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内燃机原理 第一章 动力、经济性能指标与影响因素 内燃机原理教 案第一章 动力、经济性能指标与影响因素1.1 工质对活塞所作之功及示功图一 工质对活塞作功1 正功，负功在发动机工作循环的每一个冲程中，由于活塞总在运动，活塞顶面缸内工质和活塞背面缸外介质都要对活塞作功。工质压力与活塞运动方向相同时，作正功，反之作负功。2 冲程功，循环功每一冲程所作之功叫冲程功；每一循环所作之功叫循环功，图1各冲程压力形成的封闭曲线所包围的环积分面积表示。二 四冲程发动机的示功图1 自然吸气四冲程发动机的示功图1) 活塞背面压力p0在四个冲程中对活塞作功为零，因而循环功可由单缸内工质对活塞作功来计算；2) 循环动力过程功：压缩与燃烧膨胀冲程所作之正功称为循环动力过程功，即：W1+W3进、排气冲程泵气功：进、排气过程中，工质对活塞所作之功，是排气负功与进气正功之和，即：W2+W3循环过程净功（指示功）：Wi=(W1+W3)-(W2+W3)= W1-W22 增压四冲程发动机示功图由于增压时缸内平均进气压力大于大气压力p0，一般也大于缸内平均排气压力，所以示功图上的泵气功为正功，净指示功为Wi=W1+W2三 泵气过程功1 实际泵气功：图1、2中的 W2面积2 理论泵气功：图2中（pb-pk）Vs，自然吸气机型为零。3 泵气损失功：图2中带剖面线的部分，自然吸气机型为W2。四. 气缸压力图即展开示功图，常用于发动机结构设计分析、燃烧及动态过程分析。1.2 动力、经济性能指标一. 指示性能指标与有效性能指标1 指示性能指标以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示性能指标，简称指示指标。直接反映工作循环进行的好坏。包括指示功、平均指示压力、指示热效率和指示燃油消耗率。2 有效性能指标以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标，简称有效指标。用于评定发动机实际工作能力的优劣。二. 指示指标与有效指标的确定及换算1 循环指示功、有效功和机械损失功1) 循环指示功：在气缸内完成一个工作循环工质对活塞所作的有用功。用Wi表示。2) 有效功：每循环由曲轴输出的单缸功量叫循环有效功。用We表示。Wi=We+Wm3) 机械损失功：循环指示功与有效功之差，用Wm表示。在测量Wm时，常常无法消除所含的泵气损失功，因此，习惯上都将泵气损失功归入机械损失中，则：Wm=Wmf+Wme+Wp（自然吸气机型）式中 Wp泵气损失功 Wmf循环摩檫损失功 Wme附件消耗功2 平均指示压力与平均有效压力1) 平均指示压力：单位气缸工作容积所作的循环指示功。Pmi=Wi/VsWi=pmi Vs=pmiD2S/42) 平均有效压力：单位气缸工作容积所作的循环有效功。Pme=We/Vs3 指示热效率和指示燃油消耗率1) 指示热效率：实际循环指示功与所消耗的热量之比。式中 3.61031kW.h的热当量 ，kJ/kW.h gb单缸每循环耗油量，kg Mb每小时发动机的耗油量，kg/h Hu燃料的低热值， kJ/kg注：严格的说，it只是循环热效率t，it=ct，ic为燃烧效率。2) 指示燃油消耗率：单位指示功率的耗油量 g/kW.h4 有效热效率和有效燃油消耗率1) 有效热效率：实际循环有效功与所消耗的热量之比。（当燃烧效率为1时）2) 有效燃油消耗率：单位有效功率的耗油量 g/kW.h5 升功率：每升气缸工作容积所发出的有效功率6 指标的测定与换算 在工程上，上述指标是在发动机试验台架上测得一些基本数值（转速n，转矩Ttq和整机燃油消耗率B）后，再通过相互物理关系换算出来的。1) 首先求取： Pe=2nTtq2) 由功与功率基本关系求We： 3) 以Pe、We为基础求各有效指标，再利用上述两关系式求得： （1-1） （1-2） （1-3） （1-4）三. 