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汽車發(fā)動機原理,汽車發(fā)動機原理,1722年 英國 紐科門 研制第一臺蒸汽機 1766年 英國發(fā)明家瓦特改進了蒸汽機，拉開了第一次 工業(yè)革命的序幕。 1767年 法國軍官庫尼奧研制第一輛蒸汽機三輪車 1873年 英國人戴維遜發(fā)明鉛電池 1900年 英國人哈特制造了電動汽車 1860年 法國 勒努瓦 內(nèi)燃機，煤氣作為原料的單缸2 沖程內(nèi)燃機 1876年 德國工程師奧托Otto研制成功世界上第一臺往 復(fù)活塞式四沖程煤氣發(fā)動機。 1892年德國人狄塞爾Diesel展出第一臺柴油發(fā)動機。 1883年 戴姆勒 化油器 1886年1月29日，德國專利局批準(zhǔn)卡爾本茨為其在1885年研制成功的三輪汽車申請專利，這天被稱為現(xiàn)代汽車誕生日。 并成立了世界上第一家汽車制造公司－－奔馳汽車公司 1886年 德國人哥德里普.戴姆勒 第一輛四輪汽車，單缸水冷， 1926年 戴姆勒和本茨的公司合并，戴姆勒-奔馳汽車公司，汽車之父 1908年 美國人福特 第一次流水線生產(chǎn)了丁型四輪汽車，甲殼蟲,汽車發(fā)動機原理,1956年中國第一汽車制造廠成立，“解放”牌汽車問世。,汽車發(fā)動機原理,數(shù)據(jù)1：自世界能源危機，汽車百公里油耗下降50%，廢氣排放減少90%。 代用燃料也取得巨大進步，混合動力汽車、電動汽車、燃料電池 電動汽車已處于一定規(guī)模。 數(shù)據(jù)2：經(jīng)過百年努力，安全性、舒適性和環(huán)保性等各方面均有極大的發(fā)展， 近幾年，出現(xiàn)有眼、有耳、有鼻、有觸覺、有聲音、有腦、能思維 可防衛(wèi)的汽車。,汽車發(fā)動機原理,一、課程的任務(wù),研究工作循環(huán)與整機特性， 揭示影響性能的因素 及提高性能的措施。,二、課程研究的內(nèi)容,,,,,三、研究方法,第一章 發(fā)動機的性能,發(fā)動機構(gòu)造演示,1 發(fā)動機理論循環(huán) 空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的簡化條件： 工質(zhì)是理想氣體，其比熱為定值； 工質(zhì)作封閉循環(huán)； 壓縮和膨脹是絕熱等熵過程； 燃燒是定容或定壓加熱；,三種基本空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)： 定容加熱循環(huán)：汽油機 定壓加熱循環(huán)：高增壓和低速大型柴油機 混合加熱循環(huán)：高速柴油機,第一章 發(fā)動機的性能,一、三種基本循環(huán),汽油機,混合氣燃燒迅速，氣缸內(nèi)溫度壓力增長很快，可以認(rèn)為其燃燒過程基本是在容積不變的條件下進行的，即可簡化為定容加熱循環(huán)。,高增壓和低速大型柴油機,高速柴油機,——混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）,——定壓加熱循環(huán)（Diesel循環(huán)）,——定容加熱循環(huán)(奧托循環(huán)）,,,,由于受燃燒最高壓力的限制，大部分燃料是在上死點以后燃燒，燃燒時氣缸壓力變化不顯著，是在壓力基本上一定的情況下進行，即可簡化為等壓加熱循環(huán)。,介于兩者之間，其燃燒過程可認(rèn)為是先定容加熱后定壓加熱的組合，即可簡化為混合加熱循環(huán)。,第一章 發(fā)動機的性能,加熱循環(huán)的熱效率8％、32％、46％,混合加熱循環(huán)熱效率ηtm: 其中λ為壓力升高比＝Pz/Pc; ρ為預(yù)膨脹比 ρ=Vz/Vz’=ε/δ , 壓縮比 δ為后膨脹比δ＝Vb/Vz ；K為絕熱指數(shù)，空氣的K＝1.4 定容加熱循環(huán)（ρ＝1） 定壓加熱循環(huán)（λ＝1）,第一章 發(fā)動機的性能,理想循環(huán)影響因素的分析,1．