汽車發(fā)動機原理之發(fā)動機的性能講義課件

1、第一章 發(fā)動機的性能Engine Performance車輛工程本科2012級汽車學院主要內(nèi)容第一節(jié) 發(fā)動機理論循環(huán)第二節(jié) 四沖程發(fā)動機的實際循環(huán)第三節(jié) 發(fā)動機的指示性能指標第四節(jié) 發(fā)動機的有效性能指標第五節(jié) 機械損失和機械效率第六節(jié) 熱平衡作業(yè)題及復習題第一節(jié) 發(fā)動機理論循環(huán) 發(fā)動機的理論循環(huán):將非常復雜的實際工作過程加以抽象簡化，忽略一些次要影響因素，并對其中變化復雜、難于進行細致分析的物理、化學過程如可燃混合氣的準備與燃燒過程等進行簡化處理，得到便于進行定量分析的循環(huán)，稱發(fā)動機的理想循環(huán)。p1一、三種基本理論循環(huán): p1 p61、研究理論循環(huán)的目的: p11)確定循環(huán)熱效率的理論極限，以

2、判斷實際發(fā)動機經(jīng)濟性和工作過程進行的完善程度以及改進潛力。2)分析比較發(fā)動機不同熱力循環(huán)方式的經(jīng)濟性和動力性。3) 確定提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟性和以平均壓力為代表的動力性的基本途徑。1 假定工質(zhì)為定比熱容的理想氣體；2 不計吸氣和排氣過程（工質(zhì)的總質(zhì)量保持不變），假設工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)；3 壓縮、膨脹過程簡化為絕熱等熵過程；4 把燃燒過程看作是外界對工質(zhì)的加熱過程，簡化為等容加熱過程或等壓加熱過程；5 排氣中的實際放熱過程簡化為等容放熱過程；6 忽略過程損失，把循環(huán)的每一過程都假定為可逆過程，即假設循環(huán)過程為可逆循環(huán)。簡化原則為: p1理解！3、發(fā)動機的理論循環(huán)： 發(fā)動機理

3、論循環(huán)的三種形式：a)混合加熱循環(huán)、b)等容加熱循環(huán) c)等壓加熱循環(huán)。p二、循環(huán)熱效率：p2p41、循環(huán)熱效率(簡稱熱效率) ：p2式中： 工質(zhì)所做循環(huán)功（J） 循環(huán)加熱量（J） 工質(zhì)在循環(huán)中放出的熱（J）評定循環(huán)經(jīng)濟性理論循環(huán)是用循環(huán)熱效率和循環(huán)平均壓力來評定。）混合加熱循環(huán)的熱效率 2、三種基本理論循環(huán)的熱效率公式）等容加熱循環(huán)的熱效率 ）等壓加熱循環(huán)的熱效率 3、三種基本理論循環(huán)熱效率的分析 1）混合加熱循環(huán)熱效率的分析 分析條件：循環(huán)總加熱量不變。2）等容加熱循環(huán)熱效率的分析）等壓加熱循環(huán)熱效率的分析4） 等熵指數(shù)對循環(huán)熱效率的影響 從理論循環(huán)的分析可知，提高壓縮比c和壓力升高比p對

4、提高循環(huán)熱效率t起著有利的作用，但發(fā)動機實際工作條件約束和限制循環(huán)熱效率提高。、發(fā)動機實際工作條件對循環(huán)熱效率提高的約束和限制： p341)零件的強度和可靠性的限制 2)機械效率的限制3)燃燒方面的限制 發(fā)動機的壓縮比和壓力升高比見p4。1、循環(huán)平均壓力 ： p4評定循環(huán)的動力性(kPa)式中： 循環(huán)所做的功（J） 氣缸工作容積（L）三、循環(huán)平均壓力：p41）混合加熱循環(huán)平均壓力公式2、三種基本理論循環(huán)平均壓力公式）等容加熱循環(huán)平均壓力公式1）混合加熱循環(huán)平均壓力公式3、等壓加熱循環(huán)平均壓力公式 混合加熱循環(huán)的平均壓力隨進氣終點壓力、壓縮比、壓力升高比、預脹比、絕熱指數(shù)和循環(huán)熱效率的增大而增大

