汽车构造教案.docx
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汽车构造教案
授课题目（章、节）
发动机润滑系统结构与维修
授课类型
理论
授课时间
4学时
教学目的及要求
1.了解转子发动机工作原理
2.燃气涡轮机工作原理
3.混合动力发动机工作原理
4.待用燃料发动机工作原理
重点
难点
1.转子发动机结构
2.燃气涡轮机结构
3.混合动力发动机结构
4.待用燃料发动机结构
教学方法及手段
理论讲授法、启发式教学法、结合教学挂图、powerpoint演示、图片展示、小动画
教学过程设计
教学步骤：
1、组织教学
2、填写教学日志
3、复习提问、引出本讲教学内容
4、新课讲解
5、穿插提问
6、归纳总结
7、布置作业
教学内容：
（1）转子发动机工作原理与构造
（2）燃气涡轮机工作原理与构造
（3）混合动力发动机工作原理与构造
（4）待用燃料发动机工作原理与构造
备注
作业及思
考题
1、谈谈转子发动机工作原理？
2.燃气涡轮机工作原理？
3、谈谈转子发动机使用的局限性？
4.燃气涡轮机的优缺点？
（A）理论教学内容和过程：
新型燃料发动机
一、概述
从世界社会经济发展的历史和现状看，能源问题是社会经济发展中一个具有战略意义的问题。
能源的消耗水平，是衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志。
而世界石油资源的有限和生态环境保护则是21世纪人类社会所面临的主要问题，因此，面对能源危机，许多国家都在下大力气研究和开发利用“绿色能源”的新技术、新工艺，并且取得了相当可观的成果。
开发可再生的“绿色能源”将是21世纪解决能源危机的重要途径。
汽车工业的发展离不开燃料的供应，而目前仍以传统的石油能源为主的汽车也正在逐步受到挑战。
因而汽车新能源和代用燃料的研究方兴未艾，根据能源技术研究的现状，汽车采用电能、太阳能以及氢能等新能源和其它代用燃料在未来将成为可能。
汽车推广使用新型能源直接的作用是可减少对传统能源的消耗，同时对环境保护也有促进作用。
汽车用新能源和代用燃料的种类有很多，有气体燃料、含氧燃料、再生能源和电动汽车等。
但在目前阶段气体燃料（包括天然气、液化石油气）和电动汽车则是技术比较成熟和易于推广应用的。
二、燃气发动机
燃气发动机是指发动机以气体作燃料。
燃气发动机多用作汽车上，所以，一般将燃气发动机和燃气汽车等同而语。
目前，气体燃料汽车主要有：
天然气和液化石油气、氢气。
（一）天然气和液化石油气发动机
根据使用的燃料不同、燃料的使用形态及使用方法的不同，天然气和液化石油气发动机可按图25所示分类。
液化天然气发动机（LNG）
压缩天然气发动机（CNG）
吸附天然气发动机（ANG）
液化石油气发动机（LPG）
单燃料燃气发动机机
两用燃料燃气发动机
双燃料燃气发动机
图25 天然气和液化石油气发动机的分类
压缩天然气发动机（CNG）：
将车用天然气压缩至2OMPa充装于压缩天然气储气瓶中，经减压器减压后供给发动机作燃烧。
液化天然气发动机（LNG）：
将天然气在-162℃低温液化后，储存于液化天然气气罐中，经汽化后供给发动机作燃料。
吸附天然气发动机（ANG）：
在3-6MPa下将天然气吸附在装有固体吸附剂的储存器中供给发动机作燃料。
液化石油气发动机（LPG）：
以储存在车载气瓶中的液化石油气作燃料的发动机。
单燃料燃气发动机：
指发动机仅使用天然气或液化石油气作燃料，不再使用其它燃油或代用燃料的发动机。
两用燃料燃气发动机：
一般指有油、气两种燃料的两套燃料供应系统，使用中可以在两种燃料之间进行灵活切换的发动机。
但油、气两种燃料分别燃烧，不能同时使用。
双燃料燃气发动机：
是指燃用CNG或LPG与柴油混合燃料的发动机。
燃用CNG或LPG为主燃料，柴油起引燃作用。
1．CNG—汽油两用燃料发动机
图26所示为CNG-汽油两用燃料发动机的供给系统原理。
储气系统主要由充气阀17、高压截止阀2、天然气储气瓶1、高压管线、高压接头、压力表、压力传感器及储气量显示器等组成。
充气阀实际是一个单向截止阀，它可与天然气压缩气站的充气枪对接，为储气瓶充气。
图26 CNG—汽油两用燃料发动机燃料供给系统原理图
1-高压气瓶 2-高压截止阀 3-压力表 4-电磁阀 5-减压阀 6-显示器 7-混合器 8-空气滤清器 9-压力传感器 10-化油器
