汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理,1722年 英國 紐科門 研制第一臺蒸汽機(jī) 1766年 英國發(fā)明家瓦特改進(jìn)了蒸汽機(jī)，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(jī)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(dòng)汽車 1860年 法國 勒努瓦 內(nèi)燃機(jī)，煤氣作為原料的單缸2 沖程內(nèi)燃機(jī) 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(dòng)機(jī)。 1892年德國人狄塞爾Diesel展出第一臺柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。 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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)原理,數(shù)據(jù)1：自世界能源危機(jī)，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(jìn)步，混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車、燃料電池 電動(dòng)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(dòng)機(jī)原理,一、課程的任務(wù),研究工作循環(huán)與整機(jī)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(dòng)機(jī)的性能,發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造演示,1 發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī) 定壓加熱循環(huán)：高增壓和低速大型柴油機(jī) 混合加熱循環(huán)：高速柴油機(jī),第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,一、三種基本循環(huán),汽油機(jī),混合氣燃燒迅速，氣缸內(nèi)溫度壓力增長很快，可以認(rèn)為其燃燒過程基本是在容積不變的條件下進(jìn)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(jī),高速柴油機(jī),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(diǎn)以后燃燒，燃燒時(shí)氣缸壓力變化不顯著，是在壓力基本上一定的情況下進(jìn)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(rèn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的性能,評定理論循環(huán)的兩個(gè)指標(biāo) 1、循環(huán)熱效率：評定循環(huán)的經(jīng)濟(jì)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(jī)，壓縮比為611，因?yàn)橄拗茐嚎s比提高的因素有： （1）爆然辛烷值的限制 （2）Pmax 提高，汽油機(jī)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(shí)，吸熱、放熱都增加，熱效率不變； 混合加熱時(shí)（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(dòng)機(jī)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(shí)，定容、混合和定壓加熱的熱效率依次減小； Q2pQ2mQ2v， 則，tv tm tp 最高壓力相同時(shí)，定容、混合和 定壓加熱的熱效率依次增大； Q2vQ2mQ2p， 則, tp tm tv,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,2 四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán),四沖程內(nèi)燃機(jī)活塞上、下共四個(gè)行程，曲軸旋轉(zhuǎn)二周（720），完成一個(gè)工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)。 四沖程內(nèi)燃機(jī)由下述四個(gè)沖程組成一個(gè)工作循環(huán) 1.進(jìn)氣沖程 2.壓縮沖程 3.作功沖程 4.排氣沖程,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,工作過程：,行程：,四沖程內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)時(shí)點(diǎn)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(dòng)活塞下行實(shí)現(xiàn)對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)過程。 (1) 進(jìn)氣行程 (2) 壓縮行程,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,四沖程內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)時(shí)點(diǎn)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(dòng)活塞下行實(shí)現(xiàn)對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)過程。 (3) 作功行程 (4) 排氣行程,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,排氣門關(guān)閉,進(jìn)氣門開啟,活塞,溫度370440 K， 壓力7590 kPa,大氣壓力線,P,V,r,a,示功圖,上止點(diǎn),下止點(diǎn),示功圖：表示活塞在不同位置時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力的變化情況。,進(jìn)氣行程,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,進(jìn)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(diǎn),下止點(diǎn),溫度600800K， 壓力6001500 kPa,壓縮行程,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,進(jìn)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(diǎn),下止點(diǎn),瞬時(shí)最高：溫度22002800 K， 壓力35MPa,作功終了：溫度15001700 K， 壓力300500 kPa,作功行程,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,進(jìn)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(diǎn),下止點(diǎn),溫度9001200 K 壓力105125 kPa,殘余廢氣,排氣行程,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,實(shí)際循環(huán)常用示功圖、示功展開圖來表示；,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,1、進(jìn)氣過程（ra） 進(jìn)氣阻力的存在， pa T0； 2、壓縮過程（ac） 最初，工質(zhì)受缸壁加熱， n1 K; 某一時(shí)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(jì)算得到的多變過程，始點(diǎn)、終點(diǎn)的工質(zhì)狀態(tài)與實(shí)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(shí)際工作中，常以 實(shí)測的壓縮壓力來檢查內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)狀況，當(dāng)Pc下降時(shí)，應(yīng)檢修。,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,3、燃燒過程（cz） 汽油機(jī)：定容加熱; 柴油機(jī)：先定容再定壓加熱； 放熱越多，放熱時(shí)越靠近上止點(diǎn)，熱效率越高；,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,4、膨脹過程（zb） 初期，由于補(bǔ)燃，工質(zhì)被加熱， n2 K； 平均多變指數(shù)n2 ：主要受補(bǔ)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， pr p0； 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(dòng)機(jī)的性能,3 實(shí)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(dòng)機(jī)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(jìn)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(dòng)機(jī)(圖b)，進(jìn)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(dòng)機(jī)(圖c)，只有一塊示功圖面積Fi。,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,2、平均指示壓力Pmi 發(fā)動(dòng)機(jī)單位氣缸工作容積的指示功（一個(gè)實(shí)際循環(huán)工質(zhì)對活塞所作的有用功）； pmi=Wi / Vs 3、指示功率Pi ：發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間所做的指示功；與n有關(guān)。 4、指示熱效率i it=Wi /Q1 實(shí)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(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性好壞。 