发动机原理及汽车性能教案.doc

第一章 发动机工作循环及性能指标 1-1 发动机理想循环概述 一 实际循环向理想循环的简化 （一） 实际循环 （以车用柴油机为例） 1 进气过程: 01 （ p pp p ） 0 （二） 实际循环的简化 1 忽略进、排气过程 2 压缩、膨胀过程 （复杂的多变过程） 简化为绝热过程 3 燃烧过程简化为定容加热过程 （23） 和定压加热过程 （34） 4 排气放热简化为定容放热过程 5 假定工质为定比热的理想气体 二 理想循环及其分析比较 （一） 混合加热循环车用柴油机的理想循环 1 循环特征参数 （1） 压缩比 （2） 压力升高比 （3） 预胀比 2 1 v v 2 3 p p 3 4 v v 2 热效率 ) 1() 1( 11 1 1 k k k t 3 分析 （1） 为定值 t ； t 。 = 1 t = const. （汽油机，定容加热循环） （2） t ；当 = 20 左右时， t 不大 柴油机 = 1222 （二） 定容加热循环 （奥托 OTTO 循环） 汽油机的理想循环 1 热效率 因为: 预胀比 所以: 热效率 1 3 4 v v 1 1 1 k t （三） 定压加热循环 （狄赛尔 DIESEL 循环） 船舶用大型低速柴油机的理想循环 1 热效率 因为: 压力升高比 所以: 热效率 1 2 3 p p ) 1( 11 1 1 k k k t 2 分析 （1） 为定值 t （2） 为定值 t （四） 三种理想循环热效率的比较 1 初态 1 相同，压缩比相同，加热量 q1 相同 ptmtvt, 2 初态 1 相同，最高压力、最高温度相同，放热量 q2 相同pmaxTmax ptmtvt, 1-2 发动机实际循环 发动机理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际循环。 一 工质改变损失 （一） 工质性质 理论上: 理想气体，双原子气体。 实际上: 燃烧前: 燃料+空气；燃烧后: 燃烧产 物。 （二） 比热 理论上: 定比热 实际上: 温度 T 比热 C （三） 高温分解 这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止 点，做功效 果变差，热效率下降。 二 传热、流动损失 （一） 传热损失 传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的 30%以上。 （二） 流动损失 进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。 三 换气损失 换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失之中。 四 时间损失 燃烧需要时间。 五 补燃损失 虽然大部分（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部分燃料会拖到膨胀线上 才燃烧，做功效果变差，热效率下降。 六 泄漏损失 活塞气环不会 100%严密密封，总会有些气体窜到曲轴箱中，造成损失。 1-4 指示指标 发动机性能指标: 指示指标，有效指标 指示指标: 以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。 有效指标: 以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。 一 指示功和平均指示压力 （一） 指示功 一个循环工质对活塞所做的有用功。 i W （二） 平均指示压力 单位汽缸工作容积所做的指示功。 （假想参数） i p h i i V W p 二 指示功率 单位时间所做的指示功。若: 缸数 i，每缸工作容积 V m ，冲 i N h 3 程数 ，平均指示压力 p p ，转速 n r/min 。则 ia w kw 30 2 60 n iVpn iWN hi ii 3 10 30 niVp hi 三 指示比油耗和指示热效率 （一） 指示比油耗 i g 单位指示功率的耗油量。 g/kwh 3 10 i T i N G g T G 每小时耗油量 kg/h （二） 指示热效率 i 做指示功所消耗的热量。 i i i Q W i Q i W 1-5 有效指标 一 有效功率和机械损失功率 （一） 有效功率 e N 单位时间所做的有效功。 kw 3 10 30 n iVp N he e 其中 平均有效压力。 e p （二） 机械损失功率Nm 机械损失包括: 发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗，如: 机油泵、燃油泵、扫气泵、冷 却水泵、风扇、配气机构；和泵气损失等。 kw 其中 平均机械损失压力。 