第二章内燃机循环及性能评价指标.ppt

第二章内燃机循环及性能评价,第一节概述第二节内燃机的理论循环第三节内燃机实际循环及其评价指标第四节内燃机有效性能指标第五节机械损失第六节热平衡,2-1概述,内燃机：EQW的动力机械装置。转换方式：热力循环四冲程=进、压、做功、排,三个环节：混合气形成导入气缸过程：A/F，QW的物质基础，c燃烧放热过程：放热规律，热效率i，排放能量传递过程：机械效率m，机械损失,A,F,A/F,c,燃烧,内燃机热功转换及能量传递过程示意图,改善内燃机性能=能量转换效果：体现在完善上述三个环节问题上，即：,混合气：燃料汽/柴/替代燃料，热值/成分不同换气过程尽可能提高充量，提高气缸利用率,燃烧：完全、及时节能，CO、HC放热规律压力升高率（NOx），热效率,能量传递：机械损失摩擦、泵气、驱动附件机械效率提高m的措施,2.2内燃机的理论循环,一、卡诺循环与内燃机的动力循环卡诺循环组成:绝热压缩、等温加热过程绝热膨胀做功过程、等温放热过程,卡诺定理：任何实际循环热效率都14后，随，t缓慢，机械/热负荷,n：多变指数n，nk=1.4（空气），工质更接近空气，热效率，如稀薄燃烧技术等,及：a)定容循环:不变，Q1，Q2，Q2/Q1不变，t不变b)混合循环：Q1、一定，tc)，Q1p,这部分热量是在膨胀作功过程中加入的，所以做功能力下降，tp。,=1,对上述三种理论循环的热效率进行比较可以看出：,当压缩比相同时，等容加热循环的热效率最高，等压加热循环的热效率最低，而混合加热循环的热效率介于二者之间；当最高燃烧压力pz相同，加入热量Q1相同，而压缩比不同时，等压加热循环的热效率最高，等容加热循环的热效率最低，而混合加热循环的热效率仍介于二者之间。（这是由于在pz不变的情况下，等压加热循环的压缩比最大，而等容加热循环的压缩比最小的缘故。）,2.循环平均压力pt定义：单位气缸工作容积所做的循环功评定循环的做功能力混合：定容：定压：,三、三种理论循环的比较,a)Q1，相同：等容加热速率快，Q2pQ2mQ2vtvtmtp,b)Q1，pz相同：不同，即pmvQ2vQ2mQ2ptptmtv,c)Tz，pz相同：工质做功能力相同，Q2p=Q2m=Q2vtptmtv,对上述三种理论循环的循环热效率和平均压力所进行的热力学分析，可以得出以下结论：,增加压缩比，可以提高工质的最高温度，扩大了循环的温度梯度，达到了发动机的较大膨胀比，因而提高了循环热效率要，但其提高率随着压缩比的不断增大而逐渐降低。增大压力升高比，可以增加混合加热循环中等容部分加热量，提高了热量的利用率，因而也提高了热效率。压缩比和压力升高比的增长，将伴随着最高燃烧压力pz的急剧上升。增大预胀比，可以提高循环平均压力，但由于等压部分加热量增加了，而这部分热量是在膨胀比逐渐降低的情况下加入的，因而热效率亦随之降低了。绝热指数K越大，则热效率越高。,对实践的指导意义（实际工作条件的限制）,结构强度的限制。尽管理论循环的分析指出，提高压缩比和压力升高比对改善循环热效率起着有利的作用，但是其增高势必会导致最高燃烧压力pz的猛升。pz增加，则对承载零件的结构强度要求更高，这势必增加发动机的质量，并降低了发动机的使用寿命和可靠性等。机械效率方面的限制。发动机的机械效率是与气缸中的最高燃烧压力密切相关的。压缩比和压力升高比的增高，将伴随着最同燃烧压力的急剧上升，导致运动摩擦副之间的摩擦力增加，以及运动件惯性力的增大，从而导致机械效率的下降。燃烧方面的限制。若压缩比增大，将导致压缩终点的压力和均升高，对汽油机将引起爆燃、表面点火等不正常燃烧的发生；对柴油机将由于压缩终点的气缸容积变得很小，使燃烧室的设计带来困难可见，压缩比和压力升高比的提高是有限度的。