第一章 发动机工作循环及性能指标,发动机理论循环概述 发动机实际循环 热平衡 指示指标 有效指标 机械损失 燃烧热化学,1-1发动机理论循环概述,一 实际循环向理论循环的简化,实际循环 ： 示功图：气缸内压力随曲轴的转角或气缸工作容积而变化的关系。,实际循环的简化： 1 忽略进、排气过程。 2 压缩、膨胀过程简化为可逆绝热过程。 3 燃烧过程简化为定容加热过程和定压加热过程。 4 排气放热简化为定容放热过程。 5 假定工质为定比热的理想气体。,定容加热 汽油机,定压加热 低速柴油机,混合加热 高速柴油机,理论循环：,二 理论循环及其分析比较,压缩比： 压力升高比： 预膨胀比： 热效率：,定容加热循环热效率的计算,理论循环热效率： 定容加热循环 ： 定压加热循环 ： 混合加热循环 ：,三种理论循环热效率的比较,1 初态1相同，压缩比相同，加热量q1相同 2 初态1相同，最高压力、最高温度相同，放热量q2相同,由热效率表达式，还可以得到如下结论：,提高压缩比可以提高热效率t，但提高率随着压缩比的不断增大而逐渐降低。 增大压力升高比可使热效率t提高。 压缩比以及压力升高比的增加，将导致最高循环压力pz的急剧上升。 增大初始膨胀比，可以提高循环平均压力，但循环热效率t随之降低。 绝热指数k增大，循环热效率t提高。,内燃机实际工作条件的约束和限制,1 结构条件的限制 提高、时，t提高，但pz急剧升高。 对承载零件的强度要求更高 缩短发动机的使用寿命 降低发动机的使用可靠性 发动机体积与制造成本的增加。,内燃机实际工作条件的约束和限制,2 机械效率的限制 、 摩擦阻力 机械损失 机械效率,内燃机实际工作条件的约束和限制,3 燃烧方面的限制 ，汽油机爆燃 、表面点火。 柴油机压缩终了的气缸容积 制造工艺的要求， 燃烧室设计的难度。,柴油机： =1222 pz714 Mpa =1322 汽油机： 612， pz38.5 MPa， =2.04.0,1-2 发动机实际循环与热损失,工质改变损失 传热、流动损失 换气损失 时间损失 燃烧损失 泄漏损失,一 工质改变损失,（一）工质性质 ： 理论上：理想气体，双原子气体。 实际上：燃烧前：燃料+空气； 燃烧后：燃烧产物。,（二）比热容 ： 理论上：定比热容。 实际上：温度T 比热容C。由于比热容随温度上升而增大，对于相同的加热量(燃料燃烧放热量)，实际循环所能够达到的最高燃烧温度小于理论循环，其最终的结果是使循环热效率下降，循环所做的有用功减少。,二 传热、流动损失,（一）传热损失 ： 理论上：压缩、膨胀过程为绝热过程。 实际上：大量热量通过气缸壁传给冷却水或空气。 传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的30%以上。,（二）流动损失 理论上：闭口系统，没有气体流动损失。 实际上：进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。,三 换气损失,定义：排气门提前开启造成的损失+进、 排气推动功之差。 理论循环换气功与实际循环换气功之差 理论上：忽略进、排气过程。 实际上：进、排气门提前开启，迟后关闭。而且有流动阻力。,四 时间损失,理论上：定容加热瞬间完成，定压加热速度与活塞运行速度密切配合。 实际上：燃烧需要时间。,五 燃烧损失,后燃损失 不完全燃烧损失,六 泄漏损失,理论上：闭口系统，无泄漏。 实际上：活塞气环不会100%严密密封，总会有些气体窜到曲轴箱中，造成损失。,热效率,汽油机：循环热效率 0.54-0.58 指示热效率 0.30-0.40 柴油机：循环热效率 0.64-0.67 指示热效率 0.40-0.45,1-3 热平衡,总热量：QT = GT hu 分别转化为 ：（ 柴油机） 有效功的热量 QE : 30%-40% 传递给冷却介质的热量Qs 15%-35% 废气带走的热量Qr 25%-45% 燃料不完全燃烧的热损失QB 0-5% 其它热量损失QL 2%-5% 发动机热平衡方程式：,1-4 指示指标,发动机性能指标：指示指标，有效指标。 指示指标：以工质在气缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。 有效指标：以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。,一 指示功和平均指示压力,指示功 :一个循环工质对活塞所做的有用功。,平均指示压力,单位气缸工作容积所做的指示功。,kPa,kPa,二 指示功率,单位时间所做的指示功。,(KW),三 指示燃料消耗率和指示热效率,指示燃料消耗率：单位指示功的耗油量,g/Kw.h,为每小时耗油量 kg/h ,指示热效率：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值，即i=Wi/Q1 Q1为得到指示功Wi所消耗的热量（J）,为燃料的低热值。,一般内燃机的i和gi的统计范围如下： i gig(kWh) 四冲程柴油机 0.400.50 205170 二冲程柴油机 0.400.48 218177 四冲程汽油机 0.250.40 320205 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。,1-5 有效指标,平均有效压力 单位气缸工作容积所做的有效功 有效功率 有效扭矩 机械损失功率 发动机内部损耗的功率。,升功率,在标定工况下，单位气缸工作容积所发出的功率,kW/L,升功率 是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的利用率作总的评价。它与pe和n的乘积成正比。 