武汉理工大发动机原理

第2章发动机工作循环和性能指标,学习目标,通过对本章的学习，重点掌握发动机的动力性能指标和经济性能指标的定义、相关指标之间的关系以及影响发动机性能的主要因素；明确并掌握发动机实际循环的机械损失及减少损失的基本途径；从了解发动机理想循环入手，熟悉发动机的实际工作循环以及提高发动机热效率的途径。,发动机从燃料的化学能转换为有效输出功的过程，是决定发动机动力性能、经济性能的关键所在，而循环热效率是其核心环节，因为作为热力循环的热功转换是热能动力机械最本质的体现。热力循环的分析，是发动机原理最基本的内容。本章介绍的热力循环两个层次不同的模型-理想循环模型和实际循环模型体现了科学研究由本质因素扩展到一般因素、由简到繁的原则。这些模型对发动机的发展起过很大的作用，直到现在，为了更好地改善发动机的各种性能，仍离不开对各种模型的深入理解和掌握。,本章着重探讨动力性和经济性这两个发动机最主要的性能指标。只有通过深入研究发动机的工作过程，才能找出影响性能指标的各种因素，并从中归纳出提高整机性能的一般规律。,2.1发动机理想循环,汽车发动机的热力循环由一系列物理和化学变化的复杂过程所组成，要确切地描述在发动机中实际进行的热力过程是非常困难的。为了解发动机热能利用的完善程度，能量相互转换的效率，寻求提高热量利用率的途径，在理论上通常把发动机实际工作过程进行若干简化，忽略一些次要的影响因素，假想为由几个基本的热力过程所组成的理想循环。通过对理想循环的分析，可以指出提高发动机动力性和经济性的方向。,简化为理想循环采取的假定,（1）工质是一种理想气体，在整个循环中保持物理和化学性质不变，其状态参量的变化完全遵守理想气体状态方程pV=mRT。（2）不考虑实际存在的工质更换及漏气损失，工质是在闭口系统中做封闭循环。（3）工质在绝热压缩和绝热膨胀过程中工作，与外界不进行热交换。（4）用定容放热和定容或定压加热来代替实际的换气和燃烧过程。,分析,汽油发动机混合气燃烧迅速，气缸内温度和压力增长很快，可以认为其燃烧过程基本符合容积不变的条件，可简化为定容加热循环。高增压和低速大型柴油发动机由于受燃烧最高压力的限制，大部分燃料是在活塞运行到上止点以后燃烧，是在压力基本上一定的情况下进行，可简化为定压加热循环。高速柴油机介于两者之间，燃烧过程可认为是先定容加热后定压加热的组合，可简化为混合加热（定容加热和定压加热）循环。前两种循环可认为是后一种循环的特例。,理想循环的三种形式,a）定容循环；b）定压循环；c）混合循环,理想循环示功图,定容循环,将燃烧过程假想为在容积不变的情况下对工质加热的循环。工质从a点开始绝热压缩到c点，自c点定容吸热到z点，然后从z点绝热膨胀到b点，最后沿b-a线定容散热再回到a点，从而完成一个工作循环。在压缩过程中，工质容积的变化用压缩比表示，压缩和膨胀过程工质状态的变化用pvk=C表示。工质以定容方式先沿c-z线吸热Q1，再沿b-a线放热Q2。,定容循环的参数计算,压力升高比热效率tv为：压缩比，Va气缸总容积（L）；Vc气缸压缩容积（L）；VS气缸工作容积（L）；k绝热指数，空气的k=1.4。,定压循环,与定容循环的不同之处仅在于加热过程是在定压条件下进行的，即工质以定压方式沿c-z线吸热Q1；预膨胀比（表示c-z容积的变化）膨胀比（表示z-b膨胀过程的容积变化）热效率：,混合循环,在压缩行程后，先以定容方式沿c-z线加入热量，使工质压力上升到pZ，然后又以定压方式沿z-z线加入热量，即为一个工作循环加入的总热量。热效率：由上式可以看出：当=1时，发动机以定容循环方式工作；当=1时，发动机以定压循环方式工作。,分析,循环平均压力pt：单位气缸工作容积所做的循环功，表示理论循环的做功能力。