汽车发动机原理张志沛第四内燃机性能指标及实际循环热计算实用教案

1、本章(bn zhn)要求：1.掌握内燃机三种理想循环，理解内燃机实际循环与热掌握内燃机三种理想循环，理解内燃机实际循环与热损失，了解内燃机热平衡；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，理解机械损失及其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；测试方法；3.熟悉内燃机燃烧热化学及基本熟悉内燃机燃烧热化学及基本(jbn)理论，了解内燃理论，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的机实际循环的热近似计算，了解时间循环数值计算的基本基本(jbn)微分方程。微分方程。第1页/共57页第一页，共57页。高速高速(o s)柴油机柴油机:混合加混合加热循环燃烧过

2、程基本上由定热循环燃烧过程基本上由定容燃烧和定压燃烧容燃烧和定压燃烧1.混合加热(ji r)循环第一节第一节 内燃机理论内燃机理论(lln)(lln)循环概循环概述述一、理想循环第2页/共57页第二页，共57页。 汽油机中混汽油机中混合气燃烧合气燃烧(rnsho)(rnsho)迅速，迅速，近似为定容加热近似为定容加热循环。循环。 2定容加热(ji r)循环第3页/共57页第三页，共57页。 高增压和低速大型高增压和低速大型柴油机工作柴油机工作(gngzu)(gngzu)循循环近似为定压加热循环。环近似为定压加热循环。 3定压加热(ji r)循环第4页/共57页第四页，共57页。二、评定(png

3、dng)指标混合(hnh)加热循环111111KKKt1循环循环(xnhun)热效率热效率2循环平均压力taKtmKKpp1111混合加热循环第5页/共57页第五页，共57页。14:45由上述理论循环的tt和t t表达式可得出以下结论: :( () )增加,可提高(t go)t,(t go)t,但其提高(t go)(t go)率将随值的不断增大而逐渐降低。( () )增大，由于可增加混合循环中等容部分的加热量，从而导致热量利用率的提高(t go)(t go)，因而也可使tt提高(t (t go)go)。( ()和的增长，将伴随着最高循环压力z z的急剧上升。( () )增大，可提高(t go)

4、(t go)t t，但由于的增大相当于混合循环中等压部分的加热量增加了，因此tt将随之降低。( () )绝热指数越大，则tt越高，第6页/共57页第六页，共57页。第二节第二节 内燃机实际循环内燃机实际循环(xnhun)(xnhun)与热损失与热损失发动机实际循环(xnhun)与理论循环(xnhun)的比较第7页/共57页第七页，共57页。1.工质的影响：实际循环中，燃烧前后工质成分、数量改变；2.换气损失：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；3.气缸壁的传热损失：工质与周围环境的热量交换；4.燃烧损失：（1）燃料燃烧速度的有限性 a.压缩负功的增加 ; b.最高压力的下

5、降; c.初始膨胀比减小。（2）后燃及不完全燃烧（3）在高温下部分燃烧产物(chnw)分解而吸热，是循环最高温度下降。5.时间损失6.其他几项损失第8页/共57页第八页，共57页。第三节第三节 热平衡热平衡一.热量分配情况：（1）一部分转化为有用功 ；（2）一部分传递给冷却介质：（3）废气带走的热量；（4）不完全燃烧、辐射热、驱动附件的能量消耗等其他(qt)热量损失. QT=Qe+Qs+Qr+Qb+QL 100%=qe+qs+qr+qb+ql第9页/共57页第九页，共57页。二. .发动机热平衡第10页/共57页第十页，共57页。第四节第四节 指示指示(zhsh)(zhsh)指标指标示功图：

6、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(txng)称为示功图。第11页/共57页第十一页，共57页。1. 指示功指示功Wi：气缸：气缸(q n)内完成一个工作循环所作的有用功。内完成一个工作循环所作的有用功。可由可由p-v图中闭合曲线包围的面积求得。图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：单位气缸容积一个(y )工作循环所作的指示功。工作循环所作的指示功。 pi = Wi / Vh (MPa) 指示功率指示功率(gngl)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.

