发动机原理上传

教 案课程名称：发动机原理 编写时间：2010 年 8 月 16 日授课章节 1 热力学第一定律目的要求 了解气体的热力性质重点难点 掌握热力学第一定律 1.1 气体的热力性质一、气体的热力状态及其基本参数（一）压力 p（二）温度 T（三）比容。二、热力系统、工质及其平衡态和热力过程三、理想气体状态方程式四、工质的比热1.2 热力学第一定律一 功、热，和内能（一）工质的膨胀功 W 工质封闭在气缸内进行一个可逆过程的膨胀作功情况。设活塞截面积为 A (m)，工质作用在活塞上的力为 pA,活塞被推进一微小距离 dx,在这期间，工质的膨胀极小，工质的压力近乎不变，因而工质对活塞作的功第一章 发动机的性能10 分钟10 分钟10 分钟10 分钟10 分钟10 分钟第 1 次 第 1 页教 案（续页）为：dwpAdx=pdu （二）热量 Q热量和功的根本区别在于：功是两物体间通过宏观的运动发生相互作用而传递的能量；热量则是两物体间通过微观的分子运动发生相互作用而传递的能量。（三）工质的内能工质内部所具有的各种能量，总称为工质的内能。二、封闭系统能盆方程式三、开口系统稳定流动能，方程式与信四、嫡及温嫡图嫡有如下性质：(1)嫡是一状态参数，如已知系统两个独立的状态参数，即可求出嫡的值；(2)只有在平衡状态下，嫡才有确定值；汽车发动机原理5 分钟5 分钟5 分钟5 分钟第 1 次 第 2 页教 案（续页）(3)与内能和焙一样，通常只需求嫡的变化量 S，而不必求嫡的绝对值。1.3 气体的热力过程习题：汽车发动机原理10 分钟教 案课程名称：发动机原理 编写时间：2010 年 8 月 16 日授课章节 2 热力学第二定律目的要求 气体的热力过程重点难点 掌握热力学第二定律2 .4 热力学第二定律一、热力循环与热效率（一）热力循环热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了连续不断地将热转换为功，工程上是通过热机来实现的。工质在热机气缸中仅仅完成一个膨胀过程不可能连续作功。为了重复地进行膨胀过程，工质在每次膨胀作功之后，必须进行某种压缩过程，使它回复到初态，以便重新膨胀作功。这种使工质从初态出发，经过一系列变化又回到初态的封闭过程，称为热力循环。25 分钟第 2 次 第 1 页教 案（续页）（二）热效率为了评价热力循环在能源利用方面的经济性，通常采用热力循环的净功 W。与工质从高温热源接受的热量 4，的比值作为指标，称为循环热效率二、热力学第二定律的几种表述三、卡诺循环与卡诺定理卡诺定理的内容是：工作在两个恒温热源(7：和 TZ）之间的循环，不管采用什么工质，如果是可逆的，其热效率为 ；卡诺循环的热效率为最高。四、孤立系统的嫡增原理对于孤立系统，整个系统的嫡变等于热源、冷源和工质三者嫡变的代数和，即S*fk _,ASrw+,称 a 十。S,f。系统嫡变与过程进行的方向之间有如下的关系，即孤立系统的热力过程总是朝着系统的嫡有所增加的方向进行，不可能出现使系统嫡的总量减小的情况，在理想的可逆过程中可以使系统嫡的总量保持不变。即： 习题：1、卡诺定理的内容是什么？2、热力学第二定律的几种表述？10 分钟10 分钟30 分钟15 分钟第 2 次第 2 页教 案课程名称：发动机原理 编写时间：2010 年 8 月 16 日授课章节 3 燃烧学基础目的要求 过量空气系数与空然比的含义重点难点 燃烧的基本理论3.1 发动机的燃料燃料是内燃机产生动力的来源一、 汽油汽油主要性能有抗爆性、蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清净性等。15 分钟第 3 次 第 1 页教 案（续页）二、 柴油国家标准规定柴油有十多种性能和质量指标。1、 自然性2、 雾化和蒸发性3、 硫含量4、 安定性5、 低温流动性三、 代用燃料1、 天然气2、 液化石油气3、 醇类燃料4、 二甲醚5、 燃料开发四、燃料理化特性引起的发动机模式上的差异3.2 燃烧热化学一、1kg 燃料完全燃烧所需的理论空气量二、化学反应速度在不同的情况下，反应速度可以有不同的定义。