发动机原理—教案.doc

【发动机原理】教案 教材: 汽车发动机原理 张志沛 主编 大连海运学院出版社长安大学汽车学院机电与动力研究所目 录绪 论 - 1第一章 发动机工作循环及性能指标 - 5 §1-1 发动机理想循环概述 - 5 §1-2 发动机实际循环 - 7 §1-3 热平衡 - 8 §1-4 指示指标 - 9 §1-5 有效指标 - 11 §1-6 机械损失 - 13 §1-7 燃烧热化学 - 16 §1-8 发动机混合气的着火和燃烧方式 - 20第二章 发动机的换气过程 - 22 §2-1 四冲程发动机的换气过程 - 22 §2-2 四冲程发动机的充气效率 - 23 §2-3 影响充气效率的各种因素 - 25 §2-4 提高充气效率的措施 - 27 §2-5 进气管内的动态效应 - 29 §2-6 单位时间充气量与循环充气量 - 30第三章 柴油机混合气形成和燃烧 - 32 §3-1 柴油机混合气形成 - 32 §3-2 柴油机的燃烧过程 - 36 §3-3 柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响 - 39 §3-4 柴油机的燃烧室 - 41第四章 汽油机混合气形成和燃烧 - 46 §4-1 汽油机混合气形成 - 46 §4-2 汽油机的燃烧过程 - 49 §4-3 汽油机的燃烧室 - 57第五章 发动机噪声及排放污染 - 60 §5-1 发动机噪声污染及防治 - 60 §5-2 发动机排放污染及防治 - 63第六章 发动机特性 - 66 §6-1 发动机工况和性能指标分析式 - 66 §6-2 发动机速度特性 - 66 §6-3 发动机负荷特性 - 70 §6-4 发动机万有特性 - 72 §6-5 发动机调速特性 - 73 §6-6 大气修正 - 77第七章 发动机台架试验 - 79 §7-1 测量与计算参数 - 79 §7-2 参数的测量 - 79 §7-3 测取方法 - 83第八章 车用发动机的废气涡轮增压概述 - 85绪 论 能量转换：发动机燃料的化学能®热能®机械能 机械能、电能等高级能源；热能低级能源发动机原理课研究：热能®机械能 （转换效率：理论上小于100%） 机械能®热能 （转换效率：理论上可达100%） 发动机：内燃机和外燃机 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 转子式汪克尔式 （THE WANKEL ENGINE） 早在19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。它结构紧凑，运转平稳，是高速车用发动机的发展方向之一。1956 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 200 km/h 左右。但光泄漏损失就要占30%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 （ROCKING PISTON ENGINE） 1979年日内瓦发动机展览会上，展出了瑞士索罗图恩的萨尔茨曼（W. Salemann ）设计部门的摆动活塞式发动机。4 斯特林 （THE STIRLING ENGINE） 1816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 （FREE PISTON ENGINE） 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 = const. 线工况 固定式柴油机或机组（3） 船舶用 Ne = k n（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 （2，3，4，5，6，8，10，12，14，16缸）8 按转速分类（1） 低速: n < 500 r/min（2） 中速: 500 r/min < n < 1500 r/min（3） 高速: n > 1500 r/min 但没有明确的界限。