汽车发动机原理

1、汽车发动机原理 同学们好 汽车发动机原理 汽车发动机原理 主要参考教材： 董敬，庄志，常思勤等汽车拖拉机发动机 M 北京：机械工业出版社，2000 课程性质：专业模块必修课，考试 授课学时：42 考核方式：闭卷笔试 + 平时成绩 教学内容：在教材基础上适当调整和补充 第一章 发动机的性能 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 发动机的理论循环是对其实际循环进行抽象并加以理想化而得到，突出发动机工作 过程中最本质、最重要的因素。 举例说明如下。 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 实际循环 1、进气过程: 01 2、压缩过程: 12

2、3、燃烧过程: 24 4、膨胀过程: 45 5、排气过程: 50 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 实际循环简化 1、501 51， 封闭循环 2、12和45 绝 热过程 3、24 234， 加热过程 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 发动机 燃烧、换气 发动机 进气排气 封闭循环 放热 简化模型： 简化为放热 简化为加热 发动机燃烧 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.1 发动机理论循环的基本假定 重要假定： 1、忽略进、排气过程，瞬间完成，假定为封闭循环 2、排气放热简化为可逆的定容

3、放热过程 3、压缩、膨胀过程简化为可逆的绝热过程 4、燃烧过程简化为加热过程可逆定容、定压过程 5、假定工质为定比热的理想气体空气 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.2 基本发动机理论循环 1、定容加热循环汽油机循环 燃烧过程为定容加热过程； 压缩、膨胀过程为绝热过程； 瞬间完成进、排气过程，定容放热过程 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.2 基本发动机理论循环 2、定压加热循环低速柴油机循环 燃烧过程为定压加热过程； 压缩、膨胀过程为绝热过程； 瞬间完成进、排气过程，定容放热过程 第一章 发动机的性能 发动机

4、的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.2 基本发动机理论循环 3、混合加热循环高速柴油机循环 燃烧过程为定容、定压加热过程； 压缩、膨胀过程为绝热过程； 瞬间完成进、排气过程，定容放热过程 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 1、循环特征参数 c a V V 压缩比 压力升高比 c z p p 预膨胀比 / Z Z V V 后膨胀比 Z b V V 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 2、热效率 1 2 1 1 Q Q Q W t 对混合加热循环 1

5、 1 2 1 QQ Q t 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 2、热效率 利用循环特性参数，得 t k k k 1 11 11 1 ()() 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 2、热效率 定容加热循环 t k 1 1 1 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 2、热效率 定压加热循环 t k k k 1 11 1 1 () 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环

6、1.1.3 基本发动机理论循环分析 3、热效率分析 （1） （其他参数不变） 对三种循环，都是 时， t 也 当 = 20 左右时，对 t 影响不大 低速柴油机 = 1622 高速柴油机 = 1420 汽油机 = 812 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 3、热效率分析 （2） （其他参数不变） 不影响 t 。 定容加热循环， 不出现 定压加热循环， = 1 混合加热循环，时， t 也 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 3、热效率分析 （3） （其他参数不

7、变） 定容加热循环， = 1 ，无影响。 对定压加热循环和混合加热循环 时， t 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 4、基本发动机理论循环热效率比较 （1）初态相同，压缩比 相同，加热量Q1相同 t vt mt p, （2）初态相同，最高压力、最高温度相同， 放热量Q2相同 t vt mt p, 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 5、循环平均压力 定义： s t V W p 为循环平均压力。根据热力学理论，得到混合加热循环平均压力为 t a k tm k

8、k p p ) 1() 1( 11 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 5、循环平均压力 定容加热循环平均压力 t a k tv k p p )1( 11 定压加热循环平均压力 t a k tp k k p p ) 1( 11 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 6、循环平均压力的分析 （1）进气终了压力 pa 提高， pt增加； t 提高， pt 增加; 凡是使 t 提高的因素，也都会增加 pt。 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理

9、论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 6、循环平均压力的分析 （2） （其他参数不变） 对三种循环，都是 时，pt 也 （3） （其他参数不变） 定容加热循环 混合加热循环 时，pt 也 定压加热循环， = 1,不影响 pt 。 第一章 发动机的性能 发动机的理论循环 1. 1 发动机的理论循环 1.1.3 基本发动机理论循环分析 6、循环平均压力的分析 （4） （其他参数不变） 定容加热循环， = 1,不影响 pt 。 时， t 定压加热循环 混合加热循环 ，所以，pt 是否增加，取决于综合结果 ，但 从表面 看 pt 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环

