发动机原理教案.docx
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发动机原理教案
发动机原理—教案
【发动机原理】教案 教材:
《汽车发动机原理》 张志沛主编 大连海运学院出版社 长安大学 汽车学院机电与动力研究所 目 录 绪论------------------------------------------------------------------------------------------ 1 第一章发动机工作循环及性能指标--------------------------------------------------------- 5 §1-1发动机理想循环概述----------------------------------------------------------5 §1-2发动机实际循环--------------------------------------------------------------- 7 §1-3热平衡------------------------------------------------------------------------ 8 §1-4指示指标----------------------------------------------------------------------- 9 §1-5有效指标----------------------------------------------------------------------11 §1-6机械损失----------------------------------------------------------------------13 §1-7燃烧热化学--------------------------------------------------------------------16 §1-8发动机混合气的着火和燃烧方式-----------------------------------------------20第二章发动机的换气过程--------------------------------------------------------------------22 §2-1四冲程发动机的换气过程------------------------------------------------------22 §2-2四冲程发动机的充气效率------------------------------------------------------23 §2-3影响充气效率的各种因素------------------------------------------------------25 §2-4提高充气效率的措施----------------------------------------------------------27 §2-5进气管内的动态效应----------------------------------------------------------29 §2-6单位时间充气量与循环充气量-------------------------------------------------30第三章柴油机混合气形成和燃烧------------------------------------------------------------32 §3-1柴油机混合气形成------------------------------------------------------------32 §3-2柴油机的燃烧过程------------------------------------------------------------ 1 36 §3-3柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响----------------------------39 §3-4柴油机的燃烧室--------------------------------------------------------------41第四章汽油机混合气形成和燃烧-----------------------------------------------------------46 §4-1汽油机混合气形成------------------------------------------------------------46 §4-2汽油机的燃烧过程------------------------------------------------------------49 §4-3汽油机的燃烧室--------------------------------------------------------------57第五章发动机噪声及排放污染--------------------------------------------------------------60 §5-1发动机噪声污染及防治-------------------------------------------------------60 §5-2发动机排放污染及防治-------------------------------------------------------63第六章发动机特性---------------------------------------------------------------------------66 §6-1发动机工况和性能指标分析式------------------------------------------------66 §6-2发动机速度特性--------------------------------------------------------------66 §6-3发动机负荷特性--------------------------------------------------------------70 §6-4发动机万有特性--------------------------------------------------------------72 §6-5发动机调速特性--------------------------------------------------------------73 §6-6大气修正---------------------------------------------------------------------77第七章发动机台架试验----------------------------------------------------------------------9 §7-1测量与计算参数--------------------------------------------------------------797 §7-2参数的测量 ------------------------------------------------------------------- 7 9 §7-3测取方法---------------------------------------------------------------------83第八章车用发动机的废气涡轮增压概述---------------------------------------------------85绪论 能量转换:
发动机-燃料的化学能?
热能?
机械能 机械能、电能等-高级能源;热能-低级能源《发动机原理》课研究:
热能?
机械能 机械能?
