发动机原理课件—第二章发动机工作循环与性能指标

第二章发动机工作循环及性能指标本章主要内容:1、发动机实际循环２、发动机性能指标３、机械效率及其影响因素4、发动机热平衡第一节发动机的实际循环重点掌握:1、示功图分析２、五个工作过程的特点一、概述发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。实际循环比理论循环复杂的多。通常用气缸内的工质压力Ｐ随气缸工作容积Ｖ或曲轴转角而变化的图形（示功图）来研究。即Ｐ-Ｖ示功图和Ｐ-二、四行程发动机示功图a：进气终点c：压缩终点z：燃烧终点b：膨胀终点r：排气终点Va-气缸的总容积Vc-气缸的压缩容积Vs-气缸的工作容积TDC-上止点BDC-下止点四冲程柴油机Ｐ图四冲程汽油机ＰＶ图三、五个工作过程1、进气过程2、压缩过程3、燃烧过程—化学能→热能4、膨胀过程5、排气过程—排气温度是重要参数第二节发动机的性能指标重点掌握:1、各指标的定义、单位和公式２、指示指标与有效指标的区别3、机械损失概述内燃机的性能指标包括：指示指标：据示功图求得的动力性和经济性指标它是以工质在气缸内对活塞所做的功为基础的性能指标。意义：用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程。有效指标：考虑到机械损失的指标。小于指示指标它是以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。意义：用来评定发动机性能的好坏。内燃机的指示指标顺时针正功-循环指示功；逆时针负功-泵气功;机械损失功示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多少。在气缸完成一个循环，工质对活塞所做的功，用Wi（J）表示。Wi=∮Pdv（Wi相当于Ｆi=F1-F2代表的面积）一、指示功和平均指示压力1、指示功（或循环指示功）：1）定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。（则：Wi可表示为以该压力使活塞移动一个行程所作的功）Pmi=Wi/Vs(kpa)2）单位：Wi（J），Vs（L），Pmi（kpa）3）Pmi，Wi==气缸工作容积的利用程度。4）作用：评价发动机工作循环的动力性。5）汽油机:Pmi=800-1500kpa柴油机:Pmi=700-1100kpa增压柴油机:Pmi=1000-2600kpa2、平均指示压力Pmi二、指示功率Pii—气缸数；Pmi—平均指示压力（kpa)；n—转数，r/min；τ—行程数；Vs（L）—汽缸工作容积。当τ＝４时：Pmi，Pi，动力性指标。定义：单位时间内所做的指示功，Pi,KW。Pi=Wi/t(N.m/s)KWKW三、指示燃油消耗率bi定义：单位指示功所消耗的燃油量，用bi表示。bi＝（1000×B/Pi）[g/kw·h]B—每小时的燃油消耗量，［kg/h］；Pi—指示功率，［kw］。bi，ηit，经济性指标。四、指示热效率ηit定义：实际循环指示功Wi与所用燃油的发热量Q1之比值,用ηit表示。Pi—［KW］；Hu—［KJ/kg］燃料热值；B—［kg/h］；bi—［g/kw·h］可以看出：ηi∝1／bi标定工况下，ηit，bi的大致范围：biηit汽油机：205～3400.30～0.40柴油机：170～2100.40～0.50内燃机的有效指标一、机械损失功率Pm和有效功率Pe1.机械损失：主要包括：⑴摩擦损失：活塞环与缸壁间，各轴承与轴颈间，气门传动机构的摩擦等。占总损失的60～75%。（8～20%）Pi⑵驱动附属机构的能量损失占10～20%。（1～5%）Pi⑶泵气损失：占10～20%。（2～4%）Pi2.机械损失功率Pm:因机械损失所消耗的功率3．有效功率Pe:Pe＝Pi-Pm:曲轴对外输出的功率。二、有效转矩）TtqPe：功率；[KW]Ttq：转矩；[N.m]n：转速；[r/min]是发动机工作时曲轴输出的平均转矩。TtqnPe=9550(KW)三、平均有效压力Pme1.定义：单位气缸工作容积的循环有效功。是评价发动机动力性的重要指标。