汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理3

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理點(diǎn)燃式和壓燃式內(nèi)燃機(jī)的工作過程、燃燒理論、性能分析以及參數(shù)調(diào)控清華大學(xué)汽車工程系帥石金博士Email:sjshuai@Phone課內(nèi)容第一篇?jiǎng)恿敵雠c能量利用第1章動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章燃料與工質(zhì)第3章循環(huán)分析與能量利用第4章?lián)Q氣過程與循環(huán)充量第二篇燃燒與排放第5章燃燒的基礎(chǔ)知識(shí)第6章燃燒過程及混合氣形成第7章特殊燃燒問題的機(jī)理與對(duì)策第8章有害排放物的生成與控制第9章燃燒室與調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章柴油機(jī)調(diào)速特性動(dòng)力的獲取和輸出；能量的消耗和利用。燃料能量轉(zhuǎn)換的“質(zhì)”環(huán)節(jié)；加入整機(jī)能量總量的“量”環(huán)節(jié)。講課內(nèi)容第一篇?jiǎng)恿敵雠c能量利用第1章動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章燃料與工質(zhì)第3章循環(huán)分析與能量利用第4章?lián)Q氣過程與循環(huán)充量第二篇燃燒與排放第5章燃燒的基礎(chǔ)知識(shí)第6章燃燒過程及混合氣形成第7章特殊燃燒問題的機(jī)理與對(duì)策第8章有害排放物的生成與控制第9章燃燒室與調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章柴油機(jī)調(diào)速特性1.工質(zhì)對(duì)活塞所作功及示功圖2.動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)3.影響動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的環(huán)節(jié)與因素p-圖示功圖（四沖程）p-V圖EIIETDCTDCTDCBDCBDCw/ocombustion0180360540720°CAppzp0IVCEVOEVCIVOTDC上止點(diǎn)BDC下止點(diǎn)ppzp0VsVcVpAds示功圖(IndicatorDiagram)

：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力p隨氣缸容積V（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化曲線TDC-TopDeadCenter;BDC-BottomDeadCenterIVO-IntakeValveOpen;IVC-IntakeValveCloseEVO-ExhaustValveOpen;EVC-ExhaustValveClose示功圖壓力圖/展開示功圖BDCTDCEPOIPOEPCIPCppzp0VcVsVBDCBDCTDCTDCBDCppzp00180360540720°CAIPO-IntakePortOpenIPC-IntakePortCloseEPO-ExhaustPortOpenEPC-ExhaustPortClose示功圖（二沖程汽油機(jī)）示功圖測(cè)取裝置WpdV=ò功正負(fù)確定原則：◎壓力方向與活塞運(yùn)動(dòng)方向一致，工質(zhì)對(duì)活塞作正功◎壓力方向與活塞運(yùn)動(dòng)方向相反，工質(zhì)對(duì)活塞作負(fù)功IVCEVOEVCIVOTDC上止點(diǎn)BDC下止點(diǎn)ppzp0VsVcV示功圖(IndicatorDiagram)四沖程pAds工質(zhì)對(duì)活塞所作功循環(huán)功：動(dòng)力過程功：壓縮與燃燒膨脹過程所作功之代數(shù)和泵氣過程功：進(jìn)氣與排氣過程所作功之代數(shù)和總指示功＝動(dòng)力過程功＋理論泵氣功(不考慮泵氣損失)凈指示功＝動(dòng)力過程功＋泵氣過程功(考慮泵氣損失)CompressionW<0PowerW>0IntakeW>0ExhaustW<0自然吸氣(naturalaspirated)發(fā)動(dòng)機(jī)作功分析缸內(nèi)進(jìn)氣壓力pd大氣壓力p0缸內(nèi)排氣壓力pe

大氣壓力p0與泵氣有關(guān)的功：

理論泵氣功忽略流動(dòng)阻力,進(jìn)、排氣沖程壓力所作功之代數(shù)和。自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣壓力相同（等于大氣壓力），即理論泵氣功為零。

泵氣損失功(pumpingloss)由于流動(dòng)存在阻力，進(jìn)氣壓力低于大氣壓，排氣壓力高于大氣壓力，造成進(jìn)氣和排氣流動(dòng)損失之功，兩者之和即為泵氣損失功。W2+W3負(fù)功

實(shí)際泵氣功（泵氣過程功）理論泵氣功減去泵氣損失功。W2+W3負(fù)功總指示功＝W1+W3凈指示功＝(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2

