发动机原理教案_汽车发动机原理教案

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第一章 内燃机性能指标及实际循环热计算

发动机性能指标包括：动力性能指标、经济性能指标、运转性能指标。内燃机的性能指标与它的工作过程密切相关，只有深入研究内燃机的工作过程才能找出影响其性能指标的各种因素，并从中归纳出提高整机性能的一般规律。

重点：对发动机理论循环与实际循环的分析，发动机有效指标的概念，汽车发动机机械效率的测定方法与影响因素。

难点：有效指标的分析与提高发动机动力性和经常性的技术措施。汽车发动机机械效率的测定方法。影响汽车发动机机械效率的因素。

第一节 发动机理论循环一、三种基本循环

1、发动机理论循环：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，所得出的循环。

2、理论循环的简化条件：

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。

3、三种基本的空气标准循环：定容加热循环、定压加热循环及混合加热循环。

二、循环热效率

1、循环热效率：工质所做循环功与循环加热量之比。

2、影响热效率的因素：（l）压缩比ε

随着压缩比的增大，三种循环的t都提高。因为提高了ε，所以可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温，扩大循环温差，增大膨胀比。(2)绝热指数K 随K值增大，t将提高（3）压力升高比λ

在定容加热循环中，随着循环加热量Q1的增加，λ值成正比加大。苦ε保持不变，则工质的膨胀比也不会变化，这样，循环放热量Q2亦相应增加，而Q2/Q1不变，t亦不变。

在混合加热循环中，当循环总加热量Q1和ε不变时，λ增大，则ρ减小，即平均膨胀比Vb/[(Vz-Vz’)/2]增加，相应的Q2减少，t提高。（4）预膨胀比ρ

在等压加热循环中，随着加热量Q1的增加，ρ值加大。若ε保持不变，由式（1-3）可知，因平均膨胀比减小，放出的热量Q2增加，t下降。

在混合加热循环中，当循环总加热量Q1和ε保持不变，ρ值增大，意味着等压加热部分增大（图1-5），同样t下降。

3、循环平均压力pt

（1）循环平均压力的定义：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

W ptVs

（2）计算公式

根据工程热力学公式，混合加热循环的平均压力为

pa[(1)K(1)]t1K1（1-4）

式中pa——压缩始点的压力（kPa）。

定容加热循环的平均压力为 ptmpa(1)t1K1（1-5）

定压加热循环的平均压力为 ptVpaK(1)t1K1（3）三种理论循环热效率的比较

当加热量Q1相同时，三种理论循环的比较。当ε相同时，三种循环中 Q2pQ2mQ2V ptP则 tVtmtp

故欲提高混合加热循环热效率，应增加定容部分的加热量（即增大λ）。

最高压力p相同时： Q2VQ2mQ2p 3KKK则 tptmtV

故对高增压这类受机件强度限制，其循环最高压力不得过大的情况。提高ε，同时增大定压加热部分的热量有利。

第二节 四行程发动机的实际循环

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，较之理论循环复杂得多。

一、进气过程

进气过程中，进气门打开，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。由于进气系统的阻力，进气终点压力pa一般小于大气压力p0或增压压力pK，压力差p0-pa或pK-pa用来克服进气系统阻力。进气终点的温度Ta也总是高于大气温度或增压器出口温度Tk。

一般进气终点的压力pa和温度Ta的范围是：

汽油机 Pa(0.8-0.9)p0 Ta=340-380K 柴油机 Pa(0.85-0.95)p0 Ta=300-340K 增压柴油机 Pa(0.9-1.0)pk Ta=320-380K 汽车发动机增压压力 pK(1.3-2.0)p0

二、压缩过程

压缩过程时，进排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升。

实际上，发动机的压缩过程是个复杂的多变过程，但在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数n1来取而代之。压缩终了的压力和温度的大致范围是：

pc（MPa）Tc（K）

汽油机 0.8-2.0 600-750 柴油机 3.0-5.0 75O-1OOO 增压柴油机 5.0-8.0 9O0-1100 压缩比ε是发动机的一个重要的结构参数，ε的大致范围是：

