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1、汽车发动机原理,课 程 概 述,一、课程的性质和任务 1、研究发动机的工作过程和性能指标，主要包括动力性、经济性、排放性等。2、分析影响发动机性能指标的因素。3、找出提高发动机性能指标的途径。二、课程的地位和作用 本课程是一门专业课，为发动机的使用、维修打基础。本课程在整个课程体系中起承上启下的作用，对今后的实际工作起指导作用。,三、课程主要内容课程的主要内容分两大部分，工程热力学基础知识部分的重点是发动机的理想循环。发动机原理部分的重点是内燃机的燃烧过程和特性。主要内容包括：工程热力学基础、发动机示功图和性能指标、燃料和燃烧、发动机换气、汽油机混合气的形成与燃烧过程、柴油机混合气的形成与燃烧
2、过程、发动机特性、发动机的排放与控制等。,四、课程的特点、要求、学时分配、考核特点:本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的讲授以理论分析和推导为主。要求:要求课上集中精力听讲，做好笔记，课下及时复习。对重点章节要熟练掌握。学时分配：总学时96参考书：1.汽车发动机原理（第二版）陈培陵主编 人民交通出版社 2003 2.车辆内燃机原理（第一版）秦有方主编 北京理工大学出版社 1997,第一章 发动机性能,本章要求：了解：热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环等。理解：热力学第一和第二定律，图和图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。,第一节 发动机理论循环,为便于分
3、析内燃机的实际工作过程，将内燃机的某个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆过程，这样得到的一个闭合循环，称为理想循环。理想化的原则及方法：1、工质所经历的状态变化为一闭合循环；2、假设工质是理想气体；3、组成各循环的过程都是可逆的；4、假设外界无数高温热源等容或等压向工质加热；5、假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程。,要求掌握：1、车用发动机的理想循环各是什么；2、理想循环各由哪些过程组成；3、影响理想循环热效率的因素；4、车用发动机理想循环的比较。,一、三种基本循环1、实际循环及理想化,实际工作过程：,进气、,压缩、,燃烧、,膨胀、,排气,汽油机的理想循环：等容加热循环低速柴油机的理
4、想循环：等压加热循环高速柴油机的理想循环：混合加热循环,2、汽油机的理想循环,1-2的压缩过程绝热压缩；2-3的燃烧过程等容加热；3-4的膨胀过程绝热膨胀；4-1的排气过程等容放热。,等容加热循环的热效率：T=1-1/k-1,-压缩比；,k-绝热指数。,-等容加热循环,Q2,Q1,3、车用柴油机的理想循环-混合加热循环,混合加热循环的热效率:,1-2的压缩过程绝热压缩；2-3的燃烧过程等容加热；3-4的燃烧过程等压加热；4-5的膨胀过程绝热膨胀；5-1的排气过程等容放热。,=V1/V2-压缩比,=P3/P2-压力升高比，=V4/V3-预胀比，k-绝热指数.,Q1,Q1,4、低速柴油机的理想循环
5、-等压加热循环,1-2的压缩过程 绝热压缩；2-3的燃烧过程 等压加热;3-4的膨胀过程 绝热膨胀；4-1的排气过程 等容放热。,等容加热循环的热效率：T=1-1/k-1(K-1)/K(-1),二、影响内燃机理想循环的主要因素 分析循环的主要目的是找出影响循环热效率的因素，找到提高热效率的途径。常用的方法有：1、解析法：从循环热效率的公式出发进行分析。2、图示法：由PV图、TS图入手分析。,1、压缩比的影响,压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。由热效率的公式：,提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度扩大了循环温差和膨胀比,T。,当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比较大
