第二章內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過程與性能指標(biāo)2016z

第二章內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過程與性能指標(biāo)機(jī)械與車輛學(xué)院王恩華副教授北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院Email:wangenhua@Tel燃機(jī)的實(shí)際工作過程(★)§1內(nèi)燃機(jī)示功圖內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)§2§3主要內(nèi)容2§1內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過程3內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過程要比理論工作原理復(fù)雜得多：實(shí)際內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速非常高氣體流動、熱交換復(fù)雜這些因素對內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作過程的影響是不可忽略的，特別是對內(nèi)燃機(jī)氣缸的充氣與燃燒過程有著舉足輕重的影響，直接影響其動力性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)§1.1進(jìn)氣過程汽油機(jī)：充填混合氣的過程柴油機(jī)：充填純空氣進(jìn)氣過程的作用：為后面的燃燒過程做準(zhǔn)備重要性：進(jìn)氣過程完善與否直接影響燃燒過程質(zhì)量，從而影響到內(nèi)燃機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性能要求：盡可能多進(jìn)氣充氣量表征參數(shù)：進(jìn)氣終了壓力進(jìn)氣終了溫度充氣量的評價(jià)指標(biāo)：充量系數(shù)ηv§1.1進(jìn)氣過程5汽油機(jī)：Pa＝0.75～0.9bar柴油機(jī):Pa＝0.78～0.93bar充氣量表征參數(shù)——進(jìn)氣終了壓力進(jìn)氣終了缸內(nèi)壓力為什么低于大氣壓？進(jìn)氣阻力：空濾器、氣道、氣門等進(jìn)氣時間極短：約10ms進(jìn)氣終了壓力柴油機(jī)為什么比汽油機(jī)高？……§1.1進(jìn)氣過程6汽油機(jī)：Ta＝360～400K柴油機(jī)：Ta＝320～350K進(jìn)氣終了缸內(nèi)壓力為什么高于大氣溫度？進(jìn)氣吸熱：新進(jìn)入氣缸的氣體與氣缸壁、活塞頂?shù)雀邷夭考佑|殘余廢氣加熱：上一循環(huán)的殘留高溫廢氣的加熱充氣量表征參數(shù)——進(jìn)氣終了溫度§1.1進(jìn)氣過程充量系數(shù)：發(fā)動機(jī)每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮充量ma與以進(jìn)氣狀態(tài)充滿氣缸工作容積的理論充量ms之比。充量系數(shù)：發(fā)動機(jī)每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮充量ma與以進(jìn)氣狀態(tài)充滿氣缸工作容積的理論充量ms之比?！?.1進(jìn)氣過程§1.1進(jìn)氣過程充量系數(shù)：發(fā)動機(jī)每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮充量ma與以進(jìn)氣狀態(tài)充滿氣缸工作容積的理論充量ms之比。充量系數(shù)越高，進(jìn)入氣缸的新鮮充量越多，氣缸工作容積利用率越充分，燃燒可能放出的熱量越大，輸出功率越大10§1.1進(jìn)氣過程構(gòu)造方面的因素進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式與尺寸進(jìn)氣預(yù)熱機(jī)構(gòu)使用方面的因素發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)負(fù)荷充量系數(shù)影響因素減小進(jìn)氣阻力延長進(jìn)氣時間提高充量系數(shù)的措施這些措施在發(fā)動機(jī)上如何實(shí)現(xiàn)的呢？