汽車發(fā)動機原理,汽車發(fā)動機原理,1722年英國紐科門研制第一臺蒸汽機1766年英國發(fā)明家瓦特改進了蒸汽機，拉開了第一次工業(yè)革命的序幕。1767年法國軍官庫尼奧研制第一輛蒸汽機三輪車1873年英國人戴維遜發(fā)明鉛電池1900年英國人哈特制造了電動汽車1860年法國勒努瓦內(nèi)燃機，煤氣作為原料的單缸2沖程內(nèi)燃機1876年德國工程師奧托Otto研制成功世界上第一臺往復(fù)活塞式四沖程煤氣發(fā)動機。1892年德國人狄塞爾Diesel展出第一臺柴油發(fā)動機。1883年戴姆勒化油器1886年1月29日，德國專利局批準(zhǔn)卡爾本茨為其在1885年研制成功的三輪汽車申請專利，這天被稱為現(xiàn)代汽車誕生日。并成立了世界上第一家汽車制造公司奔馳汽車公司1886年德國人哥德里普.戴姆勒第一輛四輪汽車，單缸水冷，1926年戴姆勒和本茨的公司合并，戴姆勒-奔馳汽車公司，汽車之父1908年美國人福特第一次流水線生產(chǎn)了丁型四輪汽車，甲殼蟲,汽車發(fā)動機原理,1956年中國第一汽車制造廠成立，“解放”牌汽車問世。,汽車發(fā)動機原理,數(shù)據(jù)1：自世界能源危機，汽車百公里油耗下降50%，廢氣排放減少90%。代用燃料也取得巨大進步，混合動力汽車、電動汽車、燃料電池電動汽車已處于一定規(guī)模。數(shù)據(jù)2：經(jīng)過百年努力，安全性、舒適性和環(huán)保性等各方面均有極大的發(fā)展，近幾年，出現(xiàn)有眼、有耳、有鼻、有觸覺、有聲音、有腦、能思維可防衛(wèi)的汽車。,汽車發(fā)動機原理,一、課程的任務(wù),研究工作循環(huán)與整機特性，揭示影響性能的因素及提高性能的措施。,二、課程研究的內(nèi)容,三、研究方法,第一章發(fā)動機的性能,發(fā)動機構(gòu)造演示,1發(fā)動機理論循環(huán)空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的簡化條件：工質(zhì)是理想氣體，其比熱為定值；工質(zhì)作封閉循環(huán)；壓縮和膨脹是絕熱等熵過程；燃燒是定容或定壓加熱；,三種基本空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)：定容加熱循環(huán)：汽油機定壓加熱循環(huán)：高增壓和低速大型柴油機混合加熱循環(huán)：高速柴油機,第一章發(fā)動機的性能,一、三種基本循環(huán),汽油機,混合氣燃燒迅速，氣缸內(nèi)溫度壓力增長很快，可以認為其燃燒過程基本是在容積不變的條件下進行的，即可簡化為定容加熱循環(huán)。,高增壓和低速大型柴油機,高速柴油機,混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）,定壓加熱循環(huán)（Diesel循環(huán)）,定容加熱循環(huán)(奧托循環(huán)）,由于受燃燒最高壓力的限制，大部分燃料是在上死點以后燃燒，燃燒時氣缸壓力變化不顯著，是在壓力基本上一定的情況下進行，即可簡化為等壓加熱循環(huán)。,介于兩者之間，其燃燒過程可認為是先定容加熱后定壓加熱的組合，即可簡化為混合加熱循環(huán)。,第一章發(fā)動機的性能,加熱循環(huán)的熱效率8、32、46,混合加熱循環(huán)熱效率tm:其中為壓力升高比Pz/Pc;為預(yù)膨脹比=Vz/Vz=/,壓縮比為后膨脹比Vb/Vz；K為絕熱指數(shù)，空氣的K1.4定容加熱循環(huán)（1）定壓加熱循環(huán)（1）,第一章發(fā)動機的性能,理想循環(huán)影響因素的分析,1壓縮比,2絕熱指數(shù),3壓力升高比,4預(yù)膨脹比,第一章發(fā)動機的性能,評定理論循環(huán)的兩個指標(biāo)1、循環(huán)熱效率：評定循環(huán)的經(jīng)濟性，是工質(zhì)所做循環(huán)功W與循環(huán)熱量Q1之比。,影響循環(huán)熱效率的主要因素：,壓縮比增大，熱效率增大但是對汽油機，壓縮比為611，因為限制壓縮比提高的因素有：（1）爆然辛烷值的限制（2）Pmax提高，汽油機愈笨重；（3）排氣凈化的限制壓縮比愈高，NOx愈高。絕熱指數(shù)K增大，熱效率增大；壓力升高比定容加熱時，吸熱、放熱都增加，熱效率不變；混合加熱時（總加熱量和壓縮比不變），定容加熱部分增加，熱效率提高；,預(yù)膨脹比定壓加熱：當(dāng)壓縮比不變，加熱量增加，熱效率下降；混合加熱：預(yù)膨脹比增大，等壓加熱部分增加，熱效率下降；,第一章發(fā)動機的性能,2、循環(huán)平均壓力評定循環(huán)的做功能力單位氣缸容積所作的循環(huán)功；加熱量相同壓縮比相同時，定容、混合和定壓加熱的熱效率依次減??