15 分钟15 分钟15 分钟第 3 次 第 2 页教 案（续页）三、质量作用定律四、化学平衡常数及其计算五、反应速率的碰撞原理六、链锁反应3.3 化学反应的热效应一、 热力学第一定律应用于化学反应二、 热效应三、 生成焓四、 热效应与绝热理论燃烧温度的计算五、 绝热理论燃烧温度5 分钟5 分钟5 分钟5 分钟10 分钟第 3 次 第 3 页教 案课程名称：发动机原理 编写时间：2010 年 8 月 16 日授课章节 5-1 四冲程发动机的实际循环目的要求 掌握发动机的理论循环重点难点 掌握四冲程发动机的实际循环 5.1（1）发动机的理论循环一、三种基本循环发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略次要因素后建立的循环模式。通过对理论循环的研究，达到以下目的：1）确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机经济性能和工作过程进行的完善程度以及改进的潜力。2）有利于分析比较发动机不同热力循环方式的经济性能和动力性能。3）通过分析发动机理论循环的热效率和平均压力，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性能和以平均压力为代表的动力性能的基本途径。（1）结构条件的限制（2）机械效率的限制（3）燃烧方面的限制第 5 次 第 1 页教 案（续页）三、循环平均压力 pt循环平均压力 pt（kPa）是指单位气缸容积所做的循环功，用它来评定气缸工作容积的做功能力（2）掌握四冲程发动机的实际循环；发动机的冲程即为行程，发动机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过程。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程组成的，较之理论循环复杂得多，图为四行程发动机示功图。第 5 次 第 2 页教 案（续页）一、 进气过程进气过程如图 a 中的 ra 曲线，为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，即是进气过程。此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。首先是上一循环留在气缸中的残余废气膨胀，压力由排气终点的压力 pr 下降到小于大气压力，然后新鲜工质才被吸入气缸。由于进气系统的阻力，进气终点压力 pde 一般小于环境压力 pa，压力差 pa-pde 用来克服进气系统阻力。因为气流受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终点的温度 Tde 总是高于大气温度 Ta。二、压缩过程压缩过程中进排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比 c 表示。压缩过程（图 1-8b 中的 ac 曲线）的作用是增大作功过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利的条件。在柴油机中，压缩后气体的高温还是保证燃料着火的必要条件。三、燃烧过程燃烧过程如图 1-8c 中的 cz 曲线，燃烧过程中进、排气门均关闭，活塞处在上止点前后。燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度升高。燃烧放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。四、膨胀过程膨胀过程如图 1-8c 中的 zb 曲线，此时，进、排气门均关闭，高温、高压的工质推动活塞，由上止点向下止点移动而膨胀作功，气体的压力、温度也随即迅速降低。第 5 次 第 3 页教 案（续页）五、排气过程当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程结束时，活塞由下止点返回上止点移动，将气缸内的废气排除。