9 按增压分类 增压，非增压10 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，二甲醚，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 1116%，蒸汽轮机 30%， 汽油机 30%，柴油机 40%，增压柴油机 46%以上2 功率范围广 Ne = 0.635000 kw3 比重量小，升功率大 （体积小、重量轻） 比重量: 柴油机 3.7 kg/kw，车用汽油机 1.37 kg/kw4 起动性好 可很快达到全负荷（二） 缺点1 对燃料要求高 石油紧张，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 60 年代以前: 动力性，可靠性，耐久性 7080年代: 经济性，动力性 90 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®集中®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（一） 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 ® 压缩 ® 做功 ® 排气 热力过程 （五个）: 吸气 ® 压缩 ® 燃烧 ® 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）1 进气过程: 01 （ p > p®p < p ） 2 压缩过程: 12 （ p­，T­ ） 初期: 工质吸热；后期: 工质放热。3 燃烧过程: 234 （ p­­，T­­ ）4 膨胀过程: 45 （ p¯，T¯ ） 初期: 工质放热；后期: 工质吸热。5 排气过程: 50 （ p > p ）（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 车用柴油机的理想循环1 循环特征参数（1） 压缩比 （2） 压力升高比 （3） 预胀比 2 热效率 计算得: 3 分析（1） e 为定值 l­ ® ht­ ；r­ ® ht ¯ 。r = 1 ® ht = const. （汽油机，定容加热循环）（2） e­ ® ht ­ ；当 e = 20 左右时，e­ ® ht ­ 不大 柴油机 e = 1222（二） 定容加热循环 （奥托OTTO循环） 汽油机的理想循环1 热效率 因为: 预胀比 所以: 热效率 2 分析 r = 1 ® ht = const. e­ ® ht ­ ；当 e = 10 左右时，e­ ® ht ­ 不大 且汽油机容易爆燃，因此，汽油机 e = 610（三） 定压加热循环 （狄赛尔DIESEL 循环） 船舶用大型低速柴油机的理想循环1 热效率 因为: 压力升高比 所以: 热效率 2 分析（1） e 为定值 r­ ® ht ¯ （2） r为定值 e­ ® ht ­ （四） 三种理想循环热效率的比较1 初态1相同，压缩比e相同，加热量q1相同 2 初态1相同，最高压力、最高温度相同，放热量q2相同 §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（一） 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T­ ® 比热C­ （三） 高温分解 例 C + O ® CO + 热量 + O ® CO2 + 热量 其中 CO 为中间产物，CO2 为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反 应，即高温分解: CO2 ® CO + O - 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） 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，缸内进气、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: 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 QE kJ/h （ 1 kw/h = 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: 3040% ； 汽油机: 2030%。令 二 传递给冷却介质的热量 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· t1 ，t2 冷却介质的进、出口温度 三 废气带走的热量QR 其中Gr燃料量 kg/h Gk空气量 kg/h cpr废气比热 kJ/kg· cp空气比热 kJ/kg· t1 ，t2 进、排气温度 四 燃料不完全燃烧的热损失QB 其中hr燃料效率五 其它热量损失QL发动机热平衡方程式: §1-4 指示指标 p-V图 p-图发动机性能指标: 指示指标，有效指标指示指标: 以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。