汽车发动机原理第1章动力经济性指标.ppt

汽车发动机原理 清华汽车系课件,汽车发动机原理,任课教师： 王建昕 马凡华 总学时： 48 18周，4学时 816周，2学时,序言,一、汽车发动机的特点 既是汽车的重要部分，也是最广泛应用的动力机械 航空、铁路运输、农机、船舶、移动发电源。 燃气轮机、电机（电动车）、混合动力、燃料电池等都有可能作为汽车发动机，但汽油机和柴油机在未来几十年内会保持其主导地位 既有普通机械的全部特征，又有复杂的热-功转换过程,二、本课程主要内容 “构造课”-入门、“原理课”-理论 3部分10章：循环分析与能量利用、混合气形成与燃烧、特性与控制 三、本课程学习方法 以讲课内容为准、辅以自学和课下作业、实验课 计算不多，但侧重于理论分析（过程复杂难以计算） 体系看似面大离散，注意抓纲 发展的学科而不是静止的（尤其是近年） 汽油机与柴油机的相互对比、融会贯通 注意复习相关课程内容（汽车构造、热工、流体.）,四、课外作业与考核方式 每章布置作业一次，每二章检查一次 最终成绩： 期中考占40%、期末考占40%、作业占20% 五、讲义： “ 汽车发动机原理教程”， 刘峥、王建昕，清华大学出版社，2001年 主要参考书籍 “内燃机学”， 周龙保等，机械工业出版社，1999年 “汽车拖拉机发动机”（第3版），董敬等，机械工业出版社，1997年 “内燃机原理”，唐开元等，译自“Internal Combustion Engine Fundamental”, J.B.Heywood,第一篇 动力输出与能量利用,主要讲述发动机的动力性和经济性 能源是世界5大问题之一，汽车发动机的最高热效率一般40%。 内容组成： 1章 动力经济性指标与影响因素 2章 燃料与工质 3章 循环分析与能量利用 4章 换气过程与循环充量,第一章 动力经济性指标,评价发动机性能的主要指标： 1、动力性指标功率、转矩、转速、平均有效压力 2、经济性指标燃油消耗率、（润滑油消耗率） 3、环保性指标有害排放物、噪声、振动（公害） 4、使用性指标可靠性、耐久性、维修方便性,1.1 工质对活塞作功及示功图,1、工质进行能量转换的气体或流体 蒸汽机蒸汽、水轮机水 内燃机工作过程中汽缸中的气体 空气+可燃混合气+已燃气体（变化的）,发动机构造图,2、活塞作功,规定： 工质对活塞作功为正功 活塞对工质作功为负功,P,Pa,Pr,3、示功图定义,定义：发动机汽缸内工质压力p随汽缸容积v（或曲轴转角）的变化曲线称为示功图（如图1-1，是最常用的研究热-功转换的手段）。 （1）两种示功图：pv图、p图（压力图或展开示功图） （2）如图，记汽缸压力为p、汽缸截面积为F、 活塞位移为x，则： 工质对活塞作功 W=p F x 微元功 dw=p F dx = p dv 每循环所作功 Wi=pdv Wi称为循环功，也称为指示功，因为它是由“示功器”测得的示功图计算出的。,4、自然吸气四冲程发动机的示功图分析,（1）循环动力功（动力过程功）压缩冲程和燃烧膨胀冲程所作之功，W1+W3，正功； （2）泵气过程功排气冲程和进气冲程所作之功（以p0线为分界），W2+W3，可正、可负； 与泵气有关的功： （3）理论泵气功忽略流动阻力时的进排气压力与汽缸压力之差所作之功，自吸式发动机为0（设气门瞬时开启到最大且流速足够慢），即泵气功为一直线； （4）泵气损失功推出损失功与吸气损失功之和，W2+W3；（与排气损失功不同，不包括排气门早开带来的膨胀损失） （5）实际泵气功理论泵气功减去泵气损失功，-（W2+W3）,自然吸气四冲程发动机的示功图分析,两种指示功： （6）净指示功考虑泵气损失时的指示功， 循环动力功+实际泵气功 即：（WI+W3）-（W2+W3）= W1-W2 （有些书上仅给出结果，忽略W3） （7）总指示功不考虑泵气损失时的指示功， （即有可能得到的最大指示功，也称热力学指示功） W1+W3W1,5、增压四冲程发动机的示功图分析,对于增压机有：进气压力Pb 排气压力Pk大气压力 P0 因而： （1）理论泵气功=（ Pb - Pk ） Vs， 正功 （2）泵气损失功= 阴影面积 （3）实际泵气功=理论泵气功-泵气损失功=W2， 正功 （4）净指示功=W1+W2 （5）总指示功=W1+ （ Pb - Pk ）Vs,1.1节-小结,1、示功图概念，p-v图、p-图 2、示功图分析，7个功 3、增压与非增压发动机示功图对比分析 