第一章-发动机的性能ppt课件

.,第一章发动机的性能,第一节发动机理论循环第二节四冲程发动机的实际循环第三节发动机的指示性能指标第四节发动机的有效性能指标第五节机械损失与机械效率第六节热平衡,.,发动机的性能指标：主要有动力性能指标（功率、转矩、转速）、经济性能指标（燃料及润滑油消耗率）及运转性能指标（冷起动性能、噪声和排气品质）等。衡量一台发动机的质量主要是对以上性能指标进行评定，但在评定时不仅要考虑性能指标，还要把可靠性、耐久性、结构工艺性、使用维修性、生产实际条件以及使用特点等多方面予以综合评定。本章主要阐述发动机的动力性能指标、经济性能指标、及运转性能指标。通过深入到发动机工作过程的各个阶段，对它们进行分析，从中找出影响性能的因素及提高性能的一般规律。,.,第一节发动机理论循环,.,一、三种基本循环,发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略次要因素后建立的循环模式。为建立理论循环研究，必须对发动机的实际过程进行必要的几点简化假设：1）工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同，整个循环中的工质的物理性质及化学性质不变，工质比热容为常数；2）工质是在闭口系统中做封闭循环，忽略进、排气过程；3）工质压缩、膨胀过程（复杂的多变过程）简化为绝热等熵过程；4）燃烧是外界无数个高温热源等容或等压向工质加热，工质放热为等容放热；5）循环过程为可逆过程。,.,通过对理论循环的研究，达到以下目的：1）确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机经济性能和工作过程进行的完善程度以及改进的潜力；2）有利于分析比较发动机不同热力循环方式的经济性能和动力性能；3）通过分析发动机理论循环的热效率和平均压力，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性能和以平均压力为代表的动力性能的基本途径。,.,三种发动机的理论循环：1）等容加热循环早期低速汽油发动机（燃烧迅速，循环时间长）2）等压加热循环高增压和低速大型柴油机（受燃烧最高压力限制，燃料大部分在上止点后燃烧）3）混合加热循环车用高速柴油机对三种发动机的理论循环进行对比分析，有利于准确全面理解理论循环及其影响因素的物理实质，发动机的理论循环分析传统上就是这三种循环的对比分析，下图是这三种循环的PV图：,.,二、循环热效率t,t是工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比，用以评定循环经济性。式中t是循环热效率，w是工质所做循环功（J），Q1循环加热量（J），Q2是工质在循环中放出的热量（J）。,.,（一）混合加热循环车用高速柴油机的理想循环,1、循环特征参数（1）压缩比（2）压力升高比（3）初始膨胀比,（一）混合加热循环,.,2、热效率,计算得:（k是等熵指数）,.,3、分析（1）为定值t；t。=1t=const.（汽油机，定容加热循环）（2）t；当=20左右时，t不大柴油机=1222,.,（二）等容加热循环（奥托OTTO循环）汽油机的理想循环,1、热效率因为:初始膨胀比所以:热效率,(二)等容加热循环,2、分析t；当=10左右时，t不大且汽油机容易爆燃，因此，汽油机=610,.,（三）定压加热循环（狄赛尔DIESEL循环）船舶用大型低速柴油机的理想循环,1、热效率因为:压力升高比所以:热效率,(三)等压加热循环,2、分析（1）为定值时，平均膨胀比减小，放热量Q2t（2）为定值时，t,.,.,.,从理论循环可知，在用于指导实践时必须考虑到发动机实际工作条件的约束和限制：1）结构条件的限制：尽管从理论循环的分析可知，提高压缩比和压力升高比对提高循环热效率t有利，但这将导致最高循环压力Pz的急剧升高，从而对承载零件的强度要求更高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动机的使用可靠性，为此只好提高发动机的质量，结果造成发动机体积与制造成本的增加。因此，在实际设计时，对上述参数的选择必须根据具体情况权衡利弊而定；2）机械效率的限制：发动机的机械效率m是与气缸中的最高压力Pz密切相关的，因为Pz值决定了曲柄连杆机构的质量、惯性力以及主要承压面积的大小等。不加限制地提高、，将引起m的下降。从有效指标上看，将导致由压缩比、压力升高比提高而带来的收益得而复失。这一点，对于本来压缩比已经很高的柴油机来说更为明显。,.,3）燃烧方面的限制：若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面点火等不正常燃烧现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也不利于燃烧的高效进行。