3 10 30 n iVp N hm mmie NNN m p 二 有效扭矩 e M 功率输出轴输出的扭矩。 w kw kw 60 2 n MN ee 3 1060 2 n Me 9550 nMe 三 平均有效压力 e p 单位汽缸工作容积所做的有效功。 kpa iV M p h e e 14 . 3 四 升功率和比重量 （一） 升功率 单位汽缸工作容积所发出的功率。 kw/l l N h e l Vi N N 3 10 30 npe （二） 比重量 发动机净重量 G 与所发出有效功率的比值。 e G e N kg/kw ， 发动机强化程度高。 e e N G G e G 五 有效比油耗和有效热效率 （一） 有效比油耗 单位有效功率的耗油量。 g/kwh e g 3 10 e T e N G g （二） 有效热效率 做有效功所消耗的热量。 e e e e Q W e Q e W ue e hg 6 106 . 3 1-6 机械损失 一 机械效率 m 对于不同类型的发动机，绝对损失大的，其相对损失却不一定也大。必须有 一个衡量标 准，故引进机械效率的概念。 有效功率与指示功率的比值。 i m i m i e i e m p p N N p p N N 11 二 机械损失的测定 （一） 倒拖法只能在电力测功机上试验 发动机与电力测功机相连。起动发动机，冷却水温度、机油温度达正常值。然后使发 动机在给定工况下稳定运转。切断发动机的供油 （）。将电力测功机转换0, 0 ii pN 为电动机使用，在给定转速下倒拖发动机，并维持冷却水温度和机油温度不变。由于此时 ，因此从电力测功机上所测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失 em NN e N 功率。 m N 三 影响机械效率的因素 (一)转速 n 惯性力 活塞对缸壁的侧压力 轴承负荷 各摩擦副相对速度 摩 擦损失 泵气损失，驱动附件损耗 m p m 若要提高转速来强化发动机，则将成为主要障碍之一。 m （二） 负荷 转速 n 一定，负荷 时，发动机燃烧剧烈程度，平均指示压力；而由于转速不变， i p 平均机械损失压力基本保持不变。则，机械效率下降。 m p i m m p p 1 由于车用柴油机普遍在高转速、较低负荷下工作，机械效率下降严重。因此，机械效率 对于车用柴油机尤为重要。 （三） 润滑油品质和冷却水温度 1 润滑油粘度（牌号） ；冷却水温度 润滑油温度 润滑油粘度 润滑效果 摩擦 mm pN , m 2 润滑油粘度（牌号） ；冷却水温度 润滑油温度 润滑油粘度 油膜破裂趋势 摩擦 mm pN , m 3 润滑油中杂质 摩擦 mm pN , m 要求: 定期保养、清洗机油滤清器， 500010000 公里换机油。 1-7 燃烧热化学 一 燃料的完全燃烧 （一） 理论空气量L0 （二） 过量空气系数和空燃比 1 过量空气系数 0 L L 气量燃料理论上所需要的空完全燃烧 燃料实际供给的空气量燃烧 kg kg 1 1 表示混合气的浓稀程度。 大 混合气稀； 小 混合气浓 一般，柴油机: 1；汽油机: 1。 2 空燃比 A/F 0 /LFA 燃料量 空气量 表示混合气的浓稀程度。A/F 大 混 合气稀；A/F 小 混合气浓 1-8 发动机混合气的着火和燃烧方式 P 一 混合气的着火 （一） 柴油机低温多级自燃 （二） 汽油机高温单级点燃 2-1 四冲程发动机的换气过程 一 配气定时 与工程热力学中介绍的不同, 进排气门的开启、关闭也需要时间, 故在下止点前排气排 气提前角 4080 在上止点后关闭排气迟闭角 1035在上止点前吸气进气提前角 040在下止点后关闭进气迟闭角 4080进气提前角+排气迟闭角气门叠开角 二 换气过程 （一） 排气过程 1 自由排气阶段 A 排开 p p p = p 靠缸内压力将气体挤出气缸，其中 p缸内压力, p 排气管内压力。 2 强制排气阶段 B p = p p p靠活塞上行将废气挤出气缸。 3 超临界排气 C 排开 p = 1.9 p 在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速 m/s。其流量与压差 （p - p）TRka 无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。 4 亚临界排气 D p = 1.9 p 排闭。 其流量取决于压差 （p - p）。 （二） 进气过程和气门叠开角 由于节流作用, 缸内产生负压；（）使新鲜介质进入缸内。pp 0 气阀叠开角：非增压：2060 CA。 太大（引起） 废气回流进气道。 太小 扫气作用不明显。 增压：110140 CA。 进气管 p, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。