汽车发动机原理完整版课件.ppt

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1、 第一节内燃机理论循环概述第一节内燃机理论循环概述第二节内燃机实际循环与热损失第二节内燃机实际循环与热损失第三节热平衡第三节热平衡第四节指示指标第四节指示指标第五节有效指标第五节有效指标第六节机械损失第六节机械损失第七节燃烧热化学第七节燃烧热化学第八节燃烧基本理论第八节燃烧基本理论第九节实际循环的近似计算第九节实际循环的近似计算热计算热计算第十节第十节 实际循环数值计算的基本微分方程式实际循环数值计算的基本微分方程式第一章内燃机性能指标及实际循环热计算第一章内燃机性能指标及实际循环热计算本章要求：本章要求：1. 掌握内燃机三种理想循环，理解内燃机实际循环掌握内燃机三种理想循环，理解内燃机实际循

2、环与热损失，了解内燃机热平衡；与热损失，了解内燃机热平衡；2. 掌握内燃机指示指标与有效指标，理解机械损失掌握内燃机指示指标与有效指标，理解机械损失及其测试方法；及其测试方法；3. 熟悉内燃机燃烧热化学及基本理论，了解内燃机熟悉内燃机燃烧热化学及基本理论，了解内燃机实际循环的热近似计算，了解时间循环数值计算实际循环的热近似计算，了解时间循环数值计算的基本微分方程。的基本微分方程。高速柴油机高速柴油机:混合加热循环混合加热循环燃烧过程基本上由定容燃燃烧过程基本上由定容燃烧和定压燃烧烧和定压燃烧1.混合加热循环混合加热循环第一节第一节 内燃机理论循环概述内燃机理论循环概述一、理想循环一、理想循环

3、汽油机中混合汽油机中混合气燃烧迅速，近似气燃烧迅速，近似为定容加热循环。为定容加热循环。 2定容加热循环定容加热循环 高增压和低速大高增压和低速大型柴油机工作循环近型柴油机工作循环近似为定压加热循环。似为定压加热循环。 3定压加热循环定压加热循环二、评定指标二、评定指标混合加热循环混合加热循环111111KKKt1循环热效率循环热效率2循环平均压力循环平均压力taKtmKKpp1111混合加热循环混合加热循环12:56由上述理论循环的由上述理论循环的tt和和t t表达式可得出以下结论表达式可得出以下结论: :( () )增加增加,可提高可提高t,t,但其提高率将随但其提高率将随值的不断增值的不

4、断增大而逐渐降低。大而逐渐降低。( () )增大增大，由于可增加混合循环中等容部分的加热量，由于可增加混合循环中等容部分的加热量，从而导致热量利用率的提高，因而也可使从而导致热量利用率的提高，因而也可使tt提高。提高。( ()和和的增长，将伴随着最高循环压力的增长，将伴随着最高循环压力z z的急剧的急剧上升。上升。( () )增大增大，可提高，可提高t t，但由于，但由于的增大相当于混合的增大相当于混合循环中等压部分的加热量增加了，因此循环中等压部分的加热量增加了，因此tt将随之降低。将随之降低。( () )绝热指数越大，则绝热指数越大，则t t越高，越高，第二节第二节 内燃机实际循环与热损内

5、燃机实际循环与热损失失发动机实际循环与发动机实际循环与理论循环的比较理论循环的比较1.实际循环中，燃烧前后工质成分、数量改变；实际循环中，燃烧前后工质成分、数量改变；2.实际循环中，存在进、排气过程中的流动阻力损失实际循环中，存在进、排气过程中的流动阻力损失和有用功损失；和有用功损失；3.气缸壁的气缸壁的工质与周围环境的热量交换；工质与周围环境的热量交换；4.（1）燃料燃烧速度的有限性）燃料燃烧速度的有限性 a.压缩负功的增加压缩负功的增加 ; b.最高压力的下降最高压力的下降; c.初始膨胀比减小。初始膨胀比减小。（2）后燃及不完全燃烧）后燃及不完全燃烧（3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热，

6、是循环最高温度下降。）在高温下部分燃烧产物分解而吸热，是循环最高温度下降。5.时间时间损失损失6.其他几项其他几项损失损失第三节第三节 热平衡热平衡一.一. 热量分配情况：热量分配情况：（1）一部分转化为有用功）一部分转化为有用功 ；（2）一部分传递给冷却介质：）一部分传递给冷却介质：（3）废气带走的热量；）废气带走的热量；（4）不完全燃烧、辐射热、驱动附件的能量）不完全燃烧、辐射热、驱动附件的能量消耗等其他热量损失消耗等其他热量损失. QT=Qe+Qs+Qr+Qb+QL 100%=qe+qs+qr+qb+ql二二. .发动机热平衡发动机热平衡第四节第四节 指示指标指示指标示功图示功图： 气缸

