发动机原理课件-绪论林学东版资料

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七、 汽油机与柴油机的相同点与不同点 相同点: 1 .每个工作循环曲轴转两周，每一冲程曲轴 转半周，进气冲程进气门开，排气冲程排气门开， 其余两个冲程进、排气门均光。 2.四个冲程中，只有作功冲程产生动力，其 余三个冲程消耗能量。 3.必须用外力起动。 4.工作循环基本内容相似，主要机件的运动 相同，结构基本相同。
温度
370400K
压缩 冲程
提高燃烧 速度
转半圈
作功 冲程
燃烧作功 转半圈
排气 冲程
排出废气 转半圈
关
关
0.6-1.2Mpa
600700K
关
关
Max 35Mpa
Max18 00-
2200K
关
开
0.105-0.115 900-
MPa
120300K
六、 四冲程柴油机工作原理
每个循环也由进气、压缩、作功、排气四个冲程组 成。但由于柴油的性质与汽油不同，其混合气形成的方 式、着火方式与汽油机也不同。下述不同点：
u＝f（T） 即只要工质的初、终态温度T1,T2确定，不 论经过什么过程，其内能的变化都相等
Δu＝u2-u1=f(T2)-f(T1)
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二、热力学第一定律
1. 热力过程及其所作的功 工质状态参数的一系列变化过程，叫做热力 过程，可用p－v图表示，其所做的功为（1kg气体）
47
图片
d F ds p A ds p dv
发动机是将其它形式的能量转 变为机械能的机器
5
二、发动机的分类
1. 按使用燃料分：汽油机、柴 油机等。 2. 按工作循环分：四冲程发动机、二冲程发
动机。 3. 按气门位置分：顶置气门式发动机、侧
置气门式发动机。 4. 按气缸排列分：直列式发动机、v型发动

第一章
航空燃气涡轮发动机 工作原理
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第一章 航空燃气涡轮发动机工作原理
• 第一节 涡轮喷气发动机热力循环 • 第二节 推力公式 • 第三节 性能指标和基本要求 • 第四节 能量转换与效率 • 第五节 发展方向
2020/11/18

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第一章 航空燃气涡轮发动机工作原理
• 第一节 涡轮喷气发动机热力循环 • 第二节 推力公式 • 第三节 性能指标和基本要求 • 第四节 能量转换与效率 • 第五节 发展方向
T0
p
* 2
(
T
* 2
) 1
P
* 2
p0
T0
P0
T
* 2
T0
=
－1
th
1
1
－1
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三、理想循环-热效率
th 1
1
－1
• 理想循环热效率只与循环增压比有关，且 与循环增压比成正比。
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三、理想循环-循环功
W q1th cp (T3* T2*)th
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第一节 涡轮喷气发动机热力循环
• 一、组成
– 五大主要部件： 进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管
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第一节 涡轮喷气发动机热力循环
• 一、组成
– 附件系统 燃油系统、起动系统、滑油系统
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二、工作过程
• 工作过程示意 • 进气道：输送工质（空气） • 压气机：压缩空气，提高压力 • 燃烧室：加热气体，提高总温

但低速转矩特性差。
改善低速特性：配入口截 面较小的涡轮增压器I型； 但高速流动损失，高速性
2. 涡轮增压器与发动机的联合运行特性 分析匹配效果
压气机特性曲线上，绘制 发动机最低转速下的负荷特 性、全负荷速度特性和最高 转速下的负荷特性。
增压器流量 范围偏大时
螺旋桨
分析内容：b符合设计要
动力性cim,1/a
TbBPeteqb3pe3eP1m1H.ee682Vu.03snKpi1m40eV6Kacsi1nKacK3经2ii1济macmn性imim由：pQpmmeecVWVc0LsHas0eeaLu0L00H0HacuVuesQimmLHKu
移动。 小负荷时，Ttq随n变化曲线更陡；
Pemax,Ttqmax点向低速方向移动。
负荷时，r，i随n变化陡；泵损，且Pmnm，
be随n变化曲线更陡，且，同时bemin点向低速区移动。
二、柴油机的速度特性
柴油机进入气缸的是纯空气，输出转矩的大小， 主要取决于每循环实际喷油量b。
• 柴油机： 高，am>1.2i柴> i汽； 质调节无进气节流， c和i随n变化平坦；
柴油机使用转速范围比汽油机低be变化缓慢 • 汽油机：负荷越小，n进气损失，be
7-4 万有特性
特点：在pme~n的平面坐标上，同时表示多种性能 1、万右特性的制取方法： 负荷特性法 1）制取负荷特性 2）万有特性坐标 3）将负荷特性上 的等油耗线移到万 有特性坐标上。
容积法：测量消耗一定 容积Vf燃油所需要的时 间t(s)。
B 3.6 V f f
t
质量法：测量消耗一定质 量m的燃油所需要的时
间t。
B 3.6 m t
be

