1、汽車發動機原理 同學們好 汽車發動機原理 汽車發動機原理 主要參考教材： 董敬，莊志，常思勤等汽車拖拉機發動機 M 北京：機械工業出版社，2000 課程性質：專業模塊必修課，考試 授課學時：42 考核方式：閉卷筆試 + 平時成績 教學內容：在教材基礎上適當調整和補充 第一章 發動機的性能 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 發動機的理論循環是對其實際循環進行抽象并加以理想化而得到，突出發動機工作 過程中最本質、最重要的因素。 舉例說明如下。 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 實際循環 1、進氣過程: 01 2、壓縮過程: 12

2、3、燃燒過程: 24 4、膨脹過程: 45 5、排氣過程: 50 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 實際循環簡化 1、501 51， 封閉循環 2、12和45 絕 熱過程 3、24 234， 加熱過程 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 發動機 燃燒、換氣 發動機 進氣排氣 封閉循環 放熱 簡化模型： 簡化為放熱 簡化為加熱 發動機燃燒 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.1 發動機理論循環的基本假定 重要假定： 1、忽略進、排氣過程，瞬間完成，假定為封閉循環 2、排氣放熱簡化為可逆的定容

3、放熱過程 3、壓縮、膨脹過程簡化為可逆的絕熱過程 4、燃燒過程簡化為加熱過程可逆定容、定壓過程 5、假定工質為定比熱的理想氣體空氣 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.2 基本發動機理論循環 1、定容加熱循環汽油機循環 燃燒過程為定容加熱過程； 壓縮、膨脹過程為絕熱過程； 瞬間完成進、排氣過程，定容放熱過程 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.2 基本發動機理論循環 2、定壓加熱循環低速柴油機循環 燃燒過程為定壓加熱過程； 壓縮、膨脹過程為絕熱過程； 瞬間完成進、排氣過程，定容放熱過程 第一章 發動機的性能 發動機

4、的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.2 基本發動機理論循環 3、混合加熱循環高速柴油機循環 燃燒過程為定容、定壓加熱過程； 壓縮、膨脹過程為絕熱過程； 瞬間完成進、排氣過程，定容放熱過程 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 1、循環特征參數 c a V V 壓縮比 壓力升高比 c z p p 預膨脹比 / Z Z V V 后膨脹比 Z b V V 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 2、熱效率 1 2 1 1 Q Q Q W t 對混合加熱循環 1

5、 1 2 1 QQ Q t 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 2、熱效率 利用循環特性參數，得 t k k k 1 11 11 1 ()() 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 2、熱效率 定容加熱循環 t k 1 1 1 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 2、熱效率 定壓加熱循環 t k k k 1 11 1 1 () 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環

6、1.1.3 基本發動機理論循環分析 3、熱效率分析 （1） （其他參數不變） 對三種循環，都是 時， t 也 當 = 20 左右時，對 t 影響不大 低速柴油機 = 1622 高速柴油機 = 1420 汽油機 = 812 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 3、熱效率分析 （2） （其他參數不變） 不影響 t 。 定容加熱循環， 不出現 定壓加熱循環， = 1 混合加熱循環，時， t 也 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 3、熱效率分析 （3） （其他參數不

7、變） 定容加熱循環， = 1 ，無影響。 對定壓加熱循環和混合加熱循環 時， t 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 4、基本發動機理論循環熱效率比較 （1）初態相同，壓縮比 相同，加熱量Q1相同 t vt mt p, （2）初態相同，最高壓力、最高溫度相同， 放熱量Q2相同 t vt mt p, 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 5、循環平均壓力 定義： s t V W p 為循環平均壓力。根據熱力學理論，得到混合加熱循環平均壓力為 t a k tm k

8、k p p ) 1() 1( 11 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 5、循環平均壓力 定容加熱循環平均壓力 t a k tv k p p )1( 11 定壓加熱循環平均壓力 t a k tp k k p p ) 1( 11 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 6、循環平均壓力的分析 （1）進氣終了壓力 pa 提高， pt增加； t 提高， pt 增加; 凡是使 t 提高的因素，也都會增加 pt。 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理

9、論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 6、循環平均壓力的分析 （2） （其他參數不變） 對三種循環，都是 時，pt 也 （3） （其他參數不變） 定容加熱循環 混合加熱循環 時，pt 也 定壓加熱循環， = 1,不影響 pt 。 第一章 發動機的性能 發動機的理論循環 1. 1 發動機的理論循環 1.1.3 基本發動機理論循環分析 6、循環平均壓力的分析 （4） （其他參數不變） 定容加熱循環， = 1,不影響 pt 。 時， t 定壓加熱循環 混合加熱循環 ，所以，pt 是否增加，取決于綜合結果 ，但 從表面 看 pt 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環