7、内工质的压力气缸内工质的压力p随气缸工作容积随气缸工作容积v或曲或曲轴转角轴转角变化的图形称为示功图。变化的图形称为示功图。1. 指示功指示功Wi：气缸内完成一个工作循环所作的有用功。可由：气缸内完成一个工作循环所作的有用功。可由p-v图图中闭合曲线包围的面积求得。中闭合曲线包围的面积求得。 Wi = Fi ab / 106 (J) 2. 平均指示压力平均指示压力pi：单位气缸容积一个工作循环所作的指示功。：单位气缸容积一个工作循环所作的指示功。 pi = Wi / Vh (MPa) 指示功率指示功率Pi：发动机单位时间内所作的指示功。：发动机单位时间内所作的指示功。一一. .指示功和平均指示

8、压力指示功和平均指示压力二二. .指示功率指示功率1. 指示热效率指示热效率i：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。 i = Wi / Q1 2. 指示燃油消耗率指示燃油消耗率gi：单位指示功的耗油量。：单位指示功的耗油量。三三. .指示热效率和指示燃油消耗率指示热效率和指示燃油消耗率第五节第五节 有效指标有效指标一一. .内燃机动力性指标内燃机动力性指标1.有效功率有效功率Pe：发动机功率输出轴上实际输出的净功率。：发动机功率输出轴上实际输出的净功率。 Pe = Pi - Pm (kW)2.有效转矩有效转矩Me：发动机工作时，由功率输出轴

9、输出的转矩。：发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩。3.平均有效压力平均有效压力pe：发动机单位气缸工作容积输出的有效功，反映：发动机单位气缸工作容积输出的有效功，反映了发动机输出转矩了发动机输出转矩Te的大小。的大小。(/ )30msncm s 四行程内燃机曲轴旋转一圈，则活塞上、下移动两个活塞行四行程内燃机曲轴旋转一圈，则活塞上、下移动两个活塞行程。所以转速与活塞平均速度的关系为：程。所以转速与活塞平均速度的关系为：4.转速转速n和活塞平均速度和活塞平均速度Cm二二. .内燃机经济性指标内燃机经济性指标1.有效热效率有效热效率e：实际循环的有效功与为得到有效功所消耗热量的：实际循环的有效功

10、与为得到有效功所消耗热量的比值。比值。2. 有效燃油消耗率有效燃油消耗率ge：单位有效功率的耗油量。：单位有效功率的耗油量。三三. .内燃机强化程度内燃机强化程度(/ )3030eheLhp V inp nkw LV i 1.1.升功率升功率：发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功率。：发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功率。2.2.比质量比质量：发动机的质量发动机的质量G与所发出的标定功率之比。与所发出的标定功率之比。3.3.强化系数强化系数：平均有效压力平均有效压力与活塞平均速度与活塞平均速度的乘积称为强的乘积称为强化系数。化系数。四四. .内燃机其他性能评定内燃机其他性能评定1

11、排气品质排气品质 汽车的排放标准对氮氧化物汽车的排放标准对氮氧化物()、碳氢化合物、碳氢化合物() 及一及一氧化碳氧化碳() 种危害最大的气体的排放量都做出限额规定。种危害最大的气体的排放量都做出限额规定。排气颗粒是指排放物中除水以外的各种液态和固态微粒。排气颗粒是指排放物中除水以外的各种液态和固态微粒。2噪声噪声 汽车是城市中主要的噪声源之一，发动机又是汽车的主要噪声汽车是城市中主要的噪声源之一，发动机又是汽车的主要噪声源。源。3起动性起动性 我国标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机在我国标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机在-10、柴油机在、柴油机在-5以下的气温条件下起动发动

12、机时，以下的气温条件下起动发动机时，15s以内发动机以内发动机要能自行运转。要能自行运转。第六节第六节 机械损失机械损失机械损失分配情况机械损失分配情况12:56 由上表可知，机械损失所消耗的功率占指示功率由上表可知，机械损失所消耗的功率占指示功率的的1010 - 30- 30，是不可忽视的功率损失，降低机械损是不可忽视的功率损失，降低机械损失，特别是摩擦损失，失，特别是摩擦损失，使实际循环发出的指示功尽可能使实际循环发出的指示功尽可能转变成对外输出的有效功转变成对外输出的有效功，是提高内燃机性能的一个重，是提高内燃机性能的一个重要途径。要途径。一一. .机械效率机械效率机械效率机械效率是有效

13、功率和指示功率的比值。是有效功率和指示功率的比值。机械效率的大致范围是：机械效率的大致范围是：汽油机汽油机 0.70.9柴油机柴油机 0.70.85二二. .机械损失的测定机械损失的测定 让内燃机在给定的工况下稳定运转，让内燃机在给定的工况下稳定运转， 当冷却水和机油温度到达正常值时，立即切断供油当冷却水和机油温度到达正常值时，立即切断供油 （柴（柴油机）或停止点火（汽油机），同时将油机）或停止点火（汽油机），同时将电力测功器电力测功器转换转换为电动机，以给定转速倒拖内燃机，为电动机，以给定转速倒拖内燃机， 此过程中尽可能维持冷却水和机油温度不变，此过程中尽可能维持冷却水和机油温度不变， 这时

