汽车发动机原理清华汽车系课件汽车发动机原理动力经济性指标汽车发动机原理任课教师：王建昕 马凡华总学时：4818周，4学时816周，2学时汽车发动机原理动力经济性指标序言一、汽车发动机的特点既是汽车的重要部分，也是最广泛应用的动力机械航空、铁路运输、农机、船舶、移动发电源。燃气轮机、电机（电动车）、混合动力、燃料电池等都有可能作为汽车发动机，但汽油机和柴油机在未来几十年内会保持其主导地位既有普通机械的全部特征，又有复杂的热-功转换过程汽车发动机原理动力经济性指标二、本课程主要内容“构造课”-入门、“原理课”-理论3部分10章：循环分析与能量利用、混合气形成与燃烧、特性与控制三、本课程学习方法以讲课内容为准、辅以自学和课下作业、实验课计算不多，但侧重于理论分析（过程复杂难以计算）体系看似面大离散，注意抓纲发展的学科而不是静止的（尤其是近年）汽油机与柴油机的相互对比、融会贯通注意复习相关课程内容（汽车构造、热工、流体.）汽车发动机原理动力经济性指标四、课外作业与考核方式每章布置作业一次，每二章检查一次最终成绩：期中考占40%、期末考占40%、作业占20%五、讲义：“ 汽车发动机原理教程汽车发动机原理教程”，刘峥、王建昕，清华大学出版社，2001年主要参考书籍“内燃机学”，周龙保等，机械工业出版社，1999年“汽车拖拉机发动机”（第3版），董敬等，机械工业出版社，1997年“内燃机原理”，唐开元等，译自“InternalCombustionEngineFundamental”,J.B.Heywood汽车发动机原理动力经济性指标第一篇动力输出与能量利用主要讲述发动机的动力性和经济性能源是世界5大问题之一，汽车发动机的最高热效率一般40%。内容组成：1章动力经济性指标与影响因素2章燃料与工质3章循环分析与能量利用4章换气过程与循环充量汽车发动机原理动力经济性指标第一章动力经济性指标评价发动机性能的主要指标：1、动力性指标动力性指标功率、转矩、转速、平均有效压力2、经济性指标经济性指标燃油消耗率、（润滑油消耗率）3、环保性指标环保性指标有害排放物、噪声、振动（公害）4、使用性指标可靠性、耐久性、维修方便性汽车发动机原理动力经济性指标1.1工质对活塞作功及示功图1、工质进行能量转换的气体或流体蒸汽机蒸汽、水轮机水内燃机工作过程中汽缸中的气体空气+可燃混合气+已燃气体（变化的）汽车发动机原理动力经济性指标发动机构造图汽车发动机原理动力经济性指标2、活塞作功规定：工质对活塞作功为正功活塞对工质作功为负功PPaPr汽车发动机原理动力经济性指标3、示功图定义定义：发动机汽缸内工质压力p随汽缸容积v（或曲轴转角）的变化曲线称为示功图（如图1-1，是最常用的研究热-功转换的手段）。（1）两种示功图：pv图、p图（压力图或展开示功图）（2）如图，记汽缸压力为p、汽缸截面积为F、活塞位移为x，则：工质对活塞作功W=pFx微元功dw=pFdx=pdv每循环所作功Wi=pdvWi称为循环功，也称为指示功，因为它是由“示功器”测得的示功图计算出的。汽车发动机原理动力经济性指标汽车发动机原理动力经济性指标4、自然吸气四冲程发动机的示功图分析（1）循环动力功（动力过程功）压缩冲程和燃烧膨胀冲程所作之功，W1+W3，正功；（2）泵气过程功排气冲程和进气冲程所作之功（以p0线为分界），W2+W3，可正、可负；与泵气有关的功：（3）理论泵气功忽略流动阻力时的进排气压力与汽缸压力之差所作之功，自吸式发动机为0（设气门瞬时开启到最大且流速足够慢），即泵气功为一直线；（4）泵气损失功推出损失功与吸气损失功之和，W2+W3；（与排气损失功不同，不包括排气门早开带来的膨胀损失）（5）实际泵气功理论泵气功减去泵气损失功，-（W2+W3）汽车发动机原理动力经济性指标自然吸气四冲程发动机的示功图分析两种指示功：（6）净指示功净指示功考虑泵气损失时的指示功考虑泵气损失时的指示功，循环动力功+实际泵气功即：（WI+W3）-（W2+W3）=W1-W2（有些书上仅给出结果，忽略W3）（7）总指示功总指示功不考虑泵气损失时的指示功不考虑泵气损失时的指示功，（即有可能得到的最大指示功，也称热力学指示功）W1+W3W1汽车发动机原理动力经济性指标汽车发动机原理动力经济性指标汽车发动机原理动力经济性指标5、增压四冲程发动机的示功图分析对于增压机有：进气压力进气压力P Pb b 排气压力排气压力P Pk k大气压力大气压力 P P0 0因而：（1）理论泵气功=（Pb-Pk）Vs，正功（2）泵气损失功=阴影面积（3）实际泵气功=理论泵气功-泵气损失功=W2，正功（4）净指示功=W1+W2（5）总指示功=W1+（Pb-Pk）Vs汽车发动机原理动力经济性指标1.1节-小结1、示功图概念，p-v图、p-图2、示功图分析，7个功3、增压与非增压发动机示功图对比分析4、自学二冲程发动机示功图汽车发动机原理动力经济性指标1.2 