5、。p4：進氣終點的壓力(kPa)四、三種基本循環(huán)的比較：p4p6 循環(huán)名稱循環(huán)熱效率循環(huán)特點等容加熱循環(huán) 加熱過程在等容條件下很快完成，熱效率僅與壓縮比有關等壓加熱循環(huán) 加熱過程在等壓條件下緩慢完成，負荷的增加使得熱效率下降混合加熱循環(huán)介于上述兩者之間表11 三種理論循環(huán)的比較Ts4545abbb412351、壓縮比及加熱量分別相同時比較 p5壓縮比 相同加熱量 相同初態(tài)1相同 等容加熱循環(huán)熱效率最高，而等壓加熱循環(huán)的均最低。欲提高混合加熱循環(huán)的熱效率 ，應增加混合加熱循環(huán)的等容部分。2、加熱量及循環(huán)的最高壓力分別相同時比較Ts加熱量 相同初態(tài)1相同循環(huán)的最高壓力相同abbb24554123P

6、max245 對于高增壓柴油機，為了得到較高的熱效率，宜按等壓加熱循環(huán)工作。3、汽、柴油機負荷變化(不同加熱量)時的對比：柴油機：由于噴霧壓燃后邊噴油邊燃燒,當負荷下降時，噴油時間縮短，但初期相當于等容燃燒的部分變化不大。這相當于p基本不變而 減小，則t提高。汽油機：點火后傳播燃燒且無論負荷大小，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x不變。當負荷下降時，燃燒速度降低，燃燒時間加長。這相當于p下降而 上升，則t降低。第二節(jié) 四沖程發(fā)動機的實際循環(huán)一、發(fā)動機的實 際循環(huán)1、進氣過程 圖a）2、壓縮過程 圖b）3、燃燒過程 圖c）4、膨脹過程 圖c）5、排氣過程 圖d）1、實際工質(zhì)的影響 實際工質(zhì)影響引起的損失：2、換氣損失

7、 換氣損失：3、燃燒損失 非瞬時燃燒損失 和補燃損失： 提前排氣損失：4、傳熱損失 傳熱、流動 損失：5、缸內(nèi)流動損失二、發(fā)動機實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較圖112 發(fā)動機實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較a) 柴油機 b) 汽油機第三節(jié) 發(fā)動機的指示性能指標 發(fā)動機的指示性能指標是指以工質(zhì)對活塞做功為計算基礎的指標，簡稱指示指標。 指示指標表征工質(zhì)在汽缸內(nèi)部經(jīng)歷的循環(huán)的完善程度，以工質(zhì)在汽缸內(nèi)對活塞做功為基礎，評價由燃燒到熱功轉換工作循環(huán)進行的質(zhì)量。是從示功圖測量計算得出的。一、 指示功和平均指示壓力指示功是指氣缸內(nèi)完成一個工作循環(huán)所得到的有用功Wi。指示功的大小可以由pV圖中閉合曲線所占有的面積求得。式

8、中： Fi 示功圖面積，cm2；可以用求積儀或計算方法求得 a 示功圖縱坐標比例尺，Pacm； b 示功圖橫坐標比例尺，cm3cm。（J或Nm）平均指示壓力是指單位氣缸容積一個循環(huán)所作的指示功(Pa) 。式中， Wi 發(fā)動機一個工作循環(huán)的指示功，J； Vs 發(fā)動機氣缸工作容積，m3。 若Vs用L為單位，Wi用kJ為單位，則pmi (MPa) 式中， D和S分別為氣缸直徑和活塞行程 平均指示壓力可以設想為一個恒定的壓力作用于活塞頂上，使活塞移動一個行程所作的功，即循環(huán)的指示功Wi 。 平均指示壓力是衡量發(fā)動機實際循環(huán)動力性能的一個很重要的指標。圖115 指示功與平均指示壓力 二 、指示功率：指示

9、功率Pi ：發(fā)動機單位時間內(nèi)所作的指示功。若：一臺內(nèi)燃機的缸數(shù)i，每缸的工作容積Vs (L) ，平均指示壓力為pmi (MPa ) ，轉速n(r/min)，沖程數(shù)。(kw )三、指示熱效率和指示燃油消耗率指示熱效率it：發(fā)動機實際循環(huán)指示功與所消耗燃料熱量的比值。式中， Q1 得到指示功Wi所消耗的熱量( J) 。 對于一臺發(fā)動機，若測得其指示功率Pi (kW)、每小時燃油消耗量B(kg/h) ，則：式中，3.6l03 1kWh的熱當量，kJ/(kWh)； B 每小時發(fā)動機的耗油量，kg/h； Hu 所用燃料的低熱值，kJ/kg。指示燃油消耗率g(kWh)：指單位指示功的耗油量。通常以單位指示

