内燃机原理第1章.ppt

第一章内燃机的工作指标 第一节内燃机理论循环第二节内燃机的实际循环第三节内燃机指示指标第四节内燃机有效指标第五节内燃机其它性能指标第六节机械损失与机械效率第七节提高内燃机动力性与经济性的途径第八节内燃机热平衡 第一节内燃机的理论循环 一 研究理论循环的目的用简单公式阐明热力学参数间关系 明确提高循环效率和平均压力的途径 确定循环效率的极限 判断实际内燃机经济性改进潜力和工作过程进行的完善程度 有利于比较各种热力循环的经济性 第一节内燃机的理论循环 二 理论循环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 工质在闭口系统中作封闭循环 工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程 燃烧是外界无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 第一节内燃机的理论循环 三 理论循环定容 Otto 循环 汽油机按等容循环工作 燃烧速度高 简化为Otto循环 等压 Diesel 循环 低速柴油机 高增压柴油机 受缸内最高压力限制 燃料大部分在上止点后燃烧 简化为Diesel循环 混合循环 高速柴油机 燃料部分在上止点附近燃烧 部分在上止点后燃烧 简化为混合循环 第一节内燃机的理论循环 四 循环热效率与平均压力参数 压缩比 气缸总容积 气缸压缩容积 压力升高比 预胀比 多变指数 后胀比 第一节内燃机的理论循环 四 循环热效率与平均压力混合循环 第一节内燃机的理论循环 四 循环热效率与平均压力定容 Otto 循环 第一节内燃机的理论循环 四 循环热效率与平均压力定压循环 第一节内燃机的理论循环 五 理论循环分析压缩比压缩比增加 三个循环的热效率增加 压缩比增加 温差及膨胀比增加 热效率增加 由T S图知 初始点一定 加热量一定 压缩比增加 放热量减少 由热效率公式知 热效率增加 柴油机压缩比增加 主要考虑冷起动 但热效率增加已经很少 但汽油机压缩比增加 热效率增加很大 但压缩比大于12后 热效率上升已经很慢 第一节内燃机的理论循环 五 理论循环分析等熵指数空气的等熵指数为1 4 燃料与空气混合气的等熵指数小于1 4 混合气稀 等熵指数增大 热效率增加 第一节内燃机的理论循环 五 理论循环分析压力升高比定容循环 由公式 知加热量增加 压力升高比增加 循环平均压力增加 循环热效率 不变 混合循环 初始点一定 压缩比与加热量一定 压力升高比增加 循环热效率增加 第一节内燃机的理论循环 五 理论循环分析预胀比定压循环 等熵指数 压缩比定 预胀比增加 热效率下降 后加入热量膨胀不充分 排给冷源损失 混合循环 初始点一定 压缩比与加热量一定 预胀比增加 循环热效率下降 第一节内燃机的理论循环 六 比较加热量 初始点一定 压缩比相同 比较三种循环热效率的大小 放热量等容加热循环最小 混合循环居中 等压循环最大 等容热循环热效率最大 混合循环居中 等压循环最小 加热量一定 初始点一定 最高压力一定 比较三种循环的热效率的大小 放热量等容加热循环最大 混合循环居中 等压循环最小 等容加热循环热效率最小 混合循环居中 等压循环最大 第二节内燃机的实际循环 一 进气过程 r a1 作用 吸入新气 为加入Q1作准备 2 特点 Pa P0克服进系统阻力Ta T0缸内残余废气加热进气受热高温机件加热汽油机进气予热燃油蒸发吸热3 参数 柴油机汽油机Pa 0 85 0 95 P0 0 8 0 9 P0汽油机阻力增加 Pa下降Ta300 340K340 