11发动机工作原理

第一章发动机工作原理本章的主要教学内容：1.发动机的总体结构及工作原理2.工程热力学基础3.发动机的热力循环和性能指标4.发动机的换气过程5.汽、柴油机的燃烧过程教学目的与要求1.掌握发动机的总体结构与工作原理；2.能以性能指标为主线，深入到与性能指标密切相关的工作过程（循环、进气、排气、燃烧工程），分析影响性能指标的主要因素，找出提高汽车发动机性能的基本规律和技术措施。第一节发动机总体结构及基本原理图片一、发动机的定义发动机是将其它形式的能量转变为机械能的机器二、发动机的分类1.按使用燃料分：汽油机、柴油机等。2.按工作循环分：四冲程发动机、二冲程发动机。3.按气门位置分：顶置气门式发动机、侧置气门式发动机。4.按气缸排列分：直列式发动机、v型发动机。5.按气缸数分：单缸发动机、多缸发动机。三、发动机的总体结构•发动机由“两大机构五大系统”组成1.两大机构：曲柄连杆机构、配气机构。2.五大系统：冷却系、润滑系、燃料供给系、点火系、起动系1.曲柄连杆机构•作用：将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。•组成：由气缸体和曲轴箱组、活塞连杆组、曲轴飞轮组组成图片2.配气机构•作用：使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸中排出废气。•组成：它由进气门、排气门、挺杆、推杆、摇臂、凸轮轴、正时齿轮等组成图片3.冷却系•作用：把受热零件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。•组成：它由水泵、散热器、风扇、分水管、水套等组成。图片4.润滑系•作用：润滑、冷却、清洗、密封等。•组成：由机油泵、滤清器、限压阀、油道等组成。图片5.燃料供给系汽油机作用：按需要向气缸内供应已配制好的可燃混合气，燃烧后排出废气。组成：化油器式由燃油箱、汽油泵、化油器、进、排气管、滤清器等组成。直喷式由燃油箱、电动汽油泵、油压调节器、喷油器、进、排气管、滤清器等组成。图片图片柴油机作用：向气缸内供应纯空气并在规定时刻向气缸内喷入柴油，燃烧后排出废气。组成：由燃油箱、喷油泵、喷油器、进、排气管、滤清器等组成。柴油机图片6.点火系1.作用：按规定时刻及时点燃气缸内的混合气。2.组成：由蓄电池、分电器、点火线圈、火花塞等组成。图片7.起动系1.作用：使静止的发动机起动。2.组成：由起动机及附属装置组成。1.上止点：活塞离曲轴回转中心最远处；2.下止点：活塞离曲轴回转中心处；3.活塞行程（S）:上、下两止点间的距离（mm）S=2R；4.冲程：活塞油一个止点到另一个止点运动一次的过程；5.气缸工作容积（Vh）：活塞从上止点到下止点所让出的空间的容积（L）；6.发动机工作容积（Vl）动机所有气缸工作容积之和，也叫发动机的排量。i：气缸数iVVhl四、基本术语图片7.燃烧室容积（Vc）：活塞在上止点时，活塞顶上面的空间容积。8.气缸总容积（Va）：活塞在下止点时，活塞顶上面的空间容积。9.压缩比（ε）：气缸总容积与燃烧室容积的比值。VcVhVcVcVhVcVa1点火系活塞往复四个冲程完成一个循环的发动机称四冲程发动机。每个循环由进气、压缩、作功、排气四个冲程组成五、四冲程汽油机工作原理图片上上上作用曲轴活塞进气门排气门压力温度进气冲程吸入新鲜混合气转半圈开关0.075-0.09Mpa370-400K压缩冲程提高燃烧速度转半圈关关0.6-1.2Mpa600-700K作功冲程燃烧作功转半圈关关Max3-5MpaMax1800-2200K排气冲程排出废气转半圈关开0.105-0.115MPa900-1200K图表每个循环也由进气、压缩、作功、排气四个冲程组成。但由于柴油的性质与汽油不同，其混合气形成的方式、着火方式与汽油机也不同。下述不同点：1.进气冲程－进入气缸的是纯空气；2.压缩冲程－压缩比大，压缩终了的压力、温度高。3.