《汽车发动机原理》教学课件第一章发动机的性能

1、第一章 发动机的性能 发动机的理论循环发动机的理论循环 3 1 四行程发动机的实际循环四行程发动机的实际循环 3 2 发动机的性能指标发动机的性能指标 3 3 3 4 机械损失与机械效率机械损失与机械效率 3 5 发动机的热平衡发动机的热平衡 四行程发动机工作循环四行程发动机工作循环 排气行程排气行程 做功行程做功行程 压缩行程压缩行程 进气行程进气行程 工质工质-实现热能热能转换为机械能机械能的媒介物质，通常为 气体。 热机热机-将热能转换为机械能的机械装置。 热力系统热力系统-热力学所研究的对象。 闭口系统闭口系统- -热力系统与外界没有物质交换的系统。 开口系统开口系统- -热力系统与外

2、界有物质交换的系统。 状态状态-热力系统在某一瞬间呈现的全部宏观性质 状态参数状态参数-描述这种宏观状态的物理量 温度温度T 压力压力P 比体积比体积 v 熵熵S热力学能热力学能U 焓焓H 因物体热运 动而具有的 能量 焓焓 H = U + pV 表示工质进入或离开系统所携带的总 的热力学能。 熵熵 ds=dq/T 他是微元热量与温度的商，物理 意义是系统可逆定温过程与外界 交换的热量。 2 1 21 dvpw 功功是指热力系统通过边界 传递的能量，其全部效果 可表现为举起重物。 膨胀功，压缩功，体积功膨胀功，压缩功，体积功 2 1 21 dVpW 2 1 21 dsTq 热量热量是指仅仅由于

3、温差温差而通过边界传递的能量。 是两物体通过微观的分子运动发生相互作用而传 递的能量。 传热与否的标志用状态参数熵状态参数熵s表示。 2 1 21 dSTQ 热量与功的异同：热量与功的异同： 都是通过边界传递边界传递的能量； 都是过程量过程量； 功传递由压力差压力差推动，比体积变化比体积变化是作功标志； 热量传递由温度差温度差推动，比熵变化比熵变化是传热的标志； 功是物系间通过宏观运动宏观运动发生相互作用传递的能量； 热是物系间通过紊乱的微粒运动微粒运动发生相互作用而传递 的能量。 为了分析问题的方便，工程上通常采用两个独立 状态参数组成坐标图来表示工质所处的状态。 示功图示功图p v图 和

4、示热图示热图T s图 热力学第一定律是能量守恒定律能量守恒定律在热力学中的应 用，可以描述为：热能和机械能可以相互转换， 且在相互转换过程中，能量的总量保持守恒。 （加入热力系统的能量的总和）-（离开热力系 统能量的总和）=（热力系统总能量的增量） 热力学第二定律主要是说明与热现象有关的各种 过程进行的方向、条件以及进行的限度或深度的 定律 自发过程有方向性； 自发过程的反方向过程并非不可进行，而 是要有附加条件； 并非所有不违反第一定律的过程均可进行。 热力学第二定律的两种典型表述热力学第二定律的两种典型表述 克劳修斯克劳修斯叙述热量不可能自发地、不自发地、不 花代价地花代价地从低温物体传向

5、高温物体。 开尔文开尔文普朗克普朗克叙述不可能制造循环 热机，只从一个热源一个热源吸热，将之全部全部转化 为功，而不在外界留下任何影响不在外界留下任何影响。 热力学第二定律各种表述是等效等效的。 热机循环热机循环 热力系统经一系列连续过程，最后又回到初态， 称经历了一个热力循环。如果这种循环在外界加 入热量后，又对外做正功，就是热机循环。 发动机的一个工作过程就是完成一个 。 完成一个正向循环后全部效果为： 高温热源放出了热量q1（或热机中工质从高 温热源吸热q1）。 低温热源获得了热量q2（或热机中工质向低 温热源放热q2）。 热机将(q1q2)=q0的热量转化为功。 工质与机器设备回复到原

6、来状况，没有变化。 热机中工质从高温热源得到的热能q1，其中只有部分可 以转化为功，在部分热能（q1q2）转化为功的同时， 必有另一部分q2传向低温热源，后者是使热能经过热循 环转化成为功的必要条件。因此，一切热动力装置都只 能将从热源得到的热量中的一部分转化成为功，这是热 动力循环根本特性。 P-V（示功图） TS（示热图） 循环热效率循环热效率 t 输出循环功量Wt所占循环 加热量Q1的百分比 2 11 1 t t WQ QQ 四冲程发动机的工作过程由进气、压缩、燃烧膨 胀、排气四个过程组成。理想循环的基本假设基本假设： 假设工质是理想气体理想气体，其物理常数与标准状态下 的空气物理常数相

