第1章内燃机性能指标及实际循环热计算绪论 (2)

1、 第一章第一章 发动机性能发动机性能 1）工质 在发动机的工作过程中，将热能转变为机械能的工作物质。 发动机：发动机：热能热能 机械能机械能 2）热力系统 把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究对象，称为热力系统。 研究对象以外的一切物质，称为外界外界； 热力系统和外界的分界面，称为界面界面 3）热力状态及热力过程 工质所处的某种宏观状态称为热力状态热力状态 描述热力状态的物理量参数有：压力、温度、比容压力、温度、比容等 热力系统的状态随时间变化的过程称为热力过程热力过程 （1）基本概念）基本概念 外界外界热力系热力系界面界面 4）平衡状态 工质再不收外界影响的条件下，宏观性质不随时间变化的状态称

2、为平衡状态。 5）工质的比热 工质的比热就是单位量的物质温度升高（或降低）1K时所吸收（或放出）的热量。Cv等容比热 Cp等压比热。 6）工质的功 功是热力系统与外界间传递的能量。效果体现使物体改变宏观运动状态。 7）内能 内能就是工质内部气体分子和原子的动能和分子间的位能总和。 8）能量平衡方程 q1-2 =u2- u1+1-2 9）示功图 示功图：示功图：在活塞式机器的一个循环中, 气缸内气体压力随活塞位移(或气缸内 容积)而变化的循环曲线 10）温熵图 熵熵:单位质量工质所吸收的热量除以工质的热力学温度所得到的熵。 温熵图：温熵图：热力过程中单位质量 与外界所交换的热量称为温熵图 （2）

3、基本状态参数）基本状态参数 1）比容 单位质量的工质所占有的容积。 比容和密度的关系：比容和密度的关系：倒数 2）气体压力 气体在单位面积容器壁上的垂直作用力。 3）温度 T=t+273.15 （3）理想气体状态方程）理想气体状态方程 1）理想气体 分子本身不占有体积，分子之间没有吸引力的气体。 理想气体方程：理想气体方程： pv=RT或 PV=mRT 2）基本热力过程 等容过程 等压过程 等温过程等温膨胀等温膨胀压强减小压强减小等温压缩等温压缩压强增大压强增大等温膨胀等温膨胀压强减小压强减小等温压缩等温压缩压强增大压强增大 绝热过程 注意：注意：q=0 dq=0多变过程 体积、压力、温度都是

4、变化的。pVn=常数 第一节发动机理论循环 （1）发动机理论循环发动机的理论循环是假想的简化循环（空气的标准循环），由几个基本的热力过程组成。简化条件： 假定工质为理想气体； 整个循环中工质质量不变，工质是在密闭系统中作封闭循环，没有进、排气过程； 压缩和膨胀过程均为绝热等熵过程。 用等容加热、等压加热代替燃烧过程。 用等容放热代替排热过程。研究理论循环的目的研究理论循环的目的: : 1）确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。2）分析比较发动机不同热力循环方式的经济性和动力性。3）确定提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压力为代表的动力性的

5、基本途径。 发动机理论循环的三种形式：a)高速柴油机）b) （汽油机）c)(高增压低速柴油机)。（1 1）评定理论循环的指标）评定理论循环的指标循环热效率t 等于转变循环净功的热量与每次循环加给工质总热量之比。 t=W/Q1 1、压缩比 压缩比越大，循环热效率越高。 2、绝热指数k 绝热指数越大（和混合气浓度有成反比），循环热效率越高。 3、压力升高比 在混合加热循环中提高等容部分加入的热量，可提高热效率。但受到材料的耐热性和强度的限制，提高压力升高比和压缩比有限。 4、预膨胀比 在等压加热循环中，随着加热量Q1的增加，值增加，若保持压缩比不变，放出热量Q2增加，热效率降低。 在混合加热循环中