汽油电磁阀 12-汽油泵 13-断电器 14-点火线圈 15-点火时间转换器 16-油气转换开关 17-充气阀
供给系统主要由高压电磁阀4、三级组合式减压阀5和混合器7等组成。
当以天然气作燃料时，电磁阀4导通，天然气经减压后通过混合器与空气混合后进入气缸。
压缩天然气由额定进气压力20MPa减为负压，其真空度为49～69kPa。
减压阀与混合器配合可满足发动机不同工况下混合气浓度的要求。
控制系统主要是由三位油气转换开关16、点火时间转换器15和汽油电磁阀11等组成。
油气转换开关、天然气电磁阀和汽油电磁阀共同构成了燃料转换的控制。
油气转换开关决定两个电磁阀的通断，决定发动机以汽油或天然气为燃料运行。
点火时间转换器由电路系统自动转换两种燃料时不同的点火提前角。
2．CNG-柴油双燃料发动机
CNG—柴油双燃料发动机是以压燃少量喷入气缸内的柴油作为引燃燃料，天然气作为主要燃料的发动机。
天然气通过混合器与空气混合进入气缸，形成比较均匀的混合气，在压缩冲程的活塞接近上止点时，被压燃的柴油点燃。
而用于引燃的柴油压燃着火与在柴油机中的情形类似。
图27所示为采用预混合压燃式机械控制方式的CNG—柴油双燃料发动机系统。
该系统由天然气储存系统、发动机控制保护系统、燃料供给和调节、柴油供给四个系统组成。
图27 机械控制混合器式CNG—柴油双燃料发动机的构造原理
1-储气瓶 2-压力表 3-高压输气管路 4-储气瓶充气阀 5-储气瓶供气阀 6-天然气加热器 7-高压减压阀 8-天然气中压管路报警装置 9-中压管段限压阀 10-天然气过滤器及开关阀 天然气低压供气管 12-天然气供气量控制阀 13-混合器 14-低压减压阀
15-高压油泵供油量限位器 16-燃料转换开关 17-发动机 18-高压油泵
天然气储存系统由天然气气瓶1、压力表2和充气阀4等组成。
此外，为了防止高压减压阀失常造成中压管路压力超过允许值或压力过低而使后端系统元器件损坏、中压管路断裂或供气不正常，还设置了限压阀9和中压管路压力不足报警装置8。
燃料供给和调节系统由高压减压阀7、低压减压阀14、天然气过滤器及开关阀10、天然气供气量控制阀12、混合器13，以及天然气加热器6等组成。
天然气加热器的作用是避免输气管路及其它零件冻结而造成系统不能正常工作，由于在天然气减压过程中要吸收大量的热而使温度大幅度降低，所以用发动机的冷却水提供热源加热天然气。
柴油供给系统与柴油机相同。
发动机控制系统包括天然气供给控制阀门的传动装置、发动机从燃用柴油转换为燃用双燃料工况的转换系统，发动机不工作时，排除两种燃料同时供给发动机可能性的天然气供给闭锁装置，当天然气气瓶压力不足时能自动转换发动机燃用柴油的自动转换装置。
发动机处于双燃料工作状态时储气瓶供气阀5打开,气瓶中的天然气经过加热器6进入高压减压阀7使其压力降低到1～1.2MPa，天然气经中压管路报警装置8进入中压段限压阀9，经过滤器过滤后进入低压减压阀14再次减压后，经由驾驶员操作控制的天然气供气量控制阀12进入混合器13，在混合器中天然气与空气进行预混合，然后由进气道进入发动机。
由于双燃料发动机的工作过程中的主燃料天然气是由柴油着火引燃，则发动机在工作时除了要有天然气供气系统参加工作外，柴油供油系统也要参与工作，供给发动机一定量的引燃柴油。
引燃柴油的量由安装在高压油泵上的供油量限位器15控制，发动机负荷的高低由驾驶员操纵油门踏板控制天然气的供应量来适应。
当天然气气瓶中天然气的压力低于1MPa时，系统工作难以进行，就需要加气。
由加气站提供的20～25MPa压缩天然气通过气瓶的加气嘴和气瓶充气阀4注入气瓶。
3．LPG—汽油两用燃料发动机
图28所示为LPG—汽油两用燃料发动机供给系统，它与传统汽油机的区别是增加一套LPG燃料供给系统。
LPG燃料供给系统主要由储存液化石油气的液罐1、蒸发减压阀15、混合器9、电磁阀7和控制系统等组成。
图28 LPG—汽油两用燃料供给系统
1-LPG储液罐 2-充液阀 3-出口阀 4-液位计5-LPG/汽油转换开关 6-滤清器7-LPG电磁阀 8-汽油电磁阀 9-混合器
10-化油器 输油泵12-冷却水管 13-排气阀 14-点火开关 15-蒸发减压阀 16-高压管路
转换开关5、电磁阀7和8控制液化石油气和汽油的转换。
当使用LPG作燃料时，液态的LPG靠自身的蒸汽压力被压出储液罐，经过滤清器6过滤后进入蒸发减压阀15，在蒸发减压阀内被降压、汽化、调压，从而变成气态，再在混合器9内与空气混合后进入发动机。
