第一章 内燃机理论循环和实际循环

第一章内燃机理论循环和实际循环2第1页，课件共36页，创作于2023年2月第2页，课件共36页，创作于2023年2月2、指示功、有效功和机械损失功记：有效功为We，机械损失功为Wm，则有：

Wi=We+Wm

同理，若记指示功率为Pi、有效功率为Pe、机械损失功率为Pm，则有：

Pi=Pe+PmPi基于示功图得到，

Pi=（2•n•i/60/τ）•Wi

=（n•i/30/τ）•Wi

其中：n—发动机转速，r/min；i—汽缸数

τ—冲程系数（每循环冲程数），Pe由测功机实测得到，Pe与We的关系为：

Pe=（n•i/30/τ）•We第3页，课件共36页，创作于2023年2月Pm计算：Pm=Pi-Pe，也可由试验测得。

Pm=摩擦损失功+附件消耗功+泵气损失功①摩擦损失（50~60%）如连杆和曲轴轴承、配气机构、活塞及活塞环等之间的摩擦损失。②驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等附件所消耗的功率。（10~20%）③泵气损失（10~20%）指进排气过程消耗的功。第4页，课件共36页，创作于2023年2月3、平均指示压力与平均有效压力功和功率往往与气缸容积有关，不同发动机间难以相互比较。（1）平均指示压力定义：单位气缸工作容积所作的指示功。

pmi=Wi/Vs

即：Wi=pmi•Vs

=pmi•（πD2）/4•S相当于一个不变的压力pmi作用在活塞上，使其移动一个冲程所作的功，其值等于Wi第5页，课件共36页，创作于2023年2月意义：从实际循环角度来评价发动机汽缸工作容积利用率高低的一个参数，pmi越高，气缸工作容积利用率越高。可以更加清楚地对不同发动机的工作循环的热功率转换有效程度进行比较。（排除尺寸影响）

（2）同理可定义平均有效压力pme和

平均机械损失压力pmm

第6页，课件共36页，创作于2023年2月

平均机械损失压力pmm

定义：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。意义：用来衡量机械损失的大小。公式：

pmm=30τPm/VsinPm——机械损失功率；τ——冲程数；Vs——工作容积；n——转速。（3）同理有：pmi=pme+pmm第7页，课件共36页，创作于2023年2月4、有效转矩Ttq通过试验可测得有效功率Pe[kW]、转速n[r/min]

Pe=2πn/60Ttq/1000

Pe=Ttqn/9550=pmeVsi.n/30τ发动机输出转矩

Ttq=318.3pmeVsi/τ第8页，课件共36页，创作于2023年2月5、经济性评价指标（1）指示燃油消耗率bi------单位指示功的耗油量。单位：[g/（kW.h）]设每小时燃油消耗量为B（kg/h），

则bi=（B/Pi）×103（g/kWh）（2）有效燃油消耗率be-------单位有效功的耗油量单位：[g/（kW.h）]

be=(B/Pe)×103

（g/kWh）第9页，课件共36页，创作于2023年2月（3）指示热效率ηit定义：实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。

ηit=Wi/Q1

-----Q1为指示功Wi所消耗的热量（J）另外：设gb为单缸每循环燃料消耗量（循环供油量）则ηit=Wi/gbHu

-----Hu为

燃料的热值

ηit=3.6×103Pi/（B×Hu）B为每小时燃油消耗量（kg/h）Hu为所用燃料的低热值（kJ/kg）第10页，课件共36页，创作于2023年2月ηit、bi之间的关系：

ηit=3.6×106

/bi

Hu(4)有效热效率ηet

定义：实际循环的有效功与相应消耗的热量的比值。

ηet=We/Q1=Wiηm/Q1=ηitηm

同理有ηet=We/gbHu

ηet=3.6×103Pe/（B×Hu）ηet、be之间的关系：

ηet=3.6×106

/be

Hu第11页，课件共36页，创作于2023年2月6、发动机结构和强化程度的指标（1）升功率PL—单位发动机排量发出的功率（评价汽缸容积利用程度）

PL=Pe/Vsi（kW/L)

升功率PL是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的利用率作总的评价，也是评定一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。（2）比质量me—单位有效功率所占质量（评价工作过程、轻量化和紧凑性）

