1、点燃式和压燃式内燃机 工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控,陈 勋,宁夏大学 汽车工程系,汽车发动机原理 Automotive Engine Fundamentals,讲课内容,第一部分：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、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配 第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,动力的获取和输出；能量的消耗和利用 燃料能量转换的“质”环节；
2、加入整机能量总量的“量”环节,第一部分：动力输出与能量利用 第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配 第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,讲课内容,1.工质对活塞所作功及示功图 2.发动机的性能指标 3.影响动力经济性指标的环节与因素,p- 图,示功图（四冲程）,p-V 图,E,I,I,E,TDC,TDC,TDC,BDC,BDC,纯压缩线,0,180,360
3、,540,720,CA,p,pz,p0,IVC,EVO,EVC,IVO,TDC(上止点),BDC(下止点),p,pz,p0,Vs,Vc,V,p,A,ds,TDC - Top Dead Center BDC - Bottom Dead Center IVO - Intake Valve Open IVC - Intake Valve Close EVO - Exhaust Valve Open EVC - Exhaust Valve Close,示功图 Indicator Diagram,压力图/ 展开示功图,要求会识图 和画图！,正负功确定原则：压力方向与活塞运动方向一致，工质对活塞作正功压力
4、方向与活塞运动方向相反，工质对活塞作负功,工质对活塞所作功,Compression 压缩过程 W 0,Power 作功过程 W 0,Intake 进气过程 W 0,Exhaust 排气过程 W 0,W,=,循环功：,动力过程功：压缩与燃烧膨胀冲程所作功之代数和 泵气过程功：进气与排气冲程所作功之代数和,(总)指示功动力过程功理论泵气功(不考虑泵气损失) 净指示功动力过程功泵气过程功(考虑泵气损失),进气压力pd 大气压力p0 排气压力pe 大气压力p0,与泵气有关的功：理论泵气功 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），即理论泵气功为零实
5、际泵气功(泵气过程功) 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功，两者之和为实际泵气功W2+W3 负功泵气损失(Pumping loss)（实际泵气功理论泵气功）W2+W3 负功,自然吸气(Natural Aspirated)发动机作功分析,(总)指示功W1+W3 净指示功(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2,进气压力pd 大气压力p0 排气压力pe 大气压力p0,自然吸气(Natural Aspirated)发动机作功分析,与泵气有关的功：理论泵气功 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
6、），即理论泵气功为零实际泵气功(泵气过程功) 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功，两者之和为实际泵气功W2+W3 负功泵气损失(Pumping loss)（实际泵气功理论泵气功）W2+W3 负功,理论泵气功(pb pk) Vs正功实际泵气功W2正功泵气损失功 W2-(pb pk) Vs阴影面积负功(总)指示功W1(pb-pk)Vs净指示功W1+W2,涡轮增压(Turbocharging)发动机作功分析,实际进气压力pd实际排气压力pe 大气压力p0,记住：理论泵气功和实际泵气功可正、可负，但泵气损失功永远为负！,示功图（二冲程）,BDC,TDC
7、,EPO,IPO,EPC IPC,p,pz,p0,VC,VS,V,540,IPO - Intake Port Open IPC - Intake Port Close EPO - Exhaust Port Open EPC - Exhaust Port Close,1.自学曲轴箱扫气式二冲程发动机的曲轴箱换气功 2.思考:为什么四冲程发动机可以忽略曲轴箱换气功，而二冲程发动机不可以忽略？ 3.思考：为什么车用发动机大都用四冲程发动机？,第一部分：动力输出与能量利用 第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与
8、整车匹配 第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与新能源动力系统,讲课内容,1.工质对活塞所作功及示功图 2.发动机的性能指标 3.影响动力经济性指标的环节与因素,1. 动力性能指标 功率(Power), 转矩(Torque), 转速(Revolution/Speed) 有效平均压力(Brake Mean Effective Pressure, BMEP) 2. 经济性能指标 有效燃料消耗率(Brake Specific Fuel Consumption, BSFC)机油
9、消耗率(Oil/Lubricant Consumption) 3. 环保性能指标 碳氢(HC), 一氧化碳(CO), 氮氧化物(NOx),二氧化碳(CO2) 颗粒物(Particulate Matter, PM), 干碳烟(Dry Soot, DS) 噪声振动冲击 (Noise Vibration Harshness, NVH) 4. 使用性能指标 可靠性或耐久性(Robust/Reliability, Durability) 检测/维护(Inspection/Maintenance, I/M),发动机性能(Performance)指标,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
10、标称为指示(Indicated)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(Brake/Effective)指标由试验测出，直接反映产品最终性能用于产品开发、生产和使用当中,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,循环指示功、循环有效功与机械损失功,理论上：,测量上：,以自然吸气内燃机为例：,曲轴输出的循环有效功,循环净指示功,机械损失功摩擦损失功附件消耗功泵气损失功,循环(总)指示功,这里，循环指示功是指循环总指示功! 即泵气损失功计算在机械损失功内！,摩擦损失功附件消耗功,
