發(fā)動機原理1發(fā)動機的性能end.ppt
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汽車發(fā)動機原理,汽車發(fā)動機原理,1722年 英國 紐科門 研制第一臺蒸汽機 1766年 英國發(fā)明家瓦特改進(jìn)了蒸汽機,拉開了第一次 工業(yè)革命的序幕。 1767年 法國軍官庫尼奧研制第一輛蒸汽機三輪車 1873年 英國人戴維遜發(fā)明鉛電池 1900年 英國人哈特制造了電動汽車 1860年 法國 勒努瓦 內(nèi)燃機,煤氣作為原料的單缸2 沖程內(nèi)燃機 1876年 德國工程師奧托Otto研制成功世界上第一臺往 復(fù)活塞式四沖程煤氣發(fā)動機。 1892年德國人狄塞爾Diesel展出第一臺柴油發(fā)動機。 1883年 戴姆勒 化油器 1886年1月29日,德國專利局批準(zhǔn)卡爾本茨為其在1885年研制成功的三輪汽車申請專利,這天被稱為現(xiàn)代汽車誕生日。 并成立了世界上第一家汽車制造公司--奔馳汽車公司 1886年 德國人哥德里普.戴姆勒 第一輛四輪汽車,單缸水冷, 1926年 戴姆勒和本茨的公司合并,戴姆勒-奔馳汽車公司,汽車之父 1908年 美國人福特 第一次流水線生產(chǎn)了丁型四輪汽車,甲殼蟲,汽車發(fā)動機原理,1956年中國第一汽車制造廠成立,“解放”牌汽車問世。,汽車發(fā)動機原理,數(shù)據(jù)1:自世界能源危機,汽車百公里油耗下降50%,廢氣排放減少90%。 代用燃料也取得巨大進(jìn)步,混合動力汽車、電動汽車、燃料電池 電動汽車已處于一定規(guī)模。 數(shù)據(jù)2:經(jīng)過百年努力,安全性、舒適性和環(huán)保性等各方面均有極大的發(fā)展, 近幾年,出現(xiàn)有眼、有耳、有鼻、有觸覺、有聲音、有腦、能思維 可防衛(wèi)的汽車。,汽車發(fā)動機原理,一、課程的任務(wù),研究工作循環(huán)與整機特性, 揭示影響性能的因素 及提高性能的措施。,二、課程研究的內(nèi)容,,,,,三、研究方法,第一章 發(fā)動機的性能,發(fā)動機構(gòu)造演示,1 發(fā)動機理論循環(huán) 空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的簡化條件: 工質(zhì)是理想氣體,其比熱為定值; 工質(zhì)作封閉循環(huán); 壓縮和膨脹是絕熱等熵過程; 燃燒是定容或定壓加熱;,三種基本空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán): 定容加熱循環(huán):汽油機 定壓加熱循環(huán):高增壓和低速大型柴油機 混合加熱循環(huán):高速柴油機,第一章 發(fā)動機的性能,一、三種基本循環(huán),汽油機,混合氣燃燒迅速,氣缸內(nèi)溫度壓力增長很快,可以認(rèn)為其燃燒過程基本是在容積不變的條件下進(jìn)行的,即可簡化為定容加熱循環(huán)。,高增壓和低速大型柴油機,高速柴油機,——混合加熱循環(huán)(薩巴特循環(huán)),——定壓加熱循環(huán)(Diesel循環(huán)),——定容加熱循環(huán)(奧托循環(huán)),,,,由于受燃燒最高壓力的限制,大部分燃料是在上死點以后燃燒,燃燒時氣缸壓力變化不顯著,是在壓力基本上一定的情況下進(jìn)行,即可簡化為等壓加熱循環(huán)。,介于兩者之間,其燃燒過程可認(rèn)為是先定容加熱后定壓加熱的組合,即可簡化為混合加熱循環(huán)。,第一章 發(fā)動機的性能,加熱循環(huán)的熱效率8%、32%、46%,混合加熱循環(huán)熱效率ηtm: 其中λ為壓力升高比=Pz/Pc; ρ為預(yù)膨脹比 ρ=Vz/Vz’=ε/δ , 壓縮比 δ為后膨脹比δ=Vb/Vz ;K為絕熱指數(shù),空氣的K=1.4 定容加熱循環(huán)(ρ=1) 定壓加熱循環(huán)(λ=1),第一章 發(fā)動機的性能,理想循環(huán)影響因素的分析,1.