发动机原理武汉理工大学汽车工程学院刘志恩lzen@2012年6月目录☐绪论☐第一章发动机的性能☐第二章发动机的换气过程☐第三章燃料与燃烧☐第四章汽油机混合气的形成和燃烧☐第五章柴油机混合气的形成和燃烧☐第六章发动机的特性☐第七章发动机电控燃油喷射（EFI）☐第八章发动机废气涡轮增压☐第九章排气污染及控制第一章发动机的性能☐发动机的性能指标用来表征发动机的性能特点，并作为评价各类发动机性能优劣的依据。

☐发动机的主要性能指标有：动力性指标、经济性指标、环境指标、可靠性指标和耐久性指标等。

☐本书以发动机性能为研究对象，深入到发动机工作过程的各个阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中找出提高性能的一般规律。

发动机的性能指标与示功图☐1. 动力性能指标功率(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. 环境性能指标碳氢(HC), 一氧化碳(CO), 氮氧化物(NOx), 颗粒物(PM), 二氧化碳(CO 2)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)。

与发动机的工作循环密切相关示功图（四冲程）p-V 图IVC EVO EVC IVO TDC 上止点BDC 下止点p p z p 0V s V c V p A ds ☐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 ）的变化曲线示功图P-V 图。

活塞上止点TDC-Top Dead Center;活塞下止点BDC-Bottom Dead Center ；进气门开启IVO-Intake Valve Open;进气门关闭IVC-Intake Valve Close ；排气门开启EVO-Exhaust Valve Open;排气门关闭EVC-Exhaust Valve Close ；示功图☐P-V 图上曲线所包围的面积（积分）表示工质完成一个热力循环所做的功,它反应了发动机做功的能力。

☐发动机实际工作循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。

实际工作循环非常复杂！本章主要内容☐发动机的理论循环和实际循环☐实际循环的评定－指示指标☐发动机动力性和经济性评定－有效指标☐发动机的环境指标☐发动机的机械损失☐发动机的热平衡第一节发动机理论循环定义：发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作的热力循环过程加以抽象简化，忽略一些因素，所得出的简化循环。

意义：通过对理论循环的研究，可以清楚地确定影响性能的某些重要因素，从而找到提高发动机性能的基本途径。

☐一、三种基本循环 最简单的理论循环——空气标准循环，其简化条件为：◆l ）假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同◆2）假设工质是在闭口系统中作封闭循环Q 1Q 2绝热压缩等容/等压加热绝热膨胀等容放热◆3）假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程◆4）假设燃烧是外界无数数个高温热源定容或定压向工质加热。

工质放热为定容放热根据加热方式不同，发动机有三种基本空气标准循环，用P－V图表示：◆定容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速）◆定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃烧最高压力的限制）◆混合加热循环（高速柴油机）评定理论循环的指标：◆循环热效率ηt✓定义：工质所做循环功W（J）与循（J）之比环加热量Q1✓意义：评定循环经济性◆循环平均压力pt✓定义：单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力✓意义：评定循环动力性（做功能力）☐二、循环热效率ηt （Thermal Efficiency ）按工程热力学公式，混合加热循环热效率为◆ε－压缩比，ε=Va ／Vc=(Vs+Vc)／Vc=1+Vs/Vc ，其中，Va 为气缸总容积，Vc 为气缸压缩容积，Vs 为气缸工作容积；（汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15）◆λ－压力升高比，λ=p z /p c ；◆ρ－初始膨胀比，ρ=V z /V z ’；◆k －绝热指数，k=1.41212111Q Q Q Q Q Q W t -=-==η()()111111-+--⋅-=-ρλλληρεK KK tm定容加热循环（ρ=1）热效率为定压加热循环（λ=1）热效率为εη111--=K tV )1(1111--⋅-=-ρηρεK KK tP ()()111111-+--⋅-=-ρλλληρεK KK tm☐影响循环热效率ηt的因素 l. 压缩比ε：◆提高ε，循环的ηt都提高。

2. 绝热指数K：◆随K值增大，ηt将提高。

3. 压力升高比λ：◆定压加热循环λ=1；◆定容加热循环λ不影响ηt；◆混合加热循环随λ增大ηt 将提高。

4. 初始膨胀比ρ：◆定容加热循环ρ=1；◆定压加热循环和混合加热循环随ρ增大ηt将下降。

☐三、循环平均压力p tp t 是单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环做功的能力，单位：kPa按工程热力学公式，混合加热循环的平均压力p a 为进气终点的压力，即a 点压力。

st V W p =taKtm K K p p ηρλλεε⋅-+-⋅-⋅-=)]1()1[(11定容加热循环（ρ=1）的平均压力为定压加热循环（λ=1）的平均压力为可见，p t 是随压缩始点压力p a 、压缩比ε、压力升高比λ、预膨胀比ρ、绝热指数K 和热效率ηt 的增加而增加。

