2015年驾驶员培训-发动机理论原理

发动机原理发动机原理3绪论一、发动机的分类1、按所用燃料分汽油机、柴油机、天然气（CNG、LNG）、液化石油气（LPG）、酒精（甲醇、乙醇）、氢等2、按缸内着火方式分压燃式（柴）、点燃式（汽）3、按冲程数分四冲程、二冲程4、按活塞运动方式分往复活塞式、旋转活塞式增压比πb：空气经过一个专用的压气机（增压器）压缩后非增压（自然吸气式）、低增压（πb＜1.8）、中增压45、按气缸冷却方式分液体冷却（水冷）、空气冷却（风冷）6、按气缸数目分单缸、多缸（2、3、4、5、6、8）7、按转速分低速（n＜300rpm）、中速（

300rpm

＜

n＜1000rpm）、高速（

1000rpm

＜

n）8、按增压程度分

的压力Pk与压缩前的压力P0之比。

（

1.8

＜

πb＜2.5）、高增压（

2.5

＜

πb＜3.6）、超高增压（3.6

＜

πb）

发动机原理发动机原理59、按气缸排列方式分立式、卧式、直列式、V型、W型对置气缸或对置活塞式H型、王字型、X型、星型10、按混合气形成方式分进气管或进气道喷射（0.2~0.35MPa）、缸内直接喷射（3.0~12MPa）、分层充量、化油器式11、按燃烧室设计分开式燃烧室（浴盆形、楔形、半球形、碗形、ω形分隔式燃烧室（涡流室、预燃室）发动机原理612、按进、排气门凸轮轴设计和布置分二气门、三气门、四气门（多气门）顶置（上置）或侧置（下置）气门顶置或侧置凸轮轴13、按用途分农用、船用、汽车用、工程机械用、拖拉机用、发电用、内燃机车用7二、发动机产品名称和型号编制规则1、产品名称：以所用燃料命名（包括双燃料发动机）2、型号编制规则：阿拉伯数字和汉语拼音字母组成，分四部分首部中部后部尾部首部：

（1）系列符号

（2）换代标志符号

中部：

（1）缸数符号

（2）气缸排列形式符号

空—直列或单缸卧式

V—V形发动机原理P—平卧形符号用途空通用型T拖拉机M摩托车G工程机械Q车用D发电机组符号结构特征空水冷F风冷Z增压N凝气冷却S十字头式发动机原理8（3）冲程符号E—二冲程空—四冲程（4）缸径符号（mm）后部：

（1）结构特征符号

（2）用途特征符号

尾部：区分符号

发动机原理9例：

（1）165F

（2）190

（3）R175

（4）495T

（5）1E65F

（6）1E40FM

（7）6100

（8）4100Q

（9）492Q发动机原理10三、发动机总体构造1、汽油机两大机构：曲柄连杆机构、配气机构五大系：燃料供给系、点火系、冷却系、润滑系、起动系2、柴油机两大机构：曲柄连杆机构、配气机构四大系：燃料供给系、冷却系、润滑系、起动系发动机原理12第一章

发动机的性能性能：动力性、经济性、可靠耐久性、排放、振动、噪声、使用维修性、加工工艺性等以性能为研究对象，深入到工作过程的各个阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中找出提高性能的一般规律发动机原理14第一节

发动机理论循环

定义：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，忽略一

些因素，所得出的简化循环。

意义：通过对理论循环的研究，可以清楚

地确定影响性能的某些重要因素，从

而找到提高发动机性能的基本途径发动机原理15一、三种基本循环最简单的理论循环——空气标准循环，其简化条件为：l）假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同2）假设工质是在闭口系统中作封闭循环3）假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程4）假设燃烧是外界无数数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热发动机原理16根据加热方式不同，发动机有三种基本空气标准循环：定容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速）定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃烧最高压力的限制

）混合加热循环

（高速柴油机

）发动机原理17评定理论循环的指标：循环热效率ηt定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比意义：评定循环经济性循环平均压力pt定义：单位气缸容积所做的循环功，

用来评定循环的做功能力意义：评定循环动力性（做功能力）t

W

Q1

Q2

1发动机原理18按工程热力学公式，混合加热循环热效率为ε一压缩比，ε=Va／Vc=(Vs+Vc)／Vc=1+Vs/Vc，其中，Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积；（汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15）λ一压力升高比，λ=pz/pc；ρ一预膨胀比，

ρ=Vz/Vz’=ε/δ；δ—后膨胀比，δ=Vb/Vz；

K一绝热指数Q2Q1二、循环热效率ηt

1

Q1

Q1

K

1

K

11

K1tm

1

1119定容加热循环（ρ=1）热效率为定压加热循环（λ=1）热效率为1

K1tV

1

KK(

1)

发动机原理1

K1

tP

1

K

1

K

11

K1tm

1发动机原理20影响ηt的因素l.