壓縮比,2．絕熱指數(shù),,3．壓力升高比,4．預(yù)膨脹比,第一章 發(fā)動機的性能,評定理論循環(huán)的兩個指標(biāo) 1、循環(huán)熱效率：評定循環(huán)的經(jīng)濟性，是工質(zhì)所做循環(huán)功W與循環(huán)熱量Q1之比。,影響循環(huán)熱效率的主要因素：,壓縮比增大，熱效率增大 但是對汽油機，壓縮比為6－11，因為限制壓縮比提高的因素有： （1）爆然－－辛烷值的限制 （2）Pmax 提高，汽油機愈笨重； （3）排氣凈化的限制－－壓縮比愈高，NOx愈高。 絕熱指數(shù)K增大，熱效率增大； 壓力升高比 定容加熱時，吸熱、放熱都增加，熱效率不變； 混合加熱時（總加熱量和壓縮比不變），定容加熱部分增加，熱效率提高；,預(yù)膨脹比 定壓加熱：當(dāng)壓縮比不變，加熱量增加，熱效率下降； 混合加熱：預(yù)膨脹比增大，等壓加熱部分增加，熱效率下降；,第一章 發(fā)動機的性能,2、循環(huán)平均壓力——評定循環(huán)的做功能力 單位氣缸容積所作的循環(huán)功； 加熱量相同 壓縮比相同時，定容、混合和定壓加熱的熱效率依次減?。?Q2p＞Q2m＞Q2v， 則，ηtv ＞ ＞ηtm ＞ ＞ηtp 最高壓力相同時，定容、混合和 定壓加熱的熱效率依次增大； Q2v＞Q2m＞Q2p， 則, ηtp ＞ ＞ηtm ＞ ＞ηtv,第一章 發(fā)動機的性能,2 四行程發(fā)動機的實際循環(huán),四沖程內(nèi)燃機——活塞上、下共四個行程，曲軸旋轉(zhuǎn)二周（720?），完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機。 四沖程內(nèi)燃機由下述四個沖程組成一個工作循環(huán) 1.進氣沖程 2.壓縮沖程 3.作功沖程 4.排氣沖程,第一章 發(fā)動機的性能,工作過程：,行程：,四沖程內(nèi)燃機工作循環(huán),可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸；將其壓縮，壓縮接近終點時點燃可燃混合氣(或?qū)⒉裼透邏簢娙霘飧變?nèi)形成可燃混合氣并引燃)；可燃混合氣著火燃燒，膨脹推動活塞下行實現(xiàn)對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進氣、壓縮、作功、排氣四個過程。 (1) 進氣行程 (2) 壓縮行程,第一章 發(fā)動機的性能,四沖程內(nèi)燃機工作循環(huán),可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸；將其壓縮，壓縮接近終點時點燃可燃混合氣(或?qū)⒉裼透邏簢娙霘飧變?nèi)形成可燃混合氣并引燃)；可燃混合氣著火燃燒，膨脹推動活塞下行實現(xiàn)對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進氣、壓縮、作功、排氣四個過程。 (3) 作功行程 (4) 排氣行程,第一章 發(fā)動機的性能,排氣門關(guān)閉,進氣門開啟,活塞,,,,,,,溫度370~440 K， 壓力75~90 kPa,大氣壓力線,P,V,r,a,示功圖,上止點,下止點,,示功圖：表示活塞在不同位置時氣缸內(nèi)氣體壓力的變化情況。