10、 1.2.1 发动机实际循环的示功图 四冲程非增压发动机的实际循 环示功图 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环 1.2.1 发动机实际循环的示功图 四冲程增压发动机的实际循环 示功图 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环 1.2.1 发动机实际循环的示功图 四冲程非增压发动机的实际循 环示功图 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环 1.2.2 发动机实际循环的过程 以四冲程非增压汽油发动机的实际循环为例。 一、进气过程（ra） 二、压缩过程（ac） 压缩终点压力和温度 1 n ac pp 1 1 n a

11、c TT 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环 1.2.2 发动机实际循环的过程 以四冲程非增压汽油发动机的实际循环为例。 一、进气过程（ra） 二、压缩过程（ac） 平均多变指数n1 平衡特征点 这点正好反映平均多变指数n1， 是放热和吸热的分界点 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环 1.2.2 发动机实际循环的过程 以四冲程非增压汽油发动机的实际循环为例。 三、燃烧过程（cz） 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环 1.2.2 发动机实际循环的过程 以四冲程非增压汽油发动机的实际循环为例。 四、膨胀

12、过程（zb） 不能绝对和燃烧过程分开 平均多变指数n2 膨胀终点压力和温度 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环 1.2.2 发动机实际循环的过程 以四冲程非增压汽油发动机的实际循环为例。 四、膨胀过程（zb） 汽油机 2 2 n z n b z zb p V V pp 1 1 2 2 n z n b z zb T V V TT 柴油机 2 2 n z n b z zb p V V pp 1 1 2 2 n z n b z zb T V V TT 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环 1.2.2 发动机实际循环的过程 以四冲程非增压汽

13、油发动机的实际循环为例。 五、排气过程（br） 六、实际循环的功 对非增压发动机，闭合曲线b b / c z b的面 积A i表示工质对活塞所做的功，是正功；r b / a r / r的面积A 1表示换气消耗的功，称为泵气损失， 是负功。 第一章 发动机的性能 发动机的实际循环 1. 2 发动机的实际循环 1.2.2 发动机实际循环的过程 对四冲程增压发动机， 上闭合曲线的面积A i表示工质对活塞所做的功， 是正功；下闭合曲线的面积A 1表示换气时，增 压空气对活塞所做的功，称为泵气功，也是正 功。 第一章 发动机的性能 实际循环的评定指示指标 1. 3 实际循环的评定指示指标 1.3.1 平

14、均指示压力 一、指示功W i W i = ( A i A 1 ) 二、平均指示压力pmi 表示发动机单位气缸 工作容积的指示功 第一章 发动机的性能 实际循环的评定指示指标 1. 3 实际循环的评定指示指标 1.3.1 平均指示压力 于是指示功W i 可以表示为 力学意义：可以把平均指示压力看作是 一个作用在活塞上的压力，这个压力使活塞 移动一个行程，所做的功即为指示功。 第一章 发动机的性能 实际循环的评定指示指标 1. 3 实际循环的评定指示指标 1.3.1 平均指示压力 三、指示功率P i 30 2 60 ni Vpi n WPs miii 四冲程发动机 120 ni VpPs mii

15、二冲程发动机 60 ni VpPs mii 第一章 发动机的性能 实际循环的评定指示指标 1. 3 实际循环的评定指示指标 1.3.2 指示热效率 一、指示热效率 i 二者有关系式 1Q Wi i 二、指示燃油消耗率 b i 3 10 i i P B b 6 106 . 3 1 hbi i 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 1 发动机动力性能指标 1. 有效功率 Pe mie PPP 发动机曲轴传递的功率称为有效功率 Pe，它是工质所做指示功率，扣除各种损失后的效果。 有效功率通过试验测量得到。 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性

16、能指标 1. 4. 1 发动机动力性能指标 2. 有效扭矩 Ttq 发动机曲轴输出的扭矩称为有效扭矩 Ttq 。 有效扭矩也可通过试验测量得到。 有效扭矩与有效功率的关系 3 2 0.104710 6010009550 tqtq etq n TTn PTn 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 1 发动机动力性能指标 3. 平均有效压力 pme 发动机单位气缸工作容积所做有效功即平均有效压力 pme。 30 meS e pVi n P 3 30 3.1410 tq e me ss T P P i Vni V 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4

