《发动机原理》09(1)pptConvertor.doc

汽车是现代交通运输的主要工具之一。汽车运输具有机动、灵活、快速、换装少、货损少、效率高、效益高的特点。汽车与国民经济发展紧密相连、与人民日常生活密切相关。 汽车工业是机械电子工业的一个重要组成部分，也是一个综合性的工业部门和技术密集行业。在一定程度上，一个国家的汽车工业代表了这个国家的工业发达水平。 发动机是汽车的心脏，发动机原理是交通运输（汽车运用工程）专业的必修课程。发动机原理以发动机性能为主要研究对象，把合理组织工作过程，提高整机性能作为主要内容，通过分析各工作过程中影响性能指标的诸多因素，从中找到提高汽车发动机性能指标的一般规律。 本课程的任务是研究汽车发动机的工作过程及整机性能，使学生掌握发动机实际工作过程的分析方法及性能指标与各工作过程的内在联系；掌握性能实验的基本方法以及数据处理与分析；了解影响整机性能的基本途径，为从事汽车发动机的管理、使用、维护与修理提供理论基础。 发动机：将某种形式的能量转化为机械（Engine） 能的一种机器。组件式GIS技术 空间数据挖掘技术GIS与数据挖掘集成技术发动机（狭义）：主要制用于可移动的交通工具或 可移动的机械设备上的动力装置。如航空发动机、 船舶、汽车、拖拉机 现代汽车发动机（Automotive Engine）多为往复 式的内燃机。 内燃机：将燃料在气缸内燃烧，使其热能直接转化为 机械能的机器。 往复活塞式发动机(Reciprocating Piston Engine) ：活 塞在气缸中作往复运动的发动机。 蒸汽机和目前大多内燃机都是往复活塞式发动机。 现代汽车发动机如果不加特别说明，一般都是往复活塞式发动机。 现代汽车用发动机的燃料有汽油、柴油、酒精和液化石油气等。但目前广泛使用的还是汽油和柴油。 主要内容：汽车发动机的实际工作过程与性能指标；燃烧热化学与热计算；换气过程及燃烧过程的进行与使用因素的影响；发动机噪声及排放污染的形成机理与防止措施；主要特性（负荷特性、速度特性、万有特性）与制取方法及分析；车用发动机的废气涡轮增压等。 基本要求： (1) 明确本课程的地位、性质、任务及主要研究对象；了解目前国内外研究水平及主要发展方向; (2) 重点掌握发动机实际循环及指示指标、有效指标、机械效率的定义、计算与分析；明确实际循环的各项损失及减少损失的的基本途径; (3) 明确换气过程的进行；重点掌握充气系数的概念及影响因素与 提高充气系数的措施；了解进排气管内的动力效应; (4) 熟悉汽油机及柴油机的混合气形成；掌握汽油机正常燃烧过程 的特点与分期及不正常燃烧现象与形成机理；掌握柴油机燃烧 过程的特点与分期；了解柴油不正常喷射发生的原因及消除措 施；明确使用因素对燃烧过程的影响;(5) 掌握发动机噪声及排放污染形成机理、测定方法与防治措施； 明确使用因素对发动机噪声及排气中有害气体浓度的影响。 (6) 明确发动机特性的定义、基本分析式及研究意义；重点掌握负 荷特性、速度特性、调速特性、万有特性曲线的制取方法与分 析；掌握大气修正方法。了解车用发动机的废气涡轮增压技术;教学安排： 课堂教学30学时。 课程成绩评定：平时成绩（作业、测验、课堂表现） 占30%，期末考试成绩占70%。 联系方式(手机)办） QQ 417689541 E-mail:主要参考书发动机原理（林学东编著）机械工业出版社 汽车发动机原理（徐兆坤主编） 清华大学出版社 汽车发动机原理（张志沛主编） 人民交通出版社 汽车发动机原理（陈培陵主编） 人民交通出版社 汽车拖拉机发动机（董敬、庄志） 中国农业机械出版社 工程热力学（庞麓鸣） 工程热力学（曾丹玲） 工程热力学（沈维道） 汽车构造（各种版本）一、气体的热力状态及其基本状态参数 内燃机：燃料在机器内部燃烧的发动机（热能机械能）。 