6、，当循环总热量Q1和压缩比不变，值增大，则等压部分加热量增加，热效率降低。 循环平均压力pt 等于循环净功与气缸工作容积的比值。 pt=W/Vstaktkkpp) 1(111实际工作条件的限制实际工作条件的限制:结构强度的限制。提高压缩比和压力升高比能提高热效率，导致零件承载能力升高，增加发动机重量机械效率方面的限制。发动机机械效率与最高燃烧压力有关，直接影响曲柄连杆机构的重量、惯性力等，导致机械效率下降。燃烧方面的限制。压缩比过高导致汽油机爆燃。柴油机燃烧室小，设计困难，不利于高效率地燃烧。 111tc 010111(1)tc 010111(1)(1)ptcpp 介于上述两者之间介于上述两者

7、之间混合加混合加热循环热循环加热过程在等压条件下缓慢完成加热过程在等压条件下缓慢完成，负荷的增加使得热效率下降，负荷的增加使得热效率下降等压加等压加热循环热循环加热过程在等容条件下很快完成加热过程在等容条件下很快完成，热效率仅与压缩比有关，热效率仅与压缩比有关等容加等容加热循环热循环循环特点循环特点循环热效率循环热效率循环名循环名称称表表11 三种理论循环的比较三种理论循环的比较c压缩比压缩比 相同相同加热量加热量 相同相同初态初态1 1相同相同1Q tptmtv 加热量加热量 相同相同初态初态1 1相同相同循环的最高压力相同循环的最高压力相同tptmtv1Q222vmpQQQ 对于高增压柴油

8、机，为了得到较高的热效率，对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率，宜按等压加热循环工作。宜按等压加热循环工作。容压由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部分变化不大。这相当于基本不变而 减小，则t提高。 点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传播距离不变。当负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相当于下降而 上升，则t降低。1、进气过程 图a）2、压缩过程 图b）3、燃烧过程 图c）4、膨胀过程 图c）5、排气过程 图d） （1）进气过程）进气过程作用：作用：吸入新鲜工质，为热功转换做必要的准备。 进气门提前开启扫气。由于进气系统有阻力，进气终了的压力P

9、a总是小于大气压力P0。进气终了温度Ta总是高于大气温度T0。PaP0； TaT0 （2）压缩过程）压缩过程 作用：作用：扩大工作循环温差，使工质获得最大限度的膨胀比，提高循环热效率，为着火燃烧创造条件。 压缩比：压缩比： 多变指数和平均多变压缩指数：多变指数和平均多变压缩指数： 实际计算中n1取代n1 ，试验测定n1大致范围是： 压缩终点的压力和温度的数值范围：压缩终点的压力和温度的数值范围：（3）燃烧过程）燃烧过程 作用：作用：将燃料的化学能转变为热能，使工质温度、压力升高，为膨胀创造条件 汽油机：汽油机：在上止点点燃，容积变化小，燃烧快，温度压力上升快，接近等容燃烧。 柴油机：柴油机：燃

10、烧开始接近等容燃烧，随后燃烧速率放慢，气缸容积增大，压力升高减缓，接近等压燃烧 （4）膨胀过程）膨胀过程 膨胀过程是高温高压的工质推动活塞由上止点向下止点运动而做功的过程。 多变指数n2和平均多变指数n2 ：实际计算中n2取代n2 ，试验测定n2大致范围是： （5）排气过程）排气过程作用：作用：排出燃烧废气为下一循环的进气做准备。 排出的气体具有较高的温度和压力，使热效率下降；由于排气系统的阻力，使排气终了压力大于大气压力。 排气温度常用作检查发动机工作状态的技术指标。其值偏高，说明热功转换效率低工作过程不良，及时检修。 实际工质影响引起的损失：实际工质影响引起的损失： 换气损失：换气损失：

