发动机原理第二章4节讲解

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燃烧过程
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结论：膨胀
发动机的实际膨胀过程与压缩过程很相似，也是一 个复杂的热力过程（吸热量大于放热量、吸热量等于 放热量、吸热量小于放热量）。总体来说，缸内气体 的吸热量大于放热量。 膨胀过程不仅有散热损失和漏气损失，还有补燃损 失。 膨胀过程终了b点的压力和温度越低，说明气体膨胀 和热量利用越充分。
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结论：压缩
发动机的实际压缩过程，是一个复杂的热力过程(吸 热-绝热-放热)。总体来说，缸内气体的放热量大于 其吸热量。 实际工作中，常测量压缩终了的压力。压缩终了的 压力过低，说明汽缸密封不良，其主要原因一般是气 门密封不良、活塞和汽缸磨损严重等。
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结论：燃烧
汽油机及燃气发动机的燃烧接近定容加热过程。 柴油机燃烧接近混合加热过程（同时存在定容加热和 定压加热）。 燃烧过程放出的热量越多，放热时越靠近上止点，则 热效率越高。 在实际燃烧过程中，不仅有散热损失、不完全燃烧损 失，而且还存在非瞬时燃烧损失。
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三、实际循环与理想循环的差别
（1）实际气体存在的损失wk。 （2）泵气损失wr。 （3）提前排气损失w。 （4）非瞬时燃烧损失wz。 （5）传热损失wb 。 （6）运动摩擦和不完全燃烧等损失。 结论：实际循环的热效率低于理论循环。
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实际循环与理想循环的差别
谢谢观赏
定容加热循环的热效率为：

指示功率Pi

发动机单位时间所做的指示功。
p m iVs in n 2 Pi Wi i 60 30

指示热效率η i和指示燃料消耗率bi

指示热效率η i是实际循环指示功与所消耗的 燃料热量之比值 。
Wi i Q1

指示燃料消耗率bi （简称指示比油耗）是指 单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的 耗油量表示。 [g／（kW· h）] B bi 10 3 Pi
pa ptV ( 1) t 1 K 1

K

定压加热循环（λ =1）的平均压力为
ptP pa K ( 1) t 1 K 1

K

可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比ε 、 压力升高比λ 、预膨胀比ρ 、绝热指数K和 热效率η t的增加而增加。

发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有 效转矩Ttq
Pe Ttq
2nTtq
60 1000

Ttq n
9550
0.1047 Ttq n 10 3

2. 平均有效压力pme

平均有效压力pme（MPa）是发动机单位气缸工 作容积输出的有效功
pme

30 Pe iVs n
燃烧
上死点附 化学能转变为热 近，进关 能，工质的压力、 温度升高 排关

收敛喷管排出发动机高压燃气，引射外套筒的
二股气流 主气流在周围亚音气流中膨胀，形成“流体” 壁面扩张段，主气流继续减速，高速排出 形成的“流体”壁面可以随主气流压力变化而 自动调节
三 、喷管特性
内流特性
总压恢复系数随喷管 膨胀比的变化
外流特性
尾部阻力 阻力系数Cx随飞行 马赫数变化(右图)
(b) πe>πe设计时的流动情况

(c) πe<πe设计时的流动情况

(d) πe<<πe设计，使P9 < P0 /2时流动情况

收扩喷管的不同工作状态
三种工作状态：完全膨胀、不完全膨胀、过度膨胀
可调节的收敛-扩张喷管
为使气流尽可能在出
口处达到完全膨胀 当喷管压比(Pt9/P0)随 飞行条件和发动机工 作状态变化时,由马 达带动作动筒拉动拉 杆,改变喷管出口截 面积与临界截面积的 比值(A9/A8)

高超音速时： e可高达20－30 >>1.85 采用收敛喷管因不能使气 流完全膨胀，可导致推力 损失>15%
例如：涡喷或混排涡扇
F Wg C9 Wa C0 A9 ( p9 p0 ) Fi Wg C9i WaC0 C FG F Fi
收敛－扩张喷管气动设计原理
dC dA 2 ( M a 1) C A