10、千瓦小時的耗油量來表示： 表示實際循環(huán)的經(jīng)濟性指標it和bi之間存在著以下關系：一般內(nèi)燃機的it和bi的統(tǒng)計范圍如下： it big(kWh) -1四沖程柴油機 0.4l0.48 210175二沖程柴油機 0.400.48 218177 四沖程汽油機 0.250.40 344218二沖程汽油機 0.190.27 435305 從統(tǒng)計范圍可以看出：柴油機的指示熱效率高于汽油機，四沖程發(fā)動機的指示熱效率高于二沖程發(fā)動機。第四節(jié) 發(fā)動機的有效性能指標以曲軸輸出功為計算基礎的性能指標，稱為有效性能指標，簡稱有效指標。有效指標被用來直接評定發(fā)動機實際工作性能的優(yōu)劣。一、發(fā)動機動力性指標1、有效功和有效功

11、率有效功：發(fā)動機每循環(huán)曲軸輸出的單缸功量 。式中： Wi 循環(huán)凈指示功 Wm 循環(huán)實際機械損失功有效功率式中： Pi 指示功率 Pm 實際機械損失功率( kw ) 機械損失: 發(fā)動機內(nèi)部摩擦損失； 驅(qū)動附件損耗； 泵氣損失等。2、有效轉矩發(fā)動機工作時由功率輸出軸輸出的轉矩稱為有效轉矩，可由測功器測得。 (Nm) 發(fā)動機的有效功率Pe(kW)可以利用各種型式的測功器和轉速計分別測出發(fā)動機在某一工況下曲軸的輸出轉矩Ttq及在同一工況下的發(fā)動機轉速，按以下公式求得:3、平均有效壓力：發(fā)動機單位氣缸工作容積所輸出的有效功。與平均指示壓力相似；平均有效壓力是衡 量發(fā)動機動力性能 的一個很重要的參數(shù)。 T

12、tqpme pme 反映了發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出轉矩的大小。4、轉速n和活塞平均速度（m s）式中， S為活塞行程(m) n為發(fā)動機轉速(r/min) 二、發(fā)動機經(jīng)濟性指標衡量發(fā)動機經(jīng)濟性能的重要指標是有效熱效率et和有效燃油消耗率be。有效熱效率是實際循環(huán)的有效功與為得到此有效功所消耗的熱量的比值，即有效燃油消耗率g(kWh)是指單位有效功所消耗的燃油量，用be表示： （ g/kwh ） 可見，有效燃油消耗率與有效熱效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。一般內(nèi)燃機在標定工況下的be和et值大致在以下范圍： beg (kWh)-1 et低速柴油機 190225 0.380.45中速柴油

13、機 195240 0.360.43高速柴油機 215285 0.300.40(其中較低的be值屬排氣渦輪增壓的四沖程、二沖程柴油機)四沖程汽油機 274410 0.300.20二沖程汽油機 410545 0.200.15三、發(fā)動機強化指標升功率：在標定工況下(指標定轉速、標定功率)，發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。式中，pme為標定工況下的平均有效壓力，MPa； n為標定轉速，rmin。(kWL)比質(zhì)量：是發(fā)動機質(zhì)量與所給出的標定功率之比:(kgkW) 汽車發(fā)動機要求質(zhì)量小、功率大，所以其升功率大、比質(zhì)量小。汽油機的強化程度要比柴油機的高.強化系數(shù)平均有效壓力與活塞平均速度的乘積稱為強

14、化系數(shù)。與活塞單位面積的功率成正比。其值愈大，發(fā)動機的熱負荷和機械負荷愈高。 發(fā)動機的類型強化系數(shù)汽油機 （817）MPams小型高速柴油機（6ll）MPams重型汽車柴油機（915）MPams表116 強化系數(shù)范圍 第五節(jié) 機械損失和機械效率一、機械效率平均機械損失壓力pmm 發(fā)動機單位氣缸工作容積一個循環(huán)所損失的功。式中， Pm為機械損失功率(kW)； Vs為工作容積(L)； n為轉速(rmin)； i為氣缸數(shù)目。機械效率： 發(fā)動機的有效功率與指示功率之比。二、機械損失的測定1、示功圖法2、倒拖法3、滅缸法4、油耗線法1、示功圖法:運用各種示功器錄取氣缸的示功圖，從中算出Pi值， 從測功器