2.与Pe的关系：Pme—平均有效压力［kpa］，Vs—汽缸工作容积［L］对四冲程发动机，τ＝4，3.对于结构一定的发动机，平均有效压力Pe与扭矩Me成正比。汽油机Pme=700-1300kpa;柴油机Pme=600-1000kpa;增压柴油机Pme=900-2200kpa四、强化指标１．升功率PL：发动机每升工作容积发出的有效功率。PL＝Pe/(i·Vs)[kw/L]从有效功率的角度，衡量发动机排量利用的程度，PL越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。２．比质量：发动机的干质量m与所发出标定功率Pe的比值。me＝m/Pe表征质量利用程度和结构紧凑性。3．强化系数Pme×Cm：平均有效压力Pme与活塞平均速度Cm的乘积单位：MPaּm/sCm：柴油机4～14(m/s)，汽油机：7～18(m/s)＊强化系数越大，内燃机的热负荷和机械负荷越高。强化系数范围：（MPaּm/s）汽油机：8～17；小型高速柴油机：6～11；重型汽车柴油机：9～15升功率和比质量范围：PL（kW/L）me（kg/kW）汽油机：25～651.1～4.0汽车用柴油机：20～402.5～9.0农用柴油机：8～155.5～16五、有效燃油消耗率和有效热效率１.有效燃油消耗率:单位有效功率的油耗量。be＝1000×B/Pe[g/kw·h]B:每小时的油耗量,［kg/h］Pe:有效功率[kw]２．有效热效率：发动机的有效功We与所消耗的燃油发出的热量Q1的比值。ηet＝We/Q1＝3.6/(be·Hu)×106＝Wiηm/Q1＝ηitηmbe:有效燃油消耗率;Hu:燃料的低热值［kJ/kg］※be、ηet是发动机的经济性能指标。总结：1、按评价发动机性能的不同使用方面常用的性能指标：Pe,Ttq,be结构设计方面常用的性能指标（强化程度指标）：PLme2、发动机铭牌或产品说明上注明的指标，都是在标定工况下的指标。3、动力性指标：Pe,Ttq，Pme，PL；经济性指标：be，ηet，B第三节机械效率重点掌握:1、机械效率的定义和公式2、影响机械效率的因素一、机械效率1.机械损失功率:发动机机械损失所消耗的功率（Pm）2.平均机械损失压力:单位气缸工作容积的机械损失功，Pmm＝Pmi-Pme３.机械效率：指示功转变为有效功的程度。４ηit、ηet、ηm之间的关系汽油机：ηm＝0.7~0.9；柴油机：ηm＝0.7~0.85；增压柴油机：ηm＝0.8~0.92二、影响ηm的因素1．转速n负荷一定=Pmi、Pi基本不变n↑=摩擦损失↑=机械损失↑=Pmm↑图2-3ηm随转速的变化关系得:n↑,ηm↓故用提高n来增加发动机的动力性指标受到限制。使用因素：转速、负荷、润滑油品质、水温等；结构设计因素：最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。2.负荷负荷↓=Pmi↓,Pmm近似不变=ηm＝１－Pmm/Pmi↓怠速工况:Pe＝0Pi＝Pm,ηm=0※负荷定义：发动机的转速变化时,作用在发动机曲轴上的阻力矩。n不变，Pe∝Ttq，Pe∝Pme,故负荷可用Pe,Pme表示。※负荷率：Ttq/Ttqmax×100%3.润滑油粘度润滑油的粘度即机油的稠稀程度。粘度↑=内部摩擦↑=机械损失↑Ni不变==ηm↓粘度↓==Pmm↓==ηm↑粘度过小==机油的承载能力太低==油膜破裂==发生干摩擦==烧瓦==Pmm↑↑==ηm↓↓另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，导致机油粘度降低。4.冷却水温度冷却水的温度直接影响到润滑油的温度，因而也就关系到润滑油粘度和摩擦损失的大小使用中，发动机的冷却水温度保持在80～95℃范围内。图2-5Pmm随润滑油温度变化的关系三、发动机性能提高途径1）增加排量iVs，但受结构限制；2）增压（↑ρs），需在进气系统加增压器。最有效3）降低或报纸Φa，提高ηit。合理组织燃烧—核心研究4）提高Φc，供入更多燃料，可获得更多有用功，且减少换气损失5）提高n，但燃烧恶化，Φc、ηm下降，零件寿命降低，噪声大6）提高ηm7）减小τ，采用二冲程，理论上是四冲程功率的两倍，但二冲程换气不完善，热效率低等。