汽车发动机原理（第5版）课件：内燃机性能指标及实际循环计算方法

汽车发动机原理

（第5版）内燃机性能指标及实际循环计算方法第一节内燃机理论循环概述第二节内燃机实际循环与热损失第三节热平衡第四节指示指标第五节有效指标第六节机械损失第七节燃烧热化学第八节燃烧基本理论第九节实际循环的近似计算———经典热计算第十节实际循环数值计算方法内燃机的理论循环是将实际工作过程加以抽象简化后建立的循环模式。工程热力学中曾经讨论过三种内燃机的理论循环，即定容加热循环、定压加热循环和混合加热循环。第一节内燃机理论循环概述图1-1内燃机理论循环(Ｑ１为循环加热量，Ｑ′１为定容加热量，Ｑ″１为定压加热量，Ｑ２为循环放热量)ａ)定容加热循环，ｂ)定压加热循环，ｃ)混合加热循环第二节内燃机实际循环与热损失图１-２非增压四冲程柴油机理论循环和实际循环ｐ-Ｖ图的比较(示意图)内燃机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过程，内燃机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气所组成，较之理论循环复杂得多，它不可能达到理论循环那样高的热效率当主动叉轴以等角速旋转时，从动叉轴是不等角速的。第二节内燃机实际循环与热损失工质的影响理论循环是以空气为工质，并假设比热❶为定值，实际循环中的工质是空气、燃料和燃烧产物，其比热随温度上升而增大，考虑实际工质的具体情况后，将对循环产生如下影响:(１)在实际循环中工质的成分会发生变化。(２)工质的比热随温度的上升而增大,而且燃气的比热比值比空气的小,其结果均导致循环热效率降低,循环所做的功减少。(３)工质的高温分解。(４)工质分子数的变化。第二节内燃机实际循环与热损失换气损失理论循环认为进、排气的推动功很接近可互相抵消,而把开式循环理想化为闭式循环,而在实际循环的换气过程中,排气门要提前开启,废气在下止点前便开始逸出(沿ｂ１ｄ１线),使ｐ-Ｖ图上的有用功面积减小(图１-２中ｂ１ｂｄ１小块麻点区所示),在接着进行的排气和吸气过程中,由于流动阻力会产生进、排气推动功的差别(图１-２中ｄ１ｒａ麻点区所示),排气门提前开启造成的损失与进、排气推动功之差,这两部分损失之和就是实际循环的换气损失。第二节内燃机实际循环与热损失汽缸壁的传热损失理论循环假定汽缸壁和工质之间无热交换，但在实际循环中，汽缸壁和工质之间自始至终存在着热量交换。根据实际统计数据可知,通过汽缸壁各部分向外散发的热量损失所引起的发动机功率和热效率下降约占理论混合循环发出的功率和热效率的１０％。第二节内燃机实际循环与热损失汽缸壁的传热损失１.汽缸壁传热量的计算具备所有的三种基本方式:导热、对流和辐射，其中以对流为主要的传热方式。第二节内燃机实际循环与热损失汽缸壁的传热损失２.影响传热损失的各种因素１)汽缸几何尺寸的影响２)发动机行程缸径比Ｓ/Ｄ的影响３)燃烧室形式的影响４)冷却介质温度的影响５)增压程度的影响６)工况变化的影响第二节内燃机实际循环与热损失时间损失理论循环中，活塞是以无限缓慢的速度运动，以保持汽缸内的工质始终处于平衡状态，并且认为由热源向工质进行等容加热的速度极快，可以在瞬间完成，在等压加热时，加热的速度能与活塞运动的速度相匹配，以实现等压加热过程。时间损失的出现，是由于燃料燃烧的放热规律与活塞运动的规律难以进行完美的配合所致。第二节内燃机实际循环与热损失时间损失供油提前角对时间损失的影响正确调整供油提前角θ，对柴油机的良好运转是非常必要的。图1-3

12V135柴油机供油提前角的调整试验第二节内燃机实际循环与热损失时间损失转速对时间损失的影响随着转速增加，须相应增大供油提前角，才不致造成时间损失的增大，而当转速下降时，供油提前角则应减小。图1-4新105柴油机的最佳供油提前角与转速的关系不同的柴油机，其最佳供油提前角的大致范围如下:

直接喷射式柴油机θ＝28℃Ａ~35℃Ａ涡流室和预燃室式柴油机θ＝15℃Ａ~20℃Ａ第二节内燃机实际循环与热损失燃烧损失包括后燃和不完全燃烧所引起的损失第二节内燃机实际循环与热损失其他损失涡流和节流损失泄漏损失第三节热平衡按照热能在有效功和各种损失方面的数量分配来研究燃料中总热量的利用情况，称为内燃机的热平衡，内燃机的热平衡通常是由实验确定的。图1-5内燃机的热平衡图ａ、从残余废气和排气中回收的热量ｂ、由汽缸壁传给进气的热量ｃ、排出废气传给冷却液的热量ｄ、从摩擦热中传给冷却液的部分ｅ、从排气系统辐射的热ｆ、从冷却系和水套壁辐射的热量ｇ、从曲轴箱壁和其他不冷却部分辐射的热量第三节热平衡总热量的分配大体上可分为如下五大项：１.转化为有效功的热量ＱＥ２.传递给冷却介质的热量ＱＳ３.废气带走的热量ＱＲ４.燃料不完全燃烧造成的热损失ＱＢ５.其他热量损失ＱＬ第四节指示指标指示指标用来评定实际循环进行情况的好坏，它是以工质在汽缸内对活塞做功的过程为研究基础的。

用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性，用指示热效率及指示燃料消耗。率评定循环的经济性。第四节指示指标工质在汽缸内对活塞所做的指示功，是通过示功图的面积来计算的。图1-7由ｐ-φ示功图转换为ｐ-Ｖ示功图的作图方法图1-6120四冲程单缸试验柴油机的示功图第四节指示指标

1.指示功和平均指示压力第四节指示指标

2.指示功率第四节指示指标

3.指示热效率和指示燃油消耗率第五节有效指标内燃机的经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为研究基础的，是代表内燃机的整机性能的指标，通常称为有效指标。内燃机动力性能指标有效功率有效转矩平均有效压力转速ｎ和活塞平均速度Ｃｍ第五节有效指标2.内燃机经济性能指标ηηｅ＝ＷｅＱ１＝ＷｉηｍＱ１ｅ＝ＷｅＱ１＝ＷｉηｍＱ１有效热效率：

转向盘的转角与安装在转向盘同侧的转向车轮偏转角的比值。有效燃油消耗率(简称耗油率)：有效燃油消耗率ｇｅ是单位有效功的耗油量通常以每千瓦时的耗油量表示。第五节有效指标3.内燃机强化程度

升功率和比质量：升功率Ｐｌ是内燃机每升工作容积所发出的有效功率强化系数：平均有效压力ｐｅ与活塞平均速度Ｃｍ的乘积称为强化系数,写成pe·Cm

,它与活塞单位面积功率成正比。第五节有效指标4.内燃机其他性能评定排气品质噪声起动性第六节机械损失内燃机的机械损失消耗了一部分指示功率,使对外输出的有效功率小于指示功率,不同类型的内燃机,其各部分机械损失所占百分比差别很大.第六节机械损失

1.机械效率

第六节机械损失2.机械损失的测定测定方法倒拖法灭缸法油耗线法示功图法第六节机械损失2.影响机械效率的因素使用因素的影响

负荷变化润滑油品质和冷却液温度第七节燃烧热化学1.燃烧所必备的空气量

1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量第七节燃烧热化学1.燃烧所必备的空气量

过量空气系数第七节燃烧热化学2.理论分子变更系数不考虑汽缸中残留废气的情况下，研究燃烧前、后工质摩尔数的变化的情况：１.α>１的情况２.α<１的情况α<１的情况仅在汽油机上出现。

第七节燃烧热化学3.实际分子变更系数

第八节燃烧基本理论1.连锁反应的机理及燃烧放热规律当反应体系中出现活化中心后,就会引起链反应。一次反应完成后产生同量的或多量的活化中心,使化学反应得以继续或加速进行,这种化学反应称为连锁化学反应。发展顺序：链引发→链传播→链终止分类：直链反应和支链反应连锁反应的基本概念第八节燃烧基本理论所谓有效反应是指能获得最终产物及活化中心的反应