压缩比ε提高ε，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比

，三种循环的ηt都提高。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。发动机原理212.

绝热指数K：随K值增大，

ηt将提高。3.

压力升高比λ

：定压加热循环λ=1，定容加热循环λ不影响ηt，混合加热循环随

λ增大ηt将提高。4.

预膨胀比ρ：定容加热循环ρ=1，定压加热循环和混合加热循环随ρ增大ηt将下降。发动机原理22三种循环热效率的比较循环总加热量相同时

定容加热循环热效率＞混合加热循环热效

率＞定压加热循环热效率

最高压力相同时

定压加热循环热效率＞混合加热循环热效

率＞定容加热循环热效率

pa

[(

1)

K(

1)]t发动机原理23三、循环平均压力ptpt（kPa）是单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力

按工程热力学公式，混合加热循环的平均压WVspt

力ptm

K

1

K

1(

1)tptV

发动机原理24可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比ε、压力升高比λ、预膨胀比ρ、绝热指数K和热效率ηt的增加而增加。定容加热循环（ρ=1）的平均压力为

K

pa

1

K

1定压加热循环（λ=1）的平均压力为ptP

K(

1)t

K

pa

1

K

1发动机原理25第二节

四行程发动机的实际循环实际循环通常用气缸内的工质压力p随气缸工作容积V（或曲轴转角φ）而变化的图形表示，即示功图p－V图，p－φ图称为展开示功图。p－V图上曲线所包围的面积（积分）表示工质完成一个实际循环所做的有用功。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成

。发动机原理28发动机原理29过程示功图过程描述作用（P0=0.1015MPa终点温度T(K)进气r-a线活塞下行，进开吸入新鲜混合气汽：0.075~0.08柴：0.08~0.09汽：370~400柴：300~340压缩a-c线活塞上行，进关排关增大工作过程温差，提高热功转换效率，为燃烧创造条件汽：0.6~2.0柴：3.0~5.0汽：600~750柴：750~1000燃烧c-z线上死点附近，进关排关化学能转变为热能，工质的压力、温度升高汽：3.0~6.5柴：4.5~9.0汽：2200~2800柴：1800~2200膨胀z-b线活塞下行，进关排关活塞主动对外做功，热能转变为机械能，工质的压力、温度下降汽：0.3~0.6柴：0.2~0.5汽：1200~1500柴：1000~1200排气b-r线活塞上行，进关排开排出废气汽：0.105~0.115柴：0.105~0.115汽：900~1200柴：700~900发动机原理30终点压力P(MPa)发动机原理31柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力pZ很高，但因相对于燃油的空气量大，所以最高燃烧温度TZ值反而比汽油机低。所以各个过程的温度均比汽油机低，唯独压缩过程终点时高于汽油机；压缩比高，所以柴油机膨胀比也大，转化为有用功的热量多，热效率高，所以膨胀终了的温度和压力均比汽油机小。而其他过程的压力均高于汽油机。发动机原理32第三节

实际循环的评定—指示指标指示指标用来评定实际循环质量的好坏，以工质在气缸内对活塞做功为基础。循环的动力性（做功能力）平均指示压力pmi指示功率Pi循环的经济性指示热效率ηi指示燃料消耗率bipmi（MPa）汽油机0.8-1.5柴油机0.7-1.1平均指示压力pmi（MPa）是发动机单位气缸发动机原理33一、平均指示压力pmi

工作容积的指示功pmi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标Wi

VspmiS

103Wi

pmiVs

pmiD2

4发动机原理34以一个假想的、大小不变的压力作用在活塞上，使活塞移动一个行程，其所做的功等于循环功，则此假想的压力即为平均指示压力

pmi35二、指示功率Pi发动机单位时间所做的指示功。

n

260pmiVsin

30

发动机原理i

P

i

Wi发动机原理36三、指示热效率ηi和指示燃料消耗率bi指示热效率ηi是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值

。指示燃料消耗率bi

（简称指示比油耗）是指单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的耗油量表示。

[g／（kW·h）]WiQ1i

103

BP

ibi

ηibi[g／（kW·h）]汽油机0.3-0.4205-320柴油机0.4-0.5170-205发动机原理37ηi

、

bi的大致范围发动机原理38第四节

发动机经济性和动力性的评定

—有效指标发动机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了发动机整机的性能，通常称它们为有效指标。发动机原理39两类指标的比较指示指标（i）

以工质在气缸内对活塞做功为基础，评定实际循环质量的好坏。有效指标（e）

以曲轴对外输出的功率为基础，代表整机的性能。Pe=Pi-Pm发动机原理40一、发动机动力性能1.

