汽车发动机原理 第一章 发动机的性能

汽车发动机原理,第一章 发动机的性能,Engine Performance,主要内容,第一节 发动机理论循环 第二节 四冲程发动机的实际循环 第三节 发动机的指示性能指标 第四节 发动机的有效性能指标 第五节 机械损失和机械效率 第六节 热平衡 作业题及复习题,第一节 发动机理论循环,发动机的理论循环:将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些次要影响因素，并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、化学过程如可燃混合气的准备与燃烧过程等进行简化处理，得到便于进行定量分析的循环，称发动机的理论循环。p1,一、三种基本理论循环: p1 p6,1、研究理论循环的目的: p1 1)确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。 2)分析比较发动机不同热力循环方式的经济性和动力性。 3) 确定提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压力为代表的动力性的基本途径。,1 假定工质为定比热容的理想气体； 2 不计吸气和排气过程（工质的总质量保持不变），假设工质是在闭口系统中作封闭循环； 3 压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程； 4 把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，简化为等容加热过程或等压加热过程； 5 排气中的实际放热过程简化为等容放热过程； 6 忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为可逆过程，即假设循环过程为可逆循环。,简化原则为: p1,理解！,3、发动机的理论循环：,发动机理论循环的三种形式：a)混合加热循环、b)等容加热循环 c)等压加热循环。 p,二、循环热效率：p2p4,1、循环热效率(简称热效率) ：p2,式中： 工质所做循环功（J） 循环加热量（J） 工质在循环中放出的热（J）,评定循环经济性,理论循环是用循环热效率和循环平均压力来评定。,）混合加热循环的热效率,2、三种基本理论循环的热效率公式,式中 是压缩比，,其中 为气缸总容积， 为气缸压缩容积；,其中 为气缸工作容积； 是初始膨胀比，,； 是压力升高比，,是等熵指数。,2）等容加热循环的热效率,）等压加热循环的热效率,3、三种基本理论循环热效率的分析 1）混合加热循环热效率的分析,分析条件：循环总加热量不变。,2）等容加热循环热效率的分析,）等压加热循环热效率的分析,4） 等熵指数对循环热效率的影响,从理论循环的分析可知，提高压缩比c和压力升高比P对提高循环热效率t起着有利的作用，但发动机实际工作条件约束和限制循环热效率提高。,、发动机实际工作条件对循环热效率提高 的约束和限制： p34,1) 零件的强度和可靠性的限制 最高循环压力PZ急剧升高，降低发动机的使用寿命和可靠性。,2) 机械效率的限制 机械效率随最高循环压力升高而下降（曲柄连杆机构质量、惯性力增加） 3) 燃烧方面的限制 产生爆燃、表面点火等不正常燃烧现象 在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部，火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。 发动机的压缩比和压力升高比见p4。,1、循环平均压力 ： p4,评定循环的动力性,(kPa),式中： 循环所做的功（J） 气缸工作容积（L）,三、循环平均压力：p4,1）混合加热循环平均压力公式,2、三种基本理论循环平均压力公式,）等容加热循环平均压力公式,：进气终点的压力,(kPa),3) 等压加热循环平均压力公式,混合加热循环的平均压力随进气终点压力、压缩比、压力升高比、预胀比、绝热指数和循环热效率的增大而增大。p4,四、三种基本循环的比较：p4p6,表11 三种理论循环的比较,1、压缩比及加热量分别相同时比较 p5,压缩比 相同 加热量 相同 初态1相同,等容加热循环热效率最高，而等压加热循环的均最低。欲提高混合加热循环的热效率 ，应增加混合加热循环的等容部分。,2、加热量及循环的最高压力分别相同时比较,加热量 相同 初态1相同 循环的最高压力相同,对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率，宜按等压加热循环工作。,3、汽、柴油机负荷变化(不同加热量)时的对比：,柴油机：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部分变化不大。这相当于p基本不变而 减小，则t提高。,汽油机：点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传播距离不变。当负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相当于p下降而 上升，则t降低。,第二节 四冲程发动机的实际循环,一、发动机的实 际循环 1、进气过程 图a） 2、压缩过程 图b） 3、燃烧过程 图c） 4、膨胀过程 图c） 5、排气过程 图d）,1、实际工质的影响 实际工质影响引起的损失（比热容、泄漏）： 2、换气损失 换气损失： 提前排气损失： 3、燃烧损失 非瞬时燃烧损失 和补燃损失： 不完全燃烧损失 4、传热损失 传热、流动 损失： 5、缸内流动损失,二、发动机实际循环与理论循环的比较,图112 发动机实际循环与理论循环的比较 a) 柴油机 b) 汽油机,第三节 发动机的指示性能指标,发动机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为计算基础的指标，简称指示指标。,指示指标表征工质在汽缸内部经历的循环的完善程度，以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价由燃烧到热功转换工作循环进行的质量。是从示功图测量计算得出的。,一、 指示功和平均指示压力,指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。指示功的大小可以由pV图中闭合曲线所占有的面积求得。,（J或N·m）,平均指示压力是指单位气缸容积一个循环所作的指示功(Pa) 。,式中， D和S分别为气缸直径和活塞行程,平均指示压力可以设想为一个恒定的压力作用于活塞顶上，使活塞移动一个行程所作的功，即循环的指示功Wi 。,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。,图115 指示功与平均指示压力,二 、指示功率：,指示功率Pi ：发动机单位时间内所作的指示功。,若：一台内燃机的缸数i，每缸的工作容积Vs (L) ，平均指示压力为pmi (MPa ) ，转速n(r/min)，冲程数。