卡特发动机 原理
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– N=W/t – 1瓦=1焦耳/秒 – 1千瓦（kW）=1000瓦（W） – 1马力（Hp）=0.735千瓦(kW)
功与能量
系统内能变化的两种方式：
– 作功 – 传递热量
1卡(K)=4.18焦耳(J)
燃烧化学
柴油(质量):
– C: 87%; H: 12.5 %; O: 0.4%;
空气(质量):
四、功 的 定 义
力对物体作的功为：力沿物体位移方 向的分量与物体位移的乘积。
– W=F·S ·COSα – 1焦耳=1牛·米
F
α
S
功的定义
力矩对转动物体作的功为：力对物体 转轴的合力矩与物体角位移的乘积。
– W = M ·θ – 1焦耳=1牛·米
θM
功率的定义
功率：在单位时间内力作的功。
• 强制性的阶段性的排放法规 • 我国从80年代起也相应制订了有关
的标准,2002年将有针对重型柴油 机的排放法规出台
政府通过强制性的排放法规推动内燃机技术的发展
严格的排放法规
强制性的要求!
– 300-600bhp机型2001，1，1 必须满足US EPA Tier 2
下一步的要求： – 所有机型到2006年必须满足Tier 2
增大输出功的方法
1. 增加燃烧产生的能量 2. 提高循环的热效率 3. 提高机械效率
六、增压问题
输出更大的能量需要燃烧更多的 燃油和空气
1. 增大排量 2. 提高转速 3. 增 压 4. 增压中冷
废气涡轮增压
利用废气的能量驱动废气 涡轮旋转，带动空压机对 进气进行压缩。
废气涡轮增压利用的是机 械损失中的一部分能量使 柴油机发出更多的功，提 高了机械效率。
提高了热效率，降低燃油 消耗
机械增压
废气涡轮增压
高温废气使废气涡轮和 空压机温度升高，进气 温度上升造成实际进气 量的降低
热负荷增大，须冷却活 塞
进一步增加进气量需要 增压中冷
水-空气中冷
在中冷器中，通过冷却水对 经过增压器后的高温压缩空 气进行冷却后再进入汽缸
压缩空气被冷却后，温度大 约冷却到90ºC左右
卡特彼勒发动机
发动机型式：
– 四冲程、水冷式柴油发动机 – 四冲程、水冷式天燃气发动机
三、发 动 机 规 格 参 数
缸径（Bore）
冲程（Stroke）
B
发动机规格参数
排量（Displacement）
发动机规格参数
压缩比（Compression Ratio）
CR=TV/CV
25~45%；
– 其他（热辐射等）： 5~10%；
五、柴油机的性能指标
动力性 体积小,重量轻
易于维修保养
经济性
燃油消耗
使用性能
起动性、可靠性
环保性能
低噪声、低振动 低排放
发动机性能指标
指示指标：气缸内的气体对活塞作功 后获得的性能参数。
– 指示功（Wi）：
– 平均指示压力（Pmi）：
– 指示功率（Ni）： – 指示热效率(ηmi）: – 指示燃油消耗率(gi）:
– O2:23.2%; N2: 76.8%;
发动机燃烧化学反应方程式(完全燃烧）:
– C+O2=CO2 – H2+1/2 O2=H2O – 1kg柴油理论上燃烧需要14.3kg空气。
发动机热平衡
柴油发动机的热量分配：
– 转换为有效功： 30~42%；
– 冷却增加氧气含量，提高燃烧效 率，并降低燃油消耗，改善 排放性能
降低热负荷，可靠性增强， 降低机油消耗
空气-空气中冷
在中冷器中，通过空气对经 过增压器后的高温压缩空气 进行冷却后再进入汽缸
压缩空气被冷却后，温度大 约冷却到50ºC左右
进气温度更低，氧气含量更 高。
独立循环的中冷
在中冷器中，通 过独立循环的冷 却液对经过增压 器后的高温压缩 空气进行冷却后 再进入汽缸
压缩空气被冷却 后的温度由中冷 器的循环系统决 定
七、环境保护
- 静音机组减少噪音污染 - 低振动 - 低排放标准
控制排放的重要性
• 地球大气中 77.3%的一氧化碳(CO) 55.3%的碳氢化物(HC) 50.9%的氮氧化物(NOX)
均来自汽车排放。
排放法规的重要性
• 美国、日本和欧共体等国从20世纪 60年代就开始相继制订出有关尾气 排放法规
碳氢化合物 一氧化碳 氮氧化物
颗粒 烟度
汽油机与柴油机排放物的不同
美国环保署（US EPA）排放法规 非公路用
engine gross
Tier I
Tier II
Tier III TIER III not yet established
power level
> 560 BkW
9.2 NOx, 0.54 PM
– Ne=Me ·n /9550
Me - 扭矩 的单位：牛·米（N ·m） n - 转速 的单位：转/分（rpm）
发动机性能指标
小时油耗Gf: (单位:kg/h)
– 每小时的耗油量.
