第一章 发动机的性能ppt课件

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1、 发动机原理 徐阳副教授武汉理工大学汽车工程学院 绪论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八章排气污染与控制 绪论 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 300r

2、pm n 1000rpm 高速 1000rpm n 8 按增压程度分增压比 b 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 b 1 8 中增压 1 8 b 2 5 高增压 2 5 b 3 6 超高增压 3 6 b 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 形分隔式燃烧室 涡流室 预燃室 12 按进 排气门凸轮

3、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

4、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

5、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 t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 t按工程热力学公式 混合加热循环热效率为 一压缩比 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 一压力升高比 pz pc 一预膨胀比 Vz Vz 后膨胀

6、比 Vb Vz K一绝热指数 定容加热循环 1 热效率为定压加热循环 1 热效率为 影响 t的因素l 压缩比 提高 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 t都提高 图1 3表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 t将提高 3 压力升高比 定压加热循环 1 定容加热循环 不影响 t 混合加热循环随 增大 t将提高 4 预膨胀比 定容加热循环 1 定压加热循环和混合加热循环随 增大 t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

7、 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 1 的平均压力为定压加热循环 1 的平均压力为可见 pt是随压缩始点压力pa 压缩比 压力升高比 预膨胀比 绝热指数K和热效率 t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 而变化的图形表示 即示功图p V图 p 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

8、程所组成 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

9、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 O2 3 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

10、 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 it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

11、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 i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 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 三 指示热效率 i和指示燃料消耗率bi指示热效率 i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

12、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 i bi的大致范围 第四节发动机经济性和动力性的评定 有效指标 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

13、机工作时 由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Ttq 3 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 4 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

14、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 e e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bebe 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 t i e bi be的大致范围 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p

15、meCm的大致范围 第五节发动机的环境指标 一 排放 欧洲排放体系 表示欧盟委员会建议 表示欧盟议会建议 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

16、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 一 机械效率 m机械效率 m是有效功率和指示功率的比机械效率 m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