汽车发动机原理(张志沛第四版)-第一章-内燃机性能指标及实际循环热计算

第一节内燃机理论循环概述第二节内燃机实际循环与热损失第三节热平衡第四节指示指标第五节有效指标第六节机械损失第七节燃烧热化学第八节燃烧基本理论第九节实际循环的近似计算———热计算第十节实际循环数值计算的基本微分方程式第一章内燃机性能指标及实际循环热计算本章要求：1.掌握内燃机三种理想循环，理解内燃机实际循环与热损失，了解内燃机热平衡；2.掌握内燃机指示指标与有效指标，理解机械损失及其测试方法；3.熟悉内燃机燃烧热化学及基本理论，了解内燃机实际循环的热近似计算，了解时间循环数值计算的基本微分方程。高速柴油机:混合加热循环燃烧过程基本上由定容燃烧和定压燃烧1.混合加热循环第一节内燃机理论循环概述一、理想循环汽油机中混合气燃烧迅速，近似为定容加热循环。2．定容加热循环高增压和低速大型柴油机工作循环近似为定压加热循环。3．定压加热循环二、评定指标混合加热循环111111KKKt1．循环热效率2．循环平均压力taKtmKKpp1111混合加热循环10:23由上述理论循环的ηt和ｐt表达式可得出以下结论:(１)增加ε,可提高ηt,但其提高率将随ε值的不断增大而逐渐降低。(２)增大λ，由于可增加混合循环中等容部分的加热量，从而导致热量利用率的提高，因而也可使ηt提高。(３)ε和λ的增长，将伴随着最高循环压力ｐz的急剧上升。(４)增大ρ，可提高ｐt，但由于ρ的增大相当于混合循环中等压部分的加热量增加了，因此ηt将随之降低。(５)绝热指数ｋ越大，则ηt越高，第二节内燃机实际循环与热损失发动机实际循环与理论循环的比较1.工质的影响：实际循环中，燃烧前后工质成分、数量改变；2.换气损失：实际循环中，存在进、排气过程中的流动阻力损失和有用功损失；3.气缸壁的传热损失：工质与周围环境的热量交换；4.燃烧损失：（1）燃料燃烧速度的有限性a.压缩负功的增加;b.最高压力的下降;c.初始膨胀比减小。（2）后燃及不完全燃烧（3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热，是循环最高温度下降。5.时间损失6.其他几项损失第三节热平衡一.热量分配情况：（1）一部分转化为有用功；（2）一部分传递给冷却介质：（3）废气带走的热量；（4）不完全燃烧、辐射热、驱动附件的能量消耗等其他热量损失.QT=Qe+Qs+Qr+Qb+QL100%=qe+qs+qr+qb+ql二.发动机热平衡第四节指示指标示功图：气缸内工质的压力p随气缸工作容积v或曲轴转角θ变化的图形称为示功图。1.指示功Wi：气缸内完成一个工作循环所作的有用功。可由p-v图中闭合曲线包围的面积求得。Wi=Fiab/106(J)2.平均指示压力pi：单位气缸容积一个工作循环所作的指示功。pi=Wi/Vh(MPa)指示功率Pi：发动机单位时间内所作的指示功。一.指示功和平均指示压力二.指示功率1.指示热效率ηi：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。ηi=Wi/Q12.指示燃油消耗率gi：单位指示功的耗油量。三.指示热效率和指示燃油消耗率第五节有效指标一.内燃机动力性指标1.有效功率Pe：发动机功率输出轴上实际输出的净功率。Pe=Pi-Pm(kW)2.有效转矩Me：发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩。3.平均有效压力pe：发动机单位气缸工作容积输出的有效功，反映了发动机输出转矩Te的大小。(/)30msncms四行程内燃机曲轴旋转一圈，则活塞上、下移动两个活塞行程。所以转速与活塞平均速度的关系为：4.转速n和活塞平均速度Cm二.内燃机经济性指标1.有效热效率ηe：实际循环的有效功与为得到有效功所消耗热量的比值。2.有效燃油消耗率ge：单位有效功率的耗油量。三.内燃机强化程度(/)3030eheLhpVinpnkwLVi1.升功率：发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功率。2.比质量：发动机的质量G与所发出的标定功率之比。3.强化系数：平均有效压力ｐｅ与活塞平均速度Ｃｍ的乘积称为强化系数。四.内燃机其他性能评定1．排气品质汽车的排放标准对氮氧化物(ＮＯｘ)、碳氢化合物(ＨＣ)及一氧化碳(ＣＯ)３种危害最大的气体的排放量都做出限额规定。排气颗粒是指排放物中除水以外的各种液态和固态微粒。2．噪声汽车是城市中主要的噪声源之一，发动机又是汽车的主要噪声源。3．起动性我国标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机在-10℃、柴油机在-5℃以下的气温条件下起动发动机时，15s以内发动机要能自行运转。第六节机械损失机械损失分配情况10:23由上表可知，机械损失所消耗的功率占指示功率的10％-30％，是不可忽视的功率损失，降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环发出的指示功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高内燃机性能的一个重要途径。