作功冲程－压缩冲程末，高压柴油呈雾状喷入气缸内，自行燃烧作功，最高压力5-10Mpa；4.排气冲程－与汽油机基本相同。压力0.105-0.125Mpa，温度800-1000K。六、四冲程柴油机工作原理图片相同点:1.每个工作循环曲轴转两周，每一冲程曲轴转半周，进气冲程进气门开，排气冲程排气门开，其余两个冲程进、排气门均光。2.四个冲程中，只有作功冲程产生动力，其余三个冲程消耗能量。3.必须用外力起动。4.工作循环基本内容相似，主要机件的运动相同，结构基本相同。七、汽油机与柴油机的相同点与不同点1.混合气的形成方式不同：汽油机是缸外混合；柴油机是缸内混合；2.着火方式不同：汽油机点燃式；柴油机是压燃式。不同点：二冲程发动机工作循环也包括进气、压缩、作功、排气四个过程，但它是在活塞往复两个冲程内完成的。第一冲程－活塞上方进行换气、压缩，活塞下方进气当关闭换气孔和排气孔时，混合气开始压缩，直至上止点。活塞继续上行，进气孔打开，混合气被吸入曲轴箱内。第二冲程－活塞上方进行作功、换气，下方预压缩点燃混合气后，活塞下行，至开闭进气孔，压缩曲轴箱内的混合气。继续下行，排气空打开，废气排出。换气孔打开，混合气进入并扫气，直至换气孔和排气孔关闭。八、二冲程汽油机工作原理图片十、内燃机产品名称和型号编制规则第二节工程热力学基础工程热力学主要是研究热能与机械能之间相互转换的一门科学。从汽车发动机来说，就是通过分析气缸内气体的状态变化的规律，得到提高发动机热效率的途径。整个发动机的效率可分三部分，如下图所示燃烧热效率循环效率机械效率燃料热能活塞功输出功燃烧过程循环过程机械性能在工程热力学中，把实现热能与机械能相互转换的工作物质（气缸内的气体）简称为工质。一、工质的热力状态（一）工质的基本状态参数工质所处的宏观状态称为工质的热力状态。说明工质所处的状态的物理量叫做工质的状态参数。其中压力、比容、温度是可测量的参数，称为工质的基本状态参数。1.压力p：工质在单位面积容器壁上作用的垂直力，单位Pa。绝对压力p：气体的真实压力；表压力pB：用气压表测出的压力，pB=p-p0p0：大气压。真空度pC：表示气体压力低于大气压的值，用真空表测出，pC=p0－p。续一(1)2.比容v：单位质量的工质所占的容积。（m3/kg）mVv续一(2)3.温度：温度是物体冷热程度的标志。它反映了分子无规则运动的程度，是大量分子运动动能的平均值的标志。热力学温标（国际单位制）：规定水的三相点的温度为273.16K的温度标尺。摄氏温标：t℃＝T－273.16续一(3)（二）理想气体的状态方程理想气体：分子本身不占体积，分子之间没有吸引力的气体。理想气体的状态方程：pv＝RTR为气体常数任意给定两个参数，第三个参数就确定。续一(4)（三）工质的比热单位量的物质温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量，用c（kg/kg.k）表示。a)定容比热cV：气体在加热过程中容积保持不变的比热。b)定压比热cP：气体在加热过程中压力保持不变的比热。续一(5)（四）工质的内能内能就是工质内部分子和原子运动的动能和分子之间的位能的总和，记作u，它包括以下几个方面：a)分子移动动能b)分子转动动能c)分子振动动能d)分子间的位能续一(6)而动能与温度有关，位能与比容有关，因此，一般气体的u只与温度与比容有关，即u＝f（T,V）理想气体分子之间无吸引力，因此位能为0，故u＝f（T）即只要工质的初、终态温度T1,T2确定，不论经过什么过程，其内能的变化都相等Δu＝u2-u1=f(T2)-f(T1)续一(7)二、热力学第一定律1.热力过程及其所作的功工质状态参数的一系列变化过程，叫做热力过程，可用p－v图表示，其所做的功为（1kg气体）曲线下的面积就是过程所做的功。dvpdsApdsFdpdvvv21图片2.热力学第一定律（能量转换与守恒定律）热可以转换为功，功可以转换为热，转变前后的能量保持不变。Q=W续二(1)3.