發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理課件

第二章：發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理內(nèi)燃機(jī)的概念內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)：進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣基本術(shù)語示功圖壓縮比汽油燃燒的過程點(diǎn)火提前角的概念排量的計(jì)算功率的概念和計(jì)算扭矩的概念發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放物影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放的因素發(fā)動(dòng)機(jī)的定義

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力裝置。是通過將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，在將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一系列連續(xù)、周而復(fù)始的過程的裝置。一個(gè)例子大家都看到過戰(zhàn)爭片中大炮的發(fā)射吧，那就是一個(gè)簡單的內(nèi)燃機(jī)，火藥點(diǎn)燃爆炸后在炮管內(nèi)產(chǎn)生推動(dòng)力，推動(dòng)炮彈發(fā)射出去，這里火藥相當(dāng)于油氣混合物，炮彈相當(dāng)于活塞，炮管相當(dāng)于汽缸，只不過相對(duì)于汽車輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)來說，火藥爆炸的能量被用來對(duì)炮彈直線加速。

內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)每一次將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一系列連續(xù)過程，稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)。在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)，需要經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、做功（燃燒、膨脹）和排氣四個(gè)工作過程。凡活塞往復(fù)四個(gè)行程而完成的一個(gè)工作循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，稱為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)；活塞往復(fù)兩個(gè)行程就完成的一個(gè)工作循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，稱為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī).進(jìn)氣行程進(jìn)氣行程中，進(jìn)氣門開啟排氣門關(guān)閉。隨著活塞從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)移動(dòng)，活塞上方的氣缸容積增大，從而氣缸內(nèi)的壓力降低到大氣壓以下，即在氣缸內(nèi)造成真空吸力。這樣可燃混合氣便經(jīng)過進(jìn)氣管道和進(jìn)氣門被吸入氣缸。由于進(jìn)氣系統(tǒng)有阻力，進(jìn)氣終了時(shí)氣缸內(nèi)的氣壓約為75-90KPa。壓縮行程為使吸入氣缸的可燃混合氣能迅速燃燒，以產(chǎn)生較大的壓力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出較大的功率，必須將燃燒前的可燃混合氣壓縮，使其容積縮小，密度加大、溫度升高，即需要有壓縮過程。這個(gè)過程中，進(jìn)、排氣門全部關(guān)閉，曲軸推動(dòng)活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)，壓縮終了時(shí)活塞到達(dá)上止點(diǎn)，可燃混合氣的壓力升高到1500-2500KPa，溫度可達(dá)400-600℃。壓縮比愈大，在壓縮終了時(shí)混合氣的壓力和溫度愈高，燃燒的速度也越快，因而發(fā)動(dòng)機(jī)的功率愈大，經(jīng)濟(jì)性愈好。做功行程

這個(gè)行程進(jìn)、排氣門仍然關(guān)閉，當(dāng)壓縮行程活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，裝在氣缸蓋上的火花塞即發(fā)出電火花,點(diǎn)燃被壓縮的可燃混合氣.混合氣燃燒時(shí)，釋放出大量的熱能.因此,燃?xì)獾膲毫蜏囟妊杆僭黾?。所以達(dá)到的最高壓力為3000-5000KPa，相應(yīng)的溫度則為1927-2527℃。高溫高壓的燃?xì)馔苿?dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)而輸出機(jī)械能。排氣行程

可燃混合氣燃燒后產(chǎn)生的廢氣,必須從氣缸中排出,以便進(jìn)行下一個(gè)進(jìn)氣行程。當(dāng)做功行程接近終了時(shí)，排氣門開啟，此時(shí)靠廢氣的壓力進(jìn)行自由排氣，活塞達(dá)到下止點(diǎn)后再向上止點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，繼續(xù)將廢氣強(qiáng)制排出缸外?；钊缴现裹c(diǎn)附近時(shí)，排氣行程結(jié)束。在排氣行程中氣缸內(nèi)的壓力高于大氣壓力。排氣終了時(shí)廢氣溫度約為627-927℃?；拘g(shù)語上止點(diǎn)：活塞離曲軸回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)處，即活塞在氣缸內(nèi)的最上位置。

Topdeadcenter簡稱TDC下止點(diǎn)：活塞離曲軸回轉(zhuǎn)中心處，即在氣缸最下位置。

bottomdeadcenter簡稱BDC活塞行程：上、下兩止點(diǎn)間的距離（mm），S=2R沖程：活塞由一個(gè)止點(diǎn)到另一個(gè)止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一次的過程示功圖

