汽车发动机原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,活塞行程,气缸工作容积,燃烧室容积,发动机排量,压缩比：气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般用,表示。,发动机结构形式：,L,，,V,，,W,，,B,第一章 发动机性能,主要内容：,指示指标，有效指标定义及常用指标,1.,有效功率,2,有效转矩（有效扭矩）,3,平均有效压力,4,转速,n,和活塞平均速度,C,m,5.,有效燃料消耗率,6.,升功率和比质量,强化系数,平均有效压力,P,e,与活塞平均速度,C,m,的乘积称为强化系数，写成,P,e,C,m,。,它与活塞单位面积功率成正比。值越大，内燃机的热负荷和机械负荷愈高。,四、内燃机其它性能评定,1.,排气品质,2.,噪声,汽车是城市主要的噪声源之一，内燃机是汽车的噪声源。,3.,起动性,起动性能直接影响到汽车的机动性、操作者的安全和劳动强度，是内燃机工作可靠性的重要标志。,4.,可靠性,5.,性价比,机械效率,机械效率是有效功率与指示功率的比值。,常用测定方法及适用范围,1.,倒拖法：多用于非增压汽油机。,2.,灭缸法：多用于多缸非增压柴油机,3.,油耗线法，示功图法：多用于增压发动机,影响机械效率的因素,1,转速,n,或活塞平均运行速度,C,m,。,与,C,m,几乎呈直线关系，与,n,似呈二次方关系。,n,惯性力,活塞对缸壁的侧压力,轴承负荷,各摩擦副相对速度,摩擦损失,泵气损失,，驱动附件损耗,若要提高转速来强化发动机，则 将成为主要障碍之一。,2.,负荷,发动机的负荷 柴油机,:,油门拉杆或齿条位置,汽油机,:,节气门开度,转速,n,一定，负荷,时，发动机燃烧剧烈程度,，平均指示压力,P,i,；而由于转速不变，平均机械损失压力,P,m,基本保持不变。则 ，机械效率下降。,当发动机怠速运转时，有效功率 ，指示功率全部用来克服机械损失功率。即 ，因此，。,由于车用柴油机普遍在高转速、较低负荷下工作，机械效率下降严重。因此，机械效率对于车用柴油机尤为重要。,3.,润滑油品质和冷却水温度,润滑油粘度影响润滑效果,润滑油温度影响润滑油粘度,冷却水温度影响润滑油温度,即冷却水、润滑油温度通过润滑油粘度间接影响润滑效果。,1,润滑油粘度（牌号）,；冷却水温度,润滑油温度,润滑油粘度,润滑效果,摩擦,2,润滑油粘度（牌号）,；冷却水温度,润滑油温度,润滑油粘度,油膜破裂趋势,摩擦,3,润滑油中杂质,摩擦,要求,:,定期保养、清洗机油滤清器，,5000,10000,公里换机油。,第三节 热平衡,定义：按照热能在有效功和各项损失方面的数量分配来研究燃料中总热量的利用情况，称为内燃机的热平衡。（通常由实验确定）,总热量,:,Q,T,=G,T,h,u,（,kJ/h,）,式中：,G,T,每小时的油耗量,(kg/h),h,u,燃料低热值（,kJ/kg),（生成物中的水为气态）,热力学第一定律：,热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的应用，可以描述为：热能和机械能可以相互转换，且在相互转换过程中，能量的总量保持守恒。,（加入热力系统的能量的总和）,-,（离开热力系统能量的总和）,=,（热力系统总能量的增量）,QT=,Q,E,+,Q,S,+,Q,R,+,Q,B,+,Q,L,热力学第二定律：,1.,克劳修斯,叙述,热量不可能,自发地不花代价地,从低温物体传向高温物体。,2.,开尔文,普朗克,叙述,不可能制造循环热机，只从,一个热源,吸热，将之,全部,转化为功，而,不在外界留下任何影响,3.,热力学第二定律各种表述是,等效,的。