1、 汽车发动机原理汽车发动机原理 2022-10-222课程简介p汽车发动机原理汽车发动机原理-本课程讲述的内容本课程讲述的内容主要包括：汽车发动机性能评定的指标，主要包括：汽车发动机性能评定的指标，发动机的工作过程，发动机的特性、增压、发动机的工作过程，发动机的特性、增压、排放与噪声控制，并对未来汽车新型动力排放与噪声控制，并对未来汽车新型动力装置的原理进行了介绍。装置的原理进行了介绍。p专业核心课程专业核心课程p动力机械及工程专业考研课程动力机械及工程专业考研课程目录p第一章 发动机的性能p第二章 发动机的换气过程p第三章 燃料与燃烧p第四章 汽油机混合气的形成与燃烧p第五章 柴油机混合气的
2、形成与燃烧p第六章 汽车发动机特性p第七章 车用发动机废气涡轮增压p第八章 发动机排气污染与噪声控制p第九章 新型汽车动力装置p第十章 发动机动力学34第一章 发动机的性能 发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点，并作为评价各类发动机性能优劣的依据。发动机的主要性能指标有：动力性能指标(功率、转矩、转速)、经济性能指标(燃料与润滑油消耗率)、运转性能指标(冷起动性能、噪声和排气品质)和耐久可靠性指标(大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力)等。本书以发动机性能为研究对象，深入到发动机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。5主要内容p 第一节
3、 发动机理论循环 p 第二节 四冲程发动机的实际循环 p 第三节 实际循环的评定指示指标p 第四节 发动机动力性和经济性评定有效指标p 第五节 发动机的环境指标p 第六节 发动机的机械损失p 第七节 发动机的热平衡6第一节 发动机理论循环定义：发动机的理论循环是将复杂的实际工作的热力循环过程加以抽象简化，忽略一些因素，所得出的简化循环。意义：1）用公式来阐明发动机工作过程中各基本热力参数间的关系，以明确提高发动机经济性（理论循环热效率）和动力性（循环平均压力）的基本途径。2）确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机工作过程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。3）有利于分析比较发动机各种
4、热力循环方式的经济性和动力性。一、三种基本循环7建立理论循环的简化假设建立理论循环的简化假设 在进行理论循环研究之前，首先必须对发动机的实际过程进行必要的简化假设，这是建立理论循环的一个重要依据。最简单的理论循环是空气标准循环空气标准循环，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。8三种基本循环三种基本循环根据加热方式不同，发动机有三种基本空气标准循环，即定容加热循环、定压加热循环和混合加热循环。用p-v
5、图表示如下：混合加热循环定容加热循环定压加热循环图1-1 发动机理论循环ac 绝热压缩过程；cz 为等容或等压加热过程；zb 绝热膨胀过程；ba 等容放热9在对发动机进行理论分析时，习惯上的处理方式为：u汽油机混合气燃烧迅速，近似为定容加热循环；u高增压和低速大型柴油机，由于受燃烧最高压力的限制，大部分燃料在上止点以后燃烧，燃烧时气缸压力变化不显著，所以近似为定压加热循环；u高速柴油机介于两者之间，其燃烧过程视为定容、定压加热的组合，近似为混合加热循环。发动机的理论循环分析传统上就是指这三种循环的对比分析。评定理论循环采用循环热效率 和循环平均压力pt。t10二、循环热效率t1212111QQ
6、QQQQWt式中：Q2工质在循环中放出的热量（J）)1()1(111001ppkpkctmk混合加热循环热效率为：定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比意义：评定循环经济性经济性11定容加热循环（0=1）热效率为：111kctV定压加热循环（p=1）热效率为：)1(111001kkkctp12通过上述公式分析，影响循环热效率t的因素如下：1.压缩比 随着压缩比的增大，三种循环的循环热效率都提高。2.等熵指数k 随k值增大，循环热效率将提高。（k值取决于工质的特性，双原子气体k=1.4，多原子气体k=1.33）3.压力升高比p 在混合加热循环中，当Q1和c不变时，p，t。4.初始
7、膨胀比0 在等压加热循环中，随着Q1，0，若c不变，t；在混合加热循环中，当Q1和c不变时，0，t。c13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。（kPa）意义：评定循环动力性stVWp 三、循环平均压力pt式中：W循环所做的功（J）Vs汽缸工作容积（L）混合加热循环的平均压力为：tppdeckctmkkpp)1()1(110式中：pde进气终点的压力（kPa）14定压加热循环的平均压力为：定容加热循环的平均压力为：tpdeckctVkpp)1(11tdeckctpkkpp)1(110pt随进气终点压力pde、压缩比、压力升高比p、初始膨胀比0、等熵指数k和循环热效率的增加而增