11、非瞬时燃烧损失和补燃损失非瞬时燃烧损失和补燃损失 提前排气损失：提前排气损失： 传热、流动损失：传热、流动损失： （1）在实际循环中，工质的成分会发生变化，使循环热效率下降。（2）工质的比热随温度的上升而增大。使循环热效率下降。（3）工质的高温分解。使循环热效率下降。（4）工质分子数的变化。 由和组成。（1）汽缸壁传热量的计算 传热的基本方式：接触传热（导热、对流）和辐射，对流为主要传热方式。 （2）影响传热损失的各种因素冷却介质温度的影响：冷却介质温度的影响：介质温度越高，传热损失越少。增压的影响：增压的影响：增压程度越高，传热损失越少。工况变化的影响工况变化的影响：工况变化是指负荷和转速的

12、变化。燃烧室形状的影响：燃烧室形状的影响：分隔式燃烧室比直喷式燃烧室损失大。()()-m-swcwcwQaa F TTdaaFTKTK2传热量计算公式：式中：辐射传热系数接触传热系数汽缸壁某部位与工质接触的传热面积，；工质的温度， ；汽缸某部位的表面温度， ；散热过程所经历的时间， ； 气缸几何尺寸的影响；气缸几何尺寸的影响； 工质接触的传热面积与气缸工作容积之比对传热损失影响大。2212()42cDSFDSDD传热面积 231()44hDSVSDD工作容积 h1CFVD比值 由上式可知：缸径D越大，比值越小，相对传热损失越小。高速小缸径（85-90mm）柴油机传热损失约30-33%；大型柴油

13、机（700-780mm），传热损失约15-18%。 2h42=CFVDSD S2S1（ + ） DD2比值 4由上式可知：由上式可知：D不变，S增大，比值下降，传热损失小，故较大S/D有利。实践经验表明：实践经验表明：S/D值在1.27-1.30之间，传热损失具有较小值。 由于实际循环中的活塞运动具有相当的运动速度，而进气、排气、燃料的燃烧需要一定的时间，从而增加了压缩过程消耗的功，减少了膨胀过程的有用功，这部分造成的损失成为时间损失。时间损失。 由后燃和不完全燃烧组成由后燃和不完全燃烧组成 、涡轮和节流损失、涡轮和节流损失 、泄露损失、泄露损失 发动机的指示性能指标是指的指标，简称。评定工质

14、在气缸内实际循环的进行情况的好坏，是从示功图示功图测量计算得出的。指示功、指示功率、平均指示压力。指示热效率、指示燃油消耗率动力性能指标（功率、转矩、转速），经济性能指标（燃料和润滑油的消耗），运转性能指标（冷起动性能、噪声、排气品质） 是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。指示功的大小可以由pV图中闭合曲线所占有的面积求得。iiWFab式中： Fi 示功图面积，cm2；可以用求积仪或计算方法求得 a 示功图纵坐标比例尺，Pacm； b 示功图横坐标比例尺，cm3cm。（J或Nm）是指单位气缸容积一个循环所作的指示功(Pa) 。 式中， Wi 发动机一个工作循环的指示功，J； Vs 发

15、动机气缸工作容积，m3。 若Vs用L为单位，Wi用kJ为单位，则pmi (MPa) 42SDpVpWmismii式中， D和S分别为气缸直径和活塞行程 Pi 一般范围如下：汽油机 Pi =700-1300KPa柴油机 Pi =650-1100KPa增压柴油机 Pi =900-2500KPa汽车用增压柴油机 Pi =1100-1600KPa指示功率：指示功率：内燃机单位时间内所做的指示功。Pi若：一台内燃机的缸数i，缸径为D，行程为S,每缸的工作容积Vh (L) ，平均指示压力为pmi (MPa ) ，转速n(r/min)，冲程数。23104iihiDWpVpS每缸每循环所做的指示功： -3ii

