第一章内燃机性能指标讲义

第一章理论循环与实际循环EnginePerformance主要内容§1.1发动机理论循环§1.2四冲程发动机的实际循环§1.3发动机的指示性能指标§1.4发动机的有效性能指标§1.5机械损失和机械效率§1.6热平衡作业题及复习题内燃机性能•内燃机性能指标很多,主要有：动力性指标—功率/Pe、扭矩/Ttq、转速/n；经济性指标—热效率η、燃油消耗率be；运转性能指标—冷启动性、噪声和排气品质。•内燃机是通过工作循环连续不断进行工作的，工作循环进行的好坏直接影响到内燃机的各项性能指标。因此、我们从内燃机的循环开始引出内燃机的各项性能指标。§1.1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、膨胀和排气等5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.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。发动机实际过程的简化实际循环（以车用柴油机为例）进气过程:r-a（prp0pap0）压缩过程:a-c（p，T）初期:工质吸热；后期:工质放热。燃烧过程:c-z’-z（p，T）膨胀过程:z-b（p，T）初期:工质放热；后期:工质吸热。排气过程:b-r（pbp0）一、三种基本循环•简化原则为(五个假定条件):①封闭循环→不考虑更换工质的各项损失；②压缩和膨涨过程绝热等熵→不考虑传热损失；③理想工质(空气比热为常数)→不考虑工质成分、数量变化的影响。④以热源向工质加热，冷原从工质吸热代替燃烧和排气→不考虑燃烧和时间损失（及时性）；⑤循环各过程均为可逆过程（可逆）。•根据以上假定，按照加热方式的不同，内燃机可以抽象出以下三种(定容、定压、混合)基本循环。理解！！1.定容加热循环(Ottocycle)•汽油机混合气燃烧迅速（容积不变时燃烧就以结束）近似为定容加热循环。•r-a进气过程;•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。caPVQ1Q2bzr(等容循环)2.定压加热循环（Dieselcycle）•高增压和低速大型柴油机受最高燃烧压力Pzmax限制,大部分燃料在上止点后燃烧（边喷边烧）,燃烧时压力变化不显著近似为定压加热循环。•r-a进气过程•a-c绝热压缩过程•c-z等压加热过程•z-b绝热膨胀过程•b-a等容放热过程baPVczQ1Q2r(定压循环)3.混合加热循环（Sabathecycle）•高速柴油机部分燃料在上止点前燃烧、部分燃料在上止点后燃烧，近似为混合加热循环。•r-a进气过程•a-c绝热压缩过程•c-z等容加热过程•z-z’等压加热过程•z’-b绝热膨胀过程•b-a等容放热过程Q1bZ’caPVQ’1zQ2r(混合加热循环)二、理论循环的评定1.经济性—用循环热效率ηt评定：循环功Wt(J)和循环加热量Q1(J)之比。（1卡=4.1840焦耳，即1千卡热量同427千克米的功相当）式中：Wt---工质所做循环功（J）Q1---循环加热量(J);Q2---工质传给冷源的热量(J).1212111QQQQQQWtt评定循环经济性混合加热循环公式推导0510152025303540051015202530比体积V压力Paczz’bQ1vQ1pQ2•已知条件：1、初始状态:Ta、pa、va2、压缩比ε=va/vc3、压力升高比λ=pz/pc4、预彭比ρ=vz’/vz5、比热比k=cp/cv过程为混合加热循环，既有：•a-c绝热压缩过程•c-z等容加热过程•z-z’等压加热过程•z’-b绝热膨胀过程•b-a等容放热过程1、参数计算•⑴、比体积计算：•已知压缩比ε，初始比体积即汽缸总容积va：则压缩容积vc=vz=va/ε•已知预彭比ρ，则初期等压膨胀后容积vz’=vcρ=ρva/ε•等熵膨胀后终点容积等于初始状态容积，即vb=va0510152025303540051015202530比体积V压力Paczz’bQ1vQ1pQ2•⑵、压力计算•a-c为等熵压缩，满足pvk=cons所以pc/pa=(va/vc)k,所以pc=paεk•c-z为定容升压，已知压力升高比λ，所以pz=λpc=λpaεk;•z-z’为定压膨胀，所以pz’=pz=λpaεk;•z’-b为等熵膨胀，满足pvk=cons，所以pb/pz’=(vz’/vb)k,所以pb=pz’(ρva/ε/va)k=λpaρk0510152025303540051015202530比体积V压力Paczz’bQ1vQ1pQ2•⑶、温度计算•a-c为等熵压缩，满足Tvk-1=cons所以Tc/Ta=(va/vc)k-1,所以Tc=Taεk-1。•c-z为定容升压，压力升高比λ等于温度升高比所以Tz=λTc=λTaεk-1;•z-z’为定压膨胀，所以体积膨胀等于温度升高，所以Tz’=ρTz=λρTaεk-1;•z’-b为等熵膨胀，满足Tvk-1=cons，所以Tb/Tz’=(vz’/vb)k-1,所以Tb=Tz’(ρva/ε/va)k-1=Taλρk0510152025303540051015202530比体积V压力Paczz’bQ1vQ1pQ2•⑷、热功计算0510152025303540051015202530熵s温度TaczZ’bQ1vQ2Q1p因为是混合加热循环，加热过程包括c-z的定容加热和z-z’的定压加热两部分，即Q1=Q1v+Q1p。