发动机原理—教（学）案.pdf

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1、【发动机原理】教案教材：汽车发动机原理志沛主编海运学院长安大学汽车学院机电与动力研究所目录绪论第一 章 发动机工作循环及 性能指1标5述5环7衡 11发动机理想 循环概 12发动机实 际 循 1-3热平 1-4指示指8标 1-5有效指9标 1-6机1械损1失 1-7燃烧1热化3年1第1-8二 章发动发机动混合机气的的着火 和换 气燃 烧过方6式20程22-1四冲程发动机的 换气过2程22率23素25施272-2四冲程发动机的 充气效2-3影响充气效率的 各种因 24提高充气效 率的措25进气管的动态效应2 9量3 0烧3 2成3 2程3 6响；9室41烧4 6成4 6程4 9室5 7染6 0治

2、6 0治6 3性2-6羊位时间充气量与循环充 气第三章柴油机混合气 形成和燃3-1柴油机混合气形3-2柴油机的燃烧过3-33柴 油：机 供4油 系统 的柴X作油特 性 及机其 对的燃;烧 过燃程 的 影3烧第四章汽油机混合气；形成和燃4-1汽油机混合气形4-2汽油机的燃烧过4-3汽油机的燃烧第五章发动机噪声及排放污51发动机噪声污染及防52发动机排放污染及防第六章发动机特61发动机工况和性能指标6分 析6式6 6性6 6性7 0性7 26-2发动机速度特6-3发动机负荷特6-4发动机万有特绪 论6_ 5发动机调速特性7 3正6一6大气修第七章发动机Zx7架试7验71测量与计7算参9数7 9量7

3、-2参数的测77-3测取方9法第八 章车用 发动机 的废气涡8轮增压 概3述8 5能量转换：发动机一燃料的化学能-热能f机械能机械能、电能等一高级能源；热能一低级能源 发动机原理课研究：热能一机械能（转换效率：理论上小于1 0 0 96）机械能T 热 能（转换效率：理论上可达1 0 0 Q发动机：燃机和外燃机车用发动机：间歇工作式发动机四个冲程中只有一个冲程做功，做功不连续。燃气轮机：连续工作式发动机一 分 类（一）种 类1 往复活塞式（普遍）2 转子式一汪克尔式（T H E W A N K E L E N G I N E）早在1 9世纪，就有人设想过，但泄漏问题是这种发动机发展的致命弱点。它

4、结构紧凑，运转平稳，是高速车用发动机的发展方向之一。1 95 6 年德国工程师汪克尔制造出样机。目前日本已用于小轿车上，时 速 2 0 0 k m/h 左右。但光泄漏损失就要占3 0%以上。目前我国苏杭等地已经生产出了样机。与往复式比较应特别注意的一点是，往复式活塞在上下止点都稍有短暂的停留，与一般认为的观点相反，运动方向的这些改变并不影响它的效率；也就是说，在这个过程中，并没有什么固有的损失。旋转式比往复式的优越之处主要是几何形状上的紧凑性及由此而引起的一些优越之处，并非直接在气体动力学和热力学方面有何优越之处。3 摆动活塞式(R O C K I N G P I S T O N E N G

5、I N E)1 9 7 9 年日瓦发动机展览会上，展出了瑞士索罗图恩的萨尔茨曼(W.S a l e m a n n )设计部门的摆动活塞式发动机。4 斯特林(T H E S T I R L I N G E N G I N E)1 8 1 6 年由罗伯特斯特林设想在气缸外部燃烧的一种热力发动机(外燃机)，是现代发动机引人注目的一种。5 自由活塞式(F R E E P I S T O N E N G I N E)只相当于涡轮发动机的燃气发生器。(二)往复活塞式发动机的分类我们这门课主要研究目前汽车上广泛应用的往复式活塞发动机。1 按用途分类(1)灌 溉(抽 水)用 点 工 况(2)电站用n =c

6、o n s t.线工况 固定式柴油机或机组(3)船舶用N e =k n3(螺旋桨曲线)线工况 大型、低速柴油机(4)汽车、拖拉机用 变工况-面工况 中小型、高速柴油机(5)发动机车大型高速柴油机组(6)工程机械(矿山机械、建筑、石油钻探)多变型(7)坦 克 V型、多缸机(8)飞机 星型(径向式)已基本不用2 按燃油种类分类汽油机，柴油机3 按点火方式分类自行着火(压燃式)，外源点火(点燃式)4 按工作循环分类四冲程，二冲程5 按冷却方式分类水冷，风冷6 按汽缸排列分类直列式，卧式，V型，星型(径向式)7 按汽缸数目分类单缸机，多 缸 机(2,3,4,5,6,8,1 0,1 2,1 4,1 6

