《發(fā)動機原理 第4版》課件全套 林學(xué)東 第1-8章 緒論-發(fā)動機與汽車動力傳動系統(tǒng)的匹配

發(fā)動機原理前言：學(xué)《發(fā)動機》的必要性：地位？E/G的過去、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢：

過去：內(nèi)燃機的發(fā)明，推動現(xiàn)在汽車工業(yè)的發(fā)展；

汽車工業(yè)由推動社會文明的發(fā)展。

現(xiàn)在：130多年之后de今天是否也推動社會文明的發(fā)展？

現(xiàn)在存在的問題：汽車保有量的增加

交通與安全問題；

能源危機和環(huán)境污染。趨勢：如何節(jié)能減排實現(xiàn)低碳化？

新技術(shù)的開發(fā)：以基本原理為基礎(chǔ)但汽車工業(yè)在國民經(jīng)濟中的重要地位不可忽視！內(nèi)燃機及新型動力源存在的問題：

根據(jù)E/GQ-W中存在的問題，提出電動汽車、混合動力等新能源汽車成為發(fā)展趨勢；但

問題是：產(chǎn)電過程中的能源消耗及污染

電池的污染；續(xù)駛里程有限。為此，發(fā)展核能發(fā)電站解決點能源問題，但存在：

核污染問題和電池污染。

當(dāng)進入核能發(fā)電、H2燃料電池時代：E/G的壽命

主要問題：核污染、核爆炸∴學(xué)習(xí)E/G知識的必要性：

還相當(dāng)長的時間，E/G不會退出歷史舞臺：40~100年？E/G還有潛力可挖低碳化；

今后相當(dāng)長的時間，E/G、EV&HV按一定比例共存，其中E/G汽車仍占主流。E/G的傳統(tǒng)技術(shù)過時，

關(guān)鍵：基于電控技術(shù)的現(xiàn)代內(nèi)燃機理論及其應(yīng)用。國內(nèi)很缺、國外也不完善；是E/G低碳化的主要途徑。

掌握：內(nèi)燃機的能量轉(zhuǎn)換的基本理論及工作原理；性能評價及控制方法；有害排放物的生成機理為節(jié)能減排和低碳化奠定理論基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)本課的目的：學(xué)習(xí)本科的目的和意義主要參考教材：林學(xué)東編著：《發(fā)動機原理》（4）機工版1673~1712年：赫更斯的內(nèi)燃機草圖~紐科門蒸汽機(泵)的問世：動力(源)機械的雛形；

迎來英國的（工業(yè)）產(chǎn)業(yè)革命;1766~1790年：瓦特蒸汽機的發(fā)明；改進紐科門蒸汽機迎來蒸汽革命；1.1內(nèi)燃機與汽車及其發(fā)展史簡介一、從內(nèi)燃機草圖到蒸汽機的發(fā)明

產(chǎn)生汽車的概念

內(nèi)燃機

現(xiàn)代汽車能源利用的初級階段動力源的發(fā)明：動力機械

工質(zhì)的?：高壓蒸汽做功能力發(fā)現(xiàn)：高溫高壓的氣體（工質(zhì)）能對外做功！

熱力學(xué)的發(fā)現(xiàn)=?熱力系統(tǒng)（工質(zhì)）。產(chǎn)生工質(zhì)的手段：鍋爐燃煤加熱水產(chǎn)生過熱蒸

汽（工質(zhì)）；

關(guān)鍵技術(shù)：燃燒產(chǎn)生工質(zhì)用途：新型動力源

汽車的發(fā)明意義：蒸汽革命

推動社會文明全面發(fā)展蒸汽機發(fā)明的重要作用：發(fā)明了什么？動力源的發(fā)明汽車概念的產(chǎn)生促進內(nèi)燃機的發(fā)展：1770年將蒸汽機裝在車上，制作首輛三輪蒸汽機車。車全長7.23米，時速為3.5公里。鍋爐能量轉(zhuǎn)換原理：

鍋爐：煤的燃燒高溫?zé)煔鉄煔猓簽楦邷責(zé)嵩醇訜崴a(chǎn)生過熱蒸汽推動活塞做功存在的問題：熱效率低；

起動困難；

笨重。二、四沖程理論與內(nèi)燃機的發(fā)明解決蒸汽機問題的途徑：要克服蒸汽機的缺點，必須解決鍋爐與汽缸分離的問題

使鍋爐與汽缸合二為一。

研究內(nèi)燃機的概念無壓縮機。法國科學(xué)家德羅夏：對前人研究的內(nèi)燃機進行分析后，找到問題的癥結(jié)：設(shè)計方案缺少提高效率的有效途徑。并提出提高內(nèi)燃機效率的兩個必要條件：即點火前要高壓壓縮過程；燃料必須迅速膨脹，達到最大膨脹比。提出四沖程理論：進氣—壓縮—燃燒膨脹做功—排氣。1862~1876年：奧托用煤氣在內(nèi)燃機上實現(xiàn)四沖程；這種煤氣機基本上克服了蒸汽機的缺點。它“出于蒸汽機而勝于蒸汽機”。1863年成立“奧托公司”。奧托循環(huán)問世，為現(xiàn)代汽車動力的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。奧托的功績：用透明氣缸和手動活

塞、進排氣管模型，研究出空氣和煤氣的添加方法。技術(shù)創(chuàng)新特點：發(fā)明輕質(zhì)燃料的混合氣形成方法。1882~1886年：戴姆勒、奔馳汽車問世1882戴姆勒離開奧托公司，想把奧托發(fā)動機應(yīng)用到交通工具上——理念。1883年發(fā)明點火系統(tǒng)，在奧托四沖程煤氣機的基礎(chǔ)上，研制出一臺小型單缸汽油機，轉(zhuǎn)速達700~900r/min，功率1.1馬力，空氣冷卻。奧托發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速180~200r/min。1885年，將這臺小汽油機裝在一輛自行車上，制造出第一臺摩托車。1885年，本茨購買了奧托內(nèi)燃機的專利，把一個四沖程內(nèi)燃機裝在一輛不太穩(wěn)固的三輪車上，雖在首次試車就撞壞了，但現(xiàn)代汽車史卻從此開始。后又將一臺功率0.8馬力，單缸2沖程小內(nèi)燃機裝在一輛三輪車上，時速達到15公里。本茨不斷地改進自己的汽車，幾年內(nèi)就成功地打入市場；于1887年成立奔馳汽車公司。戴姆勒汽車比本茨的稍遲些打入市場，但也獲得了成功。

1.三足鼎立時期：19st末~20st初2.1890年世界汽車4200輛:其中蒸汽機(1763~1926)龐大、效率低電動汽車(1881~1936)

續(xù)駛距離短、成本高汽油車(1886~)輕,體積小,初期效率低，粗暴蒸汽車加水/行駛10英里；電動車充電/行駛30英里；汽油車加油/150英里；馬車行走15~20英里/日，

養(yǎng)馬麻煩第二次巴黎

波爾多汽車拉力賽(1895.6)的意義：根據(jù)以下對比確立了內(nèi)燃汽車的地位。蒸汽車40％

電動車38％汽油車22％

汽車的三足鼎立：此階段汽油車的主要問題：噪聲大，無消聲器；起動困難

汽油機的發(fā)明解決了什么關(guān)鍵問題？生成工質(zhì)的新方法發(fā)明：液體燃料=汽油的混合氣形成方法；

著火燃燒方法：點燃、火焰?zhèn)鞑?/p>

用這種新的缸內(nèi)燃燒模式產(chǎn)生工質(zhì)（燃氣）做功問題：燃燒狀態(tài)受燃料特性的限制∴

不能太高，做功能力受限。做功能力：工質(zhì)的狀態(tài)：p、T

膨脹比做功位移=活塞行程S1892~1912年：柴油機的發(fā)明&美國汽車工業(yè)的發(fā)展時代柴油機的發(fā)明：1892~1897德國.狄塞爾：1892~1897年從熱力學(xué)角度全面分析熱力循環(huán)基礎(chǔ)上，將卡諾循環(huán)柴油機循環(huán):4沖程、高、缸內(nèi)直噴壓燃；背景：

