第1章-性能指標及影響因素修改

點燃式和壓燃式內燃機工作過程、燃燒理論、性能分析及參數(shù)調控Email:sjshuai@Phone14帥石金清華大學汽車工程系汽車發(fā)動機原理AutomotiveEngineFundamentals一、內燃機工業(yè)初創(chuàng)期(1908～1949年)1901年冬上海開始出現(xiàn)由外國人帶入的汽車，外國生產的內燃機作為商品也開始進入我國口岸。據統(tǒng)計，僅上海一地，先后有20多個洋行(外國人辦的商行)在我國推銷英、德、美、法等國生產的30多種型號的內燃機。由于內燃機在性能上比蒸汽機優(yōu)越，有市場需求，繼1908年均和安機器廠的5.88kW單缸臥式煤氣機及1915年廣州協(xié)同和機器廠制成的第一臺29.4kW燒球式柴油機后，1924年上海新祥和機器廠制成11.76kW、17.05kW等5種不同規(guī)格壓縮著火四沖程低速柴油機，上海新中工程公司分別于1929年與1939年制成我國第一臺功率為26.47kW雙缸柴油機和功率為47.79kW的4缸機及1800r/min的車用柴油機。這表明中國已由制造結構比較簡單的單缸臥式低速柴油機和煤氣機發(fā)展到技術要求較高的多缸柴油機和車用柴油機，但這些機器的技術指標還比較落后，耗能耗材大，故障多，關鍵零部件需依賴進口。1949年全國內燃機總的生產能力為7000kW左右，從1908年到1949年累計生產內燃機不足14萬kW。二、內燃機工業(yè)體系的建設和形成期(1949.10～1979年)1.內燃機工業(yè)體系的初建期(1949.10～1957年)

2.內燃機工業(yè)體系的建設與形成期(1958～1979年)1.內燃機工業(yè)體系的初建期(1949.10～1957年)1949年新中國成立后，內燃機工業(yè)得到了恢復與發(fā)展。上海柴油機廠試制成功110系列柴油機，天津動力機廠研制成功4146柴油機，上海與天津建立油泵油嘴生產點。1952年我國內燃機產量達到近3萬kW，同年第一機械工業(yè)部成立，由第四機器工業(yè)管理局負責領導與管理全國動力機械生產。1956年長春建立第一汽車制造廠，年產3萬輛裝載質量為4t的解放牌汽車，其發(fā)動機為功率為66kW的CA10型6缸汽油機，同年南京汽車廠開始生產功率為37kW的NJ—50型4缸汽油機。到1957年全國內燃機產量達到50萬kW，內燃機工業(yè)已初具規(guī)模。2.內燃機工業(yè)體系的建設與形成期(1958～1979年)1958～1966年，內燃機工業(yè)發(fā)展迅速。1959年農業(yè)機械部成立(1965年改為第八機械工業(yè)部)，對我國內燃機工業(yè)的規(guī)劃與發(fā)展起了重要作用。這一時期，上海柴油機廠試制成功了可與汽車、工程機械、船舶、農業(yè)機械、發(fā)電機等多種用途配套的135系列柴油機，它是我國由仿制到自行設計、由小批量轉為大批量生產的第一個中小功率柴油機系列。三、內燃機工業(yè)飛速發(fā)展期(1979～現(xiàn)在)1979年十一屆三中全會以后，撥亂反正，內燃機工業(yè)進行了一系列調整整頓工作，通過引入市場機制，推行全面質量管理，引進國外先進技術和對企業(yè)進行技術改造等，我國內燃機的技術水平有了明顯提高。這一時期是我國內燃機發(fā)展史中的鼎盛時期，引進與開發(fā)的新產品種類繁多二、壓燃式發(fā)動機圖1-9昆明云內動力股份有限公司生產的D19TCI系列轎車柴油機的橫剖視圖二、壓燃式發(fā)動機圖1-10昆明云內動力股份有限公司生產的D19TCI系列轎車柴油機的縱剖視圖二、壓燃式發(fā)動機圖1-11一汽集團公司生產的CA6DL發(fā)動機的縱剖視圖二、壓燃式發(fā)動機圖1-12一汽集團公司生產的CA6DL發(fā)動機的橫剖視圖二、壓燃式發(fā)動機圖1-13東風康明斯發(fā)動機有限公司生產的ISLe電控發(fā)動機的縱剖視圖講課內容第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力動力的獲取和輸出；能量的消耗和利用燃料能量轉換的“質”環(huán)節(jié)；加入整機能量總量的“量”環(huán)節(jié)講課內容1.工質對活塞所作功及示功圖2.發(fā)動機的性能指標3.影響動力經濟性指標的環(huán)節(jié)與因素第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力一、示功圖圖2-1四沖程內燃機的p-φ圖一、示功圖圖2-2四沖程壓燃式和點燃式內燃機實際循環(huán)p-V圖正負功確定原則：壓力方向與活塞運動方向一致，工質對活塞作正功壓力方向與活塞運動方向相反，工質對活塞作負功工質對活塞所作功Compression壓縮過程W

