（精选）发动机原理 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指标,本章主要内容内燃机的理论循环和实际循环评定内燃机的性能评价指标内燃机的热平衡,1,第一节概述,内燃机热功转换及能量传递过程示意图从燃料和空气进入气缸混合燃烧到对外输出做工需经过三个环节：1、混合气的形成并导入气缸的过程；2、燃烧放热过程；3、能量的传递过程。总热量机械功指示功（循环功）有效功,2,第二节内燃机的理论循环,定义：内燃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，忽略一些因素，所得出的简化循环。意义：通过对理论循环的研究，可以清楚地确定影响内燃机性能的某些重要因素，从而找到提高内燃机性能的基本途径。,3,一、卡诺循环与内燃机的动力循环,卡诺循环：P-V图；T-S图卡诺循环组成：1、绝热压缩过程（a-c）2、等温加热过程（c-z）3、绝热膨胀做功过程（z-b）4、等温放热过程（b-a）热效率（卡诺效率）见式2-1a,4,二、三种理论循环等容加热循环等压加热循环混合加热循环见13页图2-3,5,根据加热方式不同，发动机有三种基本理论循环：等容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速）定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃烧最高压力的限制）混合加热循环（高速柴油机）,6,三、理论循环的评价循环热效率t定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比意义：评定循环经济性循环平均压力pt定义：单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力意义：评定循环动力性（做功能力）,7,循环热效率t按工程热力学公式，混合加热循环热效率为一压缩比，=VaVc=(Vs+Vc)Vc=1+Vs/Vc，其中，Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积；（汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15）一压力升高比，=pz/pc；一预膨胀比，=Vz/Vz=/；后膨胀比，=Vb/Vz；K一绝热指数,8,定容加热循环（=1）热效率为定压加热循环（=1）热效率为,9,影响t的因素l.压缩比提高，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，三种循环的t都提高。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。,10,2.绝热指数K：随K值增大，t将提高。3.压力升高比：定压加热循环=1，定容加热循环不影响t，混合加热循环随增大t将提高。4.预膨胀比：定容加热循环=1，定压加热循环和混合加热循环随增大t将下降。,11,四、理论循环的比较,1、循环总加热量和压缩比相同时定容加热循环热效率混合加热循环热效率定压加热循环热效率2、缸内最高压力受限制时定压加热循环热效率混合加热循环热效率定容加热循环热效率,12,循环平均压力ptpt（kPa）是单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力按工程热力学公式，混合加热循环的平均压力（推导过程见教材14页）,13,定容加热循环（=1）的平均压力为定压加热循环（=1）的平均压力为可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比、压力升高比、预膨胀比、绝热指数K和热效率t的增加而增加。,14,第三节内燃机实际循环及其评价指标,一、实际循环实际循环通常用气缸内的工质压力p随气缸工作容积V（或曲轴转角）而变化的图形表示，即示功图pV图，p图称为展开示功图。pV图上曲线所包围的面积（积分）表示工质完成一个实际循环所做的有用功。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程（四个行程）所组成。,15,1、进气行程进气流损失；进气道、汽缸壁、进气门等加热作用2、压缩行程作用略3、做功行程包括燃烧过程和膨胀过程4、排气行程排气流动损失,16,17,二、实际循环的评价指标,指示指标用来评定实际循环质量的好坏，以工质在气缸内对活塞做功为基础。1、实际循环的动力性（做功能力）指标平均指示压力pmi指示功率Pi2、实际循环的经济性指标指示热效率i指示燃料消耗率bi,18,平均指示压力pmi平均指示压力pmi（MPa）是发动机单位气缸工作容积的指示功pmi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标,19,以一个假想的、大小不变的压力作用在活塞上，使活塞移动一个行程，其所做的功等于循环功，则此假想的压力即为平均指示压力pmi,20,指示功率Pi发动机单位时间所做的指示功。,21,指示热效率i和指示燃料消耗率bi指示热效率i是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值。指示燃料消耗率bi（简称指示比油耗）是指单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的耗油量表示。g（kWh）,22,i、bi的大致范围,23,第四节内燃机有效性能指标,内燃机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了内燃机整机的性能，通常称它们为有效指标。,24,两类指标的比较,指示指标（i）以工质在气缸内对活塞做功为基础，评定实际循环质量的好坏。