第一章发动机性能.ppt
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1、第一章发动机性能,一、汽车发动机的发展,1.汽车发动机发展史的回顾,1794年,英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力,第一次提出了燃料与空气混合的概念; 1799年提出点燃煤气等 1816年R.stirling发明了热空气发动机 1817年Rivaz开发了第一台大气压下的氢气发动机 1833年,英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动 活塞作功的设计; 1860年Lenoir发明第一台煤气发动机,人们开始意识到燃料在密闭室内燃烧。,1.汽车发动机发展史的回顾,1860年,奥拓研制了第一台四冲程煤气发动机。 1876年,德国发明家奥托,研制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力
2、)的四冲程内燃机。 1886年,戴姆勒.奔茨等人研制了汽油发动机。 1892年,狄塞尔发明了柴油发动机。 1897年,德国工程师狄塞尔首创的压缩点火式内燃机(柴油机)研制成功;1898年,柴油机首先用于固定式发电机组;1903年用作商船动力;1904年装于舰艇;1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成;1920年左右开始用于汽车和农业机械。 经过100多年的发展,汽油机和柴油机技术发生了巨大变化。集各门学科、高科技于一身,无论是自身性能还是与工作机械的匹配,都达到登峰造极的地步。重量大约减轻100倍,油耗下降5倍。,汽车发动机发展,1.汽车发动机发展史的回顾,汽车发动机发展,奥拓四冲程煤气
3、发动机汽车,本茨设计制造出装用汽油机的三轮汽车,1953年第一汽车制造厂在长春奠基,1956年7月13日,12辆国产“解放”牌汽车驶下总装线,开创了我国汽车工业的新纪元。 1989年确定了三大三小的格局。 1994年汽车工业被列为国家支柱产业。 1998年我国汽车产量超过160万辆,进入世界十强。 2003年成为世界第四大汽车生产国和第三大消费国。 2005年我国汽车产量达到570.7万辆,销售汽车575.82万辆。 2006年汽车保有量4985万辆。2008年我国汽车销量938.05万辆,保有量6467万辆。 我国摩托车工业,自1993年连续产量居世界第一. 截至2011年底,全国机动车保有
4、量为2.25亿辆,其中汽车1.06亿辆。,2.我国汽车发动机产业发展现状,我国发动机发展主要存在问题: 自主开发能力差, 核心技术主要是掌握在国外。 企业数量众多,规模小,重复投资引进。,汽车发动机发展,汽油机产量,上述十家企业共生产汽油机728.4204万台,占汽油机生产累计总量的55.51%。,2.我国汽车发动机产业发展现状,柴油机产量,十家企业共销售柴油机307.0745万台,占柴油机累计销售总量的81.82%。,2.我国汽车发动机产业发展现状,国际十佳,3.国内外十佳发动机,Ward年度十佳发动机奖项是由名为Wards Autoworld(沃德的汽车世界)这本杂志评选出来的。该杂志创刊
5、于1924年,在全世界范围内都颇具影响力。虽然有资格获得Ward十佳发动机的只有在北美市场发售的车型,但实际上能够赢得北美市场和Ward的认可就可以等同于赢得了全世 界的认可。,1、奥迪3.0L TFSI机械增压DOHC V-6,这款3.0LTFSI V6具有惊人的中低速扭矩,同时全铝构造更轻并具有更好的经济性。功率达到333hp/ 5500-7000rpm,扭矩达441Nm/ 2900-5300rpm。奥迪3.0TFSI发动机采用缸内直喷技术,机械增压装置完美地融合在90度的V6 发动机中,压缩比达10.5:1。 国内市场中的奥迪A6L、A8、Q7等车型中配 备。,国际十佳,3.国内外十佳发