7、 .指示功和平均指示压力二. .指示功率第12页/共57页第十二页，共57页。1. 指示热效率指示热效率i：发动机实际：发动机实际(shj)循环指示功与所消耗燃料热量的循环指示功与所消耗燃料热量的比值。比值。 i = Wi / Q1 2. 指示指示(zhsh)燃油消耗率燃油消耗率gi：单位指示：单位指示(zhsh)功的耗油量。功的耗油量。三. .指示(zhsh)(zhsh)热效率和指示(zhsh)(zhsh)燃油消耗率第13页/共57页第十三页，共57页。第五节第五节 有效有效(yuxio)(yuxio)指标指标一. .内燃机动力性指标(zhbio)(zhbio)1.有效功率有效功率Pe：发动

8、机功率输出：发动机功率输出(shch)轴上实际输出轴上实际输出(shch)的净功率。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，反映了：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发动机输出转矩Te的大小。的大小。(/ )30msncm s 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：4.转速转速n和活塞平均速度和活塞平均速度Cm第14页/共57页第十四页，共57页

9、。二. .内燃机经济性指标(zhbio)(zhbio)1.有效热效率有效热效率e：实际：实际(shj)循环的有效功与为得到有效功所消耗循环的有效功与为得到有效功所消耗热量的比值。热量的比值。2. 有效有效(yuxio)燃油消耗率燃油消耗率ge：单位有效：单位有效(yuxio)功率的耗油量。功率的耗油量。第15页/共57页第十五页，共57页。三. .内燃机强化(qinghu)(qinghu)程度(/ )3030eheLhp V inp nkw LV i 1.1.升功率：发动机每升工作容积所发出(fch)(fch)的有效功率称为升功率。2.2.比质量(zhling)(zhling)：发动机的质量(

10、zhling)G(zhling)G与所发出的标定功率之比。3.3.强化系数：平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数。第16页/共57页第十六页，共57页。四. .内燃机其他性能(xngnng)(xngnng)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() 及一氧化碳及一氧化碳() 种危害种危害最大的气体的排放量都做出限额规定。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源。汽车

11、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。3起动起动(q dn)性性 我国标准规定，不采用特殊的低温起动我国标准规定，不采用特殊的低温起动(q dn)措施，汽油机在措施，汽油机在-10、柴油机在、柴油机在-5以下的气温条件下起动以下的气温条件下起动(q dn)发动机时，发动机时，15s以内发动机要能自行运转。以内发动机要能自行运转。第17页/共57页第十七页，共57页。第六节第六节 机械机械(jxi)(jxi)损失损失机械(jxi)(jxi)损失分配情况第18页/共57页第十八页，共57页。14:45 由上表可知(k zh)，机械损失所消耗的功率占指示功率的10 - 30，是不可忽

12、视的功率损失，降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环发出的指示功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高内燃机性能的一个重要途径。第19页/共57页第十九页，共57页。一. .机械效率(jxi xiol)(jxi xiol)机械效率是有效(yuxio)功率和指示功率的比值。机械效率机械效率(jxi xiol)的大致范围是：的大致范围是：汽油机汽油机 0.70.9柴油机柴油机 0.70.85第20页/共57页第二十页，共57页。二. .机械(jxi)(jxi)损失的测定 让内燃机在给定(i dn)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 （柴油机）或停止点火（汽油机），同时

13、将电力测功器转换为电动机，以给定(i dn)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， 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。1.1.倒拖法第21页/共57页第二十一页，共57页。 首先将内燃机调整到给定工况稳定工作，测定其有效功率，然后停止向一个气缸(q n)(q n)（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，再测定内燃机的有效功率，由于有一个气缸(q n)(q n)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(q n)(q n)的指示功率，然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