8、加。思考题：为什么理论上能够提高发动机理论循环热效率和平均压力的措施，在实际发动机上却不能实现呢？15四、三种基本循环的比较当加热量Q1相同时，三种循环的比较如下aczb定容加热循环 aczb定压加热循环 aczb混合加热循环 a）压缩比相同由图a可知：Q2pQ2mQ2v tv tmtp因此，要提高混合加热循环热效率，应增加定容部分的加热量（即增大p）b)最高燃烧压力相同 由图b可知：Q2vQ2mQ2p tp tmtv因此，对于高增压这类受机件强度限制，其循环最高压力不得过大的情况下，宜按定压加热循环工作。压缩比相同最高燃烧压力相同16（1）指出了改善发动机动力性、经济性的基本原则和方向 在允
9、许的条件下，尽可能提高压缩比；合理组织燃烧，提高循环加热等容度（减少初始膨胀比和合理选择燃烧始点）；保证工质具有较高的绝热指数k；（2）提供了发动机之间进行动力性、经济性对比的理论依据 同一机型不同加热模式的对比，当、k及Q1不变：等容循环t混合循环t等压循环t 当加热量Q1和pmax不变时：等压循环t混合循环t等容循环t理论循环分析的意义：17 热力学第一定律：U=Q+W。表示系统在过程中能量的变化关系。表述形式：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。（是能量守恒定律和能量转换定律的热力学表述）热力学第二定律：不可能把热量
10、从低温物体传向高温物体而不引起其它变化（克劳修斯）；或者说：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化（开尔文）。熵（S）：热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。焓（H）：单位质量的物质所含的全部热能。补充知识：18第二节 四冲程发动机的实际循环 发动机工作过程中实际上就是：气缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上，通过曲柄连杆机构，在克服了发动机内部各种损耗后，对外做功的过程。u 发动机实际循环由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成u 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，即示功图示功图pV图，p图称为展开示
11、功图u 可以通过发动机台架试验的方式来获得示示功图功图pV图，p图。19p-?图示功图（四冲程）p-V 图ITDC0BDC180TDC360BDC540Eppzp0EEVOIVCIVOEVCppzp0VsVcVpAdsTDC-Top Dead CenterBDC-Bottom Dead CenterIVO-Intake Valve OpenIVC-Intake Valve CloseEVO-Exhaust Valve OpenEVC-Exhaust Valve CloseTDC(上止点)BDC(下止点)示功图Indicator Diagram压力图/展开示功图TDC?720 CAI要求会识图和
12、画图！w/o combustion20四冲程发动机示功图a)非增压b)增压pK-增压压力pT-排气压力p0-大气压力Vc-气缸压缩终点容积Vs-气缸工作容积Va-气缸总容积21 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：0.0750.08柴：0.080.09汽：340380柴：300340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：0.82.0柴：3.05.0汽：600750柴：7501000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
13、压力、温度升高 汽：3.06.5柴：4.59.0汽：22002800柴：18002200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：0.30.6柴：0.20.5汽：12001500柴：10001200排气b-r线 活塞上行，进关排开排出废气汽：0.1050.115柴：0.1050.115汽：9001200柴：70090022 压缩比：汽油机：7-11 柴油机：14-22 柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力pmax很高，但因相对于燃油的空气量大，所以最高燃烧温度Tmax值反而比汽油机低。柴油机在各个过程的温度均比汽油机低，唯独压缩过程终点时高