式中：pa压缩始点压力（kPa）,分析,（1）增加，可提高t，但提高率将随值的不断增大而逐渐降低；（2）绝热指数k越大，则t越高；（3）增大pa可提高pt，但pa增大会导致t降低；（4）增大可提高t；（5）和的增长，将导致最高压力pz急剧上升，由于受到发动机结构强度、燃烧条件和机械效率等方面的制约，和的提高是有限度的。,发动机的压缩比、压力升高比和最高工作压力pz的大致范围,汽油机：=611=24pz=30008000kPa柴油机：=1222=1.32.2pz=500014000kPa,2.2发动机实际工作循环,四冲程发动机曲轴旋转二周完成一个实际工作循环；而实际工作循环则是由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程所组成的，较之理想循环复杂得多。示功图上的封闭曲线表示实际工作循环中工质压力随容积变化的关系，曲线所包围的面积就是工质完成一个循环所做的有用功。,进气过程,图中r-a曲线反映出进气过程的p-V关系。在进气过程中，活塞由上止点向下止点移动，此时进气门打开，排气门关闭。由于上一循环留在气缸压缩容积中的残余废气膨胀，压力由排气终了时的压力pr降到压力pr，然后新鲜工质才被吸入气缸。为了更多地排除上一循环的废气和尽可能多地吸入新鲜工质，实际上排气门在下止点前就已被打开而进气门则在下止点后才被关闭。由于进气系统的阻力，进气终了时压力pa总是小于大气压力p0，其压力差p0-pa用来克服进气系统的阻力。因为工质受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终了的温度Ta，也总是高于大气温度T0。,进气终了的压力pa和温度Ta的大致范围,汽油机pa=(0.750.90)p0Ta=370400K柴油机pa=(0.800.95)p0Ta=310340K,压缩过程,图a-c曲线反映出压缩过程的p-V关系。在压缩过程中，活塞由下止点向上止点移动，此时进排气门均关闭，气缸内工质由于受到压缩，其温度、压力均不断上升。压缩过程的作用是增大工作过程的温差，使最高温度提高，从而提高热效率；获得最大限度的膨胀比，对活塞做更多的功；提高工质的温度和压力，为冷起动及着火燃烧创造条件。,压缩终了的压力pc和温度Tc的大致范围,汽油机pc=6001200kPaTc=600700K柴油机pc=35004500kPaTc=7501000K,燃烧过程,图中c-z曲线反映出燃烧过程的p-V关系。燃烧过程中，活塞运行在上止点附近，此时进排气门均关闭。在实际循环中，由于燃烧需要一定的时间，燃烧速度也是不均匀的，所以在示功图上c-z线不是一段直线而是以一段圆弧线与压缩线和膨胀线圆滑相接。燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度迅速升高。燃烧释放出的热量越多，放热时越接近上止点，热效率也就越高。,燃烧过程,由于燃料燃烧不是瞬间完成的，因此在汽油机中，汽油与空气形成可燃混合气在上止点前就开始被电火花点燃，火焰迅速传播到整个燃烧室，工质的压力和温度均急剧上升，整个过程接近于定容加热。同理，柴油机应在上止点前就开始喷油，柴油与空气混合后借助空气的热量自燃。开始时燃烧的速度很快，而容积变化很小，工质的压力和温度剧增，接近于定容加热。紧接着是边喷油边燃烧，随着活塞向下移动，气缸容积增大，故此时气缸内压力升高不大，但温度继续上升，接近于定压加热。,燃烧时最高压力pz和最高温度Tz的大致范围,汽油机pz=29404900kPaTz=20002800K柴油机pz=58008830kpaTz=18002200K可以看出，柴油机燃烧时最高压力较汽油机高，但由于相对空气量大，所以其燃烧时最高温度反比汽油机低。,膨胀过程,图中z-b曲线反映出膨胀过程的p-V关系。膨胀过程中，进、排气门关闭，高温高压的工质推动活塞由上止点向下止点移动，从而达到做功的目的，随后气缸内的压力和温度均迅速降低。