,2-3内燃机实际循环及其评价指标,一、实际循环：1个循环4个行程5个过程：进-压-燃烧-膨胀-排，各过程都存在各种损失,四冲程发动机实际循环四冲程发动机理论循环,a,c,z,z,b,r,a,b,c,z,z,r,1.进气过程：换气，为气缸Q-W转换物质准备理想无损失的可逆过程；纯空气，p=p0实际进气流动损失：热交换：高温零件加热残余废气,进气道、气缸壁、进排气门,汽油机：柴油机：增压柴油机：增压压力：,2.压缩行程（过程）,作用：燃烧前的准备提高p和T；提高膨胀比提高效率理想：纯空气，绝热过程：k=1.4;实际：多变过程热交换/漏气，平均多变指数；原则：以平均n1计算结果终了状态相同，即压缩终了状态：,汽油机：n1=1.321.38;柴油机：n1=1.381.4；,3.做功行程,膨胀做功行程=燃烧过程+膨胀过程作用：实现EQ1W的能量转换过程,燃烧过程：实现EQ1的转换,理想循环：假设为等容加热或等压加热实际循环：燃烧非瞬时，时间损失，不完全燃烧汽油机：均匀预混合气，提前点燃，火焰传播柴油机：边混边燃，喷油提前，预混合/扩散燃烧增压柴油机：,通过燃烧,膨胀过程：实现：Q1W的转换理想：均质空气，绝热膨胀实际：多变过程，取决于热交换、泄漏、补燃、工质变化；用平均多变指数：n2评定多变过程原则：计算结果与实际一致,通过曲柄连杆机构,工质被加热时：n2n2,汽油机：n2=1.231.28；膨胀终了：,柴油机：n2=1.151.28;膨胀终了：,柴油机高，膨胀比大，热效率高，膨胀终了温度及压力都比汽油机小,4.排气行程,作用：尽量排净，为下一循环充气准备理论：无阻力，可逆，或闭口系统实际：排气流动损失：传热现象：废气与排气管壁的传热残余废气系数：,排气门、排气道、排气管、消声器,评价换气过程排出废气的完善程度,排气后缸内的残余废气量,进入气缸的新鲜充气量,排气终了状态：汽油机：,柴油机：,排温取决于燃烧温度；燃烧过程迟后或后燃（补燃）增加排温升高。所以，排温是检查发动机燃烧状况的重要参数,二、实际循环的评价指标,评价方法：指示指标，即以工质对活塞做功为基础，评价实际循环的做功能力和经济性。1.做功能力评价指标动力性指标：1）平均指示压力：定义意义：比较不同气缸的做功能力；评价Vs的利用程度,循环指示功kJ,气缸工作容积L,2）指示功率：发动机单位时间所做的指示功,其中，:1个循环所需时间（s）n:发动机转速r/min;i:气缸数：冲程数，四冲程机=4二冲程机=2,2.经济性评价指标意义：评价为获得W而消耗的能量。方法：1）指示热效率：为获得循环指示功Wi所消耗的热量Q1（能源）之比，即2）指示燃料消耗率：单位时间，为获得单位指示功率所消耗的燃料量，即,其中，B：每小时燃油消耗量kg/h,由所以，汽油机：柴油机：,其中，h:燃料的低热值,2-4有效指标,指示指标只评价缸内Q/W工作循环的好坏，不能评价内部动力传递过程中的损失。有效指标：以曲轴对外输出功率为基础，评价发动机性能对外产生的效果包括动力性、经济性、排放性。1.动力性评价对外做功的能力1）有效功率Pe：,Pi在发动机内部传递过程中损失一部分用m评价,空调（可选）,电器设备,机械损失功率Pm组成,机械损失功率,泵气损失,活塞及活塞环,连杆、曲轴轴承,配气机构,水泵,风扇,机油泵,摩擦损失,驱动附件损失,6275%,1020%,1020%,其中，机械损失功率Pm包括：发动机内部摩擦损失；驱动附件损失；泵气损失进排气损失,机械效率m：定义,动力传递过程内部损失大小,2）有效转矩Ttq：由发动机曲轴输出的转矩Nm由一个循环(2转)输出的功:We=Pet=Ttq4/1000其中，一个循环所需时间：所以，,Ttq和n由试验测得，并用上式求有效功率,3）平均有效压力：单位气缸工作容积的有效功。