为了说明缸内残余废气的比例，引入残余废气系数 的概念，残余废气系数ϕr是进气过程结束时汽缸内残余 废气量与汽缸中新鲜充量的比值，由式(2-3ａ)、式(23ｂ)知:
2020年3月2日
汽车发动机原理
发动机性能
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第二章 发动机的换气过程
第二节 四冲程发动机的充量系数
三、影响充量系数的主要因素 １. 进气终了压力Pa Pa对ϕc有重要影响， Pa越高，ϕc值越大。 Pa＝PS-Δ Pa 式中，Δ Pa为气体流动时，克服进气系统阻力而
2020年3月2日
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发动机性能
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第二章 发动机的换气过程
第一节 四冲程发动机的换气过程
３.换气损失和泵气损失 换气损失等于进气损失与排气损失之和，如图2-3、
图2-4中面积(W+Y+X)，而在实际示功图计算中，已 经用丰满系数ϕi修圆理论示功图的棱角，所以ϕi中已包 括部分换气损失(面积W+U)，故泵气损失为换气损失 的一部分，即图2-3、图2-4中面积(Y+X-U)。
排气阶段内的汽缸平均压力比排气管内平均压力(排气 背压)略高一些(约10kPa)，且流速越高，阻力与压差 越大，即排气耗功越多。
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第二章 发动机的换气过程
第一节 四冲程发动机的换气过程

图2-50 多层推力轴承 1-凸肩 2-油槽 3-钢质薄壁 凸肩 油槽 钢质薄壁 4-基层 5-镍涂层 6-磨耗层 基层 镍涂层 磨耗层 7-油孔 8-卷边 油孔 卷边
(7)多缸发动机曲拐布置和发火顺序:曲轴的形状和各曲拐的相对位置取决 多缸发动机曲拐布置和发火顺序: 多缸发动机曲拐布置和发火顺序 气缸数,气缸排列形式和各缸的作功行程交替顺序 发火顺序). 和各缸的作功行程交替顺序( ).... 于气缸数,气缸排列形式和各缸的作功行程交替顺序(发火顺序). 发火顺序的要求: 发动机每完成一个循环 各缸都应发火一次, 发动机每完成一个循环, 发火顺序的要求: (a)发动机每完成一个循环,各缸都应发火一次,且各缸 作功间隔应均匀,即发火间隔角应等于720/ I;... 作功间隔应均匀,即发火间隔角应等于 (b)应使连续作功的两缸相距尽可能远 ,避免相邻两缸发生进 应使连续作功的两缸相距尽可能远 应使 气重叠现象,同时降低主轴承负荷. 气重叠现象,同时降低主轴承负荷.... 直列四缸发动机: 直列四缸发动机: 平面曲拐,相邻曲拐两两相对( ),发火顺序是 →3→4→2→1或 平面曲拐,相邻曲拐两两相对(图2-51),发火顺序是 →3→4→2→1或 ),发火顺序是1→3→4→2→1 1→2→4→3→1,发火间隔角等于 → → → → ,发火间隔角等于720/ 4=180. .
1,3-滚动轴承 , 滚动轴承 2-连接螺栓 连接螺栓

比质量 强化系数

一、发动机动力性 1. 有效功率Pe
Pe Pi ?
机械损失功率Pm ：
①摩擦损失；②驱动附件损失；③泵气损失.
所以：
Pe P i P m
Pe可通过测功机测得的有效扭矩和相应转速换算而得。

2. 有效扭矩（Ttq）
由 Pe Ttq （W）
其中 Ttq — （N m） 2 n （ 1 / s） 60 2 n Ttq Ttq n 那么 Pe (kW ) 601000 9550 9550 Pe 也即： Ttq （N m） n
①当活塞行程 s=常数，n ，Cm ，活塞往复惯性力， 磨损，寿命。
②为使Cm保持不变，又要利用n 带来的好处，从活 塞平均速度公式可看出，应设法使活塞行程 s 。

③当（s/D）<1称为短行程发动机。
④当D=常数，ε=常数时， s 过小，会造成燃烧室高 度h ，燃烧室面容比（A/V），散热面积，对混 合气形成不利，燃烧条件变坏。
平均指示压力（pmi）
指示功率（Pi）
指示热效率（ηi）
指示燃料消耗率（bi）
活塞所做的有用功（指示功）

Wi —为一个实际循环工质对 p
c
z
一、平均指示压力（pmi） Ai ——发动机单位气缸工作容积 r 的指示功。 A1 po pr' wi 定义： pmi （MPa） VS 其中： wi （A i A1） a b (kJ )

