《发动机原理》课件

发动机原理课程概述课程目标学习内容掌握发动机基本原理工作原理、性能特性、结构分析考核方式发动机的定义与分类内燃机定义发动机分类方法将燃料燃烧释放的热能转化为机械能的动力装置•按工作循环二冲程、四冲程•按点火方式汽油机、柴油机•按冷却方式水冷、风冷发动机的发展历史1早期发展1800s奥托四冲程循环发明工业革命时期2柴油机发明与应用320世纪发展转子发动机、燃气轮机出现现代发展趋势4电控技术、混合动力系统发动机的基本构造气缸与活塞组件连杆与曲轴系统形成密闭燃烧空间，承受高温将活塞直线运动转化为旋转动高压力配气机构控制进排气时机，影响发动机性能四冲程工作原理进气冲程活塞下行，进气门开启，混合气进入气缸压缩冲程活塞上行，气门关闭，混合气被压缩做功冲程燃料燃烧，高压气体推动活塞下行排气冲程活塞上行，排气门开启，废气排出二冲程工作原理上行程下行程压缩气体并同时预压新鲜气体做功并排出废气，同时吸入新气体二冲程发动机每转一圈完成一个循环，结构简单但排放较高热力学基础

（一）理想气体状态方程PV=mRT热力学第一定律能量守恒，ΔU=Q-W焓和内能H=U+PV热力学基础

（二）热力学第二定律卡诺循环12热能不能完全转化为机械能理论上最高效热机循环热力学品质熵增原理43评价能量利用效率系统总熵永远增加理想循环

（一）等容循环（奥托循环）等压循环（狄塞尔循环）汽油机理想循环模型柴油机理想循环模型•定容加热•定压加热•绝热膨胀•绝热膨胀•定容放热•定容放热•绝热压缩•绝热压缩理想循环

（二）混合循环萨巴德循环循环效率比较结合等容和等压循环现代柴油机实际循环压缩比越高，热效率特点接近越高实际循环与理想循环的差异气体交换损失1进排气过程能量损耗机械损失2摩擦、传动效率降低热损失3通过冷却系统损失热量实际循环受工作介质、传热、摩擦等多种因素影响，效率低于理论值发动机性能指标

（一）Pt T功率转矩单位时间内做功的能力发动机输出的旋转力矩P=Tω功率计算功率=转矩×角速度发动机性能指标

（二）平均有效压力每个循环中活塞所受到的平均压力机械效率有效功率与指示功率之比计算方法ηm=Pe/Pi发动机性能指标

（三）燃料消耗率单位功率每小时消耗的燃料量热效率有效功与燃料热值的比值测量方法台架测试与实际工况测量发动机性能指标

（四）体积效率容积功率实际进气量与理论进气量之单位排量发动机的输出功率比评价标准反映发动机设计水平与技术进步影响发动机性能的因素环境因素（温度、气压、湿度）、结构因素（压缩比、配气相位）、运行因素（转速、负荷）综合影响发动机性能发动机的机械损失发动机热平衡有效功冷却损失转化为机械功的热量比例通过冷却系统带走的热量未计损失排气损失辐射热和其他未计热量随废气排出的热量热平衡方程Q燃=Q有+Q冷+Q排+Q其换气过程概述换气的目的换气系统组成排出废气并吸入新鲜工作介质•进气系统•排气系统直接影响发动机功率和效率•配气机构四冲程发动机的换气过程进气相位进气门开启点提前，关闭点滞后压缩相位所有气门关闭，气体被压缩膨胀相位所有气门关闭，气体膨胀做功排气相位排气门开启点提前，关闭点滞后二冲程发动机的换气过程横流式扫气环流式扫气单流式扫气最简单，扫气效率最低中等复杂度，扫气效率较高结构复杂，扫气效率最高充气效率充气效率定义实际充入气体质量与理论充气量的比值影响因素流动阻力进排气道形状、面积、气门开度影响因素热力因素进气温度、余气系数、压力波动提高充气效率的措施进气道优化可变气门正时•减小流动阻力•根据转速调整气门开闭时机•提高流量系数•提高低高转速性能•合理设计进气道长度•改善换气过程共振增压•利用进气管压力波动•设计合理的进气管长度•提高特定转速充气效率涡轮增压技术工作原理利用排气驱动涡轮压缩空气优点提高功率密度，改善燃烧缺点涡轮迟滞，热应力增加现代增压系统多采用可变几何涡轮或双涡管结构，减少涡轮迟滞问题燃料概述性质汽油柴油主要成分C5-C12烷烃C10-C22烷烃密度kg/L

