内燃机循环及性能评价指标

1、内燃机循环及性能评价指标本章主要内容本章主要内容n内燃机的理论循环和实际循环n评定内燃机的性能评价指标n内燃机的热平衡第一节 概述n内燃机热功转换及能量传递过程示意图n从燃料和空气进入气缸混合燃烧到对外输出做工需经过三个环节： 1、混合气的形成并导入气缸的过程； 2、燃烧放热过程； 3、能量的传递过程。总热量机械功指示功（循环功）有效功第二节 内燃机的理论循环定义：内燃机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些因素，所得出的简化循环。意义：通过对理论循环的研究，可以清楚地确定影响内燃机性能的某些重要因素，从而找到提高内燃机性能的基本途径。 一、卡诺循环与内燃机的动力循环n卡诺

2、循环：P-V图；T-S图n卡诺循环组成：1、绝热压缩过程（a-c）2、等温加热过程（c-z）3、绝热膨胀做功过程（z-b）4、等温放热过程（b-a）热效率（卡诺效率）见式2-1a n二、三种理论循环n等容加热循环n等压加热循环n混合加热循环见13页图2-31212111QQQQQQWt n根据加热方式不同，发动机有三种基本理论循环：n等容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速）n定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃烧最高压力的限制 ）n混合加热循环 （高速柴油机 ） 三、理论循环的评价n循环热效率tn定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比n意义：评定循环经济性n循环平均压力pt

3、 n定义：单位气缸容积所做的循环功， 用来评定循环的做功能力n意义：评定循环动力性（做功能力） n循环热效率tn按工程热力学公式，混合加热循环热效率为n一压缩比，=VaVc=(Vs+Vc)Vc=1+Vs/Vc，其中，Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积；（汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15）n一压力升高比，=pz/pc；n一预膨胀比， =Vz/Vz=/； n后膨胀比，=Vb/Vz； n K一绝热指数 1212111QQQQQQWt111111KKKtm n定容加热循环（=1）热效率为 n定压加热循环（=1）热效率为 111KtV) 1(1111KKKtP

4、111111KKKtm n影响t的因素 nl. 压缩比n提高，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比 ，三种循环的t都提高。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。 n2. 绝热指数K：随K值增大， t将提高。 n3. 压力升高比 ：定压加热循环=1，定容加热循环不影响t，混合加热循环随 增大t将提高。 n4. 预膨胀比：定容加热循环=1，定压加热循环和混合加热循环随增大t将下降。 四、理论循环的比较n1、循环总加热量和压缩比相同时 定容加热循环热效率混合加热循环热效率定压加热循环热效率n2、缸内最高压力受限制时 定压加热循环热效率混合加热循环热效率

5、定容加热循环热效率 n循环平均压力pt npt（kPa）是单位气缸容积所做的循环功， 用来评定循环的做功能力 n按工程热力学公式，混合加热循环的平均压力（推导过程见教材14页）stVWp taKtmKKpp)1() 1(11 n定容加热循环（=1）的平均压力为n定压加热循环（=1）的平均压力为 n可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比、压力升高比、预膨胀比、绝热指数K和热效率t的增加而增加。 taKtVKpp) 1(11taKtPKKpp) 1(11第三节 内燃机实际循环及其评价指标 一、实际循环n实际循环通常用气缸内的工质压力p随气缸工作容积V（或曲轴转角）而变化的图形表示，即示功图pV图，

6、p图称为展开示功图。pV图上曲线所包围的面积（积分）表示工质完成一个实际循环所做的有用功。n发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程（四个行程）所组成 。1、进气行程进气流损失；进气道、汽缸壁、进气门等加热作用2、压缩行程作用略3、做功行程包括燃烧过程和膨胀过程4、排气行程排气流动损失 过程示功图 过程描述作用终点压力P(MPa)（P0=0.1015MPa）终点温度T(K)进气 r-a线 活塞下行，进开排关吸入新鲜混合气汽：0.0750.08柴：0.080.09汽：370400柴：300340压缩 a-c线 活塞上行，进关排关增大工作过程温差，提高热功转换效率，为燃烧创造条件 汽

7、：0.62.0柴：3.05.0汽：600750柴：7501000燃烧 c-z线 上死点附近，进关排关化学能转变为热能，工质的压力、温度升高 汽：3.06.5柴：4.59.0汽：22002800柴：18002200膨胀 z-b线 活塞下行，进关排关活塞主动对外做功，热能转变为机械能，工质的压力、温度下降 汽：0.30.6柴：0.20.5汽：12001500柴：10001200排气b-r线 活塞上行，进关排开排出废气汽：0.1050.115柴：0.1050.115汽：9001200柴：700900二、 实际循环的评价指标n指示指标用来评定实际循环质量的好坏，以工质在气缸内对活塞做功为基础。1、实际

