《发动机性能》PPT课件.ppt

,绪论 第一章 发动机的性能 第二章 发动机的换气过程 第三章 燃料与燃烧 第四章 汽油机混合气的形成和燃烧 第五章 柴油机混合气的形成和燃烧 第六章 发动机的特性 第八章 排气污染与控制,发动机原理,绪论,绪论,第一章 发动机的性能,性能：动力性、经济性、可靠耐久性、排放、振动、噪声、使用维修性、加工工艺性等 以性能为研究对象，深入到工作过程的各个阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中找出提高性能的一般规律,本章主要内容,发动机的理论循环和实际循环 评定发动机性能的参数 发动机的热平衡,第一节 发动机理论循环,定义：发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些因素，所得出的简化循环。 意义：通过对理论循环的研究，可以清楚地确定影响性能的某些重要因素，从而找到提高发动机性能的基本途径,一、三种基本循环 最简单的理论循环空气标准循环，其简化条件为： l）假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同 2）假设工质是在闭口系统中作封闭循环 3）假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程 4）假设燃烧是外界无数数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热,根据加热方式不同，发动机有三种基本空气标准循环： 定容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速） 定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃烧最高压力的限制 ） 混合加热循环 （高速柴油机 ）,评定理论循环的指标： 循环热效率t 定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比 意义：评定循环经济性 循环平均压力pt 定义：单位气缸容积所做的循环功， 用来评定循环的做功能力 意义：评定循环动力性（做功能力）,二、循环热效率t 按工程热力学公式，混合加热循环热效率为 一压缩比，=VaVc=(Vs+Vc)Vc=1+Vs/Vc，其中，Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积；（汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15） 一压力升高比，=pz/pc； 一预膨胀比， =Vz/Vz=/； 后膨胀比，=Vb/Vz； K一绝热指数,定容加热循环（=1）热效率为 定压加热循环（=1）热效率为,影响t的因素 l. 压缩比 提高，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比 ，三种循环的t都提高。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。,2. 绝热指数K：随K值增大， t将提高。 3. 压力升高比 ：定压加热循环=1，定容加热循环不影响t，混合加热循环随 增大t将提高。 4. 预膨胀比：定容加热循环=1，定压加热循环和混合加热循环随增大t将下降。,三种循环热效率的比较,循环总加热量相同时 定容加热循环热效率混合加热循环热效率定压加热循环热效率 最高压力相同时 定压加热循环热效率混合加热循环热效率定容加热循环热效率,三、循环平均压力pt pt（kPa）是单位气缸容积所做的循环功， 用来评定循环的做功能力 按工程热力学公式，混合加热循环的平均压力,定容加热循环（=1）的平均压力为 定压加热循环（=1）的平均压力为 可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比、压力升高比、预膨胀比、绝热指数K和热效率t的增加而增加。,第二节 四行程发动机的实际循环,实际循环通常用气缸内的工质压力p随气缸工作容积V（或曲轴转角）而变化的图形表示，即示功图pV图，p图称为展开示功图。pV图上曲线所包围的面积（积分）表示工质完成一个实际循环所做的有用功。 发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成 。,柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力pZ很高，但因相对于燃油的空气量大，所以最高燃烧温度TZ值反而比汽油机低。所以各个过程的温度均比汽油机低，唯独压缩过程终点时高于汽油机； 压缩比高，所以柴油机膨胀比也大，转化为有用功的热量多，热效率高，所以膨胀终了的温度和压力均比汽油机小。而其他过程的压力均高于汽油机。,第三节 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，以工质在气缸内对活塞做功为基础。 