发动机的性能指标课件

1、,汽车发动机原理,主讲人： 薛 晶 2014. 3,内蒙古农业大学 车辆工程专业,Principle of Automobile Engine,本课程主要以发动机的动力性、经济性、排放、噪声、振动等性能为研究对象，深入到发动机工作过程的各个阶段，分析影响性能指标的各种因素，找出性能指标变化的一般规律，从而得出提高发动机性能的具体措施；也为合理有效地选择和使用发动机，提供必要的基本理论知识和实验技能。,奔驰E230六缸2.5升发动机,发动机是汽车的动力来源，发动机的性能直接影响着汽车的性能、可靠程度和寿命。 The engine is the power source of automobile. Engine performance directly affects the performance, reliability and longevity of cars., 汽油机特点：工作柔和、噪声低、运转平稳、比质量轻，在轿车和轻型车上广泛应用。近年来由于汽车新技术的不断发展及其应用，汽油机在燃油经济性方面有了较大的改善。, 柴油机特点：载货汽车的主要动力，其最大优点是功率大、热效率高

2、、经济性好，一般柴油机的燃油消耗率比汽油机低3040。所以，近年来柴油机汽车发展迅速，尤其在载货汽车和客车及工程汽车领域，甚至在轿车领域柴油机的发展也是不可估量的，在汽车工业发达国家轿车柴油机化的比例很高。,发动机性能指标： 动力性能指标：功率、转矩和转速 经济性能指标：燃料与润滑油消耗率 运转性能指标：冷起动性能、噪声和排气品质 耐久可靠性指标 发动机质量评定：主要通过以上性能指标进行评定，但在评定时要把各种性能指标有机地结合起来。,第1章 发动机的性能指标,1.1发动机的理论循环,确切描述发动机的实际热力过程是非常困难的，通常将发动机实际工作循环加以抽象和简化，使其既近似于所讨论的实际循环，以便作定量分析，为讨论实际循环提供了理论依据。这种假想循环就称为发动机“理论循环”。,简化的假设条件： （1）假设工质为理想气体 ，在整个循环中保持物理及化学性质不变，其状态参量的变化完全遵守气体状态方程。 （2）气缸内系统为闭口系统，不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失，工质数量保持不变，循环是在定量工质下进行的。 （3）把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的绝热等熵过程，工质与外界不进行热

3、交换；工质比热容为常数。 （4）用假想的定容或定压加热和定容放热来代替实际的燃烧和换气过程。,根据对燃烧过程即加热方式的不同假设，可以得到三种基本理论循环，理论循环是用循环热效率和循环平均压力来衡量的。,1）混合加热循环,高速柴油机，按燃烧过程的特点分成定容和定压两种加热过程。活塞由下止点向上止点运动速度较快，简化为绝热压缩过程；燃烧开始阶段燃烧速度较快，气缸容积变化不大，可简化为定容加热过程，后期燃烧较慢，压力变化不大，可简化为定压加热过程；然后活塞由上止点向下止点运动，燃烧气体膨胀作功，这一过程可简化为绝热膨胀过程，放热过程简化为定容放热。所以车用柴油机的理论循环称为混合加热循环。,柴油机的混合加热循环由5个基本热力过程组成：a-c为绝热压缩过程；c- z为定容加热过程，加热量为 ；z-z为定压加热过程，加热量为 ；z-b为绝热膨胀过程；b-a为定容放热过程，放热量为 。,1.1.1基本理论循环,混合加热循环的热效率：,式中,压缩比，,压力升高比，,预膨胀比，,绝热指数，理想气体绝热指数是定值，其值取决于气体的原子数，单原子气体为1.67，双原子气体为1.4，三原子气体为1.3。,

