汽车发动机原理张志沛第四版--内燃机性能指标及实际循环热计算.pptx
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1、 第一节内燃机理论循环概述第一节内燃机理论循环概述第二节内燃机实际循环与热损失第二节内燃机实际循环与热损失第三节热平衡第三节热平衡第四节指示指标第四节指示指标第五节有效指标第五节有效指标第六节机械损失第六节机械损失第七节燃烧热化学第七节燃烧热化学第八节燃烧基本理论第八节燃烧基本理论第九节实际循环的近似计算第九节实际循环的近似计算热计算热计算第十节第十节 实际循环数值计算的基本微分方程式实际循环数值计算的基本微分方程式第一章内燃机性能指标及实际循环热计算第一章内燃机性能指标及实际循环热计算本章要求:本章要求:1.掌握内燃机三种理想循环,理解内燃机实际循环掌握内燃机三种理想循环,理解内燃机实际循环
2、与热损失,了解内燃机热平衡;与热损失,了解内燃机热平衡;2.掌握内燃机指示指标与有效指标,理解机械损失掌握内燃机指示指标与有效指标,理解机械损失及其测试方法;及其测试方法;3.熟悉内燃机燃烧热化学及基本理论,了解内燃机熟悉内燃机燃烧热化学及基本理论,了解内燃机实际循环的热近似计算,了解时间循环数值计算实际循环的热近似计算,了解时间循环数值计算的基本微分方程。的基本微分方程。高高速速柴柴油油机机:混混合合加加热热循循环环燃燃烧烧过过程程基基本本上上由由定定容容燃燃烧和定压燃烧烧和定压燃烧1.混合加热循环混合加热循环第一节第一节 内燃机理论循环概述内燃机理论循环概述一、理想循环一、理想循环 汽油机
3、中混合汽油机中混合气燃烧迅速,近似气燃烧迅速,近似为定容加热循环。为定容加热循环。2定容加热循环定容加热循环 高增压和低速大高增压和低速大型柴油机工作循环近型柴油机工作循环近似为定压加热循环。似为定压加热循环。3定压加热循环定压加热循环二、评定指标二、评定指标混合加热循环混合加热循环1循环热效率循环热效率2循环平均压力循环平均压力混合加热循环混合加热循环06:39由上述理论循环的由上述理论循环的tt和和t t表达式可得出以下结论表达式可得出以下结论:()增增加加,可可提提高高t,t,但但其其提提高高率率将将随随值值的的不不断断增增大而逐渐降低。大而逐渐降低。()增增大大,由由于于可可增增加加混
4、混合合循循环环中中等等容容部部分分的的加加热热量量,从而导致热量利用率的提高,因而也可使从而导致热量利用率的提高,因而也可使tt提高。提高。()和和的的增增长长,将将伴伴随随着着最最高高循循环环压压力力z z的的急急剧剧上升。上升。()增增大大,可可提提高高t t,但但由由于于的的增增大大相相当当于于混混合合循环中等压部分的加热量增加了,因此循环中等压部分的加热量增加了,因此tt将随之降低。将随之降低。()绝热指数越大,则绝热指数越大,则t t越高,越高,第二节第二节 内燃机实际循环与热损失内燃机实际循环与热损失发动机实际循环与发动机实际循环与理论循环的比较理论循环的比较1.1.工质的影响:工
5、质的影响:工质的影响:工质的影响:实际循环中,燃烧前后工质成分、数量改变;实际循环中,燃烧前后工质成分、数量改变;2.2.换气损失:换气损失:换气损失:换气损失:实际循环中,存在进、排气过程中的流动阻力损失实际循环中,存在进、排气过程中的流动阻力损失和有用功损失;和有用功损失;3.3.气缸壁的气缸壁的传热损失:传热损失:传热损失:传热损失:工质与周围环境的热量交换;工质与周围环境的热量交换;4.4.燃烧损失:燃烧损失:燃烧损失:燃烧损失:(1 1)燃料燃烧速度的有限性)燃料燃烧速度的有限性 a.a.压缩负功的增加压缩负功的增加 ;b.;b.最高压力的下降最高压力的下降;c.c.初始膨胀比减小。
6、初始膨胀比减小。(2 2)后燃及不完全燃烧)后燃及不完全燃烧(3 3)在高温下部分燃烧产物分解而吸热,是循环最高温度下降。)在高温下部分燃烧产物分解而吸热,是循环最高温度下降。5.5.时间时间损失损失6.6.其他几项其他几项损失损失第三节第三节 热平衡热平衡一.一.热量分配情况:热量分配情况:(1 1)一部分转化为有用功)一部分转化为有用功 ;(2 2)一部分传递给冷却介质:)一部分传递给冷却介质:(3 3)废气带走的热量;)废气带走的热量;(4 4)不完全燃烧、辐射热、驱动附件的能量)不完全燃烧、辐射热、驱动附件的能量消耗等其他热量损失消耗等其他热量损失.Q QT T=Q=Qe e+Q+Qs