14、效功率、。 2.2.灭缸法第22页/共57页第二十二页，共57页。各缸的指示(zhsh)(zhsh)功率为： 1(1)ieePPP2(2)ieePPP将上列各式相加得到(d do)整机指示功率为：12(1)(2)(iiieeePPPiPPP）因此(ync)(ync)，机械损失功率为 (1)(2)(1)(mieeeePPPiPPP）第23页/共57页第二十三页，共57页。3.3.油耗线法 在负荷特性曲线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(jiodin)到坐标原点的长度即该机的平均机械损失压力。 第24页/共57页第二十四页，共57页。4.4.示功图法 录取被测内燃

15、机一个(y )汽缸的示功图，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，二者之差值即为该工况下内燃机的平均机械损失压力。第25页/共57页第二十五页，共57页。三. .影响(yngxing)(yngxing)机械效率的因素 或 增大，各摩擦副之间的相对速度增加，摩擦损失增大，同时曲柄连杆机构的惯性力增大，活塞的侧压力和轴承负荷增大，摩擦损失也增大。增大，泵气损失、驱动附件消耗的功随之增加，所以机械效率(jxi xiol)下降。1.1.转速转速(zhun s)n(zhun s)n(或活塞平均速度或活塞平均速度Cm)Cm)第26页/共57页第二十六页，共57页。2.2.负荷(fh

16、)(fh)变化m负荷增加，则当n不变，负荷(fh),则Pi,而Pm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，尽量选用粘度(zhn d)较小的机油，以减少摩擦损失，改善起动性能。 冷却液温度直接影响内燃机的热负荷，所以与机油粘度也密切相关，从而也影响到摩擦的大小。3.3.润滑油品质和冷却液温度第27页/共57页第二十七页，共57页。第七节第七节 燃烧热化学燃烧热化学(huxu)(huxu)一. .燃烧(rnsho)(rnsho)所必备的空气量1.1kg1.1kg燃料(rnlio)(rnlio)完全燃烧所需的理论空气量设1 1kgkg燃料中含C Cg gC Ckg Hkg Hg g

17、H Hkg Okg Og gO Okgkg2222212COCOHOH O所以1kg1kg燃料完全燃烧所需的氧气量为： 12432cOHgggkmolkmolkmol01()/0.21 12432cOHgggLkmol kg第28页/共57页第二十八页，共57页。14:45几种(j zhn)主要液体燃料的成分、热值及理论空气第29页/共57页第二十九页，共57页。2.2.过量空气(kngq)(kngq)系数0LLL表示发动机工作过程中每1kg燃料实际(shj)供给的空气量,L0表示1kg燃料完全燃烧需要的理论空气量 1 稀混合气11.1的情况(qngkung)(qngkung)柴油机：汽油机：

18、2.12.1的情况(qngkung)(qngkung)仅在汽油机上出现。第31页/共57页第三十一页，共57页。三. .实际分子变更(bingng)(bingng)系数 内燃机工作时，由于内燃机工作时，由于(yuy)汽缸中废气不可能完全排除干净，每汽缸中废气不可能完全排除干净，每次吸入新鲜充量时都有上个循环留下来的残余废气，因此研究燃烧前、次吸入新鲜充量时都有上个循环留下来的残余废气，因此研究燃烧前、后工质摩尔数的变化时，应将这种实际情况考虑进去。后工质摩尔数的变化时，应将这种实际情况考虑进去。 考虑了残余废气后，燃烧后的工质摩尔数考虑了残余废气后，燃烧后的工质摩尔数与燃烧前工质摩尔与燃烧前工

19、质摩尔数数之比称为实际分子变更系数，以之比称为实际分子变更系数，以表示表示:第32页/共57页第三十二页，共57页。第八节第八节 燃烧基本燃烧基本(jbn)(jbn)理论理论一. .连锁反应的机理及燃烧(rnsho)(rnsho)放热规律1.1.连锁反应(linsufnyng)(linsufnyng)的基本概念 链锁反应过程包括： 链引发：反应物分子受到某种因素激发（如受热裂解、受光辐射等）分解成自由原子或自由基。 链传播：自由原子或自由基与反应物作用，一方面使反应进行，另一方面又生成新的自由原子（基）。 直链反应一个活化中心与反应物作用产生一 个新的活化中心，反应以恒速进行。 支链反应一个活