10、 1.2.1 發動機實際循環的示功圖 四沖程非增壓發動機的實際循 環示功圖 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環 1.2.1 發動機實際循環的示功圖 四沖程增壓發動機的實際循環 示功圖 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環 1.2.1 發動機實際循環的示功圖 四沖程非增壓發動機的實際循 環示功圖 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環 1.2.2 發動機實際循環的過程 以四沖程非增壓汽油發動機的實際循環為例。 一、進氣過程（ra） 二、壓縮過程（ac） 壓縮終點壓力和溫度 1 n ac pp 1 1 n a

11、c TT 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環 1.2.2 發動機實際循環的過程 以四沖程非增壓汽油發動機的實際循環為例。 一、進氣過程（ra） 二、壓縮過程（ac） 平均多變指數n1 平衡特征點 這點正好反映平均多變指數n1， 是放熱和吸熱的分界點 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環 1.2.2 發動機實際循環的過程 以四沖程非增壓汽油發動機的實際循環為例。 三、燃燒過程（cz） 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環 1.2.2 發動機實際循環的過程 以四沖程非增壓汽油發動機的實際循環為例。 四、膨脹

12、過程（zb） 不能絕對和燃燒過程分開 平均多變指數n2 膨脹終點壓力和溫度 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環 1.2.2 發動機實際循環的過程 以四沖程非增壓汽油發動機的實際循環為例。 四、膨脹過程（zb） 汽油機 2 2 n z n b z zb p V V pp 1 1 2 2 n z n b z zb T V V TT 柴油機 2 2 n z n b z zb p V V pp 1 1 2 2 n z n b z zb T V V TT 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環 1.2.2 發動機實際循環的過程 以四沖程非增壓汽

13、油發動機的實際循環為例。 五、排氣過程（br） 六、實際循環的功 對非增壓發動機，閉合曲線b b / c z b的面 積A i表示工質對活塞所做的功，是正功；r b / a r / r的面積A 1表示換氣消耗的功，稱為泵氣損失， 是負功。 第一章 發動機的性能 發動機的實際循環 1. 2 發動機的實際循環 1.2.2 發動機實際循環的過程 對四沖程增壓發動機， 上閉合曲線的面積A i表示工質對活塞所做的功， 是正功；下閉合曲線的面積A 1表示換氣時，增 壓空氣對活塞所做的功，稱為泵氣功，也是正 功。 第一章 發動機的性能 實際循環的評定指示指標 1. 3 實際循環的評定指示指標 1.3.1 平

14、均指示壓力 一、指示功W i W i = ( A i A 1 ) 二、平均指示壓力pmi 表示發動機單位氣缸 工作容積的指示功 第一章 發動機的性能 實際循環的評定指示指標 1. 3 實際循環的評定指示指標 1.3.1 平均指示壓力 于是指示功W i 可以表示為 力學意義：可以把平均指示壓力看作是 一個作用在活塞上的壓力，這個壓力使活塞 移動一個行程，所做的功即為指示功。 第一章 發動機的性能 實際循環的評定指示指標 1. 3 實際循環的評定指示指標 1.3.1 平均指示壓力 三、指示功率P i 30 2 60 ni Vpi n WPs miii 四沖程發動機 120 ni VpPs mii

15、二沖程發動機 60 ni VpPs mii 第一章 發動機的性能 實際循環的評定指示指標 1. 3 實際循環的評定指示指標 1.3.2 指示熱效率 一、指示熱效率 i 二者有關系式 1Q Wi i 二、指示燃油消耗率 b i 3 10 i i P B b 6 106 . 3 1 hbi i 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 1 發動機動力性能指標 1. 有效功率 Pe mie PPP 發動機曲軸傳遞的功率稱為有效功率 Pe，它是工質所做指示功率，扣除各種損失后的效果。 有效功率通過試驗測量得到。 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性

16、能指標 1. 4. 1 發動機動力性能指標 2. 有效扭矩 Ttq 發動機曲軸輸出的扭矩稱為有效扭矩 Ttq 。 有效扭矩也可通過試驗測量得到。 有效扭矩與有效功率的關系 3 2 0.104710 6010009550 tqtq etq n TTn PTn 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 1 發動機動力性能指標 3. 平均有效壓力 pme 發動機單位氣缸工作容積所做有效功即平均有效壓力 pme。 30 meS e pVi n P 3 30 3.1410 tq e me ss T P P i Vni V 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4