380K汽油机进排气管同侧布置 进气预热增加 Ta增加 第二节内燃机的实际循环 二 压缩过程 a c1 作用 扩大温差增加膨胀比为燃烧创造有利条件 柴油机压燃 Tc 着火温度汽油机温度及密度增加 火焰传播速度增加 压力升高比增加 循环热效率增加2 压缩比 汽油机 7 10 压缩比增加 循环热效率增加 受爆震限制柴油机 14 22 保证着火3 特点 多变过程PVn1 const为计算方便 n1取平均 n1的确定 保证在压缩始点和终点的状态与实际相符即可 使工质温度增加的因素都使n1增加 n1范围 柴油机 1 38 1 40柴油机压缩的是空气 两原子气体汽油机 1 32 1 38汽油机压缩的是混合气 多原子气体 第二节内燃机的实际循环 4 压缩终了参数Pc Pa n1Tc Ta n1 1Pc与Tc范围 柴油机汽油机Pc MPa 3 50 8 2柴油机 大Tc K 750 1000600 750 第二节内燃机的实际循环 三 燃烧过程 c z1 作用 燃料化学能 工质热能 使压力温度增加 即加入Q12 要求 燃烧完全 及时 越靠近上止点 热效率越高 汽油机 均匀混合气 传播式燃烧 接近等容柴油机 开始燃烧较快 接近等容 后面边喷油 边混合 边燃烧 接近等压 定容 定压3 参数 Pz MPa Tz K 汽油机3 6 52200 2800柴油机4 5 91800 2200柴油机 大柴油机 a大 第二节内燃机的实际循环 四 膨胀过程 z b作用 热向功转换 膨胀比越大 热效率越高特点 多变过程 PVn2 const 比压缩过程复杂 除热交换外 还有补燃 工质高温分解等 一般用平均多变指数n2来代替 只要n2使始点与终点的状态与实际相同即可 范围 汽油机柴油机1 23 1 28 1 15 1 28柴油机补燃多参数汽油机 Pb Pz n2Tb Tz n2 1柴油机 Pb Pz n2Tb Tz n2 1参数 Pb MPa Tb K 柴油机 0 2 0 51000 1200K柴油机 大汽油机 0 3 0 61200 1500K 第二节内燃机的实际循环 五 排气过程 b r1 作用 清除废气 放出Q2为下一循环作准备2 特点 Pr P0 克服排气系统阻力Pr Pr大 说明留在缸内残气多Tr 一般为检查内燃机工作状态的参数 Tr下降 工作过程好 3 参数柴油机汽油机Pr 1 05 1 2 P0Tr700 900K 900 1100K 第二节内燃机的实际循环 六 实际循环与理论循环的差别1 工质的质和量不是常数比热容的影响 2 传热损失3 更换工质损失 换气损失 4 燃烧损失燃烧速度的影响后燃及不完全燃烧损失 第三节内燃机指示指标 性能指标 动力性指标 功率 转矩 转速经济性指标 燃料与润滑油消耗率运转性能指标 冷起动性能 噪声和排气品质耐久可靠性指标 大修 更换零件之间的最长运行时间 无故障长期运行能力 一 示功图P V图及图P 图两种可以互相转换 第三节内燃机指示指标 第三节内燃机指示指标 二 指示指标指示指标 用来评定实际循环的好坏 以工质在气缸内对活塞作功为基础 指示功和平均指示压力指示功率指示效率 指示燃油消耗率 第三节内燃机指示指标 二 指示指标指示功和平均指示压力 1 指示功Wi 一个实际循环工质对活塞所作的有用功 四冲程非增压内燃机 F1 F2四冲程增压内燃机 F1 F2二冲程内燃机 FiF2一般称泵气损失或泵气功 由于实验上测试方便 把F2包括在发动机的机械损失中 而把F1表示的功称为Wi 第三节内燃机指示指标 2 平均指示压力Pmi 单位气缸工作容积的指示功 为了比较不同大小气缸内燃机的作功能力 要排除尺寸的影响 引入Pmi的概念 