發(fā)動機原理-教（學）案

【發(fā)動機原理】教案

教材：《汽車發(fā)動機原理》

志沛主編

海運學院

長安大學

汽車學院機電與動力研究所

目錄

緒論

1

第一章發(fā)動機工作循環(huán)及性能指標

5

§11發(fā)動機理想循環(huán)概述

5

§12發(fā)動機實際循環(huán)

7

§1-3熱平衡

—8

§1-4指示指標

——9

§1-5有效指標

—11

§1-6機械損失

—13

§1-7燃燒熱化年

16

§1-8發(fā)動機混合氣的著火和燃燒方式

20

第二章發(fā)動機的換氣過程

22

§2-1四沖程發(fā)動機的換氣過程

22

§2-2四沖程發(fā)動機的充氣效率

23

§2-3影響充氣效率的各種因素

25

§24提高充氣效率的措施

27

§2—5進氣管的動態(tài)效應

29

§2-6羊位時間充氣量與循環(huán)充氣量

30

第三章柴油機混合氣形成和燃燒

32

§3-1柴油機混合氣形成

32

§3-2柴油機的燃燒過程

36

§3--3柴油：機供油系統(tǒng)的X作特性及其對■燃;燒過程的影響

3；9

§34柴油機的燃燒室

41

第四章汽油機混合氣；形成和燃燒

46

§4-1汽油機混合氣形成

46

§4-2汽油機的燃燒過程

49

§4-3汽油機的燃燒室

57

第五章發(fā)動機噪聲及排放污染

60

§51發(fā)動機噪聲污染及防治

60

§52發(fā)動機排放污染及防治

63

第六章發(fā)動機特性

———66

§61發(fā)動機工況和性能指標分析式

66

§6-2發(fā)動機速度特性

66

§6-3發(fā)動機負荷特性

70

§6-4發(fā)動機萬有特性

72

§6_5發(fā)動機調(diào)速特性

73

§6一6大氣修正

77

第七章發(fā)動機Zx架試驗

—79

§71測量與計算參數(shù)

79

§7-2參數(shù)的測量

79

§7-3測取方法

83

第八章車用發(fā)動機的廢氣渦輪增壓概述

85

緒論

能量轉(zhuǎn)換：發(fā)動機一燃料的化學能-?熱能f機械能

機械能、電能等一高級能源；熱能一低級能源

《發(fā)動機原理》課研究：熱能一機械能（轉(zhuǎn)換效率：理論上小于10096）

機械能T"熱能（轉(zhuǎn)換效率：理論上可達100Q

發(fā)動機：燃機和外燃機

車用發(fā)動機：間歇工作式發(fā)動機

四個沖程中只有一個沖程做功，做功不連續(xù)。

燃氣輪機：連續(xù)工作式發(fā)動機

一分類

（一）種類

1往復活塞式（普遍）

2轉(zhuǎn)子式一汪克爾式（THEWANKELENGINE）

早在19世紀，就有人設想過，但泄漏問題是這種發(fā)動機發(fā)展的致命弱點。它結構緊湊，

運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，是高速車用發(fā)動機的發(fā)展方向之一。1956年德國工程師汪克爾制造出樣機。目前

日本已用于小轎車上，時速200km/h左右。但光泄漏損失就要占30%以上。目前我國蘇杭

等地已經(jīng)生產(chǎn)出了樣機。與往復式比較應特別注意的一點是，往復式活塞在上下止點都稍有

短暫的停留，與一般認為的觀點相反，運動方向的這些改變并不影響它的效率；也就是說，

在這個過程中，并沒有什么固有的損失。旋轉(zhuǎn)式比往復式的優(yōu)越之處主要是幾何形狀上的緊

湊性及由此而引起的一些優(yōu)越之處，并非直接在氣體動力學和熱力學方面有何優(yōu)越之處。

3擺動活塞式(ROCKINGPISTONENGINE)

1979年日瓦發(fā)動機展覽會上，展出了瑞士索羅圖恩的薩爾茨曼(W.Salemann)設計部

門的擺動活塞式發(fā)動機。

4斯特林(THESTIRLINGENGINE)

1816年由羅伯特?斯特林設想在氣缸外部燃燒的一種熱力發(fā)動機(外燃機)，是現(xiàn)代發(fā)

