第二章-发动机的性能指标

第二章发动机的性能指标第一节发动机的理论循环第二节四冲程发动机的实际循环第三节发动机的指示指标、有效指标和强化指标第四节发动机的热平衡第五节发动机技术的现状与发展第一节发动机的理论循环发动机的理论循环:将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些次要影响因素，并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、化学过程〔如可燃混合气的准备与燃烧过程等〕进行简化处理，得到便于进行定量分析的循环，称发动机的理想循环。p1一、三种基本理论循环:p1～p61、研究理论循环的目的:p11)确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。2)分析比较发动机不同热力循环方式的经济性和动力性。3)确定提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压力为代表的动力性的基本途径。1假定工质为定比热容的理想气体；2不计吸气和排气过程（工质的总质量保持不变），假设工质是在闭口系统中作封闭循环；3压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程；4把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，简化为等容加热过程或等压加热过程；5排气中的实际放热过程简化为等容放热过程；6忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为可逆过程，即假设循环过程为可逆循环。简化原则为:p1理解！！3、发动机的理论循环：发动机理论循环的三种形式：a)混合加热循环、b)等容加热循环c)等压加热循环。p２一）、循环热效率：p2～p41、循环热效率(简称热效率)：p21212111QQQQQQWt式中：工质所做循环功（J）循环加热量（J）工质在循环中放出的热（J）tW1Q2Q评定循环经济性理论循环是用循环热效率和循环平均压力来评定。二、循环热效率和循环平均压力１）混合加热循环的热效率)1()1(111001ppkpkctk2、三种基本理论循环的热效率公式111kct)1(111001kkkct２）等容加热循环的热效率３）等压加热循环的热效率101p3、三种基本理论循环热效率的分析1）混合加热循环热效率的分析tc)1(t0)2(tp)3(分析条件：循环总加热量不变。2）等容加热循环热效率的分析tc)1(３）等压加热循环热效率的分析t0)2(tc)1(4）等熵指数对循环热效率的影响t)1(从理论循环的分析可知，提高压缩比εc和压力升高比λp对提高循环热效率ηt起着有利的作用，但发动机实际工作条件约束和限制循环热效率提高。４、发动机实际工作条件对循环热效率提高的约束和限制：p3~41)零件的强度和可靠性的限制2)机械效率的限制3)燃烧方面的限制发动机的压缩比和压力升高比见p4。1、循环平均压力：p4stVWptp评定循环的动力性(kPa)式中：循环所做的功（J）气缸工作容积（L）WsV二）、循环平均压力：p41）混合加热循环平均压力公式2、三种基本理论循环平均压力公式tPPdeckctkkpp)]1()1[(110２）等容加热循环平均压力公式1）混合加热循环平均压力公式tPdeckctkpp)1(113、等压加热循环平均压力公式混合加热循环的平均压力随进气终点压力、压缩比、压力升高比、预胀比、绝热指数和循环热效率的增大而增大。p4dep：进气终点的压力(kPa)tPdeckctkkpp)1(110111ct)1(111001ct)1()1(111001pppct循环名称循环热效率循环特点等容加热循环加热过程在等容条件下很快完成，热效率仅与压缩比有关等压加热循环加热过程在等压条件下缓慢完成，负荷的增加使得热效率下降混合加热循环介于上述两者之间表1–1三种理论循环的比较三、三种基本循环的比较Ts4’5’4’’5’’abb’b’’412351、压缩比及加热量分别相同时比较p5c压缩比相同加热量相同初态1相同tptmtv等容加热循环热效率最高，而等压加热循环的均最低。欲提高混合加热循环的热效率，应增加混合加热循环的等容部分。1Q2、加热量及循环的最高压力分别相同时比较Ts加热量相同初态1相同循环的最高压力相同abb’b’’tptmtv2’’4’’5’’54123Pmax2’4’5’1QvmpTTT对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率，宜按等压加热循环工作。3、汽、柴油机负荷变化(不同加热量)时的对比：•柴油机：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部分变化不大。这相当于λp基本不变而减小，则ηt提高。0•汽油机：点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传播距离不变。当负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相当于λp下降而上升，则ηt降低。0一、发动机的实际循环发动机的实际循环：连续不断的把热能转换为机械功的循环。四冲程发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气5个过程组成。通常用汽缸内工质的压力p随汽缸容积V（或曲轴转角θ）而变化的图形,来表示汽缸内工质的实际工作情况。第二节四冲程发动机的实际循环发动机的实际循环1、进气过程图a）2、压缩过程图b）3、燃烧过程图c）4、膨胀过程图c）5、排气过程图d）p-V图和p-θ图结论：进气、压缩、燃烧、膨胀、排气进气过程进行的好坏用实际进入汽缸的新鲜工质的数量评价。由pV=mRT可以看出：汽缸容积一定时，提高进气终了压力、降低进气终了温度可增加进气量。进气量的增加意味着循环加热量的增加，在循环热效率一定时，可增加循环净功，从而提高发动机动力性。结论：进气发动机的实际压缩过程，是一个复杂的热力过程(吸热-绝热-放热)。总体来说，缸内气体的放热量大于其吸热量。实际工作中，常测量压缩终了的压力。压缩终了的压力过低，说明汽缸密封不良，其主要原因一般是气门密封不良、活塞和汽缸磨损严重等。结论：压缩汽油机及燃气发动机的燃烧接近定容加热过程。柴油机燃烧接近混合加热过程（同时存在定容加热和定压加热）。燃烧过程放出的热量越多，放热时越靠近上止点，则热效率越高。在实际燃烧过程中，不仅有散热损失、不完全燃烧损失，而且还存在非瞬时燃烧损失。