6、动机,2、宝马 N20 涡轮增压 2.0L I-4,3、宝马3.0L N55 涡轮增压 I-6,120hp/ L,扭力约350Nm左右。 国内市场中目前只有进口版Z4配备了此款发动机。,产生300hp/ 5800rpm功率以及高达407Nm/ 1200-5000rpm最大扭矩,在目前中国市场的进口335i和国产535i车型上均可见到,国际十佳,3.国内外十佳发动机,4、福特EcoBoost 涡轮增压2.0L I-4,此款2.0LEcoBoost涡轮增压发动机相比以往福特推出的传统发动机,拥有巨大的技术进步,加装了当下流行的可变正时气门+缸内直喷+涡轮增压,以高效动力表现以及可观的燃油 经济性赢
7、得评委们的青睐。 采用博格华纳的K03低惯量转子涡轮,在进、排气门可变正时的帮助下,发动机在1750rpm便可达到最大扭矩输出,提高了发动机在低转速时的动力表现。此发动机最大功率240马力,扭矩可达340Nm,可谓小排量大输出。国内所搭载此款发动机的车型包括福特蒙迪欧致胜、沃尔沃S80L以及 备受关注的路虎揽胜极光,国际十佳,3.国内外十佳发动机,5、马自达Skyactiv-G 2.0L I-4,这款成本不高但科技感十足的自然吸气4缸2.0LSkyactv发动机,国内被称为“创驰蓝天”技术,重点在于提升动力系统的效率和动力性能,此款发动机的亮点之一在于其高达14:1的超高压缩比例,虽然后期经过
8、调整有所降低,但仍然达到了13:1。能够采用如此高的压缩比,与发动机采用独特设计的燃烧室分不开。效率方面,与目前普通马自达2.0发动机相比提高了15% 以上。 这款发动机将主要用于马自达3 Skyactiv版本以及2013款CX-5中,目前还没有引入中国市场。,国际十佳,3.国内外十佳发动机,6、克莱斯勒Pentastar 3.6L DOHC V-6 该发动机结构简单、耐久度高、保养维护费用低等特点,可产出286马力的最大功率以及347Nm的最大扭矩,油耗9.4L/100km左右。JEEP吉普牧马人、大切诺基等车型均配备了此款发动机。,7、福特Coyote, 5.0L V-8 这款发动机只出现
9、在美版的福特野马Boss 302。功率444hp,使用了全新的顶置凸轮和铝制结构,以及双独立可变凸轮轴正时技术,发动机可以随时迅速控制节气门开闭程度,提升车辆的加速性能以及低转速动力输出。,8、通用别克涡轮增压2.0L I-4 此次获奖的通用别克2.0高功率涡轮增压直列四缸发动机,拥有270马力、400Nm的动力输出数据,动力水平直逼同平台的欧宝Insignia OPC搭载的2.8L V6涡轮增压发动机 ,而国内版均为虽然也使用同样代号的2.0涡轮增压发动机,但功率与海外版的270马力版本截然不同,国内的2.0发动机只有不 到230马力的最大功率 。,10、英菲尼迪VQ, 3.5L V-6 混
10、合动力 VQ混合动力发动机采用一台可以输出68马力(50千瓦)功率、270Nm的HM34电动机作为辅助,可输出超过360马力的动力,通过位于电动机前后两套离合器的开闭组合来控制动力的流向,电动机则身兼二职,既做驱动使用的电动机,又用来做发电机。车辆的百公里油耗约小于6L/100km新推出的发动机将主要配备于英菲尼迪M35h车型上,虽然目前还没有进入国内市场,但有消息称英菲尼迪将有望在今年内引进混合动力版本的车辆。,国际十佳,3.国内外十佳发动机,9、现代 GDi 1.6L I-4 韩系发动机近年来屡次获奖。此次上榜的是一台全新小排量GDi 1.6升 4缸发动机。这款发动机应用了缸内直喷技术,使