循环的动力性（做功能力） 平均指示压力pmi 指示功率Pi 循环的经济性 指示热效率i 指示燃料消耗率bi,一、平均指示压力pmi 平均指示压力pmi（MPa）是发动机单位气缸工作容积的指示功 pmi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标,以一个假想的、大小不变的压力作用在活塞上，使活塞移动一个行程，其所做的功等于循环功，则此假想的压力即为平均指示压力 pmi,二、指示功率Pi 发动机单位时间所做的指示功。,三、指示热效率i和指示燃料消耗率bi 指示热效率i是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值 。 指示燃料消耗率bi （简称指示比油耗）是指单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的耗油量表示。 g（kWh）,i 、 bi的大致范围,第四节 发动机经济性和动力性的评定 有效指标,发动机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了发动机整机的性能，通常称它们为有效指标。,两类指标的比较,指示指标（i） 以工质在气缸内对活塞做功为基础，评定实际循环质量的好坏。 有效指标（e） 以曲轴对外输出的功率为基础，代表整机的性能。,一、发动机动力性能 1. 有效功率Pe Pe=Pi-Pm 机械损失功率Pm 1)发动机内部运动零件的摩擦损失。比例最大 2)驱动附属机构的损失 3)泵气损失，指进排气过程所消耗的功 发动机有效功率Pe由试验测得 2. 有效转矩Ttq 发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Ttq,3. 平均有效压力pme 平均有效压力pme（MPa）是发动机单位气缸工作容积输出的有效功 pme值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强。它是评定发动机动力性的重要指标,4. 转速n和活塞平均速度Cm 提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大 Cm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损增大，寿命下降，Cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s，柴油机不超过13m/s 为了提高转速又不使Cm过大，由上式知，可以减小行程S，即对于高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比（S/D）值。当S/D1时，常称为短行程,二、发动机经济性能 1. 有效热效率e e是发动机的有效功We（J）与所消耗燃料热量Q1之比值 2. 有效燃料消耗率be beg/（kWh）是单位有效功的耗油量（简称耗油率），通常以每千瓦小时的耗油量表示,t 、i 、 e 、 bi 、be的大致范围,三、发动机强化指标 1. 升功率PL和比质量me 升功率PL（kWL）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。它用来衡量发动机容积利用的程度。 比质量me（kgkW）是发动机的干质量m与所给出的标定功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性。 2. 强化系数pmeCm 其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。,升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围,第五节 发动机的环境指标,一、排放（欧洲排放体系） 表示欧盟委员会建议；表示欧盟议会建议。,第一部分（ECE），试验时需运行4个循环，总时间为13min。每循环持续时间为195s，总里程为4.052km，每循环里程为1.013km，平均车速为18.7kmh（不包括怠速时为27.01kmh）最高车速为 50kmh，怠速时间占31。 第二部分为附加的市区行驶工况（EUDC），总时间为1220s，试验里程为11.007km，平均速度为32.5kmh（不包括怠速时为42.6kmh），最高车速为120kh，怠速时间占26.2。取样开始时刻为试验开始40s后。欧3（2000年）改为启动后即取样。,二、噪声 按产生机理分：流体噪声、机械噪声、电磁噪声、燃烧噪声 危害：刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝 交通运输噪声是现代城市的主要噪声源，约占城市噪声的75%，而其中发动机又是汽车的主要噪声源。包含流体噪声、机械噪声和燃烧噪声。,第六节 机械损失,机械损失所消耗的功率占指示功率的10%-30%。