1_第一章汽车发动机性能的评价

汽车发动机性能评价第一章汽车发动机性能的评价１)动力性能指标：有效功率、有效转矩、发动机转速、活塞平均速度等。２)经济性能指标：有效热效率、有效燃油消耗率等。３)强化指标：升功率、强化系数等。４)有害物质排放指标：CO、HC、NOx和微粒等。５)其他运行性能指标：噪声和冷起动等。６)使用性能指标：可靠性、耐久性、维修方便性。第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标第二节发动机的换气过程第三节燃料的特性及其对发动机的影响第四节柴油机混合气的形成与燃烧第一章汽车发动机性能的评价第五节汽油机混合气的形成与燃烧第六节汽车发动机特性的分析与评价１)动力性能指标：有效功率、有效转矩、发动机转速、活塞平均速度等。２)经济性能指标：有效热效率、有效燃油消耗率等。３)强化指标：升功率、强化系数等。４)有害物质排放指标：CO、HC、NOx和微粒等。５)其他运行性能指标：噪声和冷起动等。６)使用性能指标：可靠性、耐久性、维修方便性。第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标一、四冲程发动机的示功图及实际循环1.示功图2.自然吸气四冲程发动机的实际循环(1)进气过程为使发动机能够连续运转，发动机必须不断吸入新鲜的工质。(2)压缩过程为使吸入气缸内的工质能够迅速燃烧，以产生较大的压力使发动机做功，发动机必须在做功过程之前将工质进行压缩，此过程即为压缩过程。图1-1120四冲程单缸试验柴油机的p-V图及p-φ图a)p-V图b)p-φ图第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标(3)燃烧过程在这个过程中，活塞位于上止点前后，进、排气门均关闭。(4)膨胀过程在这个过程中，进、排气门仍旧关闭。(5)排气过程当膨胀过程接近终了时，开始排气过程，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点运动时，继续将废气强制排到大气中。图1-2自然吸气四冲程发动机的示功图a)进气过程b)压缩过程c)燃烧、膨胀过程(做功行程)d)排气过程第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-1发动机实际循环各过程终了时工质的状态参数值3.自然吸气四冲程发动机的循环指示功Wi二、发动机动力性能和经济性能的评价指标1.指示性能指标第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-2发动机指示指标的定义及计算方法2.有效性能指标第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-3发动机有效指标的定义及计算方法第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-3发动机有效指标的定义及计算方法3.发动机强化指标第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-4发动机常用强化指标的定义及计算方法第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-5各种车用发动机性能指标参数三、机械损失及机械效率1.机械损失的组成第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-6机械损失的组成及其各部分所占比例2.机械效率ηm第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标图1-3发动机转速对机械效率的影响3.影响机械效率的主要因素第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标(1)转速n机械效率ηm随发动机转速的上升而下降，如图1-3所示。1)各摩擦副间的相对速度增加，摩擦损失增大。2)曲柄连杆机构的惯性力增大，活塞侧压力及轴承负荷增高，摩擦损失增大。3)进、排气流动阻力增大，泵气损失增大。4)驱动附件消耗功增多。(2)负荷在发动机转速不变时，机械损失功率Pm近似不变。