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第1章 工程热力学基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识 热力学是研究能量（特别是热能）性质及其转换规律的科学。它的主要内容包括三部分：（1）工质的性质。（2）热力学基本定律。（3）热力过程和热力循环。第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识状态参数:描述气体热力状态的物理量。第一节第一节 热工转换的基础知识热工转换的基础知识一、工质及其状态参数一、工质及其状态参数基本状态参数：压力；温度；比体积。工质：热、功转换的“媒介”。常用的状态参数：压力；温度；比体积；内能；焓；熵。第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（一）（一）压力压力p2单位：Pa，3压力的表示压力绝对压力相对压力状态参数：绝对压力1单位面积上所作用的垂直力称为压力p。工程上常用kPa与Mpa。1Pa=1N/m2，1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（二）（二）温度温度T2单位：单位：开尔文（K）热力学温度与摄氏温度：T=t+To状态参数：热力学温度（绝对温度）。式中：To=273.15K（水的冰点的热力学温度)。1温度表示气体冷热的程度。气体分子运动速度愈高，平均动能愈大，温度愈高。1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（三）（三）比体积比体积v单位：m3/kg单位质量的物质所占有的体积。式中：比体积；mkg的工质占有的体积；工质的质量。1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识二、二、理想气体状态方程式理想气体状态方程式1理想气体理想气体假设：（1）分子不占有体积；（2）分子间无吸引力。发动机所用工质都近似地看作理想气体。.理想气体状态方程理想气体状态方程1kg理想气体：pv=RTmkg理想气体：pV=mRT式中：R气体常数J/(kgK)。3.pv图（示功图）图（示功图）pvp1v1v2p21.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识三、热力过程及其功量三、热力过程及其功量（一）热力系统和热力过程（一）热力系统和热力过程热力系统：热力系统：某宏观尺寸范围内的工质作为研究对象，称为热力系统。热力过程：热力过程：工质由某一状态变化到另一个状态所经历的全部过程的总和。（二）（二）热力过程的功量（示功图）热力过程的功量（示功图）工质由上止点膨胀到下止点，此过程的功量。pv1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识设：A活塞截面面积；dx活塞移动距离。工质对活塞作的功为：v增大,w为“+”,工质对活塞作功。v减小,w为“-”,活塞对工质作功。工质膨胀过程：dw=pAdx=pdv1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识四、工质的比热容四、工质的比热容C（一）定义（一）定义单位量的物质作单位温度变化时所吸收或放出的热量。式中：dq工质在某一状态下温度变化dT时所吸收或放出的热量。1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识1比定容热容比定容热容Cv：比定容热容:加热时气体容积不变。2比定压热容比定压热容Cp：比定压热容:加热时气体压力不变。（二）比定容热容和比定压热容（二）比定容热容和比定压热容1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识定容加热定容加热工质的比热：加入的热量:Q1=mCv(T2T1)定压加热定压加热工质的比热：加入的热量:Q2=mCp(T2T1)分析加热过程温度升高相同1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识同样使温度升高1（或1K），而定压加热过程需要加入的热量要比定容加热过程大，即CpCv。绝热指数:K=Cp/Cv1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（三）（三）真实比热容和平均比热容真实比热容和平均比热容比热容与压力无关，是温度的函数。式中：a、b、c是常数。相应于每一温度下的比热容称为真实比热容。1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识C Cm m称为平均比热容。（四）定比热容：（四）定比热容：温度变化不大，把比热容看成常数。1.1热工转换的基础知识热工转换的基础知识第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识第二节第二节 热力学第一定律热力学第一定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识一、功、热量和内能一、功、热量和内能（一）工质的功量（一）工质的功量W（二）热量（二）热量Q（三）工质的内能（三）工质的内能外界给系统加热外界给系统加热Q为为“+”，系统放热，系统放热Q为为“”。1工质内部所具有的总能量。pv1.2热力学第一定律热力学第一定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识分子热运动的动能，分子间的吸引作用的位能,内能理想气体分子间无吸引力，无位能。是T的函数。是v的函数。内能是温度的单值函数。1.2热力学第一定律热力学第一定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识 内能为状态参数。只与工质的初、终状态有关，与工质由状态1变化到状态2所经历的过程无关。