发动机能量分配及循环效率.ppt

第三章循环分析与能量利用 第三章循环分析和能量利用 ICE工作过程研究内容 工质成分变化 热能的转化过程 目标 高的循环效率 低的污染物排放 工作过程研究难度 工质的质和量是时间的函数 物理 化学过程一直在进行 存在摩擦 散热 燃烧 节流等 对ICE工作过程的研究只能建立模型 进行理论分析 三种循环模式 第二节理论循环 一 理论循环构成 工质 理想气体 空气 物性参数为常数 循环 理想循环构成封闭热力系统 绝热压缩 定容定压吸热 燃料燃烧放热 定容放热 进排气的换气过程 二 理论循环类型 1 循环分析 早期ICE活塞运动速度低 汽油机为定容加热循环 柴油机为定压加热循环 现代ICE为混合加热循环 第二节理论循环 z Otto循环 第二节理论循环 z Diesel循环 第二节理论循环 z z NA ICE的Sabathe循环 第二节理论循环 z z TC ICE的Sabathe循环 第二节理论循环 2 循环效率 Otto循环循环效率 Diesel循环循环效率 Sabathe循环循环效率 压力升高比 预膨胀比 第二节理论循环 三 影响循环效率的因素 1 压缩比的影响 增大压缩比可以提高ICE的循环效率 b 第二节理论循环 c b 第二节理论循环 2 压力升高比和预膨胀比的影响 等容度 循环吸热过程中等容吸热量占总吸热量的比率 因此 提高等容度 可以提高ICE的循环效率 第二节理论循环 ICE接近等容燃烧 可以得到高循环效率 分析 CI ICE负荷增大 循环喷油量加大 燃烧时间加长 预膨胀比加大 等容度下降 循环效率降低 电喷汽油机把按照化学计量比混合气进行控制 可得到较高的循环效率 CI ICE多次喷射技术会降低循环效率 CI ICE高压喷射技术会提高循环效率 第二节理论循环 在预膨胀比一定时 压力升高比对循环效率影响不大 在压力升高比一定时 减小预膨胀比 会显著提高循环效率 第二节理论循环 3 绝热指数 提高绝热指数 可以提高循环效率 第二节理论循环 四 理论循环研究的意义 提供ICE比较的理论依据 提供改善ICE性能的措施 同一机型比较 压缩比 工质吸热量相同 吸热形式不同 第二节理论循环 更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率 第二节理论循环 最高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率 不同机型比较 cm 最高爆发压力形同 吸热量相同 cv 第二节理论循环 五 理论循环下SI ICE和CI ICE的比较 CI ICE的最低有效燃油消耗率比SI ICE低15 25 CI ICE压缩比高于SI ICE 具有更高的循环效率 对于SI ICE 混合气浓度偏离化学计量比浓度 循环效率均会下降 经济性会下降 第三节理想循环 一 理想循环构成 工质 实际工质 循环 理论循环 现代高技术水平的内燃机 相对效率已高达90 意义 内燃机提高循环效率最高限度 相对热效率 真实循环循环效率与理想循环循环效率之比 第三节理想循环 二 工质特性对循环效率的影响 1 最高燃烧温度 在相同的加热量下 燃烧温度越高 工质比热容升高越多 绝热指数下降越多 循环效率偏离理论循环效率越远 2 工质的高温裂解 1 比热容 第二节理想循环 高温高压下 加速CO2 H2O N2 O2 H2的裂解 裂解吸热 膨胀过程温度 压力下降 进行放热的逆向反应 使放热时间延长 等容度下降 效率下降 2 残余废气系数 多原子分子数增多 比热容增大 绝热指数下降 效率下降 残余废气系数和EGR率对循环效率影响较大 第三节理想循环 3 混合气浓度 燃料裂解吸热 增加工质内能 做功能力下降 稀混合气 浓混合气 最高燃烧温度低 循环效率高 混合气中废气比例少 循环效率高 工质最高温度大 循环效率低 混合气中废气比例高 循环效率低 第三节理想循环 燃空当量比 稀薄燃烧可以得到较高的循环效率 在着火极限区域内 随着混合气浓度的加大 循环效率逐渐下降 第三节理想循环 二 理想循环下SI ICE和CI ICE比较 小 大负荷下差距加大 SI ICE小 大负荷循环效率相对于CI ICE更小 有效燃油消耗率高出30 50 第四节真实循环 理论循环 理想循环 传热 流动 不完全燃烧工质泄漏等 时间损失 后燃损失 换气损失 第四节真实循环 工质和循环的变化 使实际循环效率和理论循环效率相差10 20 第五节机械损失和机械效率 一 机械损失的组成 一 机械摩擦损失 1 活塞组件摩擦 2 轴承摩擦 3 配气机构摩擦 4 其它损失 正时齿轮 链轮 带轮的传动损失 连杆大头搅油损失 曲轴箱内空气压缩和通风损失 运动件的空气动力损失 第五节机械损失和机械效率 二 驱动附件损失 内燃机正常运行必备附件 发电机 水泵 机油泵 高压油泵 调速器 点火装置 内燃机台架试验中必须拆除的四大附件 空压机 空滤器 风扇和消声器 三 泵气损失 进排气过程中工质流动时的节流和摩擦损失 第五节机械损失和机械效率 二 机械损失各部分所占份额 泵气损失 曲柄 连杆 活塞损失 其它附件损失 高压油泵损失 配气机构损失 第五节机械损失和机械效率 