膨胀过程除了有热交换和漏气损失外，还有补燃（即一些燃料着火后不能及时燃烧，在膨胀过程中继续燃烧）等现象，所以该过程为一个多变过程。,膨胀终了的压力pc和温度Tc的大致范围,汽油机pb=294490kPaTb=15001700K柴油机pb=196392kPaTb=10001400K,排气过程,图中b-r曲线反映出排气过程的p-V关系。排气过程中，活塞由下止点向上止点移动，此时排气门开启，将气缸内的废气排除。由于排气系统有阻力，排气终了的压力pr大于大气压力p0，其压力差pr-p0用来克服排气系统的阻力。阻力越大，排气终了的压力pr越大。与进气过程中气门开闭时间类似，实际工作中排气门已先于其行程开始前被打开，并延迟关闭。,排气终了时压力pr和温度Tr的大致范围,汽油机pr=（1.051.2）p0Tr=8501200K柴油机pr=（1.031.15）p0Tr=700900K,从理想循环到实际循环热效率t下降的主要因素,1工质向外传热的损失实际压缩、燃烧和膨胀过程中，工质都会与周壁进行热交换，而不是理想的绝热过程。由此引起的额外损失叫传热损失。工质向外传热的部位有三个：活塞顶面、气缸盖底面和缸套壁面。前二者传热面积不变，缸套壁面则随活塞运行位置而变。在压缩过程的中、后期和燃烧膨胀的前期（向缸盖及活塞顶）、中、后期（向缸套壁），传热渐高并达到最高值，从而造成了相当的热量损失。,2工质泄漏的损失,工作过程中，工质通过活塞环及气缸壁之间的间隙向外泄漏是不可避免的，它造成了工质数量的减少。正常情况下虽然量不是很大，但在活塞环、气缸套磨损后以及低速工况的情形下，泄漏会明显增加。,3进、排气损失,为了循环的重复进行，必须更换工质，由此而消耗的功称为换气损失。其中因工质流动，需要克服进、排气系统阻力，造成做功损失称为泵气损失，它在图中为闭合曲线r-r-a-b-r所包围的面积。在这里面，排气损失所占比例比进气损失大。,4提前燃烧损失及补燃损失,由于实际着火燃烧过程总要持续一段时间，所以燃烧始点要略为提前，这样才能保证更接近上止点燃烧，从而获得较高的等容度，由此引起提前燃烧损失。同时，由于高温热分解等作用，压力不会陡然下降，燃烧也要拖延一段时间才能结束，该期间热功转换的效率下降而形成补燃损失。上述损失的多少与始燃点的相位密切相关，汽油机通过调整点火提前角、柴油机则通过调整供油提前角来控制这一位置，即选择适当的提前角参数来减少这个损失。,5不完全燃烧损失,燃料、空气混合不良，燃烧组织不善均会引起燃料热值不能完全释放，这些损失称为不完全燃烧损失。实际工作循环的热效率t肯定较理想循环的热效率要低。近年来逐步普及的燃油喷射技术、计算机控制的电子点火技术以及发动机结构、材料的改进技术等等，均可大大地提高热效率，从而极大地改善发动机的动力性能和经济性能。,2.3指示指标,指示指标：以工质对活塞所做之功为计算基准的指标。指示指标不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等各种外来因素的影响，直接反映由燃烧到热功转换工作循环进行的好坏。,指示功,指示功：在气缸内完成一个循环工质对活塞所做的有用功，用Wi表示。其大小可以由图中闭合曲线面积Ai减去A1即曲线所包围的面积减去曲线所包围的面积。为便于测量，将A1（泵气损失）归于机械损失中，因此指示功就由面积Ai来表示。,Wi的计算,Ai可用求积仪或计算方法得到，并通过下式算出Wi真实值。式中：Ai示功图面积（cm2）；a示功图纵坐标比例尺（kPa/cm）；b示功图横坐标比例尺（m3/cm）。,平均指示压力,为了比较不同大小、不同型式发动机的性能，需要排除气缸尺寸因素的影响，从而引入平均指示压力的概念。平均指示压力是发动机单位气缸工作容积所做的指示功，用pi表示。pi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标，它的大致范围是：汽油机pi=7001300kPa柴油机pi=6501100kPa车用增压柴油机pi=11001600kPa,指示功率,指示功率：发动机单位时间内所做的指示功，用Pi表示。