有效指标（e）以曲轴对外输出的功率为基础，代表整机的性能。,25,一、发动机动力性能1.有效功率PePe=Pi-Pm机械损失功率Pm1)发动机内部运动零件的摩擦损失。比例最大2)驱动附属机构的损失3)泵气损失，指进排气过程所消耗的功发动机有效功率Pe由试验测得有效转矩Ttq发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Ttq,26,2.平均有效压力pme平均有效压力pme（MPa）是发动机单位气缸工作容积输出的有效功pme值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强。它是评定发动机动力性的重要指标,27,3.升功率PL升功率PL（kWL）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。它用来衡量发动机容积利用的程度。,28,转速n和活塞平均速度Cm提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大Cm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损增大，寿命下降，Cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s，柴油机不超过13m/s为了提高转速又不使Cm过大，由上式知，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。当S/D1时，常称为短行程,29,二、发动机经济性能1.有效热效率ee是发动机的有效功We（J）与所消耗燃料热量Q1之比值2.有效燃料消耗率bebeg/（kWh）是单位有效功的耗油量（简称耗油率），通常以每千瓦小时的耗油量表示,30,t、i、e、bi、be的大致范围,31,升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围,32,三、排放指标（欧洲排放体系）表示欧盟委员会建议；表示欧盟议会建议。,33,第一部分（ECE），试验时需运行4个循环，总时间为13min。每循环持续时间为195s，总里程为4.052km，每循环里程为1.013km，平均车速为18.7kmh（不包括怠速时为27.01kmh）最高车速为50kmh，怠速时间占31。第二部分为附加的市区行驶工况（EUDC），总时间为1220s，试验里程为11.007km，平均速度为32.5kmh（不包括怠速时为42.6kmh），最高车速为120kh，怠速时间占26.2。取样开始时刻为试验开始40s后。欧3（2000年）改为启动后即取样。,34,噪声（属于环境指标）按产生机理分：流体噪声、机械噪声、电磁噪声、燃烧噪声危害：刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝交通运输噪声是现代城市的主要噪声源，约占城市噪声的75%，而其中发动机又是汽车的主要噪声源。包含流体噪声、机械噪声和燃烧噪声。,35,第五节机械损失,机械损失所消耗的功率占指示功率的10%-30%。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，是提高发动机性能重要的一个方面。,36,机械损失分配情况,37,一、机械效率m机械效率m是有效功率和指示功率的比机械效率m的大致范围是：汽油机0.7-0.9柴油机0.7-0.85,38,1.摩擦损失（1）活塞组件产生摩擦的部件：活塞环、活塞裙部和活塞销主要影响因素：活塞环的结构与组合、活塞裙部的几何形状，缸套的温度及配合间隙等采取的措施：减少活塞环数目，减薄活塞环厚度，减少活塞裙部的接触面积，在裙部涂固体润滑膜等（2）曲轴组件产生摩擦的部件：轴颈与轴承、密封装置主要影响因素：润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比采取的措施：减少运动件的惯性质量，降低轴承负荷并使轴承宽度和轴径减小,二、内燃机的机械损失,39,（3）配气机构产生摩擦的部件：气门与气门导管、摇臂与凸轮主要影响因素：低转速下，负荷主要由弹簧力引起；高转速时，负荷主要由惯性力引起采取的措施：减少运动件的惯性质量,40,2.驱动附件损失曲柄连杆、配气机构；冷却系、润滑系、燃油供给系等。3、泵气损失内燃机换气过程中产生的能量损失,41,二、机械损失的测定1.倒拖法特点：必须使用平衡式电力测功器，而且由于缸内压力、温度与实际不符，测量结果往往偏大我国汽车发动机试验标准中规定，应优先采用此法测量机械损失功率特点：适用汽油机，不适合柴油机2.示功图法（适用于研究和开发中）3.灭缸法特点：仅适用于多缸发动机，不能用于废气涡轮增压发动机及单缸机。对于柴油机，测量较准；但对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果。Pm=(i-1)Pe-(Pe(1)+Pe(2)+),42,4.油耗线法（又称负荷特性法）特点：适用于柴油机，但不适用于汽油机负荷特性：发动机转速不变，其经济性指标随负荷而变化的关系负荷：节气门开度，汽油机中对应混合气的数量，柴油机中对应供油量方法：在负荷特性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,43,第六节热平衡,一、实际循环热平衡1、实际循环与理论循环（空气标准循环）的差异,44,45,2、汽油机与柴油机热量分配的差异,46,说明：1）汽油机t低于柴油机t的主要原因是压缩比小所造成，所以提高压缩比一直是提高汽油机热效率的主要方向，但受到不正常燃烧的限制；2）实际工质比热容变化引起的损失，占有较大比例。汽油机因相对的空气量少，混合气较浓，缸内燃烧温度较高，故此项损失较柴油机大。所以应用稀