；Q2pQ2mQ2v，則，tvtmtp最高壓力相同時，定容、混合和定壓加熱的熱效率依次增大；Q2vQ2mQ2p，則,tptmtv,第一章發(fā)動機的性能,2四行程發(fā)動機的實際循環(huán),四沖程內(nèi)燃機活塞上、下共四個行程，曲軸旋轉(zhuǎn)二周（720），完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機。四沖程內(nèi)燃機由下述四個沖程組成一個工作循環(huán)1.進氣沖程2.壓縮沖程3.作功沖程4.排氣沖程,第一章發(fā)動機的性能,工作過程：,行程：,四沖程內(nèi)燃機工作循環(huán),可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸；將其壓縮，壓縮接近終點時點燃可燃混合氣(或?qū)⒉裼透邏簢娙霘飧變?nèi)形成可燃混合氣并引燃)；可燃混合氣著火燃燒，膨脹推動活塞下行實現(xiàn)對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進氣、壓縮、作功、排氣四個過程。(1)進氣行程(2)壓縮行程,第一章發(fā)動機的性能,四沖程內(nèi)燃機工作循環(huán),可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸；將其壓縮，壓縮接近終點時點燃可燃混合氣(或?qū)⒉裼透邏簢娙霘飧變?nèi)形成可燃混合氣并引燃)；可燃混合氣著火燃燒，膨脹推動活塞下行實現(xiàn)對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進氣、壓縮、作功、排氣四個過程。(3)作功行程(4)排氣行程,第一章發(fā)動機的性能,排氣門關(guān)閉,進氣門開啟,活塞,溫度370440K，壓力7590kPa,大氣壓力線,P,V,r,a,示功圖,上止點,下止點,示功圖：表示活塞在不同位置時氣缸內(nèi)氣體壓力的變化情況。,進氣行程,第一章發(fā)動機的性能,進氣門關(guān)閉,排氣門關(guān)閉,活塞,壓縮比：=Va/Vc,P,V,r,a,示功圖,大氣壓力線,c,上止點,下止點,溫度600800K，壓力6001500kPa,壓縮行程,第一章發(fā)動機的性能,進氣門關(guān)閉,排氣門關(guān)閉,活塞,P,V,r,a,示功圖,大氣壓力線,c,Z,b,上止點,下止點,瞬時最高：溫度22002800K，壓力35MPa,作功終了：溫度15001700K，壓力300500kPa,作功行程,第一章發(fā)動機的性能,進氣門關(guān)閉,排氣門打開,活塞,P,V,r,示功圖,大氣壓力線,c,Z,b,上止點,下止點,溫度9001200K壓力105125kPa,殘余廢氣,排氣行程,第一章發(fā)動機的性能,實際循環(huán)常用示功圖、示功展開圖來表示；,第一章發(fā)動機的性能,第一章發(fā)動機的性能,1、進氣過程（ra）進氣阻力的存在，paT0；2、壓縮過程（ac）最初，工質(zhì)受缸壁加熱，n1K;某一時刻，工質(zhì)與缸壁溫度相同，n1=K；工質(zhì)溫度高于缸壁的，向缸壁傳熱，n1<K；,平均壓縮多變指數(shù)n1：以此計算得到的多變過程，始點、終點的工質(zhì)狀態(tài)與實際壓縮過程的相符即可；主要受工質(zhì)與缸壁的熱交換、工質(zhì)的泄漏量影響；實際工作中，常以實測的壓縮壓力來檢查內(nèi)燃機的技術(shù)狀況，當(dāng)Pc下降時，應(yīng)檢修。,第一章發(fā)動機的性能,3、燃燒過程（cz）汽油機：定容加熱;柴油機：先定容再定壓加熱；放熱越多，放熱時越靠近上止點，熱效率越高；,第一章發(fā)動機的性能,4、膨脹過程（zb）初期，由于補燃，工質(zhì)被加熱，n2K；平均多變指數(shù)n2：主要受補燃的多少、工質(zhì)與缸壁的熱交換及漏氣情況的影響；5、排氣過程（br）排氣阻力的存在，prp0；阻力越大，pr越大，殘留在氣缸中的廢氣越多；排氣溫度越低，說明做功效果越好；,第一章發(fā)動機的性能,3實際循環(huán)的評定指示指標(biāo),以工質(zhì)在氣缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)；1、指示功Wi:Ai為陰影示功圖的面積(J),a.b分別為坐標(biāo)的比例尺。