進(jìn)氣門早開角進(jìn)氣門晚關(guān)角進(jìn)氣門持續(xù)角排氣門晚關(guān)角排氣門早開角排氣門持續(xù)角進(jìn)氣門相位排氣門相位配氣相位：進(jìn)、排氣門開啟和關(guān)閉時刻，及其開啟的延續(xù)時間以曲軸轉(zhuǎn)角來表示，稱為配氣相位。11§1.1進(jìn)氣過程上止點(diǎn)下止點(diǎn)配氣相位圖氣門重疊角進(jìn)氣門早開角進(jìn)氣門晚關(guān)角進(jìn)氣門持續(xù)角排氣門晚關(guān)角排氣門早開角排氣門持續(xù)角進(jìn)氣門開進(jìn)氣門關(guān)排氣門開排氣門關(guān)12§1.1進(jìn)氣過程13§1.2壓縮過程壓縮過程的作用：提高壓力溫度，促進(jìn)燃燒擴(kuò)大膨脹比，使熱-功轉(zhuǎn)換更完善汽油機(jī)，利用壓縮熱促進(jìn)蒸發(fā)和混合壓縮比ε選擇依據(jù)：壓縮比越大，壓縮終了的壓力溫度越高，燃燒后氣體所做的膨脹功越多，經(jīng)濟(jì)性越好汽油機(jī)：受爆震限制（8~12）柴油機(jī)：受零件強(qiáng)度限制（13~22)壓縮終了時缸內(nèi)氣體參數(shù)：汽油機(jī)：Pc＝0.6～1.2MPa、Tc＝600～700K柴油機(jī)：Pc＝3.5～4.5MPa、Tc＝750～1000K14§1.3燃燒過程燃燒過程的作用：化學(xué)能—工質(zhì)熱能的轉(zhuǎn)化熱能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)化燃燒過程的重要性：發(fā)動機(jī)動力性經(jīng)濟(jì)性排放性能工作噪聲發(fā)動機(jī)振動主要零部件的工作壽命汽油機(jī)和柴油機(jī)燃燒過程不同的主要原因？15汽油：從石油中提煉出來的多種烴的混合物，主要成分為C4-C12的烴類混合物評價(jià)指標(biāo)：揮發(fā)性、抗爆性、熱值揮發(fā)性：10%、50%、90%的餾出溫度對發(fā)動機(jī)的影響：10%餾出溫度主要影響發(fā)動機(jī)冷啟動性能。此溫度越低，發(fā)動機(jī)越容易啟動50%餾出溫度影響發(fā)動機(jī)加速性能和暖機(jī)時間，此溫度越低，工作穩(wěn)定性好90%餾出溫度影響發(fā)動機(jī)的耗油率，此溫度越低，重餾分越少，經(jīng)濟(jì)性越好揮發(fā)性過差：難以蒸發(fā)、起動困難、燃燒不完全揮發(fā)性過好：容易形成氣阻、結(jié)冰等現(xiàn)象一、汽油§1.3燃燒過程16抗爆性：汽油在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)燃燒時防止發(fā)生爆燃的能力評價(jià)指標(biāo)：辛烷值，辛烷值越高抗爆性越好汽油標(biāo)號：等效辛烷含量（93#汽油、95#汽油）抗爆劑：四乙鉛，含鉛汽油，可提高汽油的抗爆性含鉛汽油的危害：廢氣中含有鉛毒含鉛的廢氣使催化轉(zhuǎn)化器中的催化劑中毒失效燃用含鉛汽油導(dǎo)致燃燒室積炭加劇選擇汽油標(biāo)號的依據(jù)：汽油機(jī)壓縮比，壓縮比高的汽油機(jī)應(yīng)選用標(biāo)號高的汽油，否則發(fā)生爆燃。熱值：1Kg汽油完全燃燒產(chǎn)生的熱量汽油的熱值：44000KJ/Kg一、汽油§1.3燃燒過程17柴油：是在533-623K的溫度范圍內(nèi)，從石油中提煉出的碳?xì)浠衔锊裼蜋C(jī)的使用性能指標(biāo)：發(fā)火性：指柴油的自燃能力，十六烷值越高，發(fā)火性越好，越容易自燃蒸發(fā)性：柴油蒸發(fā)氣化的能力，由柴油的蒸餾試驗(yàn)確定（與汽油相似）粘度：是評價(jià)柴油稀稠度的一項(xiàng)指標(biāo)，與柴油的流動性有關(guān)低溫流動性：用柴油的凝點(diǎn)評定。凝點(diǎn)是指柴油失去流動性開始凝固時的溫度柴油的標(biāo)號：按凝點(diǎn)分為10#，0#，-10#，-20#，-35#等牌號，夏天和冬天分別采用不同牌號的柴油。