14、于汽油机；由于压缩比高，所以柴油机气体膨胀比也大，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。23第三节 实际循环的评定指示指标 指示指标指示指标用来评定实际循环质量的好坏，是以工质在气缸内对活塞做功为基础，直接反映由燃烧到热功转换的工作循环进行的好坏。（因此，指示指标不受机械摩擦以及其他附件消耗等外来因素的影响）循环的动力性（做功能力）平均指示压力平均指示压力p pmimi（Indicated Mean Indicated Mean Effective PressureEffective Pressure）指示功率指示功率P Pi i（
15、Indicated PowerIndicated Power）循环的经济性 指示热效率指示热效率i i Indicated EfficiencyIndicated Efficiency 指示燃油消耗率指示燃油消耗率b bi i ISFCISFC24 平均指示压力pmi(MPaMPa）是发动机单位气缸工作容积Vs(L)(L)一个循环所做的指示功Wi(kJ)(kJ)pmi是从实际循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数。simiVWp32104SDpVpWmismiipmi（MPa）汽油机0.8-1.5柴油机0.7-1.1一、指示功Wi和平均指示压力pmi25u 指示功是指气缸内完成一
16、个工作循环所得到的有用功Wi。指示功的大小可以由p-V图中闭合曲线所占有的面积求得，图1-12中示出了四冲程非增压和增压发动机以及二冲程发动机的示功图。一、指示功Wi和平均指示压力pmia）四冲程非增压发动机b）四冲程增压发动机c）二冲程发动机在增压发动机中由于进气压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功，因此两者面积叠加。26WpdV 功正负确定原则：功正负确定原则：压力方向与活塞运动方向一致，工质对活塞作正功。压力方向与活塞运动方向一致，工质对活塞作正功。压力方向与活塞运动方向相反，工质对活塞作负功。压力方向与活塞运动方向相反，工质对活塞作负功。IVCEVOEVCIVOTDC上止点上
17、止点BDC下止点下止点ppzp0VsVcV示功图示功图(Indicator Diagram)四冲程四冲程pAds工质对活塞所作功工质对活塞所作功：压缩与燃烧膨胀过程所作功之代数和。：压缩与燃烧膨胀过程所作功之代数和。：进气与排气过程所作功之代数和。：进气与排气过程所作功之代数和。循环指示功循环指示功动力过程功泵气过程功动力过程功泵气过程功(考虑泵气损失考虑泵气损失)CompressionW0IntakeW0ExhaustW0CompressionW0IntakeW0ExhaustW0非增压增压27 指示功Wi反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除了和循环中热功转换的有效程度
18、有关外，还和气缸容积的大小有关。为了比较不同大小气缸的做功能力，需要排除尺寸的影响，而引入平均指示压力pmi的概念。u平均指示压力pmi（MPa）是发动机单位气缸工作容积一个循环所做的指示功simiVWp32104SDpVpWmismiipmi（MPa）汽油机0.8-1.5柴油机0.7-1.128 u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。u平均指示压力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。simiVWp29u指示功率Pi：是指发动机单位时间（1秒钟）所做的指示功。式中，一般采用的单位：平均指示压力p
19、mi(MPa),工作容积VS(L),发动机转速n(r/min),指示功率Pi(kW)，发动机气缸数量 i个，发动机冲程数,四冲程=4,二冲程=230260inVpinWPsimii二、指示功率Pi（Indicated Power）30u指示热效率it是实际循环指示功Wi(kJ)与所消耗的燃料热量Q1(kJ)之比值。Hu为燃料的热值（kJ/kg）u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。当已知发动机的指示功率Pi（kW）)和每小时耗油量B（kg/h）,则big（kWh）为：3613.6 103.610iiiiWPQBHbH310iiPBbi bi
20、g/(kWh)汽油机 0.3-0.4 205-320 柴油机 0.4-0.5 170-205 i、bi的大致范围三、指示热效率it和指示燃料消耗率bi注意：计算的关键是把各个量值的单位搞清楚31第四节 发动机经济性和动力性的评定 有效指标 发动机的有效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。有效指标常用来直接评定发动机实际工作性能的优劣，在生产实践中有着广泛的应用。两类指标对比两类指标对比指示指标（iindicate）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（eeffective）以曲轴对外输出的功率为基础，代表整机的性能。32 1.有效功率Pe (k