060120180240300360420480540600660720123456進(jìn)氣壓縮作功排氣P/(MPa)θ。P—φ示功圖示功圖：氣缸內(nèi)壓力隨工作容積或曲軸轉(zhuǎn)角變化的坐標(biāo)圖稱為示功圖。（indictordiagram)以曲軸轉(zhuǎn)角為獨(dú)立變量的稱P—φ示功圖P-V示功圖256134以氣缸工作容積為獨(dú)立變量P/(MPa)上止點(diǎn)下止點(diǎn)VaVhVc壓縮比

Vc

活塞在上止點(diǎn)時(shí)的氣缸容積稱為氣缸的壓縮室容積

（compressionvolume),或最小氣缸容積（minimum

cylindervolume)Vh

活塞由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)所空出的氣缸容積稱為

氣缸工作容積（workvolume)

Va

氣缸工作總?cè)莘eVa指活塞在下止點(diǎn)時(shí)活塞頂上面的空間

容積。Va=Vc+Vh

壓縮比（ε）：氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值。

不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比ε比較TU3JPKTU5JPKTU5JP4EW10EQ6100EQD61029.3:19.6:110.5:110.8:16.75:117:1

壓縮比愈大，在壓縮終了時(shí)混合氣的壓力和溫度便越高，燃燒速度便越快，因而發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率愈大，經(jīng)濟(jì)性愈好。但壓縮比過大時(shí)，不僅不能進(jìn)一步改善燃燒情況，反而會(huì)出現(xiàn)爆燃和表面著火等不正常燃燒。它會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件的負(fù)荷，還會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)過熱、功率下降、燃油消耗增加、缸墊漏氣量增加等。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成氣門燒毀、軸瓦破裂、火花塞絕緣體擊穿等機(jī)件損壞現(xiàn)象。汽油燃燒的過程在活塞上止點(diǎn)前某一時(shí)刻用電火花點(diǎn)火，行程紊流火焰向未燃混合氣傳播，最后完成燃燒過程，火焰的傳播過程決定燃燒室內(nèi)已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w的熱力學(xué)狀態(tài)，從而決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、效率和排放。汽油燃燒過程在P—φ示功圖上可分三個(gè)階段IⅡⅢθ上止點(diǎn)（1）著火延遲期（2）明顯燃燒時(shí)期（3）后燃時(shí)期點(diǎn)火提前角的概念

點(diǎn)火提前角

——從火花塞點(diǎn)火至活塞上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為點(diǎn)火提前角фig。點(diǎn)火提前角的選擇應(yīng)滿足以下要求:(1)發(fā)動(dòng)機(jī)功率最大

(2)燃油經(jīng)濟(jì)性最好

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)生爆燃

(4)排放指標(biāo)好點(diǎn)火過早,壓縮功增加功率和經(jīng)濟(jì)性達(dá)不到最?yuàn)A,并易發(fā)生爆燃,導(dǎo)致火花塞和發(fā)動(dòng)機(jī)零件損壞,排放也將變壞.點(diǎn)火過遲,燃燒過程推遲,功率和經(jīng)濟(jì)性同樣下降.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)須提前點(diǎn)火,轉(zhuǎn)速上升后雖火焰速度加快,而著火延遲期以時(shí)間記縮短教少,以曲軸轉(zhuǎn)角記相應(yīng)增加,為保持氣缸壓力在最佳位置,應(yīng)加大點(diǎn)火提前角.點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)排放有很大影響,推遲點(diǎn)火可降低NOx和HC的排放量.相對(duì)扭矩MBT1020304000.91.0排量的計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的排量也指發(fā)動(dòng)機(jī)的工作容積，等于氣缸的工作容積×氣缸數(shù)量示例：計(jì)算TU5發(fā)動(dòng)機(jī)的排量Vh總=0.785*10-6*78.52*82*4=1.5866561L功率的概念和計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于內(nèi)部有機(jī)械損失,所以曲軸輸出的功率總是小于氣缸內(nèi)發(fā)出的指示功率.即

Ne=Ni-NmNe----有效功率Ni----指示功率Nm----機(jī)械損失功率功率是指單位時(shí)間內(nèi)做功的多少。而功是力量和位移距離的乘積。所以最大功率出現(xiàn)的點(diǎn)，就是扭矩和轉(zhuǎn)速的乘積的最大點(diǎn)。通常出現(xiàn)最大扭矩的時(shí)候，轉(zhuǎn)速還不是很高。這也就解釋了為什么通常出現(xiàn)最大功率的轉(zhuǎn)速要比出現(xiàn)最大扭矩的轉(zhuǎn)速高的原因。最大功率用馬力（PS）或千瓦（KW）表示。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率同轉(zhuǎn)速是相關(guān)的，一般說隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也相應(yīng)提高，但是到了一定轉(zhuǎn)速后，功率反而呈下降趨勢(shì)。最大功率說明什么？應(yīng)該是說明車子能達(dá)到的最高車速。

氣缸內(nèi)的平均有效壓力Pe是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積利用率和強(qiáng)化程度的重要指標(biāo),和功率的關(guān)系也密不可分.