或一般，汽油机：柴油机：增压柴油机：,4）升功率PL：单位气缸工作容积输出的额定功率评价气缸工作容积的利用效率。,定义式,称pmen为发动机强化指标；发展趋势：高功率（强化）、更轻巧、更紧凑型发动机但n的提高受活塞平均速度的限制。,5)转速n和活塞速度Cm：提高n，可增加发动机单位时间做功次数，PeCm，活塞热负荷，惯性力，磨损，寿命；为限制Cm,可SS/D。S/D1时为短行程。但S/D，燃烧室高，影响混合气形成和燃烧。,S：活塞行程,比质量me：E/G质量m与标定功率之比：,汽油机：,柴油机：,一般汽油机：n=36008000r/min；柴油机：n=20005000r/min；增压柴油机：n=15004000r/min；,2.经济性：从有效功角度衡量所消耗的燃料量。1）有效热效率2）有效燃油消耗率：,单位时间、单位有效功率所消耗的燃料量,汽油机：柴油机：,3.排放指标：指发动机在Q1W过程中，因燃烧而排出的环境污染物的限制指标。,有害排放物：尾气排放物、蒸发物、噪声。,1）尾气排放物：CO、HC、NOx、PM、CO2等,各国法规限制标准发展趋势：,2）蒸发物：汽油机燃油系统蒸发的HC化合物。3）噪声：刺激神经，心烦，耳聋等。,2-5机械损失,1.机械效率由定义：2.机械损失Pm分配：摩擦损失：6275%驱动附件：1020%泵气损失：1020%,汽油机:m=0.70.9柴油机:m=0.70.85,意义：评价内燃机内部动力传递效率,摩擦损失：,3.机械损失的测定1)倒拖法：电力测功器TW和机油温度正常时的反拖功率Pm缺点：缸内压力、温度与实际不符，误差大2)灭缸法：多缸机，逐次灭1个缸，测功率,则，指示功率：,柴油机：误差5%，汽油机：误差较大进气条件。,摩擦损失功率：,灭n缸后n缸指示功率,3)示功图法：燃烧分析仪等专用设备测量示功图求得指示功率Pi试验测的有效功率Pe及转速n直接由定义式求得m及Pm。,4）油耗法：只适用于柴油机设循环效率随负荷不变，则任一工况：,误差取决于示功图测量精度,怠速Pe=0：,4.影响机械效率的因素*1）缸径D和行程S：2）摩擦损失：活塞（环）组，曲轴组件，配气机构3）n：摩擦损失，惯性力，泵气损失，驱动附件4）负荷：主要影响Pi，而Pm不随负荷变化5）润滑油品质、冷却水温度主要影响机油粘度,Dm：曲轴平均直径K：与缸数和n有关的常数。,2-6热平衡,指所加入热量Q1的具体分配情况热量损失情况；目的：明确提高热效率的有效途径,转换为Pe的热量2550%,冷却损失1035%,废气带走热量2550%,不完全燃烧损失,其它损失,QT,5075%,2550%,有效利用能源的必要性,习题,一、名词解释1.理论循环；2.示功图；3.指示指标；4.有效指标；5.指示热效率；6.有效热效率；7.升功率；8.比质量；9.发动机强化系数；10.机械效率；11.发动机热平衡二、填空题1、从图上可以观察到发动机工作循环的各个不同阶段-压缩、燃烧、膨胀以及进气、排气等过程中的压力变化情况。2、增加，可以提高工质的最高温度，扩大了循环的温度梯度，达到了发动机的较大膨胀比，因而提高了t，但其随着的不断增大而逐渐降低。,3、发动机指示指标用来评定工质在气缸内的完善程度。4、发动机的有效指标是以为研究基础的，它能够评定发动机的整机性能的好坏。5、指示热效率是功与所消耗的燃料热量之比值。6、有效热效率是功与所消耗的燃料热量之比值。7、发动机有效指标中的功率