Q1v=（TZ-TC）CV=(λTaεk-1-Taεk-1)=(λ-1）εk-1TaCVQ1p=（TZ’-Tz）Cp=(λρTaεk-1-λTaεk-1)cp=λ(ρ-1）εk-1TaCPQ1=Q1v+Q1=(λ-1+kλ(ρ-1）)εk-1TaCV因为是混合加热循环，放热过程为b-a的定容放热，即Q2=(Tb-Ta)Cv=(Taλρk-Ta)Cv=(λρk-1)TaCv•⑸、效率计算•循环获得热量为Q=Q1-Q2，等于循环功w•循环效率ηtm=w/Q1=1-Q2/Q1)1(11.11))1(1()1(111112kcTkcTQQkkvakvakmt①循环的热效率：•压缩比：Va：汽缸总容积；Vs：工作容积；Vc：汽缸压缩容积。●预膨胀比：VcVsVcVcVsVcVa1ZZVV工质被压缩的程度气体膨胀的程度•压升比•绝热指数②预膨比ρ=1时定容加热循环，③压升比λ=1时定压加热循环，111tv11111tpczPP表示定容燃烧情况等容比热等压比热vpcck其数值随气体的种类和温度而变2.影响ηt的因素①.压缩比：由公式可知：ε↑→ηt↑。循环平均吸热温度↑；循环平均放热温度↓；∵ε↑→循环温差↑；膨胀比↑。如图1-2所示。)1(11.111kkkmt从图1-3中可知当：ε18时，随着ε↑→ηt↑↑；ε18时，随着ε↑→ηt↑但效果已不大。②.绝热指数k，ｋ取决于工质的性质，双原子气体ｋmax=1.4。ｋ↑→ηt↑,•工质原子数↑→ｋ↓；•混合气浓度↑→ｋ↓。③.压力升高比λ：a、在定容加热循环当：ε一定时，Q1↑→λ↑→Q2顺变↑→Q2/Q1不变→ηt亦不变。b、混合加热循环：当（ε、Q1）一定时，λ↑→ρ↓→Q2↓→ηt↑。但是(λ＋ε)↑→（Ｔｚ＋Ｐｚ）↑，因而零件的热负荷和机械负荷都受零件耐温和强度限制不能太高。④.预膨胀比ρ：a、在定压加热循环中当ε一定时，Q1↑→ρ↑→ηt↓因为后加入热量膨胀不充分，排给冷源热量Q2↑。b、在定压加热循环中当（ε、Q1）一定时，ρ↑→ηt↓。3、动力性—循环平均压力pt：单位汽缸工作容积所做的循环功。•根据热力学公式(J/m3)[MPa]：①混合加热循环：Pa—压缩始点的压力[KPa]②定容加热循环ρ=1tmaktmkkpp1111sttVWptvatvKPP)1(*1*1③定压加热循环λ=1•由上述公式可知，循环热效率和循环平均压力只和五个参数有关。（）↑→Ｐt↑。tpatpKKPP1*1*1ap,,,,ap,,,,Ts4’5’4’’5’’abb’b’’41235三、三种基本循环比较1、同一机型不同加热模式的对比：压缩比ε相同加热量Q1相同初态1相同tptmtv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：Ts加热量Q1相同初态1相同循环的最高压力相同abb’b’’tptmtv2’’4’’5’’54123Pmax2’4’5’pmVTTT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λ基本不变而ρ0减小，则ηt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λ下降而ρ0上升，则ηt降低。思考题1、何谓理论循环热效率ηt？并以循环加热量Q1，放热量Q2写出表达式。2、什么是循环平均压力Pt？3、什么是压缩比ε？4、内燃机有哪三种基本空气标准循环，高增压和低速大型柴油简化为何种基本循环，为什么？5、当和Q1相同时，用T－S图比较定容加热循环和定压加热循环热效率的大小。6、在混合加热循环中，当Q1和ε不变时，压力升高比λ增加循环热效率如何变化，用T--S图说明。课外作业t§1.2四行程发动机的实际循环•在上一节中，我们按照热力学的观点把发动机的热力循环理想化、抽象化，分析影响理想循环的基本因素，找出提高效率及作功能力的途径。本节将对发动机的实际循环进行分析。•研究实际循环的目的，就是分析与理想循环的差异和引起各种损失的原因，以求不断改善实际循环，缩小与理想循环的差距，促进发动机的改进与发展。•发动机的工作性能，常用性能指标来衡量。•本课程是以动力性、经济性、排放、振动、噪声等性能为研究对象，深入到工作过程的各个阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中找出提高性能的一般规律。•实际循环通常用气缸内工质的压力随气缸容积（或曲轴转角）的变化图形P—V图或P—Ф图来表示，称为示功图。•----工质对活塞做的功；正功。•----泵气损失；增压机：正功；非增压机：负功。•四行程内燃机实际循环由5个工作过程组成，即，进气、压缩、燃烧、膨胀和排气。czbbbirrabr1一、进气过程（r－a）①作用：吸入新鲜工质，为加入Q1作准备；②特点：PaP０，△P=P０-Pa克服进气系统阻力；TaT０,△T=Ta-T０缸内残余废气加热(高温机件加热;汽油机进气预热)。prp0?•进气终了的压力Pa及温度Ta大致范围是：•汽油机:Pa=（0.8～0.90）P0Ta=340～380K•柴油机:Pa=（0.85～0.95）P0Ta=300～340K•增压柴油机:Pa=（0.9～1.0）P0Ta=320～380K二、压缩过程（a－c）①作用：增大工作过程的温差；增大膨胀比，提高热功转换效率；为燃烧过程创造有利的条件；柴油机，压缩高温是保证燃料