动力性能速度指标 活塞平均运动速度vm是评定发动机动力性能的速度指标。vm=2s n注意：转速n只能作为同一机型的速度指标。1.3 影响动力、经济性能指标的环节与因素一. 决定动力输出的“量”与“质”的两大环节 发动机动力输出的过程，其本质是进入整机的燃料化学能转化为曲轴有效输出功的过程。输出功率大小首先取决于进入单位时间内进入整机的化学能的多少，即“量”的环节。其次是取决于化学能转换为输出功的效率，即“质”的环节。发动机输出功率为 （柴油机）kW （1-5）（汽油机） kW （1-6）式中，et有效热效率 B单位时间内加入整机的燃料总量 kg/hGm单位时间内加入整机的混合气总量 kg/hHum混合气的低热值，kJ/kg Hu燃料的低热值，kJ/kg二. 燃料及可燃混合气的热值1 燃料的低热值燃料的热值：单位质量的燃料在指定状态（250C，101.3kPa）下，定压或定容完全燃烧所能放出热烈反应热，叫燃料的热值。燃烧时，燃烧产物的H2O以气态排出，其汽化潜热未能释放之热值叫低热值。2 可燃混合气热值可燃混合气热值是单位质量或单位体积可燃混合气的低热值。取决于燃料热值和燃料与空气的混合比。1) 过量空气系数a单位质量的燃料完全燃烧时所需的实际空气量与理论空气量之比。即式中，l实际供给的空气量 l0单位质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量a稀混合气；a浓混合气；a具有化学计量比的混合气。2) 空燃比：指混合气中空气质量与燃料质量之比。3) 燃空比：指混合气中燃料质量与空气质量之比。以上三种表示法可以相互转换。若燃烧燃料量为m ,供给空气，则： 混合气质量热值 （1-7） l个质量单位的空气 1个质量单位的燃料三. 整机燃料消耗率与可燃混合气量1 整机燃料消耗率B若单缸循环供油量为gb，则： （1-8）式中，gb单缸循环供油量。2 可燃混合气流量Gm：单位时间进入整机的新鲜空气量Aa与燃料量之和，即：Gm=Aa+B 由于缸内存在残余废气等原因，实际进入气缸的空气量并非理论上按进气系统前的状态计算而得的与发动机排量相同的空气量，为此，引入充量系数的概念。充量系数c：每缸每循环吸入缸内的新鲜空气量ma与按进气系统前状态计算而得的理论充气量sVs的比值，即：式中，s大气密度（自然吸气机型）或压气机后增压空气密度（增压机型）。c是决定发动机动力性能和进气过程完善程度的重要评定指标。因此，整机的可燃混合气流量为： 单位质量燃料燃烧所需空气量 每一循环 四. 燃料的能量转换效率有效效率et1 燃烧效率c：燃料化学能通过燃烧转换为热能的百分比。式中，Q1每缸每循环燃烧时放出的热量（c=0.950.98，常取c=1）2 循环热效率t：燃烧发出的热量Q1，经发动机热力循环转为工质对活塞所作动力过程功的百分比。式中，Wi动力过程功3 机械效率m：为指示功减去机械损失功后，转为有效输出功的百分比。对于自然吸气机型，上述三效率之积即为燃料的能量转换总效率有效效率，即：在工程实际中，定义et=itm，因此，对自然吸气机型，it=ct，对于增压机型，itct，原因是除热功转换的动力过程功外，理论泵气正功也是有用的机械功。五 整机有效输出功率及燃油消耗率的参数综合表达式将公式，代入公式 和公式中，经整理后得： （1-9） （1-10）由公式，得：由得： （1-11）公式（1-9），（1-10），（1-11）的Pe及be参数综合表达式中，涉及了动力、经济性能中“量”与“质”两大环节的共15个性能参数。这些参数涉及到的发动机研究领域或方向分别是：Hu，l0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第二章 燃料与工质2.1 燃料及其理化特性一. 