動機引人注目的一種。

5自由活塞式(FREEPISTONENGINE)

只相當于渦輪發(fā)動機的燃氣發(fā)生器。

(二)往復活塞式發(fā)動機的分類

我們這門課主要研究目前汽車上廣泛應用的往復式活塞發(fā)動機。

1按用途分類

(1)灌溉(抽水)用點工況

(2)電站用n=const.線工況固定式柴油機或機組

(3)船舶用Ne=kn3(螺旋槳曲線)線工況大型、低速柴油機

(4)汽車、拖拉機用變工況-面工況中小型、高速柴油機

(5)發(fā)動機車大型高速柴油機組

(6)工程機械(礦山機械、建筑、石油鉆探)多變型

(7)坦克V型、多缸機

(8)飛機星型(徑向式)已基本不用

2按燃油種類分類

汽油機，柴油機

3按點火方式分類

自行著火(壓燃式)，外源點火(點燃式)

4按工作循環(huán)分類

四沖程，二沖程

5按冷卻方式分類

水冷，風冷

6按汽缸排列分類

直列式，臥式，V型，星型(徑向式)

7按汽缸數(shù)目分類

單缸機，多缸機(2,3,4,5,6,8,10,12,14,16缸…)

8按轉(zhuǎn)速分類

(1)低速：n<500r/min

(2)中速：500r/min<n<1500r/min

(3)高速：n>1500r/min

但沒有明確的界限。

9按增壓分類

增壓，非增壓

10按能源分類(代用燃料)

壓縮天然氣，液化天然氣，液化石油氣，氫氣，

甲醇，乙醇，二甲酸，植物油，

電瓶，太陽能

二優(yōu)缺點

(一)優(yōu)點

1有效熱效率高

蒸汽機11-16%,蒸汽輪機30%,

汽油機30%,柴油機40%,增壓柴油機46%以上

2功率圍廣

Ne=0.6~35000kw

3比重量小，升功率大(體積小、重量輕)

比重量：柴油機3.7kg/kw,車用汽油機1.37kg/kw

4起動性好

可很快達到全負荷

（二）缺點

1對燃料要求高

石油緊，汽油、柴油價格高；要求一定的標號。

2噪聲、排污

3結構較復雜

三現(xiàn)代發(fā)動機的發(fā)展

60年代以前：動力性，可靠性，耐久性

70?80年代：經(jīng)濟性，動力性

90年代口號：清潔，經(jīng)濟，安全

1相關學科日益增多，學科之間相互滲透

2標準化，系列化，通用化（三化）

3新材料，新工藝，新產(chǎn)品

4使用計算機設計、計算零部件及其配合，精密、準確、優(yōu)化

5設計、零部件生產(chǎn)商分散一集中一分散

由分散的小公司到集中的大型脫拉斯，如今又分散到小公司，其主要原因是優(yōu)

化產(chǎn)品，節(jié)省開支，降低成本。甚至象豐田、寶馬這樣的超級企業(yè)有時也需合

作開發(fā)新產(chǎn)品。

6電控應用日益增多，混合氣制備更加完善

7檢測設備與手段先進

8低排放的代用燃料發(fā)動機正在普及，零排放的正在開發(fā)并進入實用

四本課程的研究對象和任務

（―）對象

本課程以性能指標作為研究對象

深入到工作過程的各個階段，分析影響性能指標的各種因素，找出規(guī)律，研究提高性能

指標的措施與途徑。

（二）性能指標

1動力性指標（功率、扭矩、轉(zhuǎn)速）

2經(jīng)濟性指標（燃料和潤滑油的消耗量及消耗率）

3運轉(zhuǎn)性指標（冷起動性、噪聲和排氣品質(zhì)）

衡量發(fā)動機的質(zhì)量，還要考慮可靠性，耐久性，加工容易，操縱維修方便，成本核算等,

全面綜合評定。

（三）工作過程

發(fā)動機沖程（四個）：吸氣f壓縮一做功T排氣

熱力過程（五個）：吸氣一壓縮f燃燒一膨脹->排氣

燃燒-膨脹為能量轉(zhuǎn)換過程

（四）任務

研究熱力過程，熱力循環(huán)，整機性能

明確基本概念，基本技能。培養(yǎng)綜合分析問題的能力。

（五）單位制

我國的法定計量單位

第一章發(fā)動機工作循環(huán)及性能指標

§1-1發(fā)動機理想循環(huán)概述

一實際循環(huán)向理想循環(huán)的簡化

（一）實際循環(huán)（以車用柴油機為例）

V

1進氣過程：0?1(P>P0->P<Po)