mkgQT1T2定容加热mkgQ2T1T2G定压加热pv121.2热力学第一定律热力学第一定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识2内能的计算1.2热力学第一定律热力学第一定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（一）热力学第一定律（二）封闭系统能量方程式二、热力学第一定律二、热力学第一定律式中：q外界加给1kg工质的热量（J/kg）；w1kg工质对外界作的功（J/kg）；u1kg工质内能的增量（J/kg）。能量守恒定律1.2热力学第一定律热力学第一定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识三、熵及温熵图三、熵及温熵图熵是一个导出的状态参数，它的定义式是：式中：dq系统与外界交换的微元热量；T热力过程时的温度。熵的定义：熵的增量等于系统在热力过程中交换的热量除以传热时的热力学温度所得的商。熵是状态参数。1.2热力学第一定律热力学第一定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识1.2热力学第一定律热力学第一定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识温熵图温熵图1.2热力学第一定律热力学第一定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识第三节第三节 气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（二）气体状态参数的变化（二）气体状态参数的变化v1=v2或绝对压力与绝对温度成正比式中为压力升高比。一、定容过程一、定容过程（一）定容过程方程式为（一）定容过程方程式为：v=常数pv=RT1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识定容过程的膨胀功（三）能量变化（三）能量变化因dv=0，所以W=0。2内能内能1功量功量1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识3热量热量：根据比热容的定义1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识4.熵熵熵的定义：熵变S为1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识二、定压过程二、定压过程（一）过程方程式（一）过程方程式p=常数（二）气体状态参数的变化（二）气体状态参数的变化比体积与绝对温度成正比。预膨胀比pv=RT1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（三）能量变化（三）能量变化1功量：功量：定压过程中气体所作的膨胀功为：2内能：内能：1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识3热量热量：根据比热的定义及Cp=常数1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识4.熵熵熵的定义：熵变S为1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识三、定温过程三、定温过程（一）过程方程式（一）过程方程式T=常数，即pv=常数（二）气体状态参数的变化（二）气体状态参数的变化1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识四、绝热（等熵）过程四、绝热（等熵）过程系统与外界无热交换（一）过程方程式（一）过程方程式=常数K绝热指数1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识公式推导对求微分：1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识上式乘得：常数常数常数1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（二）气体状态参数的变化（二）气体状态参数的变化绝热压缩终了温度：同理，绝热膨胀终了温度：1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（三）能量变化（三）能量变化1.功量：功量：2内能：内能：3热量热量：4.熵：熵：1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识五、多变过程五、多变过程常数多变指数=0，常数定压过程=1，常数定温过程常数绝热过程常数定容过程1.3气体的热力过程气体的热力过程第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识第四节第四节 热力学第二定律热力学第二定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识一、热力循环与热效率一、热力循环与热效率（一）热力循环（一）热力循环1.4热力学第二定律热力学第二定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识（二）热效率（二）热效率1.4热力学第二定律热力学第二定律第第1 1章章 工程工程热力学基力学基础知知识二、热力学二、热力学第二定律第二定律不可能创造出只从热源吸收热量作功而不向冷源放热的热机。热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。1.4热力学第二定律热力学第二定律第2章 发动机工作循环与性能指标发动机循环理想循环理想循环实际循环实际循环发动机性能经济性动力性可靠耐久性使用维修性排放噪声性加工工艺性经济性、动力性、排放、振动、噪声 主要研究第一节 发动机理论循环 第2章 发动机循环与性能指标第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环一、三种基本循环一、三种基本循环（一）简化条件：（1）假设工质为理想气体，其比热容为定值。（2）假设工质在闭口系统中作封闭循环。（3）假设压缩与膨胀过程是绝热等熵过程。（4）假设燃烧是定容或定压加热。工质放热为定容放热。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环（二）理论循环（二）理论循环ac绝热压缩；cz定容加热zz定压加热；zb绝热膨胀ba定容放热。