4、 混合加热循环的平均压力：单位汽缸工作容积所做的功，是评价理论循环的做功能力的指标。, 压缩初始点的压力，即进气终了的压力。,2）定容加热循环,汽油机在实际工作中，由于燃烧前混合气形成的质量较好，燃烧时间短、速度快，燃烧过程接近于对缸内气体进行定容加热过程，其余过程和混合加热循环类似，所以汽油机的理论循环又称为定容加热循环。,定容加热循环实际可看作预膨胀比 =1 时的混合加热循环。定容加热循环由4个基本热力过程组成：a-c为绝热压缩过程；c-z为定容加热过程，加热量为Q1； z-b为绝热膨胀过程；b-a为定容放热过程，放热量为Q2。,将 =1代入混合加热循环热效率和平均压力计算式，得出定容加热循环的热效率和平均压力为,3）定压加热循环,低速柴油机工作接近定压加热循环。定压加热循环实际可看作压力升高比 =1时的混合加热循环。定压加热循环由4个基本热力过程组成：a-c为绝热压缩过程；c-z为定压加热过程，加热量为Q1；z-b为绝热膨胀过程；b-a为定容放热过程，放热量为Q2。,将 =1代入混合加热循环热效率和平均压力计算式，得出定压加热循环的热效率和平均压力为,结论：(1)当初始状态一致（

5、P1，T1相同）且加热量Q1及压缩比相同时，定容加热循环的热效率最高，定压加热循环的热效率最低，混合加热循环介于两者之间。 tv tmtp (2)当最高燃烧压力Pz和加热量Q1相同但压缩比不相同时，定压加热循环的热效率最高，定容加热循环的热效率最低，混合加热循环仍介于两者之间。 tp tmtv,图2-5 三种理论循环的比较,1.1.2理论循环的影响因素,1）压缩比,随着压缩比 的提高，三种循环的热效率 和平均压力 均提高。,定容加热循环热效率与压缩比的关系，压缩比较小时，随压缩比提高，热效率增加很快，但压缩比较大时，再提高压缩比则效果就不明显了。,在实际循环中，提高汽油机压缩比受爆震燃烧的限制，而柴油机在压缩比为22以上后对热效率的提高就不太明显了，相反压力的提高却对机体和零件的强度带来考验。,2）压力升高比,在定容加热循环中，压力升高比随着循环加热量Q1的增加而加大，且 值成正比加大。若 保持不变， 增大 则平均压力增加，循环放热量Q2亦相应增加。即 不变，pt提高。,在混合加热循环中，当压缩比和总加热量一定时，提高压力升高比 ，预膨胀比 相应减小，相应 减小，使循环热效率和平均压力

6、提高。,3）预膨胀比,在等压加热循环中，若 保持不变，随着加热量 增加， 值加大， 下降。 在混合加热循环中，当循环总加热量 和 保持不变时，若 值增大，意味着等压加热部分增大，同样 下降。,4）绝热指数,绝热指数k越大，热效率 越高。,在其他参数一定时，随着进气终了压力提高，气缸内最高温度和压力都会有所提高，循环平均压力也提高。,5）进气终了压力,（1）结构条件的限制 从理论循环的分析得知，提高压缩比和压力升高比对提高循环热效率起着有利的作用，但使循环最高压力急剧升高，从而对零件的承载强度要求更高，降低发动机的使用寿命和使用可靠性，为此必然增加发动机的质量，造成发动机体积与制造成本的增加。因此，用提高压缩比和压力升高比的方法来提高循环热效率时应权衡考虑。,（2）机械效率的限制 不加限制地提高压缩比和压力升高比反而会使机械效率下降，会产生提高压缩比和压力升高比带来的动力性增加量由于摩擦损失的增加而减少甚至消失。,从理论循环中所得到的结论用于指导实践时，必须考虑的约束和限制 ：,柴油机的压缩比一般在1422之间， 最高循环压力 汽油机的压缩比一般在612之间， 最高循环压力,（3）燃烧方