,圖a四沖程非增壓發(fā)動機的指示功面積Fi：由相當(dāng)于壓縮、燃燒、膨脹行程中所得到的有用功面積Fl和相當(dāng)于進氣、排氣行程中消耗的功的面積F2(即泵損失)相減而成，即FiFlF2。四沖程增壓發(fā)動機(圖b)，進氣壓力高于排氣壓力，在換氣過程中，工質(zhì)是對外做功的，因此，換氣功的面積F2應(yīng)與面積Fl疊加起來，即FiF1F2。二沖程發(fā)動機(圖c)，只有一塊示功圖面積Fi。,第一章發(fā)動機的性能,2、平均指示壓力Pmi發(fā)動機單位氣缸工作容積的指示功（一個實際循環(huán)工質(zhì)對活塞所作的有用功）；pmi=Wi/Vs3、指示功率Pi：發(fā)動機單位時間所做的指示功；與n有關(guān)。4、指示熱效率iit=Wi/Q1實際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量之比；5、指示燃料消耗率bi：單位指示功的耗油量，即比油耗（g/kw.h).如：可用它來比較兩臺發(fā)動機的經(jīng)濟性好壞。bi=(B/Pi)103,第一章發(fā)動機的性能,通常：,歸納,第一章發(fā)動機的性能,一臺四缸四行程車用柴油機，DS=110115mm,Pi=80kW,Pm=20kW,n=2000r/min,B=12.5kg/h求：1.Pmi,Pe,Pme,be2.m,PL.3.Ttq,Cm,4發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定有效指標(biāo),以曲軸對外輸出的功率為基礎(chǔ)，代表發(fā)動機整機性能；一、發(fā)動機動力性能1、有效功率pe=pipm：指示功率減去機械損失功率：發(fā)動機的指示功Pi并不能完全對外輸出，功在發(fā)動機內(nèi)部傳遞過程中的損失叫機械損失功率Pm，它由以下幾部分組成：（1）內(nèi)部運動零件的摩擦損失：占Pm的62-75，占Pi的8-20。（2）驅(qū)動附件的損失：占Pm的1020，占Pi的15。（3）泵氣損失（進排氣損失）占Pm的1020，占Pi的24。,第一章發(fā)動機的性能,2、有效扭矩Ttq：曲軸輸出的扭矩，（牛頓米）扭矩和功率的關(guān)系：n為轉(zhuǎn)/分,或rpm3、平均有效壓力pme發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出的有效功,工作容積Vs一定時，對已知發(fā)動機，Vs、i、一定，可用Pe來表示扭矩及負荷的大小。4、轉(zhuǎn)速和活塞平均速度Cm=sn/30（發(fā)動機強化程度）轉(zhuǎn)速增大，單位時間的做功次數(shù)增加；活塞平均速度增大，磨損加劇；所以值受到限制，一般：汽油機不超過18m/s，柴油機不超過13m/s。,第一章發(fā)動機的性能,二、發(fā)動機經(jīng)濟性能有效熱效率e有效功與所消耗燃料熱量之比。機械效率m:有效燃料消耗率be單位有效功的耗油量三、發(fā)動機強化指標(biāo)升功率pl發(fā)動機每升工作容積所發(fā)出的有效功率比質(zhì)量me發(fā)動機的質(zhì)量與所發(fā)出的有效功率之比強化系數(shù)pmecm平均有效壓力與活塞平均速度的乘積,第一章發(fā)動機的性能,5發(fā)動機的環(huán)境指標(biāo),噪聲<84dB排放性能排出有害氣體（COHCNOx）、顆粒，其排出量有限制。排放標(biāo)準(zhǔn)各國不同，標(biāo)準(zhǔn)還隨著發(fā)展，不斷提高。,第一章發(fā)動機的性能,國II：北京：2003.01；全國：2004.07國III：北京：2005.09；全國：2007.07國IV：北京：2008.01；全國：2010.07,歐I,歐0,ChinaEmissionRegulationRoadmap,北京,Beijing,國II,國III,北京,北京,國IV,20002001200220032004200520062007200820092010,GB18352.3,輕型車<3.5t,排放執(zhí)行時間,第一章發(fā)動機的性能,GB17691-2005,ChinaEmissionRegulationRoadmap,國III:2007.01國IV:2010.01國V:2012.01,國V,國III,國IV,20032004200520062007200820092010201120122013,國II,歐I,重型車3.5t,第一章