高速柴油机近似为混合加热循环。燃烧过程基本上由定容燃烧和定压燃烧两个阶段组成。1混合加热循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环2定容加热循环定容加热循环 汽油机中混合气燃烧迅速，近似为定容加热循环。ac绝热压缩；cz定容加热zb绝热膨胀；ba定容放热。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环3定压加热循环定压加热循环 高增压和低速大型柴油机，工作循环近似为定压加热循环。受燃烧最高压力的限制，大部分燃料在上止点后压力基本上一定的情况下燃烧。ac绝热压缩；cz定压加热zb绝热膨胀；ba定容放热。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环二、评定指标二、评定指标循环热效率循环平均压力1循环热效率评定循环经济性式中 W 循环所做的功（J）；循环加热量（J）；Q2循环放出的热量（J）。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环2循环平均压力评定循环的做功能力式中 W 循环所做的功（J）；Vs 气缸工作容积（L）。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环式中压缩比；压力升高比；预膨胀比；K 绝热指数。混合加热循环混合加热循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环；第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环混合加热循环循环平均压力混合加热循环循环平均压力式中 压缩始点的压力（kPa）。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环定容加热循环定容加热循环预膨胀比：=1第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环定压加热循环定压加热循环压力升高比：=1循环平均压力循环平均压力循环热效率循环热效率第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环三、理论循环分析三、理论循环分析1压缩比Tz相同,高的aczba比低的循环aczba具有较大的平均吸热温度和较低的平均放热温度，所以高的较高。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环定容加热循环热效率与压缩比的关系较低时，提高，增长很快；在较大时，再增加，增加缓慢。汽油机：，爆燃10第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环2绝热指数绝热指数K KK值越大，愈高。空气K=1.4，稀混合气K值增大，而混合气中燃料蒸气较多时，K值减小。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环3压力升高比压力升高比定容加热循环：定容加热循环：Q1增加，正比增大，若不变，则膨胀比不变，Q2也增加，Q2/Q1不变，不变，但增大。TS第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环混合加热循环：混合加热循环：和不变时，增大,减小，减小,t提高,也提高。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环4预膨胀比预膨胀比定压加热循环：定压加热循环：Q1增加，增大，若不变，平均膨胀比减小，Q2增加，t下降。bZb第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环混合加热循环：混合加热循环：和不变时，增大,减小，增大,t下降,也下降。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环5.三种理论循环比较三种理论循环比较（）初态相同，（）初态相同，Q1和和相等相等第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环.Q1和循环最高压力相等和循环最高压力相等第二节 四行程发动机的实际循环 第2章 发动机循环与性能指标示功图：气缸内工质的压力p随气缸工作容积v或曲轴转角变化的图形称为示功图。一、实际循环进行过程一、实际循环进行过程第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环实际循环过程实际循环过程进气过程rra压缩过程abcc燃烧过程ccz膨胀过程zbb排气过程bbbr第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环进气过程进气过程rrapr高于大气压p0：残余废气。进气终了压力pa：一般小于大气压力p0或增压压pk。进气终了的温度Ta总高于大气温度T0或增压器出口温度Tk高温机件及残余废气加热。进气系统的阻力。第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环压缩过程压缩过程abcc压缩过程为多变过程。作用作用:增大温差，增大膨胀比，热功转换效率提高，有利着火和燃烧。第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环工质被压缩的程度用压缩比表示式中气缸总容积（气缸最大容积）；燃烧室容积(气缸余隙容积）。压缩比的大致范围是：汽油机=712柴油机=1422增压柴油机=1215第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环燃烧过程燃烧过程ccz作用：化学能转变为热能，使工质的压力及温度升高，为膨胀创造条件。放热量越多,放热时越接近上止点，则热效率越高。第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环燃烧的最高爆发压力pz（pmax）及最高温Tz（Tmax）的数值范围是：pz（MPa）Tz（K）汽油机3.06.522002800柴油机4.59.018002200增压柴油机9.013.0柴油机：压缩比高，燃烧的最高爆发压力pz很高；但相对于燃油的空气量大，最高燃烧温度Tz值反而比汽油机低。