汽车节能技术第2章发动机的节能原理与技术

第2章发动机的节能原理与技术•发动机的工作性能及评价指标•发动机的节能原理与途径•发动机节能技术•发动机的节能装置2.1发动机的工作性能及评价指标2.1.1发动机的工作性能动力性经济性运转性能可靠性*满足动力性的前提下，经济型才有意义。2.1发动机的工作性能及评价指标2.1.2发动机的性能指标主要是动力性能指标和经济性性能指标，它们又分为有效性能指标和指示性能指标。1.指示性能指标：以工质在气缸内对活塞所作之功为计算基准的指标。2.有效性能指标：以发动机曲轴输出功率为计算基准的指标。2.1发动机的工作性能及评价指标2.1.2发动机的性能指标3.有效功率：发动机通过飞轮对外输出的功率。以Pe表示，单位为千瓦（kW）4.有效转矩：发动机通过飞轮队伍输出的转矩。以Te表示，单位为牛顿米（N·m）5.燃油消耗率：发动机每发出1kW的有效功率，在1h内所消耗的燃油的质量。用be表示，单位为g/(kW·h)2.1发动机的工作性能及评价指标2.1.2发动机的性能指标6.运转性能指标排气品质：符合排放法规噪声：客车内噪声级≦82dB，驾驶员耳旁噪声级≦90dB起动性能：汽油机在-10℃，柴油机在-5℃的气温条件下，15秒内发动机要能自行运转。2.1发动机的工作性能及评价指标*排气品质：符合排放法规2.1发动机的工作性能及评价指标*排气品质：符合排放法规2.1发动机的工作性能及评价指标*排气品质：符合排放法规2.1发动机的工作性能及评价指标2.1.3发动机特性指一定条件下，发动机的性能指标与特性参数随着调整情况及运行工况变化而变化的关系。性能特征包括：速度特性、负荷特性、万有特性2.1.3发动机特性1.发动机速度特性(1)汽油机速度特性功率------Pe转矩------Te燃油消耗率------be•曲轴转速为n1时，发动机输出最大转矩（Te=Temax）。•曲轴转速为n3时，发动机发出最大功率（Pe=Pemax）。•发动机最小比油耗相应的转速n2，介于最大转矩的转速nl和最大功率的转速n3之间，即居于发动机某一中间转速。且随转速的不断增加，曲线上翘幅度加大，节气门开度愈小，则曲线的弯曲度愈大。2.1.3发动机特性1.发动机速度特性(2)柴油机速度特性功率------Pe转矩------Te燃油消耗率------be•柴油机的转矩Te低速时有上升趋势．小负菏时上升加剧，而高速时均略为下降，大负荷时下降多一些。•有效功率曲线总是随转速n的上升而增大。由于曲线较平坦，所以可达到的最大功率点远离最高使用转速（图上看不出来）。•燃油消耗率在低转速时，随转速的增加而降低；而在高转速时，曲线附转速n的上升而上翘度加大．即燃油消耗率增加。2.1.3发动机特性2.发动机负荷特性负荷是指在一定转速下，发动机实际输出的有效功率，与在该转速下发动机所能输出的最大功率之比以百分数表示，量纲为1，它可以理解为外界阻力矩的大小。负荷特性是指在转速一定的情况下，发动机经济性能指标（单位耗油量B、燃油消耗率be）随负荷变化而变化的关系。负荷特性反映着发动机在不同负荷下运行的燃料经济性，它是讨论汽车燃料经济性的主要依据。2.1.3发动机特性2.发动机负荷特性•在图2-3负荷特性的be曲线上有三个特殊点：点①为最低点，点②为柴油机供油量增加到一定程度后的冒烟点，点③为最大Pe点．尽管发动机在不同转速下有不同的负荷特性曲线，但其变化的趋势是一样的。•be点越低则其经济性能越好。但要汽车在大部分运行条件下都能保证具有较好的燃料经济性，还应要求be曲线在离开bemin点时上升不能太快，即be曲线变化要平缓。这一点对经常处于中、小负荷下运行的汽车用发动机尤为重要。从这个意义来讲，柴油机的be曲线比汽油机变化平缓．加之柴油机热负荷高，比油耗be比汽油机低20%～30%，所以汽车使用柴油机比汽油机省油。2.1.3发动机特性3.发动机的万有特性负荷特性、速度特性只能表示某一转速或某一节气门开度（或油量调节杆位置》时，发动机参数间的变化规律．