内燃机构造与原理.

张志强内燃机构造与原理Email:[e-mail]内燃机构造与原理第一章内燃机概述第二章内燃机的工作原理第三章内燃机的热力循环第四章内燃机的性能指标第五章曲柄连杆机构第六章配气机构第七章柴油机燃油系统第八章汽油机燃油系统和点火系统第九章润滑系统/冷却系统/起动装置目的：用什么参数来描述内燃机的性能好坏（评价内燃机性能的好坏）；找出描述内燃机的各个参数之间的关系，从而探求提高内燃机性能的途径内燃机的性能指标主要包括动力指标、经济指标、强化指标、环境指标等第四章内燃机的性能指标动力指标：表征内燃机做功大小的指标，包括有效转矩、有效功率、转速和平均有效压力等经济指标：指内燃机的燃油和润滑油消耗率，包括有效热效率和有效燃油消耗率等强化指标：指内燃机承受热负荷和机械负荷能力的指标，包括升功率和强化系数等环境指标：指内燃机排气品质和噪声。包括限制一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物及固体微粒的排放量1、指示指标定义：以工质在气缸内对活塞做功为基础的性能指标，称为指示指标，用来评定工作循环进行的好坏。①指示功Wi和平均指示压力pmi指示功Wi是指气缸内内完成一个工作循环所得到的有用功，其值的大小可用示功图中闭合曲线所占的面积来表示（如图，指示功为在压缩、燃烧、膨胀过程中所得的有用功面积F1和相当于在进、排气冲程中消耗功的面积F2相减而成）。四冲程内燃机示功图指示功Wi反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除了和循环中热功转换的有效程度有关外，还和气缸容积的大小有关。第四章内燃机的性能指标示功器工作原理•示功器分为机械式和电子式两种。以机械式为例，利用机械位移的方法测量缸内压力和活塞位移。右图为螺旋弹簧式机械示功器，使用较早，目前仍在低速和部分中速内燃机厂使用。由压力感受机构（小活塞5、活塞杆4及示功弹簧1等组成，感受缸内压力并以示功小弹簧位移输出）、转筒机构（绳索9、转筒8等组成，用来显示内燃机活塞位移）和记录机构（杠杆3和画笔机构2组成，具有平行放大作用，画笔自由端装有笔芯）组成。•工作时，转筒8上夹有示功纸并通过绳索9由内燃机曲轴通过专设传动机构带动，饶其自身轴左右偏转，其偏转角位移正比于内燃机活塞位移，即转筒转动弧长反映内燃机活塞行程或容积的变化；示功器小弹簧5在缸内气体压力推动下在小气缸内上下移动，并被弹簧力所平衡。小活塞运动带动记录机构的传动杆和画笔，按一定比例反映内燃机气缸内变化着的气体压力。最终形成P-V图。机械式示功器1、指示指标一般发动机pmi范围柴油机：四冲程非增压柴油机0.6~0.95MPa四冲程增压柴油机0.85~2.6MPa二冲程柴油机0.5~1.3MPa汽油机：四冲程摩托车用汽油机0.8~1.3MPa四冲程小客车用汽油机0.8~1.43MPa四冲程载货车用汽油机0.7~0.85MPa二冲程小型风冷汽油机0.4~0.7MPa第四章内燃机的性能指标为了比较不同大小不同型式内燃机的性能，需要除去气缸尺寸的影响，引入平均指示压力pmi的概念。imisWpV平均指示压力是从循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数。pmi越高，同样大小的气缸容积可以发出更大的指示功，气缸工作容积的利用程度越佳。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。1、指示指标②指示功率Pi•若一台内燃机的气缸数为i，缸径为D（mm），行程为S（mm），每缸的工作容积为Vs（L），平均指示压力为pmi，转速为n。则每缸、每循环工质所做的指示功为：62mismii104SDpVpW•内燃机指示功率（每秒所做的指示功为）：3smiii1030602inVpniWP式中：τ——冲程数；四冲程τ=4；二冲程τ=2；pmi——平均指示压力（kPa）；Vs——气缸工作容积（L）；n——曲轴转速（r/min）。