发动机工作过程计算授课2课件

1、发动机工作过程计算授课2课件发动机工作过程计算授课2课件 发动机额定转速、计算转速。 2、残余废气系数是衡量气缸中残留的废气量多少的一个量 根据残余废气系数的定义 而残余废气量新鲜充量 每循环实际进入气缸新鲜充量 在进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量式中：假定 （37） 发动机额定转速、计算转速。3、充量系数式中： 每循环实际进入气缸新鲜充量 在进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量进气终点时缸内工质数量 ， 由气体状态方程式： ，同理： ，而 （38） 3、充量系数4、求 的第一种方法：根据能量守恒，新鲜充量能量+残余废气能量=混合后气体能量即： 假定： （39） 4、求 的第一种方法：5、

2、不含 的残余废气系数的求法：所以把（39）代如（38）有： （310）由（310）有：由 （39）有： 两式联立求出： （311） 又把此式代如（37）式得到不含 的残余废气系数 （312）5、不含 的残余废气系数的求法：6、 进气温度 第二种求法：在图32中，假定经过 多变过程后，才有新鲜充量与残余废气相混合进行热交换，则根据热量平衡方程式有： ( 3-13)式中： 残余废气系数 新鲜充量 残余废气量 6、 进气温度 第二种求法： 比热比 左右 分别为残余废气和新鲜充量的比热。假定 是以n（汽油机n=1.33,柴油机n=1.50）为多变指数的多变过程，那么由多变过程的热力关系有： （设 ）把

3、 代入（313）式有： （314） 比热比 34 过后充气量的计算 在上节中导出的所有公式中，都没有考虑过后充气（或倒流）问题。而在现代高速汽车发动机中，过后充气具有十分重要的意义。定义：过后充气（倒流）：指发动机活塞从下止点到进气门完全关闭这段时间新鲜充量的流动过程。在内燃机进排气过程中，我们可以利用进排气管中的气流惯性来达到进入更多的新鲜充量和排出更多的废气量。在进排气门开关这四个配气相位中，以进气门关闭对充气系数影响最大。因此，此处只研究进气门关闭时期对充气量的影响。由图33可知，对不同的发动机转速n，就有相应的进气门迟闭角，才能使充气系数获得最大值。而实际发动机的进气门迟闭角是固定的，

4、因而随着转速的变化就有不同的充气系数，也即有不同的过后充气（或倒流） 34 过后充气量的计算 一、发动机的循环充气量由上面的讨论可知： （-）下面的任务就是要求出过后充气量 。 一、发动机的循环充气量一、过后充量的计算：在进气门迟关过程中，与气缸过后充气有联系的气体动力学现象是很复杂的。但我们可以把过后充气或倒流简化成图3-4所示的形式。将长度为l的等直进气管和气缸上面积为 的进气通道相连接。截面 两端分别作用缸内被压缩气体的压力 ，进气管内气体压力 和气流的惯性压力 。显然，根据这些压力关系可能会出现下面两种情况：（）过后充气：（）倒流：、进气管内气体压力近似地令 一、过后充量的计算：2、气

5、流惯性压力气流惯性力 （Kgf）式中：进气管阻力系数 进气管有效管长（m） 管中气体的密度 j气流的加速度由此得到气流惯性压力： 2、气流惯性压力进气管中气流的加速度j，可以近似地认为与活塞加速度 成正比关系 即： 式中：F活塞顶面积 活塞位移关系式： 活塞的加速度根据发动机运动学知识可求得： 式中：R曲柄半径曲轴旋转角速度连杆长度与曲柄半径之比值进气门迟闭角。进气管中气流的加速度j，可以近似地认为与活塞加速度 成正将 和 代入由于 （） 将 和 代入3、气缸内气体压力由状态方程： 可得：近似地（ ）式中： 过后充气系数，可选用 由精确公式求出或选用。3、气缸内气体压力4、过后充气量由下述公式