第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环膨胀过程膨胀过程zbb非绝热过程，有散热损失，漏气损失，补燃和高温热分解；实际膨胀过程为多变过程。第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环膨胀终点b的压力pb及温度Tb的范围是：pb（MPa）Tb（K）汽油机0.30.612001500柴油机0.20.510001200柴油机膨胀比大，转化为有用功的热量多，热效率高，膨胀终了的温度和压力均比汽油机小。第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环排气终了压力pr高于大气压po；压力差prpo克服排气系统阻力。排气过程排气过程bbr第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环二、循环指示功二、循环指示功完成一个循环，工质对活塞所做的功。第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环循环指示功：czbbcc代表工质对活塞做的功，故是正功。rbarr称为泵气损失，非增压发动机为负功，增压发动机为正功。增压发动机示功图第2章 发动机循环与性能指标2.2发动机的实际循环第三节 发动机的指示指标是以工质对活塞做功为基础，用于评定实际循环的好坏。第2章 发动机循环与性能指标循环指示功：循环指示功：一、平均指示压力一、平均指示压力pmi循环指示功循环质量气缸工作容积式中示功图面积；示功图纵坐标比例尺；示功图横坐标比例尺。第2章 发动机循环与性能指标2.3发动机的指示指标平均指示压力：平均指示压力：式中指示功（kJ）；气缸工作容积(L)。单位气缸工作容积的指示功。第2章 发动机循环与性能指标2.3发动机的指示指标二、指示功率二、指示功率Pi单位时间所做的指示功。i气缸数；每缸工作容积（L）；发动机转速（r/min）；平均指示压力（MPa）。每缸、每循环工质做的指示功（kJ）：发动机指示功率(kW)（i个气缸每秒所作的指示功）为：四行程发动机二行程发动机行程数。式中式中第2章 发动机循环与性能指标2.3发动机的指示指标单位指示功所消耗的燃油量g/(kWh)。三、指示燃油消耗率三、指示燃油消耗率bi式中指示功率（kW）；每小时耗油量(kg/h)。bi值的大致范围是：柴油机170205g/(kWh)汽油机205320g/(kWh)第2章 发动机循环与性能指标2.3发动机的指示指标是实际循环的指示功与所消耗燃料热量之比值。四、指示热效率四、指示热效率式中得到指示功（kJ）所消耗燃料的热量。1kWh=3.6103kJ，1kWh的功需要消耗的热量是kJ，为燃料的低热值(kJ/kg)。低热值：不计汽化潜热，1kg燃油完全燃烧所放出的热量。第2章 发动机循环与性能指标2.3发动机的指示指标第四节 发动机的有效指标1有效功率有效功率Pe发动机曲轴输出的功率称为有效功率。一、发动机动力性能一、发动机动力性能式中指示功率（kW）；机械损失功率（kW）。2有效扭矩有效扭矩功率输出轴输出的扭矩。：从活塞顶到曲轴输出端功率传递中损失的功率。摩擦损失、驱动附件损失、泵气损失等。第2章 发动机循环与性能指标2.4发动机的有效指标3平均有效压力平均有效压力发动机单位气缸工作容积输出的有效功。值的一般范围是：值的一般范围是：汽油机0.71.3MPa柴油机0.61.0MPa增压柴油机0.92.2MPa第2章 发动机循环与性能指标2.4发动机的有效指标4转速转速n和活塞平均速度和活塞平均速度Cm单位时间作功次数单位时间作功次数发动机体积发动机体积，重量重量，功率功率 ,式中S活塞行程（m）；活塞平均速度（m/s）。活塞组的热负荷曲柄连杆机构的惯性力磨损寿命。不大燃烧室高度,混合气形成,燃烧第2章 发动机循环与性能指标2.4发动机的有效指标二、发动机经济性能二、发动机经济性能式中每小时的耗油量（kg/h）；有效功率(kW)。1.有效燃油消耗率有效燃油消耗率单位有效功（1kWh）的耗油量（g）。第2章 发动机循环与性能指标2.4发动机的有效指标2有效热效率有效热效率发动机的有效功（kJ）与所消耗燃油热量之比值及的大致范围是：汽油机0.250.3270325柴油机0.30.45190285g/kWh第2章 发动机循环与性能指标2.4发动机的有效指标三、发动机强化指标三、发动机强化指标1升功率升功率和比质量和比质量的措施：提高和：衡量发动机容积利用率表征质量利用率和结构紧凑性：发动机每升工作容积所发出的有效功率。：发动机干质量与标定功率之比。第2章 发动机循环与性能指标2.4发动机的有效指标和值的大致范围：汽油机30701.44.0汽车柴油机18302.59.0第2章 发动机循环与性能指标2.4发动机的有效指标2强化系数强化系数的大致范围是：汽油机817MPam/s小型高速柴油机611MPam/s重型汽车柴油机915MPam/s数值增大是技术进步的标志。第2章 发动机循环与性能指标2.4发动机的有效指标2.5 发动机环境指标 发动机环境评价指标主要指排气品质、噪声和车内空气污染。由于它关系到人类生存的环境和健康，因此必须制定相应的法规，给予严格控制。发动机排放对大气的污染已成公害，各国均采取对策并制定相应的控制法规，以限制发动机的排放污染。一、排放性能一、排放性能第2章 发动机循环与性能指标2.5发动机的环境指标1排出有害气体目前主要限制一氧化碳（CO）、各种碳氢化合物（HC）及氮氧化合物（NOx）三种危害最大的气体排放量。2排气微粒排气中除水以外的任何液态或固体微粒。一、排放性能一、排放性能第2章 发动机循环与性能指标2.5发动机的环境指标二、噪声二、噪声 噪声：指人们不需要并希望设法加以控制和消除掉的声音的总称。噪声危害（1）其作用于人的中枢神经系统，使大脑皮层兴奋，抑制失调，产生头疼、脑胀、昏晕、耳鸣、失眠和心慌等症状；（2）影响人的消化系统和内分泌系统。在一定强度的噪声影响下，人们会出现心跳过速、心律不齐、血压增高等症状。第2章 发动机循环与性能指标2.5发动机的环境指标二、噪声二、噪声 噪声限值我国噪声标准中规定，轿车噪声不得大于84dB。小汽车（M1类车辆）车外噪声限值为 74 dB(A)。