发动机原理讲义

汽车发动机原理讲义汽车与交通工程学院车辆工程专业2013年9月引言1.课程介绍课程教学方法改革（试行）平时成绩包括（基础分30分，满分60分）出勤：出勤+1分/次，满分10分，缺勤-2分/次（注：不接受事假）作业：1-5分（注：每人基本一次，与笔试相关）课堂表现：提问：+（1-3分）/次,-（1-2分）/次（注：复习提问，笔试）状态：异常状态-（1-2分）/次专题讨论：1-5分/次（注：与笔试相关，优先级,每人最多两次）口试：0-15分（注：含实验，与笔试相关）教学建议：1-2分/次笔试成绩加分：>90分，平时成绩+(5-8)分；>80分，平时成绩+(2-5)分(注：平时成绩满分60分)课程改革目的：重视学习过程！2.复习《汽车构造》相关内容3.本课程主要研究对象：四冲程往复活塞式内燃机4.专业名词缩写GDI：汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection）HCCI：均质混合气压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition）VVT:可变气门正时（Variable Valve Timing）CAI:可控自动点火(Controlled Auto Ignition)VCR:可变压缩比（Variable Compression Ratio）starter/generator：起动发电一体机/ISG5.内燃机工作性能指标：动力性能【功率、转矩、转速】；经济性能【燃料与润滑油消耗率】；运转性能【冷起动性能、噪声和排放品质】；耐久可靠性能【大修间隔时间、无故障长期工作能力】第一节示功图与指示性能指标一、示功图1.工质：工作介质，进行能量转换的气体或流体内燃机—工作过程中气缸中的气体：空气/可燃混合气/已燃气体（变化的）2.示功图：P-V图，P-图--展开示功图工程热力学：正循环、逆循环示功图测取装置：燃烧分析仪（示功图实验）注：理解并能画出示功图二、指示性能指标定义：以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示(Indicated)指标。

【评价工作循环的质量】1.指示功和平均指示压力1)指示功气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi；（D和S分别为汽缸直径和活塞行程）✓指示功大小由p-V图中闭合曲线所占有的面积求得；✓增压发动机，由于进气压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，所以应是两部分面积相加。

（图2-3）2）平均指示压力（Pmi,Pa/MPa)单位气缸容积一个循环做的指示功；假想平均不变的力，作用在活塞顶，推动活塞移动一个行程所做的功等于Wi。

2.指示功率定义：单位时间内做的指示功3.指示热效率和指示燃油消耗率指示热效率：指示功与所消耗的燃料热量的比值指示燃油消耗率：单位指示功的耗油量（单位：g/(kW*h)）第二节有效性能指标定义：以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效(Brake/Effective)指标。

注：只有与作功有关的指标，如功、功率、油耗、平均压力、热效率等，才有“有效”与“指示”之分。

一、机械效率和有效功率1.有效功率Pe2.机械损失功率Pm：运动件的摩擦功率以及驱动风扇、机油泵、燃油泵、发电机等附件所消耗的功率。

3.机械效率ηm：二、平均有效压力、有效功率和升功率1.平均有效压力Pme：2.升功率PL：在额定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。

三、由吸入空气量计算平均有效压力1.充量系数Φc：若把每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状态(Ps、Ts)下的体积V1，其值一般要比活塞排量Vs小，两者的比值定义为充量系数；表征实际换气过程进行完善程度的参数。

2.过量空气系数Φa：燃烧1kg燃料的实际空气量与理论空气量之比。

四、有效热效率和有效燃油消耗率1.有效热效率ηet2.有效燃油消耗率be五、平均活塞速度Cm=2s*n（发动机强化指标之一）注意：发动机转速与活塞速度不是一个概念！平均活塞速度越高，发动机强化度也越高。

第三节机械损失与机械效率一、机械损失的组成部分1.活塞与活塞环间的摩擦（45－65％）；轴承与气门机构的摩擦（2－3％）；驱动附属机构（10－20％）；风阻；扫气泵及增压器（10－20％）2.【讨论】1）机械损失是否包括泵气损失，为什么？2）自然吸气式汽油机和自然吸气式柴油机的机械效率，哪个高一些？3）增压发动机和自然吸气式发动机的机械效率，哪个高一些？二、机械损失的的测定【专题讨论】示功图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法的优缺点及适用范围？第四节排放指标【课外阅读】为什么有重型车和轻型车排放法规之分？（或思考上表，为什么比排放量有两种单位？）第五节提高内燃机动力性能和经济性能的途径【专题讨论】1.推导上述内燃机动力性能和经济性能的综合表达式？2.分析其含义，即提高内燃机动力性能和经济性能有哪些途径？第二章内燃机的工作循环内燃机通过排气过程排出已燃废气，通过进气过程吸入新鲜空气或空气与燃料的混合气，为下一循环做好准备；通过活塞的压缩行程，将混合气的温度压力提高到一个合适的水平，然后燃料以点燃或压燃的方式开始燃烧释放出热能。

在燃料燃烧的过程中，缸内工质被加热，温度和压力得到进一步的提升，在活塞通过上止点后的膨胀行程对外做功，从而将燃料燃烧所产生的热能转化为机械能。

第一节内燃机的理论循环【专题讨论】四冲程内燃机典型的理论循环a)等容加热循环b)等压加热循环c)混合加热循环【讨论】燃烧过程可简化成定容加热、定压加热和混合加热，为什么不一样，依据是什么？内燃机理论循环的比较【讨论】分析上表中的热效率和平均压力表达式，讨论以下问题：1.各参数对热效率和平均压力有何影响？2.内燃机实际工作条件会对理论上提高热效率和平均压力的措施产生哪些限制？第二节内燃机的燃料及燃烧热化学一、内燃机的燃料二、燃烧热化学1.化学计量空燃比2.燃料的热值在标准状态(101.3kPa，298.15K)下，每千克燃料完全燃烧所放出的热量称为燃料的热值。