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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 气体在动叶栅中的流动： • 伯努利方程（相对坐标系）
2
1
dpW22
W12 2
Wfr
0
• dp0 W2 W1
叶型弯曲形成扩张通道，相对 速度减小，压力提高
2021年7月20日
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理
• 气体在动叶栅中的流动：
2、在标准大气条件下，测得某压气机的平均 出口总温550K，总压738900Pa，求该压气 机效率。
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五、压气机的不稳定工作状态
1、压气机攻角
• 攻角： i
1k
1
1k 几何进口角; 1进口气流角
• 设计状态攻角的选取：
– 亚音叶栅：略大于0
– 超音叶栅：略小于0
• 可以近似认为，设计
• 静叶
– 使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通 道减速增压
– 同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向 ，为顺利进入下一级做准备
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三、轴流式压气机增压原理
气体参数的变化
• 动叶
– 静温增加 – 静压增加 – 总温增加（动叶做功） – 总压增加 – 绝对速度增加（动叶做功） – 相对速度下降（减速扩压）

第三节 内燃机实际循环及其评价指标
一、发动机的实际 循环
1、进气冲程 图a） 2、压缩冲程 图b） 3、做功冲程 图c） （燃烧和膨胀过程） 4、排气冲程 图d）
第三节 内燃机实际循环及其评价指标
一、发动机的实际 循环
1、进气冲程 图a） 2、压缩冲程 图b） 3、做功冲程 图c） （燃烧和膨胀过程） 4、排气冲程 图d）
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程
（1） 压缩过程的作用： ① 扩大了工作循环的温度范围 t ② 使循环的工质得到更大的膨胀比，可对活塞多
作功。 ③ 提高了工质的温度压力，为冷起动及着火创造
了条件。
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程
（2） 压缩比
压缩比是一个描述工质容积变化和压缩程度 的参数，定义为压缩始点容积比上压缩终点容积。
（二）换气损失
理论循环与实际循环的主要差别
（三）传热损失 理论循环 假设与工质相接触的气缸壁面是绝热的，两者
间不存在热量的交换，因而没有传热损失。
实际循环 缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等(统称壁
面)与缸内工质直接相接触的表面，始终与工质发 生着热量交换。
压缩初期 由于壁面温度高于工质温度，工质从气缸壁吸热；
增压柴油机 pa （ 0.91.0） p0 Ta32038K0
三、实际循环的四个环节

的压差进行自由排气，而无须借助外力。
由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能 瞬时完全打开，气门开启有一个过程，其流通截面只能逐 渐增加到最大，在排气门开启的最初一段时间内，排气流 通截面很小，废气排出的流量小。
排气门打开后，气体的流动状态经历了超临界流动
和亚临界流动两个阶段的变化。
根据气体流动的性质，排气门打开后，缸内压力P 和排气管的压力Pr决定了气体的流动性质，设缸内气体 的绝热指数ｋ=1.4，则当:
沿ar线进行，进气沿ar线进行，进、排气压力相等，泵气
功为零，增压发动机的理想换气过程如图2-4ａ)所示，由 于进气压力Ps大于排气压力Pr ，所以排气沿a′r′线进行，进 气沿r″a″线进行，面积a″a′r′r″a″表示泵气功，为正功。
１.换气损失
如图2-3ｂ)和图2-4ｂ)所示，排气门提前开启时，排气 压力线从点ｂ′开始偏离膨胀线，面积过小与理想循环相比， 损失的功相当于Ｗ所表示的面积，称为自由排气损失，在 活塞将燃气推出汽缸时，由于沿途有流动阻力，所以汽缸 内的气体压力高于排气管内压力(非增压发动机排气管内压 力假定为大气压力)，损失的功相当于Ｘ所表示的面积(Ｘ
２.强制排气阶段
从自由排气阶段结束,活塞上行推出废气至排气门 关闭止，为强制排气阶段。 由于排气通道特别是排气门开启处的阻力，使强制 排气阶段内的汽缸平均压力比排气管内平均压力(排气 背压)略高一些(约10kPa)，且流速越高，阻力与压差 越大，即排气耗功越多。

三、基元极工作原理
❖静叶叶栅
三、基元极工作原理
• 气体在静子中作绝 能流动伯努利方程
3
2
dp
V32
V22 2
W fs
0
dp0 V3 V2
对于亚音气流，
减速必须经过
扩张形通道
三、基元极工作原理
❖气体在静叶叶栅中的流动：
▪ 利用叶型偏向轴线弯曲，使叶片之间形成扩张 形气流通道；
▪ 气体流经扩张通道减速增压（亚音速）；
静子：加速减压 基元级逐级扩张 导叶出口一般为临界 顺压力梯度（静压下降） W2 >W1 V2 < V1
六、压气机和涡轮的性能参数
❖压气机热力过程
▪ 理想情况：绝热等熵压缩 ▪ 实际情况：不可逆压缩（近似多变压缩）
h
2
2i
理想压缩功
等熵
P2* P1* 实际压缩功
1 S
六、压气机和涡轮的性能参数
离心负荷
▪ 高气动负荷:
气动力、气动力矩
▪ 轴负荷：
传递巨大的扭矩
❖ 设计要求
▪ 提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻
五、涡轮工作原理
❖高压涡轮
五、涡轮工作原理
❖低压涡轮
五、涡轮工作原理
❖组成：
▪ 静子（导向器）
• 静子叶片 • 内、外环
▪ 转子

