汽车发动机原理(3)—清华大学帅石金

汽车发动机原理汽车发动机原理点燃式和压燃式内燃机的工作过程、燃烧理论以及特性、参数调节与控制清华大学汽车工程系帅石金博士Email:[e-mail]:010-62772515/62794876DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity主要内容1.循环模式与热效率2.机械损失与机械效率3.能量分配与合理利用mtcetηηηη=第一篇动力输出与能量利用（6学时）第1章性能指标与影响因素（1学时）第2章燃料与工质（1学时）第3章循环分析与能量利用（2学时）第4章换气过程与循环充量（2学时）DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity1.循环模式与热效率循环分类循环分类::（1）理论循环（TheoreticalCycle）工质——理想气体（空气），物性参数为常数循环——理想循环理想循环：封闭热力循环：系统加热→燃烧放热；系统放热→气体交换（进排气）特殊热力过程：绝热压缩和膨胀；等容或等压放热和吸热（2）理想循环（IdealCycle）工质——真实工质循环——理想循环（3）真实循环（RealCycle）工质——真实工质循环——真实循环Q1Q2等熵压缩等容/等压加热等熵膨胀等容放热DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity循环热效率（Cyclethermalefficiency）Tdsdq=pvTswiwiq2q1ηt211qq=−ηti1i1WQwq==wpdvTdsdui0==−∫∫∫=12321iqqw−=示功图温熵图温熵图（T-S）是分析循环热效率的一种有效而又直观的方法循环功：热力学第一定律：DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity等容循环（Constant-volumecycle）vspT3q1q1q22411234v1v2q2q2q1奥托循环OttoCycle压力升高比λ＝p3/p2等容循环效率：压力升高比对等容循环的热效率没有影响！()()ηηηκκκt21t,vv41v321412321221134143t,v122111qq1cTTcTT1TTT1TTT1TTvvVVTT1TT1VV=−=−−−=−−⎛⎝⎜⎞⎠−⎛⎝⎜⎞⎠=⎛⎝⎜⎞⎠=⎛⎝⎜⎞⎠==−=−⎛⎝⎜⎞⎠−−−ηεt,v111=−−κDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity加热时刻对循环的影响（等容循环）q1=const.q133′3′3q13*4*41q222*3*4*4q212*2Tpsv上止点前加热：1-2*-3*-3′-3*-4*-1上止点后加热：1-2*-2-2*-3*-4*-1上止点加热：1-2-3-4ηt211qq=−ηt增大or减小?%100'21×−=svvvσ等容度：V’2V1Vs等容加热并不等于等容度就是100％。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity等压循环（Constant-pressurecycle）q13341q224q212Tpq1p2V2V1sv4狄赛尔循环DieselCycleηt,p=容积预膨胀比ρ=v3/v2DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity三种典型理论循环的比较q1p241q2,vvT21q234q2,v等容循环pq12341q2,pvTs21q14q2,p等压循环3s33pq1,p241q2,svs21q1,p34q2,sq1,v3′q1,vq1=const.ε=const.q2,pq2,sq2,v3′混合循环Tηt,s=实际汽油机和柴油机的工作循环更接近于混合循环DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理论循环热效率的比较20161284000.20.40.60.8ηtε等容Constantvolume等压Constantpressure混合Limitedpressure150bar70barp3=40barκ=1.4q*=9.14p1=1barq*qcT1p1=DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity压缩比和绝热指数对热效率的影响20161284000.20.40.60.8ηt,vκ=1.41.31.2ε结论结论：（1）压缩比越大，热效率越高压缩比由8增加为12，热效率能提高10～15％（2）绝热指数越大，热效率越高绝热指数由1.2提高到1.4，热效率可增加40％（q1和ε不变，κ↑，Cp和Cv↓，工质温升↑，效率↑）DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity压力升高比和预膨胀比对热效率的影响（1）ρ＝1，等容循环，λ对ηt无影响（2）λ＝1，等压循环，ρ增大，ηt明显下降（3）混合循环：ρ不变：随λ上升，ηt略有增加，λ再增大，ηt不受影响λ不变：随ρ增大，ηt明显下降结论结论：减少等压加热，增加等容(ρ＝1)加热。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理论循环分析的指导意义（1）指出了改善发动机动力性、经济性的基本原则和方向•在允许的条件下，尽可能提高压缩比ε•合理组织燃烧，提高循环加热等容度（减少预膨胀比ρ和合理选择燃烧始点）•保证工质具有较高的绝热指数κ（2）提供了发动机之间进行动力性、经济性对比的理论依据•同一机型不同加热模式的对比ε、κ及Q1不变：等容循环ηt混合循环ηt等压循环ηt•汽、柴油机相同加热量Q1时的对比pmax及Q1相同：等压循环ηt混合循环ηt等容循环ηtDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理论循环分析的指导意义•汽、柴油机负荷变化（Q1）时的对比部分负荷柴油机部分负荷柴油机：缸内喷射扩散燃烧，喷油时间缩短，初期等容放热变化不大，即λ基本不变而ρ减小，ηt提高部分负荷汽油机部分负荷汽油机：预混燃烧，燃烧速度下降，燃烧时间加长，即λ下降而ρ上升，ηt下降结果结果：在中、低负荷工况下，柴油机使用油耗较汽油机低30％～50％。