機(jī)械效率提高不變〔機(jī)械損失不變〕當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，=0，故機(jī)械效率為0。

與的關(guān)系與的關(guān)系

3、機(jī)油粘度：粘度升高機(jī)械效率降低內(nèi)部摩擦增大機(jī)械損失增大粘度過(guò)小機(jī)械效率降低機(jī)油承載能力降低，油膜容易破壞易發(fā)生干摩擦、燒瓦水溫升高

4、冷卻水溫度：機(jī)油粘度降低PmT80~95°Pm隨T的變化關(guān)系機(jī)械損失先減小，后增大

三、機(jī)械損失的測(cè)定：

1、示功圖法：示波器繪制P-V圖求出實(shí)驗(yàn)臺(tái)架測(cè)出和求出

適用于任何機(jī)型。優(yōu)點(diǎn)：1、活塞上止點(diǎn)位置不易找正；缺點(diǎn)：2、各缸工作存在一定的差異性。P-V圖

2、倒拖法：發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行〔轉(zhuǎn)速、機(jī)油和冷卻水溫度穩(wěn)定不變〕斷油或停止點(diǎn)火拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至相同轉(zhuǎn)速，并保持油溫、水溫不變。拖動(dòng)功率即為機(jī)械損失功特點(diǎn)：1、缺少