第2章 发动机循环与性能指标2.5发动机的环境指标三、车内空气污染 车内空气污染 研究表明，车内空气污染有时会高于车外10倍以上，为此，不少国家的环保机构制定了汽车车内环境标准，使得汽车车内各种有害气体的含量有了明确的限值，以确保车内空气污染没有达到对驾乘人员健康产生影响的程度。第2章 发动机循环与性能指标2.5发动机的环境指标三、车内空气污染车内污染物 主要有甲醛、甲苯及二甲苯、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳、甲苯二异氰酸酯、总挥发性有机物、可吸入微粒物及细菌等。第2章 发动机循环与性能指标2.5发动机的环境指标2.6 机械损失与机械效率1发动机内部运动件的摩擦损失。约占总机械损失的62%75%。2驱动附属机构的损失。约占总机械损失的10%20%。3泵气损失。约占总机械损失的10%20%。一、机械损失一、机械损失：机械损失而消耗的功率称为机械损失功率。第2章 发动机循环与性能指标2.6机械损失与机械效率二、机械效率二、机械效率曲轴输出的有效功率与指示功率之比值式中平均机械损失压力（MPa）。第2章 发动机循环与性能指标2.6机械损失与机械效率三、机械损失的测定三、机械损失的测定机械损失功率可通过发动机台架实验测定，常用的实验方法有倒拖法和灭缸法，柴油机还可用油耗线法。.1.倒拖法2.灭缸法3.油耗线法（负荷特性法）第2章 发动机循环与性能指标2.6机械损失与机械效率四、影响机械效率的主要因素四、影响机械效率的主要因素1发动机转速摩擦副间相对速度,摩擦损失惯性力,侧压力和轴承负荷均,摩擦损失泵气损失加大驱动附件的机械损失增加第2章 发动机循环与性能指标2.6机械损失与机械效率四、影响机械效率的主要因素四、影响机械效率的主要因素负荷一定，变化不大。由公式可知：转速机械效率。第2章 发动机循环与性能指标2.6机械损失与机械效率2 2发动机负荷发动机负荷变化不大。，怠速：负荷一定，负荷，第2章 发动机循环与性能指标2.6机械损失与机械效率3润滑油品质润滑油品质润滑油的粘度即稠稀程度，它表示了流体分子之间内摩擦力的大小。选用润滑油粘度的基本原则是：在保证可靠润滑的条件下，尽量选用粘度小的润滑油。4冷却水温度冷却水温度保证发动机水温正常。第2章 发动机循环与性能指标2.6机械损失与机械效率5.发动机的技术状况 活塞环与缸套磨损后，间隙增大，漏气增多，指示功率Pi下降；轴与轴承之间的磨损，使机油泄露增加，油压下降，运动件工作表面的润滑不良；水道中水垢增多，使气缸工作表面温度升高，破坏油膜。以上都会使机械效率下降。第2章 发动机循环与性能指标2.6机械损失与机械效率第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环换气过程排气过程进气过程换气过程的任务排除废气充入尽可能多的新鲜工质研究的内容换气过程的进行情况分析影响充气效率的各种因素提高充气效率减少换气损失方向与措施。找出第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第一节第一节 四行程发动机四行程发动机的换气过程的换气过程第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环一、换气过程四行程发动机的换气过程包括从排气门开 启 到 进 气 门 关 闭 的 整 个 时 期，约 占410480曲轴转角。换气过程自由排气强制排气进气气门叠开第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环 1自由排气阶段 排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段。排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为30 80曲轴转角。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环自由排气阶段超临界状态亚临界状态 （1）超临界状态 排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.20.5Mpa），缸内压力与排气管压力之比1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。式中 K绝热指数；T气体的绝对温度；R气体常数Nm/（kgK）。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后1030曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。（2）亚临界状态缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发动机排气提前角要大。但不宜过大，否则会使排气损失加大。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环 2强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。惯性排气。排气迟闭角，一般为10 35曲轴转角。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环正常进气：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。惯性进气。进气迟闭角：一般为4070曲轴转角。准备进气。进气提前角：一般为0 30曲轴转角 第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环4.气门叠开：进、排气门同时开启。作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为2080曲轴转角。在增压发动机可达80160的曲轴转角。因其进气压力高。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环 二、换气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环 1.排气损失 排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。