蒸氣革命創(chuàng)立熱力學(xué)理論基礎(chǔ)，卡諾循環(huán)

4沖程理論;

動力機械發(fā)展汽車，但效率低;

課題：如何提高動力循環(huán)效率s三、柴油機的發(fā)明cazbT2T1ssVpaczz`bpVVcVa

實際E/G的循環(huán)及熱平衡：

做功1/3；排損1/3；冷卻損失1/3熱力參數(shù)卡諾循環(huán)：于1824年《關(guān)于火力動力及其內(nèi)燃機的考察》中首次提出，當(dāng)時在拿破侖軍營中。實際中卡諾循環(huán)不可實現(xiàn)只與T有關(guān)卡諾：絕熱壓縮

等溫加熱

絕熱膨脹

等溫放熱

柴油機：絕熱壓縮

混合加熱

絕熱膨脹

等容放熱

1897年柴油機問世熱效率達36~40%，世界最高。

提高效率的途徑：

柴油機的發(fā)明提示了什么？解決了內(nèi)燃機提高熱效率的途徑：提高膨脹比！手段：燃料=粘性較大的柴油

缸內(nèi)噴射，強制霧化

燃燒模式：壓燃，邊噴邊燃燒

問題：受燃料（柴油）燃燒模式的限制

NOx和PM排放趨勢：如何改善適合于柴油機的燃料？GTL/BTL1.2汽車工業(yè)的發(fā)展階段美國汽車工業(yè)：1892年由杜里埃兄弟研制出第一輛汽車美國1896年福特制造出第一臺汽車。1903年創(chuàng)立福特汽車公司，生產(chǎn)A型車；1908年推出舉世聞名的T型車，其特點：設(shè)計精良、堅固耐用，維修簡便；1910年創(chuàng)造出汽車生產(chǎn)流水線，

“世界生產(chǎn)方式歷史性變革”，使汽車大眾化。

亨利.福特與其兒子坐在他的T型暢銷車內(nèi)。當(dāng)時車價比較：大眾化的效果歐爾德斯摩拜爾1901牌：650美元凱蒂萊克1903牌：750美元；最初T型牌：875美元。1888~1916期間：汽車技術(shù)不斷成熟的階段。1888年充氣式輪胎發(fā)明[英]，1894年充氣是橡膠輪胎[法]1889年戴姆勒發(fā)明4速變速器；1891年發(fā)明FR驅(qū)動方式[法]

奠定汽車基本傳動型式1892~1897年發(fā)明柴油機；1896年：汽車照明[美]、石棉制動片[英]；1898年發(fā)明萬向節(jié)、主減速器[法雷諾]取代鏈傳動進入20世紀后，石油公認為主要燃料，確立汽油車的主導(dǎo)地位

飛機的實用化；1902年盤式[英]、鼓式制動器[法]1908年發(fā)明消聲器；1912年發(fā)明起動機內(nèi)燃機汽車的優(yōu)勢同時這一時期完成：懸架、車身、保險杠、信號燈；使社會普遍形成內(nèi)燃機汽車概念這一時期的主要問題：并不是能源與排放，而是燃料的能源密度和一定量燃料所能達到的續(xù)駛里程。內(nèi)燃汽車迅速發(fā)展1920~1940年：歐美紛紛汽車公司成立；

生產(chǎn)不同類型汽車；1945~1970年：半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用；汽車產(chǎn)量；汽車排放受到重視；洛杉磯煙霧事件1972~現(xiàn)在：微機控制技術(shù)的應(yīng)用汽車電控化；國際汽車市場重大變化；保有量突破10億輛未來汽車：低碳化為目標(biāo)的綠色能源汽車由于有了能源動力革命和輪胎文化產(chǎn)生了現(xiàn)代汽車文化

人類文明才有快速的發(fā)展環(huán)境污染也加速。遠古~中世紀：柴薪未來：新能源汽車

火車自動車Automotive/18961886~現(xiàn)在:石油1763~1926:煤鍋爐不同年代能源

不同動力源

汽車類型不同

1673~2015=342年間:赫更斯草圖~現(xiàn)在1673~1766=93年間：發(fā)明蒸汽泵及動力裝置；1766~1926=160年間：開發(fā)蒸汽動力及蒸汽汽車；1886~2015=129年間：內(nèi)燃機及現(xiàn)代汽車時代汽車的歷史:蒸汽汽車(1770)+現(xiàn)代汽車(2015)

=245年汽車發(fā)展小結(jié)：21st后中國市場的開放

中國汽車工業(yè)快速發(fā)展，世界各大汽車企業(yè)涌入，中國成為世界最大的汽車市場，產(chǎn)銷量已排為世界第一位20st60年代末，日本汽車工業(yè)出現(xiàn)奇跡

生產(chǎn)物美價廉的小型汽車，世界汽車工業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革20世紀50年代，拆除歐洲內(nèi)部關(guān)稅壁壘。意義：歐洲市場空前繁榮，歐洲汽車工業(yè)快速發(fā)展1914年美國福特實現(xiàn)汽車工藝的流水線。意義：從手工

流水線；使汽車工業(yè)走向大眾化；1886年德國戴姆勒和奔馳發(fā)明內(nèi)燃汽車。意義：從笨重的蒸汽汽車

輕便快速的現(xiàn)代汽車；41235

世界汽車工業(yè)發(fā)展史上的幾次重大變革汽車工業(yè)與國力蒸氣機發(fā)明前：中國強國唐、宋、明朝蒸氣機的發(fā)明后：改變社會結(jié)構(gòu)英國17st末~18st：發(fā)明蒸汽機并普及

大英帝國;

歐洲產(chǎn)業(yè)/經(jīng)濟基礎(chǔ)德國18st末~19st初：發(fā)明內(nèi)燃汽車

二戰(zhàn)前強國美國20st初~：汽車大眾化/普及(1910)超級大國日本20st80年代

：汽車小型/輕量化超級大國中國21st：市場大開放經(jīng)濟、國力快速發(fā)展提高性能可再生，無污染汽車新能源：H2？；EV&HV；H2燃料電池開發(fā)多缸機，V型，增壓，高轉(zhuǎn)速化安全性主動安全:ABS、牽引力控制、穩(wěn)定控制等被動安全:安全帶、保險杠、安全氣囊交通事故社會化；行駛的兇器現(xiàn)代汽車發(fā)展的幾個階段及現(xiàn)狀：二戰(zhàn)以來排放/經(jīng)濟性環(huán)境污染

能源緊缺1943年洛杉磯煙霧事件；對汽車的要求：高速化適應(yīng)賽車大眾化

駕駛性價格低1960年美國首次制定汽車排放法規(guī)1966年開始實施排放法規(guī)措施：轉(zhuǎn)子發(fā)動機、稀燃、電控等綠色能源現(xiàn)在和將來1.3汽車發(fā)展對社會環(huán)境的影響：汽車工業(yè)發(fā)展的負面影響：能源危機、環(huán)境污染按目前技術(shù)水平：天然氣60年；石油40年；煤100多年一、能源問題二、地球環(huán)境污染大氣層污染：霧霾溫室效應(yīng)：冰山消融、沙漠化交通擁擠：石油(40年)汽油\柴油電能/燃料電池EV&HV代用燃料NG(60年)LPGDME2020~2030年：汽車保有量16億輛

2020年：電動車保有量2000萬輛；占1.25%電能資源現(xiàn)代汽車三種能源:三、內(nèi)燃機面臨的挑戰(zhàn)合成燃料H2能源傳統(tǒng)發(fā)動機存在的問題：代用燃料發(fā)動機存在的問題：EV&HV存在的問題：內(nèi)燃機的現(xiàn)狀：燃料決定燃燒模式