發(fā)動機的性能,輕型汽車排放試驗工況,從點火開始起取樣,時間，s,車速（km/h),第一章發(fā)動機的性能,重型柴油車排放試驗工況（R49與ESC）,第一章發(fā)動機的性能,6機械損失,機械效率m有效功率與指示功率之比機械損失的測定1、示功圖法：取決于示功圖的測錄的正確程度只適用研發(fā)：（a）上止點難以精確測量（b）各缸不均勻性2、倒拖法：發(fā)動機在給定工況下工作，之后切斷燃油或停止點火，將平衡式電力測功器轉(zhuǎn)換為電動機，以給定轉(zhuǎn)速倒拖發(fā)動機，維持冷卻水和油溫不變；測量結(jié)果往往偏大3、滅缸法：適用多缸機；誤差54、油耗線法：先繪出負荷特性曲線，找出接近直線的線段，將其延長與橫坐標(biāo)相交，交點到原點的長度即為平均機械損失壓力的值；不適于汽油機（進氣量隨負荷會明顯改變）,第一章發(fā)動機的性能,實驗方法：讓內(nèi)燃機在給定的工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，當(dāng)冷卻水和機油溫度到達正常值時，立即切斷供油（柴油機）或停止點火（汽油機），同時將電力測功器轉(zhuǎn)換為電動機，以給定轉(zhuǎn)速倒拖內(nèi)燃機；此過程中盡可能維持冷卻水和機油溫度不變，這時電力測功器所測得的倒拖功率即為內(nèi)燃機在該工況下的機械損失功率。,2.倒拖法,特點：必須使用平衡式電力測功器。,適用：汽油機和柴油機,第一章發(fā)動機的性能,實驗方法：首先將內(nèi)燃機調(diào)整到給定工況穩(wěn)定工作，測定其有效功率，然后停止向一個氣缸（例如第一缸）供油，并調(diào)整測功器的阻力矩，使內(nèi)燃機恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速，再測定內(nèi)燃機的有效功率，由于有一個氣缸不工作，第二次測得的有效功率比第一次測得的小，兩者之差即為停油氣缸的指示功率，然后恢復(fù)第一缸的工作，同法，依次使各缸熄火，即可測得對應(yīng)的有效功率、。,3.滅缸法,第一章發(fā)動機的性能,適用：多缸柴油機不適用：汽油機(偏差大)，廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機，單缸機,各缸的指示功率為：,將上列各式相加得到整機指示功率為：,因此，機械損失功率為,第一章發(fā)動機的性能,4.油耗線法,實驗方法：保證內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速不變，如逐漸改變柴油機供油齒條的位置，測出每小時耗油量B隨負荷變化的關(guān)系，繪制成曲線，這個曲線稱為負荷特性曲線，在曲線中找出接近直線的線條，并順此線條作延長線，直到與橫坐標(biāo)相交，則交點到坐標(biāo)原點的長度即該機的平均機械損失壓力。,適用：柴油機不適用：汽油機,第一章發(fā)動機的性能,影響機械損失的因素,氣缸直徑及行程氣缸容積一定，而S/D減小，m提高氣缸容積增加，m提高摩擦損失（占70）轉(zhuǎn)速增加，m減小負荷減小，m減小潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度在保證發(fā)動機正常工作時有可靠潤滑條件的前提下，盡量選用粘度較小的潤滑油；SDFD100125錫柴漏油冷卻水溫直接影響燃燒過程和傳熱損失。,第一章發(fā)動機的性能,7熱平衡,實際循環(huán)熱平衡實際工質(zhì)的影響：實際氣體比熱大Wk換氣損失Wr泵氣損失：進、排氣系統(tǒng)的阻力所消耗的功；排氣門提前開啟所損失的功；燃燒損失Wz非瞬時燃燒損失和補燃損失；不完全燃燒損失；熱分解損失；傳熱損失：熱交換損失Wb,第一章發(fā)動機的性能,提高實際循環(huán)熱效率的途經(jīng),提高來提高汽油機的熱效率；燃用稀混合氣來提高汽油機的熱效率；改善混合氣形成及燃燒組織不完善的狀況來提高柴油機的熱效率；,第一章發(fā)動機的性能,發(fā)動機熱平衡,發(fā)動機所耗燃油的熱量QT轉(zhuǎn)化為有效功的熱量QE廢氣帶走的熱量QR（2550）傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量QS（1035）燃料不完全燃燒熱損失QB其他熱量損失QL,第一章發(fā)動機的性能,第一章發(fā)動機的性能,以四沖程自然吸氣柴油機的能量利用遞減圖為例說明從燃料化學(xué)能到輸出功的能量轉(zhuǎn)換。,第一章發(fā)動機的性能,