热能 发动机:
内燃机和外燃机 车用发动机:
间歇工作式发动机 四个冲程中只有一个冲程做功,做功不连续。
2 燃气轮机:
连续工作式发动机 一分类种类 1往复活塞式 2转子式-汪克尔式 早在19世纪,就有人设想过,但泄漏问题是这种发动机发展的致命弱点。
它结构紧凑,运转平稳,是高速车用发动机的发展方向之一。
1956年德国工程师汪克尔制造出样机。
目前日本已用于小轿车上,时速200km/h左右。
但光泄漏损失就要占30%以上。
目前我国苏杭等地已经生产出了样机。
与往复式比较应特别注意的一点是,往复式活塞在上下止点都稍有短暂的停留,与一般认为的观点相反,运动方向的这些改变并不影响它的效率;也就是说,在这个过程中,并没有什么固有的损失。
旋转式比往复式的优越之处主要是几何形状上的紧凑性及此而引起的一些优越之处,并非直接在气体动力学和热力学方面有何优越之处。
3摆动活塞式 1979年日内瓦发动机展览会上,展出了瑞士索罗图恩的萨尔茨曼设计部门的摆动活塞式发动机。
4斯特林 1816年罗伯特·斯特林设想在气缸外部燃烧的一种热力发动机,是现代发动机引人注目的一种。
5自活塞式 只相当于涡轮发动机的燃气发生器。
往复活塞式发动机的分类 我们这门课主要研究目前汽车上广泛应用的往复式活塞发动机。
1按用途分类 灌溉用点工况 电站用n=const.线工况固定式柴油机或机组 船舶用Ne=kn3线工况大型、低速柴油机汽车、拖拉机用变工况-面工况中小型、高速柴油机发动机车大型高速柴油机组 工程机械多变型坦克V型、多缸机 飞机星型已基本不用 3 2按燃油种类分类 汽油机,柴油机 3按点火方式分类 自行着火,外源点火 4按工作循环分类 四冲程,二冲程 5按冷却方式分类 水冷,风冷 6按汽缸排列分类 直列式,卧式,V型,星型 7按汽缸数目分类 单缸机,多缸机 8按转速分类 低速:
n 中速:
500r/min1500r/min 但没有明确的界限。
9按增压分类 增压,非增压 10按能源分类 压缩天然气,液化天然气,液化石油气,氢气, 4
甲醇,乙醇,二甲醚,植物油, 电瓶,太阳能 二优缺点优点1有效热效率高 蒸汽机11~16%,蒸汽轮机30%, 汽油机30%,柴油机40%,增压柴油机46%以上2功率范围广 Ne=~35000kw 3比重量小,升功率大 比重量:
柴油机kg/kw,车用汽油机kg/kw4起动性好 可很快达到全负荷 缺点1对燃料要求高 石油紧张,汽油、柴油价格高;要求一定的标号。
2噪声、排污3结构较复杂 三现代发动机的发展 60年代以前:
动力性,可靠性,耐久性 70~80年代:
经济性,动力性 90年代口号:
清洁,经济,安全1相关学科日益增多,学科之间相互渗透2标准化,系列化,通用化3新材料,新工艺,新产品 4使用计算机设计、计算零部件及其配合,精密、准确、优化5设计、零部件生产商分散?
集中?
分散 分散的小公司到集中的大型脱拉斯,如今又分散到小公司,其主要原因是优 化产品,节省开支,降低成本。
甚至象丰田、宝马这样的超级企业有时也需合作开发新产品。
6电控应用日益增多,混合气制备更加完善7检测设备与手段先进 8低排放的代用燃料发动机正在普及,零排放的正在开发并进入实用 四本课程的研究对象和任务对象 本课程以性能指标作为研究对象 5 深入到工作过程的各个阶段,分析影响性能指标的各种因素,找出规律,研究提高性能指标的措施与途径。
性能指标 1动力性指标 2经济性指标3运转性指标 衡量发动机的质量,还要考虑可靠性,耐久性,加工容易,操纵维修方便,成本核算等,全面综合评定。
工作过程 发动机冲程:
吸气?
压缩?
做功?
排气 热力过程:
吸气?
压缩?
燃烧?
膨胀?
排气 燃烧?
膨胀为能量转换过程 任务 研究热力过程,热力循环,整机性能 明确基本概念,基本技能。
培养综合分析问题的能力。
单位制 我国的法定计量单位 6 第一章发动机工作循环及性能指标 §1-1发动机理想循环概述 一实际循环向理想循环的简化 实际循环1进气过程:
0~12压缩过程:
1~2 初期:
工质吸热;后期:
工质放热。
3燃烧过程:
2~3~44膨胀过程:
4~5 初期:
工质放热;后期:
工质吸热。
5排气过程:
5~0 实际循环的简化1忽略进、排气过程 2压缩、膨胀过程简化为绝热过程 3燃烧过程简化为定容加热过程和定压加热过程4排气放热简化为定容放热过程5假定工质为定比热的理想气体 二理想循环及其分析比较混合加热循环 -车用柴油机的理想循环1循环特征参数压缩比 v1 ?
?
v2压力升高比 p3 ?
?
p2预胀比 7 v4 ?
?
v32热效率 w0q2q2v?
t?
?
1?
?
1?
q1q1q1v?
q1p?
?
k?
1计算得:
?
t?
1?
k?
1?
(?
?
1)?
k?
(?
?
1)?
13分析 ?
为定值 ?
?
?
?
t?
;?
?
?
?
t?
。
?
=1?
?
t=const.?
?