有效指标: 以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。 示功图: 发动机缸内压力p随汽缸容积V （p-V图） 或曲轴转角f （p-f图） 变化的图示。一 指示功和平均指示压力（一） 指示功 一个循环工质对活塞所做的有用功。应该：非增压： 增压：因为: 不容易测量, 实际将归到机械损失中考虑。所以: 其中 横、纵座标比例尺 指示功大，说明 汽缸工作容积大 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 单位汽缸工作容积所做的指示功。 （假想参数） 其中每缸工作容积。 686981 kpa 7841180 kpa 二 指示功率 单位时间所做的指示功。 若: 缸数i，每缸工作容积V m ，冲程数 t，平均指示压力 p p ， 转速 n r/min 。则 w kw 若: 每缸工作容积V L ，平均指示压力 p bar 。则 kw 三 指示比油耗和指示热效率（一） 指示比油耗 单位指示功率的耗油量。 g/kw·h 每小时耗油量 kg/h （二） 指示热效率 做指示功所消耗的热量。 燃料的低热值。 0.430.50 =170200 g/kw·h 0.250.40 =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 单位时间所做的有效功。 kw 其中 平均有效压力。（二） 机械损失功率 发动机内部损耗的功率。 机械损失包括: 发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗，如: 机油泵、燃油泵、 扫气泵、冷却水泵、风扇、配气机构；和泵气损失等。 kw 其中 平均机械损失压力。二 有效扭矩 功率输出轴输出的扭矩。 w kw kw 三 平均有效压力 单位汽缸工作容积所做的有效功。 由于 kw kw 所以 kpa 588883 kpa 588981 kpa 四 升功率和比重量（一） 升功率 单位汽缸工作容积所发出的功率。 kw/l （二） 比重量 发动机净重量G与所发出有效功率的比值。 kg/kw ­，¯ ® 发动机强化程度高。 1126 kw/l 49 kg/kw 915 kw/l 5.516 kg/kw 2255 kw/l 1.354 kg/kw 可见，汽油机的强化程度要比柴油机的高。五 有效比油耗和有效热效率（一） 有效比油耗 单位有效功率的耗油量。 g/kw·h 每小时耗油量 kg/h （二） 有效热效率 做有效功所消耗的热量。 0.300.40 =218285 g/kw·h 0.200.30 =285380 g/kw·h 由此可见，柴油机的热效率比汽油机的高，经济性比汽油机好。§1-6 机械损失一 机械效率 对于不同类型的发动机，绝对损失大的，其相对损失却不一定也大。必须有 一个衡量标准，故引进机械效率的概念。 有效功率与指示功率的比值。 性能好，所以应尽量提高。 0.70.85 0.70.9二 机械损失的测定（一） 倒拖法只能在电力测功机上试验 在压缩比不很高的汽油机上得到广泛应用。 发动机与电力测功机相连。起动发动机，冷却水温度、机油温度达正常值。然后使发动机在给定工况下稳定运转。切断发动机的供油 （）。将电力测功机转换为电动机使用，在给定转速下倒拖发动机，并维持冷却水温度和机油温度不变。由于此时，因此从电力测功机上所测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。（二） 灭缸法仅适用于多缸机 当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出整个发动机的有效功率。之后，在柴油机油门拉杆或齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下，停止向某一汽缸供油或点火。调整测功机，使发动机恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余五个汽缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率。因为。逐次灭缸，则整台发动机的指示功率为，其中x为总缸数。 如果各缸负荷均匀，则仅测一个缸，即灭火一次即可，。这样，整个发动机的机械损失功率为，机械效率为。 其它还有示功图法，油耗线法等。三 影响机械效率的因素(一) 转速其中活塞平均运行速度。 与几乎呈直线关系。与n似呈二次方关系。 