汽车拖拉机发动机 第３版 教学课件 ppt 作者 董敬 庄志 常思勤编课件 第一章 发动机的性能

汽车拖拉机发动机 第一章发动机的性能 第二章发动机的换气过程 第三章燃料与燃烧 第四章汽油机混合气的形成和燃烧 第五章柴油机混合气的形成和燃烧 第六章发动机的特性 第七章车用发动机的废气涡轮增压 第八章排气污染与控制 第九章发动机动力学知识补充 一、发动机的分类1、按所用燃料分汽油机、柴油机、天然气（CNG、LNG）、液化石油气（LPG）、酒精（甲醇、乙醇）、氢等2、按缸内着火方式分压燃式（柴）、点燃式（汽）3、按冲程数分四冲程、二冲程4、按活塞运动方式分往复活塞式、旋转活塞式5、按气缸冷却方式分液体冷却（水冷）、空气冷却（风冷）6、按气缸数目分单缸、多缸（2、3、4、5、6、8）7、按转速分低速（n＜300rpm）、中速（300rpm＜n＜1000rpm）、高速（1000rpm＜n）8、按增压程度分增压比πb：空气经过一个专用的压气机（增压器）压缩后的压力Pk与压缩前的压力P0之比。非增压（自然吸气式）、低增压（πb＜1.8）、中增压（1.8＜πb＜2.5）、高增压（2.5＜πb＜3.6）、超高增压（3.6＜πb）9、按气缸排列方式分立式、卧式、直列式、V型、W型对置气缸或对置活塞式H型、王字型、X型、星型10、按混合气形成方式分进气管或进气道喷射（0.2~0.35MPa）、缸内直接喷射（3.0~12MPa）、分层充量、化油器式11、按燃烧室设计分开式燃烧室（浴盆形、楔形、半球形、碗形、ω形分隔式燃烧室（涡流室、预燃室）12、按进、排气门凸轮轴设计和布置分二气门、三气门、四气门（多气门）顶置（上置）或侧置（下置）气门顶置或侧置凸轮轴13、按用途分农用、船用、汽车用、工程机械用、拖拉机用、发电用、内燃机车用 三、发动机总体构造 1、汽油机两大机构：曲柄连杆机构、配气机构五大系：燃料供给系、点火系、冷却系、润滑系、起动系2、柴油机两大机构：曲柄连杆机构、配气机构四大系：燃料供给系、冷却系、润滑系、起动系第一章发动机的性能 性能：动力性、经济性、可靠耐久性、排放、振动、噪声、使用维修性、加工工艺性等 以性能为研究对象，深入到工作过程的各个阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中找出提高性能的一般规律本章主要内容 发动机的理论循环和实际循环 评定发动机性能的参数 发动机的热平衡第一节发动机理论循环定义：发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些因素，所得出的简化循环。意义：通过对理论循环的研究，可以清楚地确定影响性能的某些重要因素，从而找到提高发动机性能的基本途径 一、三种基本循环最简单的理论循环——空气标准循环，其简化条件为：l）假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同2）假设工质是在闭口系统中作封闭循环3）假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程4）假设燃烧是外界无数数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热根据加热方式不同，发动机有三种基本空气标准循环：定容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速）定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃烧最高压力的限制）混合加热循环（高速柴油机）评定理论循环的指标：循环热效率ηt定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比意义：评定循环经济性循环平均压力pt定义：单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力意义：评定循环动力性（做功能力） 二、循环热效率ηt 按工程热力学公式，混合加热循环热效率为 ε一压缩比，ε=Va／Vc=(Vs+Vc)／Vc=1+Vs/Vc，其中，Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积；（汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15） λ一压力升高比，λ=pz/pc； ρ一预膨胀比，ρ=Vz/Vz’=ε/δ； δ—后膨胀比，δ=Vb/Vz； K一绝热指数定容加热循环（ρ=1）热效率为定压加热循环（λ=1）热效率为影响ηt的因素l.压缩比ε提高ε，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，三种循环的ηt都提高。