0.72-

0.

780.82-

0.86热值MJ/kg43-4442-43辛烷值/十六烷值90-98辛烷值40-55十六烷值燃料的物理性质密度粘度表面张力影响燃料喷射量与储影响燃料雾化与流动影响液滴形成与雾化存效率特性质量挥发性影响燃料蒸发与混合特性燃料的化学性质燃烧基础理论燃烧反应方程式燃烧温度CₓHᵧ+O₂→CO₂+H₂O+热影响反应速率与热效率量燃烧三要素空燃比燃料、氧化剂、点火源决定燃烧完全性与排放特性燃烧过程分析预燃期1混合气形成与预热火焰形成期2初始点火与火核形成火焰传播期3火焰面扩展与主燃烧阶段后燃期4燃烧尾声与余热释放燃烧过程受温度、压力、湍流强度、混合气均匀性等因素影响汽油机混合气形成

（一）化油器工作原理电子燃油喷射系统利用文丘里效应精确控制喷油量与时机•主量孔系统•单点喷射•怠速系统•多点喷射•加速泵系统•直接喷射•启动浓缩系统汽油机混合气形成

（二）

14.7:1理论空燃比完全燃烧所需理论值λ=1化学当量比实际空燃比与理论比值λ1浓混合气高功率，但排放较高λ1稀混合气经济性好，动力差汽油机点火系统低压电路蓄电池提供初级电源点火控制单元控制点火时机与能量高压电路点火线圈升压至10-40kV火花塞在气缸内产生电火花汽油机燃烧过程

（一）火焰核形成后向四周传播，速度约10-30m/s，受湍流、压力、温度影响汽油机燃烧过程

（二）正常燃烧异常燃烧火花点燃后火焰平稳传播•爆震端气自燃•表面点火热点引起非火花塞点火压力上升平缓，热释放适中•回火进气管内提前燃烧汽油机爆震1爆震机理未燃气体因温度压力升高自燃2有害影响机械损伤、热损失增加、功率下降3影响因素压缩比、燃料辛烷值、点火提前角4控制方法使用高辛烷值燃料、降低压缩比、调整点火时间汽油机排放控制三元催化转化器同时处理CO、HC和NOx系统EGR降低燃烧温度，减少NOx生成系统PCV回收曲轴箱气体，减少HC排放现代汽油机需要精确控制空燃比在λ=1附近，使三元催化器达到最佳效率柴油机喷射系统

（一）机械喷射系统柱塞式泵和机械调速器配油正时控制每缸喷油起始时刻调速装置根据负荷调节喷油量喷油器雾化燃油并控制喷射方向柴油机喷射系统

（二）共轨喷射系统单体泵喷射器主要优势•高压油泵•泵与喷油器集成•喷射压力高•高压燃油轨•减少高压管路•多次喷射能力•电磁或压电喷油器•可达到更高喷射压力•精确控制喷油时机•精确电子控制柴油机混合气形成雾化蒸发燃油破碎成微小液滴液滴转变为气态燃料燃烧扩散4形成局部富集区域燃油分子与空气混合柴油机燃烧过程

