汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理(ppt 34頁(yè)).ppt

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理,點(diǎn)燃式和壓燃式內(nèi)燃機(jī)的 工作過(guò)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:講課內(nèi)容,第一篇 動(dòng)力輸出與能量利用 第1章 動(dòng)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 換氣過(guò)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(shí) 第6章 燃燒過(guò)程及混合氣形成 第7章 特殊燃燒問(wèn)題的機(jī)理與對(duì)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(dòng)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(dòng)力的獲取和輸出

2、；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(dòng)力輸出與能量利用 第1章 動(dòng)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 換氣過(guò)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(shí) 第6章 燃燒過(guò)程及混合氣形成 第7章 特殊燃燒問(wèn)題的機(jī)理與對(duì)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(dòng)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(duì)活塞所作功及示功圖 2. 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 3. 影響動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的環(huán)節(jié)與因素,p- 圖,示功圖

3、（四沖程）,p-V 圖,IVC,EVO,EVC,IVO,TDC上止點(diǎn),BDC下止點(diǎn),p,pz,p0,Vs,Vc,V,p,A,ds,示功圖(Indicator Diagram) ： 發(fā)動(dòng)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-Top Dead Center; BDC-Bottom Dead Center IVO-Intake Valve Open; IVC-Intake Valve Close EVO-Exhaust Valve Open; EVC-Exhaust Valve Close,示功圖,壓力圖/ 展開(kāi)示功圖,BDC,TDC,EPO,IPO,EPC IPC,p,p

4、z,p0,Vc,Vs,V,IPO-Intake Port Open IPC-Intake Port Close EPO-Exhaust Port Open EPC-Exhaust Port Close,示功圖（二沖程汽油機(jī)）,示功圖測(cè)取裝置,功正負(fù)確定原則： 壓力方向與活塞運(yùn)動(dòng)方向一致，工質(zhì)對(duì)活塞作正功 壓力方向與活塞運(yùn)動(dòng)方向相反，工質(zhì)對(duì)活塞作負(fù)功,工質(zhì)對(duì)活塞所作功,循環(huán)功：,動(dòng)力過(guò)程功：壓縮與燃燒膨脹過(guò)程所作功之代數(shù)和 泵氣過(guò)程功：進(jìn)氣與排氣過(guò)程所作功之代數(shù)和,總指示功動(dòng)力過(guò)程功理論泵氣功(不考慮泵氣損失) 凈指示功動(dòng)力過(guò)程功泵氣過(guò)程功(考慮泵氣損失),自然吸氣(natural aspira

5、ted)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(pumping loss) 由于流動(dòng)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(dòng)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(guò)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

6、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(dòng)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(duì)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(guò)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(guò)程功 （ ）,小測(cè)驗(yàn),負(fù),零,負(fù),負(fù),講課內(nèi)容,第一篇 動(dòng)力輸出與能量利用 第1章 動(dòng)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 換氣過(guò)程與循環(huán)充量 第

7、二篇 燃燒與排放 第5章 燃燒的基礎(chǔ)知識(shí) 第6章 燃燒過(guò)程及混合氣形成 第7章 特殊燃燒問(wèn)題的機(jī)理與對(duì)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(dòng)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(duì)活塞所作功及示功圖 2. 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 3. 影響動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的環(huán)節(jié)與因素,1. 動(dòng)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(Fuel consumption), 機(jī)油消耗率(Lubricant consu

8、mption) 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(dòng)(NVH) 4. 使用性能指標(biāo) 可靠性或耐久性(Robust, reliability), 維修方便(I/M convenience), 冷起動(dòng)(Cold start),發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo),指示指標(biāo)與有效指標(biāo),1）以工質(zhì)對(duì)活塞作功為計(jì)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(jì)算基準(zhǔn)的指標(biāo)稱為有效指標(biāo) 由試驗(yàn)測(cè)出，直接反映產(chǎn)品最終性能 用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和使用當(dāng)中,只有與作功有關(guān)的指標(biāo)，才

9、有“有效”與“指示”之分。其余，如轉(zhuǎn)速、每小時(shí)耗油量等，則無(wú)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(cè)量上：,以自然吸氣發(fā)動(dòng)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） Indicated Mean Effective Pressure,動(dòng)力性能指標(biāo),定義：?jiǎn)挝粴飧坠ぷ魅莘e所作的循環(huán)指示功。 循環(huán)指示功可以認(rèn)為是一個(gè)假想不變的壓力pmi作用在活塞上，使活塞移動(dòng)一個(gè)沖程所作的功。 平均指示壓力反映發(fā)動(dòng)機(jī)作功能力的大?。▎挝惑w積作功量大小 J/m3）和強(qiáng)化程度