有效功率Pe

机械损失功率Pm

1)发动机内部运动零件的摩擦损失。比例最大2)驱动附属机构的损失3)泵气损失，指进排气过程所消耗的功发动机有效功率Pe由试验测得2.

有效转矩Ttq发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有

0.1047Ttqn103

Ttqn9550

2nTtq601000

效转矩TtqP

e

Ttq

pmi（MPa）pme（MPa）汽油机0.8-1.50.7-1.3柴油机0.7-1.10.6-1.0平均有效压力pme（MPa）是发动机单位气缸工发动机原理413.

平均有效压力pme

作容积输出的有效功pme值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强。它是评定发动机动力性的重要指标pme30P

e

iVsn发动机原理424.

转速n和活塞平均速度Cm提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大Cm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损增大，寿命下降，Cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s，柴油机不超过13m/s为了提高转速又不使Cm过大，由上式知，可以减小行程S，即对于高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比（S/D）值。当S/D<1时，常称为短行程Sn30Cm

ηe是发动机的有效功We（J）与所消耗燃料热量be[g/（kW·h）]是单位有效功的耗油量（简称耗发动机原理43二、发动机经济性能1.

有效热效率ηe

Q1之比值2.

有效燃料消耗率be

油率），通常以每千瓦小时的耗油量表示We

Q1e

1000

BP

ebe

ηtηiηebi[g/(kW·h)]be[g/(kW·h)]汽油机0.54-0.580.3-0.40.25-0.3205-320270-325柴油机0.64-0.670.4-0.50.3-0.45170-205190-285发动机原理44ηt

、ηi

、

ηe

、

bi

、be的大致范围升功率PL（kW／L）是发动机每升工作容积所发出的发动机原理45三、发动机强化指标1.

升功率PL和比质量me

有效功率。它用来衡量发动机容积利用的程度。比质量me（kg／kW）是发动机的干质量m与所给出的标定功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性。2.

强化系数pmeCm其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。pmen

30pmeVsin

30Vsi

P

eVsiP

L

L（kW／e（kg／mem（MPa·m／汽油机30-701.1-4.08-17汽车柴油机18-302.5-9.06-1146升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围p

C

m发动机原理P标准名称生效时间CO-1/g.kmHC-1/g.kmNOX-1/g.kmNOX+HC-1/g.km测试规范欧洲11992.072.72－－0.97ECE+EUDC欧洲21996.012.20－－0.50欧洲3①2000.012.300.200.15－修改试验规范②2000.012.300.120.15－欧洲4①2005.012.300.100.08－②2005.012.300.100.08－发动机原理47第五节

发动机的环境指标一、排放（欧洲排放体系）①表示欧盟委员会建议；②表示欧盟议会建议。发动机原理48第一部分（ECE），试验时需运行4个循环，总时间为13min。每循环持续时间为195s，总里程为4.052km，每循环里程为1.013km，平均车速为18.7km／h（不包括怠速时为27.01km／h）最高车速为

50km／h，怠速时间占31％。第二部分为附加的市区行驶工况（EUDC），总时间为1220s，试验里程为11.007km，平均速度为32.5km／h（不包括怠速时为42.6km／h），最高车速为120k／h，怠速时间占26.2％。取样开始时刻为试验开始40s后。欧3（2000年）改为启动后即取样。发动机原理49二、噪声按产生机理分：流体噪声、机械噪声、电磁噪声、燃烧噪声危害：刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝交通运输噪声是现代城市的主要噪声源，约占城市噪声的75%，而其中发动机又是汽车的主要噪声源。包含流体噪声、机械噪声和燃烧噪声。发动机原理50第六节