2壓縮過程：1?2(pT,TT)

初期：工質(zhì)吸熱;后期：工質(zhì)放熱。

3燃燒過程：2?3?4(pTT,TTT)

4膨脹過程：4?5(pJ,TJ)

初期：工質(zhì)放熱;后期：工質(zhì)吸熱。

5排氣過程：5?0(P>Po)

(二)實際循環(huán)的簡化

1忽略進、排氣過程

2壓縮、膨脹過程(復雜的多變過程)簡化為絕熱過程

3燃燒過程簡化為定容加熱過程(2?3)和定壓加熱過程(3?4)

4排氣放熱簡化為定容放熱過程

5假定工質(zhì)為定比熱的理想氣體

二理想循環(huán)及其分析比較

(一)混合加熱循環(huán)

一車用柴油機的理想循環(huán)

1循環(huán)特征參數(shù)

(1)壓縮比

Q

嶺

(2)壓力升高比

2=隹

P1

(3)預脹比

V

Pc=-4

匕

2熱效率

%

%=一1/=1q2V

%%qiv+qip

1A,pk—1

計算得：=1—

(A—1)+k4(p—1)

3分析

(1)8為定值

九Tfr)tT；pTfr)tJ。p=1-r)t=const.(汽油機，定容加熱循環(huán))

(2)eT—>r)tT；當￡=20左右時，eT—>r)tT不大

（二）定容加熱循環(huán)（奧托OTTO循環(huán)）

-汽油機的理想循環(huán)

1熱效率

因為：預脹比=—=1

叱

?1

所以：熱效率%=1—百

2分析

p=1—>r|t=const.

sTr|tT；當￡=10左右時，sT—>r|tT不大

且汽油機容易爆燃，因此，汽油機s=6-10

（三）定壓加熱循環(huán)（狄賽爾DIESEL循環(huán)）

一船舶用大型低速柴油機的理想循環(huán)

1熱效率

因為:壓力升高比=—=1

P1

1pk

所以:熱效率77f=1

尸k(p-l)

2分析

(1)￡為定值pT->r|tJ

(2)p為定值eTfr|tT

（四）三種理想循環(huán)熱效率的比較

1初態(tài)1相同，壓縮比￡相同，加熱量ql相同

7/.V>7,m>7,p

2初態(tài)1相同，最高壓力〃max'最高溫度Tnax相同，放熱量q2相同

〃小<展<1Kp

p?4p?456

3k5\

12

§1-2發(fā)動機實際循環(huán)

發(fā)動機理想循環(huán)加上各項損失后，

即可分析發(fā)動機的實際循環(huán)。

一工質(zhì)改變損失

（―）工質(zhì)性質(zhì)