汽油机 ε=7-10 柴油机 ε=14-22 增压柴油机 ε=12-15

三、燃烧过程

燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度升高。放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。此时进排气门均关闭，活塞处在上止点前后。

燃烧的最高爆发压力及最高温度的大致范围是；

pz（MPa）Tz（K）

汽油机 3.O-6.5 2200-2800 柴油机 4.5-9.O 1800-2200 增压柴油机 9.0-13.0

四、膨胀过程

当膨胀过程结束时，排气门打开，活塞由下止点返回上止点移动，将气缸内的废气排除。

排气终了的压力和温度的范围是：

汽油机和柴油机 pr=(1.05-1.2)p0 废气涡轮增压柴油机 pr=（0.75-1.0）pk 汽油机 Tr=900-ll00 柴油机 Tr=700-900

五、排气过程

当膨胀过程结束时，排气门打开，活塞由下止点返回上止点移动，将气缸内的废气排除。

排气终了的压力和温度的范围是：

汽油机和柴油机 pr=(1.05-1.2)p0 废气涡轮增压柴油机 pr=（0.75-1.0）pk 汽油机 Tr=900-ll00 柴油机 Tr=700-900

第三节实际循环的评定---指示指标

用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性--即做功能力。用循环热效率及燃料消耗率评定循环的经济性。

一、平均指示压力Pmi 一个实际循环工质对活塞所做的有用功称为指示功，用Wi（kJ）表示。平均指示压力Pmi（MPa）是发动机单位气缸工作容积的指示功。

pWimiVs

Pmi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标 ,它的一般范围是：

汽油机 0.8-1.5MPa 柴油机 0.7-1.1MPa 增压柴油机 1-2.5MPa

二、指示功率

定义：发动机单位时间所做的指示功，称为指示功率Pi。

pVinn2

piWiimis 6030

三、指示热效率和指示燃料消耗率

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。

WiiQ1

指示燃料消耗率（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。

bi、ηi是评定发动机实际循环经济性的重要指标。它们的大致范围是：

ηi bi[g／（kW·h）] 汽油机 0.3-0.4 205-320 柴油机 0.4-0.5 170-205 第四节发动机经济性能和动力性能的评定

一、发动机动力性能的评定指标

1、发动机的有效功率

发动机的指示功率减去机械损失称为发动机的有效功率。Pe=Pi-Pm

2、有效扭矩Ttq 发动机工作时，由功率输出轴输出的扭矩称为有效扭矩Ttq。它与有效功率Pe（kW）之间的关系是：

2nTtqTtqnPe0.1047Ttqn10360100095503、发动机平均有效压力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。它与有效功率Pe（kW）之间的关系是：

pVinPemes30

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。Pme的一般范围是：

汽油机 0.7-1.3MPa 柴油机 0.6-1.0MPa 增压柴油机 0.9-2.2MPa

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。转速n增加，活塞平均速度Cm也增加，n与Cm(m/s)的关系为: SnCm30

n、Cm、S/D值的大致范围是：

n（r/min）Cm（m/s）S/D 小客车汽油机 5000-8000 12-18 0.7-1.0 载货车汽油机 3600-4500 10-15 0.8-1.2 汽车柴油机 2000-5000 9-15 0.75-1.2 增压柴油机 1500-4000 8-12 0.9-1.3

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之比值 ： WeQ12、有效燃料消耗率be be[g/（kW·h）]是单位有效功的耗油量（简称耗油率），通常以每千瓦小时的耗油量表示

Bbe1000Pe

ηe、be表征发动机经济性，它们之间的关系为

3.6e106beh

ηe和be的大致范围是：

ηe be ［g／（kW·h）］

汽油机 0.25-0.3 270-325 柴油机 0.30-0.45 190-285

三、发动机强化指标

1、升功率PL和比质量me 升功率PL（kW／L）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。

PpVinpnPLemesmeVsi30Vsi30

比质量me（kg／kW）是发动机的干质量m与所给出的标定功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性。PL和me的大致范围是：