值越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断提高pe和n的水平以获得更强化，更轻巧和紧凑的发动机，一直是内燃机工作者致力以求的奋斗目标，因而 是评定一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。,比重量,定义：发动机净重量与所发出有效功率的比值 ， 发动机强化程度高,kw/l kg/kw 汽油机 22-55 1.5-4.0 柴油机 18-30 4.0-9.0 汽油机的强化程度要比柴油机的高,有效燃料消耗率 单位有效功的耗油量 有效热效率 发动机有效功与所消耗燃料热量的比值,汽油机 0.25-0.30 270-325 柴油机 0.30-0.40 214-285 增压柴油机 0.40-0.45 190-218 柴油机的热效率比汽油机的高，经济性比汽油机好,1-6 机械损失,一 机械损失 摩擦损失、驱动附件损失、泵气损失 机械效率：有效功率与指示功率的比值,二 机械损失的测定,倒拖法 灭缸法 油耗曲线法 示功图法,倒拖法,发动机与电力测功机相连。起动发动机，冷却水温度、机油温度达正常值。然后使发动机在给定工况下稳定运转。切断发动机的供油 ，将电力测功机转换为电动机使用，在给定转速下倒拖发动机，并维持冷却水温度和机油温度不变。从电力测功机上所测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。,灭缸法,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，停止向某一气缸供油或点火。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 灭掉缸的指示功率 ：,逐次灭缸，则整台发动机的指示功率为 整个发动机的机械损失功率为,思考题,现有一台双缸柴油机，标定功率Ne=a kw，应用灭缸法在标定转速下分别灭1、2缸时测得的有效功率为b kw、c kw ,问该机的机械损失功率Nm及机械效率各为多少？,油耗曲线法,该方法原理：,示功图法,运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出Ni值，从测功器和转速计读数中测出发动机的有效功率Ne，从而可以算出Nm，m值，这种直接测定方法是在真实的试验工况下进行的，从理论上讲也完全符合机械损失的定义。 试验结果的正确程度住往决定于示功图测录的正确程度，其中最大的误差来源于p图或pV图上活塞上止点位置不易正确地确定。此外，在多缸发动机中，各个气缸多少存在着定的不均匀性，而在试验中往往只测录一个气缸的示功图用以代表其他各缸，这也会引起一定的误差，因此，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。,总结,倒拖法 只能在电力测功机上试验 、不能用于增压发动机。国家试验标准规定优先采用 灭缸法 仅适用于多缸非增压柴油机 油耗曲线法适用柴油机 示功图法误差大、不常采用,三 影响机械效率的因素,转速,与n 似呈二次方关系，随n增大而迅速下降 若要提高转速来强化发动机，则 将成为主要障碍之一,2、负荷,负荷时，发动机燃烧剧烈程度，平均指 示压力；而由于转速不变，平均机械损失 压力基本保持不变。则由 ， 机械效率下降 当发动机怠速运转时 ，机械效率=0,三 润滑油品质和冷却水温度,冷却水、润滑油温度通过润滑油粘度间接 影响润滑效果。,水冷发动机的冷却水温应保持在8095。,1-7 燃烧热化学,汽油机： =14.796 kg/kg =0.515 kmol/kg 柴油机： =14.5 kg/kg =0.50 kmol/kg,（二）过量空气系数和空燃比,过量空气系数 ： 空燃比 A/F ：,（三）分子变更系数,1 理论分子变更系数 完全燃烧 不完全燃烧,2 实际分子变更系数 为1 kg 燃料燃烧后残余废气的摩尔数， 为残余废气系数。,二 燃料的不完全燃烧,（二） 1 柴油机 混合气混合不均匀，局部过浓或过稀，造成燃烧不完全。缸内情况十分复杂。,1-8 发动机混合气的着火和燃烧方式,一 连锁反应 二 汽油机燃烧 三 柴油机燃烧,一 连锁反应,连锁化学反应：一次反应后生成同量或多量活化中心。 发展过程： 链引发 链传播 链终止,二 汽油机预混合气体燃烧,火焰的形成（着火） 火焰的传播,1、汽油机火焰的形成,1 压缩的是燃料与空气的混合气体，在此过程中，已经进行了一些化学反应。 2 火花点火，局部温度高达2000以上，该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基，迅速反应出现热火焰，瞬间扩大到整个燃烧室内。所以，汽油机着火过程： 压缩混合气点火（经短暂着火延迟期）热火焰。形成火焰核心。,汽油机形成火焰核心的影响因素： 混合气浓度，着火浓度： =0.5-1.3 点火能量： 熄火距离,2 火焰的传播,汽油机：火焰传播。两相系：混合气相（未燃区）、燃烧产物相（已燃区）,火焰传播速度影响因素：,混合气浓度： =0.850.95,传播速度最快，功率混合气 =1.031.1, 经济混合气 气体流动状态 层流：UT =0.4-0.5m/s 紊流：UT =20-70m/s,三 柴油机燃烧,混合气着火 扩散燃烧,1 混合气的着火,柴油机 低温多级自燃 1 阶段 混合阶段 2 阶段 第一级反应 3 阶段 第二级反应 4 时间后 第三级反应, 着火延迟期,2 扩散燃烧,在燃烧过程中，如果混合过程比燃烧反应要快得多或者在火焰到达之前燃料与空气已充分混合，这种可燃混合气的燃烧称之为预混合燃烧。 汽油机和气体燃料发动机的可燃混合气的燃烧基本上属预混燃烧。,在柴油机中，燃料是借助于喷油装置在接近压缩终了时喷人气缸，经过一个很短的滞燃朗后即开始着火。在滞燃期内，若喷入气缸的燃料在着火前已蒸发并与空气混合，那么这部分燃料的