武理工船舶柴油机课件08柴油机工作循环和主要性能指标

2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标1Chapter8柴油机工作循环和主要性能指标2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标2Chapter8柴油机工作循环和主要性能指标8.1柴油机的工作循环8.2柴油机的主要性能指标8.3提高柴油机功率和经济性的措施8.4柴油机的热平衡2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标38.1柴油机的工作循环一、柴油机的两种示功图展开示功图，便于柴油机性能研究2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标4增压柴油机与非增压柴油机示功图2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标58.1柴油机的工作循环二、柴油机的理想循环理想循环的几点假设：工质为理想气体。燃料的燃烧过程用外界热源向工质加热过程代替，其方式可以是定容、或定压、或定容与定压混合过程；循环为闭口体系，无进、排气过程与气体的漏泄；压缩与膨胀过程为绝热过程；废气排出带走热量的过程用工质向外界冷源放热过程代替。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标68.1柴油机的工作循环柴油机的四种理想循环高速强载或低负荷空气喷射或定压燃烧与燃气涡轮联合工作2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标78.1柴油机的工作循环分析理论循环可得出如下重要结论：2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标88.1柴油机的工作循环三种循环效率的比较三种循环不变，绝热压缩线1-2不变。因为q1定容q1混合

q1定压，而q2相同，所以t定容t混合t定压。对设计新柴油机而言：pz、Tmax相同，见补图8-2因为q1定压q1混合q1定容，而q2相同，所以t定压t混合t定容。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标98.1柴油机的工作循环三、柴油机的实际循环实际循环和理想循环之间的差别：实际循环是一个开口热力体系，需进排气过程且存在流阻损失关于加热与放热过程存在不完全燃烧损失工质的数量和成分变化各个工作过程进行时，存在着热交换和摩擦。由此可知，从能量转换角度来看，除了冷源损失外，还有不可逆损失，即不完全燃烧、热交换、漏气和流动阻力等其他热损失。因而，柴油机循环不可能达到理想循环的热效率t和平均压力pt。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标10四冲程柴油机的实际循环2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标11实际循环与理论循环的差异工质的影响1)成分变化→α，T和燃烧成分变化2)比热变化→↓3)高温分解→燃烧阶段的P,T增长较少，↓4)分子数↑→↑换气损失气缸壁传热损失时间损失燃烧损失泄漏损失2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标128.1柴油机的工作循环1．换气过程1）残余废气系数：换气过程结束时，缸内残存的废气量Gr与充入气缸的新鲜空气量G0之比。表示换气过程的完善程度。数值越小，换气过程越完善。四冲程换气质量好二冲程柴油机中直流>回流>横流(最差)。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标138.1柴油机的工作循环四冲程柴油机换气过程1自由排气阶段：压力差作用2强制排气阶段：活塞上行强制作用3进气过程：进气门开到关(理论上)4气阀叠开和燃烧室扫气：双阀开，相通（叠开角度要合适）四冲程柴油机的换气角度为400~500度2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标148.1柴油机的工作循环二冲程柴油机换气过程1自由排气阶段(B-R)2强制排气和扫气阶段(R-C)3过后排气阶段(C-E)二冲程柴油机的换气角度为120~150度2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标158.1柴油机的工作循环充气系数 实际吸入气缸的新鲜空气量与进气管状态下充满气缸工作容积V的空气量m之比值影响因素进气流动阻力的影响（进气阀>排气阀,主要因素）进气过程结束时气缸内气体温度的影响(n,p不同,是次要因素)残余废气系数的影响(排气背压↑ηv↓，四冲程很小)柴油机气阀正时的影响2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标16流动阻力分析要求尽可能增大进气通道截面积f。因此中大型机采用多个进气阀结构柴油机往往尽可能增大进气阀直径，使进气阀直径大于排气阀直径在中高速时,流动阻力损失占主要,所以要特别注意进气道的通畅2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标178.1柴油机的工作循环1．换气过程2）充气系数：换气过程结束时充入气缸的实际空气量G0与在进气状态下充满气缸工作容积Vs的理论空气量Gs之比。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标188.1柴油机的工作循环1．换气过程3）扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数扫气效率s：换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量G0与气缸内全部气体量Ga之比（干净程度）扫气系数s：在一个循环中通过扫气口的全部扫气量Gk与换气过程结束后留在气缸中的新鲜空气量G0之比(扫气空气消耗的相对量)扫气过量空气系数k：每循环通过扫气口的全部扫气量Gk与在进气状态下（ps、Ts)充满气缸工作容积Vs的理论空气量Gs之比(扫气空气消耗的绝对量)2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标198.1柴油机的工作循环2．压缩过程与理想压缩过程的差别：（1）它的开始和终止不是在活塞止点处。（2）不是绝热过程，气体与缸壁有复杂的热交换。（3）工质不是理想气体，而是实际空气与残余废气的混合物实际压缩过程的多变指数是变化的，主要和压缩过程中的散热情况有关：气体向缸壁散热多，n1值小，反之则n1值大。(低速小于高速，增压小于非增压)2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标208.1柴油机的工作循环压缩比对柴油机的影响（1）在一定范围内提高，可使经济性提高，但过高反而可能使经济性下降（2）机械负荷限制了的上限（3）从燃油的可靠自燃，良好燃烧和保证冷起动来看，不能太低。柴油机拆装和修理后，应注意保证达到说明书规定的压缩比。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标218.1柴油机的工作循环3．燃烧过程实际燃烧过程与加热过程的区别为：1）由于燃油喷射和燃烧并非瞬时完成，活塞又在运动，故燃烧是在压力、容积都在改变的情况下进行，放热规律很复杂。2）燃烧包含了极为复杂的物理、化学过程，工质的成分、性质都有改变，且还有许多中间产物产生。3）工质因燃烧和漏气，数量发生变化。4）存在工质向缸壁的散热。