动力经济性能指标1、指示指标与有效指标（1）以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示指标指示指标；基于示功图算出，用于评价热-功转换过程的优劣（2）以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效指标有效指标由试验测出，用于评价热-功转换和机械功传递全过程的优劣汽车发动机原理动力经济性指标2、指示功、有效功和机械损失功记：有效功为We，机械损失功为Wm，则有Wi=We+Wm同理，若记指示功率为Pi、有效功率为Pe、机械损失功率为Pm，则有Pi=Pe+PmPi基于示功图得到Pi=（2ni/60/）Wi=（ni/30/）Wi其中：n发动机转速，r/min；i汽缸数冲程系数（每循环冲程数），Pe由测功机实测得到，Pe与We的关系为Pe=（ni/30/）WePm可由Pe与Pi之差算出，也可由试验测得。Pm=摩擦损失功+附件消耗功+泵气损失功汽车发动机原理动力经济性指标3、平均指示压力与平均有效压力功和功率往往与汽缸容积有关，不同发动机间难以相互比较。（1）平均指示压力单位汽缸容积所作的指示功，pmi=Wi/Vs由于的量纲正巧是压力的量纲，因而称为“。压力”；即：Wi=pmiVs=pmi（D2）/4S相当于一个不变的压力pmi作用在活塞上，使其移动一个冲程所作的功，其值等于Wi（2）同理可定义平均有效压力pme和平均机械损失压力pmm（3）同理有：pmi=pme+pmm汽车发动机原理动力经济性指标4、有效转矩Ttq通过试验可测得有效功率Pe、转速nPe=2nTtqTtq=Pe/2n汽车发动机原理动力经济性指标5、经济性评价指标（1）指示燃油消耗率bi设每小时燃油消耗量为B（kg/h），则bi=（B/Pi）103（g/kWh）（2）有效燃油消耗率be同理有，be=（B/Pi）103（g/kWh）（3）指示热效率it设gb为单缸每循环燃料消耗量（循环供油量），Hu为燃料低热值，则it=Wi/gbHu(4)有效热效率et同理有et=We/gbHu汽车发动机原理动力经济性指标6、功率密度评价指标（1）升功率PL单位发动机排量发出的功率（评价汽缸容积利用程度）PL=Pe/Vsi（kW/L)（2）比质量me单位有效功率所占质量（评价工作过程、轻量化和紧凑性）me=m/Pe（kg/KW）（3）比容积Ve单位有效功率所占体积（评价工作过程、紧凑性）Ve=V/Pe（m3/Kw）汽车发动机原理动力经济性指标1-3 影响动力性经济性指标的主要环影响动力性经济性指标的主要环节与因素节与因素本节从工作过程的基本原理出发，归纳出反应各个环节和影响因素的综合表达式，以分析其影响，并找出动力经济性的改进方向及途径。记单位时间进入发动机的混合气总量为Gm(kg/h)，混合气的低热值为Hum(KJ/Kg)，则有效功率Pe可表示为Pe=etGmHum三个环节中，et和Hum是决定动力输出的“质”的环节，而Gm则是“量”的环节。汽车发动机原理动力经济性指标1.可燃混合气的热值混合气热值取决于燃料热值以及混合气中油/气混合比。油/气混合比是影响发动机性能的重要参数。（1）过量空气系数a设单位质量燃料完全燃烧所需理论空气量为l0，而实际供给的空气量为l，则a定义为：a1,稀混合气;a1,浓混合气;a=1化学计量比（过去称理论空燃比）汽车发动机原理动力经济性指标（1）空燃比（2）燃空比（3）可燃混合气热值Hu表示燃料的能量密度，越高越便于携带；Hum代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积时发出功率越高（即pme高）。汽车发动机原理动力经济性指标2.混合气流量Gm3.有效效率et4.综合表达式汽车发动机原理动力经济性指标其中：Hu,l0燃料特性与燃烧热化学的影响；Rs工质热力特性的影响；t工作过程热力循环与工质特性的影响；c混合气形成与燃烧过程的影响；m与机械损失有关的机械学、流体力学的影响；c进、排气过程及热流体动力学的影响；a混合气形成与燃油供给方式的影响；s或ps/RsTs进气状态与增压中冷方式的影响；n发动机转速的影响；Vs、i多缸机缸数与排量的影响；四冲程与二冲程的影响；gb柴油机喷油系统供油特性的影响。混合气热值、混合气流量和有效热效率将分别在第2、3、4章中讨论汽车发动机原理动力经济性指标习题（1）试推导以pme表示的Pe和Ttq的计算公式；pme量纲为MPa，Pe量纲为kW，Ttq量纲为N.m；并比较同为动力性指标的Pe和Ttq有何区别；分析在发动机设计参数不变的前提下提高输出功率的途径。（2）基于Pe的综合表达式分析：l由四冲程改为二冲程发动机时，以及由自吸式改为增压式发动机时，能否提高Pe，式中各种参数会怎样变化（也有不变的）；l提高燃料热值是否可以提高Pe，为什么？汽车发动机原理动力经济性指标