7、缸)8按转速分类(1)低速：n 5 0 0 r/m i n(2)中速：5 0 0 r/m i n n 1 5 0 0 r/m i n但没有明确的界限。9 按增压分类增压，非增压1 0 按能源分类(代用燃料)压缩天然气，液化天然气，液化石油气，氢气，甲醇，乙醇，二甲酸，植物油，电瓶，太阳能二优缺点(一)优 点1有效热效率高蒸汽机1 1-1 6%,蒸汽轮机3 0%,汽油机3 0%,柴油机4 0%,增压柴油机4 6%以上2功率围广Ne =0.6 3 5 0 0 0 k w3比重量小，升功率大(体积小、重量轻)比重量：柴油机3.7 k g/k w,车用汽油机1.3 7 k g/k w4起动性好可很快达

8、到全负荷（二）缺点1对燃料要求高石油紧，汽油、柴油价格高；要求一定的标号。2噪声、排污3结构较复杂三现代发动机的发展6 0年代以前：动力性，可靠性，耐久性7080年代：经济性，动力性9 0年代口号：清洁，经济，安全1相关学科日益增多，学科之间相互渗透2标准化，系列化，通 用 化（三化）3新材料，新工艺，新产品4使用计算机设计、计算零部件及其配合，精密、准确、优化5设计、零部件生产商分散一集中一分散由分散的小公司到集中的大型脱拉斯，如今又分散到小公司，其主要原因是优化产品，节省开支，降低成本。甚至象丰田、宝马这样的超级企业有时也需合作开发新产品。6电控应用日益增多，混合气制备更加完善7检测设备与

9、手段先进8低排放的代用燃料发动机正在普及，零排放的正在开发并进入实用四本课程的研究对象和任务（）对象本课程以性能指标作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，找出规律，研究提高性能指标的措施与途径。（二）性能指标1动力性指标（功率、扭矩、转速）2经 济 性 指 标（燃料和润滑油的消耗量及消耗率）3运 转 性 指 标（冷起动性、噪声和排气品质）衡量发动机的质量，还要考虑可靠性，耐久性，加工容易，操纵维修方便，成本核算等,全面综合评定。（三）工作过程发 动 机 冲 程（四个）：吸 气 f 压 缩 一 做 功 T 排气热 力 过 程（五个）：吸 气 一 压 缩 f 燃 烧 一

10、 膨 胀-排气燃 烧-膨胀为能量转换过程（四）任务研究热力过程，热力循环，整机性能明确基本概念，基本技能。培养综合分析问题的能力。（五）单位制我国的法定计量单位第一章发动机工作循环及性能指标 1-1发动机理想循环概述一实际循环向理想循环的简化（一）实 际 循 环（以车用柴油机为例）V1进气过程：01(2压缩过程：12(初期：工质吸热;3燃烧过程：2344膨胀过程：45(初期：工质放热;5排气过程：50(P P0-P P o)(二)实际循环的简化1忽略进、排气过程2压缩、膨 胀过程(复杂的多变过程)简化为绝热过程3燃烧过程简化为定容加热过程(23)和 定 压 加 热 过 程(34)4排气放热简化

11、为定容放热过程5假定工质为定比热的理想气体二理想循环及其分析比较(一)混 合 加 热 循 环一车用柴油机的理想循环1循环特征参数(1)压缩比Q岭(2)压力升高比2 =隹P 1(3)预胀比c V4P=匕2热效率%=一%1/=1 q 2V%q iv+q ip计算得：=1 1A,pk 1(A 1)+k 4(p 1)3分析(1)8为定值九T f r)tT；pT f r)t J。p=1 -r)t=c o n s t.(汽油机，定容加热循环)(2)eT r)t T；当 =20 左右时，eT r)t T 不大（二）定容加热循环（奥托O T T O 循环）-汽油机的理想循环1热效率因为：预 胀 比=1叱 1所

12、以：热 效 率%=1百2分析p =1 r|t =c o n s t.s T r|t T ；当 =1 0 左右时，s T r|t T 不大且汽油机容易爆燃，因此，汽油机s =6-1 0（三）定压加热循环（狄赛尔D I E SE L 循环）一船舶用大型低速柴油机的理想循环1热效率因为:所以:压 力 升 高 比=1P1热 效 率7 7 f=11 pk尸 k(p-l)2分析(1)为定值 p T -r|t J(2)p 为定值 e T f r|t T（四）三种理想循环热效率的比较1初态1 相同，压缩比 相同，加热量q l 相同7/.V 7,m 7,p2初 态1相同，最高压力m a x 最高温度Tnax相同

13、，放热量q 2相同 小 展 1Kpp 4 p 4 5 63k 5 1 1-2发动机实际循环发动机理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际循环。一工质改变损失（）工质性质理论上：理想气体，双原子气体。实际上：燃烧前：燃料+空气；燃烧后：燃烧产物。（二）比热理论上：定比热实际上：温度TT T比热cT（三）高温分解2例 C+0 f CO+热 量 +0 7 C02+热量其 中C O为中间产物，C 0 2为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反应，即高温分解：C02 f CO+0-热量这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。二 传 热、流动损失（一