,進氣行程,第一章 發(fā)動機的性能,進氣門關(guān)閉,排氣門關(guān)閉,活塞,壓縮比： ε=Va/Vc,,,,,,,P,V,r,a,示功圖,,大氣壓力線,c,,上止點,下止點,溫度600~800K， 壓力600~1500 kPa,壓縮行程,第一章 發(fā)動機的性能,進氣門關(guān)閉,排氣門關(guān)閉,活塞,,,,,,,P,V,r,a,示功圖,,大氣壓力線,,c,Z,b,,上止點,下止點,瞬時最高：溫度2200~2800 K， 壓力3~5MPa,作功終了：溫度1500~1700 K， 壓力300~500 kPa,作功行程,第一章 發(fā)動機的性能,進氣門關(guān)閉,排氣門打開,活塞,,,,,,,P,V,r,示功圖,,大氣壓力線,,c,Z,b,,,上止點,下止點,溫度900~1200 K 壓力105~125 kPa,殘余廢氣,排氣行程,第一章 發(fā)動機的性能,實際循環(huán)常用示功圖、示功展開圖來表示；,第一章 發(fā)動機的性能,第一章 發(fā)動機的性能,1、進氣過程（r－a） 進氣阻力的存在， pa T0； 2、壓縮過程（a－c） 最初，工質(zhì)受缸壁加熱， n1’ K; 某一時刻，工質(zhì)與缸壁溫度相同， n1’ =K； 工質(zhì)溫度高于缸壁的，向缸壁傳熱， n1’ K；,平均壓縮多變指數(shù)n1 ：以此計算得到的多變過程，始點、終點的工質(zhì)狀態(tài)與實際壓縮過程的相符即可； 主要受工質(zhì)與缸壁的熱交換、工質(zhì)的泄漏量影響； ★實際工作中，常以 實測的壓縮壓力來檢查內(nèi)燃機的技術(shù)狀況，當(dāng)Pc下降時，應(yīng)檢修。,第一章 發(fā)動機的性能,3、燃燒過程（c－z） 汽油機：定容加熱; 柴油機：先定容再定壓加熱； 放熱越多，放熱時越靠近上止點，熱效率越高；,第一章 發(fā)動機的性能,4、膨脹過程（z－b） 初期，由于補燃，工質(zhì)被加熱， n2’ K； 平均多變指數(shù)n2 ：主要受補燃的多少、工質(zhì)與缸壁的熱交換及漏氣情況的影響； 5、排氣過程（b－r） 排氣阻力的存在， pr p0； 阻力越大， pr越大，殘留在氣缸中的廢氣越多； 排氣溫度越低，說明做功效果越好；,,第一章 發(fā)動機的性能,3 實際循環(huán)的評定－指示指標(biāo),以工質(zhì)在氣缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)； 1、指示功Wi: Ai 為陰影示功圖的面積 (J),a.b分別為坐標(biāo)的比例尺。,圖a四沖程非增壓發(fā)動機的指示功面積Fi：由相當(dāng)于壓縮、燃燒、膨脹行程中所得到的有用功面積Fl和相當(dāng)于進氣、排氣行程中消耗的功的面積F2(即泵損失)相減而成，即Fi＝Fl－F2。四沖程增壓發(fā)動機(圖b)，進氣壓力高于排氣壓力，在換氣過程中，工質(zhì)是對外做功的，因此，換氣功的面積F2應(yīng)與面積Fl疊加起來，即Fi＝F1＋F2 。二沖程發(fā)動機(圖c)，只有一塊示功圖面積Fi。,第一章 發(fā)動機的性能,2、平均指示壓力Pmi 發(fā)動機單位氣缸工作容積的指示功（一個實際循環(huán)工質(zhì)對活塞所作的有用功）； pmi=Wi / Vs 3、指示功率Pi ：發(fā)動機單位時間所做的指示功；與n有關(guān)。 4、指示熱效率ηi ηit=Wi /Q1 實際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量之比； 5、指示燃料消耗率bi：單位指示功的耗油量，即比油耗（g/kw.h).如：可用它來比較兩臺發(fā)動機的經(jīng)濟性好壞。 bi=(B/Pi)103,第一章 發(fā)動機的性能,通常：,,①,②,歸納,第一章 發(fā)動機的性能,,一臺四缸四行程車用柴油機，DS=110115mm,Pi=80kW,Pm=20kW,n=2000r/min,B=12.5kg/h 求：1.Pmi,Pe,Pme,be 2.ηm,PL. 3.Ttq,Cm,4 發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定—有效指標(biāo),以曲軸對外輸出的功率為基礎(chǔ)，代表發(fā)動機整機性能； 一、發(fā)動機動力性能 1、有效功率pe = pi － pm ：指示功率減去機械損失功率： ★發(fā)動機的指示功Pi 并不能完全對外輸出，功在發(fā)動機內(nèi)部傳遞過程中的損失叫機械損失功率Pm，它由以下幾部分組成： （1）內(nèi)部運動零件的摩擦損失：占Pm的62-75％，占Pi的8-20％。 （2）驅(qū)動附件的損失：占Pm的10－20％，占Pi的1－5％。 （3）泵氣損失（進排氣損失） 占Pm的10－20％，占Pi的2－4％。,第一章 發(fā)動機的性能,2、有效扭矩Ttq：曲軸輸出的扭矩，（牛頓米） 扭矩和功率的關(guān)系： n為轉(zhuǎn)/分,或rpm 3、平均有效壓力pme 發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出的有效功,工作容積Vs一定時， ★對已知發(fā)動機，Vs、i、τ一定，可用Pe來表示扭矩及負(fù)荷的大小。 4、轉(zhuǎn)速和活塞平均速度Cm=sn/30（發(fā)動機強化程度） 轉(zhuǎn)速增大，單位時間的做功次數(shù)增加； 活塞平均速度增大，磨損加劇； 所以Ｃｍ值受到限制，一般：汽油機不超過18m/s， 柴油機不超過13m/s 。,第一章 發(fā)動機的性能,二、發(fā)動機經(jīng)濟性能 有效熱效率ηe 有效功與所消耗燃料熱量之比。 機械效率ηm: 有效燃料消耗率be 單位有效功的耗油量 三、發(fā)動機強化指標(biāo) 升功率pl 發(fā)動機每升工作容積所發(fā)出的有效功率 比質(zhì)量me 發(fā)動機的質(zhì)量與所發(fā)出的有效功率之比 強化系數(shù)pme cm 平均有效壓力與活塞平均速度的乘積,第一章 發(fā)動機的性能,5 發(fā)動機的環(huán)境指標(biāo),噪聲 84dB 排放性能 排出有害氣體（CO HC NOx） 、顆粒，其排出量有限制。 排放標(biāo)準(zhǔn)各國不同，標(biāo)準(zhǔn)還隨著發(fā)展，不斷提高。,第一章 發(fā)動機的性能,,,,,,,,,,,,,,,國 II： 北京：2003.01； 全國：2004.07 國 III： 北京：2005.09 ；全國：2007.07 國 IV： 北京：2008.01；全國：2010.07,,歐 I,歐 0,China Emission Regulation Roadmap,北京,Beijing,國 II,國 III,,,,,,,,北京,,北京,國 IV,,2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010,,GB 18352.3,輕型車 3.5t,排放執(zhí)行時間,第一章 發(fā)動機的性能,GB 17691-2005,,China Emission Regulation Roadmap,,國 III: 2007.01 國 IV: 2010.01 國 V: 2012.01,國 V,國 III,國 IV,,,,,,,,,,,2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013,,,,,,,國 II,,歐 I,重型車 3.5t,第一章 發(fā)動機的性能,輕型汽車排放試驗工況,從點火開始起取樣,時間，s,車速 （km/h),第一章 發(fā)動機的性能,,,,,,,,,,,重型柴油車排放試驗工況（R49與ESC）,第一章 發(fā)動機的性能,6 機械損失,機械效率ηm 有效功率與指示功率之比 機械損失的測定 1、示功圖法：取決于示功圖的測錄的正確程度 只適用研發(fā)：（a）上止點難以精確測量（b）各缸不均勻性 2、倒拖法： 發(fā)動機在給定工況下工作，之后切斷燃油或停止點火，將平衡式電力測功器轉(zhuǎn)換為電動機，以給定轉(zhuǎn)速倒拖發(fā)動機，維持冷卻水和油溫不變； 測量結(jié)果往往偏大 3、滅缸法：適用多缸機；誤差5％ 4、油耗線法：先繪出負(fù)荷特性曲線， 找出接近直線的線段，將其延長與 橫坐標(biāo)相交，交點到原點的長度即 為平均機械損失壓力的值； 不適于汽油機 （進氣量隨負(fù)荷會明顯改變）,第一章 發(fā)動機的性能,實驗方法： ①讓內(nèi)燃機在給定的工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)， ②當(dāng)冷卻水和機油溫度到達(dá)正常值時， 立即切斷供油 （柴油機）或停止點 火（汽油機），同時將電力測功器 轉(zhuǎn)換為電動機，以給定轉(zhuǎn)速倒拖內(nèi)燃機； ③此過程中盡可能維持冷卻水和機油溫度不變， ④這時電力測功器所測得的倒拖功率即為內(nèi)燃機在該 工況下的機械損失功率。,2.倒拖法,特點：必須使用平衡式電力測功器。,適用：汽油機和柴油機,第一章 發(fā)動機的性能,實驗方法： 首先將內(nèi)燃機調(diào)整到給定工況穩(wěn)定工作，測定其有效功率，然后停止向一個氣缸（例如第一缸）供油，并調(diào)整測功器的阻力矩，使內(nèi)燃機恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速，再測定內(nèi)燃機的有效功率，由于有一個氣缸不工作，第二次測得的有效功率比第一次測得的小，兩者之差即為停油氣缸的指示功率，然后恢復(fù)第一缸的工作，同法，依次使各缸熄火，即可測得對應(yīng)的有效功率、……。,3.滅缸法,第一章 發(fā)動機的性能,適用：多缸柴油機 不適用：汽油機(偏差大)，廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機，單缸機,各缸的指示功率為：,,,將上列各式相加得到整機指示功率為：,,因此，機械損失功率為,,第一章 發(fā)動機的性能,4.油耗線法,實驗方法： 保證內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速不變，如逐漸改變柴油機供油齒條的位置，測出每小時耗油量B隨負(fù)荷變化的關(guān)系，繪制成曲線，這個曲線稱為負(fù)荷特性曲線，在曲線中找出接近直線的線條，并順此線條作延長線，直到與橫坐標(biāo)相交，則交點到坐標(biāo)原點的長度即該機的平均機械損失壓力。,適用：柴油機 不適用：汽油機,第一章 發(fā)動機的性能,影響機械損失的因素,氣缸直徑及行程 氣缸容積一定，而S/D減小， ηm提高 氣缸容積增加， ηm提高 摩擦損失（占70％） 轉(zhuǎn)速增加， ηm減小 負(fù)荷減小， ηm減小 潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度 在保證發(fā)動機正常工作時有可靠潤滑條件的前提下，盡量選用粘度較小的潤滑油；SD FD 100 125 錫柴漏油 冷卻水溫直接影響燃燒過程和傳熱損失。,第一章 發(fā)動機的性能,7 熱平衡,實際循環(huán)熱平衡 實際工質(zhì)的影響：實際氣體比熱大－Wk 換氣損失－Wr 泵氣損失： 進、排氣系統(tǒng)的 阻力所消耗的功； 排氣門提前開啟 所損失的功； 燃燒損失－Wz 非瞬時燃燒損失 和補燃損失； 不完全燃燒損失； 熱分解損失； 傳熱損失：熱交換損失 －Wb,第一章 發(fā)動機的性能,提高實際循環(huán)熱效率的途經(jīng),提高ε來提高汽油機的熱效率； 燃用稀混合氣來提高汽油機的熱效率； 改善混合氣形成及燃燒組織不完善的狀況來提高柴油機的熱效率；,第一章 發(fā)動機的性能,發(fā)動機熱平衡,發(fā)動機所耗燃油的熱量QT 轉(zhuǎn)化為有效功的熱量QE 廢氣帶走的熱量QR （25～50％） 傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量QS （10～35％） 燃料不完全燃燒熱損失QB 其他熱量損失QL,第一章 發(fā)動機的性能,第一章 發(fā)動機的性能,以四沖程自然吸氣柴油機的能量利用遞減圖為例說明從燃料化學(xué)能到輸出功的能量轉(zhuǎn)換。,第一章 發(fā)動機的性能,