B Pe

现代发动机技术的进步
电子控制技术的应用
新材料的应用
随着电子技术的发展，现代发动机普 遍采用电子控制系统，实现了对发动 机性能的精确控制。
新型材料如陶瓷、复合材料等在发动 机制造中的应用，提高了发动机的性 能和可靠性。
环保要求推动技术进步
随着环保意识的提高，各国政府对发 动机的排放标准日益严格，推动了发 动机技术的不断进步。
03
发动机的性能指标
功率与扭矩
功率
功率是指发动机在单位时间内所做的功，通常以千瓦（kW）或 马力（hp）表示。功率决定了发动机能够克服的阻力和负载， 是评估发动机性能的重要指标。
扭矩
扭矩是指发动机输出的转矩，即发动机运转时产生的旋转力 矩。扭矩决定了发动机在特定转速下能够克服的阻力，以及 车辆加速和爬坡的能力。
维修周期是指发动机需要定期维护检查的时间间隔。较长的维修周期意味着发动机可靠性较高，维护成本较低。
04
发动机的应用领域
汽车工业
汽车工业是发动机应用最广泛的领域之一。发动机作为汽车 的动力源，为汽车提供行驶所需的动能。不同类型的汽车搭 载不同类型和规格的发动机，以满足不同的动力需求和性能 要求。
汽车工业的发展推动了发动机技术的不断进步和创新。随着 环保要求的提高，新能源汽车逐渐成为发展趋势，电动汽车 、混合动力汽车等新型汽车的出现，对发动机的性能和排放 提出了更高的要求。
船舶与海洋工程领域中，发动机作为船舶推进系统的核心 部件，为船舶提供前进的动力。不同类型的船舶需要不同 类型和规格的发动机，如柴油机、燃气轮机、电动机等。
随着海洋工程的发展，对船舶推进系统的效率和可靠性要 求也越来越高。同时，由于环保要求的提高，船舶发动机 的排放标准也越来越严格。

3000m3的用水要求。
当时科学背景：
十六世纪末和十七世纪初的三大实验： 英国包尔塔的蒸汽压力实验； 托里拆利（Evangelista Torricelli）和帕斯卡（ Blaise Pascal）的大 气压力实验； 格里凯（Otto von Guericke）的真空作用实验“马德堡半球试
无马的汽车
1881年戴姆勒离开奥托公司 目的：把奥托发动机应用到交通工具上。 1883年，发明化油器，在奥托四冲程 煤气机的基础上，研制出一台小型单缸 汽油机转速达700~900r/min； 功率1.1马力，空气冷却 奥托发动机最大转速180~200r/min。 1885年，将这台小汽油机装在一辆 自行车上，制造出第一台摩托车。
断失败后，采用了相当于真空原理的用水蒸气作工质的活塞式发动机，成为 近代蒸汽机的直接祖先）