bi=(B/Pi)103,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,通常：,歸納,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,一臺四缸四行程車用柴油機(jī)，DS=110115mm,Pi=80kW,Pm=20kW,n=2000r/min,B=12.5kg/h 求：1.Pmi,Pe,Pme,be 2.m,PL. 3.Ttq,Cm,4 發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)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(dòng)機(jī)整機(jī)性能； 一、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能 1、有效功率pe = pi pm ：指示功率減去機(jī)械損失功率： 發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功Pi 并不能完全對外輸出，功在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部傳遞過程中的損失叫機(jī)械損失功率Pm，它由以下幾部分組成： （1）內(nèi)部運(yùn)動(dòng)零件的摩擦損失：占Pm的62-75，占Pi的8-20。 （2）驅(qū)動(dòng)附件的損失：占Pm的1020，占Pi的15。 （3）泵氣損失（進(jìn)排氣損失） 占Pm的1020，占Pi的24。,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)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rpm 3、平均有效壓力pme 發(fā)動(dòng)機(jī)單位氣缸工作容積輸出的有效功,工作容積Vs一定時(shí)， 對已知發(fā)動(dòng)機(jī)，Vs、i、一定，可用Pe來表示扭矩及負(fù)荷的大小。 4、轉(zhuǎn)速和活塞平均速度Cm=sn/30（發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度） 轉(zhuǎn)速增大，單位時(shí)間的做功次數(shù)增加； 活塞平均速度增大，磨損加??； 所以值受到限制，一般：汽油機(jī)不超過18m/s， 柴油機(jī)不超過13m/s 。,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,二、發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能 有效熱效率e 有效功與所消耗燃料熱量之比。 機(jī)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(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo) 升功率pl 發(fā)動(dòng)機(jī)每升工作容積所發(fā)出的有效功率 比質(zhì)量me 發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量與所發(fā)出的有效功率之比 強(qiáng)化系數(shù)pme cm 平均有效壓力與活塞平均速度的乘積,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,5 發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境指標(biāo),噪聲 84dB 排放性能 排出有害氣體（CO HC NOx） 、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(dòng)機(jī)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,China Emission Regulation Roadmap,北京,Beijing,國 II,國 III,北京,北京,國 IV,2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010,GB 18352.3,輕型車 3.5t,排放執(zhí)行時(shí)間,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,GB 17691-2005,China Emission Regulation Roadmap,國 III: 2007.01 國 IV: 2010.01 國 V: 2012.01,國 V,國 III,國 IV,2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013,國 II,歐 I,重型車 3.5t,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,輕型汽車排放試驗(yàn)工況,從點(diǎn)火開始起取樣,時(shí)間，s,車速 （km/h),第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,重型柴油車排放試驗(yàn)工況（R49與ESC）,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,6 機(jī)械損失,機(jī)械效率m 有效功率與指示功率之比 機(jī)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(diǎn)難以精確測量（b）各缸不均勻性 2、倒拖法： 發(fā)動(dòng)機(jī)在給定工況下工作，之后切斷燃油或停止點(diǎn)火，將平衡式電力測功器轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)，以給定轉(zhuǎn)速倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jī)；誤差5 4、油耗線法：先繪出負(fù)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(diǎn)到原點(diǎn)的長度即 為平均機(jī)械損失壓力的值； 不適于汽油機(jī) （進(jìn)氣量隨負(fù)荷會(huì)明顯改變）,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,實(shí)驗(yàn)方法： 讓內(nèi)燃機(jī)在給定的工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)， 當(dāng)冷卻水和機(jī)油溫度到達(dá)正常值時(shí)， 立即切斷供油 （柴油機(jī)）或停止點(diǎn) 火（汽油機(jī)），同時(shí)將電力測功器 轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)，以給定轉(zhuǎn)速倒拖內(nèi)燃機(jī)； 此過程中盡可能維持冷卻水和機(jī)油溫度不變， 這時(shí)電力測功器所測得的倒拖功率即為內(nèi)燃機(jī)在該 工況下的機(jī)械損失功率。,2.倒拖法,特點(diǎn)：必須使用平衡式電力測功器。,適用：汽油機(jī)和柴油機(jī),第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,實(shí)驗(yàn)方法： 首先將內(nèi)燃機(jī)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(gè)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(jī)恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速，再測定內(nèi)燃機(jī)的有效功率，由于有一個(gè)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(dòng)機(jī)的性能,適用：多缸柴油機(jī) 不適用：汽油機(jī)(偏差大)，廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)，單缸機(jī),各缸的指示功率為：,將上列各式相加得到整機(jī)指示功率為：,因此，機(jī)械損失功率為,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,4.油耗線法,實(shí)驗(yàn)方法： 保證內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速不變，如逐漸改變柴油機(jī)供油齒條的位置，測出每小時(shí)耗油量B隨負(fù)荷變化的關(guān)系，繪制成曲線，這個(gè)曲線稱為負(fù)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(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的長度即該機(jī)的平均機(jī)械損失壓力。,適用：柴油機(jī) 不適用：汽油機(jī),第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,影響機(jī)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(fù)荷減小， m減小 潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度 在保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)有可靠潤滑條件的前提下，盡量選用粘度較小的潤滑油；SD FD 100 125 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(dòng)機(jī)的性能,7 熱平衡,實(shí)際循環(huán)熱平衡 實(shí)際工質(zhì)的影響：實(shí)際氣體比熱大Wk 換氣損失Wr 泵氣損失： 進(jìn)、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(shí)燃燒損失 和補(bǔ)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(dòng)機(jī)的性能,提高實(shí)際循環(huán)熱效率的途經(jīng),提高來提高汽油機(jī)的熱效率； 燃用稀混合氣來提高汽油機(jī)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(jī)的熱效率；,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡,發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的性能,第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,以四沖程自然吸氣柴油機(jī)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(dòng)機(jī)的性能,