?
?
t?
;当?
=20左右时,?
?
?
?
t?
不大 柴油机?
=12~22 定容加热循环 -汽油机的理想循环1热效率 v4因为:
预胀比?
?
?
1 v31所以:
热效率?
t?
1?
k?
1 ?
2分析 ?
=1?
?
t=const. ?
?
?
?
t?
;当?
=10左右时,?
?
?
?
t?
不大且汽油机容易爆燃,因此,汽油机?
=6~10 定压加热循环 -船舶用大型低速柴油机的理想循环1热效率 8 p3因为:
压力升高比?
?
?
1 p2?
k?
11所以:
热效率?
t?
1?
?
k?
1k(?
?
1)?
2分析 ?
为定值?
?
?
?
t?
?
为定值?
?
?
?
t?
三种理想循环热效率的比较 1初态1相同,压缩比?
相同,加热量q1相同?
t,v?
?
t,m?
?
t,p 2初态1相同,最高压力pmax、最高温度Tmax相同,放热量q2相同?
t,v?
?
t,m?
?
t,p §1-2发动机实际循环 发动机理想循环加上各项损失后,即可分析发动机的实际循环。
一工质改变损失工质性质 理论上:
理想气体,双原子气体。
实际上:
燃烧前:
燃料+空气; 燃烧后:
燃烧产物。
比热 理论上:
定比热 实际上:
温度T?
?
比热C?
高温分解 9
例C+O?
CO+热量[+O]?
CO2+热量 其中CO为中间产物,CO2为最终产物。
若遇高温,则会发生复分解反 应,即高温分解:
CO2?
CO+O-热量 这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来,但于活塞已接近下止 点,做功效果变差,热效率下降。
二传热、流动损失传热损失 理论上:
压缩、膨胀过程为绝热过程。
实际上:
大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。
传热损失是发动机中的最大损失,占总损失量的30%以上。
因此,许多研 究者致力于开发绝热发动机。
流动损失 理论上:
闭口系统,没有气体流动损失。
实际上:
进、排气节流沿程损失,缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。
三换气损失 理论上:
忽略进、排气过程。
实际上:
进、排气门提前开启,迟后关闭。
而且有流动阻力。
换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。
泵气损失包含在换气损失 之中。
四时间损失 理论上:
定容加热瞬间完成,定压加热速度与活塞运行速度密切配合。
实际上:
燃烧需要时间。
五补燃损失 理论上:
加热瞬间停止,膨胀过程无加热。
实际上:
虽然大部分燃料在燃烧过程中燃烧掉,但仍有小部分燃 料会拖到膨胀线上才燃烧,做功效果变差,热效率下降。
六泄漏损失 理论上:
闭口系统,无泄漏。
实际上:
活塞气环不会100%严密密封,总会有些气体窜到曲轴箱中,造 成损失。
§1-3热平衡 总热量:
QT=GThu 分别转化为一有效功的热量QE Qe?
36.?
103Ne[kJ/h] 只有这部分热量做了功,是有用的,所以希望越大越好。
一般 柴油机:
30~40%;汽油机:
20~30%。
10 Qe令qe?
QT二传递给冷却介质的热量QS QS?
GScS(t2?
t1) 其中Gs-发动机冷却介质的每小时流量[kg/h] cs-冷却介质比热[kJ/kg·℃] t1,t2-冷却介质的进、出口温度[℃] 三废气带走的热量QR QSqs?
QT QR?
(Gr?
Gk)(cprt2?
cpt1) 其中Gr-燃料量[kg/h] Gk-空气量[kg/h] cpr-废气比热[kJ/kg·℃] cp-空气比热[kJ/kg·℃] t1,t2-进、排气温度[℃] 四燃料不完全燃烧的热损失QBQRqr?
QE QB?
QT(1?
?
r) 其中?
r-燃料效率 五其它热量损失QL QBqb?
QTQL?
QT?
(QE?
QS?
QR?
QB) 发动机热平衡方程式:
qe §1-4指示指标 ql?
qt?
(qe?
qs?
qr?
qb) ?
qs?
qr?
qb?
ql?
1 11 p-V图 p-φ图 发动机性能指标:
指示指标,有效指标 指示指标:
以工质在汽缸内对活塞做功为基础,评价工作循环的质量。
有效指标:
以曲轴上得到的净功率为基础,评价整机性能。
示功图:
发动机缸内压力p随汽缸容积V或曲轴转角?