taKtVK p p ηλεε⋅-⋅-⋅-=)1(11taKtP K K p p ηρεε⋅-⋅-⋅-=)1(11taKtm K K p p ηρλλεε⋅-+-⋅-⋅-=)]1()1[(11理论循环分析的指导意义☐（1）指出了改善发动机动力性、经济性的基本原则和方向在允许的条件下，尽可能提高压缩比ε；合理组织燃烧，提高循环加热等容度（减少初始膨胀比ρ和合理选择燃烧始点）；保证工质具有较高的绝热指数k ；☐（2）提供了发动机之间进行动力性、经济性对比的理论依据同一机型不同加热模式的对比，当ε、k 及Q 1不变：等容循环ηt >混合循环ηt >等压循环ηt当加热量Q 1和p max 不变时：等压循环ηt >混合循环ηt >等容循环ηt第二节四冲程发动机的实际循环☐发动机实际循环由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。

☐实际循环通常用气缸内的工质压力p随气缸工作容积V（或曲轴转角φ）而变化的图形表示，即示功图p－V图，p－φ图称为展开示功图。

☐可以通过发动机台架试验的方式来获得示功图p－V图，p－φ图。

示功图测取装置电荷放大器压电传感器角标器p-∏ 图示功图（四冲程）p-V 图ITDC 0BDC 180TDC 360BDC540Ep p zp 0EEVO IVCIVOEVCp p zp 0V sV cV pAdsTDC -Top Dead Center BDC -Bottom Dead Center IVO -Intake Valve Open IVC -Intake Valve Close EVO -Exhaust Valve Open EVC -Exhaust Valve CloseTDC(上止点) BDC(下止点)示功图Indicator Diagram压力图/展开示功图TDC∏720 °CA I要求会识图和画图！w/o combustion发动机的实际循环过程示功图过程描述作用终点压力P(MPa)（P=0.1015MPa）终点温度T(K)进气r-a线活塞下行，进开排关吸入新鲜混合气汽：0.075~0.08柴：0.08~0.09汽：340~380柴：300~340压缩a-c线活塞上行，进关排关增大工作过程温差，提高热功转换效率，为燃烧创造条件汽：0.8~2.0柴：3.0~5.0汽：600~750柴：750~1000燃烧c-z线上死点附近，进关排关化学能转变为热能，工质的压力、温度升高汽：3.0~6.5柴：4.5~9.0汽：2200~2800柴：1800~2200膨胀z-b线活塞下行，进关排关活塞主动对外做功，热能转变为机械能，工质的压力、温度下降汽：0.3~0.6柴：0.2~0.5汽：1200~1500柴：1000~1200排气b-r线活塞上行，进关排开排出废气汽：0.105~0.115柴：0.105~0.115汽：900~1200柴：700~900柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力p Z 很高，但因相对于燃油的空气量大，所以最高燃烧温度T Z 值反而比汽油机低。

所以各个过程的温度均比汽油机低，唯独压缩过程终点时高于汽油机；压缩比高，所以柴油机气体膨胀比也大，转化为有用功的热量多，热效率高，所以膨胀终了的温度和压力均比汽油机小。

而其他过程的压力均高于汽油机。

第三节实际循环的评定—指示指标☐指示指标用来评定实际循环质量的好坏，以工质在气缸内对活塞做功为基础。

☐循环的动力性（做功能力）平均指示压力pmi（Indicated Mean Effective Pressure） 指示功率Pi （Indicated Power）☐循环的经济性指示热效率ηi Indicated Efficiency指示燃油消耗率bi ISFC☐一、平均指示压力p mi （Indicated MeanEffective Pressure ）平均指示压力p mi （MPa ）是发动机单位气缸工作容积V s (L)一个循环所做的指示功W i(kJ)p mi 是从实际循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数。

si mi V W p =32104-⨯==S Dp V p W mis mi i πp mi （MPa ）汽油机0.8-1.5柴油机0.7-1.1W pdV=⎰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。

IVCEVOEVCIVO TDC 上止点BDC 下止点pp zp 0V sV cV示功图(IndicatorDiagram)四冲程pAds工质对活塞所作功循环功：动力过程功：压缩与燃烧膨胀过程所作功之代数和。

泵气过程功：进气与排气过程所作功之代数和。

循环指示功＝动力过程功＋泵气过程功(考虑泵气损失)CompressionW<0Power W>0Intake W>0Exhaust W<0◆以一个假想的、大小不变的压力作用在活塞上，使活塞移动一个行程，其所做的功等于循环功，则此假想的压力即为平均指示压力pmi。