图1-3示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。2.绝热指数K：随K值增大，ηt将提高。3.压力升高比λ：定压加热循环λ=1，定容加热循环λ不影响ηt，混合加热循环随λ增大ηt将提高。4.预膨胀比ρ：定容加热循环ρ=1，定压加热循环和混合加热循环随ρ增大ηt将下降。三种循环热效率的比较 循环总加热量相同时定容加热循环热效率＞混合加热循环热效率＞定压加热循环热效率 最高压力相同时定压加热循环热效率＞混合加热循环热效率＞定容加热循环热效率 三、循环平均压力ptpt（kPa）是单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力按工程热力学公式，混合加热循环的平均压力定容加热循环（ρ=1）的平均压力为定压加热循环（λ=1）的平均压力为可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比ε、压力升高比λ、预膨胀比ρ、绝热指数K和热效率ηt的增加而增加。第二节四行程发动机的实际循环 实际循环通常用气缸内的工质压力p随气缸工作容积V（或曲轴转角φ）而变化的图形表示，即示功图p－V图，p－φ图称为展开示功图。p－V图上曲线所包围的面积（积分）表示工质完成一个实际循环所做的有用功。 发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。 过程 示功图 过程描述 作用 终点压力P(MPa)（P0=0.1015MPa） 终点温度T(K) 进气 r-a线 活塞下行，进开排关 吸入新鲜混合气 汽：0.075~0.08柴：0.08~0.09 汽：370~400柴：300~340 压缩 a-c线 活塞上行，进关排关 增大工作过程温差，提高热功转换效率，为燃烧创造条件 汽：0.6~2.0柴：3.0~5.0 汽：600~750柴：750~1000 燃烧 c-z线 上死点附近，进关排关 化学能转变为热能，工质的压力、温度升高 汽：3.0~6.5柴：4.5~9.0 汽：2200~2800柴：1800~2200 膨胀 z-b线 活塞下行，进关排关 活塞主动对外做功，热能转变为机械能，工质的压力、温度下降 汽：0.3~0.6柴：0.2~0.5 汽：1200~1500柴：1000~1200 排气 b-r线 活塞上行，进关排开 排出废气 汽：0.105~0.115柴：0.105~0.115 汽：900~1200柴：700~900柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力pZ很高，但因相对于燃油的空气量大，所以最高燃烧温度TZ值反而比汽油机低。所以各个过程的温度均比汽油机低，唯独压缩过程终点时高于汽油机；压缩比高，所以柴油机膨胀比也大，转化为有用功的热量多，热效率高，所以膨胀终了的温度和压力均比汽油机小。而其他过程的压力均高于汽油机。二、实际循环与理论循环比较通过上述实际循环的五个过程分析，可以看出发动机的实际循环与理想循环有很大差别。研究实际循环与理论循环的差异，就可找出热量损失所在。分析差异的原因，可探求提高热量有效利用的途径。其差别由以下几项损失引起。1．换气损失（Wr）换气损失：为更换工质，而消耗的功，图中的Wr所示。其中因工质流动需要克服进、排气系统阻力所消耗的功称为泵气损失，即图中曲线rab’r包围的面积。和因排气门在下止点前提前开启而形成的损失称为提前排气损失，图中面积W所示。2．燃烧损失（Wz+不完燃烧损失+高温热分解损失）（1）实际循环中燃料燃烧需要一定时间，因此点火或喷油必须上止点之前，并且燃烧还延续到膨胀行程初期，由此产生的损失分别称为非瞬时燃烧损失和补燃损失，如图中Wz所示。（2）实际循环中会有部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失。（3）在高温下部分燃烧产物热分解引起的损失，即2CO2热→2CO+O22H2O热→2H2+O23．实际工质影响引起损失（Wk）理论循环中假定工质的比热为定值，而实际气体的比热是随温度的上升而增大的。并且在整个工作循环中存在泄漏，使工质的数量减少。因此，使实际循环的指示热效率ηit和指示功率pi要比理想循环小，其损失功为Wk。4.传热、流动损失（Wb）在实际循环中，工质与燃烧室壁、气缸壁面之间，始终存在着热交换，其压缩与膨胀过程不是绝热的，由此而产生的损失称传热损失，如图中Wb所示。由上述讨论可知，理想循环是把发动机的实际工作过程简化成工质的基本热力过程组成的循环，是最简单的空气标准循环。而实际循环由于存在着各种损失，其中最重要的是传热损失和燃烧损失，因此实际循环的指示功比理想循环的指示功要小。实际循环的热效率也小于理想循环的热效率。第三节实际循环的评定—指示指标 指示指标用来评定实际循环质量的好坏，以工质在气缸内对活塞做功为基础。 