7、 s+Q+Qr r+Q+Qb b+Q+QL L 100%=q100%=qe e+q+qs s+q+qr r+q+qb b+q+ql l二二.发动机热平衡发动机热平衡第四节第四节 指示指标指示指标示示功功图图:气气缸缸内内工工质质的的压压力力p随随气气缸缸工工作作容容积积v或或曲曲轴转角轴转角变化的图形称为示功图。变化的图形称为示功图。1.指示功指示功Wi:气缸内完成一个工作循环所作的有用功。可由:气缸内完成一个工作循环所作的有用功。可由p-v图图中闭合曲线包围的面积求得。中闭合曲线包围的面积求得。Wi=Fi ab/106 (J)2.平均指示压力平均指示压力pi:单位气缸容积一个工作循环所作的指
8、示功。:单位气缸容积一个工作循环所作的指示功。pi=Wi/Vh (MPa)指示功率指示功率Pi:发动机单位时间内所作的指示功。:发动机单位时间内所作的指示功。一一.指示功和平均指示压力指示功和平均指示压力二二.指示功率指示功率1.指示热效率指示热效率i:发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。:发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。i=Wi/Q1 2.指示燃油消耗率指示燃油消耗率gi:单位指示功的耗油量。:单位指示功的耗油量。三三.指示热效率和指示燃油消耗率指示热效率和指示燃油消耗率第五节第五节 有效指标有效指标一一.内燃机动力性指标内燃机动力性指标1.有效功率有效功率Pe:发动机功
9、率输出轴上实际输出的净功率。:发动机功率输出轴上实际输出的净功率。Pe=Pi -Pm (kW)2.有效转矩有效转矩Me:发动机工作时,由功率输出轴输出的转矩。:发动机工作时,由功率输出轴输出的转矩。3.平均有效压力平均有效压力pe:发动机单位气缸工作容积输出的有效功,反映:发动机单位气缸工作容积输出的有效功,反映了发动机输出转矩了发动机输出转矩Te的大小。的大小。四行程内燃机曲轴旋转一圈,则活塞上、下移动两个活塞行程四行程内燃机曲轴旋转一圈,则活塞上、下移动两个活塞行程。所以转速与活塞平均速度的关系为:。所以转速与活塞平均速度的关系为:4.转速转速n和活塞平均速度和活塞平均速度Cm二二.内燃机
10、经济性指标内燃机经济性指标1.有效热效率有效热效率e:实际循环的有效功与为得到有效功所消耗热量的:实际循环的有效功与为得到有效功所消耗热量的比值。比值。2.有效燃油消耗率有效燃油消耗率ge:单位有效功率的耗油量。:单位有效功率的耗油量。三三.内燃机强化程度内燃机强化程度1.1.升功率升功率:发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功率。:发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功率。2.2.比质量比质量:发动机的质量发动机的质量G与所发出的标定功率之比。与所发出的标定功率之比。3.3.强化系数强化系数:平均有效压力平均有效压力与活塞平均速度与活塞平均速度的乘积称为强的乘积称为强化系数。化系数。
11、四四.内燃机其他性能评定内燃机其他性能评定1排气品质排气品质 汽车的排放标准对氮氧化物汽车的排放标准对氮氧化物()、碳氢化合物、碳氢化合物()及一及一氧化碳氧化碳()种危害最大的气体的排放量都做出限额规定。种危害最大的气体的排放量都做出限额规定。排气颗粒是指排放物中除水以外的各种液态和固态微粒。排气颗粒是指排放物中除水以外的各种液态和固态微粒。2噪声噪声 汽车是城市中主要的噪声源之一,发动机又是汽车的主要噪声汽车是城市中主要的噪声源之一,发动机又是汽车的主要噪声源。源。3起动性起动性 我国标准规定,不采用特殊的低温起动措施,汽油机在我国标准规定,不采用特殊的低温起动措施,汽油机在-10、柴油机