图1-4发动机机械效率随负荷变化的关系曲线第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标(3)润滑油品质在机械损失中，摩擦损失占了很大的百分比，因此改善相对运动面上的润滑条件可以显著提高ηm。表1-7常用发动机润滑油的粘度等级及使用环境温度范围四、影响发动机性能指标的因素分析上述所介绍的内容可知，发动机动力输出的过程，实质上就是进入发动机的燃料化学能通过燃烧转化为热能，热能再转化为曲轴有效输出功的过程。1)充气效率ην。2)燃料低热值hμ、理论空气量L。第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标3)过量空气系数α。4)指示热效率ηi。5)机械效率ηm。6)发动机转速n。7)其他主要结构参数。思考题1.简述发动机的实际工作循环过程。2.简述汽油机与柴油机工作循环的区别。3.为什么发动机性能指标有指示指标和有效指标之分？两种指标各在什么场合使用？第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标4.发动机的动力性能和经济性能在生产和使用中主要用哪几个指标来表示？如果要进行不同机型发动机性能的对比，应使用哪些动力性能和经济性能评价指标？5.机械损失由哪几部分组成？所占百分比最大的是哪种损失？6.发动机转速和负荷是如何影响机械效率的？这一影响对发动机性能的提高和使用提出了什么要求？7.如何对汽车发动机的动力性能和经济性能进行较全面地评价？第二节发动机的换气过程一、四冲程发动机的换气过程1.换气过程(1)自由排气阶段图1-5中，从排气门早开点b′到晚关点r′，约240～260℃A的b′bdrr′段为排气过程。(2)强制排气阶段自由排气阶段结束后，缸内压力大大降低，必须依靠上行活塞强制排出废气，此阶段称为强制排气阶段。(3)进气阶段图1-5中，从进气门早开点d到晚关点a′，约220～265℃A的drr′aa′段为进气过程。(4)气门重叠阶段图1-5中，drr′段是气门重叠阶段。2.配气相位及其对性能的影响第二节发动机的换气过程图1-5四冲程发动机换气过程的p-V图第二节发动机的换气过程图1-6四冲程发动机配气相位图第二节发动机的换气过程(1)排气早开角γ膨胀过程末期，缸内压力较高，如果到下止点才打开排气门，则由于开启初期气门上升缓慢，开度也小，再加上气流因惯性而不会马上高速流出，这些都会使排气不畅，排气损失和阻力增大，并间接影响进气充量。图1-7排气损失w—自由排气损失y—强制排气损失x—自由排气损失x+y-d—泵气损失第二节发动机的换气过程图1-8不同的排气早开角对排气损失的影响第二节发动机的换气过程图1-9转速对排气早开角的影响第二节发动机的换气过程(2)排气晚关角δ如果排气门在活塞到达上止点关闭，则此时废气还具有一定向外运动的惯性。(3)进气早开角α进气门若在活塞到达上止点开启，则会因开启初期气门上升缓慢，流通截面小，以及进气气流由静止到加速的滞后影响，而使缸内真空加大，进气量减少，进气损失增大。(4)进气晚关角β进气门晚于活塞到达下止点而关闭的角度称为进气晚关角。(5)气门重叠角α+δ排气门晚关和进气门早开必然形成气门开启重叠，其重叠开启的角度称为气门重叠角。二、充气效率及其对发动机性能的影响1.充气效率2.影响充气效率的因素(1)进气终了压力pa′pa′对ην有重要影响，pa′越高，ην值越大。第二节发动机的换气过程1)增大进气门直径，即增大进气门处的有效流通截面面积，选择合适的排气门直径。2)为了进一步增大进气门流通截面，提高充气量，现代发动机采用了3～5个(每缸个进气门，1～2个排气门)的多气门结构。表1-8几种典型的多气门与2气门轿车发动机动力性能比较3)适当增大气门升程，合理设计凸轮型线以提高气门开启速度，从而增大气门的时间-截面值(指气门开启截面面积与其对应的开启时间的乘积)，提高汽车通过能力。第二节发动机的换气过程(2)进气终了温度Ta′进气终了温度Ta′高于进气状态下的温度Ts，若Ta′升高，则充入气缸进气充量的工作密度减小，从而使ην降低。1)进气过程中与高温零部件接触而引起的温升。2)与高温残余废气混合而引起的温升。(3)进气晚关角ξ反映了进气晚关角对ην的影响。