16、n 2i=106030isip V inPWW为每缸一个工作循环所做的功-3=10120isip V inP -3=1060isip V inP 三、指示热效率和指示燃油消耗率三、指示热效率和指示燃油消耗率发动机实际循环指示功发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。与所消耗燃料热量的比值。1iiWQ式中， Q1 得到指示功Wi所消耗的热量( J) 。 对于一台发动机，若测得其指示功率Pi (kW)、每小时燃油消耗量B(kg/h) ，则：33.6 10iiuPBH式中， B 每小时发动机的耗油量，kg/h； Hu 所用燃料的低热值，kJ/kg。 v 指示燃油消耗率指示燃油消耗率g(kWh)：

17、指单位指示功的耗油量。310iiBgP 表示实际循环的经济性指标it和gi之间存在着以下关系：3363.6 103.6 103.6 10iiuiuuiPBBHg HHP 一般内燃机的it和bi的统计范围如下： it gig(kWh) -1四冲程柴油机 0.400.50 210175二冲程柴油机 0.400.48 218177 四冲程汽油机 0.250.40 344218二冲程汽油机 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。 v以为计算基础的性能指标，称为有效有效性能指标性能指标，简称有效指标。v作用：作用：有效

18、指标是用来直接评定发动机实际工作性能的优劣。v动力性指标：动力性指标：有效功、有效功率、有效转矩、平均有效压力、转速、活塞平均速度。v经济性指标：经济性指标：有效热效率、有效燃油消耗率 一、发动机动力性指标一、发动机动力性指标1、有效功和有效功率、有效功和有效功率v有效功：发动机每循环曲轴输出的单缸功量 。eWmieWWW式中： Wi 循环净指示功 Wm 循环实际机械损失功 v有效功率miePPP式中：式中： Pi 指示功率指示功率 Pm 实际机械损失功率实际机械损失功率( kw ) 机械损失机械损失: 发动机内部摩擦损失；发动机内部摩擦损失； 驱动附件损耗、驱动附件损耗、 泵气损失等泵气损失

19、等。 2、有效转矩、有效转矩v发动机工作时由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩，可由测功器测得。 (Nm)3260 100095500.104710kWeeeenMM nPM n（） 3、平均有效压力：、平均有效压力：v发动机单位气缸工作容积所输出的有效功。与平均指示压力相似；是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。310309550eheep V niM nP Mepe pe 反映了发动机单位气缸工反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。作容积输出转矩的大小。 4、转速、转速n和活塞平均速度和活塞平均速度26030mnSnCSmC（ms）汽油机活塞速度一般不超过15m/s ；柴油机活塞速度

20、一般不超过13m/s；Pe一般范围： 汽油机：6501200kPa； 柴油机：600950kPa； 增压柴油机：9001300kPa 二、内燃机经济性指标二、内燃机经济性指标v衡量内燃机经济性能的重要指标是衡量内燃机经济性能的重要指标是和和。，即，即11eimeWWQQ33.6 10eeTuPG H g(kWh)是指单位有效功所消耗的燃油量，用ge表示： （ g/kwh ） 633.6 1010TeeeuGgPH 可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。知道其中一值后，可求出另一值。33.6 10eeTuPG H有 一般内燃

21、机在标定工况下的一般内燃机在标定工况下的be和和e值大致在以下范围：值大致在以下范围： geg (kWh)-1 e低速柴油机低速柴油机 190225 0.380.45中速柴油机中速柴油机 195240 0.360.43高速柴油机高速柴油机 215285 0.300.40(其中较低的其中较低的ge值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机)四冲程汽油机四冲程汽油机 274410 0.300.20二冲程汽油机二冲程汽油机 410545 0.200.15 三、内燃机强化指标三、内燃机强化指标v升功率：升功率：在标定工况下(指标定转速、标定功率)，内燃机每升气缸工作容