对于工况变化大的发动机，耍分析各种工况下的性能，就需要在一张图上全面表示出内燃机性能的特性曲线。发动机的多参数特性称为万有特性。广泛应用的万有特性用转速n作为横坐标。用平均有效压力pme作为纵坐标，在图上画出许多等油耗率be曲线和等功率Pe曲线。2.1.3发动机特性3.发动机的万有特性万有特性曲线最内层燃油消耗率be最低，越向外燃油消耗率be值越高，我们希望最低油耗率be区域越宽越好。•汽油机万有特性具有如下特点：最低耗油率偏高，经济区域偏小；等耗油率曲线在低速区向大负荷收敛，这说明汽油机在低速、低效率时的耗油率随负荷的减小而急剧增大。•在实际应用中，当汽车等功率运行时，驾驶员应尽量使用高速档，以便节油。汽油机变负菏时，平均耗油率偏高．2.1.3发动机特性3.发动机的万有特性万有特性曲线最内层燃油消耗率be最低，越向外燃油消耗率be值越高，我们希望最低油耗率be区域越宽越好。•柴油机万有特性具有以下特点：最低耗油率偏低，经济区域较宽；等耗油率曲线在高、低速均不收敛，变化比较平坦。•柴油机相对汽车变速工况的适应性好，等功率曲线向高速延伸时，耗油率的变化不大，所以采用低速档时，柴油机的转矩和功率储备较大。•在使用中．以柴油机为动力的汽车可以长时间使用低速档。因此。以柴油机为动力的汽车的实际动力因数，比以汽油机为动力的汽车为高。2.2发动机的节能原理与途径2.2.1提高充气效率充气效率是指发动机在进气行程时，实际进入气缸内的新鲜气体的质量m与在进气行程进口状态下充满气缸工作容积的气体质量m0的比值，用表示：vv%1000mmv2.2.1提高充气效率1.减少进气系统的流动损失(1)减少进气门座处的流动损失1)增大进气门直径，选择合适的排气门直径。发动机充气效率的大小，与通过进气门座处的气流的平均马赫数密切相关。平均马赫数是进气门处气流平均速度与该处音速之比，超过0.5，充气效率便急剧下降。目前汽油机马赫数已接近0.5，柴油机马赫数一般在0.3-0.5之间。v1.减少进气系统的流动损失(1)减少进气门座处的流动损失2)增加气门的数目。采用小气门，增加气门数是增大进气门流通面积、降低排气损失的有效措施。上柴6135Q-1型柴油机将双气门改为四个小气门后功率由162kw提高到194kw，提高了20%。赛车用高比功率的发动机采用多个小气门结构后，功率可提高70%，转矩可提高30%。v1.减少进气系统的流动损失(1)减少进气门座处的流动损失3)改善进气门处流体动力性能，减少气门处流动损失。适当增大气门的升程，改进配气凸轮形状，在惯性力允许的情况下，使气门开闭尽可能地快。适当加大气门杆身与头部的过渡圆弧，减少气门座密封面的宽度，修圆气门座密封锥面的尖角等措施，均可改善进气门处流体力学性能，减小流动损失。v1.减少进气系统的流动损失(1)减少进气门座处的流动损失4)采取较小的S/D值。v1.减少进气系统的流动损失(2)减小整个进气管道的流动阻力1)进气道。减小阻力；能够使新鲜气体充入气缸内形成涡流2)进气管。有足够的流通截面积，表面光洁，避免急转弯和截面的突然变化。3)空气滤清器。微孔纸质滤芯原始阻力最小，4)化油器。多喉管式v2.2.1提高充气效率2.减小对新鲜充气量的加热增压发动机的燃烧室扫气、油冷活塞、，柴油机进、排气管分别置于缸盖两侧等措施，都有利于减小对新鲜充气量的加热，具有节能效果。v2.2.1提高充气效率3.减小排气系统的阻力减小排气系统中排气门座、排气道、排气管、消声器的阻力，对降低排气压力p、减少排气损失均有利。v2.2.1提高充气效率4.合理选择配气相位(1)进气门迟关角v2.2.1提高充气效率4.合理选择配气相位(2)进、排气门重叠角的影响高速非增压柴油机的进、排气门重叠角一般在20°~60°。重叠角在40°以下基本无扫气作用。增压发动机的进、排气门重叠角大，可达110°~140°，强烈的扫气作用，可以冷却燃烧室热区零件，减小对新鲜气体的加热，这些有利于充气效率的提高。