《发动机循坏》-《发动机循坏》-模块1- 发动机循坏与性能指标

本章要求:1.掌握发动机性能指标体系。2.掌握发动机指标体系的意义和数学表达式。3.了解四冲程发动机实际循环与理想循环的差异。4.掌握影响机械损失的因素。第一章发动机循环与性能指标基本概念1.工质实现热能与机械能相互转换的工作物质。2.热力系统作为研究对象的某一宏观尺寸范围内的工质。3.热力状态工质在某一时刻所处的宏观状况。4.热力过程工质从某一初始状态变化到另一状态所经历的整个过程。基本状态参数发动机原理中常用的基本状态参数：温度(Ｔ)、压力(ｐ)和比体积(ｖ)。1.温度描述物体内部大量分子不规则运动剧烈程度。1）热力学中所用的温度是开氏温度，用符号Ｔ表示，单位为开尔文，单位符号为Ｋ；2）工程上所用的摄氏温度用符号ｔ表示，单位为摄氏度，单位符号为“℃”；3）两者近似换算关系为：t＝T-273注意：只有开氏温度才是状态参数，开氏温度不可能有负值！2.压力单位面积上所受的垂直作用力称为压力，即压强。1）热力学中的压力是指气体分子对单位容器壁面产生的实际作用力，称为绝对压力，用符号p表示，单位：帕斯卡（Pa）2）只有绝对压力p才是气体的状态参数，

以p0表示大气压力，则：当p>p0时，p=pg+p0，pg为用压力表测得的表压力；当p<p0时，p=p0

-pv

，pv为真空表测得的真空度。3）气体的绝对压力与表压力和真空度的关系如图１-１所示：3.比体积单位质量的气体所占的容积，用符号v表示，单位为m３/kg，则ｖ＝Ｖ/ｍ式中:Ｖ—气体的总容积,m3;ｍ—气体的质量,kg。理想气体状态方程1）理想气体：假设分子本身不占体积，分子之间也没有吸引力的气体。2）理想气体的温度、压力和比体积三者之间的关系式，称为理想气体状态方程。对mkg的理想气体，其状态方程：pV=mRT式中:V—mkg理想气体的总容积，V=mv;R—气体常数，其数值取决于气体的性质，kJ/(k·K)。3）压力—比体积坐标图理想气体状态方程给出任意状态下三个基本状态参数之间的相互关系，只要任意两个状态参数一定，则第三个状态参数也一定。

因此，在分析发动机的工作过程时，通常用两个状态参数组成的坐标图来表示气体状态的变化过程，如图１-２所示为压力—比体积坐标图，简称压容图或ｐ—ｖ图。第一节

发动机理想循环１.实际循环的简化实际循环通常按以下条件简化成理想循环:(１)假设汽缸内工质的数量不变，不考虑进、排气过程,并忽略漏气的影响；(２)假设压缩过程和膨胀过程均是绝热过程，不考虑传热损失和补燃损失；(３)假设燃烧过程为对工质进行的定容加热过程或定压加热过程，排出的废气带走热量用定容放热过程代替；(４)假设工质为理想气体ꎬ工质吸热或放热时的比热为固定值；(５)不考虑实际循环中存在的摩擦等能量损失。２.柴油机的理想循环——混合加热循环1）按燃烧过程的特点将其分成两部分：开始阶段燃烧速度较快简化为定容加热过程；后期燃烧较慢简化为定压加热过程。2）由５个基本热力过程组成:１—２为绝热压缩过程；２—３为定容加热过程，吸热量为Ｑ1v３—４为定压加热过程，吸热量为Ｑ1p４—５为绝热膨胀过程５—１为定容放热过程，放热量为Ｑ2，循环净功为Ｗ。

3）根据热力学中热量和循环热效率的计算公式，可求出混合加热循环的热效率为

其中cp为定压加热过程的比热,cv为定容加热过程的比热。4）混合加热循环的平均压力为式中:ｐ1—压缩初始点(图１-７中1点)的压力，即进气终了的压力。３.汽油机的理想循环——定容加热循环1）可看作预胀比ρ=1时的混合加热循环特例：如图1-8所示，

