发动机原理第二章4节讲解
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2.发动机原理
汽车发动机
4.发动机总体构造
概述
两大机构
五大系统
曲柄连杆机构 配气机构 供给系 点火系 冷却系 润滑系 起动系
曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动 零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成。在做功行程 中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲 轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气 行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运 动。
内燃机：液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃 烧而产生热能，然后再将热能转变成机械能输出的热力发动 机。如活塞式内燃机、燃气轮机(按热能转变成机械能的主 要构件分）。
比较： 外燃机体积大，重量重，热效率低； 内燃机热效率高，体积小，重量轻，便于移动，起动性能好。
分类
将热能转化为机械能的主要构件形式的不同
发动机
发动机（Engine）是一种能够把自然界某种能 量（ 热能、电能、化学能、太阳能等）转化 为机械能的机器，包括如内燃机（汽油发动机 等）、外燃机（斯特林发动机、蒸汽机等）、 电动机等。
热力发动机
将热能转变成机械能的发动机,简称热机。
外燃机：燃料在机器外部燃烧，产生的热能输入到机器内部 并转变成机械能输出的热力发动机。如蒸汽机。
第一行程（进气口开启）
第二行程
活塞由上止点移至下止点。
第
在压缩行程终了时，火花塞产生电 火花，点燃气体做功。此时排气孔
二 行 程
和扫气孔关闭，进气孔仍开启，继
（ 燃
续进气。随着活塞继续下行，曲轴
烧
箱内的可燃混合气开始被预压缩。
膨 胀
做
功
内燃机原理(简)
第一章 发动机的性能 一、三种基本理论循环： 三种基本理论循环：
1、循环特征参数 、 （2） 压力升高比 λ = ）
（1） 压缩比 ）
p p
3 2
v1 ε = v2
ρ =
k
（3）初始膨胀比 ）
v4 v3
2.、热效率 、
η
it
= 1 −
1
ε
k −1
⋅
− 1 ( λ − 1) + k λ ( ρ − 1)
一、指示功和平均指示压力
1、指示功（或循环指示功） 指示功（或循环指示功）
在气缸完成一个循环， 在气缸完成一个循环，工质对活 塞所做的功， 表示。 塞所做的功，用Wi（J）表示。
2、平均指示压力Pmi 、平均指示压力
1）定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指 ）定义： 示功。 示功。 Pmi=Wi/Vh (kPa) 2）作用：评价发动机工作循环的动力性。 ）作用：评价发动机工作循环的动力性。
↓=>发动机功率 发动机功率↓ 但P0↓(To↑)=>ρ0↓=>ma↓=>发动机功率↓。
2、结构因素 、
(1)进气系统 进气系统
一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、 一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力， 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以增大 进气终了的压力，提高充量系数。 进气终了的压力，提高充量系数。 试验证明，增大进气终了压力比降低残余废气系 试验证明， 数对充量系数的影响大， 数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。
B:每小时的油耗量, kg/h］ 有效功率[kW] B:每小时的油耗量,［kg/h］ Pe:有效功率[kW] 每小时的油耗量
1、循环特征参数 、 （2） 压力升高比 λ = ）
（1） 压缩比 ）
p p
3 2
v1 ε = v2
ρ =
k
（3）初始膨胀比 ）
v4 v3
2.、热效率 、
η
it
= 1 −
1
ε
k −1
⋅
− 1 ( λ − 1) + k λ ( ρ − 1)
一、指示功和平均指示压力
1、指示功（或循环指示功） 指示功（或循环指示功）
在气缸完成一个循环， 在气缸完成一个循环，工质对活 塞所做的功， 表示。 塞所做的功，用Wi（J）表示。
2、平均指示压力Pmi 、平均指示压力
1）定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指 ）定义： 示功。 示功。 Pmi=Wi/Vh (kPa) 2）作用：评价发动机工作循环的动力性。 ）作用：评价发动机工作循环的动力性。
↓=>发动机功率 发动机功率↓ 但P0↓(To↑)=>ρ0↓=>ma↓=>发动机功率↓。
2、结构因素 、
(1)进气系统 进气系统
