发动机能量分配及循环效率

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