11、曲轴输出的循环有效功,动力性能指标,注意：这里的压力事实上就是物理上所说的压强，N/m2,指示平均压力(Indicated Mean Effective Pressure, IMEP),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功指示平均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。使不同发动机的动力性具有可比性,不同发动机有效平均压力pme范围,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
12、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,pme bar,12,16.6,56,9,14.1,14,20,12,21.2,11,23.5,15,29.4,15,25,15,18.2,功率 Power,p,mi,:,IMEP指示平均压力,p,me,:,BMEP有效平均压力,p,mm,:,MMEP机械损失平均压力,指示功率(Indicated power),有效功率(Effective power),机械损失功率(Mechanical loss power),2 - stroke: =2 4 - stroke: =4,动力性能指标,注意：注意这里所列的性能指标单位是国标单位
13、,转矩： Torque,转矩 (N.m),角速度(rad/s),E.g.： 单缸四冲程发动机,动力性指标之间的关系,有效平均压力： BMEP,功率： Power,对于某一发动机，转矩和有效平均压力都反映负荷（load）的大小,有效效率：,Effective efficiency,Fuel mass flow 燃料流量 (kg/s),Low heat value 低热值 (kJ/kg),Indicated efficiency,经济性指标,有效燃料消耗率： BSFC,指示效率：,指示燃料消耗率： ISFC,E.g. 求油耗：,比功率 (升功率, power density) PL单位发动机排量发
14、出的功率(评价气缸容积利用程度和紧凑性) PL= Pe / Vs (kW/L)比质量 me单位有效功率所占发动机质量(评价轻量化和紧凑性)me= m / Pe (kg/kW)比容积 Ve单位有效功率所占发动机的体积(评价紧凑性)Ve= V / Pe (m3/kW),功率密度评价指标,轿车汽油机自吸式: 3565 轿车汽油机增压式: 50100 轿车柴油机增压式: 3040,轿车汽油机: 31 轿车柴油机: 52,思考：汽油机和柴油机升功率相比，哪个大？哪个小？为什么？,发动机转速与活塞平均速度,主要影响：,惯性力引起的机械应力,摩擦(磨损),热负荷,充气效率,噪声,活塞平均速度： (强化指标之
15、一),注意：发动机转速与活塞速度不完全是一个概念！活塞平均速度越高，说明发动机强化度越高,单位：,活塞平均速度Vm,Vm,22,21.7,27,9.5,19.8,12.3,14.7,8.1,13.1,7.8,m/s,7.0,12,5.3,9.5,5.7,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）,轿车柴油机,卡车柴油机（涡轮增压）,大型柴油机,中速柴油机,十字头二冲程柴油机,第一部分：动力输出与能量利用 第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配
16、第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与新能源动力系统,讲课内容,1.工质对活塞所作功及示功图 2.发动机的性指标 3.影响动力经济性指标的环节与因素,决定动力输出的三大环节,设单位时间加入发动机的燃料总质量为B (kg/s)，燃料低热值(low heat value)为Hu(kJ/kg)，燃料能量转换的总效率为et ，则有效功率Pe可表示为：设单位时间进入发动机的混合气总量为Gm(kg/s)，混合气低热值为Hum (kJ/kg)，则有效功率Pe也可表示为：提高功率的三大
17、环节：可燃混合气或燃料的能量密度 混合气热值Hum或燃料热值Hu单位时间实际吸入发动机的可燃混合气总量Gm或燃料总量B可燃混合气能量或燃料能量转换为有效输出功的多少 工作过程各环节效率或总效率et,与燃料热值和混合气浓度直接相关,“质”的环节,“量”的环节,油/气混合比(浓度)是影响发动机性能的重要参数： 1) 过量空气系数 a（Excess air ratio/Relative air-fuel ratio） 设单位质量燃料完全燃烧所需理论空气量为l0，而实际供给的空气量为l，则a定义为：a 1 ,稀(lean)混合气 a 1, 浓(rich)混合气 a =1, 化学计量比（stoichio
18、metric ratio），过去称理论空燃比,可燃混合气浓度与热值,燃空当量比(equivalent ratio) 1 / a，欧美国家常用,2) 空燃比 (Air/Fuel ratio, A/F)3) 燃空比 (Fuel/Air ratio, F/A)4) 可燃混合气热值Hum (Mixture low heat value) 定义: 单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量(kJ/kg或kJ/m3)Hu表示燃料的能量密度，越高越便于携带；Hum代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积时发出功率越高(pme也越高),或,可燃混合气浓度与热值,能量转换效率,1) 燃烧效率,2) 循环热效率,3)
19、 机械效率,4) 有效效率,每缸每循环燃烧时发出的热量 (kJ),单缸循环油量(kg),指示效率,正常燃烧： 汽油机c=95%98% 柴油机c=98%99%,Combustion Efficiency,Thermal Efficiency,Mechanical Efficiency,Effective Efficiency,曲轴输出功,总指示功,混合气(进气)充量,充量系数(容积效率),Volumetric efficiency,定义：每缸每循环吸入缸内的新鲜空气量与按进气系统前状态计算而得的理论充气量之比(75%-90%),可燃混合气流量：,大气密度(自然吸气机型)增压后空气密度(增压机型),新鲜空气量,燃油量,功率和油耗的表达式(课程总纲),燃烧效率 (第二部分),循环热效率 (第3章),机械效率 (第3章),进气充量 (第4章),混合气热值 (第2章),第1章小结,要求掌握： 1. 基本概念 各种功；平均压力；空燃比/过量空气系数/燃空当量比；燃料热值/混合气热值；充量系数；各种效率 2. 画示功图（p-V p-），并会标识 3. 推导动力性和经济性的性能指标表达式及其关系 4. 了解影响动力性和经济性的主要环节和因素 5. 二冲程发动机换气过程与四冲程发动机的差异,作业：P15 1-1；1-5；1-12,