,简单来说：热机的效率永远不可能到,100%,热效率最高的循环为卡诺循环,提高热机效率的途径：,提高,T,H,，降低,T,L,换气过程：,进气，排气（过程）,气门重叠角：,由于发动机配气定时，排气门在上止点后迟闭和进气门在上止点前开启，因此在上止点前后存在进排气门同时开着的现象。,增压发动机气门重叠角增大,第二章 发动机的换气过程,充量系数（充气效率，进气效率）,定义,由于有进气阻力等因素的影响,实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率。,提高充气效率的措施,高速用短管；低速用长管,二冲程发动机优缺点,相同功率下，排量、体积、重量小,油耗高，排放差,可靠性，耐磨性，稳定性差,第三章发动机废气涡轮增压,机械增压,废气涡轮增压,复合增压,组合式涡轮增压,气波增压,汽车常用：废气涡轮增压，,组合式涡轮增压,优点：,1),可以减少缸数或气缸直径，减少整机外形尺寸和单位功率的重量，这对提高车辆使用经济性很有意义。,相同排量，动力提高,50%,2),提高了热效率，降低了发动机的油耗率。,3),减少了排气污染及噪声。,4),降低了单位功率的造价。,5),对补偿高原功率损失十分有利。,缺点：,成本高,加速性降低,低速优势不明显,零件热负荷加大,增压比和增压度,增压比：对压气机，压缩后空气压力与压缩前空气压力比值。,=p,k,/p,0,增压度：对发动机，增压后发动机功率增加值与增压前发动机功率比值,=,（,p,ek,-p,e0,）,/p,e0,=p,ek,/p,e0,-1,涡轮增压器的工作范围,增压发动机在结构上的变动,增大供油量、调整供油系,改变配气相位 合理地增加气阀重叠角。,减小压缩比、增大过量空气系数,设置分支排气管,冷却增压空气,增加缸体强度,使用高标号燃油,第四章 燃烧与燃烧化学,汽油：主要性能指标,抗爆性：,辛烷值,汽油的牌号,辛烷值只是一个相对指标，而不是真的只以正庚烷或异辛烷来混合，所以有些燃油再渗合其它添加剂时的辛烷值可以超过,100,，可以为负。,依测定条件不同，主要有以下几种辛烷值：,马达法辛烷值,测定条件较苛刻，发动机转速为,900r/min,，进气温度,149C,。它反映汽车在高速、重负荷条件下行驶的汽油抗爆性。,研究法辛烷值测定条件缓和，转速为,600r/min,，进气为室温。这种辛烷值反映汽车在市区慢速行驶时的汽油抗爆性。对同一种汽油，其研究法辛烷值比马达法辛烷值高约,0,15,个单位，两者之间差值称敏感性或敏感度。,道路法辛烷值也称行车辛烷值，用汽车进行实测或在全功率试验台上模拟汽车在公路上行驶的条件进行测定。道路辛烷值也可用马达法和研究法辛烷值按经验公式计算求得。马达法辛烷值和研究法辛烷值的平均值称作抗爆指数，它可以近似地表示道路辛烷值。,我国车用汽油的规格按研究法辛烷值（,RON,）分为,90,、,93,、,97,三个牌号,柴油：主要性能指标,凝点是评定柴油流动性的重要指标，它表示燃料不经加热而能输送的最低温度。柴油的凝点是指油品在规定条件下冷却至丧失流动性时的最高温度。中国柴油按凝点分级，轻柴油有,10,、,0,、,-10,、,-20,、,-35,五个牌号,选用柴油要求凝点低于环境温度,3,5,。因此，随季节和地区的变化，可使用不同牌号（不同凝点）的商品柴油。,代用燃料：,天然气,液化石油气,醇类燃料,二甲醚,第五章柴油机混合气的形成与燃烧,供油规律：供油速率随凸轮轴转角（时间）的变化关系,喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（时间）的变化关系,柴油机异常喷射,二次喷射,断续喷射,不规则喷射和隔次喷射,滴油,一、柴油机燃烧过程,1,着火延迟期（滞燃期）,从燃油开始喷入燃烧室内,(A,点,),至由于开始燃烧而引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧上升,(B,点,),2,速燃期,从压力脱离压缩线开始急剧上升,(B,点,),至达到最大压力,(C,点,),3,缓燃期,即从最大压力点,(C,点,),至最高温度点,(D,点,),4,补燃期,从最高温度点,(D,点,),至燃油基本燃烧完,(E,点,),。