变化的图示。
一指示功和平均指示压力指示功Wi 一个循环工质对活塞所做的有用功。
应该:
非增压:
Fi?
F1?
F2增压:
Fi?
F1?
F2因为:
F2不容易测量,实际将F2归到机械损失中考虑。
所以:
Fi?
F1 Wi?
Fi?
a?
b其中a,b-横、纵座标比例尺 指示功大,说明○汽缸工作容积大○热功转换有效程度大。
为突出后 者,比较不同大小发动机的热功转换有效程度,引入平均有效压力的概念。
12 平均指示压力pi 单位汽缸工作容积所做的指示功。
Wi pi?
Vh 其中Vh-每缸工作容积。
pi,柴 pi,汽?
686~981[kpa]?
784~1180[kpa] 二指示功率Ni 单位时间所做的指示功。
若:
缸数i,每缸工作容积Vh[m],冲程数?
,平均指示压力pi[pa], 转速n[r/min]。
则 3n2piVhin Ni?
Wi?
i?
[w]?
?
60?
30?
piVhin ?
?
10?
3[kw] 30?
若:
每缸工作容积Vh[L],平均指示压力pi[bar]。
则 piVhin Ni?
[kw] 300?
三指示比油耗和指示热效率指示比油耗gi 单位指示功率的耗油量。
GT gi?
?
103[g/kw·h] Ni GT-每小时耗油量[kg/h] 指示热效率?
i Wi ?
i?
Qi Qi-做Wi指示功所消耗的热量。
36.?
106 ?
i?
gihu hu-燃料的低热值。
?
i,柴?
~ gi,柴=170~200[g/kw·h] 13 ?
i,汽?
~ gi,汽=230~340[g/kw·h] §1-5有效指标 一有效功率和机械损失功率有效功率Ne 单位时间所做的有效功。
peVhin Ne?
?
10?
3[kw] 30?
其中pe-平均有效压力。
机械损失功率Nm 发动机内部损耗的功率。
机械损失包括:
发动机内部摩擦损失;驱动附件损耗,如:
机油泵、燃油泵、 扫气泵、冷却水泵、风扇、配气机构;和泵气损失等。
pmVhin Nm?
?
10?
3[kw] 30?
Ne?
Ni?
Nm 其中pm-平均机械损失压力。
二有效扭矩Me 功率输出轴输出的扭矩。
2?
n Ne?
Me?
[w] 602?
n ?
Me?
[kw] 360?
10Men ?
[kw] 9550 三平均有效压力pe 单位汽缸工作容积所做的有效功。
peVhin 于 Ne?
?
10?
3[kw] 30?
piVhin Ni?
?
10?
3[kw] 30?
peNe 所以 pe?
pi?
pm?
piNi 14
Me?
pe?
314[kpa].Vhi pe?
Me pe,柴?
588~883[kpa] pe,汽?
588~981[kpa] 四升功率和比重量升功率Nl 单位汽缸工作容积所发出的功率。
Ne Nl?
iVhpen ?
?
10?
3[kw/l] 30?
比重量Ge 发动机净重量G与所发出有效功率Ne的比值。
G Ge?
[kg/kw] Ne Nl?
,Ge?
?
发动机强化程度高。
Nl,车柴?
11~26[kw/l] Ge,车柴?
4~9[kg/kw] Nl,拖柴?
9~15[kw/l] Ge,拖柴?
~16[kg/kw] Nl,汽?
22~55[kw/l] Ge,汽?
~4[kg/kw] 可见,汽油机的强化程度要比柴油机的高。
五有效比油耗和有效热效率有效比油耗ge 单位有效功率的耗油量。
GT ge?
?
103[g/kw·h] Ne GT-每小时耗油量[kg/h] 有效热效率?
e We ?
e?
Qe Qe-做We有效功所消耗的热量。
?
106 ?
e?
gehu 15 ?
e,柴 ?
e,汽?
~ ge,柴=218~285[g/kw·h]?
~ ge,汽=285~380[g/kw·h] 此可见,柴油机的热效率比汽油机的高,经济性比汽油机好。
§1-6机械损失一机械效率?
m 对于不同类型的发动机,绝对损失大的,其相对
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