01-发动机的性能

第一章发动机的性能•性能：动力性、经济性、可靠耐久性、运转性能（冷起动性能、排放、振动、噪声）、使用维修性、加工工艺性等•以性能为研究对象，深入到工作过程的各个阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中找出提高性能的一般规律本章主要内容•预备知识：工程热力学基础【1.理想气体的多变过程，p-v图；2.熵的概念，T-s图；3.卡诺循环与卡诺定理】•发动机的理论循环•四冲程发动机的实际循环•实际循环的评定指标——指示指标•发动机动力性和经济性评定——有效指标•发动机的环境指标•发动机的机械损失•发动机的热平衡预备知识：工程热力学基础1.理想气体的多变过程①工质——工程热力学中，把实现热能与机械能相互转换的工作物质称为“工质”。•热机的运转是依靠气态工质在特定条件下不断改变他的热力状态（简称状态），执行某一具体的热工转换过程来实现的。②状态参数——标志气体热力状态的宏观物理量叫做气体的状态参数。•常用状态参数有六个：压力p、温度T、比体积v、内能U、焓H、熵S。•其中，p、T、v是可以直接用仪表测量，且其物理意义易被理解，成为描述工质状态最常用的基本状态参数。③理想气态状态方程式（克拉贝隆方程式）——用来描述热力系统平衡状态下三个基本状态参数之间关系的方程式。mkg理想气体pV＝mRT1kg理想气体pv＝RT1mol理想气体pVm＝RmT④热力过程——热力系统从一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态的总合。⑤热力循环——一个封闭的热力过程，即使工质由初始状态出发，经过一系列变化又回到初始状态的过程。⑥过程方程式——描述热力过程中，状态参数变化规律的方程式。如：•定压过程：p=constantT/v=constant定温过程：T=constantpv=constant定容过程：v=constantT/p=constant⑦理想气体的多变过程上述过程的共同特点：在热力过程中，某一状态参数值保持不变。而许多实际热力过程中往往是所有状态参数都在变化，但状态参数的变化往往遵循一定规律。这一规律可表示为pvn=constant符合这一方程的过程称为多变过程。n——多变指数，某一多变过程中n为定值，不同的多变过程，n值不同，可在0～±∞之间变化。n=0、1、k、±∞？⑧绝热过程（定熵过程）——n=cp/cv时的多变过程。n用k表示，即k=cp/cv，称为绝热指数或等熵指数。•cp——比定压热容。物理意义：p一定时1kg工质升高1K内能的增加量cv——比定容热容。物理意义：v一定时1kg工质升高1K焓的增加量。∵cpcv∴k1热力学第一定律表达式：输入系统的能量-系统输出的能量=系统储存能量的变化2.压容图（p-v图，示功图）——表示热力过程中p-v之间相互关系的坐标图。如：3.熵及温熵图（T-s图，示热图）①熵：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传热时的绝对温度所得的商。②温熵图（T-s图，示热图）——表示热力过程中T-s之间相互关系的坐标图。如：Tqsδd4.卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环热二律奠基人效率最高①卡诺循环——由两个定温过程和两个绝热过程交错组成的可逆过程。卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1)t1wq2212t,C121111TssTTssT卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w122111qqqqq②卡诺循环热机效率(Carnotefficiency)•t,c只取决于恒温热源T1和T2而与工质的性质无关；2t,C11TT•卡诺循环热机效率的说明•T1t,c,T2c，温差越大，t,c越高•当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能•T1=K,T2=0K,t,c100%，热二律第一节发动机理论循环1.进行理论循环分析的意义①定义：发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些次要因素，所得出的简化循环。②意义：通过对理论循环的研究，可以清楚地确定影响性能的某些重要因素，从而找到提高发动机性能的基本途径一、三种基本循环③目的：①用简单的公式阐明发动机工作过程中各基本热力参数之间的关系，以明确提高经济性和动力性的基本途径。②确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机工作过程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。③有利于分析比较发动机各种热力循环方式的经济性和动力性。2.建立理论循环的简化假设①假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同。②假设工质是在闭口系统中作封闭循环。③假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程。④假设燃烧是外界无数数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热。根据加热方式不同，发动机有三种基本空气标准循环：定容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速）定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃烧最高压力的限制）混合加热循环（高速柴油机）3.三种基本循环2012-9-05①定容加热循环•定容循环的特点：–吸、放热过程：是定容过程。–压缩、膨胀过程：是绝热过程–热效率：•其中：•：压缩比•k：绝热指数，对空气：k＝1.4111ktV定容加热循环热效率：tv②定压加热循环•定压循环的特点：–吸热过程：是定压过程；–放热过程：是定容过程。