v2.2.1提高充气效率4.合理选择配气相位(3)排气提前角应当在保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门，以提高热效率。v2.2.1提高充气效率4.合理选择配气相位(4)配气相位的选择从以下方面综合评定：1)充气效率高2)必要的燃烧室扫气3)合适的排气温度4)较小的换气损失v2.2发动机的节能原理与途径2.2.2提高发动机机械效率发动机机械效率：Pe------有效功率Pi------发动机指示功率Pm------发动机机械损失功率试验研究表明，当减少总摩擦损失的17%~21%时，，可以提高整机经济性3%~7%。imiemPPPP12.2发动机的节能原理与途径2.2.2提高发动机机械效率1.机械损失的组成：(1)机械摩擦损失1）活塞组件的摩擦减少9~11.5%2）轴承摩擦减少3%3）配气机构摩擦减少1.5~7.0%4）其他损失减少1~2%(2)辅助装置驱动功率消耗(3)泵气损失2.2发动机的节能原理与途径2.2.2提高发动机机械效率2.影响机械效率的主要因素：(1)转速的影响2.2发动机的节能原理与途径2.2.2提高发动机机械效率2.影响机械效率的主要因素：(2)负荷的影响2.2发动机的节能原理与途径2.2.2提高发动机机械效率2.影响机械效率的主要因素：(3)润滑条件的影响在保证各种环境和工况均能可靠润滑的前提下，尽量选用低粘度的机油，以减小摩擦损失，改善起动性能。2.2发动机的节能原理与途径2.2.2提高发动机机械效率3.减少机械摩擦损失的途径：1)降低活塞、活塞环、连杆等往复运动机件的质量。2)减少滑动部件的滑动速度及高面压比。3)减少润滑油的搅拌阻力4)润滑油的改良------低粘度化5)合理选择摩擦零件的材料，优化材料配对，提高摩擦表面加工精度2.2发动机的节能原理与途径2.2.3可燃混合气浓度与发动机工况的合理匹配发动机的经济性主要取决于它的燃烧过程。对燃烧过程的要求是：燃烧要迅速、及时、完全。1.化油器2.2发动机的节能原理与途径2.2.3可燃混合气浓度与发动机工况的合理匹配2.可燃混合气的成分及其对汽油机性能的影响2.2发动机的节能原理与途径2.2.3可燃混合气浓度与发动机工况的合理匹配2.可燃混合气的成分及其对汽油机性能的影响2.2发动机的节能原理与途径2.2.4提高循环热效率发动机从燃料的化学能转换为有效输出功的过程，是决定发动机动力性和经济性最关键的环节。有三个环节：燃烧负荷、循环热效率、机械效率。循环热效率是核心环节，热功转换是热能动力机械最本质的体现。t2.2发动机的节能原理与途径2.2.4提高循环热效率导致热效率下降的因素：1）工质向外传热的损失约损失6%t2.2发动机的节能原理与途径2.2.4提高循环热效率导致热效率下降的因素：2）早燃损失及后燃损失3）换气损失4）不完全燃烧损失5）缸内流动损失6）工质泄露损失t2.2发动机的节能原理与途径2.2.4提高循环热效率结论：提高压缩比可提高热效率。当燃料在上止点燃烧时，热功转换负荷最高。稀混合气的采用有利于提高热效率。2.2发动机的节能原理与途径2.2.5提高发动机压缩比从提高发动机的指示负荷的角度来看，压缩比愈大愈好。但压缩比过大，不但燃料超耗，还会引起不良后果，汽油机可能爆燃，柴油机可能加速零件磨损。汽油机压缩比的选择应以不发生爆燃为原则。柴油机压缩比的选择应以保证柴油机冷起动性能和最大负荷为原则，还要考虑排放气体对环境的污染。2.2发动机的节能原理与途径2.2.6采用可变压缩比爆燃一般发生在发动机全负荷时，部分负荷时一般不发生爆燃。为了满足大负荷的使用要求，不得不把压缩比降低。可变压缩比发动机由于压缩比可以变化，在部分负荷时压缩比高些，既防止爆燃，又可以节约20%的燃油。改变压缩比的办法：改变活塞行程、改变燃烧室容积。（难度非常大）2.3发动机节能技术2.3.1发动机稀燃技术3、发动机节能技术发展在汽油机方面主要应用电子控制燃油喷射系统（EFI）