吉林大学发动机原理讲义课件

吉林大学发动机原理讲义课件参考书目《发动机原理》林学东（教材）《汽车拖拉机发动机》董敬机械工业出版社2001《汽车构造》（上册）陈家瑞机械工业出版社2001《工程热力学》陈贵堂北京理工出版社1998《内燃机学》周龙保机械工业出版社2004《内燃机原理》蒋德明中国农业机械出版社1988《内燃机原理》刘永长华中理工出版社1992教师信息•信息–韩永强[e-mail]471738860•讲课缺点–内容多（重点不突出）；思维跳跃（容易跑题）；板书乱、语速快•拟改正方法–每章后给大家电子版讲义；挑重点讲（常识性的，考试的）•奖励–笔记，不考勤（若强烈要求），不计入成绩（即使强烈要求）•目标：–希望大家能了解更多的发动机基本和前沿知识并成为大家的朋友发动机基本流程•能量转换过程（实际）燃料化学能飞轮机械能气体热能燃烧空气燃料气体势能膨胀换气供油可燃混合气压燃点燃有效压缩比相位速率传热损失高压活塞机械能传递废气能量损失机械损失配气相位排气讲授主线及分值分布•提出发动机的性能指标（t、i、e）、工作循环历程、各种指标的计算方法（一二章）20-25分；•介绍燃料特性、燃烧初步、燃烧反应热化学计算，明确为何分为汽油、柴油两种（三章），10-15；•据燃料特性讲授汽油机、柴油机的混合气形成，燃烧组织方式，相应的结构措施，各个参数对燃烧、性能的影响规律（四五章）25-30；•综合上述知识讲授发动机实际工作中的特性及各种运行指标对特性的影响（六章）25-30分；•有害物排放与控制简介（前沿技术简介）5-10分。第一章发动机的性能指标•定义及意义–评价发动机优劣的依据（优秀学生干部；超女、亚姐；帅哥VS好发动机）•按来源分–理论指标：基于理论循环得出的动力性、经济性指标；–指示指标：基于缸内实际循环得出的动力性、经济性指标；–有效指标（实用指标）：发动机实际运行中所表现出的各种性能指标。•按评价内容分–动力性：PeTtqn–经济性指标：热效率，b，B；–排放指标：NOx、PM、CO、HC，臭味–运行指标：冷起动、噪声、–加工工艺：可靠性、耐久性、成本•决定因素：工作循环过程（燃烧组织）、后处理第一章发动机的性能•发动机优劣对比（综合性）BenzW12(20/Y)S195(20W/Y)动力性160kW10kW经济性197g/kWh（30L/h）250g/kWh（3L/h)排放欧V(0.32kg/h)Nox，2g/kW.h（标定点）欧-5？(0.15kg/h)15g/kWh使用特性35W（价格）2.5K$1.1发动机理论循环•理论循环的定义（What、How、Why）–在一定的简化条件下将发动机的实际工作循环按燃烧过程不同抽象为几种典型的热力学可描述的过程（P-V、T-S图），用于获得某些的性能评价指标及各种参数对该指标的影响规律（效率T-S、功P-V）。$1.1发动机理论循环•简化条件–封闭循环•换气过程为定容放热，无物质交换；–绝热•压缩过程、膨胀过程为绝热（等熵），不考虑传热损失；–热源加热•燃烧过程为瞬时热源加热（定容或定压），不考虑燃烧过程的时间、燃烧损失；–理想工质•工质为空气、不考虑成份变化及数量变化；–可逆过程•循环中无能量的损失只有能量的转换，总熵产为0，可用热力学的循环来表示。$1.1发动机理论循环•分类（燃烧过程）–定容循环（汽油机）•燃烧迅速、上止点（定容：余隙容积）加热。–定压循环（大型柴油机）•上止点后燃烧、加热缓慢，放热量导致的压力增加与容积增大引起的压力下降抵消，压力维持不变。–混和循环（车用高速柴油机）•一部分（预混和燃烧）定容燃烧、一部分（扩散燃烧）定压。$1.1发动机理论循环•典型热力学过程表达形式：P-V图，T-S图状态方程（理想气体）：nRTPV，P为压力，V为体积，n气体的摩尔量，R与气体成份相关的热力学常数，T温度典型热力过程在P-V、T-S图中的表现及特点T-S图中定容过程曲线的斜率：vCTdSdT；定压过程曲线斜率：pCTdSdT；因为CvCp所以定容曲线陡峭，而定压过程曲线较平缓。