SI、CI

傳統(tǒng)燃料的燃燒模式不能兼顧效率及排放

雖改善排放，但效率低發(fā)展趨勢：CI燃燒模式及其適合的燃料(GTL、BTL

)四、ICE燃料及燃燒模式的發(fā)展趨勢節(jié)能,CO2

降低排放

清潔低碳化合成燃料∴任重道遠：學(xué)習(xí)和掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論的重要意義1.4電動汽車的盛衰一、車用動力源轉(zhuǎn)變歷程：蒸汽機電動機內(nèi)燃機新能源基于電磁學(xué)理論發(fā)明了電動機；需電池為車用電動機提供電源；具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、車速高、噪聲低、舒適性好等優(yōu)點；但是存在一次充電續(xù)駛里程短的缺點；1896-1936年迎來電動汽車的黃金時代，當(dāng)時歐美各國城市規(guī)模較小，對續(xù)駛里程要求不高。蒸汽汽車逐漸衰落，倫敦、巴黎等大城市的電動出租車盛行。蒸汽機電動機內(nèi)燃機新能源車用動力源轉(zhuǎn)變歷程——電動汽車衰落的原因：19世紀末，歐美旅游業(yè)大規(guī)模發(fā)展；電動汽車續(xù)駛里程短，電池充電時間長，成本高；競爭對手內(nèi)燃機汽車具有續(xù)駛里程長的絕對優(yōu)勢而備受青睞。當(dāng)時，電動機效率可達90%，內(nèi)燃機效率只有15%，但儲存相同能量時，汽油與一組電池的重量比約為1:358；而且，汽油的能量密度高，每磅汽油儲存的能量是當(dāng)時鉛酸電池所儲存電能的500倍以上。蒸汽機電動機內(nèi)燃機新能源車用動力源轉(zhuǎn)變歷程——電動汽車的復(fù)興：進入21世紀后，汽車保有量增加，石油能源緊缺和汽車尾氣排放對環(huán)境污染成為社會關(guān)注問題，汽車低碳化成為發(fā)展趨勢；電動汽車在行駛過程中可實現(xiàn)零排放；現(xiàn)階段電動汽車的發(fā)展關(guān)鍵在于電動機和電源（電池）特性。電源要求：能量儲存密度高、安全可靠、快速充電、成本低、二次污染小。車用電動機要求：足夠的過載能力，滿足轉(zhuǎn)速需求，高功率密度和高效率，工作可控性高，穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，溫度適應(yīng)性好。二、電動汽車用電機的類型和特點1.直流電機組成：定子，永磁體或帶有直流勵磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成，其作用是產(chǎn)生磁場；轉(zhuǎn)子，磁鋼片疊成的電樞鐵心、轉(zhuǎn)軸及電樞繞組等組成，其作用是與定子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢；換向器，由幾個換向片疊成圓筒形，各換向片之間互相絕緣，其作用是與電刷配合將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，以保證定子電樞始終受到一個方向不變的轉(zhuǎn)矩。局限性：工作時換向器和電刷之間形成滑動機械摩擦現(xiàn)象，影響電動機的性能、精度和可靠性，且易產(chǎn)生火花，縮短電動機的使用壽命，噪聲也大，故在現(xiàn)代電動汽車上的應(yīng)用受到了限制。2.交流電機局限性：交流電動機功率因數(shù)滯后，輕載功率因數(shù)低，調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩特性不理想，因此不能很好地滿足頻繁起動、加減速的電動汽車對動力源的要求。按勵磁方式不同交流電機可分為同步電機和異步電機：同步電機：轉(zhuǎn)子的勵磁不能隨意改變，導(dǎo)致不易調(diào)速，所以同步電機常用于交流發(fā)電機上；異步電機：又稱感應(yīng)電機常用三相異步電機，其特點是通過定子上相差120°的三相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場相對轉(zhuǎn)子相對運動時，在轉(zhuǎn)子的短路繞組線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，由此驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)電機以電動機狀態(tài)工作時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n小于同步轉(zhuǎn)速ns，稱s=(ns-n)/ns為轉(zhuǎn)差率。感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速控制的基本方程為：

二、電動汽車用電機的類型和特點3.無刷直流電機組成：永磁體（外）轉(zhuǎn)子、多極繞組（內(nèi)）定子、位置傳感器和電子開關(guān)電路等四部分。內(nèi)置定子：設(shè)置在轉(zhuǎn)子內(nèi)部并形成空間相差60°的三相對稱電樞繞組，通過各相繞組電流的控制形成旋轉(zhuǎn)磁場；外部轉(zhuǎn)子：是由永久磁鐵制成的一對磁極，用轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時精確地檢測其位置；在確定的位置通過電子開關(guān)電路按一定順序控制定子的各相繞組電流，實現(xiàn)無接觸換向，使定子繞組形成旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下同步旋轉(zhuǎn)。二、電動汽車用電機的類型和特點4.開關(guān)磁阻電機（SRM）SRM采用磁阻最小的工作原理，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。把定子和轉(zhuǎn)子初始狀態(tài)作為起始位置接通A相線電源時，轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其主軸線（轉(zhuǎn)子凸極和定子凸極對應(yīng)）與磁場軸線重合時，磁路最短，磁阻最小，轉(zhuǎn)子將停止轉(zhuǎn)動；

在轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動之前按照ACB順序給定子繞組通電，轉(zhuǎn)子則會逆時針方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若按照ABC順序給定子繞組通電時，轉(zhuǎn)子就按順時針方向轉(zhuǎn)動。SRM的轉(zhuǎn)動方向與其定子的電流方向無關(guān)，只取決于定子繞組的通電順序。二、電動汽車用電機的類型和特點電池的特征：將化學(xué)能——電能；

電動力：將能源與動力分開

電池和電動機；

早期電動車淘汰是因電池問題：續(xù)駛里程，充電困難等

內(nèi)燃機動力：能源與動力源合二為一。

組成：三要素

電極：由兩種不同成分的電化學(xué)活性電極構(gòu)成正、負極；

電極浸泡在電解質(zhì)中；

電解質(zhì)：與電極作用產(chǎn)生離子并傳導(dǎo)

反應(yīng)與傳導(dǎo)的場；

活性物質(zhì)：氣態(tài)(H2和O2)，在電極和電解液作用下生成離子。

通過內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能

產(chǎn)生離子流，外部電流。

要求：

向正負極分別傳送氧化劑（O2）和還原劑(H2)；

（四）電池=電源：三、電池的類型級特點電池類型：一次電池：一次性

干電池—正極=MnO2;負極=Zn;

電解質(zhì)=氯化錳-氯化鋅水溶液（MH4CI-ZnCl2aq）+淀粉等糊狀；

二次電池：可充電

蓄電池—電解質(zhì)=硫酸水溶液；正極=PbO2;負極=Pb；

電池=儲存電能裝置——使用壽命有限，續(xù)駛里程有限，充電

燃料電池：儲存燃料，向電池提供H2；——使用壽命、里程

電極：燃料極、空氣極

電解質(zhì)：堿性、酸性、鉛酸電池：1859年法國普蘭特發(fā)明的二次電池（可充電）電解質(zhì)：硫酸(H2SO4)；正極：PbO2；負極：Pb用途：起動用、動力用等；早期電動車的開發(fā)；特點：成本低，技術(shù)成熟，效率高（75-80%）、可靠缺點：比能量低、難于快速充電，循環(huán)壽命低，續(xù)駛里程短1）二次電池的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題鋅空電池問世上百年，20世紀90年代起嘗試作為電動汽車動力源；正極：鋅（鋅合金）；負極：氧氣(Carbon)；電解質(zhì)：KOH溶液；特點：比能量大(200Wh/kg)缺點：比功率小(90W/kg)、難于充電，壽命短

