发动机原理

第二章内燃机循环及性能评价第一节概述第二节内燃机的理论循环第三节内燃机实际循环及其评价指标第四节内燃机有效性能指标第五节机械损失第六节热平衡吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价§2-1概述内燃机：EQW的动力机械装置。转换方式：热力循环四冲程=进、压、做功、排三个环节：混合气形成及换气过程：QW的物质基础，A/F，v燃烧放热过程：放热规律，热效率i，排放能量传递过程：机械效率m，机械损失AFA/Fv燃烧吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价改善内燃机性能==能量转换效果：体现在完善上述三个环节题上，即：混合气：燃料汽/柴/替代燃料，热值/成分不同换气过程尽可能提高充量，提高气缸利用率燃烧：完全、及时节能，CO、HC放热规律压力升高率（NOx），热效率能量传递：机械损失摩擦、泵气、驱动附件机械效率——提高m的措施吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价§2.2内燃机的循环理论一、卡诺循环与内燃机的动力循环卡诺循环组成:绝热压缩、绝热膨胀做功过程、等温加热过程、等温放热过程卡诺定理：任何实际循环热效率都卡诺效率1212111TTQQQWtc意义：指明热力动力机械装置提高热效率的途径卡诺效率:提高动力循环热效率的主要途径温差吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价内燃机实际循环：工质非理想气体—空气和燃料混合物进气排气流动损失—换气过程压缩、膨胀非绝热过程—多变过程燃烧非等温放热—不完全燃烧、时间损失汽油机—通过液体燃料（汽油）实现奥托循环发明轻便快速内燃机；但热效率受限制柴油机—从卡诺循环，以提高热效率增加压缩比提高温差的过程中发明；热效率至今最高理论循环的抽象：工质为理想气体—循环比热容为常数无进排气损失—闭口系统压缩、膨胀过程为绝热过程燃烧为等容或等压加热，排气为等容放热假设条件吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价)12(1121QQQWtt二、三种理论循环及评价指标1）根据加热方式不同分为：a)等容加热循环b)等压加热循环c)混合加热循环2）评价指标:1.循环热效率定义：吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价对混合加热循环，压力升高率和预胀比:压缩比为，由热力学：ZZczVVpp;constpcckTTcTTcQQQTTcQkpzzpczpab;)()(;1112代入（2-1）时，得：)22()1()1(1111kkktm令=1，等容加热循环：令=1，等压加热循环：）（32111kt）（42)1(1111kkktp)12(1121QQQWtt吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价影响因素：：，平均吸热温度，放热温度，T，膨胀比,所以，效率效率t由卡诺循环，平均温差增加，c⇑但，14后，随，t缓慢，机械/热负荷TSt14n=k=1.4n=1.3n=1.2n=1.25n：多边指数n，nk=1.4（空气），工质更接近空气，热效率，如稀薄燃烧技术等吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价及：a)定容循环:不变，，Q1，Q2，Q2/Q1不变，∴t不变b)混合循环：Q1、一定，，，t=1吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价2.循环平均压力pt定义：单位气缸工作容积所做的循环功评定循环的做功能力混合：定容：定压：ststVQVWp1takktmkkpp1111takktvkpp111takktpkkpp)1(11吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价三、三种理论循环的比较a)Q1，相同：∵等容加热速率快，Q2pQ2mQ2v∴tvtmtpb)Q1，pz相同：∵不同，即pmvQ2vQ2mQ2p∴tptmtvc)Tz，pz相同：∵工质做功能力相同，Q2p=Q2m=Q2v∴tptmtv吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价§2-3内燃机实际循环及其评价指标一、实际循环：1个循环4个行程5个过程：进-压-燃烧-膨胀-排，各过程都存在各种损失1.进气过程：换气，为气缸Q-W转换物质准备理想—无损失的可逆过程；纯空气，p=p0实际—进气流动损失：热交换：高温零件加热残余废气22vpppasasaaTTT进气道、气缸壁、进排气门吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价汽油机：柴油机：增压柴油机：增压压力：;)9.0~8.0(sappKTa380~340;)95.0~85.0(sappKTa340~300;)0.1~9.0(sappKTa380~320skpp)0.2~3.1(吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价2.压缩行程（过程）作用：燃烧前的准备——提高p和T；提高膨胀比——提高效率理想：纯空气，绝热过程：k=1.4;实际：多边过程热交换/漏气，平均多边指数；原则：以平均n1计算结果终了状态相同，即压缩终了状态：1nacpp11nacTT吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价汽油机：n1=1.32~1.38;柴油机：n1=1.38~1.4；;MPa0.2~8.0cpK750~600cTMPa;5~3cpK1000~750cT;12~7;22~14吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价3.