17、發動機性能指標 1. 4. 1 發動機動力性能指標 4. 轉速 n 和活塞平均速度 Cm 發動機轉速高，單位時間作功次數多，可在不增加發動機的體積和質量條件下，提高發動 機的功率。 發動機的轉速主要取決于氣缸內的燃燒速度，不能任意提高。 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 2 發動機經濟性能指標 1. 有效熱效率 he 發動機所做有效功 We 與所消耗燃料熱量Q1的比值即有效熱效率 he 。 1 e e W Q 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 2 發動機經濟性能指標 2. 有效燃料消耗率 be （有效比油耗）

18、發動機在1小時所發出單位有效功率時所消耗燃料質量Q1的比值即有效燃料消耗率 be 。 1000 e e B b P 6 106 . 3 1 hbe e 二者有關系式 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 3 發動機強化性能指標 1. 升功率 PL 單位氣缸工作容積所發出的有效功率即升功率 PL。 3030 emesme L ss PpV i npn P V iV i 升功率衡量發動機容積利用程度 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 3 發動機強化性能指標 2. 比質量 me 發動機單位有效功率所占用的發動機干質量即比

19、質量 me 。 e e m m P 比質量表征質量利用程度和結構緊湊性 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 3 發動機強化性能指標 3. 強化系數 pmeCm 平均有效壓力 pme 與活塞平均速度 Cm 的乘積稱為強化系數 pmeCm。 強化系數反映發動機的機械負荷和熱負荷的強度。 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 4 發動機環境性能指標 1. 排放性能指標 發動機排出廢氣的成分極其復雜。 其中的有害物質有四類： CO HC （未燃烴） NOX PM (微粒） 氣體排放物 固、液體排放物 第一章 發動機的性能 發

20、動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 4 發動機環境性能指標 1. 排放性能指標 排放性能指標采用有害物質的排放濃度表示。 排放性能指標的單位為：濃度 10-6 V/V 等 或 質量 mg / km 等 排放性能指標必須符合國家的排放標準。 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1. 4 發動機性能指標 1. 4. 4 發動機環境性能指標 2. 噪聲性能指標 發動機噪聲的頻率范圍很寬。 發動機產生噪聲的原因極其復雜。 根據產生機理分為三類： 燃燒噪聲 由于氣缸內周期性燃燒 機械噪聲 由于作用力周期性變化 氣體動力噪聲 由于氣體壓力波動 第一章 發動機的性能 發動機性能指標 1.

21、4 發動機性能指標 1. 4. 4 發動機環境性能指標 2. 噪聲性能指標 氣體動力噪聲有三種： 進氣動力噪聲 排氣動力噪聲 風扇噪聲 噪聲性能指標必須符合國家的排放標準。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 發動機的機械損失： 發動機曲軸輸出的功或功率小于其氣缸內氣體膨脹所作出的功或功率，兩者之差稱為發動 機的機械損失。 機械損失包括摩擦損失、泵氣損失和驅動附件消耗的功或功率。 （見教材表 1-1） 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 發動機機械損失的構成 機械損失類型 占指示功率比例 % 占有效功率比例 % 占機械損失功率比例

22、 % 摩擦損失 8 20 9 29 62 75 附件驅動損失 1 5 1 7 10 20 泵氣損失 2 4 2 6 10 20 總機械損失 10 30 11 43 100 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 由此可見，發動機機械損失最主要構成部分是摩擦損失。而在摩擦損失中，活塞、活塞 環與氣缸壁面的摩擦以及曲柄連桿機構的摩擦幾乎構成全部的摩擦損失。 活塞、活塞環與氣缸壁面的摩擦占摩擦損失的70%，曲柄連桿機構的摩擦占摩擦損失的 25%，兩者之和達到95% 。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 1 發動機的機械損失 1

23、. 機械損失功 2. 機械損失功率 3. 平均機械損失壓力 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 1 發動機的機械損失 4. 三者關系 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 2 發動機的機械效率 機械效率 有效功率與指示功率的比值稱為機械效率。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械效率的測定 機械效率只能通過實際發動機的試驗來測定。簡便易行的測試方法有： 1. 倒拖法 2. 滅缸法 3. 油耗線法 這些都是近似方法。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損