11、燃料燃烧更加充分,输出更加高效,同时有效降低油耗以及二氧化碳排放量。其最大功率约为101kW)/6300rpm和166Nm/4850rpm的最大扭矩。 此款发动机用于现代以及起亚的众多入门级车型,例如海外版现代雅绅特、飞思、起亚秀尔等。遗憾的是,也许是出于成本以及国内油品质量考虑,目前这款1.6升高效发动机没有被引进到国内市场中。,2012年12月11日,由汽车与运动主办 “中国心”2012年度十佳发动机,作为国内惟一的汽车发动机评选活动,受到各界关注,国内十佳,3.国内外十佳发动机,4.汽车发动机发展面临问题,石油缺乏: 根据英国石油公司世界能源统计评论的数据,截止2003年底,世界已探明石
12、油储量为11480亿桶,合计1570亿吨。从现有数据来看,如果石油消费保持现在的速度,世界石油储备还可以满足40年到50年之需。 我国石油资源总量较丰富。据2003年BP的统计,在世界103个产油国中我国石油可采资源总量和剩余可采储量分别居第11位和第10位。截至 2003年底,我国石油可采资源探明率为43,总体属于石油勘探中等成熟阶段。综合分析资源情况和勘探潜力,预计未来1520年内,我国石油储量仍处于高稳定增长期,年均新增石油可采储量在1.4亿1.8亿吨左右, 大体保持目前的储量增长水平。 从1993年起成为石油净进口国,我国进口石油的三分之一用于汽车消耗。国内石油产量基本维持在2亿吨左右
13、水平,每年进口量还在增加。2011年达到2.7亿吨,很快将突破3亿吨,预计2015年进口依存度达到60%以上。据预测将严重影响国家能源安全。,4.汽车发动机发展面临问题,我国的油价在世界范围内处于中游,但收入与油价比排名世界第四,而且我国的高速公路收费;随着排放标准的更加严格,运输成本会进一步提高。,排放 汽车排出的污染物质主要包括在气缸内燃烧后从排气管排出的废气,以及曲轴箱窜气、机油蒸气排放、燃料箱和化油器的蒸发排放等。有害物质包括CO、 CO2、NOX、HC、碳烟等。,噪声污染 噪声污染已经成为四大公害之一。而城市噪声污染主要来自城市交通噪声,其中汽车噪声占据很大部分。在我国城市噪声源中,
14、交通噪声占46.8%,社会生活噪声占28.9%,工业噪声占8.3%,施工噪声占5.1%,其它噪声占10.9%。而且,交通噪声所占比例有逐年上升的趋势。,4.汽车发动机发展面临问题,5.汽车动力装置发展预测,内燃机技术主要体现在以下几个方面 (1)缸内直喷电控汽油机性能的进一步改善 (2)使用共轨式高压电控直喷柴油机 (3)汽柴油品质的提高 (4)各种高效排放后处理装置的开发和使用,5.汽车动力装置发展预测,汽车发动机发展,二、 发动机的理论循环过程,1.对实际循环所作的假设条件 a) 假设工质是理想气体,整个循环工质组 成成分不变。 b) 闭口系统作封闭循环,不考虑换气损失。 c) 将压缩和膨
15、胀过程假定为绝热等熵过程。 d) 假设燃烧是外界无数个高温热源定容或 定压加热。 根据加热方式不同,发动机有三种基本空气 标准循环,即定容加热循环、定压加热循环和混 合加热循环。,a)定容加热循环 由于汽油机的均匀混合气为爆炸燃烧,燃烧速度 很快,而在上止点附近容积变化又较小,因此燃烧过 程相当于定容燃烧。,2. 三种理论循环,发动机的理论循环过程,示功图,温熵图,b)定压加热循环 低速柴油机燃油质量差,形成可燃混合气的速度 慢,不均匀混合气的扩散燃烧速度很慢。燃烧持续 时间长,接近定压加热。,2. 三种理论循环,发动机的理论循环过程,示功图,温熵图,c)混合加热循环 高速柴油机在燃烧初期,由
16、于部分混合气已与空气混合, 之后由于边喷油、边混合、边燃烧,燃烧速度受到制约,因此 燃烧过程兼有逐渐爆炸燃烧和扩散燃烧的特征,对应于气缸内 的容积变化情况,可以将燃烧过程简化为定容定压加热。,2. 三种理论循环,发动机的理论循环过程,示功图,温熵图,为压力升高比,为预膨胀比,3. 循环热效率,发动机的理论循环过程,示功图的制取,发动机示功图制取方法,上止点位置传感器,曲轴转角传感器,内置压力传感器的火花塞,示功图的制取,发动机缸压所需传感器,4. 热效率的影响因素,发动机的理论循环过程,1)压缩比 随着压缩比的增大,三种循环的效率都提高。压缩比的提高,可以提高循环平均吸热温度,降低循环平均放热