（1）自由排气损失（图中面积W），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。（2）强制排气损失（图中面积Y），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环 减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环第2章 发动机循环与性能指标2.1发动机的理论循环2进气损失进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(W+X+Y)。在实际循环示功图中把面积(x+y-d)相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。第二节 四行程发动机的充气效率第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程式中m1、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态）；ms、Vs进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。一、充气效率 充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率 二、影响充气效率的因素 （一）充气效率v的表达式 1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma 假定进气门关闭时气缸容积为（Vs+Vc），此时缸内气体压力、温度、密度为Pa、Ta、a，则缸内气体的总质量为 2）排气门关闭时缸内残余废气的质量 假定排气门关闭时缸内体积为Vr，残余废气的压力、温度、密度为Pr、Tr、r，则残余废气的质量为第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率3）充入气缸新鲜充量的质量为第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率经变换推导得式中Pa、Ta进气状态的温度和压力；Ts、Ps进气终了时的气体温度和压力；残余废气系数，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值；压缩比。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率（二）影响充气效率的因素（二）影响充气效率的因素1进气终了时的压力PaPa对有重要影响，Pa愈高，值愈大Pa=Ps-Pa式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降(kPa)。一般可写成式中管道阻力系数；进气状态下气体的密度；V管道内气体的流速（m/s）。可见，pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、高时，pa增加，使pca下降。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率转速和负荷对进气压力的影响转速和负荷对进气压力的影响1）转速当节气门位置一定时，n增加，Pa降低。2）负荷汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降。且Pa随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减小时Pa变化很小。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率2进气终了的温度Ta进气终了的温度Ta高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是:1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低Tca。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率转速和负荷对Ta的影响1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。3.残余废气系数1）增加，降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，2）压缩比提高，残余废气系数减小。3）排气压力高，废气多，充气效率降低。4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率4.配气定时配气定时由的计算公式可见，由于进气门迟闭而1,新鲜充量的容积减小,但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑Pa具有最大值。5.压缩比压缩比压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而有所增加。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率第三节第三节 提高充气效提高充气效率的措施率的措施 进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。一、进气门一、进气门1.时面值气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施2.进气马赫数进气马赫数M 进气马赫数M是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比，即M=Vm/C。M是决定气流流动性质的重要参数。M值反映气体流动和气门结构尺寸的关系，对充气效率有重要的影响。第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在0.5左右，充气效率急剧下降。因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值，以达到提高充气效率的目的。第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施3.气门直径和气门数气门直径和气门数进气门直径增大，扩大