6、求： 式中： 进气门处流量系数0.750.85 过后充气或倒流时间 （） 、 、 随着对过后充气（或倒流）的影响如图所示。可见，在两条曲线的交点左方发生过后充气，右边出现倒流。 4、过后充气量5、过后充气系数实际充量6、充气系数7、进气门关闭时的压力 （-21） 5、过后充气系数 压缩过程 一、 的分析式我们先来推导多变指数的n的表达式：多变过程：P =const利用微分关系有：n= （a）由热力学第一定律： （b）由状态方程：PV=RT 得到： （c）利用： 和 之关系 （d）分别把（a）、（c）、（d）式子代入（b）可以求得： （3-22）由（3-22）式子可以看出，n在所研究的区段上是绝

7、热指数k，压力p和热交换速度的 函数。 压缩过程 二、影响 的因数分析在多变压缩过程中，只有工质和缸壁间的温度差传热，还没有燃料燃烧的热量加入，分析相对容易。因为，多变压缩过程中， 0即 k，且向工质加入的热量越多，则 值越大； 若工质放出能量， 0， k，且工质放出的热量越多，则 值越小；结合内燃机的具体工作参数分析如下： 二、影响 的因数分析转速n。n提高后，热交换的时间缩短，向气缸壁传热量和气体泄漏量减少， 选较大值；负荷。负荷增加后，气缸壁的热负荷增加，导致温度升高，因而使工质压缩初期从缸壁接受的热量增多，而后期放热量减少， 选较大值； 气缸尺寸。面容比可见，气缸直径D增加， 减少，传

8、出的热损失减少， 选较大值； 燃烧室型式：紧凑的燃烧室，具有相对小的传热面积，因而传出的损失小， 选较大值；比如：直喷式燃烧室比分隔式燃烧室的柴油机选较高的 值。所以，直喷式燃烧室柴油机的冷启动性较好； 转速n。n提高后，热交换的时间缩短，向气缸壁传热量和气体泄零件材料。导热性好的材料， 选较小值；压缩比。提高，压缩终点的压力增加，增加了工质后期传出的热量，且泄漏也增加， 选较小值；冷却方式。提高冷却强度，传出热损失增加， 选较小值；增压。提高增压压力，意即单位重量工质的冷却面积减少，相对散热损失下降， 选较大值；进气温度 。 提高，工质压缩过程中传热的热量增多， 选较小值。 零件材料。导热性

9、好的材料， 选较小值； 三、平均多变压缩指数 计算公式实际压缩过程与理论循环压缩过程是不同的。实际压缩过程是在所有气门都关闭后才开始的，而且是一个极其复杂的多变过程。由（3-22）分析式可以看出，随着压力P和放热速率的不同， 是个变量。为了便于计算，采用一个不变的平均多变指数 来代替变化的多变压缩指数，只要计算出来的压缩终点的压力和温度和实际相符即可以。 求 可直接选定或用下面的经验公式。 对顶置气门发动机： 或 （3-23） 对侧置气门发动机： (3-24)式中: -最大功率转速 n -计算转速 三、平均多变压缩指数 计算公式四、压缩终点的参数计算有了压缩比 和平均多变指数 后，就 可以求出

10、压缩终点的压力和温度 (3-25) (3-26) 四、压缩终点的参数计算五、压缩过程中任意参数的计算根据多变压缩过程状态参数间的关系，得到： （3-27）式中, 代表压缩过程中任意点的气缸容积。利用发动机运动学知识可求得： = (3-28)式中, 是指从上止点算起的曲轴转角。 五、压缩过程中任意参数的计算 燃烧过程一、燃烧热化学计算 利用内热机原理中讲的公式，给定了燃料的组成成分后方可计算。、理论空气量 kmol/kg燃料 （3-29） 2、新鲜充量 柴油机： (3-30) 汽油机： (3-31) 、燃烧产物总量 (3-32) (Kmol/Kg 燃料) （3-33） 燃烧过程4、理论分子变更系