循环的动力性（做功能力）平均指示压力pmi指示功率Pi 循环的经济性指示热效率ηi指示燃料消耗率bi 一、平均指示压力pmi平均指示压力pmi（MPa）是发动机单位气缸工作容积的指示功pmi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标 pmi（MPa） 汽油机 0.8-1.5 柴油机 0.7-1.1以一个假想的、大小不变的压力作用在活塞上，使活塞移动一个行程，其所做的功等于循环功，则此假想的压力即为平均指示压力pmi 二、指示功率Pi发动机单位时间所做的指示功。---行程数二行程发动机四行程发动机 三、指示热效率ηi和指示燃料消耗率bi指示热效率ηi是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值。指示燃料消耗率bi（简称指示比油耗）是指单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的耗油量表示。[g／（kW·h）]ηi、bi的大致范围 ηi bi[g／（kW·h）] 汽油机 0.3-0.4 205-320 柴油机 0.4-0.5 170-205第四节发动机经济性和动力性的评定 发动机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了发动机整机的性能，通常称它们为有效指标。两类指标的比较 指示指标（i） 以工质在气缸内对活塞做功为基础，评定实际循环质量的好坏。 有效指标（e） 以曲轴对外输出的功率为基础，代表整机的性能。 一、发动机动力性能1.有效功率PePe=Pi-Pm机械损失功率Pm1)发动机内部运动零件的摩擦损失。比例最大2)驱动附属机构的损失3)泵气损失，指进排气过程所消耗的功发动机有效功率Pe由试验测得2.有效转矩Ttq发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Ttq3.平均有效压力pme平均有效压力pme（MPa）是发动机单位气缸工作容积输出的有效功pme值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强。它是评定发动机动力性的重要指标 pmi（MPa） pme（MPa） 汽油机 0.8-1.5 0.7-1.3 柴油机 0.7-1.1 0.6-1.04.转速n和活塞平均速度Cm提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大Cm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损增大，寿命下降，Cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s，柴油机不超过13m/s为了提高转速又不使Cm过大，由上式知，可以减小行程S，即对于高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比（S/D）值。当S/D<1时，常称为短行程 二、发动机经济性能1.有效热效率ηeηe是发动机的有效功We（J）与所消耗燃料热量Q1之比值 2.有效燃料消耗率be be[g/（kW·h）]是单位有效功的耗油量（简称耗油率），通常以每千瓦小时的耗油量表示ηt、ηi、ηe、bi、be的大致范围 ηt ηi ηe bi[g/(kW·h)] be[g/(kW·h)] 汽油机 0.54-0.58 0.3-0.4 0.25-0.3 205-320 270-325 柴油机 0.64-0.67 0.4-0.5 0.3-0.45 170-205 190-285 三、发动机强化指标1.升功率PL和比质量me升功率PL（kW／L）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。它用来衡量发动机容积利用的程度。比质量me（kg／kW）是发动机的干质量m与所给出的标定功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性。2.强化系数pmeCm其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围 PL（kW／L） me（kg／kW） pmeCm（MPa·m／s） 汽油机 30-70 1.1-4.0 8-17 汽车柴油机 18-30 2.5-9.0 6-11第五节发动机的环境指标 一、排放（欧洲排放体系） ①表示欧盟委员会建议；②表示欧盟议会建议。 