发动机原理与汽车理论.ppt

第2章发动机工作循环和性能指标 本章主要内容 发动机的理性循环及其热效率发动机的实际工作循环发动机的评价指标 指示指标和有效指标发动机的机械损失和机械效率 2 1发动机理性循环假定条件 工质为理想气体 封闭循环 无漏气或工质交换 压缩和膨胀过程为绝热过程 即与外界无热交换 用定容放热替代换气过程 定压或定容加热替代燃烧过程 2 1 1定容循环 定容循环的特点 吸 放热过程 是定容过程 压缩 膨胀过程 是绝热过程热效率 其中 压缩比k 绝热指数 对空气 k 1 4 tv 2 1 2定压循环 定压循环的特点 吸热过程 是定压过程 放热过程 是定容过程 压缩 膨胀过程 是绝热过程热效率 其中 压缩比 Va Vc 预膨胀比 V3 V2k 绝热指数 对空气 k 1 4 热效率分析 为定值 tp 为定值 tp 因此 应该合理选择 值 2 1 3混合循环 混合循环的特点 吸热过程 是定压过程和定容过程 放热过程 是定容过程 压缩 膨胀过程 是绝热过程热效率 其中 压缩比 Va Vc 预膨胀比 V3 V2 压力升高比 p3 p2k 绝热指数 对空气 k 1 4 循环平均压力 单位气缸容积所做的循环功 pt W Vs混合加热循环的循环平均压力 其中 pa 压缩始点压力 kPa 压缩比 Va Vc 预膨胀比 V3 V2 压力升高比 p3 p2k 绝热指数 对空气 k 1 4 热效率分析 压缩比 t 但随着 值的增大 t提高率逐渐降低 绝热指数k t t t p3 发动机的强度和可靠性下降 1 tv 定容加热循环 1 tp 定压加热循环 目前发动机的压缩比 压力升高比 和最高工作压力p3的大致范围 2 2发动机实际工作循环 2 2 1进气过程0 1曲线 由于进气阻力 压力低于大气压 由于零件高温和残余废气的加热 进气终了温度高于大气温度 上述条件产生进气损失 一般进气终了的压力和温度的大致范围是 2 2 2压缩过程1 2曲线 作用 提高工质的温度和压力 提高热效率 为冷起动和着火燃烧创造条件 一般压缩终了的压力和温度的大致范围是 2 2 3燃烧过程2 3 4曲线 燃料越接近上止点附近燃烧 压力和温度升高越大 热效率越高 汽油机提前点火 柴油机提前喷油 燃烧滞后和提前燃烧产生燃烧损失 一般燃烧时的最高压力和最高温度的大致范围是 2 2 4膨胀过程4 5曲线 空气 燃料混合不良 燃烧不完全产生不完全燃烧损失 柴油机的压力高 膨胀比大 转化为有用功的热量多 热效率高 膨胀终了的压力合温度均小于汽油机 一般膨胀终了的压力和温度的大致范围是 2 2 5排气过程5 0曲线 排气过程中压力始终大于大气压力 温度始终高于环境温度 排气系统的阻力和压差 温差产生排气损失 一般排气终了的压力和温度的大致范围是 2 2 6影响实际循环热效率的主要因素 传热损失 工质的泄漏损失 进排气损失 提前燃烧和补燃损失 不完全燃烧损失 2 3指示指标定义 以工质对活塞所做的功为计算基准的指标 不考虑摩擦损失和机械损失等 作用 反映从燃烧到热功转换工作循环的好坏 2 3 1指示功和平均指示压力Wi Ai a b J pi Wi Vs kPa 汽油机pi 700 1300kPa柴油机pi 650 1100kPa车用增压柴油机 pi 1100 1300kPa 发动机实际工作循环 1 Wi pi Vh pi 以一个假想的 大小不变的压力pi作用在活塞上 使活塞移动一个行程所做的功等于循环指示功 2 3 2指示功率Pii 气缸数 Vs 每缸工作容积 L 冲程数 pi 平均指示压力 kPa n 发动机转速 r min 2 3 3指示燃油消耗率和指示热效率 指示燃油消耗率gi单位指示功的耗油量 Pi 指示功率mh 每小时耗油量 kg h 指示热效率 i实际循环指示功与所消耗的燃油热量的比值 Q 完成指示功Wi所消耗的燃油热量 J hn 燃料的低热值 kJ kg gi i是评定发动机实际循环经济性能的重要指标 gi i的大致范围是 i gi i gi 2 4有效指标2 