壓縮比,2.絕熱指數(shù),,3.壓力升高比,4.預(yù)膨脹比,第一章 發(fā)動機的性能,評定理論循環(huán)的兩個指標(biāo) 1、循環(huán)熱效率:評定循環(huán)的經(jīng)濟性,是工質(zhì)所做循環(huán)功W與循環(huán)熱量Q1之比。,影響循環(huán)熱效率的主要因素:,壓縮比增大,熱效率增大 但是對汽油機,壓縮比為6-11,因為限制壓縮比提高的因素有: (1)爆然--辛烷值的限制 (2)Pmax 提高,汽油機愈笨重; (3)排氣凈化的限制--壓縮比愈高,NOx愈高。 絕熱指數(shù)K增大,熱效率增大; 壓力升高比 定容加熱時,吸熱、放熱都增加,熱效率不變; 混合加熱時(總加熱量和壓縮比不變),定容加熱部分增加,熱效率提高;,預(yù)膨脹比 定壓加熱:當(dāng)壓縮比不變,加熱量增加,熱效率下降; 混合加熱:預(yù)膨脹比增大,等壓加熱部分增加,熱效率下降;,第一章 發(fā)動機的性能,2、循環(huán)平均壓力——評定循環(huán)的做功能力 單位氣缸容積所作的循環(huán)功; 加熱量相同 壓縮比相同時,定容、混合和定壓加熱的熱效率依次減??; Q2p>Q2m>Q2v, 則,ηtv > >ηtm > >ηtp 最高壓力相同時,定容、混合和 定壓加熱的熱效率依次增大; Q2v>Q2m>Q2p, 則, ηtp > >ηtm > >ηtv,第一章 發(fā)動機的性能,2 四行程發(fā)動機的實際循環(huán),四沖程內(nèi)燃機——活塞上、下共四個行程,曲軸旋轉(zhuǎn)二周(720?),完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機。 四沖程內(nèi)燃機由下述四個沖程組成一個工作循環(huán) 1.進(jìn)氣沖程 2.壓縮沖程 3.作功沖程 4.排氣沖程,第一章 發(fā)動機的性能,工作過程:,行程:,四沖程內(nèi)燃機工作循環(huán),可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸;將其壓縮,壓縮接近終點時點燃可燃混合氣(或?qū)⒉裼透邏簢娙霘飧變?nèi)形成可燃混合氣并引燃);可燃混合氣著火燃燒,膨脹推動活塞下行實現(xiàn)對外作功;最后排出燃燒后的廢氣。即進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個過程。 (1) 進(jìn)氣行程 (2) 壓縮行程,第一章 發(fā)動機的性能,四沖程內(nèi)燃機工作循環(huán),可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸;將其壓縮,壓縮接近終點時點燃可燃混合氣(或?qū)⒉裼透邏簢娙霘飧變?nèi)形成可燃混合氣并引燃);可燃混合氣著火燃燒,膨脹推動活塞下行實現(xiàn)對外作功;最后排出燃燒后的廢氣。即進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個過程。 (3) 作功行程 (4) 排氣行程,第一章 發(fā)動機的性能,排氣門關(guān)閉,進(jìn)氣門開啟,活塞,,,,,,,溫度370~440 K, 壓力75~90 kPa,大氣壓力線,P,V,r,a,示功圖,上止點,下止點,,示功圖:表示活塞在不同位置時氣缸內(nèi)氣體壓力的變化情況。,進(jìn)氣行程,第一章 發(fā)動機的性能,進(jìn)氣門關(guān)閉,排氣門關(guān)閉,活塞,壓縮比: ε=Va/Vc,,,,,,,P,V,r,a,示功圖,,大氣壓力線,c,,上止點,下止點,溫度600~800K, 壓力600~1500 kPa,壓縮行程,第一章 發(fā)動機的性能,進(jìn)氣門關(guān)閉,排氣門關(guān)閉,活塞,,,,,,,P,V,r,a,示功圖,,大氣壓力線,,c,Z,b,,上止點,下止點,瞬時最高:溫度2200~2800 K, 壓力3~5MPa,作功終了:溫度1500~1700 