n­ ® 惯性力­ ® 活塞对缸壁的侧压力­ ® 轴承负荷­ 各摩擦副相对速度­ ® 摩擦损失­ 泵气损失­，驱动附件损耗­ ® ­ ® ¯ 若要提高转速来强化发动机，则将成为主要障碍之一。（二） 负荷 发动机的负荷 柴油机: 油门拉杆或齿条位置 汽油机: 节气门开度 转速n一定，负荷¯ 时，发动机燃烧剧烈程度¯，平均指示压力¯；而由于转速不变，平均机械损失压力基本保持不变。则，机械效率下降。 当发动机怠速运转时，有效功率，指示功率全部用来克服机械损失功率。即，因此，。 由于车用柴油机普遍在高转速、较低负荷下工作，机械效率下降严重。因此，机械效率对于车用柴油机尤为重要。（三） 润滑油品质和冷却水温度 润滑油粘度影响润滑效果 润滑油温度影响润滑油粘度 冷却水温度影响润滑油温度 即冷却水、润滑油温度通过润滑油粘度间接影响润滑效果。1 润滑油粘度（牌号） ¯；冷却水温度­ ® 润滑油温度­ ® 润滑油粘度¯ ® 润滑效果­ ® 摩擦¯ ® ¯ ® ­2 润滑油粘度（牌号） ¯¯；冷却水温度­­ ® 润滑油温度­­ ® 润滑油粘度¯¯ 油膜破裂趋势­­ ® 摩擦­­ ® ­­ ® ¯¯3 润滑油中杂质­ ® 摩擦­ ® ­ ® ¯ 要求: 定期保养、清洗机油滤清器， 500010000公里换机油。§1-7 燃烧热化学一 燃料的完全燃烧（一） 理论空气量1 目的: 1 kg燃料完全燃烧所需要的空气量2 已知条件: 1 kg燃料中所含 kg 碳， kg 氢气， kg氧气 汽油: kg/kg ， kg/kg ， kg/kg 柴油: kg/kg ， kgkg ， kg/kg 3 化学反应方程式 4 需要总的量 1 kmol 1 kmol 1 kmol 1 kmol kmol 1 kmol 1 kg kmol kmol 1 kg kmol kmol kg kmol kmol kg kmol kmol5 燃料中所含的量 kg = kmol 6 所需空气中的量 = 总的量燃料中所含的量7 所需空气量 （目的）（1） kmol 空气中氧气成分约占21%，所以 kmol/kg （2） kg 空气的折合分子量为28.95，即 1 kmol 空气 = 28.95 kg 空气，所以 kg/kg （3） 1 kmol 空气 = 22.4 空气，所以 /kg （二） 过量空气系数和空燃比1 过量空气系数 a 表示混合气的浓稀程度。a 大 ® 混合气稀；a 小 ® 混合气浓 一般，柴油机: a > 1；汽油机: a £ 1。2 空燃比 A/F 表示混合气的浓稀程度。A/F 大 ® 混合气稀；A/F 小 ® 混合气浓（三） 分子变更系数1 理论分子变更系数 ­ ® 容积变化大 ® 膨胀做功好 ® ­（1） 完全燃烧: （2） 不完全燃烧: 2 实际分子变更系数 其中1 kg 燃料燃烧后残余废气的摩尔数。残余废气系数。二 燃料的不完全燃烧第五章 发动机噪声及排放污染 噪声: 汽车的主要噪声源 发动机。 汽油机的主要噪声源 风扇噪声和配气机构噪声。 柴油机的主要噪声源 燃烧噪声。 柴油机的噪声比汽油机的大。 排放: 汽油机的、和排放比柴油机的多， 柴油机的炭粒排放比汽油机的多。§5-1 发动机噪声污染及防治 GB规定: 城市噪声声压级白天 £ 42 dB ，夜间 £ 37 dB 。一 噪声的评价指标（一） 噪声的物理参数1 声压 p 声波通过介质时，波峰处的压力升高量 pa 。2 声压级 无因次参数 dB 其中 1000 Hz 时的基准声压，即听阀声压， pa 。 人耳能听到的听阀声压 pa ， 产生疼痛的痛阀声压 = 20 pa 。相差100万倍左右。3 声强 I 单位时间、单位面积上通过的声能 W/m 。4 声强级 无因次参数 dB 其中 1000 Hz 时的基准声强， W/m 。5 声功率 W 声源在单位时间内所辐射的总能量 W 。 其中S 包围声源的封闭面面积； 声强在微元面积ds法线方向的分量。（1） 在自由场中，声波球面辐射，则 W/m （2） 在开阔地面上，声波半球面辐射，则 W/m 6 声功率级 无因次参数 dB 其中 基准声功率， W 。 声压级 ，声强级 和声功率级 的范围均为 0120 dB 。7 频率与频带 人耳能听到的声音频率范围为2020,000 Hz 。 将其分为若干个频率段 频带或频程。 常用倍频程和1/3频程。 倍频程的中心频率 31.5，63，125，250，500，1000，2000，4000，8000，16000 中心频率，上限频率和下限频率的关系为 ； ； 。 频谱图 横坐标: 频率 （ 频带 ），纵坐标: 声压级 ，声强级 或声功率级 。（二） 主观评价 响度级 即使声压