由于LPG的汽化过程是吸热过程，所以引发动机的冷却水对蒸发减压阀加热。
（二）氢燃料发动机
氢是一种非常优秀的发动机燃料。
氢无毒、无腐蚀性，来源于自然界，它不会损害环境和公众的健康，一旦泄漏，由于自身轻，很快就会在空气中消散。
氢气作为发动机的燃料主要优点是质量热值高，着火界限较宽，燃烧平稳，燃烧后的产物只有水、NOX，没有CO、CO2、HC、碳烟、硫化物等，是一种最清洁的燃料。
氢气作发动机燃料的方法有使用纯氢、氢气与其它燃料混合使用、燃料电池。
开展氢气发动机的研究者有美国的迈阿密大学、俄克拉何马大学、康奈尔大学，日本的京都大学、武藏大学及日本汽车研究所，德国亚琛工业大学和奔驰公司等。
传统的氢气发动机是沿用汽油机的工作方式，在进气管上加装混合器，氢气经预混合后进入气缸，均质火花点燃，或采用进气管或气门中喷射。
采用这种方式的有德国的亚琛工业大学、美国的迈阿密大学、日本的武藏大学等。
图29所示为迈阿密大学开发的氢气发动机燃料供给系统。
该发动机是为了解决氢气发动机的第一大难题（回火）而设计的，氢气只有当进气门打开时才被吸入燃烧室，这样可避免氢气和空气预先混合好后吸入气缸时向进气管回火问题。
但由于空气的充量过低，发动机的功率不足是一问题。
图29 迈阿密大学开发的氢气发动机示意图
图30所示为德国亚琛工业大学开发的氢气发动机。
为了防止进气管回火，在进气门的背后安装了一个喷冷空气的喷气管，用于冷却进气门。
进气管供给的则是氢气和空气的混合气。
图30 亚琛工业大学开发的氢气发动示意图
为了提高发动机的动力性，美国的俄克拉何马大学、康奈尔大学采用了氢缸内气态或液态直接喷射技术。
图31为俄克拉何马大学研制的氢气发动机。
该发动机的氢气是直接喷到气缸内的，其排量为136ml，压缩比为6.5∶1。
为了使氢气与空气尽快混合好，采用了多孔喷射装置，氢气喷射压力为1.2～７MPa。
图31俄克拉何马大学研制的氢气发动机示意图
1-燃烧室 2-喷射孔 3-火花塞
图32为康奈尔大学开发的氢气发动机，它采用了高压氢气喷射装置。
该装置安装在CFR可变压缩比的试验发动机上，但所测得的功率和热效率尚不理想，与实际的应用还有较大的距离。
图32康奈尔大学开发的氢气发动示意图
1-压缩比调节插塞 2-火花塞 3-压力传感器 4-燃烧室 5-喷射器 6-活塞
上述的都是纯氢气发动机,由于氢气的点火能量需求小,火焰的传播速度快,可以将氢气与汽油、天然气或液化石油气等燃料以一定的比例混合参与发动机燃烧，即氢气混合燃料发动机。
国内外许多大学都曾进行了这方面的研究，如吉林工业大学在汽油机上掺氢，美国加州大学将天然气与氢气混合等，以求降低发动机的排放，改善经济性。
三、燃料电池发动机
（一）燃料电池的优缺点
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。
它以其高效、零污染的特点在世界范围内引起了汽车行业的广泛关注。
美国、欧洲和日本的著名汽车公司纷纷投入巨资进行燃料电池汽车的研发，各国政府也在法规和政策方面给予极大的支持。
1． 燃料电池的优点
（1）节能、转换效率高、很少需要石油燃料 由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换率高达60%～80%，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。
内燃机在额定功率附近才有最高效率，而在部分功率输出条件下运转效率迅速降低。
燃料电池在额定功率下的效率可以达到60％，而在部分功率输出条件下运转效率可以达到70％，在过载功率输出条件下运转效率可以达到50～55％。
而高效率随功率变化的范围很宽，低功率下运转效率高的优点特别适合于汽车动力性能的要求。
内燃机过载能力低，在过载运转时容易“熄火”，而燃料电池短时间的过载能力可以达到额定功率的200％，所以，非常适合汽车在加速和爬坡时对动力性能的要求。
燃料电池除用汽油重整产生氢气外，其它如甲醇、碳氢化合物等燃料基本不用石油燃料。
（2）对环境污染小 首先其排放近于零污染，氢气作为燃料的燃料电池发动机主要生成物质为水，属于“零污染”。
用碳氢化合物作为燃料的燃料电池发动机主要生成物质为水、二氧化碳和一氧化碳等，属于“超低污染”。
其次其噪声小，即使在燃料电池发电厂附近，也几乎感觉不到噪声。
（3）结构简单、运行平稳 燃料电池发动机的能量转换是在静态下完成，结构件构造简单。