所以，沒有普及。1、蓄電池鎳氫電池——中檔次不含貴金屬，“綠色電池”；車用動力趨勢正極：氫氧化鎳；負極：儲氫合金；電解質(zhì)：KOH+氫氧化鋰溶液；關(guān)鍵技術(shù)：可反復(fù)使用且能儲存氫的合金材料。

目前用兩種：稀土合金（鑭鎳）AB5類合金和鈦鋯稀土合金AB2特點：快速充電，15min充滿40%~80%；比能量較高缺點：成本高：1kWh——600~800美元鎳鎘電池_低檔次規(guī)格：每單元1.2V；放電終止電壓為1.0V/cell；電解質(zhì)：KOH；正極：氫氧化鎳Ni(OH)3；負極：鎘Cd使用溫度范圍：-20(40)℃~60(85)℃；電動車用特點：封閉式，電解質(zhì)無泄漏，無需補充；內(nèi)阻小，開蘇充電；缺點：容量低；壽命短；鎘有毒——不利于生態(tài)環(huán)境。高溫鈉離子電池：包括鈉氯化鎳電池(NaNiCl2)和鈉硫蓄電池兩種鈉氯化鎳電池（1978年）：正極為固態(tài)NiCl2，負極為液態(tài)Na；

電解質(zhì)：固態(tài)β-Al2O2陶瓷；充放電時鈉離子通過陶瓷電解質(zhì)在正負電極之間漂移。

特點：比能量高>100Wh/kg；無自放電效應(yīng)；耐過充、過放電；可快速充電；安全可靠；

但工作溫度高(250-350℃)，且內(nèi)阻與工作溫度、電流和充電狀態(tài)有關(guān)，因此需要冷熱管理系統(tǒng)。鈉硫蓄電池：被美國先進電池聯(lián)合體列為中期發(fā)展的電動車蓄電池；

特點：比能量高，但峰值功率較低—能量密度低，且工作溫度

300℃，熔融的鈉和硫有潛在毒性，腐蝕性限制其可靠性和壽命；鋰離子電池：高檔次—90年代發(fā)展，鋰資源匱乏正極：鋰過渡氧化物(LixMmOn)；負極：鋰（最輕的金屬元素）；電解質(zhì)：有及電解質(zhì)=如溶于丙烯碳酸二乙醚溶劑的鹽酸；特點：充電時間較短—約2-4h；電壓高—4V；比能量高；缺點：高低溫性不佳；安全性差：鋰露于空氣或遇水會燃燒；成本高性能指標(biāo)長期性能比能量(Wh/kg)—(C/3放電率)200比功率(W/kg)—(80%放電深度/30s)400壽命/年10循環(huán)壽命(80%放電深度)/次1000成本價格(美元/kWh)<100充電時間/h<3~6效率(C/3放電率，6h充電)安時效率\瓦時效率

Ah=IdTd/(IcTc)=80%美國先進蓄電池集團(USABC)蓄電池發(fā)展目標(biāo)：續(xù)駛里程？Id\Ic:放\充電電流Td\Tc:放\充電時間Ud\Uc:放\充電是平均電壓。C/3放電率：1/3h放電完

Wh=

WhUd/Uc類型

鉛酸鎳鎘鎳氫鋰離子鈉硫鋅空鎳鋅比能量W

h/kg405575-80100118160+比功率W/kg150-200>190160-230200243-500循環(huán)使用壽命/次500-70020006001200300-600

成本$/(kW

h)相對價格(100%)1400-5007600-80010--20>1000--449-安全性●

-----

特點優(yōu)點可靠性高,成本低可快充,壽命長快速充電快充,壽命長,比功率比能量高比功率高缺點過充/過放點能力差,壽命短成本較高,報廢電池鎘污染成本高,氫處理需安全,壽命短成本高,安全性較差成本高,安全性差,壽命短比功率小比能量低,壽命短蓄電池種類及特性：2、燃料電池電池的共同點：都是通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，是電能儲存裝置。不同點：電池：消耗固體活性物來發(fā)電，一旦消耗完畢，就不能放電，需更換或充電；最大輸出功率儲存的活性物質(zhì)量。

燃料電池：從外部接受氣態(tài)的氫和氧作為活性物發(fā)電；輸出電功率只受電解質(zhì)和提供氫能力的限制；為吸附這種氣態(tài)活性物需專用電極。

電極：要求對電極反應(yīng)的催化性、對電解質(zhì)的耐蝕性、良好的導(dǎo)電性和氣體活性物與液態(tài)電解質(zhì)的相互接觸（滲透）性?；钚晕镔|(zhì)：指在電池正負極中參加成流反應(yīng)的物質(zhì)（產(chǎn)生離子）；供電持續(xù)能力：取決于儲存燃料，解決電池續(xù)駛里程短/充電的問題

電動車復(fù)蘇的依據(jù)？發(fā)展歷程：電解質(zhì)從堿性——酸性——離子交換膜

氫燃料電池理論為基礎(chǔ)1.工作原理及發(fā)展歷程（演變過程）：實質(zhì)：正極（氧氣）中生成OH-，移動到負極（燃料）氧化H2，同時在負極產(chǎn)生電子經(jīng)外部回路流動到正極還原O2的過程。結(jié)構(gòu)原理：純氫純氧燃料電池時電解液為KOH（堿性溶液）氫(負極)和氧氣(正極)被電解液分開，并按電池需要不斷向負極（燃料極）傳送H2，向正極（空氣極）傳送O2，則負極和電解液（KOH）分界面上：

H2+2OH-2H2O+2e-；

即在正極形成的OH-經(jīng)電池內(nèi)部移到負極氧化H2，生成水和電子e-；燃料電池的基本工作原理：

在正極和電解質(zhì)分界面上：即在負極產(chǎn)生的電子，通過外部電路流動到正極和電解質(zhì)分界面，還原氧，形成OH-。1/2O2+H2O+2e-2OH-生成物(H2O等)不斷引出穩(wěn)定流動狀態(tài)即：在電池中用O2經(jīng)電化學(xué)氧化H2生成H2O的同時，電子從負極經(jīng)外部回路流向正極。

全部化學(xué)反應(yīng)：2H2(g)+O2(g)2H2O(l)結(jié)果：代表反應(yīng)焓

Hh的能量釋放出來

一部分轉(zhuǎn)化為電能，其余作為熱量傳走。在上述反應(yīng)中，每個氧分子有4個電子通過外電路，

每摩爾氧所輸出的電能為：

We=4NA

e

E

NA:阿伏加德羅常數(shù)，e:電子電荷；E:端電壓。堿性電解質(zhì)的燃料電池及電極（固）、電解質(zhì)（液）、活性物（氣）三相帶結(jié)構(gòu)：燃料電池的核心=基本結(jié)構(gòu)以氣體為活性物質(zhì)時：由電極的氣體側(cè)30m、電解質(zhì)側(cè)10m的具有防水處理的多孔型結(jié)構(gòu)構(gòu)成電極、電解質(zhì)、活性物三相帶。液體電解質(zhì)時基本原理：活性物質(zhì)通過電解質(zhì)薄膜以氣體狀態(tài)擴散后吸附在白金電極表面；然后在活性物質(zhì)和催化劑Pt之間起電子交換反應(yīng)生成離子

溶于電解液中移動。影響因素：電極處于干燥狀態(tài)；電解液層厚；則活性物或離子的移動速度慢——流通電流小30m10m堿性電解質(zhì)：金屬的耐腐蝕性高；零排放，結(jié)構(gòu)簡單；只用于純氫純氧燃料電池；問題：H2/O2儲帶困難，且H2密度低，續(xù)駛里程短；成本高。電解質(zhì)的要求：