22、积所发出的有效功率。用来衡量内燃用来衡量内燃机排量的利用程度。机排量的利用程度。30meLp nP式中，式中，pme为标定工况下的平均有效压力，为标定工况下的平均有效压力，MPa； n为标定转速，为标定转速，rmin。(kWL)eLsPPiV升功率大致范围： PL（kW/L） 汽油机 2255 汽车柴油机 1830 比质量：比质量：是发动机质量与所给出的标定功率之比，表征内燃机质量的利用程度和结构紧凑性。eemmP(kgkW) 汽车发动机要求质量小、功率大，所以其升功率大、比质量小。汽油机的强化程度要比柴油机的高.比质量大致范围： me（kg/kW） 汽油机 1.54 汽车柴油机 49 v强化

23、系数强化系数memp C平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强强化系数。化系数。 与活塞单位面积的功率成正比。其值愈大，与活塞单位面积的功率成正比。其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。发动机的热负荷和机械负荷愈高。 强化系数emp C（915）MPams重型汽车柴油机（6ll）MPams小型高速柴油机（817）MPams汽油机 发动机的类型表表116 强化系数范围强化系数范围 四、内燃机其他性能评定四、内燃机其他性能评定1、排气品质：、排气品质：有害气体：NOx、HC、CO都规定了限值。排气颗粒：指除水以外各种液态和固态颗粒。美国对总排放颗粒规定限制，其他国家只对炭烟颗粒规定了限值。2、噪

24、声、噪声3、起动性、起动性 正常情况下，汽油机在-10，柴油机在-5的气温环境下，在15s内发动机能顺利起动。 一、机械效率一、机械效率平均机械损失压力Pm：单位气缸工作容积机械损失功来表示。30mmsPpV in式中， Pm为机械损失功率(kW)； Vs为工作容积(L)； n为转速(rmin)； i为气缸数目。 v机械效率：发动机的有效功率与指示功率之比。emiPP11emmmiiipPppPp eim机械效率大致范围： 汽油机 0.70.9 汽车柴油机 0.70.85m 二、机械损失的测定二、机械损失的测定1、示功图法2、倒拖法3、灭缸法4、油耗线法 运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算

25、出Pi值，从测功器和转速计读数中测出发动机的有效功率Pe，从而可以算出Pm，m及pm值。示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正时才能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。取得较满意的结果。决定于示功图测录的正确程度：决定于示功图测录的正确程度： a.最大的误差来源于最大的误差来源于p图或图或pV图上图上 b. 试验时，发动机与相连，当发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油温度到达正常数值时，切断对发动机的油，同时将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油温度不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。 缺点：缺点：必须使

26、用平衡式电力测功器，倒拖时缸内熄火，气缸内压力和温度与实际工况不符，结果偏大。 仅适用于仅适用于多缸机多缸机 当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出整个发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、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，停止向某一汽缸或汽油机节气门开度固定不动的情况下，停止向某一汽缸供油或点火。调整测功机，使发动机恢复到原来的转速，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（其余五个汽缸的有效功率），必然小重新测定有效功率（其余五个汽缸的有效功率），

27、必然小于（一缸熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率。逐次于（一缸熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率。逐次灭缸，则整台发动机的指示功率为各缸相加。灭缸，则整台发动机的指示功率为各缸相加。 l 如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率(Pi)x：( )()ixeexPPPl 依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率的总和中求得整台发功机的指示功率Pi：1()iieexxPPP 3330T03.6 103.6 10 ()3.6 10PGGTuiiemiuimememmmG HPPPG HPPppPp该方法理论基础 当柴油机空转（无负荷），若不随负荷增减而变化时，两式相除，得： 柴油机在转速不变的情况下柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验，求出发动机进行负荷特性试验，求出发动机在给定转速下，每小时燃油消耗在给定转速下，每小时燃油消耗量与平均有效压力的关系曲线。量与平均有效压力的关系曲线。 把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的交点，就把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的交点，就可以求得可以求得pm值。值。 当测得其当测得其pm值后，其机械效率可近似地用下式估算式值后，其机械效率可近似地用下式估算式中，中，011emmememTppGppppG GT可取某一常用工况的数值。可取某一常用工况的数值。图图 用