17、发动机性能指标 1. 4. 1 发动机动力性能指标 4. 转速 n 和活塞平均速度 Cm 发动机转速高，单位时间作功次数多，可在不增加发动机的体积和质量条件下，提高发动 机的功率。 发动机的转速主要取决于气缸内的燃烧速度，不能任意提高。 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 2 发动机经济性能指标 1. 有效热效率 he 发动机所做有效功 We 与所消耗燃料热量Q1的比值即有效热效率 he 。 1 e e W Q 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 2 发动机经济性能指标 2. 有效燃料消耗率 be （有效比油耗）

18、发动机在1小时所发出单位有效功率时所消耗燃料质量Q1的比值即有效燃料消耗率 be 。 1000 e e B b P 6 106 . 3 1 hbe e 二者有关系式 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 3 发动机强化性能指标 1. 升功率 PL 单位气缸工作容积所发出的有效功率即升功率 PL。 3030 emesme L ss PpV i npn P V iV i 升功率衡量发动机容积利用程度 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 3 发动机强化性能指标 2. 比质量 me 发动机单位有效功率所占用的发动机干质量即比

19、质量 me 。 e e m m P 比质量表征质量利用程度和结构紧凑性 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 3 发动机强化性能指标 3. 强化系数 pmeCm 平均有效压力 pme 与活塞平均速度 Cm 的乘积称为强化系数 pmeCm。 强化系数反映发动机的机械负荷和热负荷的强度。 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 4 发动机环境性能指标 1. 排放性能指标 发动机排出废气的成分极其复杂。 其中的有害物质有四类： CO HC （未燃烃） NOX PM (微粒） 气体排放物 固、液体排放物 第一章 发动机的性能 发

20、动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 4 发动机环境性能指标 1. 排放性能指标 排放性能指标采用有害物质的排放浓度表示。 排放性能指标的单位为：浓度 10-6 V/V 等 或 质量 mg / km 等 排放性能指标必须符合国家的排放标准。 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1. 4 发动机性能指标 1. 4. 4 发动机环境性能指标 2. 噪声性能指标 发动机噪声的频率范围很宽。 发动机产生噪声的原因极其复杂。 根据产生机理分为三类： 燃烧噪声 由于气缸内周期性燃烧 机械噪声 由于作用力周期性变化 气体动力噪声 由于气体压力波动 第一章 发动机的性能 发动机性能指标 1.

21、4 发动机性能指标 1. 4. 4 发动机环境性能指标 2. 噪声性能指标 气体动力噪声有三种： 进气动力噪声 排气动力噪声 风扇噪声 噪声性能指标必须符合国家的排放标准。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 发动机的机械损失： 发动机曲轴输出的功或功率小于其气缸内气体膨胀所作出的功或功率，两者之差称为发动 机的机械损失。 机械损失包括摩擦损失、泵气损失和驱动附件消耗的功或功率。 （见教材表 1-1） 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 发动机机械损失的构成 机械损失类型 占指示功率比例 % 占有效功率比例 % 占机械损失功率比例

22、 % 摩擦损失 8 20 9 29 62 75 附件驱动损失 1 5 1 7 10 20 泵气损失 2 4 2 6 10 20 总机械损失 10 30 11 43 100 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 由此可见，发动机机械损失最主要构成部分是摩擦损失。而在摩擦损失中，活塞、活塞 环与气缸壁面的摩擦以及曲柄连杆机构的摩擦几乎构成全部的摩擦损失。 活塞、活塞环与气缸壁面的摩擦占摩擦损失的70%，曲柄连杆机构的摩擦占摩擦损失的 25%，两者之和达到95% 。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 1 发动机的机械损失 1

23、. 机械损失功 2. 机械损失功率 3. 平均机械损失压力 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 1 发动机的机械损失 4. 三者关系 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 2 发动机的机械效率 机械效率 有效功率与指示功率的比值称为机械效率。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械效率的测定 机械效率只能通过实际发动机的试验来测定。简便易行的测试方法有： 1. 倒拖法 2. 灭缸法 3. 油耗线法 这些都是近似方法。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损