14、电力测功器所测得的倒拖功率即为内燃机在该工况这时电力测功器所测得的倒拖功率即为内燃机在该工况下的机械损失功率。下的机械损失功率。1.1.倒拖法倒拖法 首先将内燃机调整到给定工况稳定工作，测定其首先将内燃机调整到给定工况稳定工作，测定其有效功有效功率率，然后停止向一个气缸（例如第一缸）供油，并调整测功，然后停止向一个气缸（例如第一缸）供油，并调整测功器的阻力矩，使内燃机恢复到原来的转速，再测定内燃机的器的阻力矩，使内燃机恢复到原来的转速，再测定内燃机的有效功率，由于有一个气缸不工作，第二次测得的有效功率有效功率，由于有一个气缸不工作，第二次测得的有效功率比第一次测得的小，两者之差即为停油气缸的比

15、第一次测得的小，两者之差即为停油气缸的指示功率指示功率，然，然后恢复第一缸的工作，同法，依次使各缸熄火，即可测得对后恢复第一缸的工作，同法，依次使各缸熄火，即可测得对应的有效功率、应的有效功率、。 2.2.灭缸法灭缸法各缸的指示功率为：各缸的指示功率为： 1(1)ieePPP2(2)ieePPP将上列各式相加得到将上列各式相加得到整机指示功率整机指示功率为：为：12(1)(2)(iiieeePPPiPPP）因此，因此，机械损失功率机械损失功率为为 (1)(2)(1)(mieeeePPPiPPP）3.3.油耗线法油耗线法 在在负荷特性曲线负荷特性曲线中找出接近直线的线条，并顺此线条作延中找出接近

16、直线的线条，并顺此线条作延长线，直到与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即该机的长线，直到与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即该机的平均机械损失压力平均机械损失压力。 4.4.示功图法示功图法 录取被测内燃机一个汽缸的录取被测内燃机一个汽缸的示功图示功图，然后算出，然后算出 值，值，同时从测功器上记录该工况的读数值并由此算出同时从测功器上记录该工况的读数值并由此算出 值，值，二者之差值即为该工况下内燃机的二者之差值即为该工况下内燃机的平均机械损失压力平均机械损失压力。三三. .影响机械效率的因素影响机械效率的因素 或或 增大，各摩擦副之间的相对速度增加，增大，各摩擦副之间的相对速度增加，摩擦

17、损失摩擦损失增大，同时曲柄连杆机构的增大，同时曲柄连杆机构的惯性力增大惯性力增大，活塞的侧压力和轴承，活塞的侧压力和轴承负荷增大，摩擦损失也增大。增大，负荷增大，摩擦损失也增大。增大，泵气损失泵气损失、驱动附件消驱动附件消耗的功耗的功随之增加，所以随之增加，所以机械效率下降机械效率下降。1.1.转速转速n(n(或活塞平均速度或活塞平均速度C Cm m) )2.2.负荷变化负荷变化m负荷增加，则当当n n不变，负荷不变，负荷, ,则则P Pi i,而而P Pm m基本不变。基本不变。 在保证内燃机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽在保证内燃机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量量选用粘度较小

18、选用粘度较小的机油，以减少摩擦损失，改善起动性能。的机油，以减少摩擦损失，改善起动性能。 冷却液温度冷却液温度直接影响内燃机的热负荷，所以与机油粘度直接影响内燃机的热负荷，所以与机油粘度也密切相关，从而也影响到摩擦的大小。也密切相关，从而也影响到摩擦的大小。3.3.润滑油品质和冷却液温度润滑油品质和冷却液温度第七节第七节 燃烧热化学燃烧热化学一一. .燃烧所必备的空气量燃烧所必备的空气量1 1.1.1kgkg燃料完全燃烧所需的理论空燃料完全燃烧所需的理论空气气量量设设1 1kgkg燃料中含燃料中含C Cg gC Ckg Hkg Hg gH Hkg Okg Og gO Okgkg2222212C

19、OCOHOH O所以所以1kg1kg燃料完全燃烧所需的氧气量为：燃料完全燃烧所需的氧气量为： 12432cOHgggkmolkmolkmol01()/0.21 12432cOHgggLkmol kg12:56几种主要液体燃料的成分几种主要液体燃料的成分、热值及理论空气热值及理论空气2 2. .过量空气系数过量空气系数0LLL表示发动机工作过程中每表示发动机工作过程中每1kg燃料实际供给的空气量燃料实际供给的空气量,L0表示表示1kg燃料完全燃烧需要的理论空气量燃料完全燃烧需要的理论空气量 1 稀混合气稀混合气11的情况的情况柴油机：柴油机：汽油机：汽油机：2 2. .11的情况的情况仅在汽油机