第四章内燃机的性能指标1、指示指标③指示燃油消耗率bi与指示热效率ηit•指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油量。通常以每指示千瓦小时功的耗油量表示。3i10iPBb•指示热效率是内燃机实际循环的指示功与所消耗的燃料热量之比值。QWii式中：Q——为得到指示功Wi所消耗的热量；式中：Pi——内燃机指示功率（kW）B——每小时耗油量（kg/h）•指示燃油消耗率和指示热效率是评定内燃机实际工作循环经济性能的重要指标。第四章内燃机的性能指标单位：g/kW·h式中：3.6×103——1kW·h的热当量（KJ/（kW·h））Hu——所用燃料的低热值（kJ/kg）1、指示指标③指示燃油消耗率bi与指示热效率ηit四冲程柴油机0.41~0.50170~210二冲程柴油机0.40~0.50170~215四冲程汽油机0.25~0.40215~340二冲程汽油机0.20~0.28300~430ηitbi•结论：1、柴油机热效率高于汽油机；2、四冲程内燃机热效率及燃油消耗率高于二冲程内燃机，特别是二冲程汽油机在换气过程中，还有一部分混合气混杂在废气中被排出，因此经济性较差。第四章内燃机的性能指标2、有效指标①有效功率Pe和机械效率ηm•内燃机的指示功率并不完全对外输出。在内燃机内部的传递过程中，不可避免地有许多损失，这些损失主要有：内燃机内部运动件的摩擦损失，驱动附属机构的损失，泵气损失等（表3-1），这些损失总合为机械损失功率Pm。功率输出轴上所能输出的净功率为有效功率Pe：miePPP空气消耗率内燃机测功器燃油消耗率有效扭矩转速•内燃机有效功率是利用测功器和转速计进行测量计算而得到的。测功器主要分为电力测功器、电涡流测功器等。电力测功器利用电机测量各种动力机械上输出的转矩，并结合转速以确定功率。3tqtqe101047.01000602nTnTP非增压柴油机0.78～0.85增压柴油机0.80～0.92汽油机0.80～0.90m•机械效率（与指示热效率有何不同？）是有效功率与指示功率之比，机械效率越高，说明机械损失功率小：imiem1PPPP第四章内燃机的性能指标2、有效指标②平均有效压力pme和升功率PL•内燃机单位气缸工作容积所作的有效功，称为平均有效压力pme：3smee1030inVpPiVTptqsme14.3•对于排量（iVS）一定的内燃机来说，平均有效压力正比于有效转矩，所以pme也反映了内燃机单位气缸工作容积输出转矩的大小。排量一定的内燃机，pme值愈大，则对外输出功愈多，转矩愈大。pme值是内燃机重要的动力性指标。机型pme/MPaPL/kWL-1农用柴油机汽车用柴油机强化高速柴油机固定船用中速柴油机四冲程摩托车用汽油机四冲程小客车用汽油机四冲程载货汽车用汽油机二冲程小型风冷汽油机0.6~0.80.65~11~2.90.6~2.50.78~1.20.65~1.20.6~0.70.4~0.759~1511~25.815~403.7~7.3551.8~7040~7022~2618.4~73.5第四章内燃机的性能指标2、有效指标②平均有效压力pme和升功率PL•在标定工况下，内燃机每升气缸工作容积所发出的有效功率，称为升功率PL：3me3ssmeSeL10301030npiVinVpiVPP•PL的大小与平均有效压力pme和转速n的乘积成正比。升功率是内燃机的强化指标之一。升功率大，每升气缸工作容积发出的有效功率大，同时内燃机的热负荷和机械负荷也大，表示内燃机的强化程度高。第四章内燃机的性能指标机型pme/MPaPL/kWL-1农用柴油机汽车用柴油机强化高速柴油机固定船用中速柴油机四冲程摩托车用汽油机四冲程小客车用汽油机四冲程载货汽车用汽油机二冲程小型风冷汽油机0.6~0.80.65~11~2.90.6~2.50.78~1.20.65~1.20.6~0.70.4~0.759~1511~25.815~403.7~7.3551.8~7040~7022~2618.4~73.52、有效指标③有效燃油消耗率be和有效热效率ηet•有效燃油消耗率是指单位有效功的耗油量（通常以每千瓦时的耗油量表示）：1000eePBb•有效热效率是内燃机有效功We与所消耗的热量Q之比值。