電解液中只允許離子移動，且移動速度越高越好；

但不允許流通電子。電子只通過外部回路。離子的移動速度快：水溶液時H+離子和OH-；采用堿性水溶液。為此，儲帶C/H燃料時：需用水蒸汽改質(zhì)(生成CO)獲得H2，此時KOH與CO2反應(yīng)電解液變成碳酸鉀(K2CO3)離子導(dǎo)電性。故采用酸性電解質(zhì)。

水蒸氣改制反應(yīng)：CnH2n+2+nH2O

nCO+(2n+1)H2（吸熱）酸性電解質(zhì)：改質(zhì)型燃料電池用燃料和空氣——腐蝕

用空氣代替純氧、CH燃料改質(zhì)獲得H2時，O2和H2中含有CO2；用KOH電解質(zhì)時引起化學(xué)反應(yīng)生成K2CO3—影響離子的導(dǎo)電性—采用酸性電解液。此時：

負極：H2

H++2e-；H2放電e-氧化生成H+

流向正極

正極：1/2O2+2H++2e-

H2O；流到正極的H+獲電將O2還原生成水

從離子交換膜的安全穩(wěn)定性考慮：工作溫度

150C，又電極浸在強酸性溶液中，要求耐蝕性——為此而開發(fā)出高分子燃料電池PEFC(polymerelrctrolytetypeFC)——質(zhì)子交換膜早期開發(fā)的氟系陽離子交換膜燃料電池：因?qū)щ娐市?，故采用薄膜結(jié)構(gòu)——由氟素樹脂骨架和溶解H+的親水部構(gòu)成

。磷酸燃料電池：為提高性能，

導(dǎo)電率，采用95~100%高濃度磷酸水溶液電解質(zhì)(或離子交換膜PEFC=固體高分子燃料電池)。為此，要求：電池組成材料具有耐蝕性。特點：即使活性物中含CO2，機能上不受影響；溶液濃度高

工作溫度可達200C；向負極供給的H2中含有CO鉑金電極中毒;

需將

改質(zhì)反應(yīng)中生成的CO，經(jīng)轉(zhuǎn)換反應(yīng)CO+H2OH2+CO2(放熱)；生成熱直接用于改質(zhì)吸熱反應(yīng)或發(fā)電；能量密度高，續(xù)駛里程

，儲帶方便；結(jié)構(gòu)復(fù)雜；存在CO2及污染物等。高溫型燃料電池的特點：只用于發(fā)電系統(tǒng)

當(dāng)工作溫度T

600C時，可不用貴金屬Pt作為電極，可采用活性較低的多孔性Ni作為電極催化劑節(jié)省貴金屬，降低成本。

特點：C\H燃料改制反應(yīng)中生成的CO無Pt中毒問題；

常用電解質(zhì)：熔融碳酸鹽(MCFC)或無機固體電解質(zhì)(SOFC)主要用途：發(fā)電站、需供熱部門；高溫反應(yīng)中產(chǎn)生的熱可用于發(fā)電

提高能量轉(zhuǎn)換綜合效率。C/H燃料的水蒸氣改制反應(yīng)：CnH2n+2+nH2O

nCO+(2n+1)H2（吸熱）

CO32-離子從正極向負極流動；在負極H2被氧化，所生成的電子經(jīng)外部回路流向正極；在正極由流入的電子氧被還原；正極所需CO2，回收在負極產(chǎn)生的CO2來供給。負極：H2(g)+CO32-CO2+H2O+2e-正極：1/2O2+CO2+2e-

CO32-對CO有耐性：O2+CO+2e-

CO32-熔融碳酸型燃料電池：對活性物質(zhì)中含有的CO2相對安定，相對酸性溶液更高的導(dǎo)電率。固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC:solid

oxidetypeFC）：

為了將高溫穩(wěn)定的無機化合物導(dǎo)入到燃料電池，需開發(fā)H+或O2-離子導(dǎo)電性固體

SOFC。要求：高溫且穩(wěn)定、高導(dǎo)電率如ZrO2ZrO2：在1150C附近時伴隨相轉(zhuǎn)移體積變形不能直接應(yīng)用；需添加氧化釔(Y2O3)等使晶格穩(wěn)定由此溫度變化無相轉(zhuǎn)移，只生成晶格中氧化物離子的空穴點—導(dǎo)電性。

導(dǎo)電率隨溫度提高而增加，但工作溫度在1000C，其導(dǎo)電率為MCFC的1/10。

課題：開發(fā)電池材料耐高溫(800C)且具有離子導(dǎo)電性高的固體電解質(zhì)負極：H2+O2-H2O+2e-正極：1/2O2+2e-

O2-

O2-離子經(jīng)電池內(nèi)部由負極流向正極H2被氧化生成電子經(jīng)外部回路流向正極高分子電解質(zhì)燃料電池(SPEFC:solid

polymer

electrolyte

fuel

cell)

指以具有H+離子交換特性的高分子膜作為電解質(zhì)的燃料電池。包括：固體高分子燃料電池(SPFC:solid

polymer

fuel

cell)

聚合物電解質(zhì)FC(PEFC:polymer

electrolyte

fuel

cell)

質(zhì)子交換膜FC(PEMFC:proton-exchangemembrane

FC)-車用

特點(要求)：電解質(zhì)為固體高分子綜合體，工作溫度

80C；效率高；導(dǎo)電率及輸出密度高；起動時間短；對應(yīng)負荷變化的響應(yīng)性高；無液體蒸發(fā)損失現(xiàn)象；

存在的問題及要求：因工作T低，需Pt催化電極

Pt易CO中毒，要求CO<10ppm；

工作中生成的熱不能利用；與高溫工作的改質(zhì)器連接困難——改質(zhì)反應(yīng)復(fù)雜；工作中質(zhì)子膜水分含量控制難；成本高。

SPEFC（PEMFC）結(jié)構(gòu)：組成：Pt電極：燃料極和空氣極；雙極板-集電體：將離子運動轉(zhuǎn)換成電流并傳送，供應(yīng)反應(yīng)物，排除生成物。電解質(zhì)：采用傳遞H+離子的高分子離子交換膜

質(zhì)子交換薄膜PEMFC電極和高分子電解質(zhì)膜一體型（MEA：膜電極接合體）的結(jié)構(gòu)。MEA上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；為此需供應(yīng)反應(yīng)物，排除生成物；雙極板與電極之間設(shè)置氣體擴散層，以便物質(zhì)傳遞均衡

質(zhì)子交換膜的作用：1)分隔陽極和陰極，阻止燃料和空氣直接混合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng);2)傳導(dǎo)質(zhì)子：質(zhì)子傳導(dǎo)率越高，膜的內(nèi)阻越小，燃料電池的效率越高;(3)電子絕緣體；阻止電子在膜內(nèi)傳導(dǎo)，使燃料氧化后釋放出的電子只能由陽極通過外線路向陰極流動。質(zhì)子交換膜的要求：良好的質(zhì)子導(dǎo)電性；氣體在膜中的滲透性盡可能??；水分子在膜中的電滲透作用??；電化學(xué)穩(wěn)定；干濕轉(zhuǎn)換性能好；一定的機械強度；成本低類型：全氟硫磺酸型質(zhì)子交換膜

Nafion®膜：美國杜邦公司——常用

非氟集合物質(zhì)子交換膜

新型復(fù)合質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜存在的問題：制作困難，成本高；全氟物質(zhì)的合成和硫磺化非常困難；對工作溫度及含水量要求高：t>70~90C(最佳)時含水量驟降，導(dǎo)電性惡化；雙電極板Pt的CO中毒。改進措施：納米復(fù)合質(zhì)子交換膜，以提高比表面積，提高保水能力對膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進，提高微孔數(shù)，改善Pt中毒問題核心機理：