定容加热循环由4个基本热力过程组成:１-２为绝热压缩过程；２-３为定容加热过程，

吸热量为Ｑ1３-４为绝热膨胀过程４-１为定容放热过程，

放热量为Ｑ2，循环净功为Ｗ。2）定容加热循环的热效率为3）定容加热循环的平均压力为４.理想循环的影响因素影响循环热效率和平均压力的因素有:压缩比ε2)压力升高比λ和预胀比ρ3)绝热指数k4)进气终了的压力p11.1.2发动机的实际循环通常用汽缸内工质的压力p

随汽缸容积Ｖ(曲轴转角θ)而变化的图形来表示发动机的实际循环。四冲程发动机的实际循环由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气５个热力过程组成。１.进气过程(见图１-５ａ中ｒ-ａ线)

1）发动机将新鲜空气或混合气吸入汽缸的过程，其作用是为热功转换做必要的准备。

2）进气终了的温度和压力一般为：２.压缩过程(图１-５ａ中的ａ-ｃ线)

1）活塞在汽缸内压缩工质的过程，作用是提高汽缸内气体的温度和压力，为着火燃烧创造有利条件。同时，通过压缩过程使活塞回到上止点位置，以便为气体推动活塞做功做好准备。2）气体被压缩的程度用压缩比ε表示，压缩比等于压缩初始气体的容积与压缩终了气体的容积之比，即3）压缩比过低会使发动机动力性、经济性和排放性下降，提高压缩比又受到机件强度和不正常燃烧的限制，一般发动机的压缩比为:4）经常测量压缩终了的压力(ｃ点的压力pc)，用于评定发动机的性能或诊断故障。压缩终了的压力过低、会导致发动机动力性、经济性下降，使用中出现动力不足、起动困难、燃料消耗增加等故障现象。压缩终了的压力过低，说明发动机汽缸密封不良，其主要原因一般是气门密封不良、活塞和汽缸磨损严重等。３.燃烧过程(图１-５ａ中的ｃ-ｚ线)1）汽缸内的混合气通过外源点火或自燃着火燃烧的过程，其作用是通过燃料燃烧对汽缸内的气体加热，以提高缸内气体的温度和压力，为膨胀做功积聚能量。2）在实际燃烧过程中，不仅有散热损失，燃烧不完全损失，而且由于燃烧不是瞬时完成的，需要一定时间，因此还存在非瞬时燃烧损失。3）燃烧最高温度和压力一般为４.膨胀过程(图１-５ａ中的ｚ-ｂ线)1）燃烧后的高温、高压气体膨胀推动活塞移动做功的过程。2）膨胀终了的温度和压力一般为５.排气过程(图１-５ａ中的ｂ′—ｂ—ｒ线)1）指将已燃烧且完成做功的废气排出汽缸的过程，其作用是为下一循环吸入新鲜空气或混合气作准备。2）排气终了(ｒ点)的温度和压力一般为实际循环与理想循环的差别实际循环与理想循环相比,主要存在各种损失:1)实际气体存在的损失wk

；2)泵气损失wk

；3)提前排气损失w；4)非瞬时燃烧损失wz5)传热损失wb

；6)实际循环中还存在机械运动的摩擦和不完全燃烧等损失1.2指示性能指标１.平均指示压力

1)发动机单位汽缸工作容积在每一循环内所做的指示，用符号pi表示,单位为kPa,即2)循环指示功Ｗｉ是指每循环内,工质对活塞所做的有用功,其大小可用ｐ-ｖ图上过程曲线所包围的面积(Ai—A1)来表示,如图１-12所示,其中A1为泵气损失。２.指示功率指示功率是指发动机在单位时间内所做的指示功，用符号Pi来表示，单位是瓦特，单位符号为Ｗ，由于Ｗ的单位很小，所以常用kW为单位。对汽车上常用的四冲程发动机,指示功率为３.指示燃油消耗率指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油量，又称指示油耗,用符号ｇi来表示，常用单位为克/(千瓦小时),单位符号为ｇ/(ｋＷ·ｈ)。式中：４.指示热效率指示热效率是指发动机实际循环指示功与所消耗热量之比，即1.3有效性能指标１.有效功率从发动机输出轴上输出的净功率，用符号Pe表示,单位为Ｗ或kＷ。