一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、 一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力， 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以增大 进气终了的压力，提高充量系数。 进气终了的压力，提高充量系数。 试验证明，增大进气终了压力比降低残余废气系 试验证明， 数对充量系数的影响大， 数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。
B:每小时的油耗量, kg/h］ 有效功率[kW] B:每小时的油耗量,［kg/h］ Pe:有效功率[kW] 每小时的油耗量
发动机的工作原理和总体构造
三角活塞转子发动机
转子发动机又称为米勒循环发动机，采用三角转子旋转 运动来控制压缩和排放，由德国人菲加士·汪克尔发明。
60年初在德国生产出第一辆装配了转子发动机的小跑 车。
1964年，日内瓦的德法合资企业COMOBIL公司，首次 把转子发动机装在轿车上成为正式产品。
1967年，马自达公司投巨资从汪克尔公司买下了这项 技术。将转子发动机装在马自达轿车上开始成批生产。
进关 排关 活塞 上→下 压缩终了时 点火 压力 ↗ ↗ 3~5MPa 温度 ↗ ↗ 2200~2800K 体积 ↗ ↗ 曲轴 360°~540° 做功终了
压力↘ ↘ 0.3~0.5MPa
温度 ↘ 1300~1600K
进关 排开 活塞 下→上 压力 0.105~0.115MPa 温度 900~1200K 曲轴 540°~720° 残余废气：因燃烧室容 积，废气不能排尽。
第一节 发动机的分类
一、发动机的定义、分类及特点
发动机－将某种能量直接转换为机械能并拖动 某些机械进行工作的机器。
将热能转变为机械能的发动机，称为热力发动 机（热机）。
燃料和空气混合后在机器内部燃烧而产生热能， 然后再转变为机械能的，称为内燃机。
内燃机与外燃机相比，具有热效率高、体积小、 便于移动和起动性能好等优点。
第五节 发动机主要性能指标与特性
发动机的性能指标是用来衡量发动机性能好坏的标准
动力性能指标：有效转矩、有效功率、转速 经济性能指标：燃油消耗率 运转性能指标：排气品质、噪声、起动性能
一、动力性能指标
a. 有效转矩：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的扭矩，通常用Ttq表示， 单位为N·m。有效转矩是作用在活塞顶部的气体压力通过连杆、传给曲 轴产生的扭矩，并克服了摩擦，驱动附件等损失之后从曲轴对外输出的 净转矩。 b. 有效功率：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率，通常用Pe表示 ，单位为kW。有效功率同样是曲轴对外输出的净功率。它等于有效扭矩 和曲轴转速的乘积。发动机的有效功率可以在专用的试验台上用测功器 测定，测出有效扭矩和曲轴转速，然后计算出有效功率。
发动机原理第二章(第2次课)
压缩后期 工质的温度在压缩后期将超过壁面温度，工质向
气缸壁放热；
膨胀和排气过程工质始终向外放热，因此有大量的热量损失.
（三）传热损失
与理论循环相比， 示功图上减少的有 用功面积将大于压 缩线下所增加的面 积，其差值即为实 际循环的传热损失。 传热损失的存在， 使循环的热效率和 循环的指示功都有 所下降，同时增加 了内燃机受热零件 的热负荷。
即 V a ，对不同类型的发动机有不同的要求。 Vc
理论上 则 t ，希望 越大越好。实际
上对 有一定的限制。
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程 ① 的上限
a. 对点燃式内燃机（如汽油机，煤气机），在缸内被压缩 的是空气与燃料的混合物，上限受到可燃混合气早燃或爆 燃的限制。因此，上限取值应考虑到燃料的性质，传热条 件及燃烧室结构等因素。
（二）换气损失
实际循环
1.为尽可能降低排气阻力，排气门需要提前开启，燃 气在膨胀到下止点前从气缸内排出(沿b1d1线)，这将 使示功图上的有用功面积减少(图中阴影区)；
2.在排气和吸气行程中，气体在流经进排气管、进排 气道以及进排气门时，不可避免地存在着流动阻力损 失，也需要消耗一部分有用功。
3.由于进气压力(压缩始点压力)pa低于大气压力，使 整个压缩线ac位于理论压缩线atct的下方。
b. 对压燃式发动机（如柴油机），应保证压缩终点的 温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。
化油器式汽油机 6.5～1机 16～22（直喷式16～18，间喷式18～23 ）
增压柴油机 11～17
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程
（3）多变压缩指数 实际循环中，压缩过程是一个多变过程，其压缩多变指
子气体大，且随着温度的上升而增大，
气缸壁放热；
膨胀和排气过程工质始终向外放热，因此有大量的热量损失.