6、时，热效率随压缩比的增加增大较少。,由试验曲线看出:,2、K的影响 由公式看出，KT（混合气较稀,K较大）K取决于工质的性质，双原子气体为1.4；多原子为1.33.3、的影响(1)对定容加热循环，T不变 因为 则Q1和 W Q2/Q1不变。(2)对混合加热循环，TQ1不变，值增大（Q1v）则相对的减少了Q1p所占的比例，而Q2减少，使整个循环的热效率会增大。4、的影响（1）对等压加热循环，T。(Q2)（2）对混合加热循环，T,比较图中各循环加热过程所对应的面积，得出：Q2p Q2mQ2v所以：tvtmtp,三、活塞式内燃机理想循环的比较1、在等压缩比、等加热量Q1条件下,2、在循环的最高温度、
7、最高压力相同的条件下,在T-S图上比较三种循环的加热量和放热量，可以看出：放热量q2都相同，而加热量为：,Q1pQ1mQ1v,所以：,tptmtv,实际内燃机中，由于压缩比选取的不同，有：tm tptv,热力系统的分类（据界面上物质和能力交换的情况分）,闭口系统：与外界无质量交换的系统；开口系统：与外界有质量交换的系统；绝热系统：与外界无热量交换的系统；孤立系统：与外界即无质量交换，又无 热量交换的系统。,压力的测量,当系统的压力高于大气压力时，用压力表测量。,P=Pb+Pg P:系统压力（绝对压力）；Pb:大气压力；Pg:表压力（压力表读数）。,压力的测量,当系统的压力低于大气压力时，用真空
8、表测量。,P=Pb-Pv Pv：真空表读数。,由于表压力和真空度随大气压力的变化而变化，所以只有绝对压力才能作为系统的状态参数。,第二节 四冲程发动机的实际循环,发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。实际循环比理论循环复杂的多。通常用气缸内的工质压力随气缸工作容积或曲轴转角而变化的图形（示功图）来研究。即-示功图和-,四冲程柴油机图,四冲程汽油机图,五个工作过程：,1、进气过程2、压缩过程3、燃烧过程化学能热能4、膨胀过程5、排气过程排气温度是重要参数,第三节 发动机的指示性能指标,发动机的性能指标包括：指示指标：据示功图求得的动力性和经济性指标它是以工质在气缸内对活
9、塞所做的功为基础的性能指标。意义：用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程。有效指标：考虑到机械损失的指标。小于指示指标 它是以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。意义：用来评定发动机性能的好坏。,发动机的指示指标：,顺时针 正功-循环指示功；逆时针 负功-泵气功;机械 损失功,示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多少。,在气缸完成一个循环，工质对活塞所做的功，用WCi（J）表示。WCi=Pdv（WCi相当于代表的功）,一、指示功和平均指示压力1、指示功（或循环指示功）,1）定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。Pi=Wci/Vh(kpa)2）单位：Wci（J），Vh（L）
10、，Pi（kpa）3）Pi，Wci=气缸工作容积的利用程度。4）作用：评价发动机工作循环的动力性。5）汽油机:Pi=700-1300kpa 柴油机:Pi=650-1100kpa增压柴油机:Pi=900-2500kpa,2、平均指示压力Pi,二、指示功率Ni,i 气缸数；Pi 平均指示压力（kpa)；n 转数，r/min；行程数；Vh（L）汽缸工作容积。当时：,Pi，Ni，动力性指标。,定义：单位时间内所做的指示功，Ni,KW。Ni=Wci/t(N.m/s),KW,KW,三、指示燃油消耗率gi,定义：单位指示功所消耗的燃油量，用gi表示。gi（1000Gf/Ni）g/kwh Gf 每小时的燃油消耗
11、量，kg/h；Ni 指示功率，kw。,gi，i，经济性指标。,四、指示热效率i,定义：实际循环指示功Wci与所用燃油的发热量Q1之比值,用i表示。,Ni KW；Hu KJ/kg燃料热值；Gf kg/h；gi g/kwh,可以看出：i1gi,标定工况下，i，gi的大致范围：,gi i汽油机：205320 0.250.40柴油机：170205 0.400.50,第四节 发动机的有效性能指标,有效指标：以曲轴输出功为计算标准的指标一、发动机动力性指标 1、有效功和有效功率 循环有效功率：NeNi-Nm 有效功：WeWi-Wm,2、有效扭矩（转矩）Me,Ne：功率；KW Me：扭矩；N.mn：转速；r