对于P-V图等熵过程KKVVPPCPV)(2112即；等温过程：CPV，等温斜率小可能涉及到的热力学过程为：等熵、等温（燃烧温度控制：NOx、热负荷）、定容、定压$1.1发动机理论循环•典型热力学过程$1.1发动机理论循环•理论循环历程（板书）–等熵（绝热）压缩：a-c–工质加热（理想燃烧过程）c(-z‘)-z–等熵（绝热）膨胀：z-b–定容放热（理想换气过程）：b-a.$1.1发动机理论循环•可得到的指标–Wt为一次量，其余为引申量。动力性：理论循环平均压力tp：单位汽缸工作容积所做的理论循环功sttVWp＝sVQQ21(J/3m)[MPa]Wt$1.1发动机理论循环•可得到的指标–Wt，Q1为一次量，其余为二次量。经济性：循环热效率（t）：工质所做的循环功W（J）与循环加热量Q1之比。Q2Q1Q1Q21212111QQQQQQWtt$1.1发动机理论循环•各因素对性能的影响（必考内容）解析方法及公式：基于a点相同、Q1相同（特殊情况除外），其余参数不变（若有可能）的T-S、P-V图（尤其是T-S图）进行分析，1212111QQQQQQWtt212SSdSTQ（定容放热线下方面积）T-S图中定容过程曲线的斜率：vCTdSdT；定压过程曲线斜率：pCTdSdT；因为CvCp所以定容曲线陡峭，而定压过程曲线较平缓。对于P-V图等熵过程KKVVPPCPV)(2112即；等温过程：CPV，等温斜率小$1.1发动机理论循环•压缩比影响分析方法（以混和加热循环为例）设a点相同（进气终了状态一样），循环加热量Q1相同（即Q1’，Q1’’均相同）。据上图有（Q2）1（Q2）2&1212111QQQQQQWtt&Q1=C有t,2t,1，可见理论循环热效率随压缩比的增加而提高。并不是压缩比越高越好。当压缩比超过16以后随压缩比的增加热效率上升缓慢。$1.1发动机理论循环•压缩比影响无论任何循环模式有t。对于汽油机压缩比一般小于14（主要受到爆震限制），提高压缩比有潜力；柴油机压缩比一般大于18（保证可靠压燃），若过度提高压缩比得不偿失（平坦、Pz热负荷、机械负荷、噪声，）。$1.1发动机理论循环•绝热指数理论循环热效率随绝热指数的增加而提高。K取决于工质性质，对于双原子分子（空气）K=1.4，多原子气体K=1.33，发动机的混和气K=1.32～1.4。柴油机热效率高的四个要素压缩比高、混和气绝热指数高、泵气损失小、燃烧完全。$1.1发动机理论循环•三种循环效率对比压缩比＝C，Q1＝CQ2,VQ2,mQ2.p――vt，mt，pt，$1.1发动机理论循环•三种循环效率对比Pz＝C，Q1＝CQ2,VQ2,mQ2.p――vt，mt，pt，$1.2发动机实际循环•组成（四行程）–进气、压缩、燃烧、膨胀和排气。•表达方式–通常用气缸内工质的压力随气缸容积（或曲轴转角）的变化图形P—V图（或P—Φ）图来表示，称为示功图。(T-S图不适用，不可逆）•理解–以缸内工质对活塞做功为研究对象的循环描述–以热力学过程为研究对象的循环描述（理论）$1.2发动机实际循环•示功图分析（功的走向）czbbbi----工质对活塞做的功；正功。rrabr1----泵气损失；增压机：正功；非增压机：负功$1.2进气过程（r－a）①作用：吸入新鲜工质，为加入Q1作准备；②特点：0aa0克服进气系统阻力，0a0a缸内残余废气加热；高温机件加热；汽油机，进气预热。引起进入的新鲜气体变少，导致充气效率（充量系数）1。参数范围及可评价性能进气终点的压力Pa进气终点的温度Ta：汽油机Pa=（0.8～0.90）0Ta=340～380K柴油机Pa=（0.85～0.95）0。Ta=300～340K增压柴油机Pa=（0.9～1.0）Ta=320～380K汽车发动机增压压力=（1.3～2.8，4.0）0柴油机无节气门、进气阻力小且无进气加热所以Pa,Ta，充量系数v$1.2压缩过程（a－c）①作用：增大工作过程的温差；增大膨胀比，提高热功转换效率；为燃烧过程创造有利的条件；柴油机，压缩高温是保证混合气形成及着火的必要条件。