第四节内燃机的热平衡发动机的热平衡：燃油燃烧所产生的热量恒等于转变为有效功与各项散失的热量之和。热平衡方程式:Qf=Qe+Qw+Qr+Qb+QsQf:燃油完全燃烧的热量;Qe:转变为有用功的热量;（占25～40％)Qw:传给冷却介质的热量;（占10～35％)Qr:被废气带走的热量;（占25～50％)Qb:燃烧不完全热量损失;Qs:其他热量损失;燃油完全燃烧的热量—Qf＝GThu(kJ/h)转变为有用功的热量—Qe＝3.6×103Ne(kJ/h)传给冷却介质的热量—Qw＝Gwcs(t2-t1)(kJ/h)(Gw—通过冷却介质的流量kg/h；cs—冷却介质的比热kJ/(kg℃)；t1、t2—冷却介质入口、出口温度)被废气带走的热量—Qr＝(GT+Gk)(cprtr-cpktk)(kJ/h)(GT、GK—每小时消耗的燃油和空气量kg/h；cpr、cpk—废气和空气的定压比热kJ/(kg℃)；tk、tr—进排气门处工质温度)燃烧不完全热量损失—Qb＝Qf(1-ηr)(kJ/h)(ηr—燃烧效率）其他热量损失—Qs＝Qf－(Qe＋Qw＋Qr＋Qb)(kJ/h)燃料燃烧的总热量仅有２５％～４０％转变为有效功，其余６０～７５％的热量损失掉。其中主要由废气带走，其次传给冷却水，在某些汽油机中不完全燃烧所占比例也不小。进气过程进气过程中，由于进气气流需克服进气系统的流动阻力，故进气终了的压力Ｐa大气压力Ｐ0（Pa=(0.85~0.95)P0）由于：1、残余废气加热2、缸内高温零件的加热3、排气管对进气管的加热，故进气终了的温度Ｔａ大气温度Ｔ0（Ta=300~380K）压缩过程1、作用：增大工作过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利条件。在柴油机中，压缩后气体的高温是保证燃烧着火的必要条件。开始吸热n1’K绝热n1’=K后放热n1’K2、压缩过程的多变指数n1是变化的。用一平均压缩多变指数n1代替n1’，使计算的始点a和终点c的工质状态与实际循环的初、终状态相等。n1的范围：汽油机：n1=1.32-1.38柴油机：n1=1.38-1.42*n1越大，热损失越小。*n1主要决受工质与气缸壁的传热及泄漏的影响。3、转速与负荷对n1的影响转速增加，工质向缸壁传热时间短，且工质泄漏减少，则n1增大；负荷增加，工质温度增高，相对传热和泄漏减少，则n1增大。4.压缩终点的压力Pc=Pa•n1[kPa]压缩终点的温度Tc=Ta•n1-1[k]5、压缩比的影响及范围汽油机中,为提高热效率,希望提高压缩比,但受到不正常燃烧的限制；柴油机中,为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及冷启动时可靠着火,需选取较高的压缩比。汽油机：=6-9柴油机：=14-21燃烧过程作用：将燃料的化学能转变为热能，放出大量的热量，使工质的压力和温度升高。*燃烧越完全，放热量越多*放热量越多，放热越靠近上止点，则热效率越高。*燃烧的最高压力和温度范围：汽油机3.0~6.5MPa2200~2800K柴油机4.5~9.0MPa1800~2200K膨胀过程作用：将热能转变为机械能，推动活塞做功。*除有热交换和漏气损失外，还有补燃。*也是一个多变过程：初期，由于补燃，吸热n2’K；某一瞬时，n2’=K，此后，放热n2’K。*n2取决于补燃，热交换和漏气*转速或负荷增加，补燃增加，热交换和漏气损失减少，n2减少。*向缸壁传热增加，漏气增多，n2增加。*柴油机膨胀终了的压力和温度均比汽油机小。排气过程*经历自由排气和强制排气两个阶段。*排气终了压力Pr大于大气压力。*排气阻力越大，排气终了压力越大，残余废弃越多。*压缩比大，则膨胀比大，热功转换效率高，Tr越低。*负荷或转速增加，会使Tr增大。*排气终了温度Tr低，则转变为有用功的热量多，工作过程好。汽油机（1.05~1.25）P0900~1100K柴油机（1.05~1.25）P0700~900K复习思考题1、什么是发动机的指示指标、有效指标？它们有