也可以认为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作的功等于指示功 那么这个压力就是平均指示压力 式中 Pmi MPaWi kJVs L 气缸工作容积 式中 D S分别为缸径及冲程 第三节内燃机指示指标 Pmi MPa 柴油机 四冲程非增压柴油机 0 6 0 95四冲程增压柴油机 0 85 2 6二冲程柴油机 0 35 1 3汽油机 四冲程摩托车用汽油机 0 8 1 3四冲程小客车用汽油机 0 8 1 43四冲程载货车用汽油机 0 7 0 85二冲程小型风冷汽油机 0 4 0 7 第三节内燃机指示指标 指示功率 内燃机单位时间内所作的指示功称指示功率 602 30 30 式中 Pmi MPaWi kJVs L 气缸工作容积 行程系数四行程 4二行程 2 第三节内燃机指示指标 指示效率 指示燃油消耗率 1 指示效率 实际循环指示功与所消耗的燃料放热量之比 包括了热力学损失Q2和实际循环损失 小于理论循环效率1kWh指示功需要耗热量 Hu燃料低热值 kJ kg按热功当量1kWh 3 6 103kJ 式中 Hu 燃料低热值 kJ kgbi g kWh 第三节内燃机指示指标 2 指示燃料消耗率 指单位指示功的耗油量 一般以每kWh的耗油量表示 式中 B 小时耗油量 kg hbi g kWh 式中 Hu kJ kgbi g kWh 第三节内燃机指示指标 范围 指示热效率bi g kWh 四冲程柴油机 0 41 0 5210 175二冲程柴油机 0 40 0 48218 177四冲程汽油机 0 25 0 40344 218二冲程汽油机 0 19 0 27435 305 第四节内燃机有效指标 以曲轴上输出的功率为基础 代表了发动机整机的性能 一 内燃机动力性指标有效功率有效转矩平均有效压力升功率转速与活塞平均速度二 经济性指标有效热效率有效燃油消耗率 第四节内燃机有效指标 一 内燃机动力性指标1 机械效率和有效功率Pi不能完全对外输出 存在机械损失Pm 式中 Pi Pe Pm 分别为指示功率 有效功率及机械损失功率 第四节内燃机有效指标 2 有效扭矩 轴输出扭矩 式中 Pe kWTtq N mn r min 第四节内燃机有效指标 3 平均有效压力 单位气缸工作容积输出有效功 其值大 说明单位气缸工作容积对外输出功多 作功能力强 评价内燃机动力性的重要指标 第四节内燃机有效指标 Pme范围 MPa农用柴油机0 5 0 7汽车用柴油机0 7 1强化高速柴油机1 2 9固定船用中速柴油机0 6 2 5四冲程摩托车用汽油机0 78 1 2四冲程小客车用汽油机0 65 1 25四冲程载货汽车用汽油机0 6 0 7二冲程小型风冷汽油机0 4 0 65 第四节内燃机有效指标 4 升功率 标定工况下 每升工作容积所发出功率 表示容积利用率 第四节内燃机有效指标 PL范围 kW L农用柴油机8 15汽车用柴油机20 45强化高速柴油机20 45固定船用中速柴油机4 8四冲程摩托车用汽油机50 70四冲程小客车用汽油机40 64四冲程载货汽车用汽油机25 50二冲程小型风冷汽油机20 75 第四节内燃机有效指标 5 转速与活塞平均速度n增加 单位时间内做功次数增加 功率增加 但是 n增加 活塞平均速度Cm也增加 从而 惯性增加 热负荷增加 摩擦增加 寿命下降 Cm是表征内燃机强化程度的参数 汽油机Cm小于18 5m s 柴油机Cm小于13m s 为提高发动机n 又不使Cm过大 采用小S 一般用S D表示 S D下降 可以提高n 但燃烧室面容比增加 不利燃烧 HC排放增加 传热增加 第四节内燃机有效指标 二 