第一章 发动机的性能.ppt

1、汽车发动机原理,厦门理工学院 车辆工程教研室,本课程学习目的,通过本课程的学习，使学生了解发动机的工作原理、工作特点和工作过程，初步具有利用发动机的基本原理解决实际问题的专业技术应用能力。,课程考核方式,期末闭卷考试（70%）+平时成绩（30%）,第一章 发动机的性能,Engine Performance,主要内容,第一节 发动机理论循环 第二节 四冲程发动机的实际循环 第三节 发动机的指示性能指标 第四节 发动机的有效性能指标 第五节 机械损失和机械效率 第六节 热平衡 作业题及复习题,第一节 发动机理论循环,内燃机的实际热力循环:是燃料的热能转变为机 械能的过程，由进气、压缩、燃烧、膨胀和

2、排气等 多个过程所组成。在这些过程中，伴随着各种复杂的 物理、化学过程，同时，机械摩擦、散热、燃烧、 节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在。,内燃机的理论循环:将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些次要影响因素，并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、化学过程如可燃混合气的准备与燃烧过程等进行简化处理，从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环。p1,一、研究理论循环的目的:,1)用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，以明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压力为代表的动力性的基本途径。 2)确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机经济性和工作过程进

3、行的完善程度以及改进潜力。 3)有利于分析比较内燃机不同热力循环方式的经济性和动力性。,活塞式内燃机实际循环的简化,一.活塞式内燃机(internal combustion engine)简介,二、发动机实际过程的简化：p6,实际循环（以车用柴油机为例） ra:进气过程（pp0pp0）,1 假定工质为定比热的理想气体； 2 不计吸气和排气过程（工质的总质量保持不变），假设工质是在闭口系统中作封闭循环； 3 压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程； 4 把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，简化为等容加热过程或等压加热过程； 5 排气中的实际放热过程简化为等容放热过程； 6 忽略过程损失，把循环的每一

4、过程都假定为可逆过程，即假设循环过程为可逆循环。,简化原则为:,理解！,活塞式内燃机循环的简化,01 吸气 12 等熵压缩 23 定容加热 34 定压加热 45 等熵膨胀 51 排气 10 排气,排气51 等容放热,吸气01排气线10重合略去，封闭循环,燃油质量忽略,燃气成分改变忽略,进一步说明,工质为空气定比热,三、评定循环过程中质和量的指标：p2、4,1、循环热效率(简称热效率) ：p2,式中： 工质所做循环功（J） 循环加热量（J） 工质在循环中放出的热量（J）,评定循环经济性,2、循环平均压力 ： p4,评定循环的动力性,(kPa),式中： 循环所做的功（J） 气缸工作容积（L）,四、

5、发动机的理论循环：,发动机理论循环的三种形式：混合加热循环、等容加热循环和等压加热循环。p1,a-c：绝热压缩过程； c-z：等容加热； z-z ：等压加热； z-b：绝热膨胀； b-a：等容放热。,又称萨巴得循环,（一）混合加热循环（高速柴油机）,1 、循环特征参数：,（1）压缩比 （2）压力升高比 （升压比） （3）预胀比 （初始膨胀比） （4）等熵指数 （比热比或绝热指数）,表示绝热膨胀过程前定压燃烧情况(气体膨胀的程度)的特性参数。,表示定容燃烧情况。,表征内燃机工作体积大小。,其数值随气体的种类和温度而变。当 、 为常数时，k为定值。对于空气和燃气k为1.4。,p2、3,一、混合加热

6、理想循环,12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热,活塞式内燃机的理想循环,1、p-v图及T-s图,特性参数：,压缩比compression ratio,定容增压比pressure ratio,定压预胀比 cutoff ratio,或,2、循环热效率,两式相除，考虑到,把T2、T3、T4和T5代入,求,讨论：,2、混合加热循环的热效率, ； 当 =22左右时， 不大，柴油机 =1222,（2）在一定的 值条件下,提高压力升高比 和降低等压预胀比 ,混合加热循环的热效率增高。,混合加热循环的热效率随压缩比 、定容压力升高比 的增大而增大，随定压预胀比 的