二、柴油§1.3燃燒過程18§1.3燃燒過程19汽油機(jī)的燃燒過程一、汽油機(jī)的正常燃燒火花塞跳火點(diǎn)燃可燃混合氣，形成火焰中心，火焰按一定速度連續(xù)地傳播到整個燃燒室的空間。在此期間，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约盎鹧媲颁h的形狀均沒有急劇變化，這種狀況稱為正常燃燒。燃燒過程分析方法：根據(jù)高速攝影攝取的燃燒圖或激光吸收光譜儀來分析燃燒過程（光學(xué)發(fā)動機(jī)、燃燒可視化測試手段）最簡便的方法是測取燃燒過程的展開示功圖。展開示功圖以發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，氣缸內(nèi)氣體壓力為縱坐標(biāo)。20汽油機(jī)的燃燒過程IIIIII展開示功圖著火始點(diǎn)形成火焰中心最高壓力點(diǎn)著火延遲期（I）速燃期（II）補(bǔ)燃期（III）21汽油機(jī)的燃燒過程IIIIII展開示功圖著火延遲期（I）：從火花塞跳火到出現(xiàn)火焰中心(氣缸壓力脫離壓縮線急劇上升點(diǎn))所經(jīng)歷的時間與燃料性質(zhì)、混合氣成分、溫度、火花強(qiáng)度有關(guān)22汽油機(jī)的燃燒過程IIIIII展開示功圖速燃期（II）：從出現(xiàn)火焰中心到氣缸壓力達(dá)到最大值所經(jīng)歷的時間約90%的可燃混合氣燃燒，最大壓力出現(xiàn)在ATDC10°~15°CA23汽油機(jī)的燃燒過程IIIIII展開示功圖補(bǔ)燃期（III）：在速燃期后，大約10%的可燃混合氣由于混合不均勻等原因，沒有在火焰?zhèn)鞑ミ^程中及時燃燒完，而在活塞下行時仍然在繼續(xù)燃燒容積明顯增大，熱功轉(zhuǎn)換效率低，排氣溫度上升避免途徑：調(diào)整點(diǎn)火提前角現(xiàn)象及危害：發(fā)動機(jī)過熱、功率下降、油耗上升、產(chǎn)生沖擊載荷、有金屬敲擊聲，嚴(yán)重時損壞零件影響因素：燃料因素:辛烷值低結(jié)構(gòu)因素:缸徑、燃燒室形狀、火花塞位置使用因素:轉(zhuǎn)速、濃度、負(fù)荷及點(diǎn)火提前角等最大扭矩點(diǎn)易爆燃，組織好冷卻24汽油機(jī)的燃燒過程二、汽油機(jī)的不正常燃燒爆燃產(chǎn)生機(jī)理：末端混合氣的自燃現(xiàn)象25汽油機(jī)的燃燒過程二、汽油機(jī)的不正常燃燒表面點(diǎn)火產(chǎn)生原因：不是火花塞點(diǎn)火，而是燃燒室內(nèi)熾熱表面（排氣門頭部、火花塞絕緣體、活塞頂部的熾熱沉積物）點(diǎn)火的現(xiàn)象稱為表面點(diǎn)火，又稱早燃。點(diǎn)火時刻不可控。危害：產(chǎn)生壓縮負(fù)功，功率下降、油耗上升、發(fā)動機(jī)過熱，嚴(yán)重時活塞燒熔，誘發(fā)爆燃，爆燃促進(jìn)表面著火，惡性循環(huán)防止措施：組織好冷卻，不過熱清除積碳26汽油機(jī)的燃燒過程27汽油機(jī)的燃燒過程柴油機(jī)的燃燒過程混合氣形成是在氣缸內(nèi)進(jìn)行，在壓縮過程接近終了時，噴油器將很高壓力的柴油噴入氣缸，霧狀柴油與缸內(nèi)高溫高壓氣體相混合。混合氣形成時間短、空間小，混合極不均勻混合氣自燃，火焰中心可能多個持續(xù)過程，邊噴油、邊混合、邊燃燒，時間較長28柴油機(jī)燃燒過程的特點(diǎn)：29噴油始點(diǎn)燃燒始點(diǎn)最高壓力點(diǎn)最高溫度點(diǎn)燃燒結(jié)束點(diǎn)滯燃期（I）速燃期（II）慢燃期（III）后燃期（IV）IIIIIIIV柴油機(jī)的燃燒過程30IIIIIIIV柴油機(jī)的燃燒過程滯燃期（I）：從噴油開始到壓力離開壓縮線進(jìn)入迅速上升階段瞬間燃料不斷噴入氣缸，霧化、吸熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散、混合等燃燒前準(zhǔn)備工作取決于十六烷值、混合狀況及溫度31IIIIIIIV柴油機(jī)的燃燒過程速燃期（II）：從壓力離開壓縮線到氣缸壓力達(dá)最大值為止氣缸內(nèi)壓力溫度急速升高，壓力升高率很大滯燃期越長、速燃期燃燒越劇烈32IIIIIIIV柴油機(jī)的燃燒過程慢燃期（III）：從最大壓力到最高溫度噴油可能中止，約70～80％燃料沒有來得及形成可燃?xì)舛诼计谌紵尫懦龃罅繜崮?