20、化中心引起的反应，同时生成 两个以上的活化中心，反应速度急剧增长。 链中断：自由原子（基）与容器壁面或惰性气体分子碰撞，反应能力下降，不再引起反应。第33页/共57页第三十三页，共57页。例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O22H2O实际过程是：链引发：H2 2H链传播(链爆炸)：H+O2 OH+O O+H2OH+H 2OH+H2 2H2O+2H链中断：H+H+M H2+M（M是惰性气体(duxng q t)分子） H+OH+M H2O+M H+O+M OH+M第34页/共57页第三十四页，共57页。2.2.有效反应(fnyng)(fnyng)概念和连锁化学反应(fnyng)(fnyng)的普遍

21、方程式 所谓有效(yuxio)反应是指能获得最终产物及活化中心的反应。 链锁化学反应的速度与有效反应中心的生成速度成正比。如果将有效反应中心的生成速度与原始物质的分子(fnz)(fnz)数的比值称为有效反应中心的相对密度，则: : 连锁反应速度的普遍方程式为：第35页/共57页第三十五页，共57页。3.3.内燃机燃烧速度(sd)(sd)的半经验方程式燃烧品质指数对燃烧百分比和燃烧速度 / 的影响第36页/共57页第三十六页，共57页。二. .预混合气体中的火焰(huyn)(huyn)传播1.1.火焰(huyn)(huyn)核心的形成 预混合气体在外源点火的情况下形成火焰核心的前提条件是火花塞附

22、近的混合气必须具备一定的浓度。汽油机预混合气体的着火浓度范围为 0.5 -1.30.5 -1.3。 在预混合气体中，从火花塞跳火花至火焰核心形成要经历一段时间。这段时间的长短与火花塞附近预混合气体的压力、温度、氧的浓度、燃料种类、混合气浓度、气流运动状况、电火花的性质、电极几何形状(xngzhun)(xngzhun)和距离等诸多因素有关。第37页/共57页第三十七页，共57页。2.2.火焰(huyn)(huyn)的传播（1 1）=0.850.95=0.850.95时，火焰时，火焰传播速度传播速度u u最大最大, ,用此混合用此混合(hnh)(hnh)气时，发动机的功率气时，发动机的功率达最大，

23、故称功率混合达最大，故称功率混合(hnh)(hnh)比。比。（2 2）=1.031.1 =1.031.1 时，燃烧时，燃烧最完全，热效率最高，油耗最完全，热效率最高，油耗最低，故称经济混合最低，故称经济混合(hnh)(hnh)比。比。 对火焰传播的影响对火焰传播的影响第38页/共57页第三十八页，共57页。三. .燃油喷雾与扩散(kusn)(kusn)燃烧1.1.燃油喷雾与混合(hnh)(hnh) 喷入汽缸(qgng)(qgng)中的燃油首先要经历破碎和雾化过程。燃油喷入汽缸(qgng)(qgng)后的雾化、吸热、汽化的过程总是伴随着混合气的形成过程，即边雾化、边混合的过程，以逐步形成可燃混合

24、气。柴油机混合气形成的方式有多种形式，如雾化混合型、油膜混合型、雾化- -油膜混合型等。 不管具体柴油机的混合气形成哪种形式，在一个循环的工作过程中混合气的形成都必须经历预混合和扩散混合这样两个阶段。 预混合燃烧 扩散燃烧第39页/共57页第三十九页，共57页。2.2.扩散燃烧(rnsho)(rnsho)的特点 扩散燃烧阶段的燃烧情况非常复杂，它既存在预混合燃烧的形式(xngsh)(xngsh)，又存在单油滴的扩散燃烧形式(xngsh)(xngsh)，是一种气、液双相混合的燃烧过程。 柴油机中的燃烧，不管是预混合气的均相气相燃烧，还是微油滴群的油滴扩散燃烧，都仅与局部的油气比例和着火环境有关，