20、上出现。仅在汽油机上出现。三三. .实际分子变更系数实际分子变更系数 内燃机工作时，由于汽缸中废气不可能完全排除干净，每内燃机工作时，由于汽缸中废气不可能完全排除干净，每次吸入新鲜充量时都有上个循环留下来的次吸入新鲜充量时都有上个循环留下来的残余废气残余废气，因此研究，因此研究燃烧前、后工质摩尔数的变化时，应将这种实际情况考虑进去。燃烧前、后工质摩尔数的变化时，应将这种实际情况考虑进去。 考虑了考虑了残余废气残余废气后，燃烧后的工质摩尔数后，燃烧后的工质摩尔数与燃烧前工与燃烧前工质摩尔数质摩尔数之比称为之比称为实际分子变更系数实际分子变更系数，以，以表示表示:第八节第八节 燃烧基本理论燃烧基本

21、理论一一. .连锁反应的机理及燃烧放热规律连锁反应的机理及燃烧放热规律1 1. .连锁反应的基本概念连锁反应的基本概念 链锁反应过程包括：链锁反应过程包括： 链引发：链引发：反应物分子受到某种因素激发（如受热裂解、受反应物分子受到某种因素激发（如受热裂解、受光辐射等）分解成自由原子或自由基。光辐射等）分解成自由原子或自由基。 链传播：链传播：自由原子或自由基与反应物作用，一方面使反应自由原子或自由基与反应物作用，一方面使反应进行，另一方面又生成新的自由原子（基）。进行，另一方面又生成新的自由原子（基）。 直链反应直链反应一个活化中心与反应物作用产生一一个活化中心与反应物作用产生一 个新的活化中

22、心，反应以恒速进行。个新的活化中心，反应以恒速进行。 支链反应支链反应一个活化中心引起的反应，同时生成一个活化中心引起的反应，同时生成 两个以上的活化中心，反应速度急剧增长。两个以上的活化中心，反应速度急剧增长。 链中断：链中断：自由原子（基）与容器壁面或惰性气体分子碰撞，自由原子（基）与容器壁面或惰性气体分子碰撞，反应能力下降，不再引起反应。反应能力下降，不再引起反应。例如：氢的燃烧化学方程：例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O22H2O实际过程是：实际过程是：链引发：链引发：H2 2H链传播链传播(链爆炸链爆炸)：H+O2 OH+O O+H2OH+H 2OH+H2 2H2O+2H链中断：链中

23、断：H+H+M H2+M（M是惰性气体分子）是惰性气体分子） H+OH+M H2O+M H+O+M OH+M2 2. .有效反应概念和连锁化学反应的普遍方程式有效反应概念和连锁化学反应的普遍方程式 所谓有效反应是指能获得最终产物及活化中心的反应。所谓有效反应是指能获得最终产物及活化中心的反应。 链锁化学反应的速度链锁化学反应的速度与与有效反应中心的生成速度有效反应中心的生成速度成正比。成正比。如果将有效反应中心的生成速度与原始物质的分子数的比如果将有效反应中心的生成速度与原始物质的分子数的比值称为值称为有效反应中心的相对密度有效反应中心的相对密度，则，则: : 连锁反应速度的普遍方程式为：连锁

24、反应速度的普遍方程式为：3 3. .内燃机燃烧速度的半经验方程式内燃机燃烧速度的半经验方程式燃烧品质指数燃烧品质指数对燃烧百分比对燃烧百分比和燃烧速度和燃烧速度 / 的影响的影响二二. .预混合气体中的火焰传播预混合气体中的火焰传播1 1. .火焰核心的形成火焰核心的形成 预混合气体在外源点火的情况下形成火焰核心的前提条件预混合气体在外源点火的情况下形成火焰核心的前提条件是是火花塞附近的混合气必须具备一定的浓度火花塞附近的混合气必须具备一定的浓度。汽油机预混合气。汽油机预混合气体的着火浓度范围为体的着火浓度范围为 0.50.5 -1.3-1.3。 在预混合气体中，从在预混合气体中，从火花塞跳火

25、花火花塞跳火花至至火焰核心形成火焰核心形成要经历要经历一段时间。这段时间的长短与一段时间。这段时间的长短与火花塞附近预混合气体的压力、火花塞附近预混合气体的压力、温度、氧的浓度、燃料种类、混合气浓度、气流运动状况、电温度、氧的浓度、燃料种类、混合气浓度、气流运动状况、电火花的性质、电极几何形状和距离火花的性质、电极几何形状和距离等诸多因素有关。等诸多因素有关。2 2. .火焰的传播火焰的传播（1 1）=0.850.95时时，火，火焰传播速度焰传播速度u u最大最大, ,用此混用此混合气时，发动机的功率达合气时，发动机的功率达最大，故称最大，故称功率混合比。功率混合比。（2 2）=1.031.1