–压缩、膨胀过程：是绝热过程–热效率：•其中：•：压缩比，＝Va/Vc•ρ：预膨胀比，ρ＝V3/V2•k：绝热指数，对空气：k＝1.4)1(1111kkktp定压加热循环•热效率分析：①为定值，tp②为定值，tp因此，应该合理选择值。3.混合加热循环•混合循环的特点：–吸热过程：是定压过程和定容过程；–放热过程：是定容过程。–压缩、膨胀过程：是绝热过程–热效率：•其中：•：压缩比，＝Va/Vc；•ρ：预膨胀比，ρ＝V3/V2•：压力升高比，＝p3/p2•k：绝热指数，对空气：k＝1.4)1()1(1111kkktm混合加热循环评定理论循环的指标：循环热效率ηt•定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比。•意义：评定循环经济性。循环平均压力pt•定义：单位气缸工作容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力。•意义：评定循环动力性（做功能力）。二、循环热效率ηt–根据工程热力学公式，混合加热循环热效率为•ε一压缩比，ε=Va／Vc=(Vs+Vc)／Vc=1+Vs/Vc，其中，Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积；（汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15）•λ一压力升高比，λ=pz/pc；•ρ一预膨胀比，ρ=Vz/Vz’=ε/δ；•δ—后膨胀比，δ=Vb/Vz；•k一绝热指数1212111QQQQQQWt混合加热循环111111kkktm定容加热循环（ρ=1）热效率为定压加热循环（λ=1）热效率为111ktV)1(1111kkktP111111kkktm影响ηt的因素l.压缩比ε（εc）•提高ε，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，三种循环的ηt都提高。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。111111kkktm2.绝热指数k：随k值增大，ηt将提高。3.压力升高比λ（λp）：定压加热循环λ=1，定容加热循环λ不影响ηt，混合加热循环随λ增大ηt将提高。4.预膨胀比ρ（ρ0）：定容加热循环ρ=1，定压加热循环和混合加热循环随ρ增大ηt将下降。111111kkktmηt与k、ε的关系λ、ρ对ηt、pt的影响三、循环平均压力pt•pt（kPa）是单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力–按工程热力学公式，混合加热循环的平均压力stVWptaktmkkpp)]1()1[(11其中：pa：压缩始点压力（kPa）：压缩比，＝Va/Vc；ρ：预膨胀比，ρ=Vz/Vz’=ε/δ：压力升高比，λ=pz/pck：绝热指数，对空气：k＝1.4•定容加热循环（ρ=1）的平均压力为•定压加热循环（λ=1）的平均压力为•可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比ε、压力升高比λ、预膨胀比ρ、绝热指数k和热效率ηt的增加而增加。taktVkpp)1(11taktPkkpp)1(11taktmkkpp)]1()1[(11三种循环热效率的比较•循环总加热量相同时定容加热循环热效率ηtV＞混合加热循环热效率ηtm＞定压加热循环热效率ηtp•最高压力相同时定压加热循环热效率ηtp＞混合加热循环热效率ηtm＞定容加热循环热效率ηtV111111kkktm111ktV)1(1111kkktP•实际条件对提高发动机理论循环热效率和循环平均压力的措施的限制：①结构条件的限制②机械效率的限制③燃烧方面的限制④排放方面的限制第二节四行程发动机的实际循环•实际循环通常用气缸内的工质压力p随气缸工作容积V（或曲轴转角φ）而变化的图形表示，即示功图p－V图，p－φ图称为展开示功图。p－V图上曲线所包围的面积（积分）表示工质完成一个实际循环所做的有用功。•发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。一．进气过程•活塞、气门：•r-r’-a曲线：由于进气阻力，压力低于大气压。由于零件高温和残余废气的加热，进气终了温度高于大气温度。•上述条件产生进气损失。•一般进气终了的压力和温度的大致范围是：参数p1(kPa)T1(K)汽油机(0.75~0.90)p0370~400柴油机(0.80~0.95)p0310~340二．压缩过程•活塞、气门：•a-c曲线：•作用：⑴提高工质的温度和压力，提高热效率。⑵为冷起动和着火燃烧创造条件。•一般压缩终了的压力和温度的大致范围是：参数p2(kPa)T2(K)汽油机800~2000600~750柴油机3000~5000750~1000煤气机工作原理煤气机示功图2012-9-10三．燃烧过程•气门、活塞：•c-z曲线：燃料越接近上止点附近燃烧，压力和温度升高越大，热效率越高。•汽油机提前点火，柴油机提前喷油。•燃烧滞后和提前燃烧产生燃烧损失。•一般燃烧时的最高压力和最高温度的大致范围是：参数p5(kPa)T5(K)汽油机294~4901500~1700柴油机196~3921000~1400四．膨胀过程•气门、活塞：•z-b曲线：空气、燃料混合不良，燃烧不完全产生不完全燃烧损失。•柴油机的压力高，膨胀比大，转化为有用功的热量多，热效率高。膨胀终了的压力和温度均小于汽油机。•一般膨胀终了的压力和温度的大致范围是：参数p5(kPa)T5(K)汽油机294~4901500~1700柴油机196~3921000~1400五．排气过程•气门、活塞：•b-r曲线：排气过程中压力始终大于大气压力，温度始终高于环境温度，排气系统的阻力和压差、温差产生排气损失。•一般排气终了的压力和温度的大致范围是：参数p0(kPa)T0(K)汽油机(1.05~1.2)p0850~1200柴油机(1.03~1.15)p0700~900过程示功图过程描述作用终点压力P(MPa)（P0=0.1015MPa）终点温度T(K)进气r-a线活塞下行，进开排关吸入新鲜混合气汽：0.075~0.08柴：0.08~0.09汽：370~400柴：300~340压缩a-c线活塞上行，进关排关增大工作过程温差，提高热功转换效率，为燃烧创造条件汽：0.6~2.0柴：3.0~5.0汽：600~