25、而与整个燃烧室中油气的宏观比例无关。 柴油机燃烧过程的另一特点是它容易生成炭烟。第40页/共57页第四十页，共57页。第九节第九节 实际实际(shj)(shj)循环的近似计算循环的近似计算热计算热计算一. .燃烧热化学(huxu)(huxu)计算根据给定或选定的燃料成分、过量空气系数 和残余废气(fiq)(fiq)系数 计算下列各值: :1kg1kg燃料所需的理论空气量；新鲜充量的摩尔数；燃烧产物的摩尔数；残余废气(fiq)(fiq)的摩尔数；理论分子变更系数；实际分子变更系数。第41页/共57页第四十一页，共57页。二. .换气过程(guchng)(guchng)参数的确定1.1.进气(jn

26、 q)(jn q)终点压力papa p p是影响充气效率的主要因素，对泵气损失也有影响。一般情况下，进气(jn q)(jn q)终点的汽缸内压力 低于进气(jn q)(jn q)系数的压力，其差值取决于吸气过程中的压力降。 ( (非增压内燃机) ) ( (增压内燃机) )式中: :环境大气压力； 增压压力。第42页/共57页第四十二页，共57页。2.2.残余废气(fiq)(fiq)系数3.3.进气终点(zhngdin)(zhngdin)温度TaTa4.4.充气(chn q)(chn q)效率vv第43页/共57页第四十三页，共57页。三. . 压缩(y su)(y su)过程压缩比是内燃机的一

27、个重要结构参数。汽油机压缩比的选取主要受到燃料和燃烧室结构类型、排气污染和不正常燃烧现象等的限制(xinzh)(xinzh)，它的比柴油机低得多。 的大致范围是: : 汽油机 柴油机 增压柴油机 第44页/共57页第四十四页，共57页。四. . 燃烧(rnsho)(rnsho)过程计算柴油机的燃烧(rnsho)(rnsho)方程式：汽油机的燃烧(rnsho)(rnsho)方程式：第45页/共57页第四十五页，共57页。五. . 膨胀(png zhng)(png zhng)过程膨胀终点(zhngdin)(zhngdin)的压力和温度：第46页/共57页第四十六页，共57页。六. . 平均指示(z

28、hsh)(zhsh)压力和指示(zhsh)(zhsh)热效率的计算平均指示(zhsh)(zhsh)压力pipi：指示(zhsh)(zhsh)热效率ii：第47页/共57页第四十七页，共57页。七. . 实际循环(xnhun)(xnhun)热计算举例试对 柴油机标定工况进行实际循环热计算。已知条件为: :缸径135135行程 140140缸数 12h12h功率 . . 转速1500r/min1500r/min压缩比 16.516.5每缸工作容积 曲柄半径与连杆(lin n)(lin n)长度比 / / / /大气状态 100kPa100kPa， 288K288K燃料平均质量成分0.870.87，

29、0.1260.126，0.0040.004燃料低热值 42500kJ/kg42500kJ/kg燃料燃烧室形式 形分开式第48页/共57页第四十八页，共57页。. . 参数(cnsh)(cnsh)选择. . 燃料热化学计算. . 换气过程参数(cnsh)(cnsh)计算. . 压缩过程计算. . 燃烧过程计算. . 膨胀过程计算. . 平均指示压力计算. . 指示热效率计算. . 指示燃油消耗率计算10. 10. 有效热效率 和有效燃油消耗率计算11. 11. 平均有效压力 和有效功率计算计算(j sun)(j sun)步骤：第49页/共57页第四十九页，共57页。 实际循环热计算的数学模型虽不算(b sun)复杂，但计算步骤仍较烦琐，手算很费时间。 特别是在经验数据选择不当，需另选数据进行重算时尤显烦琐。 如果将热计算的数学模型编成计算机程序，然后上机进行计算可大大缩短时间。八. . 热计算(j sun)(j sun)的计算(j sun)(j sun)机程序编制第50页/共57页第五十页，共57页。第十节第十节 实际实际(shj)(s