26、 时时，燃烧燃烧最完全，热效率最高，油最完全，热效率最高，油耗最低，故称耗最低，故称经济混合比。经济混合比。 对火焰传播的影响对火焰传播的影响三三. .燃油喷雾与扩散燃烧燃油喷雾与扩散燃烧1 1. .燃油喷雾与混合燃油喷雾与混合 喷入汽缸中的燃油首先要经历喷入汽缸中的燃油首先要经历破碎破碎和和雾化雾化过程。燃油喷入过程。燃油喷入汽缸后的雾化、吸热、汽化的过程总是伴随着混合气的形成过汽缸后的雾化、吸热、汽化的过程总是伴随着混合气的形成过程，即程，即边雾化、边混合边雾化、边混合的过程，以逐步形成可燃混合气。柴油的过程，以逐步形成可燃混合气。柴油机混合气形成的方式有多种形式，如雾化混合型、油膜混合型

27、、机混合气形成的方式有多种形式，如雾化混合型、油膜混合型、雾化雾化- -油膜混合型等。油膜混合型等。 不管具体柴油机的混合气形成哪种形式，在一个循环的工不管具体柴油机的混合气形成哪种形式，在一个循环的工作过程中混合气的形成都必须经历作过程中混合气的形成都必须经历预混合预混合和和扩散混合扩散混合这样两个这样两个阶段。阶段。 预混合燃烧预混合燃烧 扩散燃烧扩散燃烧2 2. .扩散燃烧的特点扩散燃烧的特点 扩散燃烧阶段的燃烧情况非常复杂，它既存在扩散燃烧阶段的燃烧情况非常复杂，它既存在预混合燃预混合燃烧烧的形式，又存在的形式，又存在单油滴的扩散燃烧单油滴的扩散燃烧形式，是一种形式，是一种气、液双气、

28、液双相混合相混合的燃烧过程。的燃烧过程。 柴油机中的燃烧，不管是预混合气的均相气相燃烧，还柴油机中的燃烧，不管是预混合气的均相气相燃烧，还是微油滴群的油滴扩散燃烧，都仅与是微油滴群的油滴扩散燃烧，都仅与局部的油气比例局部的油气比例和和着火着火环境环境有关，而与整个燃烧室中油气的宏观比例无关。有关，而与整个燃烧室中油气的宏观比例无关。 柴油机燃烧过程的另一特点是它容易生成柴油机燃烧过程的另一特点是它容易生成炭烟炭烟。第九节第九节 实际循环的近似计算实际循环的近似计算热计算热计算一一. .燃烧热化学计算燃烧热化学计算根据给定或选定的燃料成分、过量空气系数根据给定或选定的燃料成分、过量空气系数 和和

29、残余废气系数残余废气系数 计算下列各值计算下列各值: :1kg1kg燃料所需的理论空气量燃料所需的理论空气量；新鲜充量的摩尔数新鲜充量的摩尔数；燃烧产物的摩尔数燃烧产物的摩尔数；残余废气的摩尔数残余废气的摩尔数；理论分子变更系数理论分子变更系数；实际分子变更系数实际分子变更系数。二二. .换气过程参数的确定换气过程参数的确定1 1. .进气终点压力进气终点压力p pa a p p是影响是影响充气效率充气效率的主要因素，对的主要因素，对泵气损失泵气损失也有影也有影响。一般情况下，进气终点的汽缸内压力响。一般情况下，进气终点的汽缸内压力 低于进气低于进气系数的压力，其差值取决于系数的压力，其差值取

30、决于吸气过程中的压力降吸气过程中的压力降。 ( (非增压内燃机非增压内燃机) ) ( (增压内燃机增压内燃机) )式中式中: :环境大气压力；环境大气压力； 增压压力。增压压力。2 2. .残余废气系数残余废气系数3 3. .进气终点温度进气终点温度T Ta a4 4. .充气效率充气效率v v三三. . 压缩过程压缩过程压缩比压缩比是内燃机的一个重要结构参数。是内燃机的一个重要结构参数。汽油机压缩比的选取主要受到汽油机压缩比的选取主要受到燃料和燃烧室结构类型、燃料和燃烧室结构类型、排气污染和不正常燃烧现象排气污染和不正常燃烧现象等的限制，它的等的限制，它的比柴油比柴油机低得多。机低得多。 的

31、大致范围是的大致范围是: : 汽油机汽油机 柴油机柴油机 增压柴油机增压柴油机 四四. . 燃烧过程计算燃烧过程计算柴油机的燃烧方程式：柴油机的燃烧方程式：汽油机的燃烧方程式：汽油机的燃烧方程式：五五. . 膨胀过程膨胀过程膨胀终点的压力和温度：膨胀终点的压力和温度：六六. . 平均指示压力和指示热效率的计算平均指示压力和指示热效率的计算平均指示压力平均指示压力p pi i：指示热效率指示热效率i i：七七. . 实际循环热计算举例实际循环热计算举例试对试对 柴油机标定工况进行实际循环热计算。柴油机标定工况进行实际循环热计算。已知条件为已知条件为: :缸径缸径135行程行程 140缸数缸数 1