理 工 大
程中损失一部分 用m评价
学
第二章 内燃机循环及性能评价指标
机械损失功率Pm
发动机内部摩擦损失 驱动附件损失 泵气损失—进排气损失
机械效率m
平均机械损失压力
河 南 理
m
Pe Pi
1
Pm Pi
1
pmm pmi
工
大
学
第二章 内燃机循环及性能评价指标
2）有效转矩：由发动机曲轴输出的转矩 循环输出功: We=Pe∆t
第二章 内燃机循环及性能评价指标
第一节 概述 第二节 内燃机的理论循环 第三节 内燃机的实际循环及其评价指标 第四节 内燃机的有效性能指标 第五节 机械损失 第六节 热平衡
§2-1 概述
第二章 内燃机循环及性能评价指标
内燃机：EQ W的动力机械装置 转换方式：热力循环四冲程=进、压、做功、排
三个环节：
=1
河
b) 混合循环： Q1 、一定
南
理
，，t
工
大
学
二、理论循环的评价
第二章 内燃机循环及性能评价指标
2.平均循环压力pt 单位气缸工作容积所做的循环功 评定循环的做功能力
pt
Wt Vs
tQ1
Vs
混合
ptm
k k 1
pa
k 1
1
k

风扇机匣单元体(Fan Casing Module)
风扇机匣用来形成发动机空气流通的内外涵道，分别引导空气以 适当的方向流入核心发动机的高压压气机和流出风扇的出口，并且 构成发动机的主要结构组件。
八、压气机的稳定工作
压气机防喘措施
（1）进气机匣处理（不需要掌握原理）
• 重点是考虑多级压气机的前面级和后面级
RB211-5高压涡轮叶片的冷却
涡喷6发动机涡轮的冷却气流
叶尖间隙主动控制 Active Clearance Control
为保证涡轮叶尖间隙始终保持最佳值，在不同工况下，必须调整 叶片与外环之间的间隙。通常采用对外环进行冷却的方法来实现间 隙的保证。
冷态 起动加速 正常运行 减速过程
叶尖间隙主动控制
带动压气机(风扇)、螺旋桨、旋翼(尾桨)等。
工作环境
高温:
热负荷(1600-1950K)
高速转动:
离心负荷
高气动负荷:
气动力、气动力矩
轴负荷：
传递巨大的扭矩
设计要求
提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻
6、涡轮的基元级工作原理
涡轮动叶
进口： • 气流以V1流向动叶 • 由于叶片转动切线速度U1 • 气流以相对速度W1进入动叶
八、压气机的稳定工作
压气机攻角
设计状态攻角的选取：

（三）发动机外特性曲线。 分析：此特性代表了发动机所具有的最高动力 性能。 1、可以从此曲线上找出发动机所能发出的最 高功率和最高转矩及其相应转速。 2、最高转矩和最高功率所对应的转速不同 3、发动机的最低燃油消耗率并不是出现在最 高功率或最高转矩对应的转速下，此说明发 动机的最高动力性与最好经济性不能兼得。 最低燃油消耗率所对应的转速介于最高功率 和转矩对应的转速之间。
（二）速度特性制取步骤（汽油机为例） 1）发动机预热，将点火提前角、水温（80～95℃）、 油温（80℃左右）保持最佳。 2）将油门固定在某一位置后，先将发动机满负荷稳定 运转在最低转速处，此时即为试验的起点。记录耗 一定量燃油所需要的时间、测功器读数、转速。 3）依次减少发动机负荷，使其转速增加，根据发动机 所选择的转速间隔，使发动机稳定工作在某一转速 处，再进行此时数据记录。如此试验几个点，到发 动机功率开始下降为止。 4）在坐标上描点。（横坐标发动机曲轴转速，纵坐标 为发动机的功率、转矩、有效燃油消耗率等）
2、第二冲程 活塞：从上止点到下止点 活塞上方：可燃混合气燃烧膨胀做功；排气 口露出后排气；扫气口露出后开始扫气。 活塞下方：进气口被下移地活塞关闭后新鲜 混合气被下移的活塞预压缩，扫气口露出 后，被预压缩的新鲜气体经过扫气口进入 活塞上方的气缸内。 曲轴：旋转从180℃A～360℃A 示功图：
三、二冲程柴油机的工作原理 （一）结构介绍 1、有排气阀，无排气口。 2、进气口设置在气缸上部，进气口和 扫气口为同一气口。 3、通过扫气泵扫气。