经济性指标有效热效率 内燃机有效功与所耗燃料热量之比 式中 燃料低热值 kJ kgbe g kWh 第四节内燃机有效指标 有效燃料消耗率 式中 be g kWhB kg hPe kW 第四节内燃机有效指标 范围 be g kWh 有效热效率低速柴油机190 2250 38 0 46中速柴油机200 2400 36 0 43高速柴油机215 2850 30 0 40四冲程汽油机280 3400 25 0 30二冲程汽油机400 5500 13 0 20 第五节内燃机其它性能评定 主要有排气品质 噪声等 一 排放物的浓度排放物的浓度 指排放物在总排气量中所点的比例 气态排放物 用体积分数表示 固体排放物 用质量浓度表示 如 mg 二 质量排放量质量排放量 单位时间或按某排放标准规定 进行一次测试 在试验期内测出的污染物质量 单位 g h g 测试或g km 三 比排放量比排放量 对单机进行排放测量时 每单位功排出的污染物质量 常用g kW h 第六节内燃机的机械损失 一 机械损失的组成与机械效率1 机械损失的组成 1 摩擦损失活塞与活塞环的摩擦损失连杆 曲轴轴承摩擦配气机构的摩擦损失流体摩擦损失 2 驱动附件损失 3 泵气损失 第六节内燃机的机械损失 范围 摩擦损失62 75 活塞和活塞环的摩擦损失45 65 连杆 曲轴轴承摩擦15 20 配气机构的摩擦损失2 3 驱动附件损失10 20 泵气损失10 20 第六节内燃机的机械损失 2 机械效率 第六节内燃机的机械损失 机械效率的范围 非增压柴油机 0 78 0 85增压柴油机 0 8 0 92汽油机 0 8 0 9 第六节内燃机的机械损失 二 机械损失的测定内燃机机械损失的影响因素极为复杂 无法用分析法求出确切值 只能用试验测定 测量方法 示功图法 倒拖法 灭缸法 单缸熄火法 油耗线法 负荷特性法 第六节内燃机的机械损失 1 示功图法 测量方法 1 用各种示功器测出气缸的示功图 算出Pmi及pi 2 用测功器测出Pme或Pe 则 Pm Pi Pe或Pmm Pmi Pme影响测量精度因素 1 活塞上止点位置确定精度 2 多缸机各缸的不均匀性 第六节内燃机的机械损失 2 倒拖法测量方法 内燃机与电力测功机相连 在稳定工况水温 油温正常时 切断点火或供油 测功器作电动机运行 以给定转速反拖发动机 尽量维持水温 油温不变 测出的功率即为发动机在该工况下的机械损失功率 与实际差别 1 没有燃烧 压力低 摩擦损失小 2 压缩线与膨线不重合 不可逆 负功增加 3 泵损失增加 强制排气增加 综合结果 测出的机械损失偏大 应用 对柴油机 压缩比大 误差大 达15 20 左右对汽油机 相对小 大体相当 误差在5 左右 有电力测功机的情况下 在测汽油机机械损失中得到广泛应用 第六节内燃机的机械损失 3 灭缸法 单缸熄火法适用多缸机 基本原理 多缸机有效功率等于各缸指示功率之和减去机械损失功率 第六节内燃机的机械损失 测量方法 首先将内燃机调到给定工况稳定工作 测其有效功率 然后停止一个缸 供油 或点火 例如1缸 并调测功器 使转速成恢复到原速度 再测内燃机的有效功率 那么第一缸的指示功率为 Pi 1 Pe Pe 1 同样依次使各缸熄火 得 Pi 2 Pe Pe 2 Pi i Pe Pe i Pi iPe Pe 1 Pe 2 Pe i Pm Pi Pe i 1 Pe Pe 1 Pe 2 Pe i 只有一个缸不工作 比较接近实际情况 适用多缸机 当测功器精度高时 较为可靠 误差在5 以下 对汽油机和涡轮增压机 停止一缸工作会破坏进气均匀性及涡轮机工作状态 故不太适用 第六节内燃机的机械损失 4 油耗线法 