理論泵氣功(pb–pk)Vs正功

泵氣損失功

陰影面積負(fù)功

實(shí)際泵氣功W2正功

總指示功W1＋(pb-pk)Vs

凈指示功W1+W2渦輪增壓(turbo-charged)發(fā)動(dòng)機(jī)作功分析缸內(nèi)進(jìn)氣壓力pd＞缸內(nèi)排氣壓力pe＞大氣壓力p0填空根據(jù)缸內(nèi)工質(zhì)對(duì)活塞所作功的特點(diǎn)，判斷下述各功是正功還是負(fù)功：a）壓縮過程功（）b）四沖程自然吸氣內(nèi)燃機(jī)理論泵氣功（

）c）四沖程增壓內(nèi)燃機(jī)泵氣損失功（

）d）四沖程自然吸氣內(nèi)燃機(jī)泵氣過程功（）小測(cè)驗(yàn)負(fù)零負(fù)負(fù)講課內(nèi)內(nèi)容第一篇篇?jiǎng)觿?dòng)力輸輸出與與能量量利用用第1章章動(dòng)動(dòng)力經(jīng)經(jīng)濟(jì)性性能指指標(biāo)與與影響響因素素第2章燃燃料與工質(zhì)質(zhì)第3章循循環(huán)分析與與能量利用用第4章?lián)Q換氣過程與與循環(huán)充量量第二篇燃燃燒與排放放第5章燃燃燒的基礎(chǔ)礎(chǔ)知識(shí)第6章燃燃燒過程及及混合氣形形成第7章特特殊燃燒問問題的機(jī)理理與對(duì)策第8章有有害排放物物的生成與與控制第9章燃燃燒室與調(diào)調(diào)節(jié)參數(shù)的的優(yōu)化第三篇運(yùn)運(yùn)行特性與與性能調(diào)控控第10章發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)運(yùn)行特性與與整車匹配配第11章柴柴油機(jī)調(diào)調(diào)速特性1.工質(zhì)質(zhì)對(duì)活塞所所作功及示示功圖2.動(dòng)力力經(jīng)濟(jì)性指指標(biāo)3.影響響動(dòng)力經(jīng)濟(jì)濟(jì)性指標(biāo)的的環(huán)節(jié)與因因素1.動(dòng)力力性能指標(biāo)標(biāo)功率(Power),轉(zhuǎn)矩矩(Torque),轉(zhuǎn)速速(Revolution/Speed),平平均有效效壓力(BMEP)2.經(jīng)濟(jì)濟(jì)性能指標(biāo)標(biāo)燃油消耗率率(Fuelconsumption),機(jī)機(jī)油消耗耗率(Lubricantconsumption)3.環(huán)保保性能指標(biāo)標(biāo)碳?xì)?HC),一一氧化碳(CO),氮氧化化物(NOx),顆顆粒物(PM),二氧化化碳(CO2)噪聲振動(dòng)(NVH)4.使用用性能指標(biāo)標(biāo)可靠性或耐耐久性(Robust,reliability),維修方方便(I/Mconvenience),冷冷起動(dòng)(Coldstart),發(fā)動(dòng)機(jī)性能能指標(biāo)指示指標(biāo)與與有效指標(biāo)標(biāo)1）以工質(zhì)質(zhì)對(duì)活塞作作功為計(jì)算算基準(zhǔn)的指指標(biāo)稱為指示指標(biāo)◎基于示示功圖算出出，直接反反映燃燒和和熱力循環(huán)環(huán)組織的好好壞◎用于理理論分析和和科研2）以曲軸軸輸出功為為計(jì)算基準(zhǔn)準(zhǔn)的指標(biāo)稱稱為有效指標(biāo)◎由試驗(yàn)驗(yàn)測(cè)出，直直接反映產(chǎn)產(chǎn)品最終性性能◎用于產(chǎn)產(chǎn)品開發(fā)、、生產(chǎn)和使使用當(dāng)中只有與作功功有關(guān)的指指標(biāo)，才有有“有效””與“指示示”之分。。其余，如如轉(zhuǎn)速、每每小時(shí)耗油油量等，則則無此區(qū)別別。摩擦損失＋＋附件消耗耗循環(huán)指示功功、循環(huán)有有效功與機(jī)機(jī)械損失功功理論上：測(cè)量上：以自然吸氣氣發(fā)動(dòng)機(jī)為為例：曲軸輸出的的循環(huán)有效效功循環(huán)凈指示示功機(jī)械損失＝＝摩擦損失失＋附件消消耗＋泵氣氣損失循環(huán)總指示示功以后循環(huán)功功都是指循循環(huán)總指示示功!平均指示壓壓力（IMEP）IndicatedMeanEffectivePressure動(dòng)力性能指指標(biāo)pWVmiis=[]p.VpdVWp1bar10Nm10Nmm0,1kJdmmisimi52533o====ò定義：?jiǎn)挝粴飧赘坠ぷ魅莘e積所作的循循環(huán)指示功功。循環(huán)指示功功可以認(rèn)為為是一個(gè)假假想不變的的壓力pmi作用在活塞塞上，使活活塞移動(dòng)一一個(gè)沖程所所作的功。。平均指示壓壓力反映發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)作功功能力的大大?。▎挝晃惑w積作功功量大小J/m3）和強(qiáng)化程程度。