发动机原理.

发动机原理徐阳副教授武汉理工大学汽车工程学院绪论第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章燃料与燃烧第四章汽油机混合气的形成和燃烧第五章柴油机混合气的形成和燃烧第六章发动机的特性第八章排气污染与控制绪论一、发动机的分类1、按所用燃料分汽油机、柴油机、天然气（CNG、LNG）、液化石油气（LPG）、酒精（甲醇、乙醇）、氢等2、按缸内着火方式分压燃式（柴）、点燃式（汽）3、按冲程数分四冲程、二冲程4、按活塞运动方式分往复活塞式、旋转活塞式5、按气缸冷却方式分液体冷却（水冷）、空气冷却（风冷）6、按气缸数目分单缸、多缸（2、3、4、5、6、8）7、按转速分低速（n＜300rpm）、中速（300rpm＜n＜1000rpm）、高速（1000rpm＜n）8、按增压程度分增压比πb：空气经过一个专用的压气机（增压器）压缩后的压力Pk与压缩前的压力P0之比。非增压（自然吸气式）、低增压（πb＜1.8）、中增压（1.8＜πb＜2.5）、高增压（2.5＜πb＜3.6）、超高增压（3.6＜πb）9、按气缸排列方式分立式、卧式、直列式、V型、W型对置气缸或对置活塞式H型、王字型、X型、星型10、按混合气形成方式分进气管或进气道喷射（0.2~0.35MPa）、缸内直接喷射（3.0~12MPa）、分层充量、化油器式11、按燃烧室设计分开式燃烧室（浴盆形、楔形、半球形、碗形、ω形分隔式燃烧室（涡流室、预燃室）12、按进、排气门凸轮轴设计和布置分二气门、三气门、四气门（多气门）顶置（上置）或侧置（下置）气门顶置或侧置凸轮轴13、按用途分农用、船用、汽车用、工程机械用、拖拉机用、发电用、内燃机车用三、发动机总体构造1、汽油机两大机构：曲柄连杆机构、配气机构五大系：燃料供给系、点火系、冷却系、润滑系、起动系2、柴油机两大机构：曲柄连杆机构、配气机构四大系：燃料供给系、冷却系、润滑系、起动系第一章发动机的性能性能：动力性、经济性、可靠耐久性、排放、振动、噪声、使用维修性、加工工艺性等以性能为研究对象，深入到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本章主要内容发动机的理论循环和实际循环评定发动机性能的参数发动机的热平衡第一节发动机理论循环定义：发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些因素，所得出的简化循环。意义：通过对理论循环的研究，可以清楚地确定影响性能的某些重要因素，从而找到提高发动机性能的基本途径一、三种基本循环最简单的理论循环——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根据加热方式不同，发动机有三种基本空气标准循环：定容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速）定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃烧最高压力的限制）混合加热循环（高速柴油机）评定理论循环的指标：循环热效率ηt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循环平均压力pt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意义：评定循环动力性（做功能力）二、循环热效率ηt按工程热力学公式，混合加热循环热效率为ε一压缩比，ε=Va／Vc=(Vs+Vc)／Vc=1+Vs/Vc，其中，Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积；（汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15）λ一压力升高比，λ=pz/pc；ρ一预膨胀比，ρ=Vz/Vz’=ε/δ；δ—后膨胀比，δ=Vb/Vz；K一绝热指数1212111QQQQQQWt111111KKKtm定容加热循环（ρ=1）热效率为定压加热循环（λ=1）热效率为111KtV)1(1111KKKtP111111KKKtm影响ηt的因素l.压缩比ε提高ε，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，三种循环的ηt都提高。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。2.绝热指数K：随K值增大，ηt将提高。3.压力升高比λ：定压加热循环λ=1，定容加热循环λ不影响ηt，混合加热循环随λ增大ηt将提高。4.预膨胀比ρ：定容加热循环ρ=1，定压加热循环和混合加热循环随ρ增大ηt将下降。三种循环热效率的比较循环总加热量相同时定容加热循环热效率＞混合加热循环热效率＞定压加热循环热效率最高压力相同时定压加热循环热效率＞混合加热循环热效率＞定容加热循环热效率三、循环平均压力ptpt（kPa）是单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力按工程热力学公式，混合加热循环的平均压力stVWptaKtmKKpp)]1()1[(11定容加热循环（ρ=1）的平均压力为定压加热循环（λ=1）的平均压力为可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比ε、压力升高比λ、预膨胀比ρ、绝热指数K和热效率ηt的增加而增加。taKtVKpp)1(11taKtPKKpp)1(11第二节四行程发动机的实际循环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φ）而变化的图形表示，即示功图p－V图，p－φ图称为展开示功图。p－V图上曲线所包围的面积（积分）表示工质完成一个实际循环所做的有用功。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。