负荷特性法 适用于柴油机 柴油机 n不变 中小负荷 Pmm和指示热效率不随负荷而变化 某一负荷时 当柴油机空转 Pe 0 时 则 若指示热效率不变 上两式相除 得 即把油耗线延长交横坐标C点 则线段CO即内燃机的机械损失功率 第六节内燃机的机械损失 小结 倒拖法 只能用在有电力测功机的情况 对汽油机较适用 由于倒拖和灭缸法破坏了增压系统的正常工作 增压柴油机只能用示功图法或油耗线法 对于高增压柴油机只能用示功图法 因随负荷变化很大 第六节内燃机的机械损失 三 影响机械损失的因素1 气缸直径与行程 1 工作容积增加 D或S增加 机械损失增加面容比下降 相对摩擦面积下降 机械损失相对下降 机械效率增加 2 工作容积定 S D下降 Cm和面容比下降 机械效率增加 第六节内燃机的机械损失 2 摩擦损失 摩擦损失下降 机械效率增加 3 转速n Cm n Cm 增加时 摩擦损失增加 相对运动速度增加 惯性力增加 导致侧压力和轴承负荷增加 驱动附件损失增加泵气损失增加n相同时 柴油机摩擦损失大于汽油机 第六节内燃机的机械损失 4 负荷 1 柴油机当n不变时 机械损失变化很小 泵气损失基本不变 驱动附件损失基本不变 混合加热循环 负荷变化只改变等压加热量 最高燃烧压力基本不变 负荷增加 Pi增加 Pm基本不变由机械效率公式 Pi增加 机械效率增加空转时 Pi Pm Pe 0 机械效率为0 第六节内燃机的机械损失 4 负荷 2 汽油机量调节 负荷增加 油门开度增加 泵气损失下降 最高燃烧压力增加 摩擦损失增加 从而Pm基本不变 负荷增加 Pi增加 Pm基本不变由机械效率公式 Pi增加 机械效率增加空转时 Pi Pm Pe 0 机械效率为0 第六节内燃机的机械损失 5 润滑油品质与冷却水温度的影响粘度大 摩擦损失增加 承载能力增加 保持液体油膜 粘度小 摩擦损失下降 承载能力下降 油膜易破 干摩擦 损失增加 粘度主要受油的品种和温度影响 一般T增加 粘度下降 选用原则 在保证可靠润滑的条件下 尽量选用粘度小的机油 强化程度高 选粘度大的油 转速高 选用粘度小的油 旧机器 间隙大 选粘度大的油 冷却水温主要影响机油温度 保持在85 90 C范围内 第六节内燃机的机械损失 6 缸内最高爆发压力最高压力增加 机械损失增加 活塞环背压增加 活塞裙部侧压增加 轴承负荷增加 摩擦损失增加保证另件刚度 强度 重量增加 惯性增加 摩擦损失增加 尺寸增加 轴承承压面增加和轴承园周速度增加 摩擦损失增加 一般压缩比增加 最高压力增加 机械损失增加 机械效率下降 柴油机机械效率小于汽油机 压缩比不能过高 否则的指示热效率的上升 抵销不了机械效率的下降 第七节内燃机热平衡 燃料燃烧放出热量只有20 45 转化为有效功 有效热效率在0 2至0 45之间 内燃机热平衡是热量表现为有效功及各项损失的分配情况 所耗燃油的热量QT kJ h QT BHu式中 B 每小时消耗的燃料量 kg h Hu 低热值 kJ kg 转化为有效功的热量QE kJ h 1kWh 3 6 103kJQE 3 6 103Pe传给冷却介质的热量QS kJ h QS GScS t2 t1 式中 GS 通过发动机冷却介质每小时的流量 kg h cS 冷却介质的比热 kJ kg t1 t2 冷却介质入口和出口温度 第七节内燃机热平衡 废气带走的热量QR kJ h QR B Gk Cprt2 Cpkt1 式中 B Gk 每小时消耗的燃料与空气量 kg h Cpr Cpk 废气和空气的定压比热 kJ kg t2 靠近排气门处的废气温度 t1 进气管入口处工质的温度 燃料不完全燃烧热量损失QB kJ h QB QT