12、/min,是发动机工作时曲轴输出的平均扭矩。,Men,3、平均有效压力Pe,1.定义：单位气缸工作容积的循环有效功。是评价发动机动力性和强化程度的重要指标。2.与Ne的关系：,Pe平均有效压力kpa，Vh 汽缸工作容积L 对四冲程发动机，4，,3.对于结构一定的发动机，平均有效压力Pe与扭矩Me成正比。,汽油机:Pe=650-1200kpa；柴油机:Pe=600-950kpa,4、转速n和活塞平均速度Cm,Cm大，活塞组的热负荷和连杆机构的惯性力均增大，磨损加剧，寿命下降。,转速增加，活塞平均速度也增加 Cm=Sn/30,二、发动机经济性指标,.有效燃油消耗率:单位有效功率的油耗量。ge100
13、0Gf/Ne g/kwh Gf:每小时的油耗量,kg/h Ne:有效功率kw有效热效率：发动机的有效功We与所消耗的燃油发出的热量Q1的比值。eWe/Q13.6/(ge Hu)106Wim/Q1im ge:有效燃油消耗率;Hu:燃料的低热值kJ/kg ge、e是发动机的经济性能指标。,三、发动机强化指标,升功率NL：发动机每升工作容积发出的有效功率。NLNe/(i Vh)kw/L 从有效功率的角度，衡量发动机排量利用的程度，NL越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。比重量：发动机的净重量G与所发出功率Ne的比值。GeG/Ne 表征重量利用程度和结构紧凑性。升功率和比重量
14、都是发动机的强化程度指标。越大，内燃机的热负荷和机械负荷越高。,3强化系数：平均有效压力与活塞平均速度的乘积 与活塞的单位面积的功率成正比 强化系数愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。,第五节 机械损失与机械效率,一、机械效率1.机械损失功率:发动机机械损失所消耗的功率，Nm2.平均机械损失压力:单位气缸工作容积的机械损失功，PmPi-Pe,.机械效率：指示功转变为有效功的程度。,i、e、m之间的关系,汽油机：m0.70.9；柴油机：m0.70.85；增压柴油机：m0.80.92,二、影响m的因素,1转速n负荷一定=Pi、Ni基本不变n=摩擦损失=机械损失=Pm,图2-3 m随转速的变化关系,
15、得:n,m故用提高n来增加发动机的动力性指标受到限制。,使用因素：转速、负荷、润滑油品质、水温等；结构设计因素：最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。,2.负荷,n不变，NeMe，NePe,故负荷可用Ne,Pe表示。负荷率：Me/Memax100%,负荷=Pi,Pm近似不变=mPm/Pi怠速工况:Ne0 NiNm,m=0,负荷定义：发动机的转速变化时,作用在发动机曲轴上的阻力矩。,3.润滑油粘度,润滑油的粘度即机油的稠稀程度。粘度=内部摩擦=机械损失 Ni不变=m 粘度=Pm=m粘度过小=机油的承载能力太低=油膜破裂=发生干摩擦=烧瓦=Pm=m另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，导致
16、机油粘度降低。,4.冷却水温度,冷却水的温度直接影响到润滑油的温度，因而也就关系到润滑油粘度和摩擦损失的大小 使用中，发动机的冷却水温度保持在8095范围内。,图2-5 Pm随润滑油温度变化的关系,第六节 热平衡,发动机的热平衡：燃油燃烧所产生的热量恒等于转变为有效功与各项散失的热量之和。热平衡方程式:Qf=Qe+Qw+Qr+Qb+Qs,Qf:燃油完全燃烧的热量;Qe:转变为有用功的热量;（占2540)Qw:传给冷却介质的热量;（占1035)Qr:被废气带走的热量;（占2550)Qb:燃烧不完全热量损失;Qs:其他热量损失;,燃油完全燃烧的热量QfGThu(kJ/h)转变为有用功的热量Qe3.
17、6103Ne(kJ/h)传给冷却介质的热量QwGwcs(t2-t1)(kJ/h)(Gw通过冷却介质的流量kg/h；cs冷却介质的比热kJ/(kg)；t1、t2冷却介质入口、出口温度)被废气带走的热量Qr(GT+Gk)(cprtr-cpktk)(kJ/h)(GT、GK每小时消耗的燃油和空气量kg/h；cpr、cpk废气和空气的定压比热kJ/(kg)；tk、tr进排气门处工质温度)燃烧不完全热量损失QbQf(1-r)(kJ/h)(r燃烧效率）其他热量损失QsQf(QeQwQrQb)(kJ/h),燃料燃烧的总热量仅有转变为有效功，其余的热量损失掉。其中主要由废气带走，其次传给冷却水，在某些汽油机中不完全燃烧所占比例也不小。,