内燃机中，热能向机械能的转换是通过气体状态的变化来实现的。在气缸中，气体不断经历压缩、吸热、膨胀、放热等热力过程，气体的热力状态在不断发生变化。 气态工质： 气体远离液态，不易液化的气态 蒸气刚由液态过渡过来或比较容易液化的气态 内燃机的工质是气体（包括空气、燃气和烟气）。 (一) 气体的热力状态 气体在任何一个瞬刻的状态就是它在该瞬刻所处的物理条件。(二) 状态参数 标志气体热力状态的物理量。每一个状态参数都是从某一方面来描写气体所处的状态。 工程热力学中常用的状态参数有6个：压力P 比容V 温度T 内能U 熵S 焓H 基本状态参数 （可直接测量、应用最多） 温度T：Temperature 温度表示气体的冷热程度。也就是气体分子热运动的强弱程度。与大量分子平均移动能的大小成正比。 其中： 比例系数 m 分子的质量 分子直线运动的均方根速度 是国际单位制SI中基本单位 温度是用以确定一个系统是否与另一个系统处于热平衡的一个热力学状态参数。 压力P： 单位面积上所受的垂直作用力称为压力。 根据分子运动论，气体的压力是大量分子向容器壁面撞击的平均结果。（统计量） 单位：在国际单位制（SI）中，压力单位是“帕斯卡”，代号Pa（N/m2）成正比。 1KPa=103Pa 1MPa=106Pa (千帕) （兆帕） 在工程实际中，使用的压力单位有“标准大气压”，代号atm；及“巴”，代号bar；“工程大气压”， 代号at(kgf/cm2)。 1atm=101325 Pa=101.325 KPa 1bar=105 Pa 1个工程大气压1at(kgf/cm2)=98.067kPa压力的测量：气体的压力通常使用压力计或真空计测量。因为压力计读数是气体的真实压力与大气压力的差值，称为“表压力”，用P表（Pg）表示。气体的真实压力称“绝对压力”，用P绝（P）表示，大气压力用P0表示。 当P绝P0时 P绝=P0+P表（P=P0+Pg） 当P绝 ， 与 关系式可由第一定律解析式导出。 (四) 比热与加热时工质的状态关系(与温度和压力关系) 实验证明：气体的比热是温度、压力的函数。 如果以比热为纵坐标，温度为横坐标，则得 的关系曲线。可见不同的温度对应不同的比热。工质在每一温度下所对应的比热称为工质的“真实比热”。 =面积1、2、 、因比热随T不同而变化，使计算复杂，为使计算方便，取平均比热 。平均比热：在一定温差范围内单位量物质所吸收或放出的热量和温度差之比值。 =面积1、2、 、 =面积ABCD = AC 矩形高AC表示在 至 范围内的平均比热=工程上将平均比热制成表，可直接查取。此表的温度是从0（因若 、 温度都变化，使制表困难） 12 =面积OE2DO-面积C0E1C (五)理想混合气体及其比热 内燃机的工质通常是由各种气体组成的混合气体，燃气由CO2、O2、N2及少量SO2、H2o、CO等组成。在高温时，燃气内部存在极复杂的化学反应，高温分解，低温还原，研究十分困难，但高温时间极短，一般在1400以下时，分解、分离现象相对次要。所以，我们常将混合气体视为理想气体研究。（不存在化学反应） 有关理想气体的公式和定律对理想混合气体也都适用。 ：理想混合气体的平均摩尔质量 ：理想混合气体的平均摩尔质量 式中： 组成气体的质量 组成气体的摩尔数 理想混合气体的比热：其比热取决于各组成气体的比热和其相对成分。 第种组成气体的相对重量成分 （ ）一、几个基本概念1、功 work平常工程热力学说的简单系统只有一种形式的功膨胀功（亦称容积功）。 容积功：作用在系统边界的力使系统边界发生位移，并使容积发生变化而作功。 