10、。,注意：這里的壓力事實(shí)上就是物理上所說(shuō)的壓強(qiáng)，N/m2,不同發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力pme范圍,摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)（四沖程）,賽車發(fā)動(dòng)機(jī)（自然吸氣）,賽車發(fā)動(dòng)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,12,16.6,56,9,14.1,14,20,12,21.2,11,23.5,15,29.4,15,25,15,18.2,功率 Power,p,mi,:,IMEP 平均指示壓力,p,me,:,BMEP 平均有效壓力,p,mm,:,MMEP 平均機(jī)械損失壓力,指示功率（Ind

11、icated power）,有效功率（Effective power）,機(jī)械損失功率（Mechanical loss power）,2 - stroke: =2 4 - stroke: =4,動(dòng)力性能指標(biāo),注意：注意這里所列的性能指標(biāo)單位是國(guó)標(biāo)單位,轉(zhuǎn)矩：,轉(zhuǎn)矩（Torque）,角速度（Angular velocity）,E.g. 單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī),動(dòng)力性指標(biāo)之間的關(guān)系,平均有效壓力：,功率：,對(duì)于某一發(fā)動(dòng)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：,BSFC,Effective efficiency,Fuel mass flow 燃油流量 (kg/s),Low heat valu

12、e低熱值 (kJ/kg),Indicated efficiency,經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),有效油耗：,指示效率：,指示油耗： ISFC,E.g. 求油耗：,比功率 PL單位發(fā)動(dòng)機(jī)排量發(fā)出的功率（評(píng)價(jià)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(dòng)機(jī)質(zhì)量（評(píng)價(jià)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(dòng)機(jī)的體積（評(píng)價(jià)緊湊性） Ve= V / Pe （m3/kW）,功率密度評(píng)價(jià)指標(biāo),（升功率）,發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)

13、強(qiáng)化指標(biāo)之一）,注意： 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與活塞速度不完全是一個(gè)概念！ 平均活塞速度越高，也說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化度越高,單位：,最大平均活塞速度,vm,22,21.7,27,9.5,19.8,12.3,14.7,8.1,13.1,7.8,m/s,7.0,12,5.3,9.5,5.7,摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)（四沖程）,賽車發(fā)動(dòng)機(jī)（自然吸氣）,賽車發(fā)動(dòng)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(dòng)力輸出與能量利用 第1章 動(dòng)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 換氣過(guò)程與循環(huán)充量 第二

14、篇 燃燒與排放 第5章 燃燒的基礎(chǔ)知識(shí) 第6章 燃燒過(guò)程及混合氣形成 第7章 特殊燃燒問(wèn)題的機(jī)理與對(duì)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(dòng)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(duì)活塞所作功及示功圖 2. 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 3. 影響動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的環(huán)節(jié)與因素,決定動(dòng)力輸出的三大環(huán)節(jié),設(shè)單位時(shí)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et，則有效功率Pe可表示為： 設(shè)單位時(shí)間進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣總量為Gm(kg/s)，混合氣的低熱值為Hum (kJ/kg

15、)，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(shí)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(guò)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(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)： 1） 過(guò)量空氣系數(shù) a（Excess air ratio/Relative air-fuel ratio） 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 =

16、1 化學(xué)計(jì)量比（Stoichiometric ratio），過(guò)去稱理論空燃比。,可燃混合氣濃度與熱值,燃空當(dāng)量比(equivalent ratio) 1 / a，歐美國(guó)家常用,2）空燃比 （Air/Fuel ratio） 3）燃空比（Fuel/Air ratio） 4）可燃混合氣熱值Hum（Mixture low heat value） 定義：?jiǎn)挝毁|(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(shí)發(fā)出功率越高（pme也越高）。,或,可燃混合氣濃度與熱值,能量轉(zhuǎn)換效率,（1）燃燒效率,（2）循環(huán)

17、熱效率,（3）機(jī)械效率,有效效率,每缸每循環(huán)燃燒時(shí)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%,Combustion Efficiency,Thermal Efficiency,Mechanical Efficiency,Effective Efficiency,Indicated Efficiency,混合氣充量,充量系數(shù)（容積效率）,Volumetric efficiency,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(jì)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

18、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(guò)量空氣系數(shù)/燃空當(dāng)量比 2. 畫(huà)示功圖（p-V p-），并會(huì)標(biāo)識(shí) 3. 推導(dǎo)動(dòng)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(dòng)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(xiě)作業(yè)！不收打印作業(yè)或電子版作業(yè)！,11畫(huà)圖：1）在p-V坐標(biāo)圖上畫(huà)出四沖程增壓柴油機(jī)的示功圖，用箭頭注明各過(guò)程進(jìn)行方向，并在曲線上標(biāo)出進(jìn)、排氣門早開(kāi)、晚關(guān)和著火的五個(gè)點(diǎn)。2）在p- 坐標(biāo)圖上對(duì)應(yīng)畫(huà)出上述示功圖的壓力變化圖（整個(gè)循環(huán)）和上述對(duì)應(yīng)的五個(gè)點(diǎn)。（注意：圖畫(huà)大一點(diǎn)。各曲線形狀及對(duì)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(lái)。） 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