汽车发动机的常规燃料与代用燃料常规燃料：汽油和柴油 气体代用燃料：CNG，LPG，H2 按燃料物态分 液体代用燃料：甲醇，乙醇，动、植物油代用燃料 固体代用燃料：煤粉 除汽、柴油外的烃燃料 按化学成分 含氧燃料二. 石油燃料及其特性1 石油中烃的分类石油的主要成分是C、H两种元素，含量约占97%98%，还含有少量的硫、氧、氮及微量元素氯、碘、砷和钠等。石油中的C、H不是单质存在，而是组成不同的碳氢化合物即烃。按化学结构，烃分如下四类：1) 烷属烃特点 a) 每个碳原子的价键上都被H原子充满，因此称为饱和链状烃；b) 随碳原子数目增加，烷属烃的状态从气态 液态 固态。一般，在常温下，甲戊烷为气体，己十六烷为液体，十六烷以上为固体，即石蜡；c) 在常温下化学性质比较稳定，超过3000C时，容易产生过氧化物。C链愈长，形成过氧化物的倾向愈大，在汽油机上愈易产生爆然。此外，烷属烃中还有异构体的结构，如异辛烷。异辛烷+正庚烷用于测汽油的辛烷值。异构体比正构体结构紧凑，在高温下不易形成过氧化物，因而在汽油机上不易形成爆燃，适合作汽油机的燃料。2) 烯属烃特点 a) 为不饱和链状烃；b) 在常温下依C原子的不同，以气体、液体、固体形态存在；c) 在常温下化学稳定性较差，长期保存易产生胶质，在高温下形成过氧化物倾向小，适合作汽油机的燃料，但热值较低，着火性能差。3) 环烷烃特点：形成过氧化物的倾向小，自然温度高，在汽油中占有一定的比例。4) 芳香烃特点 a) 具有双价键和环状机构， b) 不易氧化成氧化物，抗爆性极强，自然温度高，凝点高（50C左右）。2 汽油及柴油的使用性能1) 汽油的使用性能a) 汽油的挥发性：表示液体燃料汽化的倾向。通常以汽油的蒸馏曲线相对地评价汽油的挥发性。馏出10%温度：标志着汽油机的起动行，10%温度低，冷车起动容易，但易受发动机高温零件的加热变成蒸汽在管路中形成“气阻”现象，使发动机断火，从而影响其正常运转。馏出50%温度：标志着汽油的平均蒸发性，影响着发动机的暖车时间、加速性及工作稳定性。此温度低，汽油的挥发性好，暖车时间短，从低负荷向高负荷过度时，能及时供给所需的混合气。馏出90%温度：标志着燃料中含难于挥发的重质成分的数量，此温度低，含重质成分少，进入气缸中能够完全挥发，有利于燃烧过程的进行。b) 汽油的抗爆性：燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力评定汽油的抗爆性指标是辛烷值。辛烷值分道路辛烷值、马达法辛烷值和研究法辛烷值。2) 柴油的使用性能a) 柴油的低温流动性混浊点：柴油中的高分子烷属烃（即石蜡）和燃料中夹杂的水分开始析出并结晶的温度。凝固点：柴油完全凝固时的温度。柴油以凝固点作标号。b) 柴油的雾化性：通常用黏度表示柴油的雾化性。c) 柴油的蒸发性：同汽油d) 柴油机的自然性：自然性指标为十六烷值（一般为406065），此值越高，表明柴油的自行发火温度低，着火落后时间短，适合于高速柴油。（十六烷值用十六烷和甲基萘的标准燃料测试）3 汽、柴油的质量标准各国按自身不同的情况，对汽、柴油有不同的质量标准（即规格）。我国2000年1月1日起已停止生产含铅汽油的生产。4 传统汽油机、柴油机工作模式的差异由于汽油和柴油在成分及主要性能指标上的差异，使传统汽油机、柴油机在混合气形成、负荷调节方式以及着火燃烧模式上存在一系列差别，因而导致了两种机型在性能上的差异。1) 混合气形成方式的差异汽油沸点低，蒸发性能好，因而在常温和稍加热的条件下易于在缸外与空气形成预制均匀混合气；而柴油沸点高（1803600C），不适于在缸外混合。2) 着火、燃烧模式的差异汽油机实行缸外预制均匀混合气后，只能适用外源强制点火，在混合气中进行火焰传播燃烧。若采用压燃，会出现爆燃，且由于燃点高，着火准备时间长，即便实行喷雾压燃也是不合理的。3) 负荷调节方式的差异由于混合气形成方式上的差异，均匀混合气能点燃的过量空气系数范围小，因而只能靠变化节气门的开度，控制混合气进气量来调节负荷，即负荷的“量”调节。