设一千克工质在气缸中进行膨胀，经历一个可逆过程 是可逆过程 式中： 活塞移动 时工质作的微量功 膨胀过程中工质在某瞬间的压力 整个过程1-2中所作的功应为 m千克工质所作的功，则为 （ ）以上两式为工质在可逆过程中对外界（包括活塞）所作膨胀功的数学表达式，如已知在状态变化过程中 与 的变化规律，即过程方程式 ，即可求得功量。 工质在可逆过程中所作得功可以用 图上过程曲线下的面积表示。所以，压容图亦称示功图。 从示功图可知，膨胀功的数值不仅决定于工质初态和终态，而且 和过程经过的途径有关，即与过程的性质有关。所以，膨胀功不 是状态参数，而是过程的函数。 规定：膨胀功为正，压缩功为负2、热量、熵 热量（hert） ：依靠温差而传递的能量称为传热量或称热量。 功与热的比较 规定：系统吸收热量为正，放热为负 熵和温熵图（示二、热力学第一定律 热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用。能量转换定律（The Lew of Conservation Energy）是1843年英国业余物理学家Joule通过大量实验找出热功当量，实际上是德国一个医生Mayer在1842年已发现，但他的论文未被采纳。 能量转换及守恒定律：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，它能够从一种形式转换为另一种形式，在转换中能量保持不变。 热力学第一定律：“在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后的总能量维持恒定。” 或：“第一类永动机是不可能造成。” 五、闭口系统能量平衡方程 以气缸中定量工质为例：工质与外界并无质量的交换，只有能量的传递（传热与作功），这就是前面介绍的封闭热力系或定质量热力系（闭口系统）。 工质从外界吸收热量Q，从状态1变到状态2（膨胀），并对外界作膨胀功W，由于讨论是闭口系统，不存在工质流进流出的问题，所以 和 可不予考虑。则在此过程中工质储存能量的变化为：热力学第一定律解析式： 以上三式仅从热一律原则直接推导得，没有附加条件，因此可适用于任何工质、任何过程（可逆和不可逆的一切变化过程） 若工质经历的是可逆过程，则上式可写成：热力系储存能量的变化为： 此外，系统在过程中从外界吸热Q，并对外输出轴功（控制体积功，除了轴功外，还可能有容积变形、膨胀功、拉伸功、电磁功等，在此假定除外，其余没有）。 为使截面前的 千克工质流入热力系，外界必须用力 ，克服阻力把它推入热力系，此时外界对工质作功 焦。同理， 千克工质由热力系截面流出时，也必须克服外界阻力 ，对外界作功 焦。上述 乃是千 克工质在流动时所作的功，称为流动功（或推动功、压缩功、压力势能） 将 、 、 代入能量平衡方程 引用焓，在闭口系统有时很方便，如：一个闭口系统，定压膨胀，可逆过程： 可见：在闭口系统定压过程，系统所吸收的热量等于系统焓的增量。 三、定温过程定温过程气体绝热压力与比容成反比 膨胀功 热量 在 、 图上的表示 一、热力学第二定律的几种表述 热力学第二定律是人们根据无数经验总结出来的有关热现象的第二个经验定律，并被大量经验和事实说明它的正确性。热力学第二定律的实质就是指出一切过程的不可逆性。 第一种说法：克劳修斯说法（1950年），“不可能把热从低温物 体传至高温物体，而不引起其它变化。”即“热不可能自动（自发）地、不付代价地从低温物体传至高温物体。” 第二种说法：开尔文说法（1951年），“不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其它影响。”即“只冷却一个热源而连续不断作功的循环发动机是造不成功的。”卡诺循环及其热效率 热力学第二定律指出，第二类永动机是不可能造成的，也就是说，任何热机都不可能将吸取的热量循环不息地全部转变为功。