15、和轉速計讀數(shù)中測出發(fā)動機的有效功率Pe，從而可以算出Pm，m及pmm值。示功圖法一般用于當上止點位置能得到精確校正時才能取得較滿意的結果。試驗結果的正確程度決定于示功圖測錄的正確程度： a.最大的誤差來源于p圖或pV圖上活塞上止 點位置不易正確地確定； b.各個氣缸的不均勻性。2、倒拖法只能在電力測功機上試驗 試驗時，發(fā)動機與電力測功器相連，當發(fā)動機以給定工況穩(wěn)定運行，冷卻水、機油溫度到達正常數(shù)值時，切斷對發(fā)動機的油，同時將電力測功器轉換為電動機，以給定轉速倒拖發(fā)動機，并且維持冷卻水和機油溫度不變，這樣測得的倒拖功率即為發(fā)動機在該工況下的機械損失功率。3. 滅缸法（熄火法、斷缸法）僅適用于多缸

16、機 當發(fā)動機調(diào)整到以給定工況穩(wěn)定運轉后，先測出整個發(fā)動機的有效功率。之后，在柴油機油門拉桿或齒條位置、或汽油機節(jié)氣門開度固定不動的情況下，停止向某一汽缸供油或點火。調(diào)整測功機，使發(fā)動機恢復到原來的轉速，重新測定有效功率（其余五個汽缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），兩者之差即為滅掉缸的指示功率。逐次滅缸，則整臺發(fā)動機的指示功率為，各缸相加。如果滅缸后其他各缸的工作情況和發(fā)動機機械損失沒有變化，則被熄滅的氣缸原來所發(fā)出的指示功率(Pi)x：依次將各缸滅火，最后可以從各缸指示功率的總和中求得整臺發(fā)功機的指示功率Pi：4. 油耗線法 柴油機在轉速不變的情況下進行負荷特性試驗，求出發(fā)動機在給定轉速下

17、，每小時燃油消耗量與平均有效壓力的關系曲線。 把燃油消耗量曲線延長并求出其與橫坐標軸的交點，就可以求得pmm值。 當測得其pmm值后，其機械效率可近似地用下式估算式中， B可取某一常用工況的數(shù)值。圖117 用油耗線法求 值示意圖 一般內(nèi)燃機的機械效率大致在以下范圍： m非增壓柴油機 0.780.85增壓柴油機 0.800.92汽油機 0.800.90第六節(jié) 熱平衡熱平衡表示熱量的分配情況。按照熱能表現(xiàn)為有效功和各種損失的數(shù)量分配來研究燃料中總熱量的利用情況。燃料的總熱量大體按以下六部分，由試驗確定：一、發(fā)動機所耗燃油的熱量 kJ/h ：二、轉換為有用功的熱量三、傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量四、廢氣帶走

18、的熱量五、燃料不完全燃燒熱損失 ：六、其它熱量損失圖118 發(fā)動機的熱平衡圖a從殘余廢氣和排氣中回收的熱量 b由氣缸壁傳給進氣的熱量 c排出廢氣傳給冷卻水的熱量 d在摩擦中傳給冷卻水的部分熱量 e從排氣系統(tǒng)輻射的熱量 f從冷卻水和水套壁輻射的熱量 g從曲軸箱壁和其它不冷卻部分輻射的熱量在燃料的總熱量中，僅有2540的熱量轉變?yōu)橛行Ч?，其?075都損失掉了。其中，主要由廢氣帶走，其次傳給冷卻水，在某些汽油機中不完全燃燒損失的熱量所占比例也不小。 冷卻水帶走的熱量占總熱量的1035，其中一部分是排氣道中廢氣傳給冷卻水的熱，一部分是由摩擦產(chǎn)生的熱，真正由燃燒、膨脹過程散出的熱大約占冷卻損失的15 %。 廢氣帶走的熱量占總熱量的2550。廢氣渦輪增壓是回收這部分熱量的一種方式，由表可見，其有效熱效率最高。熱平衡中各項數(shù)值范圍 型 式汽油機25301227305