而柴油机在较大范围的过量空气系数条件下都可压燃着火，所以靠循环喷油量的多少调节负荷，而循环进气量基本不变，即负荷的“质”调节。三. 气体燃料1 天然气天然气主要成分是甲烷，还含有乙、丙、丁烷以及CO2。天然气与汽油、柴油相比，燃烧时的理论混合低热值及火焰温度等接近于汽油，辛烷值高于110，抗爆性优于汽油。2 氢气是一种取之不尽用之不竭的燃料，其单位质量热值在所有燃料中是最高的，有较宽的着火界限，火焰传播速度高，缺点是存储容积大，难于保存。3 液化石油气常温常压下是一种无色、无毒、无味的气体，主要成分是丁烷（占62%72%）；与汽油相比，汽化潜热高，相同压缩比时，压缩终点压力低，温度低，着火温度高，冷起动性及加速性差，沸点低（ 混合循环tm 等压循环tp2) 汽、柴油机具有相同加热量Q1时的对比假设pmax相同，此时，即，在系统Q1下，这是柴油机经济性能运优于汽油机的理论依据。3) 汽、柴油机负荷变化（Q1不同）时的对比对于柴油机，当负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当于定容燃烧的部分变化不大，即基本不变而减小，t将较大提高；对汽油机，负荷下降后，燃烧速度下降，燃烧时间加长，即下降而上升，t将降低。3.2 真实工质的理想循环一. 模型构成、特点与意义1 构成模型的基本条件保持理论循环中有关循环的假定，工质特性按真实情况考虑，即要考虑以下因素：工质是不同组分的混合物；在高温条件下要进行各种化学反应而变更其成分；工质各组分的热力参数随温度等改变等。2 特点与意义不仅体现工质本身的影响，而且代表了经过人类自身努力所能达到的理想水平。因为真实工质的特性及变化是不依人的意志而转移的，而循环本身，经过人的努力是可以逐步向理想化趋近的。相对热效率： 式中，dt理想循环热效率 it真实循环热效率 二. 工质特性及其对热效率的影响工质特性对循环热效率的影响，主要是由于等熵指数、等容度及真实压缩比的改变。1 工质比热容变化的影响1) 真实工质比热容随温度而变化，（cv，Q不变），燃烧温度越高，相对理论循环的t下降量越大。2) 真实工质比热容随多原子分子数的多少而变化多原子燃气的比热容比双原子气体（O2，N2，空气等）大，废气中的多原子分子（CO2，H2O等）含量大，废气愈多，比热容增大，热效率下降。2 工质的高温分解在高温条件下，燃料与氧的化学反应在任一瞬时处于化学动平衡状态，如：2CO2 = 2CO + O2 2H2O = 2H2 + O22H2O + O2 = 4OH H2 = 2H上述反应向右为高温分解，温度愈高，压力愈低，向右反应量愈多，同时吸收热量，然后在膨胀后期及排气的较低温度下，再向左进行燃烧，放出热量，从而使燃烧放热的总时间拉长，降低了循环的等容度而使热效率下降。3 工质分子变化系数的影响发动机燃烧后，缸内总分子数增多，分子变化系数1，输出功率和热效率会上升。4 可燃混合气过量空气系数的影响当时，部分燃料没有足够的空气，或排出缸外，或生成CO，都会使t下降。当时，由于空气所占比例加大，最高燃烧温度下降，废气比例及高温分解减少，t将随上升而增大。三. 理想循环条件下汽、柴油机热效率的对比考虑真实工质后，汽、柴油机热效率的差距将进一步加大。1 高负荷时扩大差距的因素1) 高负荷时，汽油机，而柴油机，从图3-11即可知，t差距将增大。2) 汽油机小，等容度高，因而最高燃烧温度比柴油机高，再者，汽油机残余废气系数比柴油机高，因而使汽油机的等熵指数平均值比柴油机小，而高温分解作用却加剧，这些都使汽油机相对于理论循环的t下降的幅度远大于柴油机。2 低负荷时进一步扩大差距的因素1) 汽油机负荷愈低，a愈浓，柴油机则相反，这进一步扩大了t的差距。2) 汽油机负荷愈低，进气量愈少，r愈高，k值下降，柴油机r大致保持不变。3) 汽油机高低负荷时工质燃烧后的温差要比汽油机小，即低负荷时保持较高温度，而柴油机是“质”调节，燃烧温度随负荷下降。