11、数 （3-34）5、实际分子变更系数 （3-35）6、燃料低热值 轻柴油： =42500 （KJ/Kg） 汽油： =44100 （KJ/Kg）7、化学损失 当 时，不完全燃烧的热损失 称之为化学损失 =61000（1- ） 实际取 =58000（1- ） （KJ/Kg）（3-36） 4、理论分子变更系数二、燃烧终点参数 的计算：（一） 柴油机的 的计算：1、 的计算 利用cz过程的工质能量平衡方程式：下面分别求出各项：（1)加热工质的热量 燃料放出热量为其低热值 ，除去热值损失 ，再考虑热量利用率（用热量利用系数 表示）则： 式中： 热量利用系数（可选定） 二、燃烧终点参数 的计算：（2）C点

12、的内能 应为新鲜充量和上循环残余废气量两部分气体在C点的内能 =式中： 新鲜充量与残余废气量的平均等容摩尔比热。经验公式： （KJ/Kmol.K） （3-37） （2）C点的内能(3) z点的内能应为本循环燃烧产物和上循环残余废气在z点的内能之和 式中： 燃烧产物与残余废气的平均等容摩尔比热 经验公式： 当 时， （3-38） 当 时， （339） (3) z点的内能（4）等压过程 做功 = = 式中：压力升高比 ，可选用。 将上述四个式子代入能量平衡方程式，并用 除等式两边，结合 整理得： （340）由（340）式便可以求出最高温度 。 （4）等压过程 做功2、 的计算 （341）3、 初期

13、膨胀比 的计算： 由以上两式可得： （342） 2、 的计算（二）、汽油机的 的计算1、 的计算类似柴油机的推导过程，汽油机由于是等容加热，故无作功 ，同理，由能量平衡方程式可得出： （343）由（343）可求出 。2、压力升高比 （344） 3、最高燃烧压力 （345） （二）、汽油机的 的计算37 膨胀过程 一、 分析 由（322）式： 分析：在多变膨胀过程中，尽管理论上假定在最高压力点 以前燃料燃烧热量加热工质完毕，但实际发动机中，由于后燃的存在，因此，尽管是在膨胀作功，仍有热量在不断加入工质。所以，多变膨胀过程的分析要比压缩过程复杂一点，它主要考虑后燃热量加入工质和工质传给缸壁热量的差

14、值来确定的 大小。（1）.若是燃料燃烧放热大于工质的热传导，即 则 ，且放热与热传导差值愈大， 愈小。 （2）.若是燃料燃烧放热小于工质的热传导，即 ， 则 ，且工质传出热量愈多 愈大。 37 膨胀过程 结合内燃机的实际膨胀过程进行分析：转速n。n增加，过后燃烧增加，而膨胀时间缩短，减小了工质传热和漏气时间。二者综合结果 选较小值；负荷。当转速n不变而增大负荷时，由于后燃增加，缸壁温度相对提高使传出的热量相对减小，二者比较的结果， 选较小值；气缸尺寸。 ，使相对传热面积和漏气减小， 选较小值；燃料燃烧速度（热利用系数 ）。 显著燃烧阶段放热多，使过后燃烧减小， 选较大值；冷却强度。冷却强度提高

15、，传出的热量增加，选较大值 ；等等 结合内燃机的实际膨胀过程进行分析：二、 计算实际循环膨胀多变指数 沿膨胀线是变化无常的。因此，同压缩过程多变指数 选择一样，为了简化计算，采用一个不变的平均多变膨胀指数 进行计算，只要计算出来的膨胀终点参数（b点）与实际相符即可。 经验公式： 顶置气门发动机： （346） 侧置气门发动机： （347） 式中： 最大功率时的转速 n计算转速 二、 计算三、膨胀终点参数计算 1、后期膨胀比 （348）2、膨胀终点压力 （bar） （349） 3、膨胀终点温度 (K) (350) 四、膨胀过程任意点参数 （351）式中： 膨胀过程中任意点的气缸容积 的求法与 （3

16、28）一样。 三、膨胀终点参数计算 利用发动机运动学知识可求得： = (3-28)式中, 是指从上止点算起的曲轴转角。 38示功图的绘制 内燃机的示功图可以利用工作过程计算各点的参数值（P,V）和压缩线及膨胀线各计算点值来绘制。 一、比例的选取 建议选取如下比例作图，从而保证作出来的示功图受看。1、示功图高度和底边长度之比例 即 2、AB长度代表了气缸工作容积，可以与活塞行程按比例尺取值。比例尺 等 38示功图的绘制 3、 4、混合加热循环 5、纵坐标压力比例尺 =0.2,0.25,0.4,0.5,0.7,1.0bar/mm）, 0.02,0.025,0.04, 0.05,0.07,0.1(M