7、同； 假设气缸工质在闭口系统闭口系统中作封闭循环； 假设工质的压缩和膨胀是绝热等熵过程绝热等熵过程； 假设燃烧是外界对工质定容或定压加热定容或定压加热； 假设工质放热过程可简化为定容放热过程定容放热过程。 三种基本理论循环 汽油机：汽油机：燃烧速度很快，而在上止点 附近容积变化又较小。因此，燃烧过 程相当于定容加热过程 1-2 绝热压缩 2-3定容加热 3-4绝热膨胀 4-1定容放热 三种基本理论循环 高增压和低速柴油机：高增压和低速柴油机：形成混合气速度 慢，燃烧时汽缸压力变化不显著，很 接近于定压加热过程 1-2 绝热压缩 2-3定压加热 3-4绝热膨胀 4- 定容放热 三种基本理论循环

8、高速柴油机高速柴油机：可以将燃烧过程简化为 定容及定压加热两个过程的组合 1-2 绝热压缩 2-3定容加热 3-4定压加热 4-5绝热膨胀 5-1定容放热 理论循环参数 1-2 等熵压缩；2-3 等容吸热； 3-4 定压吸热；4-5 等熵膨胀； 5-1 定容放热 2 1 v v 压缩比 v p c c k 等熵指数 3 4 v v 预膨胀比 2 3 p p 压力升高比 循环热效率循环热效率和平均指示压力平均指示压力分别是评定发动机经 济性和动力性的两个重要指标 定容加热循环、定压加热循环只是混合加热循环 的两个特例，因此下面以混合加热循环混合加热循环为例来进 行计算 342343321 TTc

9、TTcqqq pV 混合加热循环热效率 循环吸收量 15152 TTcqq V 循环放热量 循环热效率 3423 15 1 2 11 TTTT TT q q t 混合加热循环循环热效率 循环热效率 混合加热循环平均指示压力 平均指示压力是指单位汽缸工作容积对外做的循 环功，即： ) 1() 1( 11 1 1 K K k tm tm k h tm h tm k k p V Q V w p ) 1() 1( 11 11 定容加热循环(=1)的热效率和平均有效压力 tv k tv k p p ) 1( 11 1 1 1 1 11 k tv 定压加热循环(1)的热效率和平均有效压力 ) 1( 11

10、11 1 K K k tp tp k tp k k p p ) 1( 11 1 1 （1）等熵指数K 结论：等熵指数K增大，热效率增大 6 11 （2）压缩比 结论：增大压缩比，对任何加热循环，都能使热效率和平均指示压力增大 限制压缩比提高的因素：汽油机-爆燃 柴油机-机械负荷和结构强度14 22 6 11 （3）压力升高比 结论： 定容加热：压力升高比增大时，吸热、放热都成比例增加，热效率不 变；但吸热和放热量之差增大，所以平均指示压力增大； 混合加热：定容加热部分增加，热效率提高，平均指示压力增大； （4）预膨胀比 结论： 定压加热：当压缩比不变，预膨胀比增大，加热量增加，热效率下降，平均

11、指示 压力升高； 混合加热：预膨胀比增大，等压加热部分增加，热效率下降，且平均指示压力也 减少； )b t 不变 )a t )a t t )b )a t )b t )c t （1）压缩比相同，吸热量相同时的比较 111vmp qqq pmv qqq 222 tvtmtp （2）循环pmax，Tmax相同时的比较相同时的比较 222pmv qqq vmp qqq 221 tptmtv 了解理论循环的假设条件 掌握三种基本循环、循环参数 掌握基本循环热效率的计算 掌握影响热效率的主要因素 发动机的理论循环发动机的理论循环 3 1 3 2 发动机的性能指标发动机的性能指标 3 3 3 4 机械损失与