7、减小而增大。因此，在组织燃烧过程时，应尽可能增加定容燃烧部分的比例，减少定压部分的比例。,3、混合加热循环的平均压力,混合加热循环的平均压力随进气终点压力、压缩比、压力升高比、预胀比、绝热指数和循环热效率的增大而增大。p4,：进气终点的压力,(kPa),（二）等容加热循环（汽油机）,又称奥托Otto循环,a-c：绝热压缩过程；c-z：等容加热过程； z-b：绝热膨胀过程；b-a：等容放热过程。,混合加热循环在 =1时：, ；当 = 12 左 右时， 不大且汽油 机容易爆燃，因此，汽油机 =612。,等容加热循环的平均压力随进气终点压力、压缩比、压力升高比、绝热指数和循环热效率的增大而增大。,（

8、三）定压加热循环（狄赛尔diesel 循环）,高增压和低速大型柴油机（如船舶用）的理论循环,热效率随着压缩比的增大, 预胀比的减小和采用高值k的气体而增大。,混合加热循环在 =1时：,柴油机的压缩比c一般在1222之间，最高循环压力pz714 MPa，压力升高比p在1.32.2左右。 汽油机的压缩比c612，pz38.5 MPa，p在2.04.0左右。,p4,1)结构条件的限制 从理论循环的分析可知，提高压缩比c和压力升高比p对提高循环热效率t起着有利的作用，但将导致最高循环压力pz的急剧升高，从而对承载零件的强度要求更高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动机的使用可靠性，为此只好增加发动机

9、的质量，结果造成发动机体积与制造成本的增加。,内燃机实际工作条件的约束和限制： p34,2)机械效率的限制 内燃机的机械效率m是与气缸中的最高循环压力pz密切相关的。不加限制地提高c以及p，将引起m的下降。从有效指标上看，将直接导致压缩比c，以及压力升高比p提高而带来的收益得而复失。 3)燃烧方面的限制 若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面点火等不正常燃烧的现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也不利于燃烧的高效进行。,（四）三种理论（基本）循环的比较：,1、同一机型不同加热模式的对比：p5,压缩比 相同 加热量

10、 相同 初态1相同,定容加热循环热效率最高，而定压加热循环的均最低。欲提高混合加热循环的热效率 ，应增加混合加热循环的定容部分。,2、具有相同加热量时的比较：,加热量 相同 初态1相同 循环的最高压力相同,对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率，宜按定压加热循环工作。,3、汽、柴油机负荷变化(不同加热量)时的对比：,柴油机：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部分变化不大。这相当于p基本不变而 减小，则t提高。,汽油机：点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传播距离不变。当负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相当于p下降而 上升，则t降低。,第二节

11、四冲程发动机的实际循环,通过分析内燃机理论循环和实际循环的差别，可以找到提高内燃机工作过程完善程度的方向。图1-12给出二者的示功图。,实际循环与理想循环的主要差别:,1、实际工质的影响 : a.性质: 理论上: 理想气体。 实际上: 燃烧前: 燃料+空气； 燃烧后: 燃烧产物。 b.比热: 理论上: 定比热 实际上: 温度T 比热C c.数量：理论上: 不变 实际上: 泄漏 减少,循环最高温度降低,例如，对于压缩比为18、过量空气系数为1.5、最高压力为8MPa的混合循环，其理论热效率大致为0.60；当考虑到工质的实际物性时，其热效率将降低到0.51。,2、换气损失 : 定义：由于更换工质而

12、消耗的功。 理论上: 忽略进、排气过程。 实际上: 进、排气门提前开启，迟后关闭。 而且有流动阻力。,a.非瞬时燃烧损失和补燃损失 理论上: 定容加热瞬间完成，膨胀过程无加热。 实际上: 燃烧需要时间，且会拖到膨胀过程。 b.不完全燃烧损失 理论上: 燃料完全燃烧 实际上: 燃料燃烧不完全 c.燃烧放热时间延长,3、燃烧损失 ：,4、传热损失 ： 理论上: 压缩、膨胀过程为绝热过程。 实际上: 大量热量通过气缸壁传给冷却水或空气。 传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的 30%以上。因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。,实际循环循环功比理想循环的功少，热效率比理想循环低。,5、缸内流动损