理論上：理想氣體，雙原子氣體。

實際上：燃燒前：燃料+空氣；

燃燒后：燃燒產(chǎn)物。

（二）比熱

理論上：定比熱

實際上：溫度TTT比熱cT

（三）高溫分解

例C+0fCO+熱量［+0\7C02+熱量

其中CO為中間產(chǎn)物，C02為最終產(chǎn)物。若遇高溫，則會發(fā)生復分解反

應，即高溫分解：

C02fCO+0-熱量

這部分熱量雖然在膨脹過程中還可能會釋放出來，但由于活塞已接近下止

點，做功效果變差，熱效率下降。

二傳熱、流動損失

（一）傳熱損失

理論上：壓縮、膨脹過程為絕熱過程。

實際上：大量熱量通過汽缸壁傳給冷卻水或空氣。

傳熱損失是發(fā)動機中的最大損失，占總損失量的30%以上。因此，許多研

究者致力于開發(fā)絕熱發(fā)動機。

(二)流動損失

理論上：閉口系統(tǒng)，沒有氣體流動損失。

實際上：進、排氣節(jié)流沿程損失，缸進氣、擠壓、燃燒渦流損失。

三換氣損失

理論上：忽略進、排氣過程。

實際上：進、排氣門提前開啟，遲后關閉。而且有流動阻力。

換氣損失中逆向循環(huán)所包圍的面積為泵氣損失。泵氣損失包含在換氣損失

之中。

四時間損失

理論上：定容加熱瞬間完成，定壓加熱速度與活塞運行速度密切配合。

實際上：燃燒需要時間。

五補燃損失

理論上：加熱瞬間停止，膨脹過程無加熱。

實際上：雖然大部分(80%以上)燃料在燃燒過程中燃燒掉，但仍有小部分燃

料會拖到膨脹線上才燃燒，做功效果變差，熱效率下降。

六泄漏損失

理論上：閉口系統(tǒng)，無泄漏。

實際上：活塞氣環(huán)不會100%嚴密密封，總會有些氣體竄到曲軸箱中，造

成損失。

§1-3熱平衡

總熱量：QT=GThu分別轉(zhuǎn)化為

一有效功的熱量QE

3

Qe=3.6x10^Ne[kJ/h](1kw/h=3.6X10kJ)

只有這部分熱量做了功，是有用的，所以希望越大越好。一般

柴油機：30?4096；汽油機：20?30%。

二傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量QS

Qs~G$cs%-4)qs-~~

其中Gs-?發(fā)動機冷卻介質(zhì)的每小時流量[kg/h]

cs—冷卻介質(zhì)比熱[kJ/kg,℃]

tl,匕2—冷卻介質(zhì)的進、出口溫度[(]

三廢氣帶走的熱量QR

QR=（Gr+Gk）（Cp52-CpQ心=目

其中Gr—燃料量［kg/h］

必一空氣量［kg/h］

cp/一廢氣比熱［kJ/kg,℃］

cp—空氣比熱［kJ/kg,℃］

tl,t2—進、排氣溫度［℃］

四燃料不完全燃燒的熱損失。6

。8=。7（1-%）%=答

其中r/i??一燃料效率

五其它熱量損失儀

QL=QT~（QE+QS+QR+QBYQl=Qt~+Qs+Qr+Qb）

+++

發(fā)動機熱平衡方程式：qe+qsQrQbQi-1

§1-4指示指標

發(fā)動機性能指標：指示指標，有效指標

指示指標：以工質(zhì)在汽缸對活塞做功為基礎，評價工作循環(huán)的質(zhì)量。

有效指標：以曲軸上得到的凈功率為基礎，評價整機性能。

示功圖：發(fā)動機缸壓力P隨汽缸容積V（P-V圖）或曲軸轉(zhuǎn)角（］）（pR圖）變化的圖示。

一指示功和平均指示壓力

（一）指示功叱

一個循環(huán)工質(zhì)對活塞所做的有用功。

四沖程非增壓四沖程增壓二沖程

應該：非增壓：Fi=Fl-F2增壓：Fj=F]+F2

因為：后不容易測量，實際將趨歸到機械損失中考慮。

所以：耳=R

W^Fra-b其中a—橫、縱座標比例尺

指示功大，說明o汽缸工作容積大o熱功轉(zhuǎn)換有效程度大。為突出后

者，比較不同大小發(fā)動機的熱功轉(zhuǎn)換有效程度，引入平均有效壓力的概念。

（二）平均指示壓力p,

單位汽缸工作容積所做的指示功。

叱

Pi—（假想?yún)?shù)）

其中%—每缸工作容積。

Pi,柴=686?981[kpa]

P,汽=784?1180[kpa]

二指示功率N,

單位時間所做的指示功。

3

若：缸數(shù)i,每缸工作容積V%[mL沖程數(shù)r,平均指示壓力Pj[Pq]

轉(zhuǎn)速n[r/min]o則

n2=^^E

r30r

PiV"n-3

X10[kw]

30r

若:

每缸工作容積V%[L],平均指示壓力pz[bar]o則

PiV/n

Ni=[kw]

300r

三指示比油耗和指示熱效率

（一）指示比油耗g,

單位指示功率的耗油量。

gj=—x103[g/kw?h]

'Ni

G7一每小時耗油量[kg/h]

（二）指示熱效率7

叱

7,二一

a

一做叱指示功所消耗的熱量。