L（kW／L）me（kg／kW）汽油机 30-70 1.1-4.0 汽车柴油机 18-30 2.5-9.0 拖拉机柴油机 9-15 5.5-16

2、强化系数pmeCm 平均有效压力pme与活塞平均速度Cm的乘积称为强化系数。其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。pmeCm的大致范围是：

汽油机 8～17MPa·m／s 小型高速柴油机 6～11MPa·m／s 重型汽车柴油机 9～15MPa·m／s e

第五节 机械损失

一、机械效率

发动机的机械损失可以用机械损失功率Pm（kW）和平均机械损失压力pmm（MPa）--单位气缸工作容积的机械损失功来表示。它们和有效指标的关系是： Pm=Pi-Pe Pmm=pmi-pme

机械损失的分配情况见下表：

机械损失名称 占Pm的百分比（%）占Pi的百分比（%）

摩擦损失 62-75 8-20 驱动各种附件损失 10-20 1-5 带动机械增压器损失 6-10 泵气损失 10-20 2-4 总功率损失 10-30 机械效率ηm的大致范围是：

汽油机 0.7-0.9 柴油机 0.7-O.85

二、机械损失的影响因素

1、气缸的直径及行程

机械损失功率与缸径、行程的大致关系为 :

SDmD

D——气缸直径 S——活塞行程； Dm——曲轴的平均直径； K——与气缸数和转速有关的常数。

2、摩擦损失

在机械损失中，摩擦损失所占比例最大，达到70％左右，主要包括：（1）活塞组件的摩擦（2）曲轴组件的摩擦（3）配气机构的摩擦

3、转速n（或活塞平均速度Cm）发动机转速上升（Cm随之加大），致使：

1）各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加。

2）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加。

3）泵气损失加大。

4）驱动附件消耗的功多

4、负荷

当发动机转速一定而负荷减小时，机械效率ηm下降。直到空转时，有效

PmK功率Pe=0，指示功率Pi全部用来克服机械损失功率，即Pi=Pm，故ηm=0。

5、润滑油品质和冷却水温度

润滑油（常称全损耗系统用油）的粘度对摩擦损失的大小有重要影。粘度大，摩擦力大，流动性差，使摩擦损失增加。水温高，润滑油的粘度降低，摩擦损失减少。

第六节 内燃机热平衡

一、实际循环的热平衡

下图为四行程非增压发动机示功图与理论循环的比较，通过研究实际循环与空气标准循环的差异，就可找出热量损失所在。

由上图比较可看出，实际循环和理论循环的差别在：（1）实际工质的影响（2）换气损失（3）燃烧损失（4）传热损失

由于上述各项损失的存在，使实际循环热效率低于理论循环。

二、发动机热平衡

发动机热平衡是热量表现为有效功及各项损失的分配情况。发动机热平衡通常按下列方法由试验确定。

1、发动机所耗燃油的热量QT（kJ/h）

QT=Bhμ

2、转化为有效功的热量QE（kJ／h）QE=3.6×103Pe3、传递给冷却介质的热量QS（kJ/h）QS=GScS(t2-t1)

4、废气带走的热量QR（kJ／h）QR=（B+Gk）（cprt2-cpKt1）

5、燃料不完全燃烧热损失QB（kJ／h）QB=QT（1－ηr）

6、其它热量损失QL（kJ／h）QL=QT-(QE+QS+QR+QB)

下图为发动机的热平衡图：

热平衡大致数值范围(%)：

形式 qe qs qr qb ql 汽油机 25～30 12～27 30～50 0～45 3～10 柴油机 30～40 15～35 25～45 0～5 2～5 增压柴油机 35～45 10～25 25～40 0～5 2～5