17、pa/mm)等。即坐标纸上每一格代表 比例尺数值。 3、 二、棱角示功图在示功图上用所选的比例尺，根据热计算的数据，取各特征点a,c, ,z,b,a等点及压缩线和膨胀线的(P,V)值，就得到了棱角的循环PV图 （混合加热循环） 和 （等容加热循环）三、示功图的圆整（四冲程） （一）、燃烧过程曲线的圆整 1、汽油机燃烧过程曲线的圆整 （1）、点1：在点火点稍后即可。 （2）、点2： (3)、点3：由于实际最大压力值比 计算值低。取 ，位于上止点 处即可。确定1、2、3点后,用过渡圆滑曲线连接即可。 二、棱角示功图2、柴油机燃烧过程曲线的圆整 (1)、点1：在喷油稍后开始。 (2)、点2： (3)

18、、点3：取在 中间点 (4)、点4：圆整后与膨胀线圆滑连接的交点。 连接原则：直喷式和涡流式柴油机，点4靠近上止点。预燃室式柴油机，点4距上止点可稍远。 （二）、进排气过程曲线的圆整 点1：根据排气门提前打开角，点1可在 稍后之处。点2： 点3：取在 处。把点1、点2、点3用过渡圆滑线连接便可。 2、柴油机燃烧过程曲线的圆整 排气曲线的其余部分（3r）和进气线(ra)，由于压力数值太小，可分别用 直线表示。在 r处两直线用任意圆滑线连接即可。（三）、示功图丰满系数 圆整后的示功图所包围的面积要比圆整前小，二者之间的差用示功图丰满系数 来衡量。即：圆整后示功图面积= 理论示功图面积。四冲程柴油机

19、： =0.83 0.93 四冲程汽油机： =0.92 0.97 示功图丰满系数 实际上是把实际循环中的时间损失和部分换气损失及后燃损失考虑在热计算中。 排气曲线的其余部分（3r）和进气线(ra)，由于压力数值太39 发动机性能指标 前几章讨论到各个过程及其影响因素。各个过程进行得是否完善，其综合表现为实际循环的动力性和经济性。表示实际循环动力性和经济性的指标，叫发动机的指示指标。比如：平均指示压力，指示功率，指示效率，指示燃油消耗率，前二者是表征动力性的指标，后二者是表征经济性的指标。39 发动机性能指标一、指示指标 图312是由计算得出的示功图。进排气线所包围的面积为泵气功，为方便起见，内燃

20、机原理中归为机械损失功。因此，每个气缸指示功的多少取决于压缩线和膨胀线所包围的面积。即是未圆整化的示功图或计算示功图。 1、计算平均指示压力 ： 由计算示功图312，可求得指示功 ： 其中每一项分别为：（由第二章知识可得）： 发动机工作过程计算授课2课件以气缸工作容积 除之，即得到计算的平均指示压力 以 代入 （352） 2、平均指示压力 （bar） （353） 发动机工作过程计算授课2课件 3、指示热效率 （354） 4、指示燃油消耗率 （g/KW.h）二、有效指标： 1：平均机械损失压力：经验公式： （355）式中： 润滑油的运动粘性系数，在发动机工作温度范围 =16左右 3、指示热效率

21、2： 机械效率 （356） 3：平均有效压力在得到机械效率之后，可求 （bar） （357）4、有效热效率： （3-58） 5：有效燃油消耗率 （359） 6：有效功率 （KW） (360) 式中：体积l，压力Bar，功率Kw2： 机械效率 式中：体积l，压力Mp，功率Kw式中：体积l，压力 ，功率：马力式中：体积l，压力 ，功率Kw 三、气缸尺寸的确定或校核 （1） （361）（2） （362） （3）选缸径行程比 （363） （4） （364） 三、气缸尺寸的确定或校核 第四章 发动机工作过程计算举例 41 概述 一：计算分类分成：实际循环示功图的热计算：是以额定工况热计算为例。 发动机特