<

0

Power作功過程W

>

0

Intake進氣過程W

>

0

Exhaust排氣過程W

<

0

WpdV=ò循環(huán)功：動力過程功：壓縮與燃燒膨脹沖程所作功之代數(shù)和泵氣過程功：進氣與排氣沖程所作功之代數(shù)和(總)指示功＝動力過程功＋理論泵氣功(不考慮泵氣損失)凈指示功＝動力過程功＋泵氣過程功(考慮泵氣損失)進氣壓力pd大氣壓力p0排氣壓力pe

大氣壓力p0與泵氣有關的功：

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

實際泵氣功(泵氣過程功)由于流動存在阻力，進氣壓力低于大氣壓，排氣壓力高于大氣壓力，造成進氣和排氣流動損失功，兩者之和為實際泵氣功

W2+W3

負功泵氣損失(Pumpingloss)

（實際泵氣功理論泵氣功）

W2+W3

負功自然吸氣(NaturalAspirated)發(fā)動機作功分析(總)指示功＝W1+W3凈指示功＝(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2進氣壓力pd大氣壓力p0排氣壓力pe

大氣壓力p0自然吸氣(NaturalAspirated)發(fā)動機作功分析與泵氣有關的功：

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

實際泵氣功(泵氣過程功)由于流動存在阻力，進氣壓力低于大氣壓，排氣壓力高于大氣壓力，造成進氣和排氣流動損失功，兩者之和為實際泵氣功

W2+W3

負功泵氣損失(Pumpingloss)

（實際泵氣功理論泵氣功）

W2+W3

負功

理論泵氣功

(pb–pk)Vs

正功

實際泵氣功

W2

正功

泵氣損失功

W2-(pb–pk)Vs

陰影面積負功

(總)指示功

W1＋(pb-pk)Vs

凈指示功

W1+W2渦輪增壓(Turbocharging)發(fā)動機作功分析實際進氣壓力pd＞實際排氣壓力pe＞大氣壓力p0記?。豪碚摫脷夤蛯嶋H泵氣功可正、可負，但泵氣損失功永遠為負！講課內容1.工質對活塞所作功及示功圖2.發(fā)動機的性能指標3.影響動力經濟性指標的環(huán)節(jié)與因素第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與新能源動力系統(tǒng)1.動力性能指標功率(Power),轉矩(Torque),轉速(Revolution/Speed)有效平均壓力(BrakeMeanEffectivePressure,BMEP)2.經濟性能指標有效燃料消耗率(BrakeSpecificFuelConsumption,BSFC)機油消耗率(Oil/LubricantConsumption)3.環(huán)保性能指標碳氫(HC),一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx),二氧化碳(CO2)顆粒物(ParticulateMatter,PM),干碳煙(DrySoot,DS)噪聲振動沖擊(NoiseVibrationHarshness,NVH)4.使用性能指標可靠性或耐久性(Robust/Reliability,Durability)檢測/維護(Inspection/Maintenance,I/M)發(fā)動機性能(Performance)指標指示指標與有效指標1.以工質對活塞作功為計算基準的指標稱為指示(Indicated)指標基于示功圖算出，直接反映燃燒和熱力循環(huán)組織的好壞