②压缩比：caVVCSccsVVVVV1范围：汽油机=7～10柴油机=14～22增压柴油机=12～15$1.2压缩过程（a－c）③特点：多变过程。开始，工质壁，工质吸热，nˊ1＞K；某一瞬间T璧=T工质，nˊ1=K；后期，由于T璧＜T工质，nˊ1＜K。但在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数则来取而代之，n1称为平均压缩多变指数。n1的范围：汽油机n1=1.32～1.38高速柴油机n1=1.38～1.40增压柴油机n1=1.35～1.37④n1的影响因素：n1主要受工质与缸壁间的热交换及工质泄漏情况的影响。当转速n↑→向缸壁的传热量及气缸泄漏量减少n1；↑当负荷↑→气缸温度增高及相对的传热量和泄漏量减少n1↑；$1.2压缩过程（a－c）⑤压缩终了的参数及可评价性能Pc(MPa)Tc(K)汽油机0.8～2.0600～750柴油机3.0～5.0750～1000增压柴油机5.0～8.0900～1100压缩终了压力Pc可以用于检测气缸泄露情况。用缸压表在要求转速下测量压缩压力，若低于某一阈值则必须换活塞环或采取别的措施。柴油机压力、温度高于汽油机原因为压缩比高、绝热系数大$1.2燃烧过程（C-Z）①作用：（c－z线）将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度升高。放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。②要求：燃烧完全、及时。③参数范围：Pz(MPa)Tz(K)汽油机3.0～6.52200～2800柴油机4.5～9.01800～2200增压柴9.0～14.01900～2100④参数比较：柴油机ε大－Pz↑汽油机混合气热值高、燃烧温度高－Tz↑$1.2膨胀过程（Z-B）①作用：热向功转换。②特点：多变过程，比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有补燃等现象。开始，有补燃对工质加热向缸壁散热，工质吸热kn2；某一瞬间工质达到热平衡，2n=k；此后，由于工质向缸壁散热多，n2ˊ＞k。如同压缩过程一样，为简便起见，在计算中常用一个不变的平均膨胀多变指数n2来取而代之。$1.2排气过程（b－r）①作用：将气缸内的废气排除，放出2Q为下一循作准备。②特点：0r0r用来克服排气系统有阻力，排气终了的压力Pr愈大，说明残留在气缸中的废气就愈多。排气温度Tr低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进行得好。排温Tr偏高，应立即查明原因。③参数范围：排气终了的压力（MPa）、温度（K）是汽油机和柴油机Pr=（1.05～1.2）P0汽油机Tr=900～1100柴油机Tr=700～900$1.2指示指标•指示指标用来评定实际循环质量的好坏，以工质在气缸内对活塞做功为基础。•用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性——即做功能力。用循环热效率及燃料消耗率评定循环的经济性。•分类动力性指标：循环指示功iW，平均指示压力mip，指示功率Pi经济性指标：指示燃料消耗率bi和指示热效率i$1.2动力性指标•循环指示功Wi（kJ）：一个实际循环工质对活塞所做的有用功。•平均指示压力pmi(MPa)：发动机单位气缸工作容积(L)一个循环所做的指示功。•计算方法：–测取示功图（P-Φ），利用数值积分方法进行计算。4;2SDVVWpssimidddVpWi3600$1.2动力性指标mip的范围：汽油机0.8～1.5MPa柴油机0.7～1.1MPa增压柴油机1～2.5MPa$1.2动力性指标3指示功率i：指示功率Pi（MPa）：发动机单位时间所做的指示功。i=30...260niV