1) 零件的强度和可靠性的限制 2) 机械效率的限制 3) 燃烧方面的限制
发动机的压缩比和压力升高比见p4。
二）、循环平均压力：p4
1、循环平均压力
： p4
pt
式中：
W
pt Vs
(kPa)
W 循环所做的功（J）
气缸工作容积（L）
Vs
评定循环的动力性
2、三种基本理论循环平均压力公式
1）混合加热循环平均压力公式
汽缸容积V（或曲轴转角θ）而变化的图形,来表示汽缸内工质的实际工作情况。
发动机的实
际循环 1、进气过程 图a） 2、压缩过程 图b） 3、燃烧过程 图c） 4、膨胀过程 图c） 5、排气过程 图d）
p-V图和p-θ图 结论：进气、压缩、燃烧、膨胀、排气
结论：进气
进气过程进行的好坏用实际进入汽缸的新鲜工质的数量评价。 由pV=mRT可以看出：汽缸容积一定时，提高进气终了压力、降低进气终了温度可增加进气量。进气量
PL
Pe iV s
PL
pmen
3 0
式中，pme为标定工况下的平均有效压力，MPa； n为标定转速，r／min。
(kW／L)
比质量：是发动机质量与所给出的标定功率之比:
m m e Pe
(kg／kW)
汽车发动机要求质量小、功率大，所以其升功率大、比质量小。汽油机的强化程度要比 柴油机的高.

（1）简单薄膜式汽化器的工作原理
简单薄膜式汽化器，由节气门、文氏管、喷油管、调节油 针、进油活门和薄膜等组成。（图1-2-8）
工作原理： 燃油→燃油泵→进油活门→燃油室→调节油针→喷油孔喷出 关键：喷油量的控制
（2）薄膜式汽化器辅助装置的工作原理
为了使发动机在慢车转速和大转速工作时，加速 和飞行高度变化时，保证供应余气系数适当的混 合气，在薄膜式汽化器上都设有慢车装置、加速 装置和高空调节装置等辅助装置。
一、调节转速的目的
转速调节的目的，就在于当油门位置不变而飞行 速度、高度变化时，保持所需的转速，以便保持 所需要的发动机工作状态；或者根据飞行速度、 高度的需要，在改变油门的同时改变发动机的转 速，使发动机达到选定的工作状态。
二、转速调节原理
（一）螺旋桨的有关知识 1、组成部分：桨毂、桨叶、变距机构（调速器）。
三、点火系统的组成及工作原理
现代航空活塞式发动机都采取利用高压电产生电火花的方 法来点燃混合气。
点火系统的功用，是产生高压电，并按点火次序将高压电 输往各气缸去点燃混合气。
点火系统由磁电机、电嘴、起动线圈、磁电机开关和控制 电门等组成。
四、冷却系统的组成及工作原理
冷却系统的功用，是保持发动机温度在适当范围内，以保 证发动机正常工作。
图
二、航空活塞式发动机的工作原理
四个行程：进气、压缩、膨胀和排气。

T
参数说明：
c ε—压缩比：Va / Vc
z
bb Q λ—压力升高比： pz / p c 1 ρ —预胀比：vz / v z′ a Q κ—绝热指数： c2p / cv
1
S
k 1 混合加热循环 tm 1 k 1 （ 1 ） k （ 1 ） （ 1） 在（ 1 ）式中，当 1 时，有：
T
1 2
T
1
4
2
Q1
S
Q2
3
S

b.两种热循环热效率大小在T—S 图上的比较方法 循环1—2—3—4—1和循环1 ’—2 ’—3 ’—4—1 ’， 当其吸热量均相等时，谁的热效率更高？ 分析：
要使Q （吸）1—2—3—4—1 =Q （吸） 1 ’—2 ’—3 ’—4—1 ’，应使 1—2线和1 ’—2 ’线以下与横坐标围成的面积相等， 即： Q （吸）1—2—3—4—1 =+ Q （吸） 1 ’—2 ’—3 ’—4—1 ’ =+ ∴有推论： =
T
1 2
T
2' 3'
1
2
1' 4
3
1'
4
2' 3
3'
S
S
∴判别出：ηt 1—2—3—4—1

> ηt 1 ’—2 ’—3 ’—4—1 ’