能量平衡方程设气缸内有1kg气体，外界供给气体的热量为qkJ，该热量中，一部分用来向外界输出膨胀功，另一部分使气体的内能变化Δu，根据热力学第一定律得能量平衡方程：q＝Δu＋wmkg气体Q＝ΔU+W续二(2)三、气体的热力过程1.等容过程：工质的容积保持不变的热力过程。常数常数vRvTp常数常数pRTvp2.等压过程：工质的压力保持不变的热力过程。续三(1)3.等温过程：工质的温度保持不变的热力过程。常数常数RTpvT续三(2)4.绝热过程：工质和外界始终没有热量交换的热力过程。而即整理后得为绝热指数0dq0dwdudqCvdTdupdvdw0pdvCvdT常数kpvCvRCvk续三(3)四、热力学第二定律及卡诺循环1.循环及热效率工质经过一系列状态的变化，重新恢复到原来状态所完成的一个封闭过程，叫一个热力循环。正循环：循环安顺时针方向进行（1－2－3－4－1），输出功。反循环：循环安逆时针方向进行（1－4－3－2－1），消耗功。常数常数pRTvp2.等压过程：工质的压力保持不变的热力过程。续四(1)循环热效率：循环所得到的功与加入的热量之比。w：1kg气体在循环中所输出的功，kJq1：1kg气体在循环中所吸收的热量，kJ。由于一个循环后Δu＝0，故q1-q2=wq2：循环放热。所以1qwt121211qqqqqt续四(2)2.热力学第二定律关于发动机的热力学第二定律表达：不可能建造一种循环的机器，其作用只从单一取热并全部转变成故。即发动机的热效率不可能100%。关于热转递的热力学第二定律表达：不可能将热量由低温物体传向高温物体而不引起其它变化。续四(3)3.卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环叫卡诺循环。ab:等温膨胀bc：绝热膨胀cd：等温压缩da：绝热压缩其效率是所有循环中最高的，是最理想的循环方案。续四(4)经推导。循环的热效率为：121211TTqqtc续四(5)从上式可知：1.卡诺循环的热效率总是小于1。若等于1，则T1=∞或T2=0，这是不可能的。2.提高热效率的途径有两条：一条是提高T1；另一条是降低T2。意义：卡诺循环至今难以实现，但是它对如何提高发动机的循环热效率从理论上指明了正确的方向：使发动机的循环接近于卡诺循环，以卡诺循环效率来评价发动机热功转换的程度。续四(6)第三节发动机的热力循环与性能指标本节主要介绍四冲程发动机的理论循环，实际循环，指示指标，有效指标及机械效率等知识。一、发动机的理论循环对实际循环作以下假设可得理论循环；a.质是理想气体，比热视为定值；b.工质与外界无热量交换，不计进、排气过程及其流动损失；c.工质的压缩过程和膨胀过程均为绝热过程；d.燃烧过程为外界等容、等压加热过程，而排气过程为等容放热过程代替。ac：绝热压缩cz：等容加热zz：等压加热zb：加热膨胀ba：等容放热1)混合加热循环：每循环加入到气缸中的热量Q分两部分，一部分热量Q1ˊ是在等容的情况下加入的，另一部分Q1是在等压情况下加入的，如图。1.理论循环续一(1）由于高速柴油机先喷入气缸的燃料迅速燃烧，加热接近于等容，后喷入气缸的燃料燃烧缓慢，加热接近于等压。因此，混合加热循环是柴油机的理想循环续一(2）经济性指标－热效率ηt：（证明从略）动力性指标－循环平均压力pt:式中：ε＝Va/Vc－压缩比；λ＝pz/pc－压力升高比；ρ＝Vz/Vzˊ－预胀比。)1(11111kkkttaktkkpp1111续一(3）2)等容加热循环每循环加入到气缸中的热量Q1是在等容的情况下加入的，如图。因为汽油机混合气的燃烧非常迅速，其实际循环接近等容加热循环。所以等容加热循环是汽油机的理想循环。续一(4）由于该循环可看作混合加热循环在Q1＝0，ρ＝1的特例，所以111kttaktkpp111续一(5）2.理论循环分析1)压缩比ε随压缩比增大，两种循环的ηt和pt都将提高。这是因为在加热量Q1相同的情况下，提高压缩比，可提高循环最高温度及平均吸热