3.燃烧前后物质的量变化系数燃料与空气形成的混合气在内燃机缸内燃烧后，燃烧产物的物质的量与反应物的物质的量之比用μ0表示。

4.残余废气系数与排气再循环(EGR)率1）残余废气系数发动机进气门关闭后，缸内气体的总质量为ma，由本循环吸入的新鲜充量m和上一循环残留在缸内的废气mr组成，内燃机缸内的残余废气系数与其压缩比、进气压力、配气正时等有关。

2）排气再循环率在每个循环吸入的新鲜充量m1中，若其中一部分是来自发动机的排气，用来稀释可燃混合气和降低发动机最高燃烧温度，减少NOx的生成与排放，称为排气再循环(EGR)。

排气再循环率的定义为参与再循环的排气的质量m EGR/占新鲜充量m1的百分比，即=m EGR/m1。

EGR借助发动机的残余废气系数和EGR率，还可以计算出发动机缸内已燃废气占总混合气量的比例：第三节内燃机的实际循环【专题讨论】自然吸气压燃式内燃机理论和实际循环p-V图的比较自然吸气压燃式内燃机理论和实际循环相比，存在哪些损失【导致P-V图有用功面积减小】，为什么？第三章内燃机的换气过程内燃机性能很大程度上依赖其换气过程的完善程度（评价指标：充量系数），为提高动力性和经济性指标，需要研究减少排气流动阻力损失、提高充量系数和各缸均匀性的措施及方法。

第一节四冲程内燃机的换气过程第二节四冲程内燃机的换气损失预习/讨论：1.换气过程的目的是什么；2.结合参考书预习图3.1和图3.2；3.自由排气和强制排气阶段，哪一个阶段排出废气多，哪一个阶段占用时间长；4.进排气门为何提前开启，推迟关闭；5.为何说存在最佳进排气提前角、迟闭角（过大或过小都有不利影响）；6.何为气门重叠，自然吸气汽油机、柴油机和增压柴油机的气门重叠角的大小顺序；7.转速增大，4个相位角应增大还是减小，哪一个相位角对充量系数影响最大，哪一个对换气损失影响最大。

8.自然吸气发动机、增压发动机的理论泵气功（理论讯黄）、实际泵气功（实际泵气功）、泵气损失分别为正、负、还是零；9.结合“问题3”，思考VVT技术的意义。

图3.1四冲程内燃机换气过程的示意图a)配气相位与低压p-V示功图b)气门升程与p-φ示功图IVO—进气门开启角IVC—进气门关闭角EVO—排气门开启角EVC—排气门关闭角Vc—余隙容积Va—气缸工作容积图3.2四冲程内燃机的换气损失示意图a)自然吸气内燃机理论换气过程b)自然吸气内燃机实际换气过程c)增压内燃机理论换气过程d)增压内燃机实际换气过程W—膨胀损失X—推出损失Y—吸气损失一、排气过程1.自由排气过程自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的这个时期，称为自由排气阶段（排出60%--70%的废气）排气门提前开，一般排气提前角设计为30-80°CA曲轴转角。

超临界排期阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，因此高速机中，应加大排气提前角（时间相对减少）；一般汽油机的排气提前角小些，柴油机的大些，增压柴油机的更大一些。

2.强制排气阶段强制排气阶段：气缸内压力下降到接近排气管内压力时（下止点后10~30°CA），压力差很小，废气需依靠活塞上行被强制推出。

3.换气损失：排气门提前开启造成的膨胀损失、活塞要消耗一定的功来推出缸内废气（推出损失）和内燃机还要消耗一定的功来克服吸气时因缸内真空度所形成的阻力（吸气功损失），统称为换气损失。

（图3.2）排气损失：由于排气门提前开启，造成循环功的损失W（膨胀损失或自由排气损失）；和活塞将废气推出的损失X（推出损失或强制排气损失）1）随着排气提前角的增大，膨胀损失增加，推出损失减小。

适当的排气提前角应使两者之和最小，即W+X最小；2）发动机转速增高时排气损失总体上呈现增加的趋势，所以排气提前角应随着转速的增加而适当加大；3）减小排气损失的方法除了合理确定排气提前角外，还可增加排气门数目，增加流通截面积。

二、进气过程进气阶段：排气门关闭后，活塞继续下行，新鲜气体被吸入气缸。

1）气缸内的压力低于大气压力（进气系统有一定的阻力）；温度高于大气温度（受到缸内残余废气的加热）；2）发动机高速运转时进气流速高惯性大，进气门迟闭角应相应增大一些，一般在20°-60°CA范围内；3）过大的进气门迟闭角，会在低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会降低发动机的有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机冷起动困难。

因此，合理的配气正时是十分重要的。

4）惯性进气阶段：利用气流的惯性进气，进气门滞后关。

转速越高，活塞平均速度和进气流速越大，进气气流动能越大，故高速内燃机进气滞后角较大（相同曲轴转角的进气时间变少了）。

5）进气损失：由于进气系统存在阻力，造成循环功的损失。

在数值上，进气损失明显小于排气损失；但进气损失不仅体现在进气过程所消耗的功上，更重要的是它影响发动机的充量系数，对发动机的性能有显著的影响；合理调整配气正时、加大进气门的流通面积、正确设计进气管及进气的流动路径，以及适当降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少，从而提高发动机的充量系数，改善发动机的性能。