21、W)（Effective Power）指示功率对外输出过程中存在机械损失功率Pm 1)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 Pe=Pi-Pm 发动机有效功率Pe由试验测得。2.有效转矩Ttq (N.m)发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Ttq 3101047.095501000602nTnTnTTPtqtqtqtqe一、发动机动力性指标33 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
22、 niVPpseme30pmi（MPa）pme（MPa）汽油机0.8-1.50.7-1.3 柴油机0.7-1.10.6-1.0 30260inVpinWPsimii34不同发动机平均有效压力不同发动机平均有效压力pme范围范围摩托车发动机（四冲程）摩托车发动机（四冲程）赛车发动机（自然吸气）赛车发动机（自然吸气）赛车发动机（涡轮增压）赛车发动机（涡轮增压）轿车汽油机（自然吸气）轿车汽油机（自然吸气）轿车汽油机（涡轮增压）轿车汽油机（涡轮增压）轿车柴油机（涡轮增压）轿车柴油机（涡轮增压）卡车柴油机（涡轮增压）卡车柴油机（涡轮增压）大型柴油机大型柴油机中型高速柴油机中型高速柴油机十字头二冲程柴油机
23、十字头二冲程柴油机pme bar1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.235 4.转速转速n n和活塞平均速度和活塞平均速度C Cm m 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（m），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/D1时，常称为短行程。30SnCm36最大平均
24、活塞速度vm2221.7279.519.812.314.78.113.17.8m/s7.0125.39.55.7摩托车发动机（四冲程）摩托车发动机（四冲程）赛车发动机（自然吸气）赛车发动机（自然吸气）赛车发动机（涡轮增压）赛车发动机（涡轮增压）轿车汽油机（自然吸气）轿车汽油机（自然吸气）轿车柴油机轿车柴油机卡车柴油机（涡轮增压）卡车柴油机（涡轮增压）大型柴油机大型柴油机中速柴油机中速柴油机十字头二冲程柴油机十字头二冲程柴油机37 二、发动机经济性能 1.有效热效率有效热效率et et是发动机的有效功We（kJ）与所消耗燃料热量Q1(kJ)之比值 2.有效燃料消耗率有效燃料消耗率be （BSFC
25、）beg/（kWh）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 3613.6 103.610eeeteWPQBHb H1000eePBb1kWh=3.6106J38t、it、et、bi、be的大致范围t循环热效率it 指示热效率et有效热效率big/(kWh)beg/(kWh)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 39 三、发动机强化指标 1.升功率PL和比质量me 升功率PL（kWL）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。
26、它用来衡量发动机容积利用的程度。比质量me（kgkW）是发动机的干质量m与所给出的有效功率之比Pe。它表征质量利用程度和结构紧凑性。2.强化系数pmeCm 平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数。与活塞单位面积的功率成正比。其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。3030npiVinVpiVPPmessmeseL40升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围 PL（kWL）me（kgkW）pmeCm（MPams）汽油机 30-70 1.1-4.0 8-17 汽车柴油机 18-30 2.5-9.0 6-11 41计算：某汽油机在3000r/min时测得其转矩为55N.m，在该工况
27、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=nTtq/9550=3000 55/9550=17.28(kW)B=V/t=0.735010-33600/25.7=5.11(kg/h)be=B1000/Pe=5.111000/17.28=295.72(g/kW.h)作业题作业题42环境指标主要指发动机排气指标和噪声水平。一、排放性能指标 对汽油机来说主要是废气中的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)含量；对柴油机来说主要是废气中的氮氧化物(NOx)和颗粒(PM)含量。气体污染
