發(fā)動(dòng)機(jī)原理-教（學(xué)）案

【發(fā)動(dòng)機(jī)原理】教案

教材：《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理》

志沛主編

海運(yùn)學(xué)院

長(zhǎng)安大學(xué)

汽車學(xué)院機(jī)電與動(dòng)力研究所

目錄

緒論

1

第一章發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)及性能指標(biāo)

5

§11發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)概述

5

§12發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)

7

§1-3熱平衡

—8

§1-4指示指標(biāo)

——9

§1-5有效指標(biāo)

—11

§1-6機(jī)械損失

—13

§1-7燃燒熱化年

16

§1-8發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的著火和燃燒方式

20

第二章發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程

22

§2-1四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程

22

§2-2四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)

29

§2-6羊位時(shí)間充氣量與循環(huán)充氣量

30

第三章柴油機(jī)混合氣形成和燃燒

32

§3-1柴油機(jī)混合氣形成

32

§3-2柴油機(jī)的燃燒過(guò)程

36

§3--3柴油：機(jī)供油系統(tǒng)的X作特性及其對(duì)■燃;燒過(guò)程的影響

3；9

§34柴油機(jī)的燃燒室

41

第四章汽油機(jī)混合氣；形成和燃燒

46

§4-1汽油機(jī)混合氣形成

46

§4-2汽油機(jī)的燃燒過(guò)程

49

§4-3汽油機(jī)的燃燒室

57

第五章發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及排放污染

60

§51發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲污染及防治

60

§52發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染及防治

63

第六章發(fā)動(dòng)機(jī)特性

———66

§61發(fā)動(dòng)機(jī)工況和性能指標(biāo)分析式

66

§6-2發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性

66

§6-3發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性

70

§6-4發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性

72

§6_5發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性

73

§6一6大氣修正

77

第七章發(fā)動(dòng)機(jī)Zx架試驗(yàn)

—79

§71測(cè)量與計(jì)算參數(shù)

79

§7-2參數(shù)的測(cè)量

79

§7-3測(cè)取方法

83

第八章車用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣渦輪增壓概述

85

緒論

能量轉(zhuǎn)換：發(fā)動(dòng)機(jī)一燃料的化學(xué)能-?熱能f機(jī)械能

機(jī)械能、電能等一高級(jí)能源；熱能一低級(jí)能源

《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》課研究：熱能一機(jī)械能（轉(zhuǎn)換效率：理論上小于10096）

機(jī)械能T"熱能（轉(zhuǎn)換效率：理論上可達(dá)100Q

發(fā)動(dòng)機(jī)：燃機(jī)和外燃機(jī)

車用發(fā)動(dòng)機(jī)：間歇工作式發(fā)動(dòng)機(jī)

四個(gè)沖程中只有一個(gè)沖程做功，做功不連續(xù)。

燃?xì)廨啓C(jī)：連續(xù)工作式發(fā)動(dòng)機(jī)

一分類

（一）種類

1往復(fù)活塞式（普遍）

2轉(zhuǎn)子式一汪克爾式（THEWANKELENGINE）

早在19世紀(jì)，就有人設(shè)想過(guò)，但泄漏問(wèn)題是這種發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的致命弱點(diǎn)。它結(jié)構(gòu)緊湊，

運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，是高速車用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向之一。1956年德國(guó)工程師汪克爾制造出樣機(jī)。目前

日本已用于小轎車上，時(shí)速200km/h左右。但光泄漏損失就要占30%以上。目前我國(guó)蘇杭

等地已經(jīng)生產(chǎn)出了樣機(jī)。與往復(fù)式比較應(yīng)特別注意的一點(diǎn)是，往復(fù)式活塞在上下止點(diǎn)都稍有

短暫的停留，與一般認(rèn)為的觀點(diǎn)相反，運(yùn)動(dòng)方向的這些改變并不影響它的效率；也就是說(shuō)，

在這個(gè)過(guò)程中，并沒(méi)有什么固有的損失。旋轉(zhuǎn)式比往復(fù)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(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面有何優(yōu)越之處。

3擺動(dòng)活塞式(ROCKINGPISTONENGINE)

1979年日瓦發(fā)動(dòng)機(jī)展覽會(huì)上，展出了瑞士索羅圖恩的薩爾茨曼(W.Salemann)設(shè)計(jì)部

門的擺動(dòng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。

4斯特林(THESTIRLINGENGINE)