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity真实工质的理想循环假设假设：1.保持理论循环中关于循环的假设（简化）2.工质特性基本按真实情况考虑：•循环过程中成分是变化的•工质的热力参数随温度、分子结构及混合气浓度等变化研究理想循环的目的研究理想循环的目的：：1.工质特性对热效率的影响2.理想模型代表了人类努力所能达到的水平相对热效率相对热效率：真实循环的指示效率与理想循环热效率之比。dtitrelηηη=压缩过程：空气+燃料蒸气+残余废气膨胀过程：废气+空气DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity真实工质对热效率的影响（1）比热容cv,cp=f（T,分子结构）ΔQv=cv×ΔT，ΔQp=cp×ΔTT↑,cv和cp↑,k↓,ΔT↓，ηt↓多原子分子↑，cv和cp↑,k↓,ΔT↓,ηt↓即：真实工质k＜理想工质k,ηt↓例如：柴油机κ汽油机κ；稀薄燃烧κ化学计量比燃烧κ（2）高温热分解高温时，原子间的结合力减弱，产生热分解，CO2→CO+O2H2O→H2+O2由于热分解是吸热过程，所以ηt↓*尽管吸收的热能在膨胀过程中又被释放出来，但利用率低*T越高，p越小，热分解越严重，因此，汽油机热分解＞柴油机热分解DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity真实工质对热效率的影响1.401.351.301.251.204006008001000K温度Temperatureκ=cp/cvAirφα=2.0φα=1.25φα=0.83φα=0.67φα=1.0w/oexhaustgasresidual（3）工质分子变化系数液体燃料发动机燃烧后，µ1，P和ηt↑气体燃料发动机燃烧后，µ1，P和ηt↓（燃料分子计入燃前分子总数）总的来说，µ的影响不大（4）过量空气系数φa1，未燃碳氢↑，多原子↑，T↑，k↓,ηt↓φa1，空气↑，单双原子↑，T↓，k↑,ηt↑DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity汽油机与柴油机理想循环热效率的比较（1）高负荷•柴油机φa汽油机φa→柴ηt汽ηt•汽油机混合气浓，等容度高，Tmax↑残余废气↑，k↓，热分解↑→汽ηt↓•汽油机µ柴油机µ，但影响不大（2）低负荷•汽油机φa更小，而柴油机φa更大→汽ηt↓↓•汽φr↑，柴φr不变，汽k↓，燃烧速度↓→汽ηt↓•汽油机高低负荷温差小→汽ηt↓考虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大：DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity真实循环（1）传热损失（总加热量的6％）真实循环并非绝热过程，通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。散热量Qw=∫αFw（T-Tw）dτ式中，α—综合传热系数，Fw—散热面积，Fw=f（φ）T—缸内工质温度，T=f（φ）Tw—燃烧室壁面温度，可设为定值*压缩过程：前期吸热，后期散热，使压缩线略下降（有利）*燃烧及膨胀过程：温差大，散热强烈，使pz和膨胀线下降（不利）*燃烧膨胀线的下降幅度远大于压缩线，使动力过程功减小。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity真实循环（2）时间损失实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成：*存在点火（喷油）提前，使有用功面积下降；ηt↓*pz出现在TDC后10°CA，而非等容加热，使有用功面积减小（3）换气损失*排气门早开，造成膨胀功损失*泵气损失功W2（4）不完全燃烧损失（严格来说，该项不是对ηt的影响）*正常燃烧时，也有ηc≠100%*不正常燃烧、φa＜1等，ηt↓↓（5）缸内流动损失流动增强以及提高涡流与湍流程度，ηt↓，因为：造成能量损失、散热损失例如：流动损失，非直喷式柴油机＞直喷式柴油机DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity总结总结：由于以上在工质和循环方面的差别，使得理论循环ηt-实际循环ηt=10‾20百分点两者之间的差别指出了改善内燃机ηt的基本原则。真实循环与理论循环的比较100p80bar604020000.250.5m3/kg1.000.250.5m3/kg1.0T=2895KConstantvolumecycle(open)=ε=9.0RealworkingprocessT=2220Kε=9.0vvDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity2.机械损失与机械效率（1）机械效率的定义（2）机械损失的组成与份额（3）机械损失的测量（4）机械效率的影响因素mimmimimiempp1PP1WW1WWη−=−=−==DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity2.机械损失与机械效率（1）机械效率的定义（2）机械损失的组成与份额（3）机械损失的测量（4）机械效率的影响因素1）机械摩擦损失（50％～80％）活塞组件、轴承、气门机构等2）附件驱动消耗（～10％）水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等3）泵气损失泵气损失（5％～40％）DepartmentofAutomotiveEngineering