28、物的浓度常量单位（容积）：CO2,汽油机CO排放浓度微量单位（容积百万分数10-6,PPM）：HC，NOx，柴油机CO 污染物质量排放量（g/km,g/h,g/试验等）常用于工况法的排放测试。比排放（g/(kW.h)）通常用于重型车用发动机的排放测量排放指数（g/kg）：每千克燃油燃烧所排放的污染物质量 第五节 发动机的环境指标 43 颗粒排放物 1）用重量法检测时：（mg/m3,ug/m3）2）用其他方法检测时，一般用测量方法命名，如波许烟度单位（RB）、哈特立奇烟度单位（RH）等。二、噪声性能指标 噪声是指对人的健康造成不良影响及对学习、工作和休息等正常活动发生干扰的声音。由于汽车是城市中
29、的主要噪声源之一，而发动机又是汽车的主要噪声源，因此控制发动机的噪声就显得十分重要。我国的汽车车内噪声标准(GB/T 186972002)中规定，轿车的车内噪声不得大于79dB(A)。44噪声指标声压级，声强级，声功率级（声压级，声强级，声功率级（dBdB）常用于发动机整机和零部件的噪声计量和生源识别。常用于发动机整机和零部件的噪声计量和生源识别。A A计权声级计权声级 （dBdB（A A）模拟人耳对声音的感觉，常用于汽车整车的噪声测量。模拟人耳对声音的感觉，常用于汽车整车的噪声测量。45第六节 机械损失 发动机的机械损失消耗了一部分指示功率，使得对外输出的有效功率减少，这部分功率称为机械损失
30、功率Pm（Mechanical loss powerMechanical loss power）。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。46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
31、失 10010-30 47 一、机械效率m 平均机械损失压力pmm:发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功率，衡量机械损失的大小。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 11ememmmmetitmimiimiPpPpPpPp 48 二二、机械损失的测定 1.示功图法 特点：适用于各种汽油机、柴油机、增压发动机等 试验方法：理论上是完全符合机械损失的定义的，运用燃烧分析仪器测录汽缸的示功图，得到指示功率Pi值;从测功机和转速计测出发动机的有效功率Pe，可以算出机械损失Pm。Pm=Pi-Pe实际结果的正确程度取决于示功图测量
32、的正确程度。即：活塞上止点的位置的准确确定；各缸工作的均匀性。4950 2.倒拖法 特点：需使用带倒拖能力的电力测功器，主要用于汽油机 试验过程：发动机与电力测功机相连，并稳定运行；切断对发动机的供油，由测功机继续带动发动机运转，并维持转速、水温、油温不变；测功机所消耗的功率即为发动机的机械损失功率。试验测得的功率要超过发动机在给定工况下工作时所消耗的机械损失功率。对低压缩比发动机比较精确。我国汽车发动机试验标准中规定，应优先采用此法测量汽油机机械损失功率51 3.灭缸法 特点：仅适用于多缸非增压柴油机 试验过程：发动机在给定工况下稳定运转，测量有效功率Pe 维持喷油泵齿条位置不变，停止向一缸
33、供油；减少制动力矩，使发动机恢复到原有转速，测量此时的有效功率Pe1 则停止供油一缸的指示功率为Pi1=Pe-Pe1 则整台发动机的机械损失功率为：Pm=(i-1)Pe-(Pe1+Pe2+)精度保证：要求停止一缸的燃烧不致于引起进、排气系统的异常变化。因此，不能用于废气涡轮增压发动机及单缸机、汽油机。52 4.油耗线法（负荷特性法）特点：适用于非增压或低增压柴油机，不适用于汽油机 原理：由指示热效率的定义可导出 当柴油机空转（无负荷）时，it不随负荷增减而变化时，可得:两式相除，得到：)(106.3106.333meiitPPPHBmitPHB3106.3mmmmmemmepppPPPBB05
34、3试验方法：保证发动机转速不变，逐渐改变柴油机喷油泵齿条的位置，测出每小时耗油量B随负荷pme变化的关系，绘制成如图1-15的曲线，此曲线称为负荷特性曲线。在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。此方法的基础是，假设转速不变时pmm和指示热效率都不随负荷增减而变化。54 这个方法虽然只是近似的方法，但只要在低负荷附近，燃油消耗量曲线为直线就相当可靠，即使没有电力测功器和燃烧分析仪也能进行测定。但是，这种方法不适用于用节气门调节功率的汽油机。当测得其pmm值后，其机械效率可近似地用下式估算：ABmmmemmm