有效反应概念和连锁化学反应的普遍方程式1.连锁反应的机理及燃烧放热规律第八节燃烧基本理论

1.连锁反应的机理及燃烧放热规律内燃机燃烧速度的半经验方程式第八节燃烧基本理论2.预混合气体中的火焰传播火焰核心的形成预混合气体在外源点火的情况下形成火焰核心的前提条件是火花塞附近的混合气必须具备一定的浓度，混合气过稀或过浓都不能着火。火花塞跳火花之后，靠火花提供的能量，不仅使局部混合气温度进一步升高，而且引起火花附近的混合气电离，形成活化中心，促使支链反应加速，随着连锁化学反应范围扩大，反应程度加深，出现明显的火焰小区，这就是火焰核心。第八节燃烧基本理论2.预混合气体中的火焰传播火焰的传播在汽缸中形成火焰核心之后，燃烧过程进行的实质就是火焰在预混合气体中的传播过程。图1-15混合气成分对火焰传播的影响第八节燃烧基本理论2.预混合气体中的火焰传播火焰的传播火焰传播速度的大小取决于预混合气体的物理化学性质、热力状态、混合气浓度和气体流动状况。图1-16火焰结构及其温度、浓度分布图1-17在不同紊流作用下的火焰前锋图1-18紊流强度与火焰速度比的关系第八节燃烧基本理论3.燃油喷雾与扩散燃烧扩散燃烧是柴油机的主要燃烧方式。柴油的蒸发性能比汽油差，因此不能像汽油那样在常温条件下预先制备好均匀混合气，它只能采用喷射的方法，将燃油直接喷入压缩升温后的工质中，在缸内形成可燃混合气，依靠压缩后的高温环境自燃发火，柴油机中的燃烧属于喷雾双相燃烧，它既有预混合气的均相气相燃烧，也有微油滴群的油滴扩散燃烧。第八节燃烧基本理论3.燃油喷雾与扩散燃烧喷入汽缸中的燃油首先要经历破碎和雾化过程。扩散混合是在燃烧室内着火以后的混合阶段扩散混合阶段的燃烧称为扩散燃烧燃油喷雾与混合第八节燃烧基本理论3.燃油喷雾与扩散燃烧扩散燃烧阶段的燃烧情况非常复杂，它既存在预混合燃烧的形式，又存在单油滴的扩散燃烧形式，是一种气、液双相混合的燃烧过程。扩散燃烧的特点第九节实际循环的近似计算———经典热计算

1.燃烧热化学计算第九节实际循环的近似计算———经典热计算2.换气过程参数的确定

第九节实际循环的近似计算———经典热计算2.换气过程参数的确定

第九节实际循环的近似计算———经典热计算3.压缩过程

第九节实际循环的近似计算———经典热计算4.燃烧过程计算图1-24的下图是与燃烧膨胀过程对应的燃烧规律：图1-2４实际循环燃烧过程的近似和相应的燃烧放热规律图1-25不同α时,石油燃料完全燃烧产物和空气(α＝∞)的平均等压摩尔比热ｃ″ｐ与温度的关系第九节实际循环的近似计算———经典热计算5.膨胀过程

第九节实际循环的近似计算———经典热计算6.平均指示压力和指示热效率的计算在计算平均指示压力pi之前应先绘出ｐ-Ｖ示功图。平均指示压力pi,即:指示效率ηｉ的计算式:第九节实际循环的近似计算———经典热计算7.实际循环热计算举例【例1-1】试对6135G柴油机标定工况进行实际循环热计算，已知条件为:缸径Ｄ=135ｍｍ，行程Ｓ＝140ｍｍ，缸数ｉ＝6，12ｈ功率Ｐｅ

=88.５ｋＷ，转速ｎ=1500r/min，压缩比ε=16.5，每缸工作容积Ｖｈ＝２Ｌ，曲柄半径与连杆长度比R/L＝1/4，大气状态ｐ０＝100kpa,T0＝288Ｋ，燃料平均质量成分ｗＣ＝0.87，ｗＨ=0.126,wo＝0.004，燃料低热值Hu＝42500kJ/kg燃料，燃烧室形式为ω形分开式。第九节实际循环的近似计算———经典热计算7.实际循环热计算举例【例1-2】试对一台车用四冲程汽油机标定工况进行实际循环热计算(图1-29)已知条件为:缸径Ｄ＝92ｍｍ,行程S=92ｍｍ,缸数i=4,15min功率Pe=51.5kW,转速n=3800r/min,压缩比ε=6.5,每缸工作容积Vh＝0.61Ｌ,曲柄半径与连杆长度比R/L＝1/3.65,大气状态ｐ０

=100ｋＰａ,Ｔ０

=288Ｋ,燃料平均质量成分C=0.855,H=0.145,ｍＴ=114,燃料低热值Hu＝44100kJ/kg燃料,燃烧室形式为浴盆式。第九节实际循环的近似计算———经典热计算8.热计算的计算机程序编制

由计算实例可知，实际循环热计算的数学模型虽不算复杂，但计算步骤仍较烦琐，手算很费时间。第十节实际循环数值计算方法1.数值计算的数学模型单纯燃烧放热率计算零维燃烧模型准维燃烧模型多维燃烧模型图1-30多维模型示意图第十节实际循环数值计算方法1.一种简单的零维模型数值计算方法模型假定在推导缸内工作过程计算的基本微分方程式时，采用如下的简化假定:(１)不考虑汽缸内各点的压力、温度与浓度的差异，认为缸内的状态是均匀的，(２)工质的比热容、比热力学能和比焓等热力学参数仅与气体的温度和气体的成分有关，(３)不考虑进排气系统压力和温度波动对进排气过程的影响，