做功行程膨胀做功行程=燃烧过程+膨胀过程作用：实现EQ1W的能量转换过程燃烧过程：实现EQ1的转换理想循环：假设为等容加热或等压加热实际循环：燃烧非瞬时，时间损失，不完全燃烧汽油机：均匀预混合气，提前点燃，火焰传播柴油机：边混边燃，喷油提前，预混合/扩散燃烧增压柴油机：MPa;5.6~3zpK2800~2200zTMPa;9~5.4zpK2200~1800zTMPa15~9zp通过燃烧吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价膨胀过程：实现：Q1W的转换理想：均质空气，绝热膨胀实际：多变过程，取决于热交换、泄漏、补燃、工质变化；用平均多边指数：n2评定多边过程原则：计算结果与实际一致通过曲柄连杆机构工质被加热时：n`2k工质向气缸壁散热时：n`2k吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价汽油机：n2=1.23~1.28；膨胀终了：MPa;6.0~3.0/2nzbppK1500~1200/12nzbTTMPa;5.0~2.0/2nzbppK1200~1000/12nzbTT柴油机：n2=1.15~1.28;膨胀终了：柴油机高，膨胀比大，热效率高，膨胀终了温度及压力都比汽油机小吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价4.排气行程作用：尽量排净，为下一循环充气准备理论：无阻力，可逆，或闭口系统实际：排气流动损失：传热现象：废气与排气管壁的传热残余废气系数：srrppp1mmrr排气门、排气道、排气管、消声器评价换气过程排出废气的完善程度排气后缸内的残余废气量进入气缸的新鲜充气量吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价排气终了状态：汽油机：K1100~900;MPa)2.1~05.1(rsrTppK900~700;MPa)2.1~05.1(rsrTpp柴油机：排温取决于燃烧温度；燃烧过程迟后或后燃（补燃）增加排温升高。所以，排温是检查发动机燃烧状况的重要参数吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价二、实际循环的评价指标评价方法：指示指标，即以工质对活塞做功为基础，评价实际循环的做功能力和经济性。1.做功能力评价指标——动力性指标：1）平均指示压力：定义意义：比较不同气缸的做工能力；评价Vs的利用程度simiVWp32104SDpVpWmismii循环指示功kW气缸工作容积L吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价12030260inVpinVpinWtiWPsmismiiii2）指示功率：发动机单位时间所做的指示功其中，:1个循环所需时间（s）n:发动机转速r/min;i:气缸数：冲程数，四冲程机=4二冲程机=2nt260吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价2.经济性评价指标意义：评价为获得W而消耗的能量。方法：1）指示热效率：为获得循环指示功Wi所消耗的热量Q1（能源）之比，即2）指示燃料消耗率：单位时间，为获得单位指示功率所消耗的燃料量，即1QWiihg/kW103iiPBb其中，B：每小时燃油消耗量kg/h吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价由所以，汽油机：柴油机：]hg/kW[320~2054.0~3.0iib]hg/kW[205~1705.0~4.0iibkJ106.3hkW136106.3hbii其中，h:燃料的低热值吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价§2-4有效指标指示指标只评价缸内Q/W工作循环的好坏，不能评价内部动力传递过程中的损失。有效指标：以曲轴对外输出功率为基础，评价发动机性能——对外产生的效果包括动力性、经济性、排放性。1.动力性——评价对外做功的能力1）有效功率Pe：miePPPPi在发动机内部传递过程中损失一部分用m评价吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价其中，机械损失功率Pm包括：发动机内部摩擦损失；驱动附件损失；泵气损失—进排气损失机械效率m：定义mimmimiemppPPPP11动力传递过程内部损失大小吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价2）有效转矩Ttq：由发动机曲轴输出的转矩[Nm]由一个循环(2转)输出的功:We=Pe∆t=Ttq4/1000其中，一个循环所需时间：所以，　　　kW95501000602nTnTPtqtqe4;260ntTtq和n由试验测得，并用上式求有效功率吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价3）平均有效压力：单位气缸工作容积的有效功。或一般，汽油机：柴油机：增压柴油机：tqstqsesemeTiVTinVPVWp31014.3MPa30　　　　　　　　kW30inVpPsmeeMPa3.1~7.0mepMPa0.1~6.0mepMPa2.2~9.0mep吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价4）升功率PL：单位气缸工作容积输出的额定功率评价气缸工作容积的利用效率。seLiVPP定义式;30smeeniVpPnpnpPmemeL30称pmen为发动机强化指标；发展趋势：高功率（强化）、更轻巧、更紧凑型发动机但n的提高受活塞平均速度的限制。吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价5)转速n和活塞速度Cm：提高n，可增加发动机单位时间做功次数，PeCm，活塞热负荷，惯性力，磨损，寿命；为限制Cm,可SS/D。S/D1时为短行程。但S/D，燃烧室高，影响混合气形成和燃烧。30SnCmS：活塞行程✴比质量me：E/G质量m与标定功率之比：kg/kW　eePmm]kg/kW[4~1.1;kW/L100~30eLmP　　]kg/kW[9~5.2;kW/L60~30eLmP　　汽油机：柴油机：吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价一般汽油机：n=3600~8000r/min；柴油机：n=2000~5000r/min；增压柴油机：n=1500~4000r/min；smCm/18~10smCm/15~9smCm/12~8吉林大学汽车学院第二章内燃机循环及其性能评价2.经济性：从有效功角度衡量所消耗的燃料量。1）有效热效率2）有效燃油