第1章-发动机工作循环和性能指标

第1章发动机工作循环和性能指标第1章发动机工作循环与性能指标学习目标•通过对本章的学习，重点掌握发动机的动力性能指标和经济性能指标的定义、相关指标之间的关系以及影响发动机性能的主要因素；•明确并掌握发动机实际循环的机械损失及减少损失的基本途径；从了解发动机理论循环入手，熟悉发动机的实际工作循环以及提高发动机热效率的途径。第1章发动机工作循环与性能指标•发动机从燃料的化学能转换为有效输出功的过程，是决定发动机动力性能、经济性能的关键所在，而循环热效率是其核心环节，因为作为热力循环的热功转换是热能动力机械最本质的体现。•热力循环的分析，是发动机原理最基本的内容。•本章介绍的热力循环两个层次不同的模型-—理论循环模型和实际循环模型体现了科学研究由本质因素扩展到一般因素、由简到繁的原则。•这些模型对发动机的发展起过很大的作用，直到现在，为了更好地改善发动机的各种性能，仍离不开对各种模型的深入理解和掌握。第1章发动机工作循环与性能指标•本章着重探讨动力性和经济性这两个发动机最主要的性能指标。•只有通过深入研究发动机的工作过程，才能找出影响性能指标的各种因素，并从中归纳出提高整机性能的一般规律。第1章发动机工作循环与性能指标1.1发动机理论循环汽车发动机的热力循环由一系列物理和化学变化的复杂过程所组成，要确切地描述在发动机中实际进行的热力过程是非常困难的。为了解发动机热能利用的完善程度，能量相互转换的效率，寻求提高热量利用率的途径，在理论上通常把发动机实际工作过程进行若干简化，忽略一些次要的影响因素，假想为由几个基本的热力过程所组成的理论循环。通过对理论循环的分析，可以指出提高发动机动力性和经济性的方向。第1章发动机工作循环与性能指标简化为理论循环采取的假定（1）工质是一种理想气体，在整个循环中保持物理和化学性质不变，其状态参量的变化完全遵守理想气体状态方程pV=mRT。（2）不考虑实际存在的工质更换及漏气损失，工质是在闭口系统中做封闭循环。（3）工质在绝热压缩和绝热膨胀过程中工作，与外界不进行热交换。（4）用定容放热和定容或定压加热来代替实际的换气和燃烧过程。第1章发动机工作循环与性能指标分析汽油发动机——混合气燃烧迅速，气缸内温度和压力增长很快，可以认为其燃烧过程基本符合容积不变的条件，可简化为定容加热循环。高增压和低速大型柴油发动机——由于受燃烧最高压力的限制，大部分燃料是在活塞运行到上止点以后燃烧，是在压力基本上一定的情况下进行，可简化为定压加热循环。高速柴油机——介于两者之间，燃烧过程可认为是先定容加热后定压加热的组合，可简化为混合加热（定容加热和定压加热）循环。前两种循环可认为是后一种循环的特例。第1章发动机工作循环与性能指标理论循环的三种形式a）定容循环；b）定压循环；c）混合循环第1章发动机工作循环与性能指标理论循环示功图第1章发动机工作循环与性能指标定容循环•将燃烧过程假想为在容积不变的情况下对工质加热的循环。工质从a点开始绝热压缩到c点，自c点定容吸热到z点，然后从z点绝热膨胀到b点，最后沿b-a线定容散热再回到a点，从而完成一个工作循环。•在压缩过程中，工质容积的变化用压缩比ε表示，压缩和膨胀过程工质状态的变化用pvk=C表示。工质以定容方式先沿c-z线吸热Q1，再沿b-a线放热Q2。第1章发动机工作循环与性能指标定容循环的参数计算•压力升高比λ•热效率ηtv为：ε——压缩比，Va——气缸总容积（L）；Vc——气缸压缩容积（L）；VS——气缸工作容积（L）；k——绝热指数，空气的k=1.4。czpp＝111ktv－＝ccscaVVVVV第1章发动机工作循环与性能指标定压循环•与定容循环的不同之处仅在于加热过程是在定压条件下进行的，即工质以定压方式沿c-z线吸热Q1；•预膨胀比ρ（表示c-z容积的变化）•膨胀比δ（表示z-b膨胀过程的容积变化）•热效率：czVV＝zbVV＝）（－＝11111kkkpt第1章发动机工作循环与性能指标混合循环在压缩行程后，先以定容方式沿c-z’线加入热量，使工质压力上升到pZ’，然后又以定压方式沿z’-z线加入热量，即为一个工作循环加入的总热量。