,着火延迟期对柴油机性能的影响,1.,着火延迟期对燃烧过程的影响,1,）对最高燃烧压力和最大压力升高率的影响,期间喷入缸内的燃料量,着火前可燃混合气量,，,。,，,冲击载荷,，工作粗暴，柴油机寿命,。,混合气形成欠佳,柴油机性能,2,）对示功图图形的影响,当燃料相同而喷油提前角不同时，即喷油时气缸内的温度和压力不同，喷油提前角大时，,着火延迟长，示功图图形大，压力、温度、压力升高比高，有时甚至会发生燃烧压力振荡。,当喷油提前角相同而燃料的着火延迟期不同时，则,i,短的示功图图形大而丰满，,i,长的燃料示功图小，峰值低而后移，后燃严重。,3,）对放热规律的影响,燃烧放热率随曲轴转角,变化的关系。,由喷油规律和实测示功图，经计算机计算而得。,线,2,的滞燃期较长，从而在滞燃期内积存的可燃混合气量较多，导致预混合燃烧的放热峰值较高，而其扩散燃烧时的放热曲线稍低。,线,1,的滞燃期较短，从而在滞燃期内积存的可燃混合气量较少，所以其预混合燃烧放热峰值较低，而扩散燃烧阶段的放热阶段的放热曲线稍高。,2.,着火延迟期对柴油机性能的影响,1,）对平均有效压力和功率的影响,i,iop,时，着火延迟期过短，最高燃烧压力在上止点前过早出现，使压缩过程中消耗的负功过大，散热损失增加，使,P,e,下降；,i,iop,时，,示功图的峰值位置将在上止点后过迟出现，燃烧过程推迟，热效率降低,，使,Pe,下降；,2,）对燃油消耗率的影响,存在一个,最佳的着火延迟期,！,3,）对烟度和排气温度的影响,着火延迟期对排气温度的影响趋势与对燃油消耗率的影响趋势大致相同；对烟度的影响趋势则相反，着火延迟期过短，则预混合燃烧阶段烧掉的燃料量减少，而扩散燃烧阶段燃烧的燃油量增多，后燃增加，故烟度升高。,着火延迟期的影响因素,十六烷值,温度,压力,燃烧室形式,壁温,注意：柴油机着火落后期长短会明显影响滞燃期内喷油量和预制混合气量的多少，从而影响柴油机的燃烧特性、动力经济性、排改特性以及噪声振动，必须精确控制,理想的燃烧放热规律及控制,燃烧放热规律三要素,燃烧起点,燃烧放热规律曲线形状,燃烧持续时间,一般来说，较理想的燃烧放热规律要求有一合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后急。在开始放热阶段，不希望燃烧放热速率上升得过，以降低压力升高率，使柴油机的工作粗暴得到控制；然后燃烧应加速进行，使绝大部分燃油在尽可能靠近上止点处完成燃烧，以提高经济性。燃烧持续时间不宜过长。,一、柴油机混合气形成特点,在压缩行程接近终了时，把柴油喷入气缸，使之与空气混合成可燃混合气，并利用空气压缩所形成的高温、高压使其自行发火燃烧，,控制三要素：,燃油喷入量,喷油时间,油束的空间形态,燃烧室分为两大类。直喷式和分开式。,直喷式特点：,1,）燃烧迅速，经济性好，耗油率低；,2,）燃烧室结构简单，面容比小，散热损失小，冷启动好；,3,）对喷射系统要求较高；,4,）半开式对进气道要求较高；,5,）氮氧化物排放量高；,6,）对转速的变化较为敏感；,7,）压力升高率大，噪声大，工作易粗暴。,燃烧过程的优化,原则：,1,、油,-,气,-,燃烧室配合,2,、控制滞燃期内混合气生产量,3,、合理组织燃烧室内气流运动,4,、紧凑燃烧室：面容比尽可能小,5,、加强燃烧后期扰流,6,、优化运转参数：电子控制,二、燃油喷射过程的优化,喷油规律：先缓后急,提高喷油压力,汽油机的燃烧过程,滞燃期,速燃期,补燃期,第六章 汽油机混合气形成和燃烧,二、不规则燃烧,1,）循环间的燃烧变动,产生原因：,气体运动的循环变动,混合气成分的变动，主要与点火过程（滞燃期）有关。