（一）着火延迟期（）

10.6-

1.5ms燃油喷入到自燃开始的时间预混合燃烧阶段2延迟期内积累的混合气突然燃烧压力急剧上升3产生柴油机特有的爆震声着火延迟期受燃油十六烷值、温度、压力和混合气形成速率影响柴油机燃烧过程

（二）扩散燃烧阶段主要燃烧阶段，受混合速率控制扩散火焰结构形成层状燃烧区域后燃烧阶段残留燃料完全氧化燃烧结束膨胀行程后段完成柴油机燃烧室类型直接喷射式分室式活塞碗式喷油直接入主燃烧室先在副室燃烧后进入主室活塞顶部凹陷形成涡流柴油机排放控制颗粒捕集器SCR系统EGR系统DPF尿素溶液催化还原降低燃烧温度，减过滤烟尘颗粒物，NOx少NOx需周期再生氧化催化器氧化CO和HC成CO2和H2O发动机特性概述外特性部分负荷特性全负荷下随转速变化特性不同负荷下发动机表现•评价发动机最大性能•负荷特性•确定发动机型号参数•速度特性•匹配工作装置•调速特性•经济性特性发动机外特性曲线发动机负荷特性发动机速度特性定义固定控制参数下随转速变化特性汽油机特性节气门开度固定，负荷随转速变柴油机特性供油量固定，负荷随转速变速度特性用于研究发动机在不同工况下的性能和确定最佳运行区间发动机经济性特性270~40%最低油耗g/kWh最佳负荷率中转速中负荷区域经济性最佳的负荷点~80%最佳转速率相对最大转速的比例经济性特性通常表示为等油耗曲线图，用于确定发动机的最佳工作区域发动机调速特性调速器类型调速率机械式、液压式、电子式从满载到空载转速变化百分比调速曲线反映负荷变化时转速稳定性柴油机需调速器维持转速稳定，汽油机通常依靠驾驶员控制节气门发动机起动特性冷启动低温条件下启动能力起动转速克服阻力所需最低转速起动功率启动系统需提供的能量汽油机最低起动转速约50-100rpm，柴油机约80-200rpm，受温度影响显著发动机加速特性加速过程增加供给量后转速提升滞后因素机械惯性、空气动力延迟改善措施涡轮技术、电喷系统优化柴油机加速性较差原因空燃比受限、涡轮迟滞明显、转动惯量大发动机排放特性排放排放HC CO未完全燃烧的碳氢化合物不完全燃烧产物，富混合气增加颗粒物排放NOx排放柴油机特有，不完全燃烧碳粒高温燃烧生成，温度敏感发动机噪声特性机械噪声1活塞、连杆、轴承等运动部件燃烧噪声2压力急剧上升引起的振动进排气噪声3气体高速流动和压力波降噪措施包括优化燃烧过程、改善机械结构、隔音材料、消声器系统设计发动机可靠性与耐久性可靠性定义耐久性定义影响因素•规定时间内无故障工作概率•设计寿命•设计强度•平均无故障工作时间•大修前工作时间•材料质量•故障率•磨损速率•制造精度•使用和维护条件发动机试验方法台架试验道路试验在实验室条件下测试实际工况下测试•性能试验•实际燃油经济性•耐久性试验•驾驶性能•排放试验•可靠性验证•冷启动试验•实际排放水平发动机电控系统概述功能ECU燃油控制、点火控制、排放控制传感器采集发动机工作状态信息执行器执行ECU控制命令控制策略基于地图优化各工况性能发动机未来发展趋势混合动力技术氢燃料技术智能控制技术发动机与电机协同工作零排放燃料电池系统可变压缩比，多模式燃烧课程总结基础理论热力学原理，理想循环工作过程换气，混合气形成，燃烧性能特性3功率，转矩，经济性，排放发展趋势电控化，智能化，清洁化思考与讨论思考发动机未来如何与电气化协同发展？替代燃料的可行性？智能控制如何提升效率？。