，使溫度達(dá)最大值活塞開始下行，因此壓力降低33IIIIIIIV柴油機(jī)的燃燒過程后燃期（IV）：從最高溫度到燃燒過程結(jié)束剩余燃料燃燒，放熱占10～30％。延續(xù)到上止點(diǎn)后50°-60°CA后燃期釋放的熱量不能有效利用，反而增加了廢氣的溫度，應(yīng)力求減少后燃期34IIIIIIIV柴油機(jī)的燃燒過程噴油提前角：從噴油器開始噴油到活塞到達(dá)上止點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)過的角度噴油提前角確定：根據(jù)工況確定θ，過大，τi延長，工作粗暴；θ過小，后燃量增大，功率下降、油耗上升易過熱θ影響因素：轉(zhuǎn)速、ε燃燒室型式及燃料性質(zhì)等TDCθ汽油機(jī)：Pz＝3～5MPa、Tz＝2200～2800K；PL=32～75kW/L柴油機(jī)：Pz＝6～9MPa、Tz＝2000～2500K；PL=11～30kW/L35柴油機(jī)的燃燒過程汽油機(jī)和柴油機(jī)的燃燒過程對比由于柴油難以形成均勻的可燃混合氣，因此，在工作時所采用的過量空氣系數(shù)值高于汽油機(jī)以保證燃料燃燒完全，提高經(jīng)濟(jì)性過大的過量空氣系數(shù)帶來的弊端是氣缸容積的利用率較低，導(dǎo)致柴油機(jī)的升功率低于汽油機(jī)過量空氣系數(shù)36§1.4膨脹過程與排氣過程一、膨脹過程功用：熱能—機(jī)械功，發(fā)動機(jī)唯一作功過程能量損失：工作過程中熱交換，冷卻水循環(huán)帶走排氣能量損失高溫機(jī)體的熱輻射循環(huán)熱效率：供入氣缸中的熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械功的百分比汽油機(jī)柴油機(jī)汽油機(jī)柴油機(jī)膨脹終了狀態(tài)參數(shù)：37二、排氣過程作用：排除廢氣，為吸入新氣作準(zhǔn)備排氣過程：排氣門提前開啟和延后關(guān)閉三個階段：1．自由排氣階段──提前開啟階段，利用壓力差排氣2．強(qiáng)迫排氣階段──活塞推出3．慣性排氣階段──排氣門延后關(guān)閉，利用慣性排氣§1.4膨脹過程與排氣過程汽油機(jī)柴油機(jī)排氣終了時，缸內(nèi)氣體壓力溫度內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過程(★)§1內(nèi)燃機(jī)示功圖內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)§2§3主要內(nèi)容3839§2內(nèi)燃機(jī)示功圖示功圖：壓力隨氣缸容積變化的關(guān)系，又稱P-V或p-φ圖TDCBDC40§2內(nèi)燃機(jī)示功圖示功圖：壓力隨氣缸容積變化的關(guān)系，又稱P-V或p-φ圖揭示各行程壓力狀況揭示配氣相位、點(diǎn)火提前角及燃燒過程的幾個階段TDCBDCraczbra進(jìn)氣過程ac壓縮過程czz’燃燒過程z’b膨脹過程br排氣過程z’1進(jìn)氣提前角2進(jìn)氣晚關(guān)角5排氣提前角6排氣晚關(guān)角162541§2內(nèi)燃機(jī)示功圖示功圖：壓力隨氣缸容積變化的關(guān)系，又稱P-V或p-φ圖指示功：膨脹曲線與壓縮曲線所包圍面積TDCBDC有用功大?。号蛎浘€是正功；壓縮線是負(fù)功；包圍面積越大，有用功越多dW=PdV進(jìn)、排氣消耗功：屬于機(jī)械損失，不計(jì)入實(shí)際循環(huán)42展開示功圖：§2內(nèi)燃機(jī)示功圖內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過程(★)§1內(nèi)燃機(jī)示功圖內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)§2§3主要內(nèi)容4344§3內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)一、指示指標(biāo)與有效指標(biāo)1．指示指標(biāo)：表示缸內(nèi)燃?xì)獾墓ぷ髌焚|(zhì)，包括燃?xì)庾鞴δ芰蜔崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的效率2．