8、循环的动力性（做功能力）指标n平均指示压力pmin指示功率Pi2、实际循环的经济性指标n指示热效率in指示燃料消耗率bi n平均指示压力pmi n平均指示压力pmi（MPa）是发动机单位气缸工作容积的指示功 npmi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标simiVWp32104SDpVpWmismiipmi（MPa）汽油机0.8-1.5柴油机0.7-1.1 以一个假想的、大小不变的压力作用在活塞上，使活塞移动一个行程，其所做的功等于循环功，则此假想的压力即为平均指示压力 pmi n指示功率Pi n发动机单位时间所做的指示功。30260inVpinWPsimii n指示热效率i和指示燃料消耗率bi

9、 n指示热效率i是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值 。n指示燃料消耗率bi （简称指示比油耗）是指单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的耗油量表示。 g（kWh） 1QWii310iiPBbi 、 bi的大致范围i big（kWh ） 汽油机 0.3-0.4 205-320 柴油机 0.4-0.5 170-205 第四节 内燃机有效性能指标n内燃机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了内燃机整机的性能，通常称它们为有效指标。 两类指标的比较n指示指标（i）以工质在气缸内对活塞做功为基础，评定实际循环质量的好坏。n有效指标（e）以曲轴对外输出的功率为基础，代表整机的性能。

10、n一、发动机动力性能n1. 有效功率Pe nPe=Pi-Pm n机械损失功率Pm n1)发动机内部运动零件的摩擦损失。比例最大 n2)驱动附属机构的损失 n3)泵气损失，指进排气过程所消耗的功 n发动机有效功率Pe由试验测得n有效转矩Ttq n发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Ttq 3101047. 095501000602nTnTnTTPtqtqtqtqe n2. 平均有效压力pmen平均有效压力pme（MPa）是发动机单位气缸工作容积输出的有效功 npme值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强。它是评定发动机动力性的重要指标 niVPpseme30pmi（MP

11、a）pme （MPa）汽油机0.8-1.50.7-1.3 柴油机0.7-1.10.6-1.0 n3.升功率PL n升功率PL（kWL）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。它用来衡量发动机容积利用的程度。3030npiVinVpiVPPmessmeseL n转速n和活塞平均速度Cm n提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大nCm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损增大，寿命下降，Cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s，柴油机不超过13m/sn为了提高转速又不使Cm过大，由上式知，可以减小行程S，即对于高速发动机，在

12、结构上采用较小的行程缸径比（S/D）值。当S/D1时，常称为短行程 30SnCm n二、发动机经济性能 n1. 有效热效率e ne是发动机的有效功We（J）与所消耗燃料热量Q1之比值 n2. 有效燃料消耗率be nbeg/（kWh）是单位有效功的耗油量（简称耗油率），通常以每千瓦小时的耗油量表示 1QWee1000eePBbt 、i 、 e 、 bi 、be的大致范围ti ebig/(kWh ) beg/(kWh)汽油机 0.54-0.58 0.3-0.4 0.25-0.3 205-320 270-325 柴油机 0.64-0.67 0.4-0.5 0.3-0.45 170-205 190-2

13、85 升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围 PL（kWL） me（kgkW） pmeCm （MPams ）汽油机 30-70 1.1-4.0 8-17 汽车柴油机 18-30 2.5-9.0 6-11 三、排放指标（欧洲排放体系）n表示欧盟委员会建议；表示欧盟议会建议。标准名称 生效时间 CO/g.km-1 HC/g.km-1 NOX/g.km-1 NOX+HC/g.km-1 测试规范 欧洲1 1992.07 2.72 0.97 ECE+EUDC 欧洲2 1996.01 2.20 0.50 欧洲3 2000.01 2.30 0.20 0.15 修改试验规范 2000.01 2.

