第1章_性能指标与影响因素

点燃式和压燃式内燃机工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控Email:[e-mail]:010-62772515-14帅石金清华大学汽车工程系汽车发动机原理AutomotiveEngineFundamentalsDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力1.动力的获取和输出；能量的消耗和利用2.燃料能量转换的“质”环节；加入整机能量总量的“量”环节DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity讲课内容1.工质对活塞所作功及示功图2.发动机的性能指标3.影响动力经济性指标的环节与因素第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力p-图示功图（四冲程）p-V图EIIETDCTDCTDCBDCBDCw/ocombustion0180360540720CAppzp0IVCEVOEVCIVOTDC(上止点)BDC(下止点)ppzp0VsVcVpAdsTDC-TopDeadCenterBDC-BottomDeadCenterIVO-IntakeValveOpenIVC-IntakeValveCloseEVO-ExhaustValveOpenEVC-ExhaustValveClose示功图IndicatorDiagram压力图/展开示功图要求会识图和画图！正负功确定原则：压力方向与活塞运动方向一致，工质对活塞作正功压力方向与活塞运动方向相反，工质对活塞作负功工质对活塞所作功Compression压缩过程W0Power作功过程W0Intake进气过程W0Exhaust排气过程W0WpdV=循环功：动力过程功：压缩与燃烧膨胀冲程所作功之代数和泵气过程功：进气与排气冲程所作功之代数和(总)指示功＝动力过程功＋理论泵气功(不考虑泵气损失)净指示功＝动力过程功＋泵气过程功(考虑泵气损失)进气压力pd大气压力p0排气压力pe大气压力p0与泵气有关的功：理论泵气功忽略流动阻力,进、排气冲程压力所作功之代数和。自然吸气发动机进、排气压力相同（等于大气压力），即理论泵气功为零实际泵气功(泵气过程功)由于流动存在阻力，进气压力低于大气压，排气压力高于大气压力，造成进气和排气流动损失功，两者之和为实际泵气功W2+W3负功泵气损失(Pumpingloss)（实际泵气功理论泵气功）W2+W3负功自然吸气(NaturalAspirated)发动机作功分析(总)指示功＝W1+W3净指示功＝(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2进气压力pd大气压力p0排气压力pe大气压力p0自然吸气(NaturalAspirated)发动机作功分析与泵气有关的功：理论泵气功忽略流动阻力,进、排气冲程压力所作功之代数和。自然吸气发动机进、排气压力相同（等于大气压力），即理论泵气功为零实际泵气功(泵气过程功)由于流动存在阻力，进气压力低于大气压，排气压力高于大气压力，造成进气和排气流动损失功，两者之和为实际泵气功W2+W3负功泵气损失(Pumpingloss)（实际泵气功理论泵气功）W2+W3负功DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理论泵气功(pb–pk)Vs正功实际泵气功W2正功泵气损失功W2-(pb–pk)Vs阴影面积负功(总)指示功W1＋(pb-pk)Vs净指示功W1+W2涡轮增压(Turbocharging)发动机作功分析实际进气压力pd＞实际排气压力pe＞大气压力p0记住：理论泵气功和实际泵气功可正、可负，但泵气损失功永远为负！DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity示功图（二冲程）BDCTDCEPOIPOEPCIPCppzp0VCVSV540BDCBDCTDCTDCBDCppzp00180360720CAEIIPO-IntakePortOpenIPC-IntakePortCloseEPO-ExhaustPortOpenEPC-ExhaustPortClose1.自学曲轴箱扫气式二冲程发动机的曲轴箱换气功2.思考:为什么四冲程发动机可以忽略曲轴箱换气功，而二冲程发动机不可以忽略？3.思考：为什么车用发动机大都用四冲程发动机？DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity讲课内容1.工质对活塞所作功及示功图2.发动机的性能指标3.影响动力经济性指标的环节与因素第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与新能源动力系统DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity1.动力性能指标功率(Power),转矩(Torque),转速(Revolution/Speed)有效平均压力(BrakeMeanEffectivePressure,BMEP)2.经济性能指标有效燃料消耗率(BrakeSpecificFuelConsumption,BSFC)机油消耗率(Oil/LubricantConsumption)3.环保性能指标碳氢(HC),一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx),二氧化碳(CO2)颗粒物(ParticulateMatter,PM),干碳烟(DrySoot,DS)噪声振动冲击(NoiseVibrationHarshness,NVH)4.