,(kw ),三、指示热效率和指示燃油消耗率,指示热效率it：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。,对于一台发动机，若测得其指示功率Pi (kW)、每小时燃油消耗量B(kg/h) ，则：,指示燃油消耗率g(kW·h)：指单位指示功的耗油量。通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示：,表示实际循环的经济性指标it和bi之间存在着以下关系：,一般内燃机的it和bi的统计范围如下： it big(kW·h) -1 四冲程柴油机 0.4l0.48 210175 二冲程柴油机 0.400.48 218177 四冲程汽油机 0.250.40 344218 二冲程汽油机 0.190.27 435305,从统计范围可以看出：柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。,第四节 发动机的有效性能指标,以曲轴输出功为计算基础的性能指标，称为有效性能指标，简称有效指标。 有效指标被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣。,一、发动机动力性指标,1、有效功和有效功率 有效功：发动机每循环曲轴输出的单缸功量 。,有效功率,( kw ),机械损失: 发动机内部摩擦损失； 驱动附件损耗； 泵气损失等。,2、有效转矩,发动机工作时由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩，可由测功器测得。 (N·m),发动机的有效功率Pe(kW)可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩Ttq及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求得:,3、平均有效压力：,发动机单位气缸工作容积所输出的有效功。 与平均指示压力相似； 平均有效压力是衡 量发动机动力性能 的一个很重要的参数。,Ttqpme pme 反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。,4、转速n和活塞平均速度,（m s）,式中， S为活塞行程(m) n为发动机转速(r/min),二、发动机经济性指标,衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率et和有效燃油消耗率be。 有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值，即,有效燃油消耗率g(kW·h)是指单位有效功所消耗的燃油量，用be表示：,（ g/kw·h ）,可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。,一般内燃机在标定工况下的be和et值大致在以下范围： beg (kW·h)-1 et 低速柴油机 190225 0.380.45 中速柴油机 195240 0.360.43 高速柴油机 215285 0.300.40 (其中较低的be值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机) 四冲程汽油机 274410 0.300.20 二冲程汽油机 410545 0.200.15,三、发动机强化指标,升功率：在标定工况下(指标定转速、标定功率)，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。,式中，pme为标定工况下的平均有效压力，MPa； n为标定转速，rmin。,(kWL),比质量：是发动机质量与所给出的标定功率之比:,(kgkW),汽车发动机要求质量小、功率大，所以其升功率大、比质量小。汽油机的强化程度要比柴油机的高.,强化系数,平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为 强化系数。,与活塞单位面积的功率成正比。其值愈 大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。,表116 强化系数范围,第五节 机械损失和机械效率 一、机械效率,机械损失：摩擦损失（62-75%）、驱动附件损失（10-20%）、泵气损失（10-20%） 平均机械损失压力pmm 发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。,式中， Pm为机械损失功率(kW)； Vs为工作容积(L)； n为转速(rmin)； i为气缸数目。,机械效率： 发动机的有效功率与指示功率之比。,二、机械损失的测定,1、示功图法 2、倒拖法 3、灭缸法 4、油耗线法,1、示功图法:,运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出Pi值， 从测功器和转速计读数中测出发动机的有效功率Pe，从而可以算出Pm，m及pmm值。,示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正时才能取得较满意的结果。,试验结果的正确程度决定于示功图测录的正确程度： a.最大的误差来源于pV图上活塞上止点位置不易 正确地确定； b.各个气缸的不均匀性。,2、倒拖法只能在电力测功机上试验,试验时，发动机与电力测功器相连，当 发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油 温度到达正常数值时，切断对发动机的供 油，同时将电力测功器转换为电动机，以给 定转速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油 温度不变，这样测得的倒拖功率即为发动机 在该工况下的机械损失功率。 该方法常用于汽油机机械损失的测定。,3. 灭缸法（熄火法、断缸法）,仅适用于多缸机 当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出 整个发动机的有效功率。之后，在柴油机油门拉杆或 齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下， 停止向某一汽缸供油或点火。调整测功机，使发动机 恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余五个汽 缸的有效功率），必然减小（一缸熄火），两者之差 即为灭掉缸的指示功率。逐次灭缸，则整台发动机的 指示功率为各缸相加。 由于汽油机进气情况的改变，往往得不到正确的结 果，另外该方法也不能用于废气涡轮增压发动机和单 缸发动机。,如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率(Pi)x：,