汽车发动机原理教学课件-第一章-发动机的性能

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发动机原理第一章发动机的性能大连理工大学汽车工程学院目录发动机的理论循环31四行程发动机的实际循环32发动机的性能指标3334机械损失与机械效率35发动机的热平衡第一节四行程发动机的理论循环四行程发动机工作循环排气行程做功行程压缩行程进气行程补充：工程热力学相关概念工质--实现热能转换为机械能的媒介物质，通常为气体。热机--将热能转换为机械能的机械装置。热力系统--热力学所研究的对象。

闭口系统-热力系统与外界没有物质交换的系统。开口系统-热力系统与外界有物质交换的系统。状态--热力系统在某一瞬间呈现的全部宏观性质状态参数--描述这种宏观状态的物理量状态参数BFCDA温度T压力P比体积v熵S热力学能UE

焓H因物体热运动而具有的能量焓H

=U+pV

表示工质进入或离开系统所携带的总的热力学能。熵ds=dq/T他是微元热量与温度的商，物理意义是系统可逆定温过程与外界交换的热量。功是指热力系统通过边界传递的能量，其全部效果可表现为举起重物。膨胀功，压缩功，体积功

热量是指仅仅由于温差而通过边界传递的能量。是两物体通过微观的分子运动发生相互作用而传递的能量。传热与否的标志用状态参数熵s表示。热量与功的异同：都是通过边界传递的能量；都是过程量；功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温度差推动，比熵变化是传热的标志；功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。为了分析问题的方便，工程上通常采用两个独立状态参数组成坐标图来表示工质所处的状态。示功图p–v图和示热图T–s图热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的应用，可以描述为：热能和机械能可以相互转换，且在相互转换过程中，能量的总量保持守恒。〔参加热力系统的能量的总和〕-〔离开热力系统能量的总和〕=〔热力系统总能量的增量〕热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律主要是说明与热现象有关的各种过程进行的方向、条件以及进行的限度或深度的定律自发过程有方向性；自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附加条件；并非所有不违反第一定律的过程均可进行。热力学第二定律的两种典型表述克劳修斯表达——热量不可能自发地、不花代价地从低温物体传向高温物体。开尔文—普朗克表达——不可能制造循环热机，只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而不在外界留下任何影响。热力学第二定律各种表述是等效的。1.1热机循环与热效率热机循环热力系统经一系列连续过程，最后又回到初态，称经历了一个热力循环。如果这种循环在外界参加热量后，又对外做正功，就是热机循环。发动机的一个工作过程就是完成一个热机循环。完成一个正向循环后全部效果为：高温热源放出了热量q1〔或热机中工质从高温热源吸热q1〕。低温热源获得了热量q2〔或热机中工质向低温热源放热q2〕。热机将(q1－q2)=q0的热量转化为功。工质与机器设备回复到原来状况，没有变化。热机中工质从高温热源得到的热能q1，其中只有局部可以转化为功，在局部热能〔q1－q2〕转化为功的同时，必有另一局部q2传向低温热源，后者是使热能经过热循环转化成为功的必要条件。因此，一切热动力装置都只能将从热源得到的热量中的一局部转化成为功，这是热动力循环根本特性。P-V〔示功图〕T－S〔示热图〕循环热效率定义输出循环功量Wt所占循环加热量Q1的百分比四冲程发动机的工作过程由进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个过程组成。理想循环的根本假设：假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同；假设气缸工质在闭口系统中作封闭循环；假设工质的压缩和膨胀是绝热等熵过程；假设燃烧是外界对工质定容或定压加热；假设工质放热过程可简化为定容放热过程。1.2理想工质的理想循环

三种根本理论循环定容加热循环汽油机：燃烧速度很快，而在上止点附近容积变化又较小。因此，燃烧过程相当于定容加热过程1-2绝热压缩2-3定容加热3-4绝热膨胀4-1定容放热三种根本理论循环定压加热循环高增压和低速柴油机：形成混合气速度慢，燃烧时汽缸压力变化不显著，很接近于定压加热过程1-2绝热压缩2-3定压加热3-4绝热膨胀4-定容放热三种根本理论循环混合加热循环高速柴油机：可以将燃烧过程简化为定容及定压加热两个过程的组合1-2绝热压缩2-3定容加热3-4定压加热4-5绝热膨胀5-1定容放热理论循环参数1-2等熵压缩；2-3等容吸热；3-4定压吸热；4-5等熵膨胀；5-1定容放热