目前，柴油机的压缩比一般在1222之间，最高循环压力Pz714MPa，压力升高比在1.32.2左右。汽油机的压缩比612，Pz38.5MPa，在2.04.0左右。,.,三、循环平均压力,循环平均压力Pt（kPa）是指单位气缸容积所做的循环功，用它来评定气缸工作容积的做功能力。,式中W是指循环所做的功（J），Vs是气缸工作容积（L）。根据工程热力学公式，混合加热循环的平均压力为：,.,上式中Pde是进气终了的压力（kPa）。,取p01，得等容加热循环的平均压力为：,（1）,（2）,取1，得等压加热循环的平均压力为,（3）,.,可见，Pt是随着进气终点压力Pde、压缩比、初始膨胀比p0、等熵指数k和循环热效率的增加而增加。,.,四、三种理想循环热效率的比较,1、初态1相同，压缩比相同，加热量Q1相同，则放热温度有：则：,.,2、初态1相同，最高压力、加热量Q1相同，放热温度有：,则:,.,三种理想循环热效率的比较图：,.,3、汽油机、柴油机负荷变化（即加热量Q1不同时）：柴油机：是喷雾压燃后边喷油边燃烧，负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部分变化不大，有汽油机：是点火后火焰传播燃烧。无论负荷大小，火焰传播距离都不改变。负荷减小时残余废气系数增加，燃烧速度降低，燃烧时间加长，有,.,第二节四冲程发动机的实际循环,.,.,.,发动机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过程。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程组成的，较之理论循环复杂得多。,.,.,一、进气过程,为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，即是进气过程。此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。首先是上一循环留在气缸中的残余废气膨胀，压力由排气终点的压力下降到小于大气压力，然后新鲜空气被吸入气缸。由于进气阻力，进气终点压力一般小于环境压力，压力差用来克服进气系统阻力。因为气流受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终点的温度总是高于大气温度。,.,进气过程中进气终点的压力和温度的范围表：,表1-1进气过程中进气终点的压力和温度的范围表,.,二、压缩过程,压缩过程中进排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比表示。压缩过程的作用是增大做功过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利的条件。在柴油机中，压缩后气体的高温还是保证燃料着火的必要条件。,.,在理论循环中，假设压缩过程是绝热的。实际上，发动机的压缩过程是一个复杂的多变过程。工程热力学中，凡满足的过程，通称为多变过程。n值为0、1、k和时，分别是等压、等温、等熵和等容过程。,.,压缩开始时，新鲜功质的温度小于缸壁温度，多变指数；随着工质温度上升，某一瞬间与缸壁温度相等，；此后，由于工质温度高于缸壁，向缸壁传热，。在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数n1来代替n1（n1称为平均压缩多变指数），只要以这个指数n1计算而得的多变过程，其始点a和终点c的工质状态与实际压缩过程的初、终状态相符即可。,.,试验测定的范围见下表：,.,压缩终了的压力和温度可用下式计算：,表1-2压缩终了压力和温度,.,三、燃烧过程,燃烧过程中进、排气门均关闭，活塞处在上止点前后。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、温度升高。燃烧放出的热量越多，放热越靠近上止点，热效率越高。柴油机压缩比高，燃烧的最高爆发压力很高，但因柴油机的过量空气系数相对于汽油机大，所以柴油机的最高燃烧温度值反而比汽油机低。,表13燃烧的最高爆发压力最高温度,.,四、膨胀过程进、排气门均关闭，高温、高压的工质推动活塞，由上止点向下止点移动而膨胀作功，气体的压力、温度也随即迅速降低。膨胀初期，由于补燃，工质被加热，；膨胀某一时刻，对工质的加热量等于向缸壁的传热量，；此后，工质向缸壁放热，。如同压缩过程，在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数n2来代替n2。,.,膨胀终点的压力（MPa）和温度（K）的计算公式及范围如下：,.,五、排气过程,当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程结束时，活塞由下止点返回上止点移动，将气缸内的废气排除。