降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环得到的功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高发动机性能重要的一个方面。,机械损失分配情况,一、机械效率m 机械效率m是有效功率和指示功率的比 机械效率m的大致范围是： 汽油机 0.7-0.9 柴油机 0.7-0.85,二、机械损失的测定 1.倒拖法 特点：必须使用平衡式电力测功器，而且由于缸内压力、温度与实际不符，测量结果往往偏大 我国汽车发动机试验标准中规定，应优先采用此法测量机械损失功率 2. 灭缸法 特点：仅适用于多缸发动机，不能用于废气涡轮增压发动机及单缸机。对于柴油机，测量较准；但对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果。 Pm=(i-1)Pe-(Pe(1)+Pe(2)+),3. 油耗线法（又称负荷特性法） 特点：适用于柴油机，但不适用于汽油机 负荷特性：发动机转速不变，其经济性指标随负荷而变化的关系 负荷：节气门开度，汽油机中对应混合气的数量，柴油机中对应供油量 方法：在负荷特性曲线中找出接近直线的线段，并顺此线段作延长线，直至与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即为该机的平均机械损失压力pmm的数值,三、影响机械损失的因素 1. 气缸直径及行程 根据试验，机械损失功率与缸径、行程的大致关系为 发动机工作容积增加，即加大缸径或行程时，机械效率提高。 当气缸工作容积一定，而行程、缸径比（SD）减小时，机械效率提高。,2. 摩擦损失 （1）活塞组件 产生摩擦的部件：活塞环、活塞裙部和活塞销 主要影响因素：活塞环的结构与组合、活塞裙部的几何形状，缸套的温度及配合间隙等 采取的措施：减少活塞环数目，减薄活塞环厚度，减少活塞裙部的接触面积，在裙部涂固体润滑膜等 （2）曲轴组件 产生摩擦的部件：轴颈与轴承、密封装置 主要影响因素：润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比 采取的措施：减少运动件的惯性质量，降低轴承负荷并使轴承宽度和轴径减小,（3）配气机构 产生摩擦的部件：气门与气门导管、摇臂与凸轮 主要影响因素：低转速下，负荷主要由弹簧力引起；高转速时，负荷主要由惯性力引起 采取的措施：减少运动件的惯性质量,3. 转速n（或活塞平均速度Cm） 发动机转速上升（Cm随之加大），致使： 1）各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加 2）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加 3）泵气损失加大 4）驱动附件消耗的功多 因此，n上升，机械损失功率增加，机械效率m下降 提高转速强化发动机的动力性能与m的降低相互矛盾,4. 负荷,5. 润滑油品质和冷却水温度 （1）润滑油 润滑油粘度：即稠稀程度，表示了流体分子之间内摩擦力的大小。粘度大，内摩擦力大，流动性差，使摩擦损失增加，但承载能力强，易于保持液体润滑状态 润滑油粘度主要受油的品种和温度的影响 粘度比：表示粘度随温度的变化程度，即50和100时润滑油运动粘度的比值50/100。粘度比愈大，粘度随温度变化愈大。希望粘度随温度变化小，以保证内燃机在各种热状态下都能工作良好 选用原则；在保证发动机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量选用粘度较小的润滑油，以减少摩擦损失，改善起动性能,（2）冷却水温度 在发动机使用过程中，应严格保持一定的油温和水温，即限制在一定热力状态下工作。提高水温，对性能有益，但受水的沸点限制，一般水冷发动机，水温多在8095范围 50%掺比的乙二醇冷却液，沸点108 ，冰点-36 。,第七节 热平衡,一、 实际循环热平衡 1、实际循环与理论循环（空气标准循环）的差异,t 、i 、 e 、 bi 、be的大致范围,2、汽油机与柴油机热量分配的差异,说明： 1）汽油机t低于柴油机t的主要原因是压缩比小所造成，所以提高压缩比一直是提高汽油机热效率的主要方向，但受到不正常燃烧的限制 ； 2）实际工质比热容变化引起的损失，占有较大比例。汽油机因相对的空气量少，混合气较浓，缸内燃烧温度较高，故此项损失较柴油机大。所以应用稀混合气是汽油机减少损失的途径之一； 3）对于柴油机，不完全燃烧主要是混合气形成及燃烧组织不完善引起，故燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的良好配合是柴油机应改善之处。,二、 发动机热平衡 指热量表现为有效功及各项损失的分配情况。 QT = QE + QS + QR + QB + QL 说明： 主要由废气带走（ QR ），其次传给冷却水（ QS ）； 在某些汽油机中不完全燃烧损失的热量（