实验：先将汽缸底部注入少量水，加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽推 动活塞慢慢上升；然后，从汽缸底部抽掉火，汽缸内蒸汽慢慢冷凝汽 缸内产生真空，在大气压力推动下，活塞慢慢下降。
结论： 利用蒸汽压力、大气压力、真空的相互作用， 可以推动汽缸内活塞作往返直线运动。 这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械 运动。
1867年：大气压力式内燃机，Otto,Langen
指标：η<11%，Pmax=28kw ，整机重量4000磅 利用燃烧所产生的缸内压力升高，
在膨胀行程时加速一个自由活塞和齿条机构，它们的动量将使气缸 产生真空，然后大气压力推动活塞内行。齿条通过滚轮离合器与
输出轴啮合，输出功率。
1876年，奥托又设计出一种改进型点火系统，同年5月研
1886年将小汽油机和转向器装在一辆四轮车上。
该车气缸总排量为 469cm3 ，时速达到了 16 公里。

排气道
排气门关
起动电机通电 转动带动曲轴旋 转，活塞从上止 点向下止点移动。
进气门开
2压缩行程 压缩行程 压缩行程时，进、排气门 同时关闭。活塞从下止点向上 止点运动，曲轴转动180°。活 塞上移时，工作容积逐渐缩小， 缸内混合气受压缩后压力和温 度不断升高，到达压缩终点时， 排气门关 其压力pc可达800～2 000kPa， 温度达600～750K。在示功图上， 压缩行程为曲线a～c。
缸体内油道
机油泵位置 机油集滤器
机油泵总成 机油滤清器
7、起动系统 、 起动电 组成：由起动机及其 机齿轮与 附属装置组成。 飞轮离合， 飞轮离合， 驱动曲轴 功能：要使发动机由 转动图。 静止状态过渡到工作状态， 转动图。 必须先用外力转动发动机 的曲轴，使活塞作往复运 动，气缸内的可燃混合气 燃烧膨胀作功，推动活塞 起动机齿轮 向下运动使曲轴旋转。发 动机才能自行运转，工作 曲轴飞轮 循环才能自动进行。因此， 曲轴在外力作用下开始转 动到发动机开始自动地怠 速运转的全过程，称为发 动机的起动。完成起动过 程所需的装置，称为发动 机的起动系。
5、冷却系统 、
组成：水冷式由 水套、水泵、散热器、 风扇、节温器等组成。 风冷式由风扇和散热 片等组成。 功能：冷却系的功用 是将受热零件吸收的 部分热量及时散发出 去，保证发动机在最 适宜的温度状态下工 作。 机油尺
散热器
冷却水泵
节温器总成
发电分布图
6、润滑系统 、 组成：由机油泵、集滤器、 限压阀、油道、机油滤清器等组 缸盖内油道 成。 功能：润滑系的功用是向作 相对运动的零件表面输送定量的 清洁润滑油，以实现液体摩擦， 主油道 减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。 并对零件表面进行清洗和冷却。

➢1784年以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的 高压蒸汽机综合组装，取得第四项专利；
➢1788年，又发明离心调速器和节气阀； ➢1790年，发明汽缸示功器。
至此完成了蒸汽机发明的全过程蒸汽动力装置。
迎来蒸汽革命
四、四冲程理论与内燃机的发明
瓦特蒸汽机存在的问题： 蒸汽机体积庞大，热效率低。
根源 途径
第一个专利：
启蒙：1765年的春天，针对纽可门蒸汽机热效率低的原因
是蒸汽在缸内冷凝造成的能否让蒸汽在缸外冷凝产 生采用分离冷凝器的初步设想。
解决措施：利用蒸汽具有“弹性” 特点，把汽缸和另一个容器相连接， 让蒸汽接入其中，就不需要一再冷却汽缸，而浪费许多热量。
同年设计一个与汽缸分离的冷凝器，并在汽缸外面加绝热套汽缸保持 在高温工作状态。
黑烟、噪声、 车速慢
无马的汽车
1927年，彻底停止了蒸汽汽车的生产
虽然奥托发明了奥托循环，实现了四冲程理论，但在成功之后并 没能把成果推向汽车领域
➢1881年戴姆勒离开奥托公司 目的：把奥托发动机应用到交通工具上。
➢1883年，发明化油器，在奥托四冲程 煤气机的基础上，研制出一台小型单缸 汽油机转速达700~900r/min； 功率1.1马力，空气冷却 ➢奥托发动机最大转速180~200r/min。 ➢1885年，将这台小汽油机装在一辆 自行车上，制造出第一台摩托车。
德国商人奥托一直关注内燃机研制情况。 从蒸汽机的广泛应用中， 看到内燃机的发展前途； 从德罗夏的理论设计中看到希望。 奥托对德罗夏方案，反复研读，深刻领会其设计思想； 并全心投入内燃机的研制工作。
奥托的实验：
目的—在发动机气缸里实现烟囱冒烟现象（燃烧向稀 薄区传播）。
手段—用透明气缸和手动活塞以及侧式进排气管模 型，将香烟的烟放入进气阀反复观察