（三）传热损失
与理论循环相比， 示功图上减少的有 用功面积将大于压 缩线下所增加的面 积，其差值即为实 际循环的传热损失。 传热损失的存在， 使循环的热效率和 循环的指示功都有 所下降，同时增加 了内燃机受热零件 的热负荷。
即 V a ，对不同类型的发动机有不同的要求。 Vc
理论上 则 t ，希望 越大越好。实际
上对 有一定的限制。
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程 ① 的上限
a. 对点燃式内燃机（如汽油机，煤气机），在缸内被压缩 的是空气与燃料的混合物，上限受到可燃混合气早燃或爆 燃的限制。因此，上限取值应考虑到燃料的性质，传热条 件及燃烧室结构等因素。
（二）换气损失
实际循环
1.为尽可能降低排气阻力，排气门需要提前开启，燃 气在膨胀到下止点前从气缸内排出(沿b1d1线)，这将 使示功图上的有用功面积减少(图中阴影区)；
2.在排气和吸气行程中，气体在流经进排气管、进排 气道以及进排气门时，不可避免地存在着流动阻力损 失，也需要消耗一部分有用功。
3.由于进气压力(压缩始点压力)pa低于大气压力，使 整个压缩线ac位于理论压缩线atct的下方。
b. 对压燃式发动机（如柴油机），应保证压缩终点的 温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。
化油器式汽油机 6.5～1机 16～22（直喷式16～18，间喷式18～23 ）
增压柴油机 11～17
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程
（3）多变压缩指数 实际循环中，压缩过程是一个多变过程，其压缩多变指
子气体大，且随着温度的上升而增大，
发动机原理课件完整版：第一章2、3、4、5节
• X f — 摩擦阻力 • 因与飞行方向相反，故均为负。
2020年4月14日
6
二、推力公式推导
• Fin
01
qm gV 9qm aV 0p0A 0 pdAF inp9A 9
0
• 动量定理：
控制体进、出口气流动量变化＝全部轴向力的合力
• 控制体包括：短舱包含的气流和进气道前 方一段扩张管流。
2020年4月14日
7
二、推力公式推导
• Feff
F eff F inF out
01
9
qm gV 9qm aV 0p0A 0pdAp9A 9pdAXf
0
01
9
p0dA p0A9 p0A0
0
9
p0A0= p0dAp0A9 0
2020年4月14日
8
二、推力公式推导
• Feff
F eff F inF out
01
9
qm gV 9qm aV 0p0A 0pdAp9A 9pdAXf
0
01
qmgV9qmaV0(p9p0)A9 推力
01
9
(pp0)dA (pp0)dAXf 阻力
0
01
附加阻力 压差阻力 摩擦阻力
2020年4月14日
9
二、推力公式推导
• 推力 • 附加阻力 • 压差阻力 • 摩擦阻力
F q m g V 9 q m a V 0 (p 9 p 0 )A 9
2020年4月14日
19
一、性能指标
• 示例： • 进行发动机地面台架试车，其中发动机进
口流量100kg/s，进口速度120m/s，排气速 度800m/s，尾喷管完全膨胀，则发动机产 生的推力是多少？ • A 68000N • B 80000N
发动机原理第二章尾喷管shangza
四、收敛-扩张型尾喷管
1
2
4
3
2
其他喷管
五、其他喷管
反推装置
其他喷管
五、其他喷管
垂直/短距起降喷管
五、其他喷管
矢量喷管
进气道与尾喷管比较
进气道
尾喷口
减速增压（高速飞行时）
增速减压
亚音速进气道为扩张型
低Ma飞机发动机喷口为收缩型
超音速进气道：超音->亚音
缩扩型尾喷口：亚音->超音
逆压力梯度（静压增加）
燃气膨胀加速，气流高速排出，产生反作用推力； 调节喷管临界截面积改变发动机工作状态； 推力换向。
功能
01
流动损失小 尽可能完全膨胀 排气方向尽可能沿所希望的方向 根据需要，截面积几何尺寸可调 噪音低
设计要求
02
一、尾喷管功能及设计要求
二、尾喷管的分类
纯收敛型 收敛-扩张型
二、尾喷管的分类
尾喷管的分类： 纯收敛型 收敛-扩张型
三、纯收敛型尾喷管
思考：哪种工作状态尾喷管完全膨胀？
