汽车发动机原理课件：发动机的热平衡

一、实际循环热平衡为了了解实际循环的热量分配情况，寻找它的损失所在，应将实际循环与理论循环进行比较，这里用的理论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，没有其他损失，研究实际循环与空气标准循环的差异，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。图1-21给出四冲程非增压发动机实际循环与理论循环的比较，其差别由以下几项损失引起。１.实际工质的影响理论循环中假设工质比热容是定值，而实际气体比热容是随温度上升而增大的，且燃烧后生成ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等气体，这些多原子气体的比热容又大于空气，这些原因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，实际工质影响引起的损失如图1-21中Ｗｋ所示，这些影响使得发动机实际循环的指示热效率比理论循环热效率低。２.换气损失为了使循环重复进行,必须更换工质,由此而消耗的功称为换气损失,如图1-21中Ｗr所示,其中,因工质流动时需要克服进、排气系统阻力所消耗的功,称为泵气损失,如图1-21ａ)中曲线rab′r所包围的面积,因排气门在下止点前提前开启而产生的损失,如图1-21中面积Ｗ所示。３.燃烧损失(１)非瞬时燃烧损失和补燃损失,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,由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失,如图1-21中Ｗz所示。(２)不完全燃烧损失,实际循环中会有部分燃料与空气混合不良,因而部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失。(３)吸热损失，在高温下部分燃烧产物分解而吸热即:使循环的最高温度下降。４.传热损失实际循环中，汽缸壁(包括汽缸套、汽缸盖、活塞、活塞环、气门、喷油器等)和工质间自始至终存在着热交换，使压缩、膨胀线均脱离理论循环的绝热压缩、膨胀线，从而造成损失，如图1-21中Ｗb所示。５.缸内流动损失指压缩及燃烧、膨胀过程中，由于缸内气流(涡流与湍流)所形成的损失，其表现为:在压缩过程中，多消耗压缩功，在燃烧膨胀过程中，一部分能量用于克服气流阻力，使作用于活塞上作功的压力减小。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，表1-18给出了发动机的理论循环热效率和指示热效率值，及各种损失使热效率下降的热量分配的大致情况。减少各项损失，提高实际循环热效率是发动机性能研究的目的，由表1-18中可以看出:（１)汽油机理论循环热效率低于柴油机的主要原因是压缩比εc小，所以提高压缩比一直是提高汽油机热效率的主要方向。(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。(３)对于汽油机，不完全燃烧损失主要是因采用浓混合气造成，所以应用稀混合气是汽油机减少损失的途径之一，对于柴油机，不完全燃烧主要是混合气形成及燃烧组织不完善引起，是柴油机应改善之处。二、发动机热平衡发动机热平衡是热量表现为有效功及各项损失的分配情况，发动机热平衡通常按下列方法由试验确定。１.发动机所耗燃油的热量QT(kJ/h)在发动机中，热量是由燃料燃烧而产生，若测得发动机每小时的耗油量Ｂ(kg/h)，设燃料完全燃烧，则每小时所放出的热量QT为:QT=ＢＨμ式中:Ｈμ——燃料低热值,kJ/kg。２.转化为有效功的热量QE(kJ/h)若测得发动机有效功率Pe，则因为:1kW·h=3.6×103kJ所以:QE=3.6×103Pe３.传递给冷却介质的热量QS(kJ/h)这部分热量中包括:实际循环中工质与缸壁的传热损失，废气通过排气道时，传给冷却介质的热量，活塞与缸壁摩擦产生又传给冷却介质的热量以及润滑油传给冷却介质的热量等，其计算公式为:QS＝GScS(t2-t1)式中:GS——通过发动机冷却介质每小时的流量，kg/h。cS——冷却介质的比热容，kJ/(kg·℃)。t2、t1——冷却介质的入口和出口温度，℃。４.废气带走的热量QR(kJ/h)QR＝(B+Gk)(cprt2-cpkt1)式中:B、Gk——每小时消耗的燃料量和空气量，kg/h。cpr、cpk——废气和空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)。t2——靠近排气门处的废气温度，℃。t1——进气管入口处工质的温度，℃。５.燃料不完全燃烧热损失QB(kJ/h)在汽油机中，因采用空气不足的浓混合气，在柴油机中，因空气和燃料混合不均，均可产生不完全燃烧，近似计算为:QB=QT(1-

ηr)式中:ηr——燃烧效率。６.其他热量损失QL(kJ/h)它包括所有未计及的损失，由于不能分别给予它们准确的估计，所以一般只根据下式确定其总值:QL=QT-(QE+QS+QR+QB)热平衡常以燃料总热的百分数表示,即:qe=QE/QT×100%qs=QS/QT×100%qr=QR/QT×100%qb=QB/QT×100%ql=QL/QT×100%则:qe+qs+qr+qb+ql=100%图1-22表示发动机的热平衡图,图中Qi为转变为指示功的热量,设QT为燃料在缸内完全燃烧每小时放出的热量(kJ/h),此时不计入QB损失，由该图可以清楚地看到发动机中的热量流动情况以及各项损失是如何纳入到热平衡的各个项目中去的。热平衡大致数值范围见表1-19。从表1-19可见,在燃料的总热量中，仅有25%

~40％的热量转变为有效功，其余60％~75％都损失掉了，其中，主要由废气带走，其次传给冷却液，在某些汽油机中不完全燃烧损失的热量所占比例也不小。冷却液带走的热量占总热量的10％~35％,其中一部分是排气道中废气传给冷却液的热,一部分