12、机械效率机械损失与机械效率 3 5 发动机的热平衡发动机的热平衡 实际循环包括的五个过程 实际循环与理论循环的比较 实际循环常用示功图、压力图来表示 曲线：r-a 进气阻力的存在， pa T0 终点的压力和温度的范围： 曲线：a-c 压缩过程及多变压缩指数变化过程压缩过程及多变压缩指数变化过程 理论理论:压缩过程是绝热的压缩过程是绝热的 实际实际:压缩过程是一个复杂的压缩过程是一个复杂的多变过程多变过程 。 发动机实际循环的燃烧过程发动机实际循环的燃烧过程 曲线：c-z 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，放出的 热量越多，放热 时越靠近上止点， 热效率越高 曲线

13、：z-b 膨胀过程及多变压缩指数变化过程膨胀过程及多变压缩指数变化过程 膨胀过程比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有 补燃现象。所以，膨胀过程也是一个多变过程多变过程。 曲线：b-r 排气温度越低，说明做功效果越好 终点的压力和温度的范围： 实际工质的影响 换气损失 燃烧损失 传热损失 缸内流动损失 其他几项损失 比热容比热容 、泄漏、泄漏 工质更换工质更换 补燃、不完全燃烧等补燃、不完全燃烧等 热量交换热量交换 气流气流 涡流、节流、泄漏等涡流、节流、泄漏等 了解发动机实际循环的五个过程 掌握四冲程发动机示功图 了解发动机各个过程压力和温度变化趋势 了解多变压缩指数和多变膨胀指数

14、 掌握发动机实际循环与理论循环存在的损失 发动机的理论循环发动机的理论循环 3 1 四行程发动机的实际循环四行程发动机的实际循环 3 2 3 3 3 4 机械损失与机械效率机械损失与机械效率 3 5 发动机的热平衡发动机的热平衡 3 1 3 2 发动机指示性能指标 发动机有效性能指标 平均指示压力 指示功率 指示热效率 指示燃料消耗率 动力性能 经济性能 强化指标 环境指标 区别：指标计算的基准 定义：以工质对活塞所做的功为计算基准的指标； 动力性： 平均指示压力 指示功率 经济性： 指示热效率 指示燃料消耗率 i P it i b mi p 6 i i 10 abF W 定义：在气缸完成一个

15、循环，工质对活塞所做的功定义：在气缸完成一个循环，工质对活塞所做的功 (a) (a) 四冲程非增压发动机四冲程非增压发动机 (b) (b) 四冲程增压发动机四冲程增压发动机 示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多少。示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多少。 定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功 平均指示压力平均指示压力 s i mi V W p 指示功指示功 4 2 mismii SD pVpW )( 30 2 60 smi i kw niVp i n WP i 定义：发动机单位时间所做的指示功定义：发动机单位时间所做的指示功

16、指示功率指示功率- -即每秒所做指示功）： 指示功指示功 )( 4 2 mismii J SD pVpW 其中-行程数，对四行程=4 对二行程=2 指示热效率指示热效率 定义：发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值定义：发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值 1 i it Q W u i 3 it 106 . 3 BH P 指示热效率的范围一般是：指示热效率的范围一般是： 柴油机柴油机 0.430.430.500.50 汽油机汽油机 00.40 定义：单位指示功的耗油量，即比油耗（定义：单位指示功的耗油量，即比油耗（g/kw.h) 3 i i 10 P B b

17、 指示燃料消耗率值得大致范围是指示燃料消耗率值得大致范围是 柴油机柴油机 170170200 g/(kW200 g/(kWh)h) 汽油机汽油机 230230340 g/(kW340 g/(kWh)h) 指示燃料消耗率指示燃料消耗率 以曲轴对外输出的功率为基础，代表发动 机整机性能 包括动力性、经济性、以及运转性能 有效功率有效功率 ：指示功率减去机械损失功率：指示功率减去机械损失功率 mie WWW mie PPP tq T kw nT n TP 9550 10 60 2 tq3 tqe 有效扭矩有效扭矩 ：发动机工作时，由功率输出轴输出的扭矩：发动机工作时，由功率输出轴输出的扭矩 e P

18、机械损失功率机械损失功率PmPm包括：包括： 内燃机内部运动件的摩擦损失内燃机内部运动件的摩擦损失 驱动附属机构的损失驱动附属机构的损失 泵气损失泵气损失 平均有效压力平均有效压力 ：发动机单位气缸工作容积输出的有效功：发动机单位气缸工作容积输出的有效功 转速和活塞平均速度转速和活塞平均速度 30 sme e niVp P inV p p s e me 30 me p 转速增大，单位时间的做功次数增加； 活塞平均速度增大，磨损加剧； No Image 1 e et Q W u e 6 et 106 . 3 BH P 3 e e 10 P B b uet 6 e 106 . 3 H b 有效热效