7、面的限制 压缩比过高时汽油机容易产生爆燃和表面点火等不正常燃烧现象。对于柴油机，过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积很小，使燃烧室的设计困难。,混合加热循环： 等容加热循环： 等压加热循环：,（1）各循环热效率的对比, 知识点小结,混合加热循环： 等容加热循环: 等压加热循环:,（2）各循环平均压力的对比,（3）三种理论循环热效率的比较,1）当压缩初始状态P1，T1相同，加热量Q1及压缩比相同时， tv tmtp 2）当压缩初始状态P1，T1相同，加热量Q1 及压缩比不同时， tptmtv,（4）理论循环影响因素分析： t = f（，） p t = f（，pa） (1) 压缩比：, t, pt； (2) 绝热指数： ，t , pt ； (3) 压力升高比: 定容加热循环，Q1,若不变, Q2,t不变, pt； 混合加热循环，、Q1保持不变,，t , pt； (4) 预胀比： 定压加热循环，Q1,若不变, t，pt； 混合加热循环，Q1、不变，,t，pt； (5) pa(循环初始压力) 对热效率无影响，但可以改变pt。,1.2 燃烧热化学,一.基本概念 1. 理论空气量 定义：1Kg燃料完

8、全燃烧，按化学反应方程式计算所需的空气量。 以质量分数表示1kg燃料中C、H、O元素含量： wC+wH+wO=1 按体积分数计，空气中O2约为21%，N2为79%。按质量分数计，O2约为23%。 C+O2=CO2 H2+1/2O2=H2O 求出1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量： L0 (kmol/kg) L0 (kmol/kg) L0 (kmol/kg),空气的摩尔数,(摩尔数*O2分子量32=O2质量) 空气的质量,(1摩尔气体的体积约为22.4L) 空气的体积,2. 过量空气系数a a=L/L0 L：1Kg燃料完全燃烧实际供给的空气量； L0：理论空气量。 a = 1 时为理论混合气， a1时称为稀混合气， a1时称为浓混合气。 汽油机a=0.81.2，高速柴油机a=1.21.6，增压柴油机a=1.82.2 3. 空燃比,图4-5 a 随负荷的变化关系,1.3.1 实际循环与理论循环的比较,实际循环与理想循环相比，主要存在以下各种损失：,a) 柴油机; b) 汽油机,实际工质损失(Wk)、传热损失(Wb)、换气损失(Wr+W)、燃烧损失(Wz)、不完全燃烧和摩擦损失 。,1.3

9、发动机的实际循环,1）实际工质损失(Wk),理论循环中假设工质比热容是定值，而实际气体比热容是随温度的升高而上升，对于相同的加热量，实际循环所能达到的最高燃烧温度小于理论循环的，结果使循环热效率下降。实际循环还存在泄漏，使工质数量减少，这意味着同样的加热量，在实际循环中所引起的压力和温度的升高要比理论循环的低得多，其结果是循环热效率低，循环所做的功减少。,2）换气损失(Wr+W),理论循环是闭式循环，没有工质的更换，不考虑发动机的进排气过程，也没有任何形式的流动阻力损失。实际发动机工作时，存在工质的更新，即进气过程吸入新鲜工质，排气过程强制排出废气，克服进排气系统的阻力会消耗部分机械功，这就是实际循环存在的泵气损失Wr。,换气过程中因排气门在下止点前的早开而产生的损失为提前排气损失W，泵气损失和提前排气损失之和称换气损失。,3）燃烧损失(Wz),实际发动机的燃烧过程不可能在瞬间完成，为使燃烧过程在上止点附近完成，必须在上止点前使混合气着火开始燃烧，到上止点后燃烧过程结束。实际燃烧速度的有限性与后燃及不完全燃烧的存在，使实际循环与理论循环存在差距。上止点前的燃烧使活塞在压缩过程消耗的功增加，而上止点后的燃烧使最高压力下降，循环净功减少，这就是实际循环存在的燃烧损失WZ。,4）传热损失(Wb),理论循环中将压缩和膨胀过程看作绝热过程，实际循环中，气缸内的工质与外界自始至终存在热量传递，而且大多数时间都有工质向外界放热，所以工质的实际作有用功的热量减少，作功过程的平均压力降低，循环功减少，实际循环热效率低于理论循环，这就是实际循环存在的传热损失Wb。,5）不完全燃烧和摩擦损失,在混合气过浓或混合气形成不良时，燃料存在燃烧不完全现象，燃料的化学能不能通过燃烧完全释放，使实际循环加热量减少，循环热效率和平均压力下降，这种损失称为不完全燃烧损失。 实际循环中还存在机械运动

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