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：0.075~0.08柴：0.08~0.09汽：370~400柴：300~340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：0.6~2.0柴：3.0~5.0汽：600~750柴：750~1000燃烧c-z线上死点附近，进关排关化学能转变为热能，工质的压力、温度升高汽：3.0~6.5柴：4.5~9.0汽：2200~2800柴：1800~2200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：0.3~0.6柴：0.2~0.5汽：1200~1500柴：1000~1200排气b-r线活塞上行，进关排开排出废气汽：0.105~0.115柴：0.105~0.115汽：900~1200柴：700~900柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力pZ很高，但因相对于燃油的空气量大，所以最高燃烧温度TZ值反而比汽油机低。所以各个过程的温度均比汽油机低，唯独压缩过程终点时高于汽油机；压缩比高，所以柴油机膨胀比也大，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。二、实际循环与理论循环比较通过上述实际循环的五个过程分析，可以看出发动机的实际循环与理想循环有很大差别。研究实际循环与理论循环的差异，就可找出热量损失所在。分析差异的原因，可探求提高热量有效利用的途径。其差别由以下几项损失引起。1．换气损失（Wr）换气损失：为更换工质，而消耗的功，图中的Wr所示。其中因工质流动需要克服进、排气系统阻力所消耗的功称为泵气损失，即图中曲线rab’r包围的面积。和因排气门在下止点前提前开启而形成的损失称为提前排气损失，图中面积W所示。2．燃烧损失（Wz+不完燃烧损失+高温热分解损失）（1）实际循环中燃料燃烧需要一定时间，因此点火或喷油必须上止点之前，并且燃烧还延续到膨胀行程初期，由此产生的损失分别称为非瞬时燃烧损失和补燃损失，如图中Wz所示。（2）实际循环中会有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热分解引起的损失，即2CO2热→2CO+O22H2O热→2H2+O23．实际工质影响引起损失（Wk）理论循环中假定工质的比热为定值，而实际气体的比热是随温度的上升而增大的。并且在整个工作循环中存在泄漏，使工质的数量减少。因此，使实际循环的指示热效率ηit和指示功率pi要比理想循环小，其损失功为Wk。4.传热、流动损失（Wb）在实际循环中，工质与燃烧室壁、气缸壁面之间，始终存在着热交换，其压缩与膨胀过程不是绝热的，由此而产生的损失称传热损失，如图中Wb所示。由上述讨论可知，理想循环是把发动机的实际工作过程简化成工质的基本热力过程组成的循环，是最简单的空气标准循环。而实际循环由于存在着各种损失，其中最重要的是传热损失和燃烧损失，因此实际循环的指示功比理想循环的指示功要小。实际循环的热效率也小于理想循环的热效率。第三节实际循环的评定—指示指标指示指标用来评定实际循环质量的好坏，以工质在气缸内对活塞做功为基础。循环的动力性（做功能力）平均指示压力pmi指示功率Pi循环的经济性指示热效率ηi指示燃料消耗率bi一、平均指示压力pmi平均指示压力pmi（MPa）是发动机单位气缸工作容积的指示功pmi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标simiVWp32104SDpVpWmismiipmi（MPa）汽油机0.8-1.5柴油机0.7-1.1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二、指示功率Pi发动机单位时间所做的指示功。30260inVpinWPsimii三、指示热效率ηi和指示燃料消耗率bi指示热效率ηi是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值。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。[g／（kW·h）]1QWii310iiPBbηi、bi的大致范围ηibi[g／（kW·h）]汽油机0.3-0.4205-320柴油机0.4-0.5170-205第四节发动机经济性和动力性的评定—有效指标发动机经济性和动力性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，通常称它们为有效指标。两类指标的比较指示指标（i）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（e）以曲轴对外输出的功率为基础，代表整机的性能。一、发动机动力性能1.有效功率PePe=Pi-Pm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发动机有效功率Pe由试验测得2.有效转矩Ttq发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Ttq3101047.095501000602nTnTnTTPtqtqtqtqe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niVPpseme30pmi（MPa）pme（MPa）汽油机0.8-1.50.7-1.3柴油机0.7-1.10.6-1.04.转速n和活塞平均速度Cm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，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30SnCm二、发动机经济性能1.有效热效率ηeηe是发动机的有效功We（J）与所消耗燃料热量Q1之