有效指標(biāo)：整體工作能力，對外作功能力和熱能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ男Ч麩嶙児Ω變?nèi)產(chǎn)生曲軸輸出摩擦，泄漏內(nèi)部驅(qū)動附件…變速箱設(shè)計(jì)，工質(zhì)曲軸燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工質(zhì)活塞45§3內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)一、指示指標(biāo)與有效指標(biāo)機(jī)械損失：內(nèi)燃機(jī)本身所消耗的功率。運(yùn)動件摩擦損失，占60～75%；以活塞組與氣缸間摩擦損失最大，約占一半；配氣機(jī)構(gòu)和附件消耗功率，12～20％；泵氣損失，自然進(jìn)氣內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣消耗功率，13～15%。機(jī)械效率：有效功率與指示功率之比性能指標(biāo)動力性指標(biāo)有效轉(zhuǎn)矩有效功率平均有效壓力和升功率經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)有效熱效率有效燃油消耗率機(jī)油消耗率緊湊性指標(biāo)比質(zhì)量單位體積功率排放指標(biāo)可靠性與耐久性指標(biāo)46§3內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)二、性能指標(biāo)有效轉(zhuǎn)矩Ttq由內(nèi)燃機(jī)通過飛輪對外輸出的平均轉(zhuǎn)矩稱為有效轉(zhuǎn)矩單位：N·m，有效轉(zhuǎn)矩與負(fù)載阻力矩平衡47（一）動力性指標(biāo)§3內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)有效功率Pe

由內(nèi)燃機(jī)通過飛輪對外輸出的功率稱為有效功率，單位kW可以利用測功機(jī)在發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)臺上測出：測量發(fā)動機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下的有效轉(zhuǎn)矩和曲軸轉(zhuǎn)速計(jì)算求得——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速r/min根據(jù)用途不同有四種標(biāo)定方法：15min功率(轎車用)1h功率(工程機(jī)械用)12h功率(作業(yè)車輛用)24h功率(發(fā)電用)48（一）動力性指標(biāo)§3內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)平均有效壓力

pme一個假想的、不變的壓力作用在活塞頂面上，使活塞移動一個行程所作的功等于一個循環(huán)的有效功，是衡量發(fā)動機(jī)動力性的一個重要參數(shù)。評價(jià)容積利用程度。汽油機(jī)：0.6～1.2MPa柴油機(jī)：0.55～2.6MPa升功率PL

在標(biāo)定工況下，發(fā)動機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。汽油機(jī)：32～75

kW/L柴油機(jī)：11～30kW/L指示功與平均指示壓力的關(guān)系有效熱效率實(shí)際循環(huán)的有效功與為得到該有效功所消耗的熱量的比值49（二）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)§3內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)有效燃油消耗率單位有效功的耗油量，通常用每kW·h有效功所消耗的燃料克數(shù)be來表示汽油機(jī)：260～350g/kW·h柴油機(jī)：190～260g/kW·h機(jī)油消耗率標(biāo)定功率時單位時間單位功率所消耗機(jī)油克數(shù)。一般在0.4～4g/kW·h左右。比質(zhì)量總質(zhì)量G與標(biāo)定功率Pe比值。表征緊湊性、制造技術(shù)和材料利用程