排气过程中，由于排气系统有阻力，排气终了的压力Pr大于环境压力Pa，压力差用来克服排气系统的阻力。排气系统阻力愈大，排气终了的压力Pr愈大，残留在气缸中的废气就愈多。,.,排气终了的压力、温度范围：,排气温度是用来检查发动机工作状况的一个参数。排气温度低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进行的越好。,.,六、发动机实际循环与理想循环的比较,发动机理想循环是最简单的空气标准循环，它除了不可避免地向冷源放热外，没有其它损失。理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际循环。研究两者的差异，就可找出热量损失所在；分析差异的原因，可探求提高热量有效利用的途径。,.,.,发动机理想循环与实际循环的比较，差别由以下几项损失引起：,1、实际工质的影响（工质改变的影响）（一）工质成分的变化理论上:理想气体，双原子气体。实际上:燃烧前:燃料+空气；燃烧后:燃烧产物（CO2、H2O等）。多原子气体的比热容大于空气。（二）工质比热容的变化理论上:定比热实际上:温度T比热C,.,（三）工质的高温分解（四）工质分子数的变化以上导致循环的最高温度降低。加之实际循环还存在泄漏，使工质数量减少，这些都将导致作功损失。,.,2、换气损失：理论换气功与实际换气功的之差,理论上:忽略进、排气过程。实际上:进、排气门提前开启，迟后关闭，而且有流动阻力。,.,3、燃烧损失,（一）非瞬时燃烧损失（时间损失）和补燃损失实际循环中燃料燃烧需要一定的时间，所以喷油或点火在上止点前，并且燃烧还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬时损失和补燃损失。(二）不完全燃烧损失实际循环中会有部分燃料、空气混合不良，部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失。（三）高温分解例C+OCO+热量+OCO2+热量其中CO为中间产物，CO2为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反应，即高温分解:CO2CO+O-热量这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。,.,4、传热、流动损失,（一）传热损失理论上:压缩、膨胀过程为绝热过程。实际上:大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的30%以上。因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。（二）缸内流动损失理论上:闭口系统，没有气体流动损失。实际上:进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。,.,由于上述各项损失的存在，使实际循环热效率低于理论循环。,发动机的理论循环热效率和指示热效率值各种损失使热效率下降的热量分配,.,发动机性能指标:指示性能指标，有效性能指标指示性能指标:以工质在气缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。有效性能指标:以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。,第三节发动机指示性能指标,.,以工质对活塞所做之功为计算基准的指标称为指示性能指标。它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工转换的工作循环进行的好坏，因而在工作过程的分析研究中得到广泛的应用。,.,示功图:发动机缸内压力p随汽缸容积V（p-V图）或曲轴转角（p-图）变化的图示。,.,一、指示功和平均指示压力,.,（一）指示功在气缸（单缸）内完成一个循环工质对活塞所做的有用功。应该：非增压：增压：所以:其中横、纵座标比例尺指示功大，说明：1、汽缸工作容积大;2、热功转换有效程度大。为突出后者，比较不同大小发动机的热功转换有效程度，引入平均指示压力的概念。,.,（二）平均指示压力平均指示压力指单位气缸工作容积一个循环所做的指示功,是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。它可以理解为一个假想的平均不变的压力，以这个压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程S所作的功，即为循环的指示功Wi。（假想参数）其中每缸工作容积。686981kpa7841180kpa,.,二、指示功率,发动机单位时间所做的指示功Pi。若:缸数为i，每缸工作容积Vsm3，冲程数，平均指示压力pmipa，转速nr/min。