13、失 理论上: 没有气体流动损失。 实际上: 缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。,第三节 发动机的指示性能指标,内燃机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为计算基础的指标，简称指示指标。,指示指标表征工质在汽缸内部经历的循环的完善程度，以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价由燃烧到热功转换工作循环进行的质量。是从示功图测量计算得出的。,示功图: 发动机缸内压力p随汽缸容积V（p-V图，可用电子示波器直接从发动机上测出）或曲轴转角（p-图，多由气电式测功器或示波器测定）变化的图示。示功图是研究内燃机工作过程的重要试验数据。,一、 指示功和平均指示压力,指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。指

14、示功的大小可以由pV图中闭合曲线所占有的面积求得。,（J或Nm）,平均指示压力是指单位气缸容积一个循环所作的指示功(Pa) 。,式中， D和S分别为气缸直径和活塞行程,平均指示压力可以设想为一个恒定的压力作用于活塞顶上，使活塞移动一个行程所作的功，即循环的指示功Wi 。,平均指示压力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。,一般内燃机在标定工况下的 值在下列范围内：P14 柴油机： 四冲程非增压柴油机 0.60.95MPa 四冲程增压柴油机 0.852.6MPa 二冲程柴油机 0.351.3MPa 汽油机： 四冲程摩托车用汽油机 0.91.43 MPa 四冲程小客车用汽油机 0.651

15、.25MPa 四冲程载货车用汽油机 0.60.85 MPa 二冲程小型风冷汽油机 0.40.85 Mpa,二 、指示功率：,指示功率Pi ：发动机单位时间内所作的指示功。,若：一台内燃机的缸数i，每缸的工作容积Vs (L) ，平均指示压力为pmi (MPa ) ，转速n(r/min)，冲程数。, kw ,三、指示热效率和指示燃油消耗率,指示热效率it：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。,对于一台发动机，若测得其指示功率Pi (kW)、每小时燃油消耗量B(kg/h) ，则：,指示燃油消耗率g(kWh)：指单位指示功的耗油量。通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示：,表示实际循环的经济性指

16、标it和bi之间存在着以下关系：,若，柴油的低热值Hu41868 kJkg， 则， it 86/bi,一般内燃机的it和bi的统计范围如下： it big(kWh) -1 四冲程柴油机 0.4l0.48 210175 二冲程柴油机 0.400.48 218177 四冲程汽油机 0.250.40 344218 二冲程汽油机 0.190.27 435305,从统计范围可以看出：柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。,第四节 发动机的有效性能指标,以曲轴输出功为计算基础的性能指标，称为有效性能指标，简称有效指标。 有效指标被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣，在实

17、践中获得广泛的应用。,一、发动机动力性指标,1、有效功和有效功率 有效功：发动机每循环曲轴输出的单缸功量 。,有效功率, kw ,机械损失: 发动机内部摩擦损失； 驱动附件损耗； 泵气损失等。,2、有效转矩,发动机工作时由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩，可由测功器测得。 Nm,内燃机的有效功率Pe(kW)可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩Ttq及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求得:,3、平均有效压力：,发动机单位气缸工作容积所输出的有效功。 与平均指示压力相似； 平均有效压力是衡 量发动机动力性能 的一个很重要的参数。,Ttqpme pme 反映了

18、发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。,目前内燃机的pme和PL值一般在下列范围内： pme/MPa PL/(kW.L-1) 农用柴油机 0.60.8 8.814.7 汽车用柴油机 0.651 1125.8 强化高速柴油机 12.9 1540 固定船用户速柴油机 0.62.5 3.77.35 四冲程摩托车用汽油机 0.781.2 51.888 四冲程小客车用汽油机 0.651.2 4070 四冲程载货汽车用汽油机 0.60.7 2225.8 四冲程小型风冷汽油机 0.40.65 18.473.5,4、转速n和活塞平均速度,m s,式中， S为活塞行程(m) n为发动机转速(r/min),二、发

