汽车发动机原理

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:sjshuai@Phone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章柴油机调速特性动力的获取和输出；能量的消耗和利用。燃料能量转换的“质”环节；加入整机能量总量的“量”环节。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°CAIPO-IntakePortOpenIPC-IntakePortCloseEPO-ExhaustPortOpenEPC-ExhaustPortClose示功图（二冲程汽油机）示功图测取装置WpdV=ò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)CompressionW<0PowerW>0IntakeW>0ExhaustW<0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-W2

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p0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（）小测验负零负负讲课课内内容容第一一篇篇动动力力输输出出与与能能量量利利用用第1章章动动力力经经济济性性能能指指标标与与影影响响因因素素第2章章燃燃料料与与工工质质第3章章循循环环分分析析与与能能量量利利用用第4章章换换气气过过程程与与循循环环充充量量第二二篇篇燃燃烧烧与与排排放放第5章章燃燃烧烧的的基基础础知知识识第6章章燃燃烧烧过过程程及及混混合合气气形形成成第7章章特特殊殊燃燃烧烧问问题题的的机机理理与与对对策策第8章章有有害害排排放放物物的的生生成成与与控控制制第9章章燃燃烧烧室室与与调调节节参参数数的的优优化化第三三篇篇运运行行特特性性与与性性能能调调控控第10章章发发动动机机运运行行特特性性与与整整车车匹匹配配第11章章柴柴油油机机调调速速特特性性1.工工质质对对活活塞塞所所作作功功及及示示功功图图2.动动力经济济性指标标3.影影响动力力经济性性指标的的环节与与因素1.动动力性能能指标功率(Power),转矩矩(Torque),转速速(Revolution/Speed),平平均有效效压力(BMEP)2.经经济性能能指标燃油消耗耗率(Fuelconsumption),机机油消消耗率(Lubricantconsumption)3.环环保性能能指标碳氢(HC),一氧氧化碳(CO),氮氮氧化物物(NOx),颗粒粒物(PM),二氧氧化碳(CO2)噪声振动动(NVH)4.使使用性能能指标可靠性或或耐久性性(Robust,reliability),维维修方便便(I/Mconvenience),冷起起动(Coldstart),发动机性性能指标标指示指标标与有效效指标1）以工工质对活活塞作功功为计算算基准的的指标称称为指示指标标◎基于于示功图图算出，，直接反反映燃烧烧和热力力循环组组织的好好坏◎用于于理论分分析和科科研2）以曲曲轴输出出功为计计算基准准的指标标称为有效指标标◎由试试验测出出，直接接反映产产品最终终性能◎用于于产品开开发、生生产和使使用当中中只有与作作功有关关的指标标，才有有“有效效”与““指示””之分。。其余，，如转速速、每小小时耗油油量等，，则无此此区别。。摩擦损失失＋附件件消耗循环指示示功、循循环有效效功与机机械损失失功理论上：测量上：以自然吸吸气发动动机为例例：曲轴输出出的循环环有效功功循环净指指示功机械损失失＝摩擦擦损失＋＋附件消消耗＋泵泵气损失失循环总指指示功以后循环环功都是是指循环环总指示示功!平均指示示压力（（IMEP）IndicatedMeanEffectivePressure动力性能能指标pWVmiis=[]p.VpdVWp1bar10Nm10Nmm0,1kJdmmisimi52533º====ò定义：单位气气缸工作作容积所所作的循循环指示示功。循环指示示功可以以认为是是一个假假想不变变的压力力pmi作用在活活塞上，，使活塞塞移动一一个冲程程所作的的功。平均指示示压力反反映发动动机作功功能力的的大小（（单位体体积作功功量大小小J/m3）和强化化程度。。注意：这这里的压压力事实实上就是是物理上上所说的的压强，，N/m2不同发动动机平均均有效压压力pme范围摩托车发发动机（（四冲程程）赛车发动动机（自自然吸气气）赛车发动动机（涡涡轮增压压）轿车汽油油机（自自然吸气气）轿车汽油油机（涡涡轮增压压）轿车柴油油机（涡涡轮增压压）卡车柴油油机（涡涡轮增压压）大型柴油油机中型高速速柴油机机十字头二二冲程柴柴油机pme[bar]1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.2功率Powerpmi:IMEP平均指示示压力pme:BMEP平均有效效压力pmm:MMEP平均均机械损损失压力力指示功率率（Indicatedpower）有效功率率（Effectivepower）机械损失失功率（（Mechanicallosspower）2-stroke:=24-stroke:=4动力性能能指标注意：注注意这里里所列的的性能指指标单位位是国标标单位转矩：转矩（Torque）角速度（（Angularvelocity）E.g.