• X f — 摩擦阻力 • 因与飞行方向相反，故均为负。
2020年4月14日
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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
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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
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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
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(pp0)dA (pp0)dAXf 阻力
0
01
附加阻力 压差阻力 摩擦阻力
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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
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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

分析方法（以混和加热循环为例） 设 a 点相同（进气终了状态一样），循环加热量 Q1 相同（即 Q1’，Q1’’均相同）。
据上图有（Q2）1>（Q2）2 &
t
Wt Q1
Q1 Q2 Q1
1 Q2 Q1
& Q1=C
有t,2 >t,1 ，可见理论循环热效率随压缩比的增加而提高。
并不是压缩比越高越好。当压缩比超过 16 以后随压缩比的增加热效率上升缓慢。
Q1 Q1 Q2 Q2
t
Wt Q1
Q1 Q2 Q1
1 Q2 Q1
$1.1 发动机理论循环
• 各因素对性能的影响（必考内容）
解析方法及公式： 基于 a 点相同、Q1 相同（特殊情况除外），其余参数不变（若有可能）的 T-S、
P-V 图（尤其是 T-S 图）进行分析，
t
Wt Q1
Q1 Q2 Q1
②特点： a 0 0 a 克服进气系统阻力，
a 0 a 0
缸内残余废气加热；
高温机件加热；
汽油机，进气预热。
引起进入的新鲜气体变少，导致充气效率（充量系数）<1。
参数范围及可评价性能
进气终点的压力 Pa
进气终点的温度 Ta：
汽油机
Pa=（0.8～0.90） 0
Ta=340～380K
柴油机
750～1000
增压柴油机 5.0～8.0
900～1100
压缩终了压力 Pc 可以用于检测气缸泄露情况。用缸压表在要
求转速下测量压缩压力，若低于某一阈值则必须换活塞环或
采取别的措施。
柴油机压力、温度高于汽油机原因为压缩比高、绝热系数大
$1.2 燃烧过程（C-Z）
①作用：（c－z 线）将燃料的化学

例如:
GE90(BY777) F=392000N, qma=1420kg/s
D=3.524m
wp-11(无人机) F=8500N, qma=13kg/s
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D=0.3m
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一、性能指标
2、单位推力 单位：N ·s/kg
Fs F qma
每秒钟流过发动机的每公斤空气产生的推力. 忽略进出口流量变化，完全膨胀：Fs V9 V0 又进行地面台架试验： Fs V9
提供推动力的作用：
(1) 克服飞行阻力 (2) 飞机达到一定速度机翼产生升力 (3) 矢量推力俯仰（偏航）力矩 推力分布
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二、推力公式推导
• 取发动机单独安装于短舱的安装形式
– 远前方为“0”截面 – 短舱进口为“01”截面 – 尾喷管出口为 “9”截面
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二、推力公式推导
• 气流流经发动机内、外所产生的反作用力：
Fout：气流作用于短舱外表面的轴向合力 Fin： 发动机内各部件所受气流反作用力的轴向合力
F F F ef f 2020/11/20
in
ou5t
二、推力公式推导
• Fout
9
F pdA X
out
f
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• dA — 短舱外表面微元面积在垂直于轴向
方向上的投影；
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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
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