me=m/Pe（kg/KW）（3）强化系数—平均有效压力Pme与活塞平均速度Cm的乘积。第12页，课件共36页，创作于2023年2月第13页，课件共36页，创作于2023年2月第14页，课件共36页，创作于2023年2月7其他性能指标（1）环境指标排放性能和噪声（2）冷起动性能第15页，课件共36页，创作于2023年2月§1.4机械损失一机械效率定义：有效功（功率）与指示功（或功率）的比值。第16页，课件共36页，创作于2023年2月二.机械损失的分类摩擦损失如：活塞及活塞环；连杆轴承、曲轴轴承、凸轮轴轴承，配气机构的摩擦损失；流体摩擦损失；驱动附件损失如：驱动水泵、机油泵、喷油泵、调速器、风扇泵气损失（进排气过程消耗的功）4.驱动扫气泵和增压器的损失(二冲程和增压）第17页，课件共36页，创作于2023年2月三.影响机械损失的因素转速n负荷润滑油粘度、冷却水温度选用润滑油的原则：在可靠润滑的条件下，尽量选用粘度较小的润滑油，以减小摩擦损失，改善起动性能。4.点火提前角或供油提前角5.发动机工作温度6.发动机技术状况第18页，课件共36页，创作于2023年2月四.机械损失的测定示功图法测量方法：测功器测量有效功率，燃烧分析仪或示波器测得缸内压力，计算得到指示功率。测量原理：Pi-Pe=Pm缺点：只能测整体机械损失。应用：上止点位置能够精确校正。废气涡轮、中高压柴油机。第19页，课件共36页，创作于2023年2月2倒拖法测量方法：（1）发动机与电力测功机相连；（2）发动机在给定工况下稳定运转，冷却水和机油温度处于正常值；（3）切断供油（柴油机），停止点火（汽油机），将电力测功机转换为电动机，以给定转速到拖发动机。第20页，课件共36页，创作于2023年2月测量状态：尽可能维持冷却水和机油温度不变。

测量结果：由电力测功器测得的倒拖功率，即为发动机在该工况下的机械损失功率。

测量误差：偏大。

适用范围：必须使用电力测功器，不适合大功率高压缩比发动机和废气涡轮增压柴油机。

第21页，课件共36页，创作于2023年2月3.灭缸法

预备状态：将发动机调整到给定工况稳定工作

测量方法：a.测有效功率Pe；

b.停止向第一缸供油，并调整测功机使发动机恢复到原来转速，再测发动机的有效功率Pe（1）

c.依次使各缸熄火，得到

Pe（i）第22页，课件共36页，创作于2023年2月

测量原理：

测量误差：

柴油机：较好情况下可低于5%；

不适合汽油机（停缸引起进气情况改变）；

适用范围：多缸非增压柴油机；

4.油耗线法（负荷特性法）

（1）测量方法：

（2）测量原理：

（3）适用范围：柴油机。

第23页，课件共36页，创作于2023年2月1.5热平衡一实际循环热平衡（一）实际循环与理论循环的差异1.工质的影响:实际循环中,燃烧前后工质成分,数量改变。2.实际循环的影响：（1）传热损失:工质与周围环境的热量交换。（2）时间损失：比减小（3）缸内流动损失。（4）换气损失。:实际循环中,存在进,排气过程（5）不完全燃烧损失。第24页，课件共36页，创作于2023年2月第25页，课件共36页，创作于2023年2月1、真实工质特性对ηt的影响（1）实际中，工质成分随时间变化很大，压缩过程：空气+燃料蒸气+残余废气膨胀过程：废气+空气（2）比热容cv、cp=f（T、分子结构）ΔQv=cv×ΔT，ΔQp=cp×ΔTT↑，cv和cp↑，k↓，ΔT↓，ηt↓多原子分子↑，cv和cp↑，k↓，ΔT↓，ηt↓即：真实工质k＜理想工质k，ηt↓第26页，课件共36页，创作于2023年2月（3）高温热分解高温时，原子间的结合力减弱，产生热分解，CO2→CO、O，H2O→H、O由于热分解是吸热过程，所以ηt↓尽管吸收的热能在膨胀过程中又被释放出来，但利用率低；T越高、p越大，热分解越严重，因此，汽油机＞柴油机（4）燃烧前后分子数分子变化系数μ＞1，缸压↑，ηt↑。汽油机μ＞柴油机μ，所以，影响程度，汽油机＞柴油机（5）工质泄漏实际工作时，由气门和活塞环处产生泄漏（≤2/1000质量），压缩压力和燃烧压力↓，ηt↓即：工质质量不守恒，不是完全的闭式循环（闭口系统）第27页，课件共36页，创作于2023年2月第28页，课件共36页，创作于2023年2月2、真实循环特性对ηt的影响（1）散热（传热）损失真实循环并非绝热过程，通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。压缩过程：前期吸热，后期散热，使压缩线略下降；燃烧及膨胀过程：温差大，散热强烈，使pZ和膨胀线下降燃烧膨胀线的下降幅度远大于压缩线，使动力过程功减小。（2）时间损失实际循环时，燃烧及向工质加热不可能瞬间完成，因此：存在点火（喷油）提前角，使有用功面积下降；ηt↓pZ出现在TDC后10CA，而非等容加热，使有用功面积减小。第29页，课件共36页，创作于2023年2月第30页，课件共36页，创作于2023年2月（3）换气损失排气门早开，造成膨胀功损失；泵气损失功W2（4）不完全燃烧损失（严格来说，该项不是对ηt

的影响）正常燃烧时，也有ηt≠100%不正常燃烧、Φa＜1等，ηt↓↓（5）缸内流动损失流动增强以及提高涡流与湍流程度，ηt↓因为：造成能量损失、散热损失例如：流动损失，非直喷式柴油机＞直喷式柴油机总结：由于以上在工质和循环方面的差别，使得理论循环ηt-实际循环ηt=10—20%两者之间的差别指出了改善内燃机ηt的基本原则。第31页，课件共36页，创作于2023年2月二发动机的热平衡总热量:QT=