14、）传热损失理论上：压缩、膨胀过程为绝热过程。实际上：大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的30%以上。因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。(二)流动损失理论上：闭口系统，没有气体流动损失。实际上：进、排气节流沿程损失，缸进气、挤压、燃烧涡流损失。三 换气损失理论上：忽略进、排气过程。实际上：进、排气门提前开启，迟后关闭。而且有流动阻力。换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失之中。四时间损失理论上：定容加热瞬间完成，定压加热速度与活塞运行速度密切配合。实际上：燃烧需要时间。五 补燃损失理论上：加热瞬间停止，膨胀过程无加热。实际上

15、：虽然大部分(80%以上)燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部分燃料会拖到膨胀线上才燃烧，做功效果变差，热效率下降。六泄漏损失理论上：闭口系统，无泄漏。实际上：活塞气环不会100%严密密封，总会有些气体窜到曲轴箱中，造成损失。1-3热平衡总热量：QT=GT hu 分别转化为一有效功的热量QEQe=3.6 x 10 Ne kJ/h (1 kw/h=3.6 X 103 kJ)只有这部分热量做了功，是有用的，所以希望越大越好。一般柴油机：304096；汽油机：2030%。二传递给冷却介质的热量QSQs G$cs%-4)qs-其中Gs-发动机冷却介质的每小时流量kg/h cs冷却介质比热kJ/kg,tl

16、,匕2 冷却介质的进、出口温度(三废气带走的热量QRQR=（Gr+Gk）（Cp52-C p Q 心=目其中G r 燃料量k g/h 必一空气量k g/h c p/一废气比热k J/k g,c p空气比热k J/k g,tl,t2 进、排气温度 四燃料不完全燃烧的热损失。6。8 =。7（1-%）%=答其中r/i一 燃料效率五其它热量损失仪QL=QT（QE+QS+QR+QBY Ql=Q t +Qs+Q r+Q b）发动机热平衡方程式：qe+qs+Q r+Q b+Qi-1 1-4 指示指标发动机性能指标：指示指标，有效指标指示指标：以工质在汽缸对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。有效指标：以曲轴上

17、得到的净功率为基础，评价整机性能。示功图：发动机缸压力P随汽缸容积V （P-V 图）或曲轴转角（）（p R图）变化的图示。一指示功和平均指示压力（一）指示功叱一个循环工质对活塞所做的有用功。四冲程增压增压：Fj=F+F2四冲程非增压应该：非增压：Fi=Fl-F2二冲程因为：后 不容易测量，实际将趋 归 到机械损失中考虑。所以：耳=RW F r a-b 其 中a 横、纵座标比例尺指示功大，说明 o汽缸工作容积大 o热功转换有效程度大。为突出后者，比较不同大小发动机的热功转换有效程度，引入平均有效压力的概念。（二）平均指示压力p,单位汽缸工作容积所做的指示功。Pi叱（假想参数）其中%每缸工作容积。

18、Pi,柴=686 981 kpa P,汽=7841180 kpa 二 指 示 功 率N,单位时间所做的指示功。若：缸 数i,每缸工作容积V%转 速n r/min o则nm3 L冲 程 数r,平均指示压力P j Pq 2=Er 30 rPiVnX30 r10-3 kw 若:每缸工作容积V%L ,平均指示压力pz bar o则Ni=P iV/n300 r kw 三指示比油耗和指示热效率（一）指示比油耗g,单位指示功率的耗油量。gj=x 103 g/kw h NiG7 一每 小时耗油量kg/h（二）指示热效率7叱7,二 一a一做叱指示功所消耗的热量。3.6 xlO6Si%燃料的低热值。柴=0.430

19、.50 3.柴=170200 g/kw h 汽=0.250.40 8 汽=230340 g/kw h 1-5有效指标一有效功率和机械损失功率（一）有效功率八单位时间所做的有效功。N Pe为 巩心31 ,30 r其 中Pe 一平均有效压力。（二）机械损失功率发动机部损耗的功率。机械损失包括：发动机部摩擦损失；驱动附件损耗，如：机油泵、燃油泵、扫气泵、冷却水泵、风扇、配气；和泵气损失等。Jy mm=-x 1U L kw J30 rN=N-Ne i m其 中 加一平均机械损失压力。有效扭矩Me功率输出轴输出的扭矩。Ne=Me-=Me w 60271rl-7 L kw 60 xl03Mp n-kw 9550三 平均有效压力pe单位汽缸工作容积所做的有效功。由于 N-P C X0-3 kw 30 rIzN：=P-i-%-J-x n-3L1 ki w Jz 30 rN 0所以=V Pe=Pi-PmPi NiM Tpe 3.14-kpa V Pe 0c MePe 柴 588883 kpa Pe 汽=588981 kpa 四升功率和比重量（一）升功率N/单位汽缸工作容积所发出的功率。N/=*lVh二 X IO”kw/1 30 r（二）比重量Ge发动机净重量G与所发出有效功率入 的比值。