1.3循环热效率和平均指示压力的计算

循环热效率和平均指示压力分别是评定发动机经济性和动力性的两个重要指标定容加热循环、定压加热循环只是混合加热循环的两个特例，因此下面以混合加热循环为例来进行计算混合加热循环热效率循环吸收量循环放热量循环热效率混合加热循环循环热效率循环热效率混合加热循环平均指示压力平均指示压力是指单位汽缸工作容积对外做的循环功，即：定容加热循环(ρ=1)的热效率和平均有效压力定压加热循环(λ＝1)的热效率和平均有效压力1.4影响热效率和平均指示压力的因素〔1〕等熵指数K结论：等熵指数K增大，热效率增大1.4影响热效率和平均指示压力的因素〔2〕压缩比结论：增大压缩比，对任何加热循环，都能使热效率和平均指示压力增大限制压缩比提高的因素：汽油机-爆燃柴油机-机械负荷和结构强度1.4影响热效率和平均指示压力的因素〔3〕压力升高比结论：定容加热：压力升高比增大时，吸热、放热都成比例增加，热效率不变；但吸热和放热量之差增大，所以平均指示压力增大；混合加热：定容加热局部增加，热效率提高，平均指示压力增大；1.4影响热效率和平均指示压力的因素〔4〕预膨胀比结论：定压加热：当压缩比不变，预膨胀比增大，加热量增加，热效率下降，平均指示 压力升高；混合加热：预膨胀比增大，等压加热局部增加，热效率下降，且平均指示压力也 减少；定容加热循环定压加热循环­r)b混合加热循环1.5三种理想循环热效率的比较〔1〕压缩比相同，吸热量相同时的比较1.5三种理想循环热效率的比较〔2〕循环pmax，Tmax相同时的比较相同时的比较内容小结了解理论循环的假设条件掌握三种根本循环、循环参数掌握根本循环热效率的计算掌握影响热效率的主要因素目录发动机的理论循环31四行程发动机的实际循环32发动机的性能指标3334机械损失与机械效率35发动机的热平衡第二节四行程发动机的实际循环实际循环包括的五个过程实际循环与理论循环的比较实际循环常用示功图、压力图来表示2.1进气过程曲线：r-a进气阻力的存在，pa<p0气流被加热，Ta>T0终点的压力和温度的范围：2.2压缩过程曲线：a-c压缩过程及多变压缩指数变化过程理论:压缩过程是绝热的实际:压缩过程是一个复杂的多变过程。2.3燃烧过程发动机实际循环的燃烧过程曲线：c-z作用是：将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度升高，放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高曲线：z-b2.4膨胀过程膨胀过程及多变压缩指数变化过程膨胀过程比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有补燃现象。所以，膨胀过程也是一个多变过程。曲线：b-r排气温度越低，说明做成效果越好2.5排气过程终点的压力和温度的范围：2.6实际循环与理论循环的比较实际工质的影响换气损失燃烧损失传热损失缸内流动损失其他几项损失比热容、泄漏工质更换补燃、不完全燃烧等热量交换气流涡流、节流、泄漏等内容小结了解发动机实际循环的五个过程掌握四冲程发动机示功图了解发动机各个过程压力和温度变化趋势了解多变压缩指数和多变膨胀指数掌握发动机实际循环与理论循环存在的损失目录发动机的理论循环31四行程发动机的实际循环32发动机的性能指标3334机械损失与机械效率35发动机的热平衡第三节发动机的评定指标3132发动机指示性能指标发动机有效性能指标平均指示压力指示功率指示热效率指示燃料消耗率动力性能经济性能强化指标环境指标区别：指标计算的基准3.1指示性能指标定义：以工质对活塞所做的功为计算基准的指标；动力性：平均指示压力指示功率经济性：指示热效率指示燃料消耗率3.1.1指示功定义：在气缸完成一个循环，工质对活塞所做的功(a)四冲程非增压发动机(b)四冲程增压发动机

