汽车发动机原理清华大学 汽车工程系 帅石金 博士

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点燃式和压燃式内燃机的 工作过程、燃烧理论、性能分析以及参数调控

讲课内容第一篇 动力输出与能量利用第1章 动力经济性能指标与影响因素 第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量

Department of Automotive Engineering

Tsinghua University

1. 动力的获取和输出；能量的消耗和利用。 2. 燃料能量转换的“质”环节；加入整机能 量总量的“量”环节。

第二篇 燃烧与排放第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策

第8章 有害排放物的生成与控制第9章 燃烧室与调节参数的优化

第三篇 运行特性与性能调控第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性

讲课内容第一篇 动力输出与能量利用第1章 动力经济性能指标与影响因素 第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量 2. 动力经济性指标

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1. 工质对活塞所作功及示功图

3. 影响动力经济性指标的环节与因素

第二篇 燃烧与排放第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策

第8章 有害排放物的生成与控制第9章 燃烧室与调节参数的优化

第三篇 运行特性与性能调控第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性

示功图(四冲程)ds A

示功图(Indicator Diagram) :发动机气缸内工质压力p随气缸容积V(或曲轴 转角 )的变化曲线TDC-Top Dead Center; BDC-Bottom Dead Center IVO-Intake Valve Open; IVC-Intake Valve Close EVO-Exhaust Valve Open; EVC-Exhaust Valve Close

p

ppz

TDC上止点

BDC下止点

p pz

示功图TDC

压力图/ 展开示功图EVO BDC 180 I p- 图 TDC 360

w/o combustion TDC BDC

IVO p0 EVC Vc Vs p-V 图

VIVC

p0 0

540 E

E

720 °CA I

示功图(二冲程汽油机)IPO-Intake Port Open IPC-Intake Port Close EPO-Exhaust Port Open EPC-Exhaust Port CloseTDC p pz BDC

p pz

EPO p0 Vc Vs

IPO V

BDC p0 0

TDC 180

BDC 360

TDC 540

BDC

720 °CA

EPC IPC

示功图测取装置

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工质对活塞所作功ds

A

循环功： W =

pdV

p

功正负确定原则：◎压力方向与活塞运动方向一致，工质对活塞作正功 ◎压力方向与活塞运动方向相反，工质对活塞作负功

p

TDC上止点

BDC下止点Compression W<0 Power W>0 Exhaust W<0 Intake W>0

pz示功图 (Indicator Diagram) 四冲程

动力过程功：压缩与燃烧膨胀过程所作功之代数和EVO

泵气过程功：进气与排气过程所作功之代数和V 总指示功=动力

过程功+理论泵气功(不考虑泵气损失)

IVO p0 EVC Vc Vs

IVC

净指示功=动力过程功+泵气过程功(考虑泵气损失)

自然吸气(natural aspirated)发动机作功分析缸内进气压力pd 大气压力 p0 缸内排气压力pe 大气压力p0 理论泵气功

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与泵气有关的功：

忽略流动阻力, 进、排气冲程压力 所作功之代数和。自然吸气发动 机进、排气压力相同(等于大气 压力),即理论泵气功为零。 泵气损失功(pumping loss) 由于流动存在阻力，进气压力低 于大气压，排气压力高于大气压 力，造成进气和排气流动损失之 功，两者之和即为泵气损失功。 W2+W3 负功 实际泵气功(泵气过程功) 总指示功=W1+W3 净指示功=(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2 理论泵气功减去泵气损失功。 W2+W3 负功

涡轮增压(turbo-charged)发动机作功分析缸内进气压力pd> 缸内排气压力pe >大气压力p0

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理论泵气功

(pb – pk) Vs 正功 阴影面积 负功

泵气损失功

实际泵气功W2 正功

总指示功W1+(pb-pk) Vs

净指示功W1+W2

小测验填空

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根据缸内工质对活塞所作功的特点，判断下述各功是正功还是负功： a)压缩过程功 ( 负) b)四冲程自然吸气内燃机理论泵气功 (零 ) c)四冲程增压内燃机泵气损失功d)四冲程自然吸气内燃机泵气过程功

( 负)(负 )

讲课内容第一篇 动力输出与能量利用第1章 动力经济性能指标与影响因素 第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量 2. 动力经济性指标

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1. 工质对活塞所作功及示功图

3. 影响动力经济性指标的环节与因素

第二篇 燃烧与排放第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策

第8章 有害排放物的生成与控制第9章 燃烧室与调节参数的优化

第三篇 运行特性与性能调控第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性

发动机性能指标1. 动力性能指标

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功率(Power), 转矩(Torque), 转速(Revolution/Speed), 平均有效压力(BMEP) 2. 经济性能指标 燃油消耗率(Fuel consumption), 机油消耗率(Lubricant consumption) 3. 环保性能指标 碳氢(HC), 一氧化碳(CO), 氮氧化物(NOx), 颗粒物(PM), 二氧化碳(CO2) 噪声振动(NVH) 4. 使用性能指标 可靠性或耐久性(Robust, reliability), 维修方便(I/M convenience), 冷起动 (Cold start),

指示指标与有效指标1)以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示指

标 ◎ 基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏 ◎ 用于理论分析和科研 2)以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效指标 ◎ 由试验测出，直接反映产品最终性能

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◎ 用于产品开发、生产和使用当中只有与作功有关的指标，才有“有效”与“指示”之分。其余，如转 速、每小时耗油量等，则无此区别。

循环指示功、循环有效功与机械损失功以自然吸气发动机为例：理论上：曲轴输出的循环有效功

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Wi = We Wm循环净指示功 摩擦损失+附件消耗

Wi = W1 W2测量上：

Wm = Wmf Wme

Wi = We Wm循环总指示功 机械损失=摩擦损失+附件消耗+泵气损失

Wi = W1 W3

Wm = Wmf Wme Wp以后循环功都是指循环总指示功!

动力性能指标平均指示压力(IMEP)

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Indicated Mean Effective Pressure

定义：单位气缸工作容积所作的循环指示功。 循环指示功可以认为是一个假想不变的压力pmi 作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作的功。 平均指示压力反映发动机作功能力的大小(单 位体积作功量大小 J/m3)和强化程度。 Wi Vs

p mi =

注意：这里的压力事实上就 是物理上所说的压强，N/m2

pmi . Vs pdV = Wi

[p ] 1 bar = 10mi

5

N Nm kJ = 105 3 = 0,1 2 m m dm 3

不同发动机平均有效压力pme范围pme 摩托车发动机(四冲程) 赛车发动机(自然吸气) 赛车发动机(涡轮增压) 轿车汽油机(自然吸气) 轿车汽油机(涡轮增压) 轿车柴油机(涡轮增压) 卡车柴油机(涡轮增压) 大型柴油机 中型高速柴油机 十字头二冲程柴油机 9 14 12 11 [ bar] 12 16.6 56 14.1 20 21.2 23.5

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1515 15

29.425 18.2