设一台发动机的气缸数为i，缸径为D（cm），行程为S（cm），每缸工作容积为Vs（L），转速为n（r/min），平均指示压力为pi（kPa），则每缸每循环工质所做的指示功为：（J）发动机的指示功率（每秒所做的指示功）为：（kW）式中：行程数（四冲程=4，二冲程=2）。,指示燃油消耗率,指示燃油消耗率：指单位指示功的耗油量，也就是发动机每小时发出1kW指示功率时所消耗的燃油量，用gi表示。当实验测得发动机的指示功率为Pi(kW)及每小时耗油量为mh(kg/h)时，指示油耗率gi为：(g/kWh),指示热效率,指示热效率：指实际循环指示功与所消耗的燃油热量的比值，用i表示。式中：Q得到指示功Wi所消耗的燃油热量（J）。式中：hn(kJ/kg)为燃料低热值。,gi、i的范围与相互关系,gi、i是评定发动机实际循环经济性能的重要指标，它们的大致范围是：汽油机gi=205320i=0.250.40柴油机gi=170200i=0.430.50由i计算式可以看出指示油耗率与指示热效率之间的关系：gi高则i小，反之gi低则i大。,2.4有效指标,有效指标：以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标。有效指标代表着发动机整机性能，被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣，因而在生产实践中获得广泛的应用。,有效功率和机械损失功率,有效功率：从发动机功率输出轴上得到的净功率，用Pe表示。指示功率Pi并不能完全对外输出。功在发动机内部的传递过程中不可避免地存在损失，这些损失主要有发动机内部运动件的摩擦损失、驱动附属设备的损失及泵气损失。机械损失功率：这些损失的总和所消耗的功率，用Pm表示。Pe=Pi-Pm(kW)发动机的有效功率Pe，可利用测功器和转速计进行测量计算而定。,有效转矩,有效转矩：发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩，用Te表示。Te与有效功率Pe的关系为：（kW）或式中：Te有效转矩（Nm）；n发动机转速（r/min）。,平均有效压力,平均有效压力：发动机单位气缸工作容积输出的有效功，用pe表示。平均有效压力pe与有效功率Pe的关系为：(kW)(kPa)且有：(kPa)对总气缸工作容积（VSi）一定的发动机来说，pe正比于Te，pe值大，则对外输出的功多，转矩大。,平均有效压力pe值的大致范围,汽油机pe=6501100kPa柴油机pe=600950kPa车用增压柴油机pe=9001300kPa,有效燃油消耗率,有效燃油消耗率：指单位有效功的耗油量，也就是发动机每有效千瓦小时的耗油量，用ge表示。当实验测得发动机的有效功率为Pe（kW）及每小时耗油量为mh（kg/h）时，有效油耗率ge为：(g/kWh),有效热效率,有效热效率：指实际循环有效功（We）与所消耗的燃油热量的比值，用e表示。与前述的i推导方式相同,分析,ge和e两项指标可以比较不同发动机或不同工况的经济性，其中ge更能直接说明发动机燃油消耗的情况，更有实际意义。ge、e的大致范围是：汽油机：ge=280360（g/kWh）e=0.20.3柴油机：ge=220290（g/kWh）e=0.30.4车用增压柴油机：ge=190230（g/kWh）e=0.40.45,发动机强化程度,1转速和活塞平均速度车用发动机（特别是小客车类的发动机）在性能设计上一般都考虑采取一种强化措施，即提高发动机的额定转速。这意味着发动机将经常处在较高的工作转速下运转，也意味着单位时间内做功的次数增多。这样，在气缸尺寸相同的情况下发出的功率增大，或者是在发出相同功率的情况下发动机体积和质量减小。