发动机原理(长安大学)

qr
=
QR QE
四 燃料不完全燃烧的热损失 QB
QB = QT (1 − η r )
其中ηr－燃料效率
qb
=
QB QT
五 其它热量损失 QL
QL = QT − (QE + QS + QR + QB )
ql = qt − (qe + qs + qr + qb )
发动机热平衡方程式:
qe + qs + qr + qb + ql = 1
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 （一） 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。
（二） 比热
理论上: 定比热 实际上: 温度 T↑ → 比热 C↑
（三） 高温分解
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:
一 指示功和平均指示压力
（一） 指示功Wi
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。 燃气轮机：连续工作式发动机
一分类
（一） 种 类
1 往复活塞式 （普遍） 2 转子式－汪克尔式 （THE WANKEL ENGINE）
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 200 km/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 性及由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 （ROCKING PISTON ENGINE）
（二） 定容加热循环 （奥托 OTTO 循环）
－ 汽油机的理想循环
1 热效率
因为: 预胀比 ρ = v4 = 1 v3
所以:
热效率
ηt
=
1
−
ε
1
k −1
2 分析
ρ = 1 → ηt = const. ε↑ → ηt ↑ ；当 ε = 10 左右时，ε↑ → ηt ↑ 不大 且汽油机容易爆燃，因此，汽油机 ε = 6～10
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 （压燃式），外源点火 （点燃式）
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 （径向式）
7 按汽缸数目分类 单缸机，多缸机 （2，3，4，5，6，8，10，12，14，16 缸…）
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 = GT hu
分别转化为
一 有效功的热量 QE
Qe = 3.6 × 103 N e [ kJ/h ] （ 1 kw/h = 3.6 × 103 kJ ）
§1-4 指示指标
p-V 图
― 10 ―
p-φ图
《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
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 （p-V 图） 或曲轴转角φ （p-φ图） 变化的图示。
计算得:
ηt
=
1
−
ε
1
k −1
⋅
(λ
−
λ 1)
ρ +
k
k
− λ
1 (ρ
−
1)
3 分析
（1） ε 为定值
λ↑ → ηt↑ ；ρ↑ → ηt ↓ 。ρ = 1 → ηt = const. （汽油机，定容加热循环） （2） ε↑ → ηt ↑ ；当 ε = 20 左右时，ε↑ → ηt ↑ 不大
柴油机 ε = 12～22
二 理想循环及其分析比较
（一） 混合加热循环
－车用柴油机的理想循环
1 循环特征参数
（1） 压缩比
ε = v1 v2
（2） 压力升高比
λ = p3 p2
（3） 预胀比
ρ = w0 q1
= 1−
q2 q1
= 1−
q2v q1v + q1p
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《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
长安大学汽车学院曹建明
（四） 三种理想循环热效率的比较
1 初态 1 相同，压缩比ε相同，加热量 q1 相同
η t,v > η t,m > η 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 η t,v < η t,m < η t,p
§1-2 发动机实际循环
―4―
《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
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 （一） 对象
本课程以性能指标作为研究对象 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。
初期: 工质吸热；后期: 工质放热。 3 燃烧过程: 2～3～4 （ p↑↑，T↑↑ ） 4 膨胀过程: 4～5 （ p↓，T↓ ）
初期: 工质放热；后期: 工质吸热。 5 排气过程: 5～0 （ p > p 0 ）
（二） 实际循环的简化
1 忽略进、排气过程 2 压缩、膨胀过程 （复杂的多变过程） 简化为绝热过程 3 燃烧过程简化为定容加热过程 （2～3） 和定压加热过程 （3～4） 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
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%。
令
qe
=
Qe QT
―9―
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二 传递给冷却介质的热量 QS
QS = GS cS (t2 − t1 )
qs
=
QS QT
其中 Gs－发动机冷却介质的每小时流量 [ kg/h ]
（四） 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。
（五） 单位制
我国的法定计量单位
―5―
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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
（一） 实际循环 （以车用柴油机为例）
1 进气过程: 0～1 （ p > p 0 →p < p 0 ） 2 压缩过程: 1～2 （ p↑，T↑ ）
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（W. Salemann ）设计部门的摆动活塞式发动机。 4 斯特林 （THE STIRLING ENGINE）
1816 年由罗伯特·斯特林设想在气缸外部燃烧的一种热力发动机（外燃机）， 是现代发动机引人注目的一种。 5 自由活塞式 （FREE PISTON ENGINE）
4 起动性好 可很快达到全负荷
（二） 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 （三化） 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 由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
（三）定压加热循环（狄赛尔 DIESEL 循环）
－船舶用大型低速柴油机的理想循环
1 热效率
因为: 压力升高比 λ = p3 = 1 p2
所以:
热效率
ηt
=
1
−
ε
1
k −1
⋅
ρk k (ρ
−1 − 1)
―7―
《发动机原理》
2 分析 （1） ε 为定值 ρ↑ → ηt ↓ （2） ρ为定值 ε↑ → ηt ↑
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
QR = (Gr + Gk ) (cpr t2 − cp t1 )
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 [℃]
二 优缺点
（一） 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 = 0.6～35000 kw
3 比重量小，升功率大 （体积小、重量轻） 比重量: 柴油机 3.7 kg/kw，车用汽油机 1.37 kg/kw
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《发动机原理》
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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，但由于活塞已接近下止 点，做功效果变差，热效率下降。 二 传热、流动损失 （一） 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。 （二） 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（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部 分燃
8 按转速分类 （1） 低速: n < 500 r/min （2） 中速: 500 r/min < n < 1500 r/min （3） 高速: n > 1500 r/min
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《发动机原理》
但没有明确的界限。
长安大学汽车学院曹建明
9 按增压分类 增压，非增压
10 按能源分类 （代用燃料） 压缩天然气，液化天然气，液化石油气，氢气， 甲醇，乙醇，二甲醚，植物油， 电瓶，太阳能
只相当于涡轮发动机的燃气发生器。
（二）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 （1） 灌溉（抽水）用 点工况
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《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
（2） 电站用 n = const. 线工况 固定式柴油机或机组 （3） 船舶用 Ne = k n 3 （螺旋桨曲线） 线工况 大型、低速柴油机 （4） 汽车、拖拉机用 变工况-面工况 中小型、高速柴油机 （5） 发动机车 大型高速柴油机组 （6） 工程机械 （矿山机械、建筑、石油钻探） 多变型 （7） 坦克 V 型、多缸机 （8） 飞机 星型 （径向式） 已基本不用
（二） 性能指标
1 动力性指标 （功率、扭矩、转速） 2 经济性指标 （燃料和润滑油的消耗量及消耗率） 3 运转性指标 （冷起动性、噪声和排气品质）
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。
（三） 工作过程
发动机冲程 （四个）: 吸气 → 压缩 → 做功 → 排气 热力过程 （五个）: 吸气 → 压缩 → 燃烧 → 膨胀 → 排气 燃烧 → 膨胀 为能量转换过程
《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
《发动机原理》
长安大学汽车学院
曹建明
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《发动机原理》
绪论
长安大学汽车学院曹建明
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 （转换效率：理论上小于 100%） 机械能→热能 （转换效率：理论上可达 100%）