2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标228.1柴油机的工作循环燃烧基础理论分析1）完全燃烧1kg燃料的理论空气需要量2）完全燃烧1kg燃料的实际供给空气量3）燃烧过量空气系数4）完全燃烧1kg燃料生成的燃烧产物数量5）最高爆发压力6）最高燃烧温度2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标238.1柴油机的工作循环1）完全燃烧1kg燃料的理论空气需要量根据燃烧中C、H和O的质量比，可以确定：2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标248.1柴油机的工作循环2）完全燃烧1kg燃料的实际供给空气量 实际供入气缸的空气量L或L'多于理论空气需要量，即：2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标258.1柴油机的工作循环3）燃烧过量空气系数

1kg燃料实际供给的空气与理论空气需要量的比值。对柴油机性能的影响：每循环能燃烧的油量多，发出的功率大（油气混合好为前提）1）反映气缸容积的利用程度和燃油的混合质量，小2）对经济性的影响，小空气量少，燃烧不完全，经济性差太大混合气的浓度低，燃烧不好，经济性差3）与柴油机的热负荷和排气有关，小燃烧的油增多排气温度增高排放废气中的NOX增多2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标26与机型、尺寸、增压程度、转速和燃烧室有关非增压小型高速柴油机受燃烧完善程度的限制增压中、低速柴油机受热负荷、燃油消耗率及废气中NOX含量的限制2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标278.1柴油机的工作循环4）完全燃烧1kg燃料生成的燃烧产物数量完全燃烧生成的产物：

燃烧后缸内气体按kmol计的数量增加：一般约为3～4%。

2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标288.1柴油机的工作循环5）最高爆发压力表示柴油机零件所承受的机械负荷的大小，同时对柴油机的经济性有重要影响。