如 6135 型高 柴：非增压：40, 增压：124。 扫气的作用：1 清除废气, 增加气缸内的新鲜充量。2 降低排气温度。 3 降低热负荷最严 重处（如气阀、活塞等）的温度。 三 换气损失 理论循环换气功与实际循环换气功之差。W 是因排气门提前开启而损失的膨胀功, 称为自 由排气损失。Y 是活塞作用在废气上的推出功, 称为强制排气损失功。 （二） 进气损失功 X X 进气损失功小于排气损失功，即 X X Ff+Fw，可利用发 动机的部分特性。 iwft FFFF dt du m iwft FFFF zx FFF max ztiwf FFFFF zxx FFF, z F 1z F 2z F 2加速度曲线、加速度倒数曲线 （1）利用图 1-23 可计算各档油门全开时的加速度曲线 （设Fi=0 ） 注：有些汽车 II 档可能比 I 档加速度大，因为 I 档的 比较大。 第四节第四节 汽车的驱动力汽车的驱动力- -行驶阻力平衡图与动力特性图行驶阻力平衡图与动力特性图 二、动力特性图二、动力特性图 用途：用于分析汽车的动力性 令 为汽车的动力因数，以 D 表示。即 动力特性图 Dua 关系曲线 动力特性图的利用 （1）uamax ：动力特性图（D-ua）直接档与滚动阻力系数曲线（fua）的交点，即为 uamax。 wft FFF mdt du 1 dt du g G dt du mGiGf G FFF G FF jif wt jiwft FFFFF G FF wt dt du g D （2）imax ： 即 D 曲线与 f 曲线间的距离就表示汽车的上坡能力。I档时，可上坡度较大，此时 误差较大。应按下式计算 根据 折算成最大爬坡度。 （3）t ： 加速时 用上述同样方法亦可求得加速度值，然后再折算为 t 第五节第五节 汽车的功率平衡汽车的功率平衡 四、汽车的后备功率四、汽车的后备功率 为汽车的后备功率。 克服滚动阻力、空气阻力后，用于加速和上坡。 后备功率越大，则汽车的动力性越好 第八章第八章 汽车燃油经济性（自学）汽车燃油经济性（自学） 第三章第三章 汽车汽车动力装置动力装置参数的选定参数的选定 预备知识预备知识 汽车传动系的功能、组成、构造及工作原理。汽车传动系的功能、组成、构造及工作原理。 汽车的动力性汽车的动力性 ifD dt du 0 fDi ax Immax maxmaxIm sincos fD ax 2 22 ImIm max 1 1 arcsin f fDfD axax maxmax itg 0i fD g dt du wf T e ppp 1 汽车燃油经济性汽车燃油经济性 中心思想中心思想 介绍发动机功率、传动装置参数的初步选择，按燃油经济性加速时间曲线进介绍发动机功率、传动装置参数的初步选择，按燃油经济性加速时间曲线进 一步确定这些参数的方法。一步确定这些参数的方法。 第一节第一节 发动机功率的选择发动机功率的选择 一、依据（原则）：一、依据（原则）： 常先从保证汽车预期的最高车速来初步选择发动机应有的功率。常先从保证汽车预期的最高车速来初步选择发动机应有的功率。从动力性角度出从动力性角度出 发发 讨论：讨论： 1.1. 动力性指标：动力性指标：uamaxuamax、i i、tjtj 2.2. uamaxuamax增增PePe增增PePe（Pf+PwPf+Pw）/ / T T增增 二、常用的方法二、常用的方法 1 1根据最高车速计算发动机最大功率根据最高车速计算发动机最大功率 所选发动机的最大功率应满足上式的计算结果，但也不宜过大，否则会因发动机负荷率所选发动机的最大功率应满足上式的计算结果，但也不宜过大，否则会因发动机负荷率 偏低影响汽车的燃油经济性。偏低影响汽车的燃油经济性。 2.2. 用比功率确定发动机最大功率用比功率确定发动机最大功率 比功率比功率单位汽车总质量具有的发动机功率。单位汽车总质量具有的发动机功率。 比功率比功率 利用现有汽车统计数据估计汽车比功率。利用现有汽车统计数据估计汽车比功率。 做汽车比功率做汽车比功率汽车总质量图，可以得到发动机功率。汽车总质量图，可以得到发动机功率。 第二节第二节 最小传动比的选择最小传动比的选择 一、imin的重要性 汽车多数时间是以最高档行驶，即以最小传动比行驶。 二、传动系的总传动比 it=ig.i0.ic 普通汽车没有分动器或副变速器，若装有三轴变速器且以直接挡作最高档时，传动 系最小传动比就是主传动比i0； 如变速器的最高档为超速挡，则最小传动比应为变速器最高档传动比与i0的乘积。 二轴变速器没有直接挡最小传动比为最高档传动比与i0的乘积。 第三节第三节 最大传动比的选择最大传动比的选择 wf t e PPP 1 3 maxmax 761403600 1 a D a t e u AC u Gf P 3 maxmax 14.766 . 