那么在一定条件下（高温恒温热源和低温恒温热源一定时），循环中吸取的热量最多能转变为多少功？即是说，提高循环中热变功的效率的基本途径是什么？卡诺循环和卡诺定理回答了这些问题。 由可逆过程组成的循环称为可逆循环。热机循环的经济性是以热效率来衡量的。 卡诺循环热效率由卡诺循环的热效率公式可以得出：1、卡诺循环的热效率决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质在定温吸热和定温放热时的温度。（ 取决于 、卡诺定理 “在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，没有其他热机的热效率能比卡诺热机的热效率更高。”发动机原理2、压缩 线 进气门、排气门均关，活塞从下止点向上止点运行，提高工质 、P.(工质受压缩的程度用 表示。) （610 ） 8002000 600750 4、排气 线 进气门关、排气门开、活塞从下止点 上止点。排出废气、为下一循环作准备。 ：9001100 ：1.051.15 从实际循环分析可知： 实际循环情况复杂，研究也十分困难 工质对活塞作功为正，活塞对工质作功为负 为研究方便，将内燃机实际工作过程抽象简化。 由此可知： 一定的机器，其 不一定实际机器最好是：燃烧放热宜占曲轴转角小，平均接近上止点注：有些书用“等容度“来衡量在等容加热的程度“等容度”：等容过程所占的程度。 第三章3-1 指示指标3-2 有效指标3-3 机械损失发动机性能指标发动机（主要指汽、柴机）性能指标有动力性和经济性。此外，上世纪70年代以来，还考虑了噪音、排气烟度和排气成分等指标。 “发动机原理“是以性能指标为研究对象，深入到工作过程的各个阶段，分析影响性能指标的各种因素，从中找出提高性能指标的一般规律。 但衡量发动机的质量，还要考虑它的可靠性、耐久性及结构工艺性、操纵维修、成本核算等各个方面。所以，在研究提高性能指标的同时，必须根据使用特点，生产条件等实际情况，把要求合理的统一起来。 发动机性能指标有两种：一种是以工质对活塞作功为基础的指标指示指标。它们用来评定工作循环进行的好坏。另一类是以曲轴输出功率为基础的性能指标有效指标。它们用来评定整个发动机性能的好坏。 发动机性能指标一、循环指示功 和平均指示压力 (indicated)发动机性能指标换气过程：发动机的排气过程和进气过程的总和称之。 发动机气缸内充气量的多少是决定发动机动力性能的主要因素。 因发动机是利用燃料在气缸内燃烧所放出的热能使工质压力提高而对活塞作功的。 燃料燃烧热量的放出，依赖于燃料和空气中氧气，要使 、 、 ，就需要燃料在气缸内燃烧时放热多，这就依赖于气缸中所能充填 进去的燃料量，也依赖于充填进去的空气量。 液体燃料发动机，其燃料占体积极小，所以从燃料量来看，可以使燃料多到保证将气缸内的氧气完全利用的程度，而并不会对气缸内的充气量有明显的影响。可是由于空气占体积大，所以从而使得发动机气缸中燃烧所能放出热量的多少，主要是限于能够充入气缸的空气量的多少。 液体燃料与空气比例： 重量比 115 体积比 110000另外，燃料是强制进入，由化油器或喷油泵多供一些燃料容易作到，而更多的充入（吸入）空气却较困难。因此，气缸中燃烧放出热量的大小，就取决于充入气缸空气量的多少，如果每循环进入气缸的空气量多，就可以多供一些燃料，使燃烧放出的热量增加，从而提高发动机的功率和扭矩。 所以，发动机气缸内充气量的多少，是决定发动机动力性能的主要因素，我们研究换气过程的目的，就在于了解换气过程进行的情况，分析影响充气量的因素，从而设法使对气缸大小一定的发动机充气量尽可能提高。泵气损失 + - 即示功图中的下环面积。 