则wkw,.,三、指示热效率和指示燃油消耗率（比油耗）,（一）指示比油耗：单位指示功率的耗油量g/kwh每小时耗油量kg/h（二）指示热效率做指示功所消耗的热量。,.,燃料的低热值。,0.430.50,0.250.40,.,第四节发动机的有效性能指标,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。有效指标被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣，因而在生产实际中获得广泛的应用。一、发动机动力性指标1、有效功和有效功率每循环曲轴输出的单缸功量，则是循环功的有效指标，称为循环有效功。,.,有效功：循环的实际机械损失功：理论上是运转时传动件消耗的摩擦损失功和各种附件（风扇、水泵等）所消耗的运转功，但所有实用的测量值的方法，在测得的数据中都包含泵气损失功，无法将其消除，于是，人们干脆把泵气损失也归入机械损失中。有效功率：,有效功率（KW）,指示功率（KW）,机械损失功率（KW）,.,2、有效转矩发动机工作时，功率输出轴输出的扭矩(N.m)。发动机的（KW）可以利用各种形式的测功器和转速器分别测出发动机在某工况下曲轴的输出转矩及在同一工况下的发动机转速n（r/min)，按下式求得：,.,3、平均有效压力平均有效压力（MPa）是发动机单位气缸工作容积输出的有效功。它是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数，它与有效功率之间的关系是：,.,4、转速n和活塞平均速度Cm提高发动机转速，即增加单位时间的作功次数，从而使发动机体积小，重量轻和功率大。转速n增加，活塞平均速度Cm也增加，n（r/min)与Cm（m/s)之间的关系为：S是活塞行程（m）。,.,Cm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损加剧，寿命下降。为了提高转速又不使Cm过大，可以减小行程S，即对于高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比（S/D）值。但（S/D）值小也会造成燃烧室高度减小，燃烧室表面积与容积的比值增大，混合气形成条件变差，不利于燃烧。,.,二、发动机经济性指标衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率和有效燃油消耗率。1、有效热效率有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值，即当测得发动机有效功率Pe和每小时耗油量B以后，可利用上式计算出有效热效率。2、有效燃油消耗率有效燃油消耗率g/(kw.h)用每小时单位有效功率所消耗的燃料（g）来表示：,.,可见，有效燃油消耗率和有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。三、发动机强化指标1、升功率（KW/L)单位汽缸工作容积所发出的有效功率。即,.,升功率是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的利用率作总的评价，它与发动机平均有效压力和转速的乘积成正比。升功率值越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断提高发动机平均有效压力和转速的水平以获得更强化、更轻巧、更紧凑的发动机，一直是发动机工作者致力以求的奋斗目标。升功率是评价一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。2、比质量me比质量me（kg/kw)是发动机的质量m与所给的标定功率（有效功率)之比，即,.,3、强化系数平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数。它与活塞单位面积的功率成正比。其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。由于发动机的发展趋势是强化程度不断提高，所以强化系数值增加，也是技术进步的一个标志。,.,第五节机械损失与机械效率,发动机的机械损失消耗了一部分指示功率，而使对外输出的有效功率减少。降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环得到的功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高发动机性能的一个重要方面。一、机械效率对于不同类型的发动机，绝对损失大的，其相对损失却不一定也大。必须有一个衡量标准，故引进机械效率的概念。机械效率是有效功率与指示功率的比值。