4 1发动动机动力性能指标1 有效功率和机械损失功率 有效功率Pe从发动机功率输出轴上得到的净功率 等于指示功率减去机械损失功率 即 Pe Pi Pm kW 机械损失功率Pm发动机内部机械损耗的总和所消耗的功率 机械损失包括 发动机内部摩擦损失 驱动附件损耗 如 机油泵 燃油泵 扫气泵 冷却水泵 风扇 配气机构 和泵气损失等 2 有效转矩Te发动机工作时 由功率输出轴输出的转矩 n 发动机转数 r min 3 平均有效压力pe定义 单位汽缸工作容积输出的有效功 平均有效压力pe和有效功率Pe的关系为 汽油机pe 650 1100kPa柴油机pe 600 950kPa车用增压柴油机 pe 900 1300kPa 2 4 2发动机经济性能指标 有效燃油消耗率ge指单位有效功的耗油量 mh 每小时耗油量 kg h 2 有效热效率 e实际循环有效功We与所消耗的燃油热量的比值 由此可见 柴油机的热效率比汽油机的高 经济性比汽油机好 2 4 3发动机强化程度1 转速和活塞平均速度vcm设计强化 提高发动机的额定转速 增大发动机的功率 活塞的平均速度增加 磨损增加 寿命下降 s 活塞行程 m 小客车汽油机vcm 12 15 m s 载货车汽油机vcm 10 13 m s 柴油机vcm 8 12 5 m s 2 升功率PL定义 单位气缸工作容积所发出的有效功率 PL可用来评价发动机的承载能力 热负荷和机械负荷的应力水平以及发动机工作容积 排量 的利用程度 汽油机PL 20 50kW L柴油机PL 18 30kW L 3 比质量me发动机的净质量m与它所发出的有效功率的比值 me表示发动机质量的利用程度和结构的紧凑性 PL me 发动机强化程度高 汽油机me1 5 4 0 kg kW 柴油机me3 5 8 5 kg kW 可见 汽油机的强化程度要比柴油机的高 2 4 4发动机的其他性能评定1 排放 欧 欧 欧 标准主要排放物 一氧化碳 CO 炭氢化合物 HC 氮氧化物 NOx 排气颗粒 除水外的任何液态和固态微粒 2 噪声 如轿车噪声 84dB A 3 起动性 要求在不采取特殊的低温起动措施 汽油机在 10 柴油机在 5 以下的气温条件下 接通起动机 在15s内发动机能自行运转 2 5机械损失与机械效率2 5 1机械损失的组成1 机械摩擦损失 活塞组件的摩擦 轴承摩擦 气门机构摩擦 其他损失2 辅助设备 附件 驱动功率的消耗水泵 风扇 机油泵 喷油泵 调速器 点火装置 发电机 车用空调 动力转向装置等 3 泵气过程损失进排气过程中 由于工质流动时的节流和摩擦等因素造成的能量损失 4 机械损失的测定常用的试验方法有倒拖法 单缸断火法和负荷特性法 其中常用倒拖法 下表为机械损失的分配情况 摩擦损失占有较大份额 柴油机机械损失所占比例一般比汽油机大 2 5 2机械效率 m有效功率Pe与指示功率Pi的比值 机械效率是衡量发动机机械损失的重要指标 汽油机 m 0 7 0 9柴油机 m 0 75 0 85 2 5 3影响机械效率的主要因素1 转速n 活塞平均速度vcm 的影响 n 运动件的惯性力 活塞对缸壁的侧压力 轴承负荷 摩擦阻力 n 各摩擦副相对速度 摩擦损失 n 泵气损失 驱动附件损耗 Pm m 若要提高转速来强化发动机 则 m将成为主要障碍之一 发动机转速对机械效率的影响 Vcm 2 负荷的影响转速n一定 负荷 时 平均指示压力pi 平均机械损失压力pm基本保持不变 则机械效率下降 当发动机怠速运转时 有效功率Pe 0 指示功率pi全部用来克服机械损失功率Pm 即Pi Pm 因此 m 0 P 29图2 4 3 润滑油品质和冷却水温度的影响 润滑油粘度影响润滑效果润滑油温度 润滑油粘度 Pm 润滑油温度取决于冷却水温度冷却水温度 润滑油温度 Pm 水冷发动机 冷却水温80 95 机油温度在85 110 发动机润滑油的选用原则 在保障各种环境和工况均能可靠润滑的前提下 尽量选用低粘度的机油 以减少摩擦损失 改善起动性能 要求 定期保养 清洗机油