12、在、柴油机在-5以下的气温条件下起动发动机时,以下的气温条件下起动发动机时,15s以内发动机以内发动机要能自行运转。要能自行运转。第六节第六节 机械损失机械损失机械损失分配情况机械损失分配情况06:39 由由上上表表可可知知,机机械械损损失失所所消消耗耗的的功功率率占占指指示示功功率率的的10 -30,是是不不可可忽忽视视的的功功率率损损失失,降降低低机机械械损损失失,特特别别是是摩摩擦擦损损失失,使使实实际际循循环环发发出出的的指指示示功功尽尽可可能能转转变变成成对对外外输输出出的的有有效效功功,是是提提高高内内燃燃机机性性能能的的一一个个重重要途径。要途径。一一.机械效率机械效率机械效率机
13、械效率是有效功率和指示功率的比值。是有效功率和指示功率的比值。机械效率的大致范围是:机械效率的大致范围是:汽油机汽油机 0.70.9柴油机柴油机 0.70.85二二.机械损失的测定机械损失的测定 让内燃机在给定的工况下稳定运转,让内燃机在给定的工况下稳定运转,当冷却水和机油温度到达正常值时,立即切断供油当冷却水和机油温度到达正常值时,立即切断供油 (柴(柴油机)或停止点火(汽油机),同时将油机)或停止点火(汽油机),同时将电力测功器电力测功器转换转换为电动机,以给定转速倒拖内燃机,为电动机,以给定转速倒拖内燃机,此过程中尽可能维持冷却水和机油温度不变,此过程中尽可能维持冷却水和机油温度不变,这
14、时电力测功器所测得的倒拖功率即为内燃机在该工况这时电力测功器所测得的倒拖功率即为内燃机在该工况下的机械损失功率。下的机械损失功率。1.1.倒拖法倒拖法 首先将内燃机调整到给定工况稳定工作,测定其首先将内燃机调整到给定工况稳定工作,测定其有效功有效功率率,然后停止向一个气缸(例如第一缸)供油,并调整测功,然后停止向一个气缸(例如第一缸)供油,并调整测功器的阻力矩,使内燃机恢复到原来的转速,再测定内燃机的器的阻力矩,使内燃机恢复到原来的转速,再测定内燃机的有效功率,由于有一个气缸不工作,第二次测得的有效功率有效功率,由于有一个气缸不工作,第二次测得的有效功率比第一次测得的小,两者之差即为停油气缸的
15、比第一次测得的小,两者之差即为停油气缸的指示功率指示功率,然,然后恢复第一缸的工作,同法,依次使各缸熄火,即可测得对后恢复第一缸的工作,同法,依次使各缸熄火,即可测得对应的有效功率、应的有效功率、。2.2.灭缸法灭缸法各缸的指示功率为:各缸的指示功率为:将上列各式相加得到将上列各式相加得到整机指示功率整机指示功率为:为:因此,因此,机械损失功率机械损失功率为为 3.3.油耗线法油耗线法 在在负荷特性曲线负荷特性曲线中找出接近直线的线条,并顺此线条中找出接近直线的线条,并顺此线条作延长线,直到与横坐标相交,则交点到坐标原点的长度即该机作延长线,直到与横坐标相交,则交点到坐标原点的长度即该机的的平
16、均机械损失压力平均机械损失压力。4.4.示功图法示功图法 录取被测内燃机一个汽缸的录取被测内燃机一个汽缸的示功图示功图,然后算出,然后算出 值,同时从测功器上记录该工况的读数值并由此算出值,同时从测功器上记录该工况的读数值并由此算出 值,二者之差值即为该工况下内燃机的值,二者之差值即为该工况下内燃机的平均机械损失压力平均机械损失压力。三三.影响机械效率的因素影响机械效率的因素 或或 增大,各摩擦副之间的相对速度增加,增大,各摩擦副之间的相对速度增加,摩擦摩擦损失损失增大,同时曲柄连杆机构的增大,同时曲柄连杆机构的惯性力增大惯性力增大,活塞的侧压力和,活塞的侧压力和轴承负荷增大,摩擦损失也增大。
17、增大,轴承负荷增大,摩擦损失也增大。增大,泵气损失泵气损失、驱动附驱动附件消耗的功件消耗的功随之增加,所以随之增加,所以机械效率下降机械效率下降。1.1.转速转速n(n(或活塞平均速度或活塞平均速度C Cm m)2.2.负荷变化负荷变化当当n n不变,负荷不变,负荷,则则P Pi i,而而P Pm m基本不变。基本不变。在保证内燃机正常工作时有可靠润滑条件的前提下,尽在保证内燃机正常工作时有可靠润滑条件的前提下,尽量量选用粘度较小选用粘度较小的机油,以减少摩擦损失,改善起动性能。的机油,以减少摩擦损失,改善起动性能。冷却液温度冷却液温度直接影响内燃机的热负荷,所以与机油粘度直接影响内燃机的热负
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