有效燃油消耗率ge ：（单位:g/kW·h）
– 单位有效功的耗油量。 – ge = Gf /Ne ×10 3
发动机原理介绍
一、 分
类
发动机
热机
外燃机 内燃机
蒸汽机 蒸汽轮机 旋转叶轮式 往复活塞式 其他形式
燃气轮机
航空喷气发 动机 点燃式
压燃式
二、往复活塞式内燃机工作原理
曲柄连杆机构
将旋转运动转化为往复运动
柴油机：将燃烧的热能通过活塞、连杆、曲轴输出动能
四冲程往复活塞式内燃机
二冲程往复活塞式内燃机
发动机性能指标
有效指标：从内燃机输出轴上获得的 性能指标。
– 输出转速(n)和有效扭矩（Me）: – 机械效率（ηm）和有效功率（Ne）：
– 平均有效压力（ Pme ）和升功率(Nl ）:
– 小时油耗(Gf)和有效燃油消耗率（ge）：
发动机性能指标
有效功率（Ne）：从发动机输出轴上获 得的功率。 单位：千瓦（bkW）
– 100-750 bhp 的机型2003年必须满足Tier 2
European Union (EU) Stage 2
– 175-750Hp的要求2002，1，1生效
发动机排放物的成分
Hydrocarbons Carbon Monoxide Oxides of Nitrogen
(NOX) Particulate Matter Smoke / Opacity
功与能量
系统内能变化的两种方式：
– 作功 – 传递热量
1卡(K)=4.18焦耳(J)
燃烧化学
柴油(质量):
– C: 87%; H: 12.5 %; O: 0.4%;
空气(质量):
四、功 的 定 义
力对物体作的功为：力沿物体位移方 向的分量与物体位移的乘积。
– W=F·S ·COSα – 1焦耳=1牛·米
F
α
S
功的定义
力矩对转动物体作的功为：力对物体 转轴的合力矩与物体角位移的乘积。
– W = M ·θ – 1焦耳=1牛·米
θM
功率的定义
功率：在单位时间内力作的功。
• 强制性的阶段性的排放法规 • 我国从80年代起也相应制订了有关
的标准,2002年将有针对重型柴油 机的排放法规出台
政府通过强制性的排放法规推动内燃机技术的发展
严格的排放法规
强制性的要求!