机械损失功率是指动力在发动机内部传递过程中损失的功率，主要包括

：摩擦损失、驱动附件的损失和泵气损失。２.有效转矩有效转矩是指发动机输出轴上输出的转矩，用符号Me表示,单位是N·m。按下列公式计算出发动机的有效功率Ｐe３.平均有效压力平均有效压力是指发动机单位汽缸工作容积输出的有效功用符号Ｐe来表示，即发动机的平均有效压力一般为４.升功率、比质量和强化系数评定发动机结构和强化程度的指标。1）升功率在标定工况下，每升汽缸工作容积所发出的有效功率，用符号PL表示，单位为ｋＷ/Ｌ，将平均有效压力与有效功率的关系式代入上式得:２)比质量发动机的净质量与有效功率的比值，用符号me表示,单位是kg/kW,即发动机的比质量一般为３)强化系数平均有效压力pe与活塞平均速度Cm

的乘积，也就是活塞顶部单位面积上的有效功率。５.有效燃油消耗率有效燃油消耗率单位有效功的耗油量，又称有效比油耗，用符号ge来表示，常用单位为克/千瓦小时，单位符号为g/(kW·h)设发动机的有效功率为Pe(kW)，每小时耗油量为GT(kg/h)，则有效燃油消耗率为其数值一般为６.有效热效率有效热效率是指发动机实际循环有效功与所消耗热量之比,即若已知发动机的指示功率为Pi(kW)，每小时耗油量为GT(kg/h)，所用燃料的低热值为Hu(kJ/kg)，则其数值一般为发动机其他性能的评定１.排放性能(１)有害气体氮氧化物(NOX)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)(２)排气颗粒指发动机排出的除水以外任何液态和固态微粒２.噪声３.冷起动性能我国标准规定ꎬ不采用特殊的低温起动措施，汽油机在-10℃、柴油机在-5℃以下的气温条件下，接通起动机，15s内发动机应能顺利起动。1.4机械损失与机械效率一、机械效率机械效率是指有效功(或功率)与指示功(或功率)的比值，用符号ηｍ表示，即发动机的机械效率一般为根据机械效率、有效热效率和指示热效率的定义式，可得三者之间的关系：二、机械损失的组成及测定１.机械损失的组成(１)摩擦损失(２)驱动附件的损失(３)泵气损失各部分机械损失所占比例范围，见表１-２。２.机械损失的测定常用的试验方法有倒拖法、单缸断火法和负荷特性法。三、影响机械效率的因素１.点火提前角或供油提前角1）提前角过大：使提前燃烧的损失大大增加，循环指示功减少，同时也会增大缸内最高压力，使活塞侧压力和轴承负荷增大，摩擦损失增加，这均导致机械效率降低。2）提前角过小：使后燃损失(上止点后的燃烧损失)增加，循环指示功也会减少，尽管机械损失也有所减少，但机械损失减少的比例小，所以机械效率仍会下降。２.发动机转速机械效率ηｍ与发动机转速n之间的关系，如图１-13所示随发动机转速提高，机械损失功率增加，机械效率下降。活塞平均速度Ｃｍ与发动机转速n之间存在如下关系:因此：要提高发动机转速，又不使活塞运行速度过高，应尽量减小活塞行程。目前，轿车发动机的转速均比较高，其活塞行程与缸径的比值也比较小，各种汽车发动机的转速n、活塞平均速度Ｃｍ和行程缸径比S/D范围见表1-3３.发动机负荷发动机的负荷通常指发动机的外部阻力矩，也常用与阻力矩成正比的平均有效压力、有效功率或节气门开度来表示。机械损失功率Pm、指示功率Pi和机械效率

ηｍ与发动机负荷的关系，如图１-14所示：