机械损失机械损失所消耗的功率占指示功率的10%-30%。降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环得到的功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高发动机性能重要的一个方面。机械损失名称占Pm的百分比（%）占Pi的百分比（%）摩擦损失其中活塞及活塞环连杆、曲轴轴承配气机构62-7545-6015-202-38-20驱动各种附件损失其中水泵风扇机油泵电器设备10-202-36-81-21-21-5带动机械增压器损失6-10泵气损失10-202-4总功率损失10010-30发动机原理51机械损失分配情况发动机原理52一、机械效率ηm机械效率ηm是有效功率和指示功率的比机械效率ηm的大致范围是：

汽油机

0.7-0.9

柴油机0.7-0.85pmm

pmiP

m

P

ipmepmiP

e

P

i11m

发动机原理56三、影响机械损失的因素1.

气缸直径及行程根据试验，机械损失功率与缸径、行程的大致关系为发动机工作容积增加，即加大缸径或行程时，机械效率提高。当气缸工作容积一定，而行程、缸径比（S／D）减小时，机械效率提高。SDm

DP

m

K发动机原理572.

摩擦损失（1）活塞组件产生摩擦的部件：活塞环、活塞裙部和活塞销主要影响因素：活塞环的结构与组合、活塞裙部的几何形状，缸套的温度及配合间隙等采取的措施：减少活塞环数目，减薄活塞环厚度，减少活塞裙部的接触面积，在裙部涂固体润滑膜等（2）曲轴组件产生摩擦的部件：轴颈与轴承、密封装置主要影响因素：润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比采取的措施：减少运动件的惯性质量，降低轴承负荷并使轴承宽度和轴径减小发动机原理58（3）配气机构产生摩擦的部件：气门与气门导管、摇臂与凸轮主要影响因素：低转速下，负荷主要由弹簧力引起；高转速时，负荷主要由惯性力引起采取的措施：减少运动件的惯性质量发动机转速上升（Cm随之加大），致使：发动机原理593.

转速n（或活塞平均速度Cm）

1）各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加2）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加3）泵气损失加大4）驱动附件消耗的功多因此，n上升，机械损失功率增加，机械效率ηm下降提高转速强化发动机的动力性能与ηm的降低相互矛盾发动机原理60发动机原理61发动机原理624.

负荷发动机原理635.

润滑油品质和冷却水温度（1）润滑油润滑油粘度：即稠稀程度，表示了流体分子之间内摩擦力的大小。粘度大，内摩擦力大，流动性差，使摩擦损失增加，但承载能力强，易于保持液体润滑状态润滑油粘度主要受油的品种和温度的影响粘度比：表示粘度随温度的变化程度，即50℃和100℃时润滑油运动粘度的比值γ50/γ100。粘度比愈大，粘度随温度变化愈大。希望粘度随温度变化小，以保证内燃机在各种热状态下都能工作良好选用原则；在保证发动机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量选用粘度较小的润滑油，以减少摩擦损失，改善起动性能发动机原理64（2）冷却水温度在发动机使用过程中，应严格保持一定的油温和水温，即限制在一定热力状态下工作。提高水温，对性能有益，但受水的沸点限制，一般水冷发动机，水温多在80～95℃范围50%掺比的乙二醇冷却液，沸点108

℃，冰点-36℃。理论循环（四个假设）实际循环差异假设工质是理想气体，物理常数与标准状态下的空气物理常数相同（比热容是定实际气体比热是随温度上升而增大，因此循环的最高温度降低，存在泄漏使工质数量减少Wk假设工质是在闭口系统中作封闭循环为使循环重复进行，必须更换工质，换气损失（泵气损失+提前排气损失W）Wr假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程气缸壁和工质间始终存在着热交换，使压缩、膨胀线均脱离理论循环的绝热压缩、膨胀线Wb假设燃烧是外界无数数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热（1）燃烧需要一定的时间，所以喷油或点火在上止点前，并且燃烧还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失（2）部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失（3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热使循环的最高温度下降Wz发动机原理65第七节

热平衡一、

实际循环热平衡1、实际循环与理论循环（空气标准循环）的差异发动机原理66ηtηiηebi[g/(kW·h)]be[g/(kW·h)]汽油机0.54-0.580.3-0.40.25-0.3205-320270-325柴油机0.64-0.670.4-0.50.3-0.45170-205190-285发动机原理67ηt

、ηi

、

ηe

、

bi

、be的大致范围名称汽油机柴油机理论循环热效率ηt0.54-0.580.64-0.67指示热效率ηi0.30-0.400.40-0.4