三、纯收敛型尾喷管
喷管排气速度
三、纯收敛型尾喷管
纯收敛型 出口气流速度最高只能达到当地音速，也就是说 尾喷口实际排气速度： 完全膨胀时的排气速度： 这将造成推力损失
1
2
3
4
5
6
示例：
√
X
√
√
√
√
判断题
顺压力梯度（静压下降）
飞行速度越快，冲压比越大
可用膨胀比越高，排气速度越大
飞行速度越快，滞止温度越高
排气总温越高，排气速度越大
调节临界面积可改善起动性能
调节临界面积可改变发动机状态
1
2
4
3
2
其他喷管
五、其他喷管
反推装置
其他喷管
五、其他喷管
垂直/短距起降喷管
五、其他喷管
矢量喷管
进气道与尾喷管比较
进气道
尾喷口
减速增压（高速飞行时）
增速减压
亚音速进气道为扩张型
低Ma飞机发动机喷口为收缩型
超音速进气道：超音->亚音
缩扩型尾喷口：亚音->超音
逆压力梯度（静压增加）
燃气膨胀加速，气流高速排出，产生反作用推力； 调节喷管临界截面积改变发动机工作状态； 推力换向。
功能
01
流动损失小 尽可能完全膨胀 排气方向尽可能沿所希望的方向 根据需要，截面积几何尺寸可调 噪音低
设计要求
02
一、尾喷管功能及设计要求
二、尾喷管的分类
纯收敛型 收敛-扩张型
二、尾喷管的分类
尾喷管的分类： 纯收敛型 收敛-扩张型
三、纯收敛型尾喷管
思考：哪种工作状态尾喷管完全膨胀？
三、纯收敛型尾喷管
喷管排气速度
三、纯收敛型尾喷管
纯收敛型 出口气流速度最高只能达到当地音速，也就是说 尾喷口实际排气速度： 完全膨胀时的排气速度： 这将造成推力损失
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示例：
√
X
√
√
√
√
判断题
顺压力梯度（静压下降）
飞行速度越快，冲压比越大
可用膨胀比越高，排气速度越大
飞行速度越快，滞止温度越高
排气总温越高，排气速度越大
调节临界面积可改善起动性能
调节临界面积可改变发动机状态
汽车知识第二章汽车发动机工作原理及内部构造
机械能。
内燃机的优点：热效率高、体积小、重量轻、广泛应用。
但由于使用的是石油燃料，因而污染较大。城市的大气污染相当 部分来至内燃机所排出汽的车知废识第气二。章汽车发动机工作原
理及内部构造
①活塞式内燃机（本章的主要介绍对象。）
1、内燃机： ②燃气轮机：旋转式的内燃机。
活塞式内燃机分类：
按所用燃料 分：
表面点火：由于ε过大 P、T过高，在电火花之前可燃混合气就被燃
烧室炽热的表面点燃的另一种不正常燃烧。表面点火发生时，伴有沉闷的 敲缸声，产生的高压使发动机负荷↑，寿命↓。
* ① 现代汽油机的压缩比一般为ε= 6—9（个别轿车可达9—11）。 ② 柴油机靠压缩自燃，所以压缩比设计等较高ε=16—22。具有较好的 经济性。但高的压缩比带来高的压缩压力、燃烧压力，使柴油机各部 件要承受高的机械负荷，因而需要增加强度及刚度。故柴油机的尺寸、 重量指标不如汽油机。
汽车知识第二章汽车发动机工作原 理及内部构造
• 涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压 缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的 废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又 带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道 送来的空气，使之增压进入汽缸。当发动机转 速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快， 叶轮就压缩更多的空气进入汽缸，空气的压力 和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃 料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发 动机的输出功率了。
缺点：是费油，污染环境，还有机器的寿命比较短。 目前只有“马自达”在应用这项技术。
汽车知识第二章汽车发动机工作原 理及内部构造
水冷式发动机 按冷却方式分：
风冷式发动机
汽车知识第二章汽车发动机工作原 理及内部构造
水冷和风冷的不同