3 1000 a t D a t e u m AC u fg m P 一、原则一、原则 最大爬坡度附着力最低稳定车速 二、例题例题 普通汽车：itmax=ig1.i0 ，其中 i0 已经在上一节选好，即选择 ig1？ 1. 最大爬坡度（忽略 Fw） 或 即 由 即最大爬坡度确定 ig1。 2. 附着力 求出 ig1后，验算附着条件 3. 最低稳定车速 满足 第四节第四节 传动系档数与各档传动比的选择传动系档数与各档传动比的选择 一、档数选择一、档数选择 （功能决定结构） 不同类型的汽车具有不同的传动系挡位数。其原因在于原因在于它们的使用条件不向，对整 车性能要求不同，汽车本身的功率不同。而传动系的挡位数与汽车的动力性、燃油经济性传动系的挡位数与汽车的动力性、燃油经济性 有着密切的关系有着密切的关系。 就动力性而言，档位数多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高 了汽车的加速与爬坡能力。就燃油经济性而言，挡位数多，增加了发动机在低燃油消耗率增加了发动机在低燃油消耗率 区工作的可能性区工作的可能性，降低了油耗。所以增加挡位数会改善汽车的动力性和燃油经济性。 二、汽车性能与传动系档数的关系二、汽车性能与传动系档数的关系 挡数多少还影响到挡与挡之间的传动比比值。比值过大会造成换挡困难。一般认为 比值不宜大于 1.7-1.81.7-1.8。因此，如最大传动比与最小传动比之比值越大，挡位数也应越多。 轿车的行驶车速高，比功率大，最高档的后备功率也大，即相对而言最高档的驱 动力与 I 档驱动力间的范围小，即 小。因此，过去美国装备手动变速器 的轿车，常用操纵方便的 3 3 挡；而注重节油的国家，如欧洲各国，选用发动机的排量较小， 则用 4 4 挡。近年来，为了进一步节油，装用手动变速器的轿车普通采用 5 5 挡，也有采用 6 6 挡的。 三、各档传动比的选择三、各档传动比的选择 maxmaxift FFF maxmax 01max sincos GGf r iiT tgtq ttq g iT rfG i 0max maxmax 1 sincos max z tgtq t FF r iiT F 01max max min min max 377 . 0 a r t u rn i minmaxtt ii 在变速器中，挡位数超过五个（指前进挡）会使 结构大为复杂，同时操纵机构也相应复杂。为此，常在 变速器后接上一个 2 挡或 3 挡位的副变速器。越野汽 车因要求多轴驱动，故采用分动器。 在选定汽车的最小传动比 itmin、最大传动比 itmax及传动系的挡位数后，再确定中间各挡的传动比。 1.1. 原则原则： 汽车传动系各挡的传动比大体上是按等比级数分配的。实际上， 。 2.2. 中间各档传动比的确定中间各档传动比的确定 第四章第四章 汽车的制动性汽车的制动性 预备知识预备知识 汽车制动系的功能、组成、构造及工作原理。 中心思想中心思想 首先介绍制动性的基础知识（概念、评价指标、动力学分析），然后指出传 统的制动性设计中存在的问题，最后通过现代设计方法解决问题。 第一节第一节 制动性的评价指标制动性的评价指标 制动效能 制动性最基本的评价指标？ 制动效能的恒定性 制动器设计时的重要问题？ 制动时汽车的方向稳定性 汽车按给定路径行驶的能力？ P71：轿车制动规范对行车制动器制动性的部分要求 第二节第二节 制动时车轮的受力制动时车轮的受力 2.1 地面制动力 车轮在制动时的受力情况，见右图。 取决于制动器内制动摩擦片与制动鼓（制动盘）间的摩擦力。 1. 取决于轮胎与地面间的附着力。 制动时，车轮周缘克服制动器摩擦力矩所需的力， 称为制动器制动力。 gn gn g g g g i i i i i i 1 3 2 2 1 constq i i i i g g g g 3 2 2 1 制动器制动力与制动踏板力的关系曲线 ，见右图。 第三节第三节 制制动效能及其恒定性动效能及其恒定性 3.1 制动距离与制动加速度 一、制动距离一、制动距离 1. 定义定义：在某一车速时，从驾驶员开始操纵制动控制装置（制动踏板）到停车为止所 驶过的距离。 2. 影响因素影响因素：制动踏板力、附着系数、汽车载荷、发动机是否结合 3. 试验要求试验要求：制动踏板力、附着系数、汽车状态做规定。 4. 设计要求设计要求：轿车、轻型货车车速高，制动效能高；重型货车车速低，要求稍低一些。 二、制动减速度 1. 定义定义： 2. 影响因素影响因素：制动器制动力（车轮滚动时）、附着力（车轮抱死拖滑时）。 3. 不同路面上的减速度、平均减速度不同路面上的减速度、平均减速度 3.2 制动效能的恒定性 一、抗热衰退性 不仅与 有关，还与制动器的结构形式有关。常用图 4-16 说明制动器效能及稳定 程度。 二、制动效能因数 单位制动轮缸推力 Fp 所产生的制动器摩擦力 F。 R制动鼓半径 三、抗水衰退性三、抗水衰退性 涉水行