Pe----平均有效壓力(MPa)Vh----每缸的工作容積(L)i----發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)目τ----發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)的沖程數(shù)n----發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，是在試驗(yàn)臺(tái)上用測(cè)功器測(cè)出的曲軸輸出扭矩Me和用轉(zhuǎn)速器量出其轉(zhuǎn)速之后，經(jīng)過換算確定。其公式如下：Me----扭矩（N·m)N----曲軸轉(zhuǎn)速（r/min)扭矩的概念

發(fā)動(dòng)機(jī)做功時(shí)，圍繞圓心做圓周運(yùn)動(dòng)，再通過一系列的齒輪（在這里可以理解為杠桿）把力傳輸?shù)杰囕?。所以，扭矩可以直觀地理解為“發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的力”。那么，“最大扭矩”就可以理解為“發(fā)動(dòng)機(jī)所能發(fā)出的最大的力”。扭矩是發(fā)動(dòng)機(jī)從曲軸端輸出的力矩，扭矩的表示方法是N．m／r／min，最大扭矩一般出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的中轉(zhuǎn)速的范圍，隨著轉(zhuǎn)速的提高扭矩反而下降。我們一般在市區(qū)內(nèi)開車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都處于2000~3500轉(zhuǎn)，這就意味著扭矩峰值出現(xiàn)在4000轉(zhuǎn)以內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)是最合適的。最大扭矩決定著車的提速性能，特別是低速時(shí)的加速性。發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放物無害氣體

二氧化碳CO2

水蒸氣H2O

氮?dú)釴2

過量氧氣O2有害氣體

一氧化碳CO

碳?xì)浠衔颒C

氮氧化物

NOx

二氧化硫

SO2汽油機(jī)燃燒行程形成的廢氣，大致分為兩類：影響汽油機(jī)排放的因素可燃混合氣混合比★

供給偏濃混合氣時(shí)，NOx減少，而CO、HC增多★供給偏稀混合氣時(shí)，CO與HC減少，而增多NOx

★供給稀混合氣時(shí)，NOx、CO減少，而HC增多結(jié)論：供給功率混合氣時(shí)汽油機(jī)可產(chǎn)生最大功率，動(dòng)力性好，但燃燒不完全，生產(chǎn)的CO和HC增多；供給經(jīng)濟(jì)混合氣時(shí)燃燒效率高，燃油接近于完全燃燒，燃油消耗量少，燃料經(jīng)濟(jì)性好，但生產(chǎn)的NOx量多?？杖急雀呋虻陀跁r(shí)NOx生成量均減少。COHCNOXNOX（×10-6）CO（%）HC（×10-6）123456789102000100030004000500010020030010111213141516171819202122空燃比NOX、HC、CO和空燃比的關(guān)系濃稀汽油機(jī)工作溫度汽油機(jī)工作溫度低時(shí),噴油器噴出的汽油霧化不良,此時(shí)需要過濃的混合氣,結(jié)果由于空氣不足容易產(chǎn)生CO.且此時(shí)燃燒溫度不高,使NOX生成量減少,而未燃的HC增多.汽油機(jī)工作溫度為80-95℃(燃燒室壁的溫度為120-140℃)時(shí)燃油汽化好,與空氣混合均勻,可燃混合氣可得到完全燃燒,使HC、CO排放減少，NOX的生成量增多。汽油機(jī)的負(fù)荷汽油機(jī)低負(fù)荷時(shí)，供應(yīng)的混合氣偏濃，汽油機(jī)工作溫度低，可燃混合氣品質(zhì)差，可燃混合氣燃燒速度減慢，加上燃燒室的激冷面和狹隙效應(yīng)的作用使CO、HC排放量增加。隨著負(fù)荷逐漸增加，可燃混合氣的空燃比逐漸趨于經(jīng)濟(jì)混合氣成分，汽油機(jī)工作溫度升高，使可燃混合氣完全燃燒，因此CO、HC排放量減少，NOX的生成量增多。進(jìn)入大負(fù)荷工況，可燃混合氣成分偏濃，燃燒速率大，汽