排气过程中，由于排气系统有阻力，排气终了的压力 pr 大于环境压力 pa，压力差 pr-pa 用来克服排气系统的阻力。排气系统阻力愈大，排气终了的压力 pr 愈大，残留在气缸中的废气就愈多。排气温度是作为检查发动机工作状况的一个参数。因为排气温度低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进行得好。六、发动机实际循环与理论循环的比较为了了解实际循环的热量分配情况，寻找它的损失所在，将实际循环与理论循环进行比较。这里用的理论循环是最简单的空气标准循环，它除了不可避免地向冷源放热外，没有其他损失。研究实际循环与空气标准循环的差异，就可找出热量损失所在。分析差异的原因，可探求提高热量有效利用的途径。第 5 次 第 4 页教 案课程名称：发动机原理 编写时间：2010 年 8 月 16 日授课章节 5-1 四冲程发动机的实际循环目的要求 掌握发动机的指示性能指标；重点难点 掌握发动机的有效性能指标； 本次课程内容的引出：5.2 发动机的指示性能指标以工质对活塞所作之功为计算基准的指标称为指示性能指标，简称指示指标。指示指标不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等各种外来因素的影响，直接反映由燃烧到热功转换的工作循环进行的好坏，因而在工作过程的分析研究中得到广泛的应用。一、 指示功和平均指示压力指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功 Wi。指示功的大小可以由 pV 图中封闭曲线所占有的面积求得。二、 指示功率发动机单位时间内所作的指示功，称为指示功率 Pi。假设一台发动机的气缸数为 i，每缸的缸径为 D（m），活塞的行程为 S（m），工作容积为 Vs（m3），平均指示压力为 pmi（Pa），转速为 n（r/s），根据pmi 的定义，每循环气体所作的指示功（J）。第 6 次 第 1 页教 案（续页）三、指示热效率和指示燃油消耗率指示热效率5.3 发动机的有效性能指标以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指示，简称有效指标。有效指标被用来直评定发动机实际工作性能的优劣，因而在生产实践中获得广泛的应用。一、发动机动力性指标1.有效功和有效功率循环净指示功 Wi 由前述示功图直接求出。而每循环曲轴输出的单缸功量We，则是循功的有效指标，称为循环有效功。理论上，由净指示功变为输出有效功，应该扣除运转时传动件消耗的摩擦损失功和各种件（风扇、水泵等）所消耗的运转功。此两项相加应是循环的实际机械损失功 Wm。于是有We=Wi-Wm发动机的有效功率 Pe 有以下关系式Pe=Pi-Pm式中，Pe 是有效功率（kW）；Pi 是指示功率（kW）；Pm 是机械损失功率（kW）。2.有效转矩发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩 Ttq。 第 6 次 第 2 页教 案（续页）3.平均有效压力平均有效压力 （MPa）是发动机单位气缸工作容积输出的有效功。4.转速 n 和活塞平均速度 Cm5.4 发动机的有效性能指标一、发动机动力性指标二、发动机经济性指标三、发动机强化指标第 6 次 第 3 页教 案课程名称：发动机原理 编写时间：2010 年 8 月 16 日授课章节 5-1 四冲程发动机的实际循环目的要求 了解发动机的热平衡。重点难点 掌握发动机的机械损失和机械效率； 本次课程内容的引出：5.5 机械损失与机械效率一、机械效率在评定发动机机械损失时，除了机械损失功率 Pm 外，还可应用单位气缸工作容积的比参数平均机械损失压力 pmm。其定义为：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。平均机械损失压力可以用来衡量机械损失的大小。类似 pme的表达式，pmm 可表达为二、机械损失的测定机械损失的测定方法有多种，常用的方法有示功图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法等。