4、自学二冲程发动机示功图,1.2 动力经济性能指标,1、指示指标与有效指标 （1）以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示指标； 基于示功图算出，用于评价热-功转换过程的优劣 （2）以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效指标 由试验测出，用于评价热-功转换和机械功传递全过程的优劣,2、指示功、有效功和机械损失功 记：有效功为 We，机械损失功为Wm， 则有 Wi = We+ Wm 同理，若记指示功率为Pi、有效功率为Pe、机械损失功率为Pm，则有 Pi=Pe+Pm Pi基于示功图得到 Pi=（2 n i/60 /） Wi = （n i/30 /） Wi 其中：n发动机转速，r/min； i 汽缸数 冲程系数（每循环冲程数）， Pe由测功机实测得到，Pe与We的关系为 Pe= （n i/30 /） We Pm可由Pe与Pi之差算出，也可由试验测得。 Pm=摩擦损失功+附件消耗功+泵气损失功,3、平均指示压力与平均有效压力,功和功率往往与汽缸容积有关，不同发动机间难以相互比较。 （1）平均指示压力单位汽缸容积所作的指示功， pmi=Wi/ Vs 由于的量纲正巧是压力的量纲，因而称为“。压力”； 即：Wi= pmi Vs = pmi（D2）/4 S 相当于一个不变的压力pmi作用在活塞上，使其移动一个冲程所作的功，其值等于Wi,（2）同理可定义平均有效压力pme和平均机械损失压力pmm （3）同理有： pmi = pme + pmm,4、有效转矩Ttq 通过试验可测得有效功率Pe、转速n Pe=2nTtq Ttq=Pe/2 n,5、经济性评价指标 （1）指示燃油消耗率bi 设每小时燃油消耗量为B（kg/h）， 则 bi=（B/Pi）103 （g/kWh） （2）有效燃油消耗率be 同理有， be= （B/Pi）103 （g/kWh） （3）指示热效率it设gb为单缸每循环燃料消耗量（循环供油量），Hu为燃料低热值，则 it =Wi/gbHu (4)有效热效率et 同理有 et =We/gbHu,6、功率密度评价指标 （1）升功率PL单位发动机排量发出的功率（评价汽缸容积利用程度） PL=Pe/Vsi （kW/L) （2）比质量me单位有效功率所占质量（评价工作过程、轻量化和紧凑性） me=m/Pe （kg/KW） （3）比容积Ve单位有效功率所占体积（评价工作过程、紧凑性） Ve=V/Pe （m3/Kw）,1-3 影响动力性经济性指标的主要环节与因素,本节从工作过程的基本原理出发，归纳出反应各个环节和影响因素的综合表达式，以分析其影响，并找出动力经济性的改进方向及途径。 记单位时间进入发动机的混合气总量为Gm(kg/h)，混合气的低热值为Hum(KJ/Kg)，则有效功率Pe可表示为 Pe=etGmHum 三个环节中，et和Hum是决定动力输出的“质”的环节，而Gm则是“量”的环节。,1. 可燃混合气的热值,混合气热值取决于燃料热值以及混合气中油/气混合比。油/气混合比是影响发动机性能的重要参数。 （1） 过量空气系数a 设单位质量燃料完全燃烧所需理论空气量为l0，而实际供给的空气量为l，则a定义为： a1 ,稀混合气; a1, 浓混合气; a=1 化学计量比（过去称理论空燃比）,（1） 空燃比 （2） 燃空比 （3） 可燃混合气热值 Hu表示燃料的能量密度，越高越便于携带；Hum代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积时发出功率越高（即pme高）。,2. 混合气流量Gm 3. 有效效率et 4. 综合表达式,其中： Hu, l 0燃料特性与燃烧热化学的影响； Rs工质热力特性的影响； t工作过程热力循环与工质特性的影响； c混合气形成与燃烧过程的影响； m与机械损失有关的机械学、流体力学的影响； c进、排气过程及热流体动力学的影响； a混合气形成与燃油供给方式的影响； s或ps/RsTs进气状态与增压中冷方式的影响； n发动机转速的影响； Vs、i多缸机缸数与排量的影响； 四冲程与二冲程的影响； gb柴油机喷油系统供油特性的影响。 混合气热值、混合气流量和有效热效率将分别在第2、3、4章中讨论,习题 （1） 试推导以pme表示的