标准名称 生效时间 CO/g.km-1 HC/g.km-1 NOX/g.km-1 NOX+HC/g.km-1 测试规范 欧洲1 1992.07 2.72 － － 0.97 ECE+EUDC 欧洲2 1996.01 2.20 － － 0.50 欧洲3 2000.01① 2.30 0.20 0.15 － 修改试验规范 2000.01② 2.30 0.12 0.15 － 欧洲4 2005.01① 2.30 0.10 0.08 － 2005.01② 2.30 0.10 0.08 － 第一部分（ECE），试验时需运行4个循环，总时间为13min。每循环持续时间为195s，总里程为4.052km，每循环里程为1.013km，平均车速为18.7km／h（不包括怠速时为27.01km／h）最高车速为50km／h，怠速时间占31％。 第二部分为附加的市区行驶工况（EUDC），总时间为1220s，试验里程为11.007km，平均速度为32.5km／h（不包括怠速时为42.6km／h），最高车速为120k／h，怠速时间占26.2％。取样开始时刻为试验开始40s后。欧3（2000年）改为启动后即取样。 二、噪声按产生机理分：流体噪声、机械噪声、电磁噪声、燃烧噪声危害：刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝交通运输噪声是现代城市的主要噪声源，约占城市噪声的75%，而其中发动机又是汽车的主要噪声源。包含流体噪声、机械噪声和燃烧噪声。第六节机械损失 机械损失所消耗的功率占指示功率的10%-30%。降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环得到的功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高发动机性能重要的一个方面。机械损失分配情况 机械损失名称 占Pm的百分比（%） 占Pi的百分比（%） 摩擦损失其中活塞及活塞环连杆、曲轴轴承配气机构 62-7545-6015-202-3 8-20 驱动各种附件损失其中水泵风扇机油泵电器设备 10-202-36-81-21-2 1-5 带动机械增压器损失 6-10 泵气损失 10-20 2-4 总功率损失 100 10-30 一、机械效率ηm机械效率ηm是有效功率和指示功率的比机械效率ηm的大致范围是：汽油机0.7-0.9柴油机0.7-0.85 二、机械损失的测定1.倒拖法特点：必须使用平衡式电力测功器，而且由于缸内压力、温度与实际不符，测量结果往往偏大我国汽车发动机试验标准中规定，应优先采用此法测量机械损失功率2.灭缸法特点：仅适用于多缸发动机，不能用于废气涡轮增压发动机及单缸机。对于柴油机，测量较准；但对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果。Pm=(i-1)Pe-(Pe(1)+Pe(2)+…)3.油耗线法（又称负荷特性法）特点：适用于柴油机，但不适用于汽油机负荷特性：发动机转速不变，其经济性指标随负荷而变化的关系负荷：节气门开度，汽油机中对应混合气的数量，柴油机中对应供油量方法：在负荷特性曲线中找出接近直线的线段，并顺此线段作延长线，直至与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即为该机的平均机械损失压力pmm的数值 三、影响机械损失的因素1.气缸直径及行程根据试验，机械损失功率与缸径、行程的大致关系为发动机工作容积增加，即加大缸径或行程时，机械效率提高。当气缸工作容积一定，而行程、缸径比（S／D）减小时，机械效率提高。2.摩擦损失（1）活塞组件产生摩擦的部件：活塞环、活塞裙部和活塞销主要影响因素：活塞环的结构与组合、活塞裙部的几何形状，缸套的温度及配合间隙等采取的措施：减少活塞环数目，减薄活塞环厚度，减少活塞裙部的接触面积，在裙部涂固体润滑膜等（2）曲轴组件产生摩擦的部件：轴颈与轴承、密封装置主要影响因素：润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比采取的措施：减少运动件的惯性质量，降低轴承负荷并使轴承宽度和轴径减小（3）配气机构产生摩擦的部件：气门与气门导管、摇臂与凸轮主要影响因素：低转速下，负荷主要由弹簧力引起；高转速时，负荷主要由惯性力引起采取的措施：减少运动件的惯性质量3.转速n（或活塞平均速度Cm）发动机转速上升（Cm随之加大），致使：1）各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加2）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加3）泵气损失加大4）驱动附件消耗的功多因此，n上升，机械损失功率增加，机械效率ηm下降提高转速强化发动机的动力性能与ηm的降低相互矛盾4.负荷5.润滑油品质和冷却水温度（1）润滑油润滑油粘度：即稠稀程度，表示了流体分子之间内摩擦力的大小。