热效率：由上式可以看出：当ρ=1时，发动机以定容循环方式工作；当λ=1时，发动机以定压循环方式工作。)1(11111kkktm＋－＝czpp'＝第1章发动机工作循环与性能指标分析•循环平均压力pt：单位气缸工作容积所做的循环功，表示理论循环的做功能力。式中：pa——压缩始点压力（kPa）stVWp＝taktmkkpp]11[11）－（）＋－（－＝第1章发动机工作循环与性能指标分析（1）增加ε，可提高ηt，但提高率将随ε值的不断增大而逐渐降低；（2）绝热指数k越大，则ηt越高；（3）增大pa可提高pt，但pa增大会导致ηt降低；（4）增大λ可提高ηt；（5）ε和λ的增长，将导致最高压力pz急剧上升，由于受到发动机结构强度、燃烧条件和机械效率等方面的制约，ε和λ的提高是有限度的。第1章发动机工作循环与性能指标绝热指数k（2）绝热指数k越大，则ηt越高。气体成分：单原子5/3≈1.66，双原子7/5≈1.4空气绝热指数很近似双原子气体的绝热指数当与汽油成混合气时，k值要下降，混合气越浓，K值越低。柴油采用稀薄燃烧方式，混合气稀，故k值略大，热效率较高。第1章发动机工作循环与性能指标发动机的压缩比ε、压力升高比λ和最高工作压力pz的大致范围•汽油机：ε=6～11λ=2～4pz=3000～8000kPa•柴油机：ε=12～22λ=1.3～2.2pz=5000～14000kPa第1章发动机工作循环与性能指标1.2发动机实际工作循环四冲程发动机曲轴旋转二周完成一个实际工作循环；而实际工作循环则是由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程所组成的，较之理论循环复杂得多。示功图上的封闭曲线表示实际工作循环中工质压力随容积变化的关系，曲线所包围的面积就是工质完成一个循环所做的有用功。第1章发动机工作循环与性能指标进气过程•图中r-a曲线反映出进气过程的p-V关系。•在进气过程中，活塞由上止点向下止点移动，此时进气门打开，排气门关闭。由于上一循环留在气缸压缩容积中的残余废气膨胀，压力由排气终了时的压力pr降到压力pr’，然后新鲜工质才被吸入气缸。为了更多地排除上一循环的废气和尽可能多地吸入新鲜工质，实际上排气门在下止点前就已被打开而进气门则在下止点后才被关闭。由于进气系统的阻力，进气终了时压力pa总是小于大气压力p0，其压力差p0-pa用来克服进气系统的阻力。•因为工质受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终了的温度Ta，也总是高于大气温度T0。第1章发动机工作循环与性能指标进气终了的压力pa和温度Ta的大致范围•汽油机pa=(0.75～0.90)p0Ta=370～400K•柴油机pa=(0.80～0.95)p0Ta=310～340K第1章发动机工作循环与性能指标压缩过程•图a-c曲线反映出压缩过程的p-V关系。•在压缩过程中，活塞由下止点向上止点移动，此时进排气门均关闭，气缸内工质由于受到压缩，其温度、压力均不断上升。•压缩过程的作用是增大工作过程的温差，使最高温度提高，从而提高热效率；获得最大限度的膨胀比，对活塞做更多的功；提高工质的温度和压力，为冷起动及着火燃烧创造条件。第1章发动机工作循环与性能指标压缩终了的压力pc和温度Tc的大致范围•汽油机pc=600～1200kPaTc=600～700K•柴油机pc=3500～4500kPaTc=750～1000K第1章发动机工作循环与性能指标燃烧过程•图中c-z曲线反映出燃烧过程的p-V关系。•燃烧过程中，活塞运行在上止点附近，此时进排气门均关闭。在实际循环中，由于燃烧需要一定的时间，燃烧速度也是不均匀的，所以在示功图上c-z线不是一段直线而是以一段圆弧线与压缩线和膨胀线圆滑相接。•燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度迅速升高。燃烧释放出的热量越多，放热时越接近上止点，热效率也就越高。第1章发动机工作循环与性能指标燃烧过程•由于燃料燃烧不是瞬间完成的，因此在汽油机中，汽油与空气形成可燃混合气在上止点前就开始被电火花点燃，火焰迅速传播到整个燃烧室，工质的压力和温度均急剧上升，整个过程接近于定容加热。•同理，柴油机应在上止点前就开始喷油，柴油与空气混合后借助空气的热量自燃。开始时燃烧的速度很快，而容积变化很小，工质的压力和温度剧增，接近于定容加热。紧接着是边喷油边燃烧，随着活塞向下移动，气缸容积增大，故此时气缸内压力升高不大，但温度继续上升，接近于定压加热。第1章发动机工作循环与性能指标燃烧时最高压力pz和最高温度Tz的大致范围•汽油机pz=2940～4900kPaTz=2000～2800K•柴油机pz=5800～8830kpaTz=1800～2200K可以看出，柴油机燃烧时最高压力较汽油机高，但由于相对空气量大，所以其燃烧时最高温度反比汽油机低。第1章发动机工作循环与性能指标膨胀过程•图中z-b曲线反映出膨胀过程的p-V关系。•膨胀过程中，进、排气门关闭，高温高压的工质推动活塞由上止点向下止点移动，从而达到做功的目的，随后气缸内的压力和温度均迅速降低。•膨胀过程除了有热交换和漏气损失外，还有补燃（即一些燃料着火后不能及时燃烧，在膨胀过程中继续燃烧）等现象，所以该过程为一个多变过程。第1章发动机工作循环与性能指标膨胀终了的压力pc和温度Tc的大致范围•汽油机pb=294～490kPaTb=1500～1700K•柴油机pb=196～392kPaTb=1000～1400K第1章发动机工作循环与性能指标排气过程•图中b-r曲线反映出排气过程的p-V关系。•排气过程中，活塞由下止点向上止点移动，此时排气门开启，将气缸内的废气排除。•由于排气系统有阻力，排气终了的压力pr大于大气压力p0，其压力差pr-p0用来克服排气系统的阻力。阻力越大，排气终了的压力pr越大。与进气过程中气门开闭时间类似，实际工作中排气门已先于其行程开始前被打开，并延迟关闭。第1章发动机工作循环与性能指标排气终了时压力pr和温度Tr的大致范围•汽油机pr=（1.05～1.2）p0Tr=850～1200K•柴油机pr=（1.03～1.15）p0Tr=700～900K第1章发动机工作循环与性能指标从理论循环到实际循环热效率ηt下降的主要因素1．工质向外传热的损失•实际压缩、燃烧和膨胀过程中，工质都会与周壁进行热交换，而不是理想的绝热过程。由此引起的额外损失叫传热损失。•工质向外传热的部位有三个：活塞顶面、气缸盖底面和缸套壁面。前二者传热面积不变，缸套壁面则随活塞运行位置而变。在压缩过程的中、后期和燃烧膨胀的前期（向缸盖及活塞顶）、中、后期（向缸套壁），传热渐高并达到最高值，从而造成了相当的热量损失。第1章发动机工作循环与性能指标2．工质泄漏的损失•工作过程中，工质通过活塞环及气缸壁之间的间隙向外泄漏是不可避免的，它造成了工质数量的减少。•正常情况下虽然量不是很大，但在活塞环、气缸套磨损后以及低速工况的情形下，泄漏会明显增加。第1章发动机工作循环与性能指标3．进、排气损失•为了循环的重复进行，必须更换工质，由此而消耗的功称为换气损失。•其中因工质流动，需要克服进、排气系统阻力，造成做功损失称为泵气损失，它在图中为闭合曲线r-r’-a-b’-r所包围的面积。•在这里面，排气损失所占比例比进气损失大。第1章发动机工作循环与性能指标第1章发动机工作循环与性能指标4．提前燃烧损失及补燃损失•由于实际着火燃烧过程总要持续一段时间，所以燃烧始点要略为提前，这样才能保证更接近上止点燃烧，从而获得较高的等容度，由此引起提前燃烧损失。•同时，由于高温热分解等作用，压力不会陡然下降，燃烧也要拖延一段时间才能结束，该期间热功转换的效率下降而形成补燃损失。•上述损失的多少与始燃点的相位密切相关，