24、失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械损失的测定 1. 倒拖法 从电力测功机上所测得的倒拖功率Ptest即为发动机在该工况下的机械损失功率。 适用范围： 具有平衡式电力测功机。 国标规定优先采用倒拖法。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械损失的测定 2. 灭缸法 先确定发动机的有效功率，然后使发动机各个气缸轮流停止工作，并保持转速始 终不变，测量各缸停止工作时所对应的有效功率。这样可测出发动机的指示功率，也就 确定了机械损失功率。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3

25、发动机机械损失的测定 2. 灭缸法 若第 j 缸停止工作，则没有停缸测出的有效功率Pe与此时测出的有效功率Pe ,j之差即 为第 j 缸的指示功率Pi , j 故 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械损失的测定 2. 灭缸法 由于 所以 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械效率的测定 2. 灭缸法 适用范围：仅适用于多缸发动机； 不能用于废气涡轮增压发动机 及单缸发动机。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械损失的测定 3

26、. 油耗线法 保持发动机转速不变，改变发动机负荷，同时调节发动机油门，并测出每小时耗油量 B， 绘制出 B pme 关系，即下图。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械损失的测定 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械损失的测定 3. 油耗线法 B pme 关系曲线的靠近坐标原点部分近似为直线，将这部分曲线按直线延伸，直至与横 坐标相交，则交点 Q 的横坐标即为平均机械损失压力 pmm。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械

27、损失的测定 3. 油耗线法 这也提供了又一种求平均机械损失压力 pmm的方法。图中，如果认为油耗曲线中从 A 点 到 B 点为直线，则 ACQ 和 BOQ 构成两相似三角形。于是 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械效率的测定 3. 油耗线法 从中得到 适用范围：适用于柴油机，但不适用于汽油机。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 3 发动机机械效率的测定 精确的机械效率测试方法是示功图法。 在确定的工况下，通过测量出所有气缸的大量示功图，加以统计平均处理，得出发动 机实际循环的平均示功图，并

28、通过计算，获得发动机平均指示功率Pi ，与此时测出的有 效功率Pe 之差即为机械损失功率Pm。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 4 发动机机械损失的影响因素 1. 转速 n（ 或活塞平均速度 Cm ） 转速增加，由于摩擦损失和泵气损 失增加，驱动附件损耗加大，故机械损 失上升，机械效率下降。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 4 发动机机械损失的影响因素 2. 负荷 负荷变化，发动机供油 改变，机械损失基本不变，但 机械效率则因为指示功率变化 而有改变。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1.

29、5 发动机的机械损失 1. 5. 4 发动机机械损失的影响因素 3. 发动机结构 气缸直径大或行程大，机械损失大，但发动机功率大，机械效率相对提高。 气缸工作容积不变，减小行程，增加缸径，并保持其他条件不变，机械损失减少，机械效 率提高。 润滑状态好，摩擦环节少，运动质量小，摩擦面状态好，机械损失小，机械效率高。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 4 发动机机械损失的影响因素 4. 冷却和润滑情况 （即工作条件） 冷却水温度适当高一些， 润滑油温度也相对提高，其粘度下降，润滑效果好，摩擦损失 小，机械损失小，机械效率相对提高。 润滑油品质好，同样润

30、滑效果时粘度低，受温度影响小，机械损失少，机械效率高。 但润滑油粘度不能过低，否则会形成半干摩擦，反而增加机械损失。 第一章 发动机的性能 发动机的机械损失 1. 5 发动机的机械损失 1. 5. 4 发动机机械损失的影响因素 4. 冷却和润滑情况 （即工作条件） 本图说明，由于润滑油粘度 受温度影响，导致机械损失功率变 化的情况。 第一章 发动机的性能 发动机的热平衡 1. 6 发动机的热平衡 1. 6. 1 发动机实际循环与理论循环的比较 发动机实际循环与理论循环相比较，可以发现，两者存在很大的差异。由于发动机理 论循环是在理想条件下得到的，因此，这种差异表明了实际循环的缺陷，可以说明燃料燃 烧热量的损失，指示发动机工作过程改进的方向。 第一章 发动机的性能 发动机的热平衡 1. 6 发动机的热平衡 1. 6. 1 发动机实际循环与理论循环的比较 1. 汽油机的实际循环 Wk 工质损失 Wb 传热损失 Wz 燃烧损失 Wr 换气损