汽车发动机原理1

汽车发动机原理点燃式和压燃式内燃机的工作过程、燃烧理论、性能分析以及参数调控清华大学汽车工程系帅石金博士Email:[e-mail]:010-62772515DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity讲课内容第一篇动力输出与能量利用第1章动力经济性能指标与影响因素第2章燃料与工质第3章循环分析与能量利用第4章换气过程与循环充量第二篇燃烧与排放第5章燃烧的基础知识第6章燃烧过程及混合气形成第7章特殊燃烧问题的机理与对策第8章有害排放物的生成与控制第9章燃烧室与调节参数的优化第三篇运行特性与性能调控第10章发动机运行特性与整车匹配第11章柴油机调速特性1.动力的获取和输出；能量的消耗和利用。2.燃料能量转换的“质”环节；加入整机能量总量的“量”环节。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity讲课内容第一篇动力输出与能量利用第1章动力经济性能指标与影响因素第2章燃料与工质第3章循环分析与能量利用第4章换气过程与循环充量第二篇燃烧与排放第5章燃烧的基础知识第6章燃烧过程及混合气形成第7章特殊燃烧问题的机理与对策第8章有害排放物的生成与控制第9章燃烧室与调节参数的优化第三篇运行特性与性能调控第10章发动机运行特性与整车匹配第11章柴油机调速特性1.工质对活塞所作功及示功图2.动力经济性指标3.影响动力经济性指标的环节与因素p-图示功图（四冲程）p-V图EIIETDCTDCTDCBDCBDCw/ocombustion0180360540720°CAppzp0IVCEVOEVCIVOTDC上止点BDC下止点ppzp0VsVcVpAds示功图(IndicatorDiagram)：发动机气缸内工质压力p随气缸容积V（或曲轴转角）的变化曲线TDC-TopDeadCenter;BDC-BottomDeadCenterIVO-IntakeValveOpen;IVC-IntakeValveCloseEVO-ExhaustValveOpen;EVC-ExhaustValveClose示功图压力图/展开示功图BDCTDCEPOIPOEPCIPCppzp0VcVsVBDCBDCTDCTDCBDCppzp00180360540720°CAIPO-IntakePortOpenIPC-IntakePortCloseEPO-ExhaustPortOpenEPC-ExhaustPortClose示功图（二冲程汽油机）DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity示功图测取装置WpdV=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相反，工质对活塞作负功IVCEVOEVCIVOTDC上止点BDC下止点ppzp0VsVcV示功图(IndicatorDiagram)四冲程pAds工质对活塞所作功循环功：动力过程功：压缩与燃烧膨胀过程所作功之代数和泵气过程功：进气与排气过程所作功之代数和总指示功＝动力过程功＋理论泵气功(不考虑泵气损失)净指示功＝动力过程功＋泵气过程功(考虑泵气损失)CompressionW0PowerW0IntakeW0ExhaustW0DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity自然吸气(naturalaspirated)发动机作功分析缸内进气压力pd大气压力p0缸内排气压力pe大气压力p0与泵气有关的功：理论泵气功忽略流动阻力,进、排气冲程压力所作功之代数和。自然吸气发动机进、排气压力相同（等于大气压力），即理论泵气功为零。泵气损失功(pumpingloss)由于流动存在阻力，进气压力低于大气压，排气压力高于大气压力，造成进气和排气流动损失之功，两者之和即为泵气损失功。W2+W3负功实际泵气功（泵气过程功）理论泵气功减去泵气损失功。W2+W3负功总指示功＝W1+W3净指示功＝(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理论泵气功(pb–pk)Vs正功泵气损失功阴影面积负功实际泵气功W2正功总指示功W1＋(pb-pk)Vs净指示功W1+W2涡轮增压(turbo-charged)发动机作功分析缸内进气压力pd＞缸内排气压力pe＞大气压力p0DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity填空根据缸内工质对活塞所作功的特点，判断下述各功是正功还是负功：a）压缩过程功（）b）四冲程自然吸气内燃机理论泵气功（）c）四冲程增压内燃机泵气损失功（）d）四冲程自然吸气内燃机泵气过程功（）小测验负零负负DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity讲课内容第一篇动力输出与能量利用第1章动力经济性能指标与影响因素第2章燃料与工质第3章循环分析与能量利用第4章换气过程与循环充量第二篇燃烧与排放第5章燃烧的基础知识第6章燃烧过程及混合气形成第7章特殊燃烧问题的机理与对策第8章有害排放物的生成与控制第9章燃烧室与调节参数的优化第三篇运行特性与性能调控第10章发动机运行特性与整车匹配第11章柴油机调速特性1.工质对活塞所作功及示功图2.动力经济性指标3.影响动力经济性指标的环节与因素DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity1.动力性能指标功率(Power),转矩(Torque),转速(Revolution/Speed),平均有效压力(BMEP)2.经济性能指标燃油消耗率(Fuelconsumption),机油消耗率(Lubricantconsumption)3.环保性能指标碳氢(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)4.