式中：Pe——有效功率（kW）B——每小时耗油量（kg/h）QWeetmitet6et106.3ueHb机型ηetbe低速柴油机中速柴油机高速柴油机0.38~0.460.36~0.430.30~0.40190~225200~240215~285四冲程汽油机二冲程汽油机0.25~0.300.15~0.20280~340400~550•be和ηet是标志整个内燃机经济性能的指标，可根据实测的Pe、B计算而得，其大致范围如下：第四章内燃机的性能指标单位：g/kW·h由表可知，柴油机平均比汽油机节约燃油30%左右2、有效指标④由吸入空气量计算平均有效压力•充量系数φc：实际进入气缸的充量与进气状态下能充满气缸工作容积的充量之比，充量系数是用来表征内燃机实际换气过程进行的完善程度的一个重要参数，具体表达式如下，进气状态是指进气管内的气体状态，非增压内燃机一般采用大气状态，增压柴油机采用进气管状态，在换气过程和配气机构章节中具体描述s1sh1cVVmm•过量空气系数φa：评定内燃机工作过程混合气的浓稀程度式中：m1、V1——实际进入气缸的充量质量、进气状态下所占有的体积体积msh、VS——进气状态下充满气缸的充量质量、气缸工作容积•空燃比α：表征混合气的浓稀程度的另一参数0all式中：l——每千克燃料燃烧实际供给的空气量l0——每千克燃料完全燃烧所需的理论空气量燃油质量空气质量•目的：根据每循环吸入的空气量来计算平均有效压力，可以导出平均有效压力与一些热力学参数之间的关系，从而明确提高平均有效压力的技术措施。首先给出两个重要定义：第四章内燃机的性能指标2、有效指标④由吸入空气量计算平均有效压力•对柴油机（难以保证燃料与空气的均匀混合）来说，φa总是大于1（稀混合气，实际供给的空气量大于理论空气量），以保证喷入气缸的柴油能完全燃烧。柴油机在吸入气缸的空气量一定的情况下，φa比较小意味着可以向气缸多喷油，吸入气缸的空气利用率高，发出的功率大。因此，φa是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标，应力求减小φa，减小φa在小型高速柴油机中主要受燃烧完善程度的限制，在大型及增压柴油机中主要受热负荷的限制。柴油机在全负荷时φa的一般数值范围为：高速非增压柴油机φa＝1.2～1.5；增压柴油机φa＝1.7～2.2•对汽油机来说，在整个运行工况中，可以遇到φa＞1和φa≤1的各种情况。汽油机在全负荷时φa的一般数值范围为:φa＝0.85～1.1第四章内燃机的性能指标2、有效指标④由吸入空气量计算平均有效压力•根据过量空气系数φa的定义sscshc1Vmm•得每循环加热量Q为式中：gb——每循环供油量•根据平均有效压力pme的定义u0aSScubHlVHgQ•上式建立了动力性能指标和经济性能指标之间的关系，是分析内燃机性能的一个重要依据。•根据充量系数φc的定义，每循环的实际充气量可写成：式中：ρS——进气管状态下空气密度0b10algmllSetSemeVQVWpitmcS0aumelHp第四章内燃机的性能指标•则2、有效指标⑤提高内燃机动力性能和经济性能的主要措施nKPcmitaS1L•此外，作为衡量内燃机经济性能的指标be：mit2eKb•为了分析提高内燃机动力性能和经济性能的各种措施，可先分析影响单位气缸工作容积的输出功率，即升功率PL的各种因素：式中：4011031lHKu变化很小，可假定为常数式中：uHK62106.3为常数a.采用增压技术：在保持过量空气系数等参数不变的情况下，增加进入气缸空气的密度可以使内燃机功率按比例增长。柴油机通过安装增压器，使进入气缸的空气密度增加，促使柴油机的平均有效压力和升功率