即：,.,其中是平均机械损失压力，即是发动机单位气缸容积一个循环所损失的功，可用来衡量机械损失的大小：结合前面指示热效率、有效热效率的定义，可得出下列关系式：可见：在中已考虑到实际发动机工作时的一切损失了。在致力于提高发动机性能指标时，应尽可能减少机械损失，提高机械效率。若不注意这点，有时在改善气缸内部指示指标的同时，却不直觉地增加了机械损失，以致不能获得预期的改进效果。,.,二、机械损失的测定,机械损失的测定方法有很多种，常用的方法有倒拖法、示功图法、灭缸法、油耗线法等。（一）倒拖法测定过程：1、发动机与电力测功器相连。2、起动发动机，冷却水温度、机油温度达正常值。然后使发动机在给定工况下稳定运转。切断发动机的供油或停止点火（）。3、将电力测功器转换为电动机使用，在给定转速下倒拖发动机，并维持冷却水温度和机油温度不变。由于此时，因此从电力测功器上所测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。,.,倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，在压缩比不很高的汽油机上得到广泛应用（误差约为5%），不适用于高压缩比发动机（误差约为5%-15%）。误差主要出现在三方面：1、摩擦损失有所减少；2、泵气损失有所增加；3、压缩和膨胀过程中出现向缸壁的传热损失，这部分损失在测量该工况的有效功率时已被考虑在内。以上三方面影响综合结果是：倒拖时所消耗的功率要超过给定工况工作时的实际机械损失。,.,（二）示功图法1、首先运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出指示功率Pi值；2、从测功器（测输出转矩）、转速计（测发动机转速）读数中测出发动机的有效功率Pe；3、算出机械损失功率Pm、机械效率等。,.,示功图法实验结果的正确程度往往取决于示功图测录的正确程度，一般用于上止点位置能得到精确校正时才能取得较满意的结果。适用于排气涡轮增压、中增压、高增压柴油机。误差主要出现在两方面：1、上止点位置不易正确测定，而它的少许误差，会引起指示功测算值的较大误差；2、多缸发动机，各气缸存在不均匀性，以一缸的示功图代表其它缸会引起误差。,.,（三）灭缸法1、当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出整个发动机的有效功率。2、在柴油机油门拉杆或齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下，停止向某一气缸供油或点火，用减少制动力矩的办法，使发动机恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余几个汽缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率。因为逐次灭缸，则整台发动机的指示功率为，其中x为总缸数。如果各缸负荷均匀，则仅测一个缸，即灭火一次即可，有3、这样整个发动机的机械损失功率为，机械效率为。,.,由于灭缸法会引起进排气系统一定的变化，所以不适用于废气涡轮增压发动机（灭缸破坏了增压系统的正常工作）、汽油机（引起进气情况改变）及单缸机，适用于多缸柴油机（误差在5%以下）。,.,（四）油耗线法由指示效率的定义可导出：当柴油机空转（无负荷），若不随负荷增减而变化时，应有：保证发动机转速不变（机械损失就基本不变），逐渐改变柴油机喷油泵齿条的位置，测出每小时耗油量B随Pme变化的关系，绘制成如图117的曲线（称为负荷特性曲线）。在曲线中找出接近直线的线段，并顺此线段作延长线，直至与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即为该机的平均机械损失压力Pmm的数值。,.,根据图117中A、B两工况的关系式为：两式相除，得这个方法虽然只是近似的方法，但只要在低负荷附近，燃油消耗量曲线为直线就相当可靠，即使没有电力测功器和示功器也能进行测定。,.,可用于增压系统，但不适用于排气涡轮中增压、高增压的柴油机、用节气门调节功率的汽油机。,.,三、影响机械效率的因素1、转速n（转速上升，机械效率下降）n惯性力活塞对缸壁的侧压力轴承负荷各摩擦副相对速度摩擦损失泵气损失，驱动附件损耗若要提高转速来强化发动机，则将成为主要障碍之一。,线性关系,二次关系,.,2、负荷（转速一定，负荷增加，机械效率增加）发动机的负荷表征:柴油机:油门拉杆或齿条位置、喷油持续角汽油机:节气门开度转速n一定，负荷时，发动机燃烧剧烈程度，平均指示压力；而由于转速不变，平均机械损失压力基本保持不变。则，机械效率下降。当发动机怠速运转时，有效功率，指示功率全部用来克服机械损失功率。即，因此。由于车用柴油机普遍在高转速、较低负荷下工作，机械效率下降严重。因此，机械效率对于车用柴油机尤为重要。,.,3、润滑油品质和冷却水温度润滑油粘度影响润滑效果润滑油温度影响润