,转速增加，活塞的平均速度也增加。活塞平均速度用Cm表示，它和转速的关系为：(m/s)式中：S活塞行程（m）。当然，Cm增大，活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力也同时增大，将导致磨损加剧，寿命下降。一般活塞平均速度Cm的大致范围是：小客车汽油机1215（m/s）载货车汽油机1013（m/s）柴油机812.5（m/s）,2升功率,发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功率，用PL表示。(kW/L)可以看出：提高PL的措施是提高pe和n。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，进一步提高升功率是发动机发展方向的研究课题之一。PL的大致范围是：汽油机2050（kW/L）柴油机1830（kW/L）,3.比质量,发动机的净质量与它所发出的有效功率的比值称为比质量，用me表示。（kg/kW）式中：m发动机的净质量（kg）。me表示发动机质量的利用程度和结构的紧凑性，它的大致范围是：汽油机1.54.0（kg/kW）柴油机3.58.5（kg/kW）,2.5机械损失与机械效率,机械损失的组成：机械摩擦损失：发动机内部运动件的机械摩擦、搅油及空气动力损失。辅助设备（附件）驱动功率的消耗泵气损失,1机械摩擦损失,（1）活塞组件的摩擦主要由活塞环面、活塞裙面及活塞销三部分的摩擦损失组成。活塞环的环面受环的自身张力以及环背面气体压力的作用而紧压在缸壁上，与缸壁形成滑动摩擦，而且在活塞运行至上止点附近时由于处于边界润滑状态，摩擦尤甚。活塞裙面在缸内运动中摩擦损失也较大，但由于其润滑相对比环面充分，与缸壁接触面上的单位面积压力也相对较小。,1机械摩擦损失,（2）轴承摩擦主要包括曲轴主轴承、凸轮轴轴承、连杆轴承与各自对应的轴颈之间以及前后主轴承密封装置的摩擦。其数值受缸内压力影响较小，主要取决于润滑条件、轴颈直径、转速和材质。,1机械摩擦损失,（3）气门机构摩擦主要包括凸轮与挺柱、摇臂与气门杆、摇臂轴承等部位的摩擦。其中凸轮与挺柱、摇臂与气门杆等处的接触面由于载荷高、面积小，摩擦损失较大。另外，该损失随转速有较大变化，尤以低速时为甚。,1机械摩擦损失,（4）其它损失主要包括齿轮、链轮、皮带轮传动损失，连杆大头搅机油的损失以及曲轴箱内空气压缩、通风和各机件运动的空气动力损失等。,2辅助设备（附件）驱动功率的消耗,主要指发动机运转时必不可少的辅助机构，如水泵、风扇、机油泵、喷油泵、调速器、点火装置等所需的驱动功率。这些附件消耗的功率主要随转速及润滑油粘度的上升而加大，与负荷关系较小。近年来汽车大多增加了空调机、动力转向器等多种装置和设备，从而加大了附属机械功率的消耗。,3泵气损失,进、排气两个过程中由于工质流动时节流和摩擦等因素造成的能量损失。机件（如曲柄连杆机构和配气机构）的摩擦损失占有最大的份额，其次为驱动附件设备的功率损失，再次为泵气损失。柴油机机械损失所占比例一般均较汽油机大。,机械损失分配情况,机械损失的测定方法,倒拖法灭缸法示功图法,发动机的机械效率,机械效率：有效功率与指示功率的比值，用m表示，即机械效率是衡量发动机机械损失的重要指标，研究机械损失的目的是为了寻求提高机械效率的有效途径。一般机械效率的大致范围是：汽油机m=0.70.9柴油机m=0.750.85,影响机械效率的主要因素,1转速（活塞平均速度）的影响机械效率m随发动机转速n或活塞平均速度Cm的上升而下降，这是因为当负荷不变而转速上升时：（1）各摩擦副由于相对速度增加而导致摩擦阻力加大；（2）曲柄连杆机构等运动件的惯性力增大，活塞的侧压力和轴承负荷上升而导致摩擦阻力加大；（3）泵气损失、驱动附件消耗的功随之增加，所以机械效率下降。上述各项因素都使