粘度大，内摩擦力大，流动性差，使摩擦损失增加，但承载能力强，易于保持液体润滑状态润滑油粘度主要受油的品种和温度的影响粘度比：表示粘度随温度的变化程度，即50℃和100℃时润滑油运动粘度的比值γ50/γ100。粘度比愈大，粘度随温度变化愈大。希望粘度随温度变化小，以保证内燃机在各种热状态下都能工作良好选用原则；在保证发动机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量选用粘度较小的润滑油，以减少摩擦损失，改善起动性能（2）冷却水温度在发动机使用过程中，应严格保持一定的油温和水温，即限制在一定热力状态下工作。提高水温，对性能有益，但受水的沸点限制，一般水冷发动机，水温多在80～95℃范围50%掺比的乙二醇冷却液，沸点108℃，冰点-36℃。第七节热平衡 一、实际循环热平衡1、实际循环与理论循环（空气标准循环）的差异 理论循环（四个假设） 实际循环 差异 假设工质是理想气体，物理常数与标准状态下的空气物理常数相同（比热容是定值） 实际气体比热是随温度上升而增大，因此循环的最高温度降低，存在泄漏使工质数量减少 Wk 假设工质是在闭口系统中作封闭循环 为使循环重复进行，必须更换工质，换气损失（泵气损失+提前排气损失W） Wr 假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程 气缸壁和工质间始终存在着热交换，使压缩、膨胀线均脱离理论循环的绝热压缩、膨胀线 Wb 假设燃烧是外界无数数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热 （1）燃烧需要一定的时间，所以喷油或点火在上止点前，并且燃烧还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失（2）部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失（3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热使循环的最高温度下降 Wzηt、ηi、ηe、bi、be的大致范围 ηt ηi ηe bi[g/(kW·h)] be[g/(kW·h)] 汽油机 0.54-0.58 0.3-0.4 0.25-0.3 205-320 270-325 柴油机 0.64-0.67 0.4-0.5 0.3-0.45 170-205 190-2852、汽油机与柴油机热量分配的差异 名称 汽油机 柴油机 理论循环热效率ηt 0.54-0.58 0.64-0.67 指示热效率ηi 0.30-0.40 0.40-0.45 各种损失使热效率下降工质比热容变化燃烧不完全及热分解传热损失提前排气  0.10-0.120.08-0.100.03-0.050.01  0.09-0.100.06-0.090.04-0.010.01说明：1）汽油机ηt低于柴油机ηt的主要原因是压缩比ε小所造成，所以提高压缩比一直是提高汽油机热效率的主要方向，但受到不正常燃烧的限制；2）实际工质比热容变化引起的损失，占有较大比例。汽油机因相对的空气量少，混合气较浓，缸内燃烧温度较高，故此项损失较柴油机大。所以应用稀混合气是汽油机减少损失的途径之一；3）对于柴油机，不完全燃烧主要是混合气形成及燃烧组织不完善引起，故燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的良好配合是柴油机应改善之处。 二、发动机热平衡指热量表现为有效功及各项损失的分配情况。QT=QE+QS+QR+QB+QL 说明： 主要由废气带走（QR），其次传给冷却水（QS）； 在某些汽油机中不完全燃烧损失的热量（QB）所占比例较大； 回收QR一直是人们极为关注的问题，如废气涡轮增压； QT发动机所耗燃油的热量 QE转化为有效功的热量 QS传递给冷却介质的热量 QR废气带走的热量 QB燃料不完全燃烧热损失 QL其它热量损失 汽油机 25-30 12-27 30-50 0-45 3-10 柴油机 30-40 15-35 25-45 0-5 2-5 增压柴油机 35-45 10-25 25-40 0-5 2-5发动机的热平衡燃料放出的热量活塞动力的热量输出功的热量废气排出热量35％气缸壁传出热量30％其它热量5％30％计算：某汽油机在3000r/min时测得其转矩为55N.m，在该工况下燃烧50mL的汽油需要的时间是25.7s，试计算有效功率Pe（kW）、每小时耗油量B（kg/h）和比油耗be（g/kW.h）。汽油的密度为0.73g/mL。解：Pe=n×Ttq/9550=3000×55/9550=17.28(kW)B=ρV/t=0.73×50×10-3×3600/25.7=5.11(kg/h)be=B×1000/Pe=5.11×1000/17.28=295.72(g/kW.h)