和 在计算时，已考虑进去了，实际示功图中进排气过程负功为 + - 。 平均泵气损失压力 ， 一般在0.150.3 左右，作为功的损失并不很大，但时 ，对提高充气性能是很重要的。因此，就一定的转速而言，可以配合进气管长度，使发动机功率提高。（可变进气支管） 排气管压力波动 同样道理，排气管中的气体压力波动也是可以利用，如在排气门关闭之前，排气管中正好有膨胀波到达，使排气门处压力降低，能帮助燃烧室扫气，使废气排除干净，利于 。 进排气管的压力波动，在单缸机转速变化小时好用，在多缸机上由于各缸进排气管与总管相连，易互相干扰，利用很困难。 第五章燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程，燃烧过程好坏，关系到能量转换的效率的高低，从而直接影响发动机的性能指标。 发动机实际燃烧过程的进展情况十分复杂，牵涉面很广，影响因素多。 对燃烧过程的基本要求： 二、汽油的抗爆性 汽油机产生爆 震燃烧与很多因素有关，但在一定结构和使用工况下，主要取决于燃料的性能。 汽油的抗爆性：汽油对发动机发生爆燃的抵抗称之，抗爆性好，可以承受高的压缩比，从而改善发动机的性能。 燃料抗爆性与其化学组成有关，烷烃的抗爆性最差，烯烃次之，环烷烃较好，芳香烃最好，在同一种烃内，轻馏分优于重馏分，异构体优于正构体。 汽油的抗爆性指标和测定评定汽油抗爆性指标：辛烷值 汽油抗爆性取决于各种烃类的含量，而含抗爆性高的烃类多的汽油其抗爆性高，否则就低。 由于各种烃的抗爆性不同，所以汽油的抗爆性很难用同一个理化指标表示，目前广泛采用与标准燃料在特定条件下实验的比较方法，确定燃料的抗爆性。 两种标准液 异辛烷：抗爆性很高，定为100 正庚烷：抗爆性很低，定为0 按不同容积比混合得到各种不同抗爆性的标准燃料，其中异辛烷的百分数即为该标准液的辛烷值。测定方法 有 研究法辛烷值（东欧及美、英）RON 马达法辛烷值（我国SYB2106-59）NON3、气缸的尺寸 缸径太大，易引起爆燃。 大，燃烧室尺寸也相应大，使火焰传播距离长。同时燃烧室面积比值下降，冷却效果差，使得爆燃倾向上升，所以没有缸径很大的汽油机。一般车用汽油机 100mm。 （采运机械上 ）小结： 着火落后期（化学准备）1、汽油机燃烧分三期 火焰传播期（重要期、要求时间短） 补燃期（要求 ）2、希望期 ，最大压力希望在上止点附近（上止点后一点）太前：有用功消耗多；太后：有用功减少。此期：缸内压力下降 ，气流运动减慢 ，废气量增多（故燃烧条件极差，形成碳烟可能性大），且补燃期是在膨胀中进行，有效功下降，相反使零件热负荷增大，排气温度提高，冷却损失增大（动力性和经济性下降）。因此，希望补燃期短（即加强气流运动，改善混合气形成，使之充分混合，减少缓燃期喷油量，使燃烧在上止点附近完成）。 根据上述对柴油机燃烧过程的分析，可以知道：1、为了保证柴油机工作可靠（尤其是冷起动的可靠性），应该保证燃料有很好的发火性。2、为使柴油机工作柔和，燃烧噪音小，寿命长，速燃期的压力升高率和最高燃烧压力不超过一定限度，应尽可能缩短发火延迟期，减少在发火延迟期内形成的作好燃烧准备的混合气量。3、为使燃烧完全、及时，提高动力性和经济性，减少排气冒烟，应改善和加速缓燃期中燃料与空气的混合，提高后期的燃烧速率，减少补燃。 第六章6-1 汽油机的特性6-2 柴油机的特性6-3 发动机的万有特性发动机的特性随 变化如前； ： 提高， 增加，而 下降，由于 ，故 随 的提高而下降。 在某一中间 时， 乘积最大，即 最大，其 达最小，其它转速时， 都有所上升。 采用加速滑行法，要充分考虑汽车的载荷、路况及发动机原来的负荷率，如空载（轻载）在良好路面上行驶，发动机负荷率低，可采用并可节油；如载荷较大，且路