19、动机经济性指标,衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率et和有效燃油消耗率be。 有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值，即,有效燃油消耗率g(kWh)是指单位有效功所消耗的燃油量，用be表示：, g/kwh ,可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。,一般内燃机在标定工况下的be和et值大致在以下范围： beg (kWh)-1 et 低速柴油机 190225 0.380.45 中速柴油机 195240 0.360.43 高速柴油机 215285 0.300.40 (其中较低的be值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机) 四冲程汽油机 2

20、74410 0.300.20 二冲程汽油机 410545 0.200.15,三、发动机强化指标,升功率：在标定工况下(指标定转速、标定功率)，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。,式中，pme为标定工况下的平均有效压力，MPa； n为标定转速，rmin。,(kWL),比质量是发动机质量与所给出的标定功率之比:,(kgkW),汽车发动机要求质量小、功率大，所以其升功率大、比质量小。汽油机的强化程度要比柴油机的高.,强化系数,例题：已知某四缸四冲程汽油机气缸直径81.0mm，活塞行程86.4mm，以标定转速n=3000r/min运转，功率为72kW，现测得运转34S共消耗200g燃油，求此时的

21、有效转矩、升功率、燃油消耗率、有效热效率？（汽油低热值Hu=44000kJ/kg）,解： (1)有效转矩： (2)升功率 因为： 所以：,(3)因为： 所以燃油消耗率： (4)有效热效率:,第五节 机械损失和机械效率,机械损失: 发动机内部摩擦损失； 驱动附件损耗； 泵气损失等。,回忆,表示机械损失： Wm 、Pm 、 pmm、 m,最大,一、机械效率,平均机械损失压力pmm 发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。,式中， Pm为机械损失功率(kW)； Vs为工作容积(L)； n为转速(rmin)； i为气缸数目。,机械效率：发动机的有效功率与指示功率之比。,在致力于提高内燃机性能指标时，

22、应尽可能减少机械损失，提高机械效率。若不注意这点，有时在改善气缸内部指示指标的同时，却不自觉地增加了机械损失，以致不能获得预期的改进效果。,二、机械损失的测定,1、示功图法 2、倒拖法 3、灭缸法 4、油耗线法,1、示功图法:,运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出Pi值， 从测功器和转速计读数中测出发动机的有效功率Pe，从而可以算出Pm，m及pmm值。,示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正时才能取得较满意的结果。,试验结果的正确程度决定于示功图测录的正确程度： a.最大的误差来源于p图或pV图上活塞上止 点位置不易正确地确定； b.各个气缸的不均匀性。,2、倒拖法只能在电力测功机上试

23、验,试验时，发动机与电力测功器相连，当 发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油 温度到达正常数值时，切断对发动机的供油， 同时将电力测功器转换为电动机，以给定转 速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油温度 不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该 工况下的机械损失功率。,首先，气缸内不进行燃烧过程，作用在活塞上的气体压力在膨胀过程中大幅度下降，使活塞、连杆、曲轴的摩擦损失有所减少；,其次，按这种方法求出的摩擦功率中含有不应该有的Pp这一项，且由于排气过程中温度低、密度大，使Pp比实际的还大；,与实际运行情况相比：,再次，倒拖在膨胀、压缩行程中，由于充量向气缸壁的传热损失，以致于p一V图上膨胀线和压缩

24、线不重合而处于它的下方，出现了图116上所示的负功面积。实际上，在测量该工况的有效功率时，这部分传热损失已被考虑在内。 这三种因素的综合结果是：倒拖时所消耗的功率要超过柴油机在给定工况工作时的实际机械损失，在低压缩比发动机中，误差大约为5，在高压缩比发动机中，误差有时可高达(515)，因而此方法在测定汽油机机械损失时得到较广泛的应用。,3. 灭缸法（熄火法、断缸法）,仅适用于多缸机 当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出 整个发动机的有效功率。之后，在柴油机油门拉杆或 齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下， 停止向某一汽缸供油或点火。调整测功机，使发动机 恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余五个汽 缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），两者之差 即为灭掉缸的指示功率。逐次灭缸，则整台发动机的 指示功率为，各缸相加。,如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率(Pi)x：,依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率的总和中求得整台发功机的指示功率Pi：,4. 油耗线法,柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验，求出发动机在给定转速下，每小时燃油消耗量与平均有效压力的关系曲线。,把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的交点，就可以求得pmm值。,