17、温度,扩大循环温差,增大膨胀比,如图1-2所示。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。在 较低时,随着 的提高,效率增长很快;在 较大时,再增加 则效果较小。,4. 热效率的影响因素,发动机的理论循环过程,2)压力升高比 增大时,对于混合加热循环来说,若q1不变则q2减少;若q2不变则q1增大,都会使效率增大。 3)预膨胀比 在等压加热循环中,随着加热量q1的增加, 值加大。若 保持不变,因平均膨胀比减小,放出的热量q2增加,效率下降。 在混合加热循环中,当循环总加热量q1和 保持不变, 值增大,意味着等压加热部分增大,同样效率下降。,5.循环平均压力,发动机的理论循环过程,是单位
18、气缸容积所做的循环功,用来评定循环的做功能力,式中,循环所做的功(J) 气缸工作容积(L),根据工程热力学公式,混合加热循环的平均压力为:,式中,压缩始点的压力(KPa),定容加热循环的平均压力为:,定压加热循环的平均压力为:,发动机的理论循环过程,5.循环平均压力,三、 四冲程发动机的实际循环,四冲程发动机的实际工作过程是由连续的循环组成。,活塞在上止点前打开进气门,气缸内的残余废气膨胀,过了上止点后,气缸真空度不断吸入新鲜空气与燃料的混合气。,1.进气过程,四冲程发动机的实际循环,由于进气阻力,气流受高温零件及残余废气的加热,有如下关系,汽油机 柴油机 增压柴油机 增压压力,2.压缩过程,
19、四冲程发动机的实际循环,汽油机 n1=1.321.38 柴油机 n1=1.381.40 增压柴油机 n1=1.351.37,工质温度低,被加热,多变指数大于绝热指数,工质温度高,放热,多变指数小于绝热指数,汽油机 0.82.0 600750 柴油机 3.05. 0 7501000 增压柴油机 5.08.0 9001100,压缩比范围 汽油机: 710 柴油机: 1422 增压柴油机: 1215 压缩比很重要,常用测量压缩压力来检查,当气缸密封不良时,会出现压缩终点温度、压力下降,起动困难,功率减小等。,3.燃烧过程,四冲程发动机的实际循环,汽油机 3.06.5 22002800 柴油机 4.5
20、9. 0 18002200 增压柴油机 9.013.0,燃烧放出热量越多,放热时越靠近上止点,热效率越高。,1,四冲程发动机的实际循环,4.膨胀过程,汽油机 n2=1.231.28 柴油机 n2=1.151.28,汽油机 0.30.6 12001500 柴油机 0.20. 5 10001200,工质温度低,被加热,多变指数大于绝热指数,工质温度高,放热,多变指数小于绝热指数.,四冲程发动机的实际循环,5.排气过程,由于排气系统阻力,排气终了的压力大于大气压力,汽油机和柴油机 废气涡轮增压柴油机 汽油机 柴油机,发动机实际工作循环由上述五个过程组成,由于存在各种损失与理论循环相比存在一定偏差。,
21、四、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,它以工质在气缸内对活塞做功为基础。用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性做功能力;用循环热效率及燃料消耗率评定循环的经济性。,1.平均指示压力 一个实际循环工质对活塞所做的有用功称为指示功,单位气缸工作容积的指示功为平均指示压力。可根据测量示功图面积计算求得。 为了比较不同大小气缸的做功能力,需要排除尺寸的影响。,Pmi的一般范围是: 汽油机 0.81.5MPa 柴油机 0.71.1MPa 增压柴油机 12.5MPa,2.指示功率 发动机单位时间所做的指示功,称为指示功率Pi 。,行程数;i-气缸数,3.指示热效率和指示燃油消耗
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