使用性能指标可靠性或耐久性(Robust/Reliability,Durability)检测/维护(Inspection/Maintenance,I/M)发动机性能(Performance)指标DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity指示指标与有效指标1.以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示(Indicated)指标基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏用于理论分析和科研2.以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效(Brake/Effective)指标由试验测出，直接反映产品最终性能用于产品开发、生产和使用当中只有与作功有关的指标，如功、功率、油耗、平均压力、热效率等才有“有效”与“指示”之分DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity循环指示功、循环有效功与机械损失功meimemfm理论上：pmemfm测量上：21i以自然吸气内燃机为例：曲轴输出的循环有效功循环净指示功机械损失功＝摩擦损失功＋附件消耗功＋泵气损失功mei31i循环(总)指示功这里，循环指示功是指循环总指示功!即泵气损失功计算在机械损失功内！摩擦损失功＋附件消耗功曲轴输出的循环有效功DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity动力性能指标pWVmiis[]p.VpdVWp1bar10Nm10Nmm0.1kJdmmisimi52533注意：这里的压力事实上就是物理上所说的压强，N/m2指示平均压力(IndicatedMeanEffectivePressure,IMEP)定义：单位气缸工作容积所作的循环指示功循环指示功可以认为是一个假想不变的压力pmi作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作功指示平均压力反映发动机作功能力的大小(单位体积作功量大小J/m3)和强化程度。使不同发动机的动力性具有可比性DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity不同发动机有效平均压力pme范围摩托车发动机（四冲程）赛车发动机（自然吸气）赛车发动机（涡轮增压）轿车汽油机（自然吸气）轿车汽油机（涡轮增压）轿车柴油机（涡轮增压）卡车柴油机（涡轮增压）大型柴油机中型高速柴油机十字头二冲程柴油机pme[bar]1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.2mmmimepppDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity功率Powersmi)/2()/2(VpτinWτinPiipmi:IMEP指示平均压力pme:BMEP有效平均压力eimPPP)()/2(smemiVppτinsmmm)/(2VpτinPpmm:MMEP机械损失平均压力指示功率(Indicatedpower)有效功率(Effectivepower)机械损失功率(Mechanicallosspower)2-stroke:=24-stroke:=4动力性能指标s)/2()/2(VpτinWτinPmeee注意：注意这里所列的性能指标单位是国标单位DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity转矩：Torquesmetqtqe)/2(2VpτinnTωTP转矩(N.m)smetqVpπτiTmetq~pTstqmeπVTiτp角速度(rad/s)E.g.：单缸四冲程发动机L2dm23sVmN126,r/min5000tqTn333mem102Nm12614πdm2Nm1261πτp0.792MPadmkJ0.792bar7.92mN00079232mep动力性指标之间的关系有效平均压力：BMEP功率：Power对于某一发动机，转矩和有效平均压力都反映负荷（load）的大小DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity有效效率：uet1eeHηPBbEffectiveefficiencyFuelmassflow燃料流量(kg/s)Lowheatvalue低热值(kJ/kg)kgkJ42800;0.35uetHηkWsg428000.351000kJkg428000.351ebkWhg240kWhg428000.3536001000uit1iiHηPBbIndicatedefficiencyuiitHBPη经济性指标有效燃料消耗率：BSFC指示效率：指示燃料消耗率：ISFCueetHBPηE.g.求油耗：DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity比功率(升功率,powerdensity)PL—单位发动机排量发出的功率(评价气缸容积利用程度和紧凑性)PL=Pe/Vs(kW/L)比质量me—单位有效功率所占发动机质量(评价轻量化和紧凑性)me=m/Pe(kg/kW)比容积Ve—单位有效功率所占发动机的体积(评价紧凑性)Ve=V/Pe(m3/kW)功率密