5.6 热 平 衡在发动机中，热量是由燃料燃烧而产生的，假设燃料完全燃烧，则每小时所发QT 为 QT=BH第 7 次 第 1 页教 案（续页）出的热量热平衡表示热量分配情况。只有了解热量损失所在，才能进一步去减少它或设法利用它。发动机热平衡通常按下列方法由试验确定。一、发动机所耗燃油的热量 QT（kJ/h）二、转化为有效功的热量 QE（kJ/h）若测得发动机有效功率 Pe，则因为所以三、传递给冷却介质的热量 QS（kJ/h）这部分热量包括实际循环中工质与缸壁的传热损失，废气通过排气道时传给冷却介质的热量，活塞与缸壁摩擦产生又传给冷却介质的热量以及润滑油传给冷却介质的热量等。式中，GS 是通过发动机冷却介质每小时的流量（kg/h）；cS 是冷却介质的比热容kJ/（kg）；t1、t2 是冷却介质的入口和出口温度（）。第 7 次 第 2 页教 案（续页）四、废气带走的热量 QR（kJ/h）废气带走的热量 QR（kJ/h）为QR=（B+GK）（cprt2-cpkt1）式中，B、GK 是每小时消耗的燃料量和空气量（kg/h）；cpr、cpk 是废气和空气的定压比热容kJ/（kg）；t2 是靠近排气门处的废气温度（）；t1 是进气管入口处工质的温度（）。五、燃料不完全燃烧热损失 QB（kJ/h）不均，均可在汽油机中，因采用空气不足的浓混合气，在柴油机中，因空气和燃料混合产生不完全燃烧。近似计算为六、其他热量损失 QL（kJ/h）它包括所有未计及的损失。由于不能分别给予它们准确的估计，所以一般只根据下式确定其总值QL=QT-（QE+QS+QR+QB）第 7 次 第 3 页教 案课程名称：发动机原理 编写时间：2010 年 8 月 16 日授课章节 6 换气过程与循环冲量目的要求 四冲程发动机的换气过程重点难点 掌握四冲程发动机的充量系数及影响因素6.1 四冲程发动机的换气过程一、换气过程1.自由排气阶段2.强制排气阶段3.进气过程4.气门重叠和燃烧室扫气二、排气损失第二章 发动机的换气过程第 8 次 第 1 页教 案（续页）从排气门提前打开，直到进气行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功的损失称为排气损失。它可分为自由排气损失和强制排气损失。自由排气损失是因排气门提前打开，排气压力线从 pb点开始偏离理想循环膨胀线，引起膨胀功的减少。强制排气损失是活塞将废气推出所消耗的功。三、进气损失由于进气系统的阻力，进气过程的气缸压力低于进气管压力（非增压发动机中一般设为大气压力），损失的功相当于图 2-3 中 X 所表示的面积，称为进气损失。它与排气损失相比，相对较小。合理地调整配气定时，加大进气门的流通截面积，正确设计进气管流道以及降低活塞平均速度可以减少进气损失。第 8 次 第 2 页教 案课程名称：发动机原理 编写时间：2010 年 8 月 16 日授课章节 6 换气过程与循环冲量目的要求 掌握提高发动机充量系数的措施。重点难点 掌握四冲程发动机的充量系数及影响因素6.2 四冲程发动机的充量系数一、充量系数c二、影响充量系数c 的因素1.进气门关闭时缸内压力 pa2.进气门关闭时缸内气体温度 Ta3.残余废气系数 4.配气相位5.压缩比6.进气状态6.3 提高发动机充量系数措施1. 降低进气系统的阻力2. 减少进气道、排气管和空气滤清器的阻力3. 减少对进气冲量的加热4. 降低排气系统流通阻力第 9 次 第 1 页教 案（续页）5、合理选择进排气相位角6、谐振进气与可变进气歧管第 9 次 第 2 页教 案课程名称：发动机原理 编写时间：2010 年 8 月 16 日授课章节 7 发动机废气涡轮增压目的要求 了解发动机废气涡轮增压的原理及性能重点难点 掌握涡轮增压器的基本结构和工作原理7.1 发动机增压的基本方法与原理一、 增压的概念二、 增压发动机的特点三、 增压的衡量指标四、 增压的结构形式及分类1、 机械式增压2、 废气涡轮增压3、 气波增压4、 复合式增压5、 组合式涡轮增压7.2 废气涡轮增压器的基本结构和工作原理一、 径流式涡轮的工作原理第 10 次 第 1 页教 案（续页）二、 离心式压气机的