,2,）各缸间的燃烧差异,三、汽油机的不正常燃烧,不正常燃烧,注意：爆燃和表面点火产生机理的差异、影响因素,爆 燃,表面点火,影响爆燃的因素,1),燃料品质：,2),末端混合气的温度和压力。,3),火焰传播到末端混和气的时间。,爆燃最容易在燃烧室中离开正常燃烧最远的地方以及具有高温的地方,(,如排气门和积碳处,),发生。爆燃发生前，正常燃烧的混合气数量越少，爆燃就在更大的容积内进行，爆燃也就越强烈。,燃烧速度影响因素,火焰速度,U,T,气体的紊流运动,混合气成分,混合气初始温度,火焰前锋面积,A,T,可燃混合气密度,T,总 结,表面点火和爆燃是两种完全不同的不正常燃烧现象，爆燃是在电火花点火以后，终燃混合气的自燃现象，而表面点火则是炽热物点燃混合气所致,.,但两者存在着某种相互促进的关系。强烈的爆燃必然增加向气缸壁的传热，从而促成炽热点的形成，导致表面点火；早火又使气缸压力升高比和最高燃烧压力增加，使未燃混合气受到较大的压缩和传热，从而促使爆燃发生,。,使用因素对燃烧过程的影响,一、发动机工况,工况,有效功率,Pe,，转速,n,。,发动机标定功率：,1,、,15,分钟功率,2,、,1,小时功率,3,、,12,小时功率,4,、持续功率 车用发动机：面工况,常用,15,分钟,1,小时或,12,小时功率中的两种作为铭牌功率。,第七章 发动机特性,发动机机的负荷特性：,转速,n,不变，发动机的性能指标随负荷变化的关系。以经济性为主,发动机机的速度特性：,发动机节气门开度（或油门开度）不变，发动机性能指标随转速,n,变化的关系。以动力性为主。,发动机的转矩适应性,要求发动机的转矩随转速的,降低,而,增加,。,转矩适应性系数,转速适应性系数,内燃机转矩曲线越陡，运转的稳定性和操纵性能就越好。因此，汽油机一般不需要配备调速装置，即使当阻力矩突变到零时，汽油机的转速也不会超速或飞车。柴油机的调节过程与装置则与汽油机有明显的不同，需要采用专门设计的调速器。,车用柴油机的调速特性,两级调速,调速器的工作指标：,调速率：瞬时调速率,稳定调速率,不灵敏度：,万有特性的应用分析：识图,大气修正,大气状况指,环境大气压力,P,、,大气温度,T,和,相对湿度,。当,P,降低、,T,升高、,增大时，吸入气缸的干空气质量都要减少所以发动机功率会减少。必须将不同大气状况下的发动机性能试验结果换算成标准大气状况下的试验结果，才能进行比较。,第八章 发动机排放及噪声污染,排放,:,汽油机的,HC,、,CO,和,NO,x,排放比柴油机的多，柴油机的炭粒排放比汽油机的多。,噪声,:,汽车的主要噪声源,发动机。,汽油机的主要噪声源,风扇噪声和配气机构噪声。,柴油机的主要噪声源,燃烧噪声。,柴油机的噪声比汽油机的大。,内燃机排放控制技术的进步概括起来为两个方面，一是工作过程的优化；二是燃料的多样化。,汽油机，柴油机主要有害排放物及处理方法,汽油机净化措施,空燃比控制与三元催化、,点火控制,废气再循环,柴油机排放净化措施,优化柴油机工作过程,废气再循环,增压中冷,微粒过滤及再生装置,改善进气,高压共轨喷射系统（或电控泵喷嘴）,发动机噪声源,1,直接传向大气的噪声源,进、排气噪声和风扇噪声等,属于空气动力噪声。,2,发动机表面辐射噪声源,由发动机零部件的机械振动引起。,（,1,）燃烧噪声,（,2,）机械噪声,处理方法,发动机新技术,VVT,：可变气门技术,CVVT,：连续可变气门技术,DOHC,：顶置双气门轴,EGR,：废气再循环技术,高压共轨技术,第九章 车用发动机发展趋势,