活塞连杆组件和曲轴轴承摩擦损失高 转速 负荷增大 该损失也增大 转速 负荷增大 驱动附件损失也增大 SI ICE小负荷和高速 泵气损失大 负荷对CI ICE泵气损失影响小 高转速时泵气损失高 SI ICE CI ICE 第五节机械损失和机械效率 各种ICE标定工况下的机械效率 问题 增压内燃机为什么具有更高的机械效率 第五节机械损失和机械效率 三 机械损失的测定方法 一 示功图法 1 测量方法 用燃烧分析仪测量工况点 下的示功图 测算 计算 和 示功图法可以得到ICE的机械损失 机械效率运行特性 2 注意事项 准确标定TDC位置 NA ICE测量面积为代表的面积 提高面积计算离散化精度 第五节机械损失和机械效率 TDC位置设置不准确对机械效率有什么影响 TDC CA BDC BDC 第五节机械损失和机械效率 如果 TDC位置靠前 BDC BDC TDC 第五节机械损失和机械效率 测得的偏高 偏小 第五节机械损失和机械效率 如果 TDC位置靠后 BDC BDC TDC 第五节机械损失和机械效率 测得的偏低 偏高 第五节机械损失和机械效率 二 反拖法 倒拖法 1 测量方法 使ICE正常运行在工况点 测取 停油 断火 用电力测功机反拖ICE按同等转速运转 测量测功机的功率损耗 即为 2 注意事项 电力测功机价格昂贵 反拖法不适合大功率ICE 仅适用于中小功率的NA ICE 第五节机械损失和机械效率 三 灭缸法 1 测量方法 设ICE有N个缸 使ICE正常运行在工况点 测取 使其中一个缸停止作功 减小测功机载荷 使ICE恢复到原转速 测取N 1缸工作的功率 ICE功率的降低值 认为是所灭气缸的指示功率 依次灭缸 测试N次 就可得到整机的 第五节机械损失和机械效率 2 注意事项 用灭缸法测量SI ICE机械效率 注意安全 第五节机械损失和机械效率 四 油耗线法 1 测量方法 测量ICE在某个转速下的负荷特性 制作燃油消耗率的负荷特性曲线 当低负荷区域线性度非常好时 按线性区域油耗线进行反向拓延 拓延线与负荷轴的交点 距离负荷零点的负荷值 即为平均机械损失压力或者机械损失功率 第五节机械损失和机械效率 良好线性 a 第五节机械损失和机械效率 2 注意事项 油耗线法不适用于SI ICE和大功率CI ICE 各种测量方法的使用范围 所有内燃机均可使用示功图法测量机械效率 大功率ICE最佳方法是灭缸法 费油 中小功率的增压ICE 如果燃油消耗率的负荷特性线线性度高 可采用油耗线法 SI ICE最佳方法是反拖法 第五节机械损失和机械效率 四 影响机械效率的因素 1 机械效率速度特性 低速机械效率曲线平坦 中高速下降速度快 第五节机械损失和机械效率 油门开度一定 第五节机械损失和机械效率 2 机械效率负荷特性 转速一定 市区运行车辆 关注小负荷的机械效率问题 第五节机械损失和机械效率 3 润滑条件对机械效率的影响 1 润滑油的作用 减摩 密封 冷却 清洗 2 ICE对润滑油的要求 防锈 良好的运动粘度 粘温特性和抗氧化能力 3 ICE润滑油的分类标准 SAE标准 SAE W 第五节机械损失和机械效率 SI ICE常用润滑油 30QB 40QB 10 15 老标准 SAE30 SAE40 SB API CI ICE常用润滑油 30CA 40CA 11 14 老标准 SAE30 SAE40 CA API 第六节ICE能量分配与合理利用 燃料 空气 压缩 膨胀 摩擦 辐射 冷却 排气 作功 燃烧 换气 一 ICE能量平衡 第六节ICE能量分配与合理利用 热量损失 第六节ICE能量分配与合理利用 实际有用功1 3 强 排气带走热1 3 冷却液带走热1 3 弱 二 ICE能量合理利用 一 现代ICE的能量利用状况 现代ICE最高燃烧温度1100K 环境温度293K 卡诺循环热效率 第六节ICE能量分配与合理利用 受卡诺限制 属于ICE极限值 除非改变循环模式 采用改进技术的提高空间只有8 5 的空间 通过提高机械效率的改善空间有7 第六节ICE能量分配与合理利用 汽油机25 30 GDI 35 柴油机30 40 增压柴油机30 45 二 提高ICE有效效率的途径 1 改变循环模式 超膨胀ICE思想 Atkinson循环和Mill循环 第六节ICE能量分配与合理利用 等压放热 Atkinson循环 第六节ICE能量分配与合理利用 Mill循环 等压放热 第六节ICE能量分配与合理利用 超膨胀ICE问题 冲程长 结构不允许 适用的Mill循环 膨胀比 NA ICE TC ICE 必须采用VVT VVL技术 第六节ICE能量分配与合理利用 2 GDI技术 GDI可以有效提高ICE的经济性 经济性改善程度 降低泵气功 高绝热指数 压缩比和低散热 高燃烧效率 换气流通面积减小 16 5 第六节ICE能量分配与合理利用 3 可变技术 基本目的 得到各参数的MAP 实现ICE全工况性能的优化控制 可变压缩比 可变气门升程 VVL 可变配气相位 VVT 可变进气涡流 可变进气管长度 可变喷嘴环 第六节ICE能量分配与合理利用 第六节ICE能量分配与合理利用 原机功率 优化功率 第六节ICE能量分配与合理利用 4 CI ICE电控高压喷射技术 三 散失能量的利用 接近2 3