14、30 0.12 0.15 欧洲4 2005.01 2.30 0.10 0.08 2005.01 2.30 0.10 0.08 n第一部分（ECE），试验时需运行4个循环，总时间为13min。每循环持续时间为195s，总里程为4.052km，每循环里程为1.013km，平均车速为18.7kmh（不包括怠速时为27.01kmh）最高车速为 50kmh，怠速时间占31。n第二部分为附加的市区行驶工况（EUDC），总时间为1220s，试验里程为11.007km，平均速度为32.5kmh（不包括怠速时为42.6kmh），最高车速为120kh，怠速时间占26.2。取样开始时刻为试验开始40s后。欧3（20

15、00年）改为启动后即取样。 n噪声（属于环境指标） n按产生机理分：流体噪声、机械噪声、电磁噪声、燃烧噪声n危害：刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝n交通运输噪声是现代城市的主要噪声源，约占城市噪声的75%，而其中发动机又是汽车的主要噪声源。包含流体噪声、机械噪声和燃烧噪声。第五节 机械损失 n机械损失所消耗的功率占指示功率的10%-30%。降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环得到的功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高发动机性能重要的一个方面。 机械损失分配情况 机械损失名称 占Pm的百分比（%） 占Pi的百分比（%） 摩擦损失 其中 活塞及活塞环 连杆、曲轴轴承配气机构 62-7545-

16、6015-202-3 8-20 驱动各种附件损失 其中 水泵 风扇 机油泵 电器设备 10-202-36-81-21-2 1-5 带动机械增压器损失 6-10 泵气损失 10-20 2-4 总功率损失 10010-30 n一、机械效率m n机械效率m是有效功率和指示功率的比 n机械效率m的大致范围是：n汽油机 0.7-0.9 n柴油机 0.7-0.85 mimmimmimeiemppPPppPP11 n 1. 摩擦损失 n（1）活塞组件 n产生摩擦的部件：活塞环、活塞裙部和活塞销n主要影响因素：活塞环的结构与组合、活塞裙部的几何形状，缸套的温度及配合间隙等n采取的措施：减少活塞环数目，减薄活塞

17、环厚度，减少活塞裙部的接触面积，在裙部涂固体润滑膜等 n（2）曲轴组件 n产生摩擦的部件：轴颈与轴承、密封装置n主要影响因素：润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比 n采取的措施：减少运动件的惯性质量，降低轴承负荷并使轴承宽度和轴径减小 二、内燃机的机械损失 n（3）配气机构 n产生摩擦的部件：气门与气门导管、摇臂与凸轮n主要影响因素：低转速下，负荷主要由弹簧力引起；高转速时，负荷主要由惯性力引起n采取的措施：减少运动件的惯性质量 n2. 驱动附件损失 曲柄连杆、配气机构；冷却系、润滑系、燃油供给系等。n3、泵气损失内燃机换气过程中产生的能量损失 n二二、机械损失的测定n1.倒拖法 n特点：

18、必须使用平衡式电力测功器，而且由于缸内压力、温度与实际不符，测量结果往往偏大n我国汽车发动机试验标准中规定，应优先采用此法测量机械损失功率特点：适用汽油机，不适合柴油机n2. 示功图法（适用于研究和开发中）n3. 灭缸法n特点：仅适用于多缸发动机，不能用于废气涡轮增压发动机及单缸机。对于柴油机，测量较准；但对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果。 nPm=(i-1)Pe-(Pe(1)+Pe(2)+) n4. 油耗线法（又称负荷特性法） n特点：适用于柴油机，但不适用于汽油机n负荷特性：发动机转速不变，其经济性指标随负荷而变化的关系n负荷：节气门开度，汽油机中对应混合气的数量，柴

19、油机中对应供油量n方法：在负荷特性曲线中找出接近直线的线段，并顺此线段作延长线，直至与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即为该机的平均机械损失压力pmm的数值 第六节 热平衡 n一一、 实际循环热平衡 n1、实际循环与理论循环（空气标准循环）的差异 理论循环（四个假设）实际循环差异假设工质是理想气体，物理常数与标准状态下的空气物理常数相同（比热容是定值 ）实际气体比热是随温度上升而增大 ，因此循环的最高温度降低，存在泄漏使工质数量减少 Wk 假设工质是在闭口系统中作封闭循环 为使循环重复进行，必须更换工质，换气损失（泵气损失 +提前排气损失W）Wr假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程 气缸壁和工

20、质间始终存在着热交换，使压缩、膨胀线均脱离理论循环的绝热压缩、膨胀线Wb 假设燃烧是外界无数数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热 （1）燃烧需要一定的时间，所以喷油或点火在上止点前，并且燃烧还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失（2）部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失 （3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热使循环的最高温度下降 Wz n2、汽油机与柴油机热量分配的差异名 称 汽油机 柴油机 理论循环热效率t 0.54-0.58 0.64-0.67 指示热效率i 0.30-0.40 0.40-0.45 各种损失使热效率下降 工质比热容变化燃烧不完全及热分解传热损失提前排