32、2h功率功率 . 转速转速1500r/min压缩比压缩比 16.5每缸工作容积每缸工作容积 曲柄半径与连杆长度比曲柄半径与连杆长度比 / /大气状态大气状态 100kPa， 288K燃料平均质量成分燃料平均质量成分0.87，0.126，0.004燃料低热值燃料低热值 42500kJ/kg燃料燃料燃烧室形式燃烧室形式 形分开式形分开式. . 参数选择参数选择. . 燃料热化学计算燃料热化学计算. . 换气过程参数计算换气过程参数计算. . 压缩过程计算压缩过程计算. . 燃烧过程计算燃烧过程计算. . 膨胀过程计算膨胀过程计算. . 平均指示压力计算平均指示压力计算. . 指示热效率计算指示热效

33、率计算. . 指示燃油消耗率计算指示燃油消耗率计算10. 10. 有效热效率有效热效率 和有效燃油消耗率计算和有效燃油消耗率计算11. 11. 平均有效压力平均有效压力 和有效功率计算和有效功率计算计算步骤：计算步骤： 实际循环热计算的数学模型虽不算复杂，但实际循环热计算的数学模型虽不算复杂，但计算计算步骤仍较烦琐，手算很费时间步骤仍较烦琐，手算很费时间。 特别是在特别是在经验数据选经验数据选择不当择不当，需另选数据进行重算时尤显烦琐。，需另选数据进行重算时尤显烦琐。 如果将热如果将热计算的数学模型计算的数学模型编成计算机程序编成计算机程序，然后上机进行计算，然后上机进行计算可大大缩短时间。可

34、大大缩短时间。八八. . 热计算的计算机程序编制热计算的计算机程序编制第十节第十节 实际循环数值计算实际循环数值计算一一. .数值计算的数学模型数值计算的数学模型. . 单纯燃烧放热率计算单纯燃烧放热率计算. . 零维燃烧模型零维燃烧模型. . 准维燃烧模型准维燃烧模型. . 多维燃烧模型多维燃烧模型. .模型假定模型假定在推导缸内工作过程计算的基本微分方程式时在推导缸内工作过程计算的基本微分方程式时 采用如下的简化采用如下的简化假定假定: :( () ) 汽缸内工质的状态是均匀的，不考虑缸内各点的压力、温汽缸内工质的状态是均匀的，不考虑缸内各点的压力、温度和浓度的差异；度和浓度的差异；( (

35、) ) 工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度和成分有关；工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度和成分有关；( () ) 气体流入或流出汽缸为准稳定流动；气体流入或流出汽缸为准稳定流动；( () ) 进、出口的动能忽略不计。进、出口的动能忽略不计。二二. .一种简单的零维模型数值计算方法一种简单的零维模型数值计算方法. . 基本微分方程组基本微分方程组四冲程柴油机实际循环数值计算的基本微分方程式：四冲程柴油机实际循环数值计算的基本微分方程式：. . 缸内实际工作过程的计算缸内实际工作过程的计算) )压缩期压缩期) )燃烧期燃烧期) )膨胀期膨胀期. . 进排气过程的计算进排气过程的计算 进

36、排气过程计算的最简单的方法是容积法，又称充满进排气过程计算的最简单的方法是容积法，又称充满- -排排空法，实际上是把进排气管系看成是与原有管道容积相当的空法，实际上是把进排气管系看成是与原有管道容积相当的一个简单容器，把不稳定的气体流动过程简化为准稳定的流一个简单容器，把不稳定的气体流动过程简化为准稳定的流进或流出，即充满和排空，把一些存在压力降的元件进或流出，即充满和排空，把一些存在压力降的元件( (如空气如空气滤清器、消声器、增压器、涡轮等滤清器、消声器、增压器、涡轮等) )简化为节流元件。这样，简化为节流元件。这样，对于简化后的简单容积系统，可以分别列出质量守恒方程、对于简化后的简单容积

37、系统，可以分别列出质量守恒方程、能量守恒方程以及气体状态方程，其形式与求解缸内参数的能量守恒方程以及气体状态方程，其形式与求解缸内参数的微分方程式相似，从而可以求解出进排气系统内气体的质量、微分方程式相似，从而可以求解出进排气系统内气体的质量、压力、温度等热力学参数。压力、温度等热力学参数。. . 内燃机性能的计算内燃机性能的计算 在机械效率或平均机械损失压力确定之后，可以根据本在机械效率或平均机械损失压力确定之后，可以根据本章第五节的有关公式，计算出内燃机有效效率、有效热效率、章第五节的有关公式，计算出内燃机有效效率、有效热效率、燃油消耗率、平均有效压力等有效性能参数。燃油消耗率、平均有效压

38、力等有效性能参数。 第一节四冲程内燃机的换气过程第一节四冲程内燃机的换气过程第二节四冲程内燃机的充气效率第二节四冲程内燃机的充气效率第三节影响充气效率的各种因素第三节影响充气效率的各种因素第四节提高充气效率的措施第四节提高充气效率的措施第五节进气管内的动力效应第五节进气管内的动力效应第六节二冲程内燃机的换气过程第六节二冲程内燃机的换气过程第二章第二章 内燃机的换气过程内燃机的换气过程本章要求：本章要求：1. 掌握四冲程内燃机的换气过程及换气损失；掌握四冲程内燃机的换气过程及换气损失；2. 掌握内燃机的充气效率及实验测定，理解充气效掌握内燃机的充气效率及实验测定，理解充气效率的影响因素，熟悉提高