使用性能指标可靠性或耐久性(Robust,reliability),维修方便(I/Mconvenience),冷起动(Coldstart),发动机性能指标DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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指示指标◎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2）以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效指标◎由试验测出，直接反映产品最终性能◎用于产品开发、生产和使用当中只有与作功有关的指标，才有“有效”与“指示”之分。其余，如转速、每小时耗油量等，则无此区别。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity摩擦损失＋附件消耗循环指示功、循环有效功与机械损失功mei=memfm=理论上：pmemfm=测量上：21i=以自然吸气发动机为例：曲轴输出的循环有效功循环净指示功机械损失＝摩擦损失＋附件消耗＋泵气损失mei=31i=循环总指示功以后循环功都是指循环总指示功!DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity平均指示压力（IMEP）IndicatedMeanEffectivePressure动力性能指标pWVmiis=[]p.VpdVWp1bar10Nm10Nmm0,1kJdmmisimi52533====定义：单位气缸工作容积所作的循环指示功。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功。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J/m3）和强化程度。注意：这里的压力事实上就是物理上所说的压强，N/m2DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity不同发动机平均有效压力pme范围摩托车发动机（四冲程）赛车发动机（自然吸气）赛车发动机（涡轮增压）轿车汽油机（自然吸气）轿车汽油机（涡轮增压）轿车柴油机（涡轮增压）卡车柴油机（涡轮增压）大型柴油机中型高速柴油机十字头二冲程柴油机pme[bar]1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.2DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity功率PowersmiVp)in/τ2(W)in/τ2(P==iipmi:IMEP平均指示压力pme:BMEP平均有效压力eimPPP=V)pp()in/τ2(smemi=smmmVp)(2in/P=pmm:MMEP平均机械损失压力指示功率（Indicatedpower）有效功率（Effectivepower）机械损失功率（Mechanicallosspower）2-stroke:=24-stroke:=4动力性能指标sVp)in/τ2(W)in/τ2(P==meee注意：注意这里所列的性能指标单位是国标单位DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity转矩：smetqtqeVp)2in/τ(n2TωTP===转矩（Torque）smetqVpπτiT=metqp~TstqmeVTiπτp=角速度（Angularvelocity）E.g.单缸四冲程发动机升2dm2V3s==mN126T,r/min5000ntq==333mem102Nm12614πdm2Nm1261πτp==0.792MPadmkJ0.792bar7.92mN000792p32me====动力性指标之间的关系平均有效压力：功率：对于某一发动机，转矩和平均有效压力都反映负荷（率）的大小DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity有效效率：uHetη1ePBeb==BSFCEffectiveefficiencyFuelmassflow燃油流量(kg/s)Lowheatvalue低热值(kJ/kg)kgkJ42800H;0.35ηuet==kWsg428000.351000kJkg428000.351be==kWhg240kWhg428000.3536001000==uHitη1iPBib==IndicatedefficiencyuBHiPitη=经济性指标有效油耗：指示效率：指示油耗：ISFCuBHePetη=E.g.求油耗：DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity比功率PL—单位发动机排量发出的功率（评价气缸容积利用程度和紧凑性）PL=Pe/Vs（kW/L)比质量me—单位有效功率所占发动机质量（评价轻量化和紧凑性）me=m/Pe（kg/kW）比容积Ve—单位有效功率所占发动机的体积（评价紧凑性）Ve=V/Pe（m3/kW）功率密度评价指标（升功率）DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity发动机转速与活塞平均速度ns2vm==r/minnms301m/svm主要影响：惯性力引起的机械应力摩擦（磨损）热负荷充气效率噪声2~mMv活塞平均速度：（发动机强化指标之一）注意：发动机转速与活塞速度不完全是一个概念！平均活塞速度越高，也说明发动机强化度越高单位：DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity最大平均活塞速度vm2221.7279.519