这一因素使汽、柴油机低负荷时温度差别更显著，由此引起的t差距也就加大了。3.3 真实工质的真实循环从理想循环到真实循环，t值要进一步下降，其原因有如下几个方面：1 工质向外传热的损失1) 压缩过程的传热2) 燃烧及膨胀过程的传热2 燃烧提前的时间损失及后燃损失3 换气损失4 不完全燃烧损失（不包括混合气过浓引起的不完全燃烧）5 缸内流动损失6 工质泄漏的损失3.4 机械损失与机械效率一. 机械效率1平均机械损失压力pmm：位气缸工作容积的机械损失功。， 由得： 2机械效率 m值高，即pme更接近于pmi，说明用于机械损失功的比例小，内燃机性能好，所以，为了提高内燃机性能，减少机械损失，提高m也是一条重要途径。柴油机m： 0.7-0.85汽油机m： 0.7-0.9二. 机械损失的组成部分1发动机内部运动部件的摩擦损失 （50-80）%2驱动附属机构的损耗 10%3泵气损失 （5-40）%三. 机械损失的测定1示功图法应用示功器测取发动机示功图，算出Wi，从测功器和转速计读数中求出发动机的有效功率We，由此算出m。2倒拖法在具有电力测功器的试验条件方可进行。在测定汽油机机械损失时得到广泛应用。3灭缸法使发动机在给定工况下稳定运行，先测出其有效功率Pe，然后保持喷油泵齿条位置或节气门位置不变的情况下，停止向某一缸供油或点火，并减少制动力使发动机转速恢复到原来的值，并重新测定有效功率，若灭缸后，其它各缸的工作情况和发动机机械损失不变，则被测缸原来发出的指示功率为：依次将各缸灭火，则整台发动机的指示功为：所以 4油耗线法适用于各型柴油机，精确度与油耗线在无负荷附近的线性度有关。四. 影响机械效率的因素1转速2负荷负荷（转速一定）3润滑油的品质和冷却水温度3.5 发动机的能量分配与合理利用一. 发动机的能量平衡 能量平衡就是给出燃料总的发热量转化为有效功和其它各项热损失的分配比例。 研究目的：从热量分配中，了解热损失情况，作为判断发动机零部件热负荷和设计冷却系统的依据，并为改善内燃机性能指标指明方向。 能量分配二. 发动机能量的合理利用包括两方面的含义：进一步提高有效热效率；机外散失能量的再利用1. 提高发动机有效效率的途径（1）能量利用现状（2）超膨胀发动机循环图 超膨胀理论循环的P-V及T-S图现有发动机是按等容放热模式工作的，如果能改为等压放热模式，即将图上的绝热膨胀线zb 延为zb，再按ba进行等压放热回到压缩始点a，则会增加图示bbab面积大小的有效功量或热量，使t提高。这种循环是一种增大膨胀体积的超膨胀发动机循环。（3）汽油机采用稀燃和缸内直喷技术（4）汽、柴油机的电子控制与可变技术2. 发动机散失能量的再利用（1） 废气蜗轮增压（2） 复合式发动机（3） 低散热发动机（4） 低品位热量的利用第四章 换气过程与循环利用4.1 四冲程发动机的真实换气过程一. 换气过程与换气系四冲程发动机从膨胀冲程末期排气门开启时算起，直到进气门关闭时为止，对应的曲轴转角大约在41004800范围内的过程，为真实的换气过程。图 四冲程自然吸气汽油机的进、排气系统及换气过程示功图二. 换气过程分期1. 排气过程从排气门早开点b到晚关点r，这一阶段又细分为两部分。1) 自由排气阶段排气门刚开启时，（k=1.3），排气喉口出现音速流动，排气流动状态处于超临界状态，排气量仅与缸内状态有关（500-700m/s）。当时，气体流动转为亚临界状态，气门口流速低于音速。自由排气阶段排出废气量可达总量的60%以上。2) 强制排气阶段2. 进气过程3. 进气重叠过程三. 进、排气相位角及其对性能的影响1. 相位角及其功用进、排气门相对于上、下止点早开、晚关的四个角度叫进、排气相位角。常用相位图表示。图 进、排气相位图1) 排气早开角功用：减少排气阻力以达到减少泵气损失的目的；实现充分排气，对提高充量系数有一定的影响。2) 排气晚关角功用：利用气流惯性进一步排出废气。图 转速不变时排气早开角对排气损失的影响 图 排气早开