发动机原理 第二章 内燃机循环及性能评价指标

第二章内燃机循环及性能评价指标本章主要内容内燃机的理论循环和实际循环评定内燃机的性能评价指标内燃机的热平衡第一节概述内燃机热功转换及能量传递过程示意图从燃料和空气进入气缸混合燃烧到对外输出做工需经过三个环节：1、混合气的形成并导入气缸的过程；2、燃烧放热过程；3、能量的传递过程。总热量—机械功—指示功（循环功）—有效功第二节内燃机的理论循环定义：内燃机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些因素，所得出的简化循环。意义：通过对理论循环的研究，可以清楚地确定影响内燃机性能的某些重要因素，从而找到提高内燃机性能的基本途径。一、卡诺循环与内燃机的动力循环卡诺循环：P-V图；T-S图卡诺循环组成：1、绝热压缩过程（a-c）2、等温加热过程（c-z）3、绝热膨胀做功过程（z-b）4、等温放热过程（b-a）热效率（卡诺效率）见式2-1a二、三种理论循环等容加热循环等压加热循环混合加热循环见13页图2-31212111QQQQQQWt根据加热方式不同，发动机有三种基本理论循环：等容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速）定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃烧最高压力的限制）混合加热循环（高速柴油机）三、理论循环的评价循环热效率ηt定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比意义：评定循环经济性循环平均压力pt定义：单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力意义：评定循环动力性（做功能力）循环热效率ηt按工程热力学公式，混合加热循环热效率为ε一压缩比，ε=Va／Vc=(Vs+Vc)／Vc=1+Vs/Vc，其中，Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积；（汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15）λ一压力升高比，λ=pz/pc；ρ一预膨胀比，ρ=Vz/Vz’=ε/δ；δ—后膨胀比，δ=Vb/Vz；K一绝热指数1212111QQQQQQWt111111KKKtm定容加热循环（ρ=1）热效率为定压加热循环（λ=1）热效率为111KtV)1(1111KKKtP111111KKKtm影响ηt的因素l.压缩比ε提高ε，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，三种循环的ηt都提高。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。2.绝热指数K：随K值增大，ηt将提高。3.压力升高比λ：定压加热循环λ=1，定容加热循环λ不影响ηt，混合加热循环随λ增大ηt将提高。4.预膨胀比ρ：定容加热循环ρ=1，定压加热循环和混合加热循环随ρ增大ηt将下降。四、理论循环的比较1、循环总加热量和压缩比相同时定容加热循环热效率＞混合加热循环热效率＞定压加热循环热效率2、缸内最高压力受限制时定压加热循环热效率＞混合加热循环热效率＞定容加热循环热效率循环平均压力ptpt（kPa）是单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力按工程热力学公式，混合加热循环的平均压力（推导过程见教材14页）stVWptaKtmKKpp)]1()1[(11定容加热循环（ρ=1）的平均压力为定压加热循环（λ=1）的平均压力为可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比ε、压力升高比λ、预膨胀比ρ、绝热指数K和热效率ηt的增加而增加。taKtVKpp)1(11taKtPKKpp)1(11第三节内燃机实际循环及其评价指标一、实际循环实际循环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φ）而变化的图形表示，即示功图p－V图，p－φ图称为展开示功图。p－V图上曲线所包围的面积（积分）表示工质完成一个实际循环所做的有用功。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程（四个行程）所组成。1、进气行程进气流损失；进气道、汽缸壁、进气门等加热作用2、压缩行程作用略3、做功行程包括燃烧过程和膨胀过程4、排气行程排气流动损失过程示功图过程描述作用终点压力P(MPa)（P0=0.1015MPa）终点温度T(K)进气r-a线活塞下行，进开排关吸入新鲜混合气汽：0.075~0.08柴：0.08~0.09汽：370~400柴：300~340压缩a-c线活塞上行，进关排关增大工作过程温差，提高热功转换效率，为燃烧创造条件汽：0.6~2.0柴：3.0~5.0汽：600~750柴：750~1000燃烧c-z线上死点附近，进关排关化学能转变为热能，工质的压力、温度升高汽：3.0~6.5柴：4.5~9.0汽：2200~2800柴：1800~2200膨胀z-b线活塞下行，进关排关活塞主动对外做功，热能转变为机械能，工质的压力、温度下降汽：0.3~0.6柴：0.2~0.5汽：1200~1500柴：1000~1200排气b-r线活塞上行，进关排开排出废气汽：0.105~0.115柴：0.105~0.115汽：900~1200柴：700~900二、实际循环的评价指标指示指标用来评定实际循环质量的好坏，以工质在气缸内对活塞做功为基础。1、实际循环的动力性（做功能力）指标平均指示压力pmi指示功率Pi2、实际循环的经济性指标指示热效率ηi指示燃料消耗率bi平均指示压力pmi平均指示压力pmi（MPa）是发动机单位气缸工作容积的指示功pmi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标simiVWp32104SDpVpWmismiipmi（MPa）汽油机0.8-1.5柴油机0.7-1.1以一个假想的、大小不变的压力作用在活塞上，使活塞移动一个行程，其所做的功等于循环功，则此假想的压力即为平均指示压力pmi指示功率Pi发动机单位时间所做的指示功。30260inVpinWPsimii指示热效率ηi和指示燃料消耗率bi指示热效率ηi是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值。