注意：這里里的壓力事事實(shí)上就是是物理上所所說的壓強(qiáng)強(qiáng)，N/m2不同發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)平均有效效壓力pme范圍摩托車發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)（四沖沖程）賽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)（自然吸吸氣）賽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)（渦輪增增壓）轎車汽油機(jī)機(jī)（自然吸吸氣）轎車汽油機(jī)機(jī)（渦輪增增壓）轎車柴油機(jī)機(jī)（渦輪增增壓）卡車柴油機(jī)機(jī)（渦輪增增壓）大型柴油機(jī)機(jī)中型高速柴柴油機(jī)十字頭二沖沖程柴油機(jī)機(jī)pme[bar]1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.2功率Powerpmi:IMEP平均指示壓壓力pme:BMEP平均有效壓壓力pmm:MMEP平平均機(jī)械械損失壓力力指示功率（（Indicatedpower）有效功率（（Effectivepower）機(jī)械損失功功率（Mechanicallosspower）2-stroke:=24-stroke:=4動(dòng)力性能指指標(biāo)注意：注意意這里所列列的性能指指標(biāo)單位是是國(guó)標(biāo)單位位轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩（Torque）角速度（Angularvelocity）E.g.單單缸四沖沖程發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng)力性指標(biāo)標(biāo)之間的關(guān)關(guān)系平均有效壓壓力：功率：對(duì)于某一發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和平均均有效壓力力都反映負(fù)負(fù)荷（率））的大小有效效率：：BSFCEffectiveefficiencyFuelmassflow燃油流量(kg/s)Lowheatvalue低熱值(kJ/kg)Indicatedefficiency經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)標(biāo)有效油耗：：指示效率：：指示油耗：：ISFCE.g.求求油耗：：比功率PL—單位發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)排量發(fā)發(fā)出的功率率（評(píng)價(jià)氣氣缸容積利利用程度和和緊湊性））PL=Pe/Vs（kW/L)比質(zhì)量me—單位有效效功率所占占發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)質(zhì)量（評(píng)價(jià)價(jià)輕量化和和緊湊性））me=m/Pe（kg/kW）比容積Ve—單位有效效功率所占占發(fā)動(dòng)機(jī)的的體積（評(píng)評(píng)價(jià)緊湊性性）Ve=V/Pe（m3/kW）功率密度評(píng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（升功率））發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速速與活塞平平均速度主要影響：：慣性力引起起的機(jī)械應(yīng)應(yīng)力摩擦（磨損損）熱負(fù)荷充氣效率噪聲活塞平均速速度：（發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)強(qiáng)化指標(biāo)之之一）注意：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速速與活塞速速度不完全全是一個(gè)概概念！平均活塞速速度越高，，也說明發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化化度越高單位：最大平均活活塞速度vm2221.7279.519.812.37.8[m/s]7.0摩托車發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)（四沖沖程）賽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)（自然吸吸氣）賽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)（渦輪增增壓）轎車汽油機(jī)機(jī)（自然吸吸氣）轎車柴油機(jī)機(jī)卡車柴油機(jī)機(jī)（渦輪增增壓）大型柴油機(jī)機(jī)中速柴油機(jī)機(jī)十字頭二沖沖程柴油機(jī)機(jī)講課內(nèi)容第一篇?jiǎng)觿?dòng)力輸出與與能量利用用第1章動(dòng)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性性能指標(biāo)與與影響因素素第2章燃燃料與工質(zhì)質(zhì)第3章循循環(huán)分析與與能量利用用第4章?lián)Q換氣過程與與循環(huán)充量量第二篇燃燃燒與排放放第5章燃燃燒的基礎(chǔ)礎(chǔ)知識(shí)第6章燃燃燒過程及及混合氣形形成第7章特特殊燃燒問問題的機(jī)理理與對(duì)策第8章有有害排放物物的生成與與控制第9章燃燃燒室與調(diào)調(diào)節(jié)參數(shù)的的優(yōu)化第三篇運(yùn)運(yùn)行特性與與性能調(diào)控控第10章發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)運(yùn)行特性與與整車匹配配第11章柴柴油機(jī)調(diào)調(diào)速特性1.