(4)排气晚关角(残余废气系数)排气门晚关会减小排气阻力，减少缸内残余废气量，降低残余废气系数，由式(1-4)可知，这也间接使ην提高，但相比于进气晚关角排气晚关角对ην的影响要小得多。(5)压缩比压缩比增大，压缩容积减小，残余废气量减少，ην增大。第二节发动机的换气过程(6)进气状态参数ps、Ts进气状态参数ps、Ts本身是定义充气效率的基准参数，所以，ps增大，Ts降低，新鲜充量密度增大，使实际进气量增多，但不等于充气效率必然增大。3.充气效率特性对发动机性能的影响图1-10汽油机和柴油机的充气效率特性曲线a)汽油机的充气效率特性曲线b)柴油机的充气效率特性曲线第二节发动机的换气过程1)Ta′相对于进气温度，上升程度降低，ην的特性曲线略上升。2)pa′减小，ην降低，转速增大到一定程度后，ην的下降速度加快；3)在某一转速时，进气晚关角充分利用了此时气流的惯性，ην有最大值，偏离此转速后均降低。图1-11第二节发动机的换气过程三、可变进气系统发动机性能的评价1.可变配气相位发动机性能的评价2.可变进气歧管发动机性能的评价(1)可变进气歧管长度奔驰新SLK(R171)发动机所采用的可变进气歧管长度机构采用了一个控制阀来控制进气歧管的长度，如图1-12所示。图1-12奔驰新SLK(R171)发动机的可变进气歧管长度机构第二节发动机的换气过程(2)可变进气歧管长度及截面日本马自达公司的可变进气谐振增压系统，其结构与工作原理如图1-14所示。图1-13宝马760V12发动机可变进气歧管长度机构第二节发动机的换气过程图1-14可变进气谐振增压系统的结构与工作原理1—转换阀2—短共振管3—长共振管4—双节气门5—惯性增压第二节发动机的换气过程四、涡轮增压发动机性能的分析因为随着进入缸内空气量的增多，相应地增加循环供油量，即可提高发动机的输出功率，所以人们采取可变配气相位、可变进气系统等多种技术手段来提高充气效率，增加进气量。1.增压度和增压比2.废气涡轮增压系统的基本结构及工作过程3.涡轮增压柴油机的性能分析(1)涡轮增压柴油机的性能优势1)提高了动力性能。第二节发动机的换气过程图1-15涡轮增压器的结构示意图第二节发动机的换气过程图1-16废气涡轮增压器的工作原理2)改善了燃油经济性。第二节发动机的换气过程3)改善了排放性能。4)降低了燃烧及排气噪声。5)降低了制造成本。(2)涡轮增压柴油机存在的问题1)热负荷和机械负荷增大。2)低速转矩特性下降。3)加速性能变差。4)起动困难。第二节发动机的换气过程(3)涡轮增压柴油机性能改进的方法目前，改善增压发动机低速转矩特性和加速性能的主要方法有：高速、高负荷工况下，放掉压气机后一部分增压空气或放掉涡轮前一部分废气以限制增压压力过高，图1-17所示为涡轮增压废气旁通系统示意图；低速、低负荷工况下，调整可变涡轮喷嘴环的截面面积来提高涡轮效率，从而改善发动机低速工况的性能，图1-18所示为可变几何截面涡轮的结构示意图。图1-17涡轮增压废气旁通系统示意图第二节发动机的换气过程图1-18可变几何截面涡轮的结构示意图4.涡轮增压汽油机性能的分析第二节发动机的换气过程表1-9增压和自然吸气汽油机动力性参数比较1)汽油机增压后，压缩终了的温度、压力都升高，致使爆燃的倾向增大。2)热负荷加重。3)动态响应延迟加大。第二节发动机的换气过程4)车用汽油机的转速和功率范围宽广，进气流量变化范围更大，因而覆盖的压气机工况范围更大，这就要求压气机同时具有宽流量范围和宽高效率区的高性能，这使得汽油机的增压器技术难度加大。1)电控技术的应用，有效地解决了汽油机增压的诸多难题，如电控可变涡轮喷嘴环截面、电控放气阀有效地改善了涡轮增压汽油机的动态响应特性；电控爆燃、电控EGR等技术的应用，对防止爆燃和降低热负荷都是有效的。2)增压中冷技术的应用，可有效提高涡轮增压汽油机的动力性能、降低燃料消耗率，同时对消除爆燃、降低热负荷以及减少NOx排放都是有利的。第二节发动机的换气过程3)采用增压压力控制系统，如进气和排气放气、节流控制等装置，可以减小涡轮入口处或进入汽油机缸内的气流量，从而降低增压比，避免爆燃和过高热负荷，并有利于高低速转矩特性的控制。五、汽车发动机进、排气系统对发动机性能的影响发动机进、排气系统对发动机性能的影响可由充气效率ην的大小及其变化规律来反馈。1)在整个运转范围内，有足够高的充气效率ην保证发动机的动力性能。2)良好的充气效率特性，保证发动机低速大转矩、高速大功率，满足汽