22、性曲线计算：是以外特性计算为例。二者的计算公式，计算步骤差不多，只是参数的选择范围有区别。1、 实际循环热计算，由于是经典的热计算，是由理论公式加上选择经验数据结合进行。额定工况是人们一直特别关心并做了大量的实验数据供计算时选择用。因此，以额定工况为例进行热计算。2、 特性曲线计算，发动机特性曲线包括：速度特性、负荷特性、调速特性、调整特性等等。而速度特性代表了不同负荷和速度下性能指标的变化趋势，尤其外特性更具有代表性，所以，我们以发动机外特性计算为例。 第四章 发动机工作过程计算举例 二：工作参数分类： 1、原始参数： 在实际计算中，有许多参数不能直接用计算的方法加以确定。这些参数必须根据发

23、动机的工作条件，速度和负荷情况以及不同结构型式的试验和统计数据加以选择确定或经验公式计算确定。这类参数包括： （1）排气终了的温度和压力：（2）进气过程的阻力和预热：（3）压缩过程的压缩比和多变指数：（4）燃烧过程的过量空气系数、热量利用系数、压力升高比（或预膨胀比）(5)膨胀过程多变指数： 二：工作参数分类： 2、各过程的终点参数： 在原始参数分析选择或计算选定后，各过程的终点参数可以根据理论公式计算而获得。通过热计算获得的各个过程终点参数有：进气过程终点的压力和温度：压缩过程终点的压力和温度： 燃烧过程终点的压力和温度： 燃烧过程的压力升高比和预膨胀比： 膨胀过程终点的压力和温度： 排气过

24、程终点的压力和温度：3、发动机性能参数： 指示参数： 等 有效参数： 2、各过程的终点参数：4-2 额定工况的热计算及其参数的大致范围 一、大致范围：供选择和计算出来校核参考 1、压缩比压缩比一般是给定。在没给定的前提下，可参考如下选取。汽油机：汽车发动机： =6.58.5 摩托车发动机： = 6.08.0柴油机：统一燃烧室柴油机： =1622 涡流室柴油机： =1618 预燃室柴油机： =1216 4-2 额定工况的热计算及其参数的大致范围 2、过量空气系数 汽油机： =0.81.1 0.851.1 低速柴油机： =1.62.0 1.82.0 高速柴油机： =1.21.8 1.21.5 增压

25、柴油机： =1.82.2 1.72.2考虑燃烧室类型关系： 统一燃烧室： =1.41.8 涡流式燃烧室： =1.31.6 预燃式燃烧室: =1.21.4 2、过量空气系数3、进气终点压力 非增压：汽油机： = 柴油机： = 增压： 汽油机： = 柴油机： = 4、残余废气系数 ，残余废气温度 四冲程非增压柴油机： =0.030.06 =700900 四冲程增压柴油机： =00.03 =8001000 四冲程汽油机： =0.060.16 =9001100 3、进气终点压力5、新鲜充量温升 和进气终点温度 四冲程非增压柴油机： =1040 四冲程增压柴油机： =510 四冲程汽油机： =040 6

26、、 热量利用系数大型固定式柴油机： =0.800.88机车及船用柴油机： =0.780.85汽车拖拉机用柴油机： =0.650.85高速增压柴油机： =0.600.80汽油机： =0.850.95 5、新鲜充量温升 和进气终点温度7、 充量系数 四冲程非增压柴油机： =0.750.90 四冲程增压柴油机: 接近1.0 四冲程汽油机：顶置气门： =0.750.85 侧置气门: =0.700.75 8、 平均压缩多变指数高速柴油机（活塞不冷却）： =1.381.42低速及中速柴油机（活塞冷却）： =1.321.37增压柴油机： =1.351.37汽油机： =1.321.38 7、 充量系数9、 压力升高比统一燃烧室柴油机： =1.62.0 1.72