工質(zhì)質(zhì)對(duì)活塞所所作功及示示功圖2.動(dòng)力力經(jīng)濟(jì)性指指標(biāo)3.影響響動(dòng)力經(jīng)濟(jì)濟(jì)性指標(biāo)的的環(huán)節(jié)與因因素決定動(dòng)力輸輸出的三大大環(huán)節(jié)設(shè)單位時(shí)間間內(nèi)加入整整機(jī)的燃料料總量為B(kg/s)，，燃料的低低熱值為Hu(kJ/kg)，燃燃料能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的總效效率為ηet，則有效功功率Pe可表示為：：設(shè)單位時(shí)間間進(jìn)入發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)的混合合氣總量為為Gm(kg/s)，混合合氣的低熱熱值為Hum(kJ/kg)，則則有效功率率Pe也可可表示為：：提高功率的的三大環(huán)節(jié)節(jié)：可燃混合氣氣或燃料的的能量密度度混合氣熱值值Hum或燃料熱值值Hu單位時(shí)間實(shí)實(shí)際吸入內(nèi)內(nèi)燃機(jī)的可可燃混合氣氣總量Gm或燃料總量量B可燃混合氣氣能量或燃燃料能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為有效效輸出功的的多少工作過過程各環(huán)節(jié)節(jié)效率或總總效率et與燃料熱值值和混合氣氣濃度直接接相關(guān)“質(zhì)”的環(huán)環(huán)節(jié)“量”的環(huán)環(huán)節(jié)油/氣混合合比（濃度度）是影響響發(fā)動(dòng)機(jī)性性能的重要要參數(shù)：1）過量量空氣系數(shù)數(shù)a（Excessairratio/Relativeair-fuelratio）設(shè)單位質(zhì)量量燃料完全全燃燒所需需理論空氣氣量為l0，而實(shí)際供供給的空氣氣量為l，則a定義為：a>1,稀稀混合氣;a<1,濃濃混合氣;a=1化學(xué)學(xué)計(jì)量比（（Stoichiometricratio），，過去稱理論論空燃比。?？扇蓟旌蠚鈿鉂舛扰c熱熱值燃空當(dāng)量比比(equivalentratio)＝＝1/a，歐美國(guó)家家常用2）空燃比比（Air/Fuelratio）3）燃空比比（Fuel/Airratio）4）可燃混混合氣熱值值Hum（Mixturelowheatvalue）定義：?jiǎn)挝晃毁|(zhì)量或單單位體積可燃混合氣氣發(fā)出的熱量量（kJ/kg或kJ/m3）。Hu表示燃料的的能量密度度，越高越越便于攜帶帶；Hum代表混合氣氣的能量密密度，越高高則相同工工作容積時(shí)時(shí)發(fā)出功率率越高（pme也越高）。?；蚩扇蓟旌蠚鈿鉂舛扰c熱熱值能量轉(zhuǎn)換效效率（1）燃燒燒效率（2）循環(huán)環(huán)熱效率（3）機(jī)械械效率有效效率每缸每循環(huán)環(huán)燃燒時(shí)發(fā)發(fā)出的熱量量(kJ)單缸循環(huán)油油量(kg)指示效率正常燃燒：：汽油機(jī)c=95%~98%柴油機(jī)c=98%~99%CombustionEfficiencyThermalEfficiencyMechanicalEfficiencyEffectiveEfficiencyIndicatedEfficiency混合氣充量量充量系數(shù)（（容積效率率）Volumetricefficiency定義：每缸每循環(huán)環(huán)吸入缸內(nèi)內(nèi)的新鮮空空氣量與按按進(jìn)氣系統(tǒng)統(tǒng)前狀態(tài)計(jì)計(jì)算而得的的理論充氣量量之比。(75%-90%)可燃混合氣氣流量：大氣密度（（自然吸氣氣機(jī)型）增壓后空氣氣密度（增增壓機(jī)型））功率和油耗耗的表達(dá)式式（課程總總綱）燃燒效率（第二篇））循環(huán)熱效率率（第3章））機(jī)械效率（第3章））充量效率（第4章））混合氣熱值值（第2章））第1章小結(jié)要求掌握：：1.基本本概念各種功；平平均有效壓壓力；空燃燃比/過量量空氣系數(shù)數(shù)/燃空當(dāng)當(dāng)量比2.畫示示功圖（p-Vp-），并會(huì)會(huì)標(biāo)識(shí)3.推導(dǎo)導(dǎo)動(dòng)力性和和經(jīng)濟(jì)性的的性能指標(biāo)標(biāo)表達(dá)式及及其關(guān)系4.了解解影響動(dòng)力力性和經(jīng)濟(jì)濟(jì)性的主要要環(huán)節(jié)和因因素5.自學(xué)學(xué)二沖程相相關(guān)內(nèi)容第1章作業(yè)思考題：11、12、14、、15注意：只收手寫寫作業(yè)！不不收打印作作業(yè)或電子子版作業(yè)??！11．畫圖圖：1）在在p-V坐坐標(biāo)圖上畫畫出四沖程程增壓柴油油機(jī)的示功功圖，用箭箭頭注明各各過程進(jìn)行行方向，并并在曲