活性物（H2/O2）、鉑金電極(催化劑)、電解質(zhì)相結(jié)合所形成的三相界面上的化學(xué)反應(yīng)——粒子流=成流反應(yīng)；產(chǎn)生的電能的途徑：離子流強度、反應(yīng)面積、內(nèi)部損失要求：為啟動化學(xué)反應(yīng)，需克服活化能E；E越高，反應(yīng)速度越慢，產(chǎn)生的電能越低要求合理的電解質(zhì)、電極及工作溫度。合理的電解質(zhì)——物性、濃度；厚度：縮短兩電極間距，內(nèi)部阻抗兩電極間距——決定H+在電解液中移動距離=電解質(zhì)的阻抗

電極結(jié)構(gòu)要寬——多孔性結(jié)構(gòu)—電解質(zhì)和氣體兩側(cè)滲透，三相界面

面積=反應(yīng)面積；

內(nèi)部損失

：活性極化、內(nèi)部電流損失、歐姆極化、濃差極化措施：采用催化劑Pt——CO中毒（<10ppm）

提高反應(yīng)溫度

提高電極反應(yīng)面積——多孔性電極2.燃料電池的核心技術(shù)：共性：直接供給燃料電池的燃料為氫；儲帶燃料：H2、天然氣、汽油、甲醇等多種；按工作溫度分：常溫（室溫~100℃）中溫（100~300℃）高溫（300℃以上）

用貴金屬催化要求低按電解質(zhì)類型分：磷酸鹽型（PAFC）熔融碳酸鹽型（MCFC）

固體氧化物型（SOFC）質(zhì)子交換膜型（PEMFC）堿性燃料電池（AFC）3.燃料電池的分類方法：按儲帶燃料分類：非改質(zhì)型——車載燃料為氫=氫燃料電池：純氫純氧

特點：零排放，結(jié)構(gòu)簡單；

但氫密度低，續(xù)駛里程短，H2儲帶難

改質(zhì)型——車載燃料經(jīng)車載改質(zhì)裝置制氫后供給燃料電池

將C/H燃料用水蒸汽改質(zhì)(生成CO)獲得H2，此時KOH與CO2反應(yīng)電解液變成碳酸鉀(K2CO3)離子導(dǎo)電性。故采用酸性電解質(zhì)-磷酸型C/H燃料的水蒸氣改制反應(yīng)：

CnH2n+2+nH2O

nCO+(2n+1)H2

燃料電池的類型與特性名稱磷酸鹽型（PAFC）熔融碳酸鹽型（MCFC）固體氧化物型（SOFC）質(zhì)子交換膜型（PEMFC）堿性電解質(zhì)型（AFC）電解質(zhì)磷酸熔融碳酸鹽固體氧化物質(zhì)子交換膜KOH溶液工作溫度/C170~220大量生成CO600~700不需用貴金屬做電極催化

1000導(dǎo)電率=MCFC/10

8060~120燃料LNG\LPG\甲醇LNG\LPG\煤氣\甲醇LNG\LPG\煤氣\甲醇LNG\LPG\汽油\甲醇氫氣電解質(zhì)的腐蝕性強強弱無強比功率W/kg120~18030~4015~20340~150035~105系統(tǒng)效率/%40~5050~6045~5540~50起動時間2-4h>10h>10h幾分鐘幾分鐘應(yīng)用領(lǐng)域大客、中小型電站大型電站大型電站、熱站航天、汽車、軍事航天、軍事、汽車燃料電池的最大效率：氫氧燃料電池的

g、E及基于高熱值的最大效率：燃料電池的內(nèi)部損失：活性極化：電極活性化引起的過電壓，可采用電極催化劑降低。燃料損失或內(nèi)部電流損失：正負電極之間的能量差導(dǎo)致燃料通過電解質(zhì)向空氣極移動形成內(nèi)部電流所造成的損失，和燃料直接與氧氣反應(yīng)所造成的損失。歐姆極化：離子在電解質(zhì)內(nèi)部移動時的阻抗、電子流經(jīng)電極時的阻抗、電極與向電極供給活性物質(zhì)（氣體）的分離器相連接的接觸阻抗以及將電極上產(chǎn)生的電流集中后傳輸?shù)酵獠侩娐返募姲逯g的接觸阻抗。降低歐姆極化的主要途徑就是盡可能減小電解質(zhì)的厚度，降低各部分阻抗，提高離子的傳導(dǎo)性。濃度極化：隨電流的流通在電極表面上反應(yīng)物濃度的變化而引起的輸出電壓之差。燃料電池的實際工作電壓及效率：實際工作電壓ECV為：實際工作過程中燃料電池的效率定義為：燃料的使用效率μ定義為電化學(xué)反應(yīng)所消耗的燃料質(zhì)量與向電池供給的燃料總質(zhì)量之比，燃料電池的實際工作效率定義為：目前，開發(fā)燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：開發(fā)具有良好催化反應(yīng)的電極材料，設(shè)計可提高傳導(dǎo)能力的電極結(jié)構(gòu)；開發(fā)具有良好質(zhì)子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì)；熱管理、電解質(zhì)水分管理控制系統(tǒng)。燃料電池的核心技術(shù)：第二章內(nèi)燃機循環(huán)及性能評價

ICEcycleandPerformanceevaluation要點：4學(xué)時2.1概述2.2內(nèi)燃機的理論循環(huán)2.3內(nèi)燃機實際循環(huán)及其評價指標(biāo)2.4內(nèi)燃機有效性能指標(biāo)2.5機械損失2.6曲柄連桿機構(gòu)的動力傳遞原理2.7熱平衡了解2-1概述：ICE的基本理論——能量轉(zhuǎn)換的基本原理內(nèi)燃機：EQW的動力裝置。要求：經(jīng)濟性和環(huán)保轉(zhuǎn)換方式：熱力循環(huán)

四沖程

重點：評價與分析方法電機的電能機械能的原理：磁電原理——安倍力混合氣形成及換氣過程（進/排）：QW的物質(zhì)基礎(chǔ)，

評價方法：A/F、

r（質(zhì)），

v

（量）燃燒膨脹過程：取決于燃料；決定循環(huán)方式評價方法：放熱規(guī)律，熱效率

i，排放能量傳遞過程：取決于曲柄連桿機構(gòu)

機械損失評價方法：機械效率

m影響ICE熱力循環(huán)的三個環(huán)節(jié)：改善性能的主要途徑ICE的熱力循環(huán)：是Q-W能量轉(zhuǎn)換的基本原理內(nèi)燃機能量轉(zhuǎn)換及傳遞過程的圖解：主要內(nèi)容ofICE原理AFA/F

v

燃燒能量轉(zhuǎn)換動力傳遞Internal+CombustionEngineInternal：將更多的空氣和燃料輸送到氣缸，形成混合氣物質(zhì)基礎(chǔ)：混合氣的量

v和質(zhì)量A/F;Combustion：著火方式及燃燒過程要求完全、及時;Eengine：燃燒壓力推動活塞做功傳遞機械損失∴改善內(nèi)燃機性能==能量轉(zhuǎn)換效果：主要體現(xiàn)在完善上述三個環(huán)節(jié)上，即：混合氣的形成：與汽/柴/替代燃料有關(guān)

熱值/成分不同混合氣量：換氣過程

盡量

充量

Q1燃燒：其實質(zhì)？分子結(jié)構(gòu)重組單位體積分子運動能量要求：完全、及時

節(jié)能，

CO、HC

放熱規(guī)律

壓力升高率（NOx），熱效率能量傳遞：機械損失

摩擦、泵氣、驅(qū)動附件

機械效率——提高

m的措施其他損失？2.2內(nèi)燃機的循環(huán)理論一、卡諾循環(huán)與內(nèi)燃機的動力循環(huán)（復(fù)習(xí)T-S圖）

卡諾循環(huán)組成：絕熱壓縮、絕熱膨脹做功過程、等溫加熱過程、等溫放熱過程卡諾定理：任何實際循環(huán)熱效率都<卡諾效率意義：指明

動力裝置熱效率的途徑：T1T2充分膨脹卡諾效率:提高動力循環(huán)熱效率的主要途徑

溫差?ICE實際循環(huán)：汽油機：通過汽油+空氣均勻混合氣，實現(xiàn)奧托循環(huán)