加工精度要求比内燃机低得多。
结构件大多数为板状和管件，没有运动零部件和各种摩擦副，因此，使用中不因零部件磨损引起故障，维修、保养方便。
燃料电池发动机由多个单体燃料电池串联组成，可以配置成各种不同规格的系列燃料电池发动机组，装配在不同用途和不同型号的车辆上，还可以根据车辆的轴荷分配、车辆有效空间的利用等具体情况，灵活、机动地进行总体布置。
燃料电池发动机在运行过程中，噪声小、振动小、散热系统比内燃机简单得多、热管理系统也更加简单；产出物不需要进行净化和消声处理，整个燃料电池系统容易实现自动化系统管理。
2．燃料电池的缺点
燃料电池的优点是明显的，但就目前的技术还有一些缺点需要克服，主要是：
（1）燃料种类单一 不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还是碳水化合物经过重整后转换的氢，而氢是燃料电池的唯一燃料。
氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。
但燃料种类的单一性，可以建立标准化、统一的供给系统。
（2）要求高质量的密封 燃料电池的单体电池所能产生的电压约为1V，不同种类的燃料电池的单体电池所能产生的电压略有不同。
通常将多个单体电池按使用电压和电流的要求组合成为燃料电池发动机组，在组合时，单体电池间的电极连接时，必须要有严格的密封，因为密封不良的燃料电池，氢气会泄漏到燃料电池的外面，降低了氢的利用率并严重影响燃料电池发动机的效率，还会引起氢气燃烧事故。
由于要求严格的密封，使得燃料电池发动机的制造工艺很复杂，并给使用和维护带来很多困难。
（3）比功率还要进一步提高 内燃机的比功率约为300W/kg，以氢为燃料的燃料电池比功率约为300～350W/kg，功率密度为280W/L。
甲醇经过重整产生的氢为燃料的燃料电池综合功率密度（包括重整器质量）降低到220W/L。
为了满足电动汽车（FCEV）动力性能的要求，需要进一步提高燃料电池发动机的比功率。
（4）造价太高 目前质子交换膜燃料电池是最有发展前途的燃料电池之一，但质子交换膜燃料电池需要用贵金属铂（Pt）作为催化剂，其使用量要求达到0.1～0.2mg/cm3，目前用量要求达到0.5mg/cm3，差距还比较大。
而且铂（Pt）在反应过程中受CO的作用会"中毒"而失效。
铂（Pt）的使用和铂（Pt）的失效使质子交换膜燃料电池的造价持高不下。
（5）需要配备辅助电池系统 燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收FCEV再生制动的反馈能量。
通常在FCEV上还要增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在FCEV减速时接受再生制动时的能量。
（二）燃料电池的工作原理
氢-氧燃料电池装置从本质上说是水电解的一个“逆”装置。
电解水过程中，通过外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能，图33所示为氢-氧燃料电池的工作原理。
氢和氧分别吸附在用活性炭制成的电极上，并将两个电极置于KOH电解液中，若此时接通外电路，便有电流流过负载。
电池中所发生的反应为：
阳极：
2H2→4H++4e
阴极：
4e+4H++O2→2H2O
综合反应：
2H2+O2→2H2O
图33 氢—氧燃料电池示意图
1、2-多孔活性炭粒 3-阳极 4-阴极
即两个氢分子在阳极表面变成4个氢离子，并释放出4个电子，电子由阳极导出，通过外部负载转移到阴极，氢离子则通过电解液到达阴极与电子及氧结合生成水。
从上述可见，燃料电池的工作原理与普通电化学电池相类似，然而从实际应用来考虑，两者存在着较大的差别。
普通电池是将化学能储存在电池内部的化学物质中，当电池工作时，这些有限的物质发生反应，将储存的化学能转变成电能，直至这些化学物质全部发生反应。
对于原电池而言，电池所放出的能量取决于电池中储存的化学物质量，对于可充电电池而言，则可以通过外部电源进行充电，使电池工作时发生的化学反应逆向进行，得到新的活性化学物质，电池可重新工作。
因此实际上普通电池只是一个有限的电能输出和储存装置。
而燃料电池则不同，参与反应的化学物质氢和氧，分别由燃料电池外部的单独储存系统提供，因而只要能保证氢氧反应物的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能，从这个意义上说，燃料电池是一个氢氧发电装置。