示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多少。3.1.2平均有效压力定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功平均指示压力

指示功

3.1.2平均有效压力3.1.3指示功率定义：发动机单位时间所做的指示功指示功率-即每秒所做指示功〕：指示功

其中τ--行程数，对四行程τ=4

对二行程τ=2指示热效率3.1.4指示热效率定义：发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值指示热效率的范围一般是：柴油机0.43～0.50汽油机0.25～0.40

3.1.5指示燃料消耗率定义：单位指示功的耗油量，即比油耗〔g/kw.h)指示燃料消耗率值得大致范围是柴油机170～200g/(kW·h)汽油机230～340g/(kW·h)

指示燃料消耗率3.2有效性能指标以曲轴对外输出的功率为根底，代表发动机整机性能包括动力性、经济性、以及运转性能有效功率：指示功率减去机械损失功率3.2.1动力性指标有效扭矩：发动机工作时，由功率输出轴输出的扭矩机械损失功率Pm包括：①内燃机内部运动件的摩擦损失②驱动附属机构的损失③泵气损失平均有效压力：发动机单位气缸工作容积输出的有效功转速和活塞平均速度转速增大，单位时间的做功次数增加；活塞平均速度增大，磨损加剧；3.2.1动力性指标3.2.2经济性指标有效热效率：有效功与所消耗燃料热量之比有效燃料消耗率：单位有效功的耗油量3.2.3强化指标升功率：发动机每升工作容积所发出的有效功率比质量

：发动机干质量与所发出的有效功率之比ＰＬ↑、ｍｅ↓，那么发动机结构越紧凑。3.2.3强化指标强化系数：平均有效压力与活塞平均速度的乘积ｐｅＣｍ值越大，内燃机热负荷和机械负荷越高，同时，发动机的功率也越大。3.2.4环境指标排放性能排出有害气体、颗粒，其排出量有限制。排放标准各国不同，其中美国加州标准是世界上最严的标准。如小客车排放限值为：单位：g/mile(g/km)COHCNOx排气颗粒7〔4.4)0.41(0.26)0.7(0.44)0.6(0.375)

噪声轿车噪声<84db内容小结掌握发动机指示性能指标掌握发动机有效性能指标了解发动机各指标的计算过程目录发动机的理论循环31四行程发动机的实际循环32发动机的性能指标3334机械损失与机械效率35发动机的热平衡第四节机械损失与机械效率

4.1机械效率平均机械损失压力机械效率：有效功率与指示功率之比指示热效率、有效热效率、机械效率的关系有效燃油消耗率和指示效率与机械效率的关系

4.1机械效率

使用因素：转速、负荷、润滑油品质、水温等；结构设计因素：最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。4.2机械效率的影响因素负荷一定=>Pi根本不变n↑=>摩擦损失↑=>机械损失↑=>Pm↑图ηm随转速的变化关系得:n↑,ηm↓故用提高转速n来增加发动机的动力性指标受到限制。转速nn不变，Ne∝Me，Ne∝Pe,故负荷可用Ne,Pe表示。负荷率：Me/Memax×100%负荷↓=>Pi↓,Pm近似不变

=>ηm＝１－Pm/Pi↓怠速工况:

Ne＝0Ni＝Nmηm=0

负荷

润滑油的粘度即机油的稠稀程度。粘度↑=>内部摩擦↑=>机械损失↑

Ni不变==>ηm↓

粘度↓==>Pm↓==>ηm↑粘度过小==>机油的承载能力太低==>油膜破裂==>发生干摩擦==>烧瓦==>Pm↑↑==>ηm↓↓另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，导致机油粘度降低。润滑油粘度

冷却水的温度直接影响到润滑油的温度，因而也就关系到润滑油粘度和摩擦损失的大小

使用中，发动机的冷却水温度保持在80～95℃范围内。图2-5Pm随润滑油温度变化的关系冷却水温度1.示功图法

2.倒拖法

发动机被倒拖时膨胀线和压缩线不重合

4.3机械损失的测定3.灭缸法

灭第一缸

灭第二缸

4.油耗线法

由指示效率的定义可导出

当发动机空转(无负荷)，假设不随负荷增减而变化时，应有两式相除，得

负荷特性曲线——保