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

動(dòng)機(jī)引人注目的一種。

5自由活塞式(FREEPISTONENGINE)

只相當(dāng)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器。

(二)往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的分類

我們這門課主要研究目前汽車上廣泛應(yīng)用的往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

1按用途分類

(1)灌溉(抽水)用點(diǎn)工況

(2)電站用n=const.線工況固定式柴油機(jī)或機(jī)組

(3)船舶用Ne=kn3(螺旋槳曲線)線工況大型、低速柴油機(jī)

(4)汽車、拖拉機(jī)用變工況-面工況中小型、高速柴油機(jī)

(5)發(fā)動(dòng)機(jī)車大型高速柴油機(jī)組

(6)工程機(jī)械(礦山機(jī)械、建筑、石油鉆探)多變型

(7)坦克V型、多缸機(jī)

(8)飛機(jī)星型(徑向式)已基本不用

2按燃油種類分類

汽油機(jī)，柴油機(jī)

3按點(diǎn)火方式分類

自行著火(壓燃式)，外源點(diǎn)火(點(diǎn)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(fēng)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(jī)，多缸機(jī)(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(méi)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(yáng)能

二優(yōu)缺點(diǎn)

(一)優(yōu)點(diǎn)

1有效熱效率高

蒸汽機(jī)11-16%,蒸汽輪機(jī)30%,

汽油機(jī)30%,柴油機(jī)40%,增壓柴油機(jī)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(jī)3.7kg/kw,車用汽油機(jī)1.37kg/kw

4起動(dòng)性好

可很快達(dá)到全負(fù)荷

（二）缺點(diǎn)

1對(duì)燃料要求高

石油緊，汽油、柴油價(jià)格高；要求一定的標(biāo)號(hào)。

2噪聲、排污

3結(jié)構(gòu)較復(fù)雜

三現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

60年代以前：動(dòng)力性，可靠性，耐久性

70?80年代：經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力性

90年代口號(hào)：清潔，經(jīng)濟(jì)，安全

1相關(guān)學(xué)科日益增多，學(xué)科之間相互滲透

2標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，通用化（三化）

3新材料，新工藝，新產(chǎn)品

4使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、計(jì)算零部件及其配合，精密、準(zhǔn)確、優(yōu)化

5設(shè)計(jì)、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(jí)企業(yè)有時(shí)也需合

作開發(fā)新產(chǎn)品。

6電控應(yīng)用日益增多，混合氣制備更加完善

7檢測(cè)設(shè)備與手段先進(jìn)

8低排放的代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)正在普及，零排放的正在開發(fā)并進(jìn)入實(shí)用

四本課程的研究對(duì)象和任務(wù)

（―）對(duì)象

本課程以性能指標(biāo)作為研究對(duì)象

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

指標(biāo)的措施與途徑。

（二）性能指標(biāo)

1動(dòng)力性指標(biāo)（功率、扭矩、轉(zhuǎn)速）

2經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（燃料和潤(rùn)滑油的消耗量及消耗率）

3運(yùn)轉(zhuǎn)性指標(biāo)（冷起動(dòng)性、噪聲和排氣品質(zhì)）

衡量發(fā)動(dòng)機(jī)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(píng)定。

（三）工作過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)沖程（四個(gè)）：吸氣f壓縮一做功T排氣

熱力過(guò)程（五個(gè)）：吸氣一壓縮f燃燒一膨脹->排氣

燃燒-膨脹為能量轉(zhuǎn)換過(guò)程

（四）任務(wù)

研究熱力過(guò)程，熱力循環(huán)，整機(jī)性能

明確基本概念，基本技能。培養(yǎng)綜合分析問(wèn)題的能力。

（五）單位制

我國(guó)的法定計(jì)量單位

第一章發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)及性能指標(biāo)

§1-1發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)概述

一實(shí)際循環(huán)向理想循環(huán)的簡(jiǎn)化

（一）實(shí)際循環(huán)（以車用柴油機(jī)為例）

V

1進(jìn)氣過(guò)程：0?1(P>P0->P<Po)

2壓縮過(guò)程：1?2(pT,TT)

初期：工質(zhì)吸熱;后期：工質(zhì)放熱。

3燃燒過(guò)程：2?3?4(pTT,TTT)

4膨脹過(guò)程：4?5(pJ,TJ)