结论：燃烧燃烧过程发动机的实际膨胀过程与压缩过程很相似，也是一个复杂的热力过程（吸热量大于放热量、吸热量等于放热量、吸热量小于放热量）。总体来说，缸内气体的吸热量大于放热量。膨胀过程不仅有散热损失和漏气损失，还有补燃损失。膨胀过程终了b点的压力和温度越低，说明气体膨胀和热量利用越充分。结论：膨胀•由于排出的废气具有一定的压力和较高的温度，故存在排气损失。•由于排气系统有阻力，使排气终了的压力略高于大气压力。•实际工作中，也常用排气温度作为检查发动机工作状态的技术指标，排气终了温度偏高，说明发动机工作不良，热功转换效率低。结论：排气1、实际工质的影响实际工质影响引起的损失：2、换气损失换气损失：3、燃烧损失非瞬时燃烧损失和补燃损失：提前排气损失：4、传热损失传热、流动损失：5、缸内流动损失WbWrWkWzW图1–12发动机实际循环与理论循环的比较a)柴油机b)汽油机六、理论循环与实际循环比较发动机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为计算基础的指标，简称指示指标。指示指标表征工质在汽缸内部经历的循环的完善程度，以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价由燃烧到热功转换工作循环进行的质量。是从示功图测量计算得出的。第三节发动机的指示指标、有效指标和强化指标一、发动机的指示指标一）、指示功和平均指示压力•指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。指示功的大小可以由p—V图中闭合曲线所占有的面积求得。610abFWii式中：Fi示功图面积，cm2；可以用求积仪或计算方法求得a示功图纵坐标比例尺，Pa／cm；b示功图横坐标比例尺，cm3／cm。（J或N·m）21FFFi21FFFi•平均指示压力是指单位气缸容积一个循环所作的指示功(Pa)。simiVWp式中，Wi发动机一个工作循环的指示功，J；Vs发动机气缸工作容积，m3。若Vs用L为单位，Wi用kJ为单位，则pmi(MPa)42SDpVpWmismii式中，D和S分别为气缸直径和活塞行程平均指示压力可以设想为一个恒定的压力作用于活塞顶上，使活塞移动一个行程所作的功，即循环的指示功Wi。平均指示压力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。图1–15指示功与平均指示压力二）、指示功率：•指示功率Pi：发动机单位时间内所作的指示功。30niVpPsmii若：一台内燃机的缸数i，每缸的工作容积Vs(L)，平均指示压力为pmi(MPa)，转速n(r/min)，冲程数。(kw)三）、指示热效率和指示燃油消耗率•指示热效率ηit：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。1QWiit式中，Q1得到指示功Wi所消耗的热量(J)。对于一台发动机，若测得其指示功率Pi(kW)、每小时燃油消耗量B(kg/h)，则：BHuPiit3106.3式中，3.6×l031kW·h的热当量，kJ/(kW·h)；B每小时发动机的耗油量，kg/h；Hu所用燃料的低热值，kJ/kg。•指示燃油消耗率[g／(kW·h)]：指单位指示功的耗油量。通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示：iiPBb1000表示实际循环的经济性指标ηit和bi之间存在着以下关系：uitiHb6106.3一般内燃机的ηit和bi的统计范围如下：ηitbi／[g／(kW·h)-1]四冲程柴油机0.4l～0.48210～175二冲程柴油机0.40～0.48218～177四冲程汽油机0.25～0.40344～218二冲程汽油机0.19～0.27435～305从统计范围可以看出：柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。•以曲轴输出功为计算基础的性能指标，称为有效性能指标，简称有效指标。•有效指标被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣。二、发动机的有效指标一）、发动机动力性指标1、有效功和有效功率•有效功：发动机每循环曲轴输出的单缸功量。eWmie式中：Wi循环净指示功Wm循环实际机械损失功•有效功率miePPP式中：Pi指示功率Pm实际机械损失功率(kw)机械损失:发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗；泵气损失等。2、有效转矩•发动机工作时由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩，可由测功器测得。(N·m)发动机的有效功率Pe(kW)可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩Ttq及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求得:9550nTPtpe3、平均有效压力：•发动机单位气缸工作容积所输出的有效功。•与平均指示压力相•似；•平均有效压力是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。30niVpPsmee9550nTtpTtq∝pmepme反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。4、转速n和活塞平均速度30SnCmmC（m／s）式中，S为活塞行程(m)n为发动机转速(r/min)•升功率：在标定工况下(指标定转速、标定功率)，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。30meLpnP式中，pme为标定工况下的平均有效压力，MPa；n为标定转速，r／min。(kW／L)seLViPP三、发动机强化指标比质量：是发动机质量与所给出的标定功率之比:eePmm(kg／kW)汽车发动机要求质量小、功率大，所以其升功率大、比质量小。汽油机的强化程度要比柴油机的高.•强化系数mmeCp平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数。与活塞单位面积的功率成正比。其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。mmeCp发动机的类型强化系数汽油机（8～17）MPa·m／s小型高速柴油机（6～ll）MPa·m／s重型汽车柴油机（9～15）MPa·m／s表1–16强化系数范围•衡量发动