發(fā)明輕便快速內(nèi)燃機；但熱效率受限制柴油機：從卡諾循環(huán)，以提高熱效率

增加壓縮比提高溫

差的過程中發(fā)明；熱效率至今最高

理論循環(huán)的抽象：假設(shè)條件工質(zhì)非理想氣體—A和F的混合物

變化進、排氣存在流動損失—換氣過程壓縮、膨脹非絕熱過程—多變過程燃燒過程—不完全燃燒、時間損失工質(zhì)為理想氣體—循環(huán)比熱容為常數(shù)無進、排氣損失—閉口系統(tǒng)壓縮、膨脹過程為絕熱過程燃燒為等容等壓加熱，排氣為等容放熱可逆過程復(fù)雜性二、理論循環(huán)類型及評價方法（指標(biāo)）1）理論循環(huán)分類：

根據(jù)加熱方式不同分為

a)等容加熱循環(huán)

b)等壓加熱循環(huán)c)混合加熱循環(huán)2）循環(huán)的評價方法及指標(biāo):1.循環(huán)熱效率（Cyclethermalefficiency）

定義：constantvolumecycleConstantpressurelimitedpressure

對混合加熱循環(huán)：壓力升高率和預(yù)脹比為壓縮比為

，由熱力學(xué)：代入（2-1）式：令

=1，等容加熱循環(huán)：

令

=1

，等壓加熱循環(huán)：

影響

t的因素：

：，平均吸熱溫度，T，膨脹比,∴效率

t

由卡諾循環(huán)，平均溫差增加，

c?TS

n：多邊(絕熱)指數(shù)Specificheatratio

n

，n

k=1.4（空氣），

工質(zhì)更接近空氣，熱效率，如稀薄燃燒技術(shù)等Compressionratio但

>14后，隨

，

t

緩慢，機械/熱負荷

14n=k=1.4n=1.3n=1.2n=1.25

t

及

：a)定容循環(huán):

不變，

，Q1

，Q2

，

Q2/Q1不變，∴

t

不變(但Wt)

b)混合循環(huán)：Q1、一定，，

，

t

和

的比例

=1說明什么？2.循環(huán)平均壓力ptmeancyclepressure:MCP

定義：單位氣缸工作容積所做的循環(huán)功

評定循環(huán)的做功能力

混合：定容：

定壓：凡是提高循環(huán)熱效率和進氣終了壓力pa（如增壓）的措施，都有利于提高平均循環(huán)壓力pt

做功能力三、三種理論循環(huán)的比較a)Q1，

相同：∵等容加熱速率快，Q2p>Q2m>Q2v∴

tv

>

tm>

tpb)Q1，pz相同：∵不同，即p>

m>

v

Q2v>Q2m>Q2p∴

tp

>

tm>

tvc)Tz，pz相同：∵工質(zhì)做功能力相同，Q2p=Q2m=Q2v∴

tp

>

tm>

tva)b)c)第2.2節(jié)的知識要點：1）4沖程內(nèi)燃機實際循環(huán)有何特點？2）4沖程理論循環(huán)的假設(shè)條件是什么？3）理論循環(huán)的評價方法及其影響因素4）不同條件下三種理論循環(huán)熱效率的比較方法2-3內(nèi)燃機實際循環(huán)及其評價方法（指標(biāo)）一、實際循環(huán)：1個循環(huán)

4個行程

5個過程：進-壓-燃燒-膨脹-排，各過程都存在各種損失

1.進氣過程向氣缸充入新鮮氣體：為氣缸Q-W轉(zhuǎn)換提供物質(zhì)準備理想—無損失的可逆過程；純空氣，p=ps(大氣壓)

實際—熱交換：高溫零件加熱殘余廢氣進氣流動損失進氣道、氣缸壁、進排氣門進氣流動損失：進氣系統(tǒng)阻力包括：空濾、進氣管、進氣歧管、進氣道、

氣門；氣門處損失最大汽油機：柴油機：增壓柴油機：增壓壓力：pk=(1.3~2.5)ps2.壓縮行程（過程）

作用：燃燒前的準備=Va/Vc

提高pc和Tc；提高膨脹比——提高效率理想：純空氣，絕熱過程：k=1.4;實際：多邊過程

熱交換/漏氣，平均多邊指數(shù)n1；

原則：以平均n1計算結(jié)果

終了狀態(tài)相同，即

壓縮終了狀態(tài)：Compressionstroke漏氣

汽油機：n1=1.32~1.38；混合氣越濃，n1越小柴油機：n1=1.33~1.4；燃燒室表面積/Vc越小，n1越大3.做功行程:combustionprocess+expansionstroke做功行程=燃燒過程+膨脹過程作用：實現(xiàn)E

Q1W的能量轉(zhuǎn)換過程

燃燒過程：實現(xiàn)E

Q1的轉(zhuǎn)換理想循環(huán)：假設(shè)為等容加熱或等壓加熱實際循環(huán)：燃燒

非瞬時，傳熱、時間損失、不完全通過燃燒汽油機：均勻預(yù)混合氣，提前點燃，火焰?zhèn)鞑ゲ裼蜋C：邊噴邊燃，噴油提前，預(yù)混合/擴散燃燒增壓柴油機：膨脹過程：實現(xiàn)Q1

W的轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)

理想：均質(zhì)空氣，絕熱膨脹

實際：多變過程，取決于傳熱損失、泄漏(

)、補燃、工質(zhì)變化；用平均多邊指數(shù)：n2

評定多邊過程

原則：計算結(jié)果初終狀態(tài)與實際一致通過曲柄連桿機構(gòu)Expansionstroke工質(zhì)被加熱時：n`2<k工質(zhì)向氣缸壁散熱時：n`2>k汽油機：n2=1.23~1.30；膨脹終了：

柴油機：n2=1.15~1.28；?后燃

膨脹終了：柴油機高，膨脹比大，熱效率高，膨脹終了溫度及壓力都比汽油機小4.排氣行程作用：盡量排凈，為下一循環(huán)充氣準備；影響進氣過程理論：無阻力，可逆，或閉口系統(tǒng)實際：排氣門、排氣道、排氣管、消聲器評價換氣過程(排出廢氣)的完善程度殘余廢氣量新鮮充氣量排氣流動損失：殘余廢氣系數(shù)定義：傳熱現(xiàn)象：廢氣與排氣管壁的

傳熱residualmassfraction排氣終了狀態(tài)：汽油機：柴油機：排溫取決于燃燒溫度；燃燒過程遲后或后燃（補燃）增加,排溫升高。所以，排溫是檢查發(fā)動機燃燒狀況的重要參數(shù)循環(huán)的首尾：進-排=換氣過程

換氣損失=進氣損失+排氣損失二、實際循環(huán)的評價方法=指示指標(biāo)評價方法：指示指標(biāo)，即以工質(zhì)對活塞做功能力為基礎(chǔ)，評價實際循環(huán)的做功能力和經(jīng)濟性。1.做功能力評價指標(biāo)——動力性指標(biāo)：

1）平均指示壓力：定義

意義：比較不同氣缸的做功能力；評價Vs的利用程度循環(huán)指示功kW氣缸工作容積LIndicatedMeanEffectivePressure2）指示功率：發(fā)動機單位時間所做的指示功其中，:1個循環(huán)所需時間（s）

n:發(fā)動機轉(zhuǎn)速r/min;

i:氣缸數(shù)