初期：工質(zhì)放熱;后期：工質(zhì)吸熱。

5排氣過(guò)程：5?0(P>Po)

(二)實(shí)際循環(huán)的簡(jiǎn)化

1忽略進(jìn)、排氣過(guò)程

2壓縮、膨脹過(guò)程(復(fù)雜的多變過(guò)程)簡(jiǎn)化為絕熱過(guò)程

3燃燒過(guò)程簡(jiǎn)化為定容加熱過(guò)程(2?3)和定壓加熱過(guò)程(3?4)

4排氣放熱簡(jiǎn)化為定容放熱過(guò)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(jī)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(yù)脹比

V

Pc=-4

匕

2熱效率

%

%=一1/=1q2V

%%qiv+qip

1A,pk—1

計(jì)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(jī)，定容加熱循環(huán))

(2)eT—>r)tT；當(dāng)￡=20左右時(shí)，eT—>r)tT不大

（二）定容加熱循環(huán)（奧托OTTO循環(huán)）

-汽油機(jī)的理想循環(huán)

1熱效率

因?yàn)椋侯A(yù)脹比=—=1

叱

?1

所以：熱效率%=1—百

2分析

p=1—>r|t=const.

sTr|tT；當(dāng)￡=10左右時(shí)，sT—>r|tT不大

且汽油機(jī)容易爆燃，因此，汽油機(jī)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(jī)的理想循環(huán)

1熱效率

因?yàn)?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(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)

發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)加上各項(xiàng)損失后，

即可分析發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)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(shí)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(shí)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(huì)發(fā)生復(fù)分解反

應(yīng)，即高溫分解：

C02fCO+0-熱量

這部分熱量雖然在膨脹過(guò)程中還可能會(huì)釋放出來(lái)，但由于活塞已接近下止

點(diǎn)，做功效果變差，熱效率下降。

二傳熱、流動(dòng)損失

（一）傳熱損失

理論上：壓縮、膨脹過(guò)程為絕熱過(guò)程。

實(shí)際上：大量熱量通過(guò)汽缸壁傳給冷卻水或空氣。

傳熱損失是發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。

(二)流動(dòng)損失

理論上：閉口系統(tǒng)，沒(méi)有氣體流動(dòng)損失。

實(shí)際上：進(jìn)、排氣節(jié)流沿程損失，缸進(jìn)氣、擠壓、燃燒渦流損失。

三換氣損失

理論上：忽略進(jìn)、排氣過(guò)程。

實(shí)際上：進(jìn)、排氣門提前開啟，遲后關(guān)閉。而且有流動(dòng)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(shí)間損失

理論上：定容加熱瞬間完成，定壓加熱速度與活塞運(yùn)行速度密切配合。

實(shí)際上：燃燒需要時(shí)間。

五補(bǔ)燃損失

理論上：加熱瞬間停止，膨脹過(guò)程無(wú)加熱。

實(shí)際上：雖然大部分(80%以上)燃料在燃燒過(guò)程中燃燒掉，但仍有小部分燃

料會(huì)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(wú)泄漏。

實(shí)際上：活塞氣環(huán)不會(huì)100%嚴(yán)密密封，總會(huì)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(jī)：30?4096；汽油機(jī)：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(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)的每小時(shí)流量[kg/h]

cs—冷卻介質(zhì)比熱[kJ/kg,℃]

tl,匕2—冷卻介質(zhì)的進(jìn)、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(jìn)、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(dòng)機(jī)熱平衡方程式：qe+qsQrQbQi-1

§1-4指示指標(biāo)

發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)：指示指標(biāo)，有效指標(biāo)

指示指標(biāo)：以工質(zhì)在汽缸對(duì)活塞做功為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)工作循環(huán)的質(zhì)量。

有效指標(biāo)：以曲軸上得到的凈功率為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)整機(jī)性能。

示功圖：發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)循環(huán)工質(zhì)對(duì)活塞所做的有用功。

四沖程非增壓四沖程增壓二沖程

應(yīng)該：非增壓：Fi=Fl-F2增壓：Fj=F]+F2

因?yàn)椋汉蟛蝗菀诇y(cè)量，實(shí)際將趨歸到機(jī)械損失中考慮。

所以：耳=R

W^Fra-b其中a—橫、縱座標(biāo)比例尺

指示功大，說(shuō)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(dòng)機(jī)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(shí)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(shí)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。