用于理論分析和科研2.以曲軸輸出功為計算基準的指標稱為有效(Brake/Effective)指標由試驗測出，直接反映產品最終性能

用于產品開發(fā)、生產和使用當中只有與作功有關的指標，如功、功率、油耗、平均壓力、熱效率等才有“有效”與“指示”之分一、指示功、有效功和機械損失功

指示功：發(fā)動機在一個工作循環(huán)內，缸內工質在無泵氣損失條件下對活塞所做的功。用Wi表示。四沖程發(fā)動機：Wi=W1+W3四沖程增壓發(fā)動機：Wi=W1+（pb-pk）Vs一、指示功、有效功和機械損失功指示性能指標只能評定工作循環(huán)進行的好壞，發(fā)動機發(fā)出的指示功率需扣除運動件的摩擦功率以及驅動風扇、機油泵、燃油泵、發(fā)電機等附件所消耗的功率后才能變?yōu)榍S的有效輸出，所有這些消耗功的總和稱為機械損失功Wm，從而有效功為We=Wi-Wm有效功與指示功之比稱為機械效率機械損失功Wm=Wf+We+WpWf:機械摩擦損失功We：附件消耗功Wp：泵氣損失功動力性能指標pWVmiis=[]p.

VpdVWp1bar10Nm10Nmm0.1kJdmmisimi52533o====ò注意：這里的壓力事實上就是物理上所說的壓強，N/m2指示平均壓力(IndicatedMeanEffectivePressure,IMEP)定義：單位氣缸工作容積所作的循環(huán)指示功循環(huán)指示功可以認為是一個假想不變的壓力pmi作用在活塞上，使活塞移動一個沖程所作功指示平均壓力反映發(fā)動機作功能力的大小(單位體積作功量大小J/m3)和強化程度。使不同發(fā)動機的動力性具有可比性有效平均壓力有效平均壓力：單位氣缸工作容積所致的有效功?？煽醋魇且粋€假想的、平均不變的壓力作用在活塞頂上，使活塞移動一個行程所做的功等于每循環(huán)所做的有效功。用pme表示機械損失平均壓力：pmm

pmm:機械損失平均壓力，Vs：氣缸排量；Wm：機械損失功不同發(fā)動機有效平均壓力pme范圍摩托車發(fā)動機（四沖程）賽車發(fā)動機（自然吸氣）

賽車發(fā)動機（渦輪增壓）轎車汽油機（自然吸氣）轎車汽油機（渦輪增壓）轎車柴油機（渦輪增壓）卡車柴油機（渦輪增壓）大型柴油機中型高速柴油機十字頭二沖程柴油機pme[

bar]1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.23.指示效率、有效效率和機械效率

指示熱效率：燃料化學能轉換為指示功Wi的能量轉換效率，即

式中，為指示熱效率；為所用燃料的低熱值（kJ/kg）單缸每循環(huán)燃油消耗量gb（kg）有效效率：燃料化學能轉換為曲軸輸出功We的能量轉換效率式中，為指示熱效率；為所用燃料的低熱值（kJ/kg）單缸每循環(huán)燃油消耗量gb（kg）機械效率：指示功Wi，在支付機械損失功Wm后，變?yōu)榍S有效輸出功We的能量轉換效率。4.指示燃料消耗與有效燃料消耗指示燃油消耗率：單位指示功的耗油量，通常用單位千瓦小時指示功的耗油量克數(shù)[g/(kW·h)]來表示。B整機燃料消耗率，kg/h;Pi為指示功率，kW4.指示燃料消耗率與有效燃料消耗率有效燃料消耗率：B整機燃料消耗率，kg/h;Pe為有效功率，kW因為由功與功率的關系求功We轉矩(N.m)角速度(rad/s)

動力性指標之間的關系由轉速、轉矩和功率功率的關系求功率Pe對于某一發(fā)動機，轉矩和有效平均壓力都反映負荷（load）的大小循環(huán)時間動力性指標之間的關系有效效率：EffectiveefficiencyFuelmassflow燃料流量(kg/s)Lowheatvalue低熱值(kJ/kg)Indicatedefficiency經濟性指標有效燃料消耗率：BSFC指示效率：指示燃料消耗率：ISFCE.g.求油耗：比功率(升功率,powerdensity)

PL—單位發(fā)動機排量發(fā)出的功率

(評價氣缸容積利用程度和緊湊性)

PL=Pe

/Vs(kW/L)

比質量

me—單位有效功率所占發(fā)動機質量

(評價輕量化和緊湊性)

me=m/Pe(kg/kW)

比容積

Ve—單位有效功率所占發(fā)動機的體積

(評價緊湊性)