K, 壓力300~500 kPa,作功行程,第一章 發(fā)動機的性能,進(jìn)氣門關(guān)閉,排氣門打開,活塞,,,,,,,P,V,r,示功圖,,大氣壓力線,,c,Z,b,,,上止點,下止點,溫度900~1200 K 壓力105~125 kPa,殘余廢氣,排氣行程,第一章 發(fā)動機的性能,實際循環(huán)常用示功圖、示功展開圖來表示;,第一章 發(fā)動機的性能,第一章 發(fā)動機的性能,1、進(jìn)氣過程(r-a) 進(jìn)氣阻力的存在, pa T0; 2、壓縮過程(a-c) 最初,工質(zhì)受缸壁加熱, n1’ K; 某一時刻,工質(zhì)與缸壁溫度相同, n1’ =K; 工質(zhì)溫度高于缸壁的,向缸壁傳熱, n1’ K;,平均壓縮多變指數(shù)n1 :以此計算得到的多變過程,始點、終點的工質(zhì)狀態(tài)與實際壓縮過程的相符即可; 主要受工質(zhì)與缸壁的熱交換、工質(zhì)的泄漏量影響; ★實際工作中,常以 實測的壓縮壓力來檢查內(nèi)燃機的技術(shù)狀況,當(dāng)Pc下降時,應(yīng)檢修。,第一章 發(fā)動機的性能,3、燃燒過程(c-z) 汽油機:定容加熱; 柴油機:先定容再定壓加熱; 放熱越多,放熱時越靠近上止點,熱效率越高;,第一章 發(fā)動機的性能,4、膨脹過程(z-b) 初期,由于補燃,工質(zhì)被加熱, n2’ K; 平均多變指數(shù)n2 :主要受補燃的多少、工質(zhì)與缸壁的熱交換及漏氣情況的影響; 5、排氣過程(b-r) 排氣阻力的存在, pr p0; 阻力越大, pr越大,殘留在氣缸中的廢氣越多; 排氣溫度越低,說明做功效果越好;,,第一章 發(fā)動機的性能,3 實際循環(huán)的評定-指示指標(biāo),以工質(zhì)在氣缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ); 1、指示功Wi: Ai 為陰影示功圖的面積 (J),a.b分別為坐標(biāo)的比例尺。,圖a四沖程非增壓發(fā)動機的指示功面積Fi:由相當(dāng)于壓縮、燃燒、膨脹行程中所得到的有用功面積Fl和相當(dāng)于進(jìn)氣、排氣行程中消耗的功的面積F2(即泵損失)相減而成,即Fi=Fl-F2。四沖程增壓發(fā)動機(圖b),進(jìn)氣壓力高于排氣壓力,在換氣過程中,工質(zhì)是對外做功的,因此,換氣功的面積F2應(yīng)與面積Fl疊加起來,即Fi=F1+F2 。二沖程發(fā)動機(圖c),只有一塊示功圖面積Fi。,第一章 發(fā)動機的性能,2、平均指示壓力Pmi 發(fā)動機單位氣缸工作容積的指示功(一個實際循環(huán)工質(zhì)對活塞所作的有用功); pmi=Wi / Vs 3、指示功率Pi :發(fā)動機單位時間所做的指示功;與n有關(guān)。 4、指示熱效率ηi ηit=Wi /Q1 實際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量之比; 5、指示燃料消耗率bi:單位指示功的耗油量,即比油耗(g/kw.h).如:可用它來比較兩臺發(fā)動機的經(jīng)濟性好壞。 bi=(B/Pi)103,第一章 發(fā)動機的性能,通常:,,①,②,歸納,第一章 發(fā)動機的性能,,一臺四缸四行程車用柴油機,DS=110115mm,Pi=80kW,Pm=20kW,n=2000r/min,B=12.5kg/h 求:1.Pmi,Pe,Pme,be 2.ηm,PL. 3.Ttq,Cm,4 發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定—有效指標(biāo),以曲軸對外輸出的功率為基礎(chǔ),代表發(fā)動機整機性能; 一、發(fā)動機動力性能 1、有效功率pe = pi - pm :指示功率減去機械損失功率: ★發(fā)動機的指示功Pi 并不能完全對外輸出,功在發(fā)動機內(nèi)部傳遞過程中的損失叫機械損失功率Pm,它由以下幾部分組成: (1)內(nèi)部運動零件的摩擦損失:占Pm的62-75%,占Pi的8-20%。 (2)驅(qū)動附件的損失:占Pm的10-20%,占Pi的1-5%。 (3)泵氣損失(進(jìn)排氣損失) 占Pm的10-20%,占Pi的2-4%。,第一章 發(fā)動機的性能,2、有效扭矩Ttq:曲軸輸出的扭矩,(牛頓米) 扭矩和功率的關(guān)系: n為轉(zhuǎn)/分,或rpm 3、平均有效壓力pme 發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出的有效功,工作容積Vs一定時, ★對已知發(fā)動機,Vs、i、τ一定,可用Pe來表示扭矩及負(fù)荷的大小。 4、轉(zhuǎn)速和活塞平均速度Cm=sn/30(發(fā)動機強化程度) 轉(zhuǎn)速增大,單位時間的做功次數(shù)增加; 活塞平均速度增大,磨損加??; 所以Cm值受到限制,一般:汽油機不超過18m/s, 柴油機不超過13m/s 。,第一章 發(fā)動機的性能,二、發(fā)動機經(jīng)濟性能 有效熱效率ηe 有效功與所消耗燃料熱量之比。 機械效率ηm: 有效燃料消耗率be 單位有效功的耗油量 三、發(fā)動機強化指標(biāo) 升功率pl 發(fā)動機每升工作容積所發(fā)出的有效功率 比質(zhì)量me 發(fā)動機的質(zhì)量與所發(fā)出的有效功率之比 強化系數(shù)pme cm 平均有效壓力與活塞平均速度的乘積,第一章 發(fā)動機的性能,5 發(fā)動機的環(huán)境指標(biāo),噪聲 84dB 排放性能 排出有害氣體(CO HC NOx) 、顆粒,其排出量有限制。 排放標(biāo)準(zhǔn)各國不同,標(biāo)準(zhǔn)還隨著發(fā)展,不斷提高。,第一章 發(fā)動機的性能,,,,,,,,,,,,,,,國 II: 北京:2003.01; 全國:2004.07 國 III: 北京:2005.09 ;全國:2007.07 國 IV: 北京:2008.01;全國:2010.07,,歐 I,歐 0,China Emission Regulation Roadmap,北京,Beijing,國 II,國 III,,,,,,,,北京,,北京,國 IV,,2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010,,GB 18352.3,輕型車 3.5t,排放執(zhí)行時間,第一章 發(fā)動機的性能,GB 17691-2005,,China Emission Regulation Roadmap,,國 III: 2007.01 國 IV: 2010.01 國 V: 2012.01,國 V,國 III,國 IV,,,,,,,,,,,2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013,,,,,,,國 II,,歐 I,重型車 3.5t,第一章 發(fā)動機的性能,輕型汽車排放試驗工況,從點火開始起取樣,時間,s,車速 (km/h),第一章 發(fā)動機的性能,,,,,,,,,,,重型柴油車排放試驗工況(R49與ESC),第一章 發(fā)動機的性能,6 機械損失,機械效率ηm 有效功率與指示功率之比 機械損失的測定 1、示功圖法:取決于示功圖的測錄的正確程度 只適用研發(fā):(a)上止點難以精確測量(b)各缸不均勻性 2、倒拖法: 發(fā)動機在給定工況下工作,之后切斷燃油或停止點火,將平衡式電力測功器轉(zhuǎn)換為電動機,以給定轉(zhuǎn)速倒拖發(fā)動機,維持冷卻水和油溫不變; 測量結(jié)果往往偏大 3、滅缸法:適用多缸機;誤差5% 4、油耗線法:先繪出負(fù)荷特性曲線, 找出接近直線的線段,將其延長與 橫坐標(biāo)相交,交點到原點的長度即 為平均機械損失壓力的值; 不適于汽油機 (進(jìn)氣量隨負(fù)荷會明顯改變),第一章 發(fā)動機的性能,實驗方法: ①讓內(nèi)燃機在給定的工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn), ②當(dāng)冷卻水和機油溫度到達(dá)正常值時, 立即切斷供油 (柴油機)或停止點 火(汽油機),同時將電力測功器 轉(zhuǎn)換為電動機,以給定轉(zhuǎn)速倒拖內(nèi)燃機; ③此過程中盡可能維持冷卻水和機油溫度不變, ④這時電力測功器所測得的倒拖功率即為內(nèi)燃機在該 工況下的機械損失功率。