2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标298.1柴油机的工作循环6）最高燃烧温度代表柴油机的热负荷影响NOX的生成2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标308.1柴油机的工作循环7）燃烧终点容积在实际柴油机中，很难准确确定燃烧终点。这里所说的燃烧终点容积Vz，是一个假定容积，即认为燃烧从上止点开始，由定容燃烧cy和定压燃烧yz两部分组成。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标318.1柴油机的工作循环4．膨胀过程实际膨胀过程与理想过程的区别为：（1）它的开始和终止不是在活塞止点处。（2）不是绝热过程，存在散热和漏气。（3）工质不是理想气体，而是燃烧产物。膨胀过程也是一个变指数多变过程。开始多变指数小于绝热指数，以后等于和大于绝热指数。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标32Chapter8柴油机工作循环和主要性能指标8.1柴油机的工作循环8.2柴油机的主要性能指标8.3提高柴油机功率和经济性的措施8.4柴油机的热平衡2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标338.2柴油机的主要性能指标一、动力性和经济性指标指示指标有效指标动力性pi－平均指示压力pe－平均有效压力Ni－指示功率Ne－有效功率经济性ηi－指示热效率ηe－有效热效率gi－指示燃油消耗率ge－有效燃油消耗率2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标348.2柴油机的主要性能指标指示指标与有效指标的区别：指示指标：以实测的示功图所表示的一个循环所作的功－－指示功为基础的（从示功图求出来的），它们表征气缸内部工作情况，其优劣取决于气缸内部实际工作循环进行的完善程度（包括不完全燃烧、燃烧延迟、气体泄漏、气缸壁传热损失等）。有效指标：以在柴油机输出轴上所得到的有效功为基础的，它扣除了柴油机内的一切损失，其优劣取决于工作循环进行的完善程度外，还得取决于机械损失的大小，它是评定柴油机工作性能的最终指标。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标358.2柴油机的主要性能指标（一）指示指标1．平均指示压力pi单位气缸工作容积每一工作循环的指示功。可比较不同尺寸和类型柴油机的做功能力—强化程度pi值大：单位工作容积的做功能力，工作容积利用程度大喷入的燃油量相同时，表明工作循环完善。所以评定柴油机工作循环动力性的重要指标。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标368.2柴油机的主要性能指标2．指示功率Ni柴油机气缸内的工质在单位时间内推动活塞所作的指示功单个气缸每工作循环所作的指示功：单个气缸的指示功率：整个柴油机的指示功率：m:每转工作循环数，四冲程机m=1/2，二冲程机m=12023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标378.2柴油机的主要性能指标3．指示热效率ηi和指示油耗率gi柴油机发出的指示功热当量与所消耗燃料的总发热量的比值以一千瓦指示功率每小时消耗的燃油量2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标388.2柴油机的主要性能指标（二）有效指标1．有效功率Ne和机械效率mNe

：从柴油机曲轴输出端传出的功率（指示功率-机械损失功率Nm所剩的功率）Ne=Ni

-Nm

m：有效功率Ne与指示功率Ni之比值2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标398.2柴油机的主要性能指标2．平均有效压力pePe：柴油机在每一工作循环每单位气缸工作容积所作的有效功。2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标408.2柴油机的主要性能指标3．有效燃油消耗率ge和有效热效率e

柴油机发出的有效功热当量与所消耗燃料的总发热量的比值有效油耗率是指每一千瓦有效功率每小时所消耗的燃油量2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标41Chapter8柴油机工作循环和主要性能指标8.1柴油机的工作循环8.2柴油机的主要性能指标8.3提高柴油机功率和经济性的措施8.4柴油机的热平衡2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标428.3提高柴油机功率和经济性的措施前言燃油燃烧有效功热损失机械损失排气损失燃烧不完全损失散热损失漏气损失流动阻力损失带动辅助机械损失摩擦损失泵气损失热量2023/4/1chapter8柴油机工作循环与性能指标438.3提高柴油机功率和经济性的措施一、提高强载度的主要措施具体措施有：(1)采用增压技术和对增压空气进行中冷。(2)改善燃油与空气的混合。以便减小。(