39、充气效率的措施；率的影响因素，熟悉提高充气效率的措施；3. 了解进气管内的动力效应，熟悉二冲程内燃机的了解进气管内的动力效应，熟悉二冲程内燃机的换气过程。换气过程。第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程一、换气过程一、换气过程 换气过程是从换气过程是从排气阀开启排气阀开启直到直到进气阀关闭进气阀关闭的整个时期。这个过的整个时期。这个过程大约是程大约是410480曲轴转角。曲轴转角。1 1. .自由排气阶段自由排气阶段从排气门打开到气缸内压力接近于排气管压力的这段时期。从排气门打开到气缸内压力接近于排气管压力的这段时期。分为：分为：超临界状态超临界状态 亚超临界状态亚超临界状

40、态 排气阀刚开始开启时，气缸内的压力大大超过排气管内压力，排气阀刚开始开启时，气缸内的压力大大超过排气管内压力，气缸内的压力是排气管内的两倍以上。这时排气的流动处于气缸内的压力是排气管内的两倍以上。这时排气的流动处于超临超临界状态界状态，气体此时是音速流过气门的，气体此时是音速流过气门的 。 随着活塞的推移，缸内的压力迅速下降，当缸内压力与排气随着活塞的推移，缸内的压力迅速下降，当缸内压力与排气管压力之比为管压力之比为1.91.9以下时，即以下时，即P/PP/P0 01.92.0MPa）2 2. . 按增压系统的结构形式分类按增压系统的结构形式分类)机械增压系统机械增压系统)废气涡轮增压系统废

41、气涡轮增压系统 增压器的压气转子，由增压器的压气转子，由发动机曲轴通过齿轮增速箱发动机曲轴通过齿轮增速箱或其他类型传动装置或其他类型传动装置来驱动，将气体压缩并送入发动机来驱动，将气体压缩并送入发动机汽缸。汽缸。 利用利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀做功膨胀做功，废气涡轮的全部功率用于驱动压气机工作叶，废气涡轮的全部功率用于驱动压气机工作叶轮，在压气机中将新鲜空气压缩后再送入汽缸。轮，在压气机中将新鲜空气压缩后再送入汽缸。)组合式涡轮增压系统组合式涡轮增压系统)气波增压系统气波增压系统 组合式涡轮增压系统由组合式涡轮增压系统由废气涡轮增压

42、与进气惯性废气涡轮增压与进气惯性增压增压组合而成。组合而成。 由由曲轴驱动一个特殊转子曲轴驱动一个特殊转子，在转子中废气直接与空，在转子中废气直接与空气接触，气接触，利用高压废气的脉冲气波迫使空气在互相不混利用高压废气的脉冲气波迫使空气在互相不混合的情况下受到压缩合的情况下受到压缩，从而提高进气压力。，从而提高进气压力。)复合式发动机复合式发动机 将将废气动力涡轮与废气涡轮增压器废气动力涡轮与废气涡轮增压器串联起来工作，串联起来工作，称为复合式发动机。称为复合式发动机。第二节第二节 废气涡轮增压器的工作原理废气涡轮增压器的工作原理一、离心式压气机的工作原理与特性一、离心式压气机的工作原理与特性

43、1 1. . 基本工作原理和主要参数基本工作原理和主要参数 离心式压气机一般由离心式压气机一般由进气道、工作轮、扩压器进气道、工作轮、扩压器 及出气蜗壳及出气蜗壳所组成。空气流经压气机通道，完成能所组成。空气流经压气机通道，完成能量转换后，量转换后，将涡轮机传给压气机工作轮的大部分机将涡轮机传给压气机工作轮的大部分机械功转变为空气流的压力能械功转变为空气流的压力能。压气机的主要参数为压气机的主要参数为:()空气的增压比空气的增压比 / ；()流经压气机的空气每秒质量流量流经压气机的空气每秒质量流量(/ )或容或容积流量积流量( / )；()压气机转速压气机转速；()压气机的绝热效率压气机的绝热

44、效率-；()压气机功率压气机功率。2 2. . 压气机工作轮中的能量转换压气机工作轮中的能量转换 径向叶片工作轮压缩径向叶片工作轮压缩1kg空气所需要的外功空气所需要的外功，可写成，可写成: 该式确立了该式确立了压缩功与工作轮外缘切向速度之间的联系压缩功与工作轮外缘切向速度之间的联系，为为工作轮的结构设计和工作轮转速的选择工作轮的结构设计和工作轮转速的选择提供了理论依据。提供了理论依据。3 3. . 空气在扩压器中的流动空气在扩压器中的流动 扩压器为扩压器为截面逐渐增大截面逐渐增大的流道，空气流经扩压器时，的流道，空气流经扩压器时，它所具有的动能大部分它所具有的动能大部分转变为压力能转变为压力