35、mmememBBpppppp1155 1 1）汽油机多用倒拖法，不适合用灭缸法（灭缸不安全）和油耗线法（不成直线）；2 2）自然吸气柴油机适合灭缸法、油耗线法，小型柴油机可以用倒拖法；3 3）废气涡轮增压柴油机无法使用倒拖法和灭缸法，低增压 可以用油耗线法；4）各种汽油机、柴油机、增压发动机等均可采用示功图法。机械损失的测定方法总结56 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，机械损失功率Pm增加，但机械效率但机械效率m m提高。提高。当气缸工作容积一定，而行程/缸径比（SD）减小时，机械损失功率Pm减
36、少，机械效率m提高。mmSDPKD57 2.摩擦损失 机械损失中摩擦损失占机械损失中摩擦损失占70%70%（1）活塞组件）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 2）曲轴组件）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 58 （3）配气机构）配气机构 产生摩擦的部件：气门与气门导管、
37、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，良好的凸轮型线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：各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加 泵气损失加大 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m下降.在用提高转速强化发动机的动力性能时与m的降低相互矛盾596061 4.负荷：随着负荷的减少，平均指示压力Pmi减少，平均机械损失压力Pmm几乎不变，m下降。62 5.润滑油品质和冷却水温度 （1）润滑油：其粘度对摩擦损失的大小有重要的影响。润滑油粘度粘度：即稠稀程度，表示
38、了流体分子之间内摩表示了流体分子之间内摩擦力的大小擦力的大小。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。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 。63 （2）冷却水温度：直接影响燃烧过程和传热损失 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8095范围 一般使用50%掺比的乙二醇冷却液，沸点108，冰点-36。64第七节 热平衡 一一、实际循环热平衡
39、 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）实际气体比热容随温度上升而增大，因此循环的最高温度降低，且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
40、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 Wz6566 2、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t 0.54-0.58 0.64-0.67 指示热效率i 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 0.10-0.120.10-0.120.08-0.100.08-0.100.03-0.050.03-0.050.010.01 0.09-0.100.09-0.100.06-0.090.06-0.09
41、0.04-0.010.04-0.010.010.01 67 说明：1）汽油机t低于柴油机t的主要原因是压缩比小所造成，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。68 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：
42、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 69a-从残余废气和排气中回收的热量；b-由汽缸壁传给进气的热量；c-排出废气传给冷却液的热量；d-在摩擦热中传给冷却
43、液的部分热量；e-从排气系统辐射的热量；f-从冷却系和水套壁辐射的热量；g-从曲轴箱壁和其他不冷却部分辐射的热量图1-22 发动机的热平衡图70习题二有一台有一台6135Q6135Q1 1柴油机，活塞行程为柴油机，活塞行程为140mm140mm，在，在2200r2200rminmin时，发动机发出的有效功率为时，发动机发出的有效功率为154kW154kW。bebe217g217g(kWh)(kWh)。柴油的燃料低热值。柴油的燃料低热值H Hu u为为42500kJ/kg42500kJ/kg。1)1)求该发动机的排量（单位求该发动机的排量（单位 L L）。）。2 2）求发动机的平均有效压力）求发