（三）燃料电池的种类
燃料电池的种类按不同的方法可大致分类如下：
1. 按燃料电池的运行机理分
分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。
2. 按电解质的种类分
按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。
因此，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
在燃料电池中，磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应FCEV使用的要求，更加具有竞争力。
3. 按燃料类型分
有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油液体燃料，天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。
4. 按燃料电池工作温度分
有低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200～750℃；高温型，温度高于750℃。
在常温下工作的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池（PEMFC），这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂。
燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。
不需要废热能量回收装置，体积较小，质量较轻。
但催化剂铂（Pt）会与工作介质中的一氧化碳（CO）发生作用后产生“中毒”现象而失效，使燃料电池效率降低或完全损坏。
而且铂（Pt）的价格很高，增加了燃料电池的成本。
另一类是在高温（600～1000℃）下工作的燃料电池，例如熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），这类的燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。
但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大，质量重，只适合用于大功率的发电厂中。
各种燃料电池的技术性能如1。
表1 各种燃料电池的技术性能
燃料电池类型
碱性燃料电池
（AFC）
磷酸燃料电池
（PAFC）
熔融碳酸盐燃料电池
（MCFC）
固体氧化物燃料电池
（SOFC）
质子交换膜燃料电池
（PEMFC）
比功率（W/kg）
35～105
100～220
30～40
15～20
300～1000
单位面积的功率（W/cm2）
0.5
0.1
0.2
0.3
1～2
燃料种类
H2
天然气、甲醇、液化石油气
天然气、液化石油气
H2、CO、HC
H2
氧电极的氧化物种类
O2
空气
空气
空气
空气
电解质
有腐蚀、液体氢氧化钾
有腐蚀、液体磷酸水溶液
有腐蚀、液体碳酸锂/碳酸钾
无腐蚀、氧化锆系、陶瓷系
无腐蚀、固体稳定氧化锆系
发电效率（%）
45～60
35～60
45～60
50～60
启动时间
几分钟
2～4h
≥10h
≥10h
几分钟
电荷载体
OH－
H+
CO32-
O-
反应温度（℃）
50～200
180～220
600～700
750～1000
25～105
应用情况参考
应用于
宇宙飞船
应用广泛、
发展迅速
有可能用于
大型发电厂
有可能用于大型发电厂
发展迅速可用于FCEV
资料来源：
中国电动汽车网，http:
//www.chinaev.org
思考题
1.转子发动机与往复活塞式发动机相比，其优缺点体现在那里？
2.转子发动机的工作过程与往复活塞式发动机的异同有哪些？
3.怎样实现转子发动机的气、液密封。
4.转子发动机主要部件的特点是什幺？
5.燃气轮机是怎样工作的？
6.燃气轮机有哪些主要部件，各自的特点及工作原理是什幺？
7.燃气发动机与传统燃料的汽油机、柴油机有何异同？
8.燃料电池发动机的优缺点有哪些？
9.燃料电池与一般蓄电池的区别在那里？
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