45、能，因此，因此气流的速度降气流的速度降低低，而，而压力、温度升高压力、温度升高，扩压器通常由，扩压器通常由无叶扩压器和叶片无叶扩压器和叶片扩压器扩压器组成。组成。 压气机壳的作用是压气机壳的作用是收集从扩压器出的空气收集从扩压器出的空气，并继续进，并继续进行行气体的动能向压力能的转换过程气体的动能向压力能的转换过程，最后将空气输向发动，最后将空气输向发动机进气管。机进气管。4 4. . 压气机的流量特性压气机的流量特性)流量特性的分析流量特性的分析 压气机的流量特性压气机的流量特性，是表示在，是表示在压气机转速不压气机转速不变变时，时，压气机的增压比压气机的增压比和绝热效率和绝热效率ad-k随

46、空气随空气流量流量的变化关系。的变化关系。 气流在压气机中流动时，存在气流在压气机中流动时，存在摩擦损失和撞摩擦损失和撞击损失击损失，从而使，从而使增压比值增压比值发生变化。发生变化。)离心式压气机的喘振离心式压气机的喘振 在在一定转速一定转速下，当下，当空气流量减少到低于一定数空气流量减少到低于一定数值值时，气流发生强烈的脉动，引起时，气流发生强烈的脉动，引起整台压气机剧烈整台压气机剧烈振动振动，甚至导致，甚至导致损坏损坏，同时发出，同时发出粗暴的喘息声粗暴的喘息声，这，这种不稳定工况称为种不稳定工况称为喘振喘振。 小型增压器常采用小型增压器常采用后弯式的工作轮叶片及具有后弯式的工作轮叶片及

47、具有无叶扩压器无叶扩压器的压气机，这种压气机高效率区的的压气机，这种压气机高效率区的工作工作流量范围较大流量范围较大，特别，特别适应于流量较小的车用发动机适应于流量较小的车用发动机。5 5. . 压气机的通用特性曲线压气机的通用特性曲线 把试验时测得的上述参数根据把试验时测得的上述参数根据气流动力相似理气流动力相似理论论换算成标准大气状态下的参数值，换算成标准大气状态下的参数值， 换算后的质量换算后的质量流量称为流量称为折合流量折合流量，换算后的转速称为，换算后的转速称为折合转速折合转速。 由于由于增压比和绝热效率增压比和绝热效率是无因次参数，故仍保是无因次参数，故仍保持不变。由这些无因次参数

48、整理出的曲线称为持不变。由这些无因次参数整理出的曲线称为通用通用特性曲线特性曲线，它具有广泛的实用性。，它具有广泛的实用性。二、径流式涡轮机的工作原理与特性二、径流式涡轮机的工作原理与特性1 1. . 基本工作原理基本工作原理 径流式涡轮机主要由径流式涡轮机主要由涡轮壳、喷嘴叶片环、工作轮及涡轮壳、喷嘴叶片环、工作轮及进、出气道进、出气道等组成。等组成。 从喷嘴环中流出的从喷嘴环中流出的废气进入旋转叶轮废气进入旋转叶轮， 喷向叶轮喷向叶轮产生动力，废气在叶轮内是产生动力，废气在叶轮内是向心流动向心流动的，所以叶轮叶片的，所以叶轮叶片之间的通道也之间的通道也呈收缩型呈收缩型。气流在通道中继续膨胀

49、，并。气流在通道中继续膨胀，并将将动能转变为机械功动能转变为机械功推动叶轮旋转。推动叶轮旋转。2 2. . 径流式涡轮机特性径流式涡轮机特性 涡轮机特性就是指在涡轮机特性就是指在变工况条件变工况条件下，涡轮机的下，涡轮机的各种工作参数之间的变化关系各种工作参数之间的变化关系，涡轮，涡轮将废气能量转将废气能量转换为机械功的有效程度换为机械功的有效程度称为称为涡轮机效率涡轮机效率。 影响涡轮机效率的因素很多，除影响涡轮机效率的因素很多，除气体热力参数气体热力参数外，外，还与还与涡壳流道形状、光洁度、喷嘴环叶片和涡轮叶片涡壳流道形状、光洁度、喷嘴环叶片和涡轮叶片形状、光洁度以及制造工艺形状、光洁度以

50、及制造工艺等因素有关。等因素有关。第三节第三节 废气涡轮增压对功率和经济性的影响废气涡轮增压对功率和经济性的影响一、增压提高了空气的密度一、增压提高了空气的密度 增压器的压气机把空气从状态增压器的压气机把空气从状态“”压缩到状态压缩到状态“”所发生的密度变化。所发生的密度变化。 在在增压比一定增压比一定时，经过压气机压缩后，时，经过压气机压缩后，空气密度比显空气密度比显然提高了然提高了，但还受到，但还受到压气机绝热效率压气机绝热效率的限制。要使空气密的限制。要使空气密度提高，必须对度提高，必须对增压空气进行中间冷却增压空气进行中间冷却。二、对指示效率二、对指示效率i的影响的影响 在在过量空气系