24、失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械損失的測定 1. 倒拖法 從電力測功機上所測得的倒拖功率Ptest即為發動機在該工況下的機械損失功率。 適用范圍： 具有平衡式電力測功機。 國標規定優先采用倒拖法。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械損失的測定 2. 滅缸法 先確定發動機的有效功率，然后使發動機各個氣缸輪流停止工作，并保持轉速始 終不變，測量各缸停止工作時所對應的有效功率。這樣可測出發動機的指示功率，也就 確定了機械損失功率。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3

25、發動機機械損失的測定 2. 滅缸法 若第 j 缸停止工作，則沒有停缸測出的有效功率Pe與此時測出的有效功率Pe ,j之差即 為第 j 缸的指示功率Pi , j 故 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械損失的測定 2. 滅缸法 由于 所以 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械效率的測定 2. 滅缸法 適用范圍：僅適用于多缸發動機； 不能用于廢氣渦輪增壓發動機 及單缸發動機。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械損失的測定 3

26、. 油耗線法 保持發動機轉速不變，改變發動機負荷，同時調節發動機油門，并測出每小時耗油量 B， 繪制出 B pme 關系，即下圖。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械損失的測定 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械損失的測定 3. 油耗線法 B pme 關系曲線的靠近坐標原點部分近似為直線，將這部分曲線按直線延伸，直至與橫 坐標相交，則交點 Q 的橫坐標即為平均機械損失壓力 pmm。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械

27、損失的測定 3. 油耗線法 這也提供了又一種求平均機械損失壓力 pmm的方法。圖中，如果認為油耗曲線中從 A 點 到 B 點為直線，則 ACQ 和 BOQ 構成兩相似三角形。于是 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械效率的測定 3. 油耗線法 從中得到 適用范圍：適用于柴油機，但不適用于汽油機。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 3 發動機機械效率的測定 精確的機械效率測試方法是示功圖法。 在確定的工況下，通過測量出所有氣缸的大量示功圖，加以統計平均處理，得出發動 機實際循環的平均示功圖，并

28、通過計算，獲得發動機平均指示功率Pi ，與此時測出的有 效功率Pe 之差即為機械損失功率Pm。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 4 發動機機械損失的影響因素 1. 轉速 n（ 或活塞平均速度 Cm ） 轉速增加，由于摩擦損失和泵氣損 失增加，驅動附件損耗加大，故機械損 失上升，機械效率下降。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 4 發動機機械損失的影響因素 2. 負荷 負荷變化，發動機供油 改變，機械損失基本不變，但 機械效率則因為指示功率變化 而有改變。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1.

29、5 發動機的機械損失 1. 5. 4 發動機機械損失的影響因素 3. 發動機結構 氣缸直徑大或行程大，機械損失大，但發動機功率大，機械效率相對提高。 氣缸工作容積不變，減小行程，增加缸徑，并保持其他條件不變，機械損失減少，機械效 率提高。 潤滑狀態好，摩擦環節少，運動質量小，摩擦面狀態好，機械損失小，機械效率高。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 4 發動機機械損失的影響因素 4. 冷卻和潤滑情況 （即工作條件） 冷卻水溫度適當高一些， 潤滑油溫度也相對提高，其粘度下降，潤滑效果好，摩擦損失 小，機械損失小，機械效率相對提高。 潤滑油品質好，同樣潤

30、滑效果時粘度低，受溫度影響小，機械損失少，機械效率高。 但潤滑油粘度不能過低，否則會形成半干摩擦，反而增加機械損失。 第一章 發動機的性能 發動機的機械損失 1. 5 發動機的機械損失 1. 5. 4 發動機機械損失的影響因素 4. 冷卻和潤滑情況 （即工作條件） 本圖說明，由于潤滑油粘度 受溫度影響，導致機械損失功率變 化的情況。 第一章 發動機的性能 發動機的熱平衡 1. 6 發動機的熱平衡 1. 6. 1 發動機實際循環與理論循環的比較 發動機實際循環與理論循環相比較，可以發現，兩者存在很大的差異。由于發動機理 論循環是在理想條件下得到的，因此，這種差異表明了實際循環的缺陷，可以說明燃料燃 燒熱量的損失，指示發動機工作過程改進的方向。 第一章 發動機的性能 發動機的熱平衡 1. 6 發動機的熱平衡 1. 6. 1 發動機實際循環與理論循環的比較 1. 汽油機的實際循環 Wk 工質損失 Wb 傳熱損失 Wz 燃燒損失 Wr 換氣損