– 300-600bhp机型2001，1，1 必须满足US EPA Tier 2
下一步的要求： – 所有机型到2006年必须满足Tier 2
增大输出功的方法
1. 增加燃烧产生的能量 2. 提高循环的热效率 3. 提高机械效率
六、增压问题
输出更大的能量需要燃烧更多的 燃油和空气
1. 增大排量 2. 提高转速 3. 增 压 4. 增压中冷
废气涡轮增压
利用废气的能量驱动废气 涡轮旋转，带动空压机对 进气进行压缩。
废气涡轮增压利用的是机 械损失中的一部分能量使 柴油机发出更多的功，提 高了机械效率。
提高了热效率，降低燃油 消耗
机械增压
废气涡轮增压
高温废气使废气涡轮和 空压机温度升高，进气 温度上升造成实际进气 量的降低
热负荷增大，须冷却活 塞
进一步增加进气量需要 增压中冷
水-空气中冷
在中冷器中，通过冷却水对 经过增压器后的高温压缩空 气进行冷却后再进入汽缸
压缩空气被冷却后，温度大 约冷却到90ºC左右
卡特彼勒发动机
发动机型式：
– 四冲程、水冷式柴油发动机 – 四冲程、水冷式天燃气发动机
三、发 动 机 规 格 参 数
缸径（Bore）
冲程（Stroke）
B
发动机规格参数
排量（Displacement）
发动机规格参数
压缩比（Compression Ratio）
CR=TV/CV
25~45%；
– 其他（热辐射等）： 5~10%；
五、柴油机的性能指标
动力性 体积小,重量轻
易于维修保养
经济性
燃油消耗
使用性能
起动性、可靠性
环保性能
低噪声、低振动 低排放
发动机性能指标
指示指标：气缸内的气体对活塞作功 后获得的性能参数。
– 指示功（Wi）：
– 平均指示压力（Pmi）：
– 指示功率（Ni）： – 指示热效率(ηmi）: – 指示燃油消耗率(gi）:
– O2:23.2%; N2: 76.8%;
发动机燃烧化学反应方程式(完全燃烧）:
– C+O2=CO2 – H2+1/2 O2=H2O – 1kg柴油理论上燃烧需要14.3kg空气。
发动机热平衡
柴油发动机的热量分配：
– 转换为有效功： 30~42%；
– 冷却增加氧气含量，提高燃烧效 率，并降低燃油消耗，改善 排放性能
降低热负荷，可靠性增强， 降低机油消耗
空气-空气中冷
在中冷器中，通过空气对经 过增压器后的高温压缩空气 进行冷却后再进入汽缸
压缩空气被冷却后，温度大 约冷却到50ºC左右
进气温度更低，氧气含量更 高。
独立循环的中冷
在中冷器中，通 过独立循环的冷 却液对经过增压 器后的高温压缩 空气进行冷却后 再进入汽缸
压缩空气被冷却 后的温度由中冷 器的循环系统决 定
七、环境保护
- 静音机组减少噪音污染 - 低振动 - 低排放标准
控制排放的重要性
• 地球大气中 77.3%的一氧化碳(CO) 55.3%的碳氢化物(HC) 50.9%的氮氧化物(NOX)
均来自汽车排放。
排放法规的重要性
• 美国、日本和欧共体等国从20世纪 60年代就开始相继制订出有关尾气 排放法规
碳氢化合物 一氧化碳 氮氧化物
颗粒 烟度
汽油机与柴油机排放物的不同
美国环保署（US EPA）排放法规 非公路用
engine gross
Tier I
Tier II
Tier III TIER III not yet established
power level
> 560 BkW
9.2 NOx, 0.54 PM
– Ne=Me ·n /9550
Me - 扭矩 的单位：牛·米（N ·m） n - 转速 的单位：转/分（rpm）
发动机性能指标
小时油耗Gf: (单位:kg/h)
– 每小时的耗油量.
有效燃油消耗率ge ：（单位:g/kW·h）
– 单位有效功的耗油量。 – ge = Gf /Ne ×10 3
发动机原理介绍
一、 分
类
发动机
热机
外燃机 内燃机
蒸汽机 蒸汽轮机 旋转叶轮式 往复活塞式 其他形式
燃气轮机
航空喷气发 动机 点燃式
压燃式
二、往复活塞式内燃机工作原理
曲柄连杆机构
将旋转运动转化为往复运动
柴油机：将燃烧的热能通过活塞、连杆、曲轴输出动能
四冲程往复活塞式内燃机
二冲程往复活塞式内燃机
发动机性能指标
有效指标：从内燃机输出轴上获得的 性能指标。
– 输出转速(n)和有效扭矩（Me）: – 机械效率（ηm）和有效功率（Ne）：
– 平均有效压力（ Pme ）和升功率(Nl ）:
– 小时油耗(Gf)和有效燃油消耗率（ge）：
发动机性能指标
有效功率（Ne）：从发动机输出轴上获 得的功率。 单位：千瓦（bkW）
– 100-750 bhp 的机型2003年必须满足Tier 2
European Union (EU) Stage 2
– 175-750Hp的要求2002，1，1生效
发动机排放物的成分
Hydrocarbons Carbon Monoxide Oxides of Nitrogen
(NOX) Particulate Matter Smoke / Opacity