：沖程數(shù)，四沖程機=4

二沖程機

=2Indicatedpower：2.經(jīng)濟性評價指標(biāo)意義：評價為獲得W而消耗的能量。方法：1）指示熱效率：獲得循環(huán)指示功Wi與所消耗的熱量Q1（能源）之比，即

2）指示燃料消耗率：單位時間，為獲得單位指示功率所消耗的燃料量，即其中，B：每小時燃油消耗量kg/hIndicatedthermalefficiencyIndicatedspecificfuelconsumptionrate

由所以，汽油機：柴油機：其中，h

:燃料的低熱值第2.3節(jié)的知識要點：1）實際循環(huán)中，各行程都存在哪些損失？主要影響因素是什么？如何表示這些損失的大??？2）排氣溫度、殘余廢氣系數(shù)分別表征什么？3）實際循環(huán)的評價指標(biāo)有哪些？其物理意義？2-4有效指標(biāo)——與指示指標(biāo)的區(qū)別指示指標(biāo)：只評價缸內(nèi)Q

W工作循環(huán)的好壞；

不能評價ICE內(nèi)部動力傳遞過程中的損失。有效指標(biāo)：以曲軸對外輸出動力為基礎(chǔ)，評價發(fā)動機性能——對外產(chǎn)生的效果包括動力性、經(jīng)濟性、排放性。

1.動力性——評價對外做功的能力；各項的內(nèi)涵？

1）有效功率Pe：BrakePower—單位時間做功能力

Pi在發(fā)動機內(nèi)部傳遞過程中損失的部分用

m評價其中，機械損失功率Pm

包括：發(fā)動機內(nèi)部摩擦損失；驅(qū)動附件損失；泵氣損失—進排氣損失的一部分機械效率

m定義：

動力傳遞過程內(nèi)部損失大小FrictionpowerPumpinglossMechanicalefficiencySincePi=Pe+Pm2）有效轉(zhuǎn)矩Ttq：BrakeTorque——驅(qū)動或牽引能力指從發(fā)動機曲軸輸出的轉(zhuǎn)矩[Nm]

由一個循環(huán)(2轉(zhuǎn))輸出的功:We=Pe?t=Ttq4/1000

其中，一個循環(huán)所需時間=每行程所需時間

：所以，Ttq和n由試驗測得，并用上式求有效功率。3）平均有效壓力：單位氣缸工作容積的有效功。

或一般，汽油機：柴油機：增壓柴油機：Meaneffectivepressure:mep4）升功率PL：單位工作容積輸出的額定功率—體積大小評價氣缸工作容積的利用效率。定義式：稱pmen為發(fā)動機強化指標(biāo)；發(fā)展趨勢：高功率（強化）、更輕巧、更緊湊型發(fā)動機但n的提高受活塞平均速度的限制。Powerperliter強化指標(biāo)5)轉(zhuǎn)速n和活塞速度Cm：強化程度提高n，可增加發(fā)動機單位時間做功次數(shù)，Pe

Cm

，活塞熱負荷，慣性力，磨損，壽命；為限制Cm,可

S

S/D

S/D<1時為短行程。但S/D

，燃燒室高，影響混合氣形成和燃燒。S：活塞行程比質(zhì)量me：ICE質(zhì)量與標(biāo)定功率之比：輕量化汽油機：柴油機：一般汽油機：n=3600~8000r/min；

柴油機：n=2000~5000r/min；增壓柴油機：

n=1500~4000r/min；S/DD/mmS/mm極限轉(zhuǎn)速/(r

min-1)S/DD/mmS/mm極限轉(zhuǎn)速/(r

min-1)1.248099.560301.048588.168101.208197.061861.008686.169691.158294.763360.978784.171341.118392.464940.938882.272991.088490.36648

表2-1四缸2L缸機在cm=20m/s時，S/D比與極限轉(zhuǎn)速的關(guān)系2.經(jīng)濟性：從有效功角度衡量所消耗的燃料量。

1）有效熱效率：單位時間、單位有效功率所消耗的燃料量汽油機：

2）有效燃油消耗率：柴油機：Specificfuelconsumption:sfcFuelConsumptionEfficiency3.排放指標(biāo)：指發(fā)動機在Q1

W過程中，因燃燒而派出的環(huán)境污染物的限制指標(biāo)。有害排放物：尾氣排放物、蒸發(fā)物、噪聲。1）尾氣排放物：CO、HC、NOx、PM、CO2等各國法規(guī)限制標(biāo)準發(fā)展趨勢：2）蒸發(fā)物：汽油機燃油系統(tǒng)蒸發(fā)的HC化合物。3）噪聲：刺激神經(jīng)，心煩，耳聾等。emissions我國重型車第六階段污染物排放限值我國機動車排放標(biāo)準實施進度第2.4節(jié)的知識要點：1）動力性指標(biāo)有哪些？物理意義？相互之間的關(guān)系及主要影響因素？2）經(jīng)濟性指標(biāo)如何定義？其物理意義？3）排放指標(biāo)有哪些？為什么要控制尾氣排放？4）機械效率的定義及其意義5）排放法規(guī)的現(xiàn)狀？（限值與測試工況）2-5機械損失：機損分配1.機械效率由定義：2.機械損失Pm的內(nèi)涵及分配：摩擦損失：62~75%驅(qū)動附件：10~20%泵氣損失：10~20%意義：評價內(nèi)燃機內(nèi)部動力傳遞效率摩擦損失：內(nèi)涵：機械損失分類占Pm的比例（%）摩擦損失：62%~75%活塞及活塞環(huán)連桿、曲軸軸承配氣機構(gòu)45~6515~202~3驅(qū)動附件損失：10%~20%水泵風(fēng)扇機油泵電氣設(shè)備2~36~81~21~2泵氣損失：10%~20%

10~20表2-4機械損失分配表汽油機:

m=0.7~0.9;>柴油機:m=0.7~0.853.機械損失的測定方法

1)倒拖法：電力測功器

TW和機油溫度正常時的反拖功率

Pm

缺點：缸內(nèi)壓力、溫度與實際不符，誤差大

2)滅缸法：多缸機，逐次滅1個缸，測功率則，指示功率：柴油機：誤差5%；汽油機：誤差較大

進氣條件。摩擦損失功率：滅n缸后n缸指示功率3)示功圖法：燃燒分析儀等專用設(shè)備測量示功圖

求得指示功率Pi；

試驗測的Ttq及n

Pe直接由定義式求得

m及Pm。4）油耗法：只適用于柴油機設(shè)循環(huán)效率隨負荷不變，則任一工況：誤差取決于示功圖測量精度怠速Pe=0：(1)/(2)，得:Pm

mPm=Pi-Pe4.影響機械效率的因素*

1）缸徑D和行程S：

決定摩擦面積

2）摩擦損失：活塞（環(huán)）組，曲軸組件，配氣機構(gòu)

3）n：摩擦損失，慣性力，泵氣損失，驅(qū)動附件

4）負荷：主要影響Pi，而Pm

不隨負荷變化

5）潤滑油品質(zhì)、冷卻水溫度：主要影響機油粘度Dm：曲軸平均直徑K：與缸數(shù)和n有關(guān)的常數(shù)。2-6曲柄連桿機構(gòu)的動力傳遞原理1.活塞運動規(guī)律

3.多缸機曲軸輸出轉(zhuǎn)矩特性例：發(fā)火順序1-5-3-6-2-4的六缸機；令第一缸輸出轉(zhuǎn)矩為M1(

)，則各主軸頸承受的轉(zhuǎn)矩分別為：第一主軸頸Mz1=0第二主軸頸Mz2=M1(

)第三主軸頸Mz3=Mz2+M1(

+240

)第四主軸頸Mz4=Mz3+M1(

+480

)第五主軸頸Mz5=Mz4+M1(

+120

)第六主軸頸Mz6=Mz5+M1(

+600

)第七主軸頸Mz7=Mz6+M1(

+360

)=

M=M1(