Ve=V/Pe(m3/kW)功率密度評價指標轎車汽油機自吸式:35～65轎車汽油機增壓式:50～100轎車柴油機增壓式:30～40轎車汽油機:3～1轎車柴油機:5～2發(fā)動機轉速與活塞平均速度主要影響：慣性力引起的機械應力摩擦(磨損)熱負荷充氣效率噪聲活塞平均速度：(強化指標之一)注意：發(fā)動機轉速與活塞速度不完全是一個概念！活塞平均速度越高，說明發(fā)動機強化度越高單位：活塞平均速度VmVm2221.7279.519.812.37.8[m/s]7.0摩托車發(fā)動機（四沖程）賽車發(fā)動機（自然吸氣）賽車發(fā)動機（渦輪增壓）轎車汽油機（自然吸氣）轎車柴油機卡車柴油機（渦輪增壓）大型柴油機中速柴油機十字頭二沖程柴油機講課內容1.工質對活塞所作功及示功圖2.發(fā)動機的性指標3.影響動力經濟性指標的環(huán)節(jié)與因素第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與新能源動力系統(tǒng)決定動力輸出的三大環(huán)節(jié)設單位時間加入發(fā)動機的燃料總質量為B(kg/s)，燃料低熱值(lowheatvalue)為Hu(kJ/kg)，燃料能量轉換的總效率為et

，則有效功率Pe可表示為：

設單位時間進入發(fā)動機的混合氣總量為Gm(kg/s)，混合氣低熱值為Hum(kJ/kg)，則有效功率Pe也可表示為：提高功率的三大環(huán)節(jié)：可燃混合氣或燃料的能量密度混合氣熱值Hum或燃料熱值Hu

單位時間實際吸入發(fā)動機的可燃混合氣總量Gm或燃料總量B

可燃混合氣能量或燃料能量轉換為有效輸出功的多少工作過程各環(huán)節(jié)效率或總效率et與燃料熱值和混合氣濃度直接相關“質”的環(huán)節(jié)“量”的環(huán)節(jié)燃料及可燃混合氣的熱值1.燃料低熱值：單位質量燃料在標準狀態(tài)（T：298K,P：101.3kPa）下，定壓或定容完全燃燒所能放出的熱量，即反應熱。燃料燃燒時，燃燒產物H2O以氣態(tài)排出，其氣化潛熱未能釋放時的熱量叫低熱值，用Hu表示。2.可燃混合氣熱值：單位質量或單位體積的可燃混合氣在標準狀態(tài)下定壓或定容完全燃燒時的低熱值。油/氣混合比(濃度)是影響發(fā)動機性能的重要參數(shù)：1)過量空氣系數(shù)

a（Excessairratio/Relativeair-fuelratio）設單位質量燃料完全燃燒所需理論空氣量為l0，而實際供給的空氣量為l，則a定義為：a

>1,稀(lean)混合氣a

<1,濃(rich)混合氣a

=1,化學計量比（stoichiometricratio），過去稱理論空燃比可燃混合氣濃度與熱值燃空當量比(equivalentratio)＝1/a，歐美國家常用2)空燃比(Air/Fuelratio,A/F)3)燃空比(Fuel/Airratio,F/A)4)可燃混合氣熱值Hum(Mixturelowheatvalue)定義:單位質量或單位體積可燃混合氣發(fā)出的熱量(kJ/kg或kJ/m3)Hu表示燃料的能量密度，越高越便于攜帶；Hum代表混合氣的能量密度，越高則相同工作容積時發(fā)出功率越高(pme也越高)或可燃混合氣濃度與熱值能量轉換效率1)燃燒效率2)循環(huán)熱效率3)機械效率4)有效效率每缸每循環(huán)燃燒時發(fā)出的熱量(kJ)單缸循環(huán)油量(kg)指示效率正常燃燒：汽油機c=95%~98%柴油機c=98%~99%CombustionEfficiencyThermalEfficiencyMechanicalEfficiencyEffectiveEfficiency曲軸輸出功總指示功混合氣(進氣)充量充量系數(shù)(容積效率)Volumetricefficiency定義：每缸每循環(huán)吸入缸內的新鮮空氣量與按進氣系統(tǒng)前狀態(tài)計算而得的理論充氣量之比(75%-90%)可燃混合氣流量：大氣密度(自然吸氣機型)

增壓后空氣密度(增壓機型)新鮮空氣量燃油量功率和油耗的表達式(課程總綱)燃燒