44、动机的平均有效压力p pmeme、有效转矩、有效转矩T Ttqtq、和有、和有效热效率效热效率etet。3)3)当机械效率当机械效率m m0.750.75时，试求时，试求b bi i、itit、P Pi i和和P Pm m的的值。值。71解：由发动机型号解：由发动机型号6135Q-16135Q-1可知可知 ：柴油机为柴油机为6 6缸，缸径缸，缸径D D135mm135mm；已知活塞行程；已知活塞行程S=140mmS=140mm，则发动机排量为：则发动机排量为：=12.02 L排量：平均有效压力（平均有效压力（MPaMPa）：）：23030 154 4184800.76 2200 3.1416
45、0.06750.14 100026452emesPpiV n有效转矩（有效转矩（NmNm）：9550154 9550668.52200etqPTn72有效热效率：有效热效率：63.6 103.60.39217 42500eteb H指示热效率：指示热效率：0.390.520.75etitm指示燃油消耗率指示燃油消耗率（g/kWhg/kWh）：663.6 103.6 101630.52 42500iitbH指示功率（指示功率（kWkW）：）：1542050.75eimPP机械损失功率（机械损失功率（kWkW）：）：205 15451miePPP73第一章复习题 1、三种理论循环（图形、对应近似机
46、种）；2、循环热效率（定义、影响因素）；3、四行程发动机的实际循环（示功图、循环过程、和PZ的范围）；4、指示指标与有效指标（两类指标的运算、联系）；5、机械效率的定义；6、机械损失的影响因素和测定方法；7、热平衡中热量分配情况；74第一章 总结功率(Power)，转矩(Torque)，转速(Revolution/Speed)平均有效压力(BMEP)燃油消耗率(Fuel consumption)机油消耗率(Lubricant consumption)碳氢(HC),一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx),颗粒物(PM),二氧化碳(CO2)噪声振动(NVH)可靠性或耐久性(Robust,Reliab
47、ility)维修方便(I/M convenience)，冷起动(Cold start)。发动机的性能指标发动机的性能指标75指示指标与有效指标指示指标与有效指标1）以工质对活塞作功为计算基准的指标称为）以工质对活塞作功为计算基准的指标称为 基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏 用于理论分析和科研用于理论分析和科研2）以曲轴输出功为计算基准的指标称为）以曲轴输出功为计算基准的指标称为 由试验测出，直接反映产品最终性能由试验测出，直接反映产品最终性能 用于产品开发、生产和使用当中用于产品开发、生产和使用当中只有与作功有关的指标，才有只有与
48、作功有关的指标，才有“有效有效”与与“指示指示”之分。其之分。其余，如转速、每小时耗油量等，则无此区别。余，如转速、每小时耗油量等，则无此区别。76摩擦损失附件消耗摩擦损失附件消耗循环指示功、循环有效功与机械损失功循环指示功、循环有效功与机械损失功meiWWWmemfmWWWpmemfmWWWW：21iWWW以自然吸气发动机为例：以自然吸气发动机为例：曲轴输出的循环有效功曲轴输出的循环有效功循环净指示功循环净指示功机械损失摩擦损失附件消耗泵气损失机械损失摩擦损失附件消耗泵气损失meiWWW31iWWW循环总指示功循环总指示功以后循环功都是指循环总指示功以后循环功都是指循环总指示功!77平均指示
49、压力（平均指示压力（IMEP）Indicated Mean Effective Pressure动力性能指标动力性能指标pWVmiis p .VpdVWp 1 bar10Nm10Nmm0,1kJdmmisimi52533 ：单位气缸工作容积所作的循环指示功。：单位气缸工作容积所作的循环指示功。n 循环指示功可以认为是一个假想不变的压力循环指示功可以认为是一个假想不变的压力pmi作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作的作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作的功。功。n 平均指示压力反映发动机作功能力的大小（单平均指示压力反映发动机作功能力的大小（单位体积作功量大小位体积作功量大小 J/m3）和强化程
50、度。）和强化程度。注意：这里的压力事实上就注意：这里的压力事实上就是物理上所说的压强，是物理上所说的压强，N/mN/m2 278功率功率PowersmiVp)in/2(W)in/2(Piipmi:IMEP 平均指示压力平均指示压力pme:BMEP 平均有效压力平均有效压力eimPPP V)pp()in/2(smemismmmVp)(2in/Ppmm:MMEP 平均机械损失压力平均机械损失压力指示功率（指示功率（Indicated power）有效功率（有效功率（Effective power）机械损失功率（机械损失功率（Mechanical loss power）2-stroke:=24-st