,2.倒拖法,特點:必須使用平衡式電力測功器。,適用:汽油機和柴油機,第一章 發(fā)動機的性能,實驗方法: 首先將內(nèi)燃機調(diào)整到給定工況穩(wěn)定工作,測定其有效功率,然后停止向一個氣缸(例如第一缸)供油,并調(diào)整測功器的阻力矩,使內(nèi)燃機恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速,再測定內(nèi)燃機的有效功率,由于有一個氣缸不工作,第二次測得的有效功率比第一次測得的小,兩者之差即為停油氣缸的指示功率,然后恢復(fù)第一缸的工作,同法,依次使各缸熄火,即可測得對應(yīng)的有效功率、……。,3.滅缸法,第一章 發(fā)動機的性能,適用:多缸柴油機 不適用:汽油機(偏差大),廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機,單缸機,各缸的指示功率為:,,,將上列各式相加得到整機指示功率為:,,因此,機械損失功率為,,第一章 發(fā)動機的性能,4.油耗線法,實驗方法: 保證內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速不變,如逐漸改變柴油機供油齒條的位置,測出每小時耗油量B隨負(fù)荷變化的關(guān)系,繪制成曲線,這個曲線稱為負(fù)荷特性曲線,在曲線中找出接近直線的線條,并順此線條作延長線,直到與橫坐標(biāo)相交,則交點到坐標(biāo)原點的長度即該機的平均機械損失壓力。,適用:柴油機 不適用:汽油機,第一章 發(fā)動機的性能,影響機械損失的因素,氣缸直徑及行程 氣缸容積一定,而S/D減小, ηm提高 氣缸容積增加, ηm提高 摩擦損失(占70%) 轉(zhuǎn)速增加, ηm減小 負(fù)荷減小, ηm減小 潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度 在保證發(fā)動機正常工作時有可靠潤滑條件的前提下,盡量選用粘度較小的潤滑油;SD FD 100 125 錫柴漏油 冷卻水溫直接影響燃燒過程和傳熱損失。,第一章 發(fā)動機的性能,7 熱平衡,實際循環(huán)熱平衡 實際工質(zhì)的影響:實際氣體比熱大-Wk 換氣損失-Wr 泵氣損失: 進(jìn)、排氣系統(tǒng)的 阻力所消耗的功; 排氣門提前開啟 所損失的功; 燃燒損失-Wz 非瞬時燃燒損失 和補燃損失; 不完全燃燒損失; 熱分解損失; 傳熱損失:熱交換損失 -Wb,第一章 發(fā)動機的性能,提高實際循環(huán)熱效率的途經(jīng),提高ε來提高汽油機的熱效率; 燃用稀混合氣來提高汽油機的熱效率; 改善混合氣形成及燃燒組織不完善的狀況來提高柴油機的熱效率;,第一章 發(fā)動機的性能,發(fā)動機熱平衡,發(fā)動機所耗燃油的熱量QT 轉(zhuǎn)化為有效功的熱量QE 廢氣帶走的熱量QR (25~50%) 傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量QS (10~35%) 燃料不完全燃燒熱損失QB 其他熱量損失QL,第一章 發(fā)動機的性能,第一章 發(fā)動機的性能,以四沖程自然吸氣柴油機的能量利用遞減圖為例說明從燃料化學(xué)能到輸出功的能量轉(zhuǎn)換。,第一章 發(fā)動機的性能,- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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