指示燃料消耗率bi（简称指示比油耗）是指单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的耗油量表示。[g／（kW·h）]1QWii310iiPBbηi、bi的大致范围ηibi[g／（kW·h）]汽油机0.3-0.4205-320柴油机0.4-0.5170-205第四节内燃机有效性能指标内燃机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了内燃机整机的性能，通常称它们为有效指标。两类指标的比较指示指标（i）以工质在气缸内对活塞做功为基础，评定实际循环质量的好坏。有效指标（e）以曲轴对外输出的功率为基础，代表整机的性能。一、发动机动力性能1.有效功率PePe=Pi-Pm机械损失功率Pm1)发动机内部运动零件的摩擦损失。比例最大2)驱动附属机构的损失3)泵气损失，指进排气过程所消耗的功发动机有效功率Pe由试验测得有效转矩Ttq发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Ttq3101047.095501000602nTnTnTTPtqtqtqtqe2.平均有效压力pme平均有效压力pme（MPa）是发动机单位气缸工作容积输出的有效功pme值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强。它是评定发动机动力性的重要指标niVPpseme30pmi（MPa）pme（MPa）汽油机0.8-1.50.7-1.3柴油机0.7-1.10.6-1.03.升功率PL升功率PL（kW／L）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。它用来衡量发动机容积利用的程度。3030npiVinVpiVPPmessmeseL转速n和活塞平均速度Cm提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大Cm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损增大，寿命下降，Cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s，柴油机不超过13m/s为了提高转速又不使Cm过大，由上式知，可以减小行程S，即对于高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比（S/D）值。当S/D1时，常称为短行程30SnCm二、发动机经济性能1.有效热效率ηeηe是发动机的有效功We（J）与所消耗燃料热量Q1之比值2.有效燃料消耗率bebe[g/（kW·h）]是单位有效功的耗油量（简称耗油率），通常以每千瓦小时的耗油量表示1QWee1000eePBbηt、ηi、ηe、bi、be的大致范围ηtηiηebi[g/(kW·h)]be[g/(kW·h)]汽油机0.54-0.580.3-0.40.25-0.3205-320270-325柴油机0.64-0.670.4-0.50.3-0.45170-205190-285升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围PL（kW／L）me（kg／kW）pmeCm（MPa·m／s）汽油机30-701.1-4.08-17汽车柴油机18-302.5-9.06-11三、排放指标（欧洲排放体系）①表示欧盟委员会建议；②表示欧盟议会建议。标准名称生效时间CO/g.km-1HC/g.km-1NOX/g.km-1NOX+HC/g.km-1测试规范欧洲11992.072.72－－0.97ECE+EUDC欧洲21996.012.20－－0.50欧洲32000.01①2.300.200.15－修改试验规范2000.01②2.300.120.15－欧洲42005.01①2.300.100.08－2005.01②2.300.100.08－第一部分（ECE），试验时需运行4个循环，总时间为13min。每循环持续时间为195s，总里程为4.052km，每循环里程为1.013km，平均车速为18.7km／h（不包括怠速时为27.01km／h）最高车速为50km／h，怠速时间占31％。第二部分为附加的市区行驶工况（EUDC），总时间为1220s，试验里程为11.007km，平均速度为32.5km／h（不包括怠速时为42.6km／h），最高车速为120k／h，怠速时间占26.2％。取样开始时刻为试验开始40s后。欧3（2000年）改为启动后即取样。噪声（属于环境指标）按产生机理分：流体噪声、机械噪声、电磁噪声、燃烧噪声危害：刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝交通运输噪声是现代城市的主要噪声源，约占城市噪声的75%，而其中发动机又是汽车的主要噪声源。包含流体噪声、机械噪声和燃烧噪声。第五节机械损失机械损失所消耗的功率占指示功率的10%-30%。降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环得到的功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高发动机性能重要的一个方面。机械损失分配情况机械损失名称占Pm的百分比（%）占Pi的百分比（%）摩擦损失其中活塞及活塞环连杆、曲轴轴承配气机构62-7545-6015-202-38-20驱动各种附件损失其中水泵风扇机油泵电器设备10-202-36-81-21-21-5带动机械增压器损失6-10泵气损失10-202-4总功率损失10010-30一、机械效率ηm机械效率ηm是有效功率和指示功率的比机械效率ηm的大致范围是：汽油机0.7-0.9柴油机0.7-0.85mimmimmimeiemppPPppPP111.摩擦损失（1）活塞组件产生摩擦的部件：活塞环、活塞裙部和活塞销主要影响因素：活塞环的结构与组合、活塞裙部的几何形状，缸套的温度及配合间隙等采取的措施：减少活塞环数目，减薄活塞环厚度，减少活塞裙部的接触面积，在裙部涂固体润滑膜等（2）曲轴组件产生摩擦的部件：轴颈与轴承、密封装置主要影响因素：润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比采取的措施：减少运动件的惯性质量，降低轴承负荷并使轴承宽度和轴径减小二、内燃机的机械损失（3）配气机构产生摩擦的部件：气门与气门导管、摇臂与凸轮主要影