19、率有效热效率 ：有效功与所消耗燃料热量之比：有效功与所消耗燃料热量之比et 有效燃料消耗率有效燃料消耗率 ：单位有效功的耗油量：单位有效功的耗油量e b 升功率：发动机每升工作容积所发出的有效功率升功率：发动机每升工作容积所发出的有效功率 3030 me s sme s e L np iV inVp iV P P e e P m m 比质量比质量 ：发动机干质量与所发出的有效功率之比：发动机干质量与所发出的有效功率之比 、 、 ，则发动机结构越紧凑。 ，则发动机结构越紧凑。 me p m C 强化系数：平均有效压力与活塞平均速度的乘积强化系数：平均有效压力与活塞平均速度的乘积 值越大，内燃机热

20、负荷和机械负荷越高，同时， 值越大，内燃机热负荷和机械负荷越高，同时， 发动机的功率也越大。发动机的功率也越大。 排放性能 排出有害气体、颗粒，其排出量有限制。 排放标准各国不同，其中美国加州标准是世界上最严 的标准。 如小客车排放限值为：单位：g/mile(g/km) CO HC NOx 排气颗粒 7（4.4) 0.41(0.26) 0.7(0.44) 0.6(0.375) 噪声 轿车噪声Pi基本不变 n=摩擦损失 =机械损失=Pm 图图 m m随转速的变化关系随转速的变化关系 1 em m ii PP PP 得: n,m 故用提高转速n来增加发动机 的动力性指标受到限制。 n不变，NeMe

21、，NePe, 故负荷可用Ne, Pe表示。 负荷率：Me/Memax100% 负荷=Pi,Pm近似不变 =mPm/Pi 怠速工况: Ne0 NiNm m=0 润滑油的粘度即机油的稠稀程度。 粘度=内部摩擦=机械损失 Ni不变=m 粘度=Pm=m 粘度过小=机油的承载能力太低=油膜破裂=发 生干摩擦=烧瓦=Pm=m 另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，导致机 油粘度降低。 冷却水的温度直接影响到润 滑油的温度，因而也就关系到 润滑油粘度和摩擦损失的大小 使用中，发动机的冷却水温度 保持在8095范围内。 图图2-5 2-5 P Pm m随润滑油温度变化的关系随润滑油温度变化的关系 1.1

22、.示功图法示功图法 2.2.倒拖法倒拖法 发动机被倒拖时膨胀线和压缩线不重合发动机被倒拖时膨胀线和压缩线不重合 3.3.灭缸法灭缸法 e1e1 1 i PPP e2e22i PPP )( 1 ekeki i k PPP 灭第一缸灭第一缸 灭第二缸灭第二缸 )() 1( e2e1em PPPiP 4.4.油耗线法油耗线法 由指示效率的定义可导出由指示效率的定义可导出 )(106 . 3106 . 3 me 3 i 3 itu PPPBH 当发动机空转当发动机空转( (无负荷无负荷) )，若，若 不随负荷增减而变化时，应有不随负荷增减而变化时，应有 it m 3 itu0 106 .3PHB 两式

23、相除，得两式相除，得 mm mmme m me 0 p pp P PP B B 负荷特性曲线负荷特性曲线保证发动机转速不变，逐渐改变发动保证发动机转速不变，逐渐改变发动 机节气门（或供油齿条）的位置，测出每小时耗油量随机节气门（或供油齿条）的位置，测出每小时耗油量随 负荷变化的关系，绘制成曲线负荷变化的关系，绘制成曲线 根据以上的分析，得到图中根据以上的分析，得到图中A A、B B两工况的关系式为两工况的关系式为 )(106 . 3106 . 3 me 3 i 3 ituA PPPHB m 3 ituB 106 . 3PHB mm mmme m me B A p pp P PP B B A B mmme mm mmme me m 11 B B pp p pp p 当测得其值后，其机械效率可近似地用下式估算当测得其值后，其机械效率可近似地用下式估算 倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而不适用于倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而不适用于 大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的 机械损失。机械损失。 对于废气涡轮增压柴油机（对于废气涡轮增压柴油机（0.15MPa0.15MPa），由于倒拖法和），由于倒拖法和 灭缸法破坏了增压系统的正常工作，因而只能用示功图灭缸法破坏了增压系统的正常工作，因而只能用