单缸缸四冲程程发动机机动力性指指标之间间的关系系平均有效效压力：：功率：对于某一一发动机机，转矩矩和平均均有效压压力都反反映负荷荷（率））的大小小有效效率率：BSFCEffectiveefficiencyFuelmassflow燃油流量量(kg/s)Lowheatvalue低热值(kJ/kg)Indicatedefficiency经济性指指标有效油耗耗：指示效率率：指示油耗耗：ISFCE.g.求油油耗：比功率PL—单位发发动机排排量发出出的功率率（评价价气缸容容积利用用程度和和紧凑性性）PL=Pe/Vs（kW/L)比质量me—单位有有效功率率所占发发动机质质量（评评价轻量量化和紧紧凑性））me=m/Pe（kg/kW））比容积Ve—单位有有效功率率所占发发动机的的体积（（评价紧紧凑性））Ve=V/Pe（m3/kW））功率密度度评价指指标（升功率率）发动机转转速与活活塞平均均速度主要影响响：惯性力引引起的机机械应力力摩擦（磨磨损）热负荷充气效率率噪声活塞平均均速度：：（发动机机强化指指标之一一）注意：发动机转转速与活活塞速度度不完全全是一个个概念！！平均活塞塞速度越越高，也也说明发发动机强强化度越越高单位：最大平均均活塞速速度vm2221.7279.519.812.37.8[m/s]7.0摩托车发发动机（（四冲程程）赛车发动动机（自自然吸气气）赛车发动动机（涡涡轮增压压）轿车汽油油机（自自然吸气气）轿车柴油油机卡车柴油油机（涡涡轮增压压）大型柴油油机中速柴油油机十字头二二冲程柴柴油机讲课内容容第一篇动动力输输出与能能量利用用第1章动动力经经济性能能指标与与影响因因素第2章燃燃料与与工质第3章循循环分分析与能能量利用用第4章换换气过过程与循循环充量量第二篇燃燃烧与与排放第5章燃燃烧的的基础知知识第6章燃燃烧过过程及混混合气形形成第7章特特殊燃燃烧问题题的机理理与对策策第8章有有害排排放物的的生成与与控制第9章燃燃烧室室与调节节参数的的优化第三篇运运行特特性与性性能调控控第10章章发动动机运行行特性与与整车匹匹配第11章章柴油油机调速速特性1.工工质对活活塞所作作功及示示功图2.动动力经济济性指标标3.影影响动力力经济性性指标的的环节与与因素决定动力力输出的的三大环环节设单位时时间内加加入整机机的燃料料总量为为B(kg/s)，，燃料的的低热值值为Hu(kJ/kg)，燃料料能量转转换的总总效率为为ηet，则有效功功率Pe可表示为：：设单位时间间进入发动动机的混合合气总量为为Gm(kg/s)，混合合气的低热热值为Hum(kJ/kg)，则则有效功率率Pe也可可表示为：：提高功率的的三大环节节：可燃混合气气或燃料的的能量密度度混合气热值值Hum或燃料热值值Hu单位时间实实际吸入内内燃机的可可燃混合气气总量Gm或燃料总量量B可燃混合气气能量或燃燃料能量转转换为有效效输出功的的多少工作过过程各环节节效率或总总效率et与燃料热值值和混合气气浓度直接接相关“质”的环环节“量”的环环节油/气混合合比（浓度度）是影响响发动机性性能的重要要参数：1）过量量空气系数数a（Excessairratio/Relativeair-fuelratio）设单位质量量燃料完全全燃烧所需需理论空气气量为l0，而实际供供给的空气气量为l，则a定义为：a>1,稀稀混合气;a<1,浓浓混合气;a=1化学学计量比（（Stoichiometricratio），，过去称理论论空燃比。。可燃混合气气浓度与热热值燃空当量比比(equivalentratio)＝＝1/a，欧美国家家常用2）空燃比比（Air/Fuelratio）3）燃空比比（Fuel/Airratio）4）可燃混混合气热值值Hum（Mixturelowheatvalue）定义：单位位质量或单单位体积可燃混合气气发出的热量量（kJ/kg或kJ/m3）。Hu表示燃料的的能量密度度，越高越越便于携带带；Hum代表混合气气的能量密密度，越高高则相同工工作容积时时发出功率率越高（pme也越高）。。或可燃混合气气浓度与热热值能量转换效效率（1）燃烧烧效率（2）循环环热效率（3）机械械效率有效效率每缸每循环环燃烧时发发出的热量量(kJ)单缸循环油油量(kg)指示效率正常燃烧：：汽油机c=95%~98%柴油机c=98%~99%CombustionEfficiencyThermalEfficiencyMechanicalEfficiencyEffectiveEfficiencyIndicatedEfficiency混合气充量量充量系数（（容积效率率）Volumetricefficiency定义：每缸每循环环吸入缸内内的新鲜空空气量与按按进气系统统前状态计计算而得的的理论充气量量之比。(75%-90%)可燃混合气气流量：大气密度（（自然吸气气机型）增压后空气气密度（增增压机型））功率和油耗耗的表达式式（课程总总纲）燃烧效率（第二篇））循环热效率率（第3章））机械效率（第3章））充量效率（第4章））混合气热值值（第2章））第1章小结要求掌握：：1.基本本概念各种功；平平均有效压压力；空燃燃比/过量量空气系数数/燃空当当量比2.画示示功图（p-Vp-），并会会标识3.推导导动力性和和经济性的的性能指标标表达式及及其关系4.了解解影响动力力性和经济济性的主要要环节和因因素5.自学学二冲程相相关内容第1章作业思考题：11、12、14、、15注意：只收手写写作业！不不收打印作作业或电子子版作业！！11．画图图：1）在在p-V坐坐标图上画画出四冲程程增压柴油油机的示功功图，用箭箭头注明各各过程进行行方向，并并在