一.机械效率机械效率是有效功率和指示功率的比值。机械效率的大致范围是：汽油机0.7~0.9柴油机0.7~0.85二.机械损失的测定①让内燃机在给定的工况下稳定运转，②当冷却水和机油温度到达正常值时，立即切断供油（柴油机）或停止点火（汽油机），同时将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖内燃机，③此过程中尽可能维持冷却水和机油温度不变，④这时电力测功器所测得的倒拖功率即为内燃机在该工况下的机械损失功率。1.倒拖法首先将内燃机调整到给定工况稳定工作，测定其有效功率，然后停止向一个气缸（例如第一缸）供油，并调整测功器的阻力矩，使内燃机恢复到原来的转速，再测定内燃机的有效功率，由于有一个气缸不工作，第二次测得的有效功率比第一次测得的小，两者之差即为停油气缸的指示功率，然后恢复第一缸的工作，同法，依次使各缸熄火，即可测得对应的有效功率、……。2.灭缸法各缸的指示功率为：1(1)ieePPP2(2)ieePPP将上列各式相加得到整机指示功率为：12(1)(2)(iiieeePPPiPPP＝）因此，机械损失功率为(1)(2)(1)(mieeeePPPiPPP）3.油耗线法在负荷特性曲线中找出接近直线的线条，并顺此线条作延长线，直到与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即该机的平均机械损失压力。4.示功图法录取被测内燃机一个汽缸的示功图，然后算出ｐｉ值，同时从测功器上记录该工况的读数值并由此算出ｐｅ值，二者之差值即为该工况下内燃机的平均机械损失压力ｐｍ。三.影响机械效率的因素ｎ或Ｃｍ增大，各摩擦副之间的相对速度增加，摩擦损失增大，同时曲柄连杆机构的惯性力增大，活塞的侧压力和轴承负荷增大，摩擦损失也增大。ｎ增大，泵气损失、驱动附件消耗的功随之增加，所以机械效率下降。1.转速n(或活塞平均速度Cm)2.负荷变化m负荷增加，则当n不变，负荷↑,则Pi↑,而Pm基本不变。在保证内燃机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量选用粘度较小的机油，以减少摩擦损失，改善起动性能。冷却液温度直接影响内燃机的热负荷，所以与机油粘度也密切相关，从而也影响到摩擦的大小。3.润滑油品质和冷却液温度第七节燃烧热化学一.燃烧所必备的空气量1.1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量设1kg燃料中含C－gCkgH－gHkgO－gOkg2222212COCOHOHO所以1kg燃料完全燃烧所需的氧气量为：12432cOHgggkmolkmolkmol01()/0.2112432cOHgggLkmolkg10:23几种主要液体燃料的成分、热值及理论空气2.过量空气系数α0LLL表示发动机工作过程中每1kg燃料实际供给的空气量,L0表示1kg燃料完全燃烧需要的理论空气量α1稀混合气α1浓混合气α＝1理论混合气一般汽油机α＝０.８~１.２，车用高速柴油机α＝１.２~１.６，增压柴油机α＝１.８~２.２。二.理论分子变更系数1.α1的情况柴油机：汽油机：2.α1的情况仅在汽油机上出现。三.实际分子变更系数内燃机工作时，由于汽缸中废气不可能完全排除干净，每次吸入新鲜充量时都有上个循环留下来的残余废气，因此研究燃烧前、后工质摩尔数的变化时，应将这种实际情况考虑进去。考虑了残余废气后，燃烧后的工质摩尔数Ｍ′２与燃烧前工质摩尔数Ｍ′１之比称为实际分子变更系数，以μ表示:第八节燃烧基本理论一.连锁反应的机理及燃烧放热规律1.连锁反应的基本概念链锁反应过程包括：①链引发：反应物分子受到某种因素激发（如受热裂解、受光辐射等）分解成自由原子或自由基。②链传播：自由原子或自由基与反应物作用，一方面使反应进行，另一方面又生成新的自由原子（基）。直链反应—一个活化中心与反应物作用产生一个新的活化中心，反应以恒速进行。支链反应—一个活化中心引起的反应，同时生成两个以上的活化中心，反应速度急剧增长。③链中断：自由原子（基）与容器壁面或惰性气体分子碰撞，反应能力下降，不再引起反应。例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O2→2H2O实际过程是：链引发：H2→2H链传播(链爆炸)：H+O2→OH+OO+H2→OH+H2OH+H2→2H2O+2H链中断：H+H+M→H2+M（M是惰性气体分子）H+OH+M→H2O+MH+O+M→OH+M2.有效反应概念和连锁化学反应的普遍方程式所谓有效反应是指能获得最终产物及活化中心的反应。链锁化学反应的速度与有效反应中心的生成速度成正比。如果将有效反应中心的生成速度与原始物质的分子数Ｎ的比值称为有效反应中心的相对密度ρ，则:连锁反应速度的普遍方程式为：3.内燃机燃烧速度的半经验方程式燃烧品质指数ｍ对燃烧百分比ｘ和燃烧速度ｄｘ/ｄφ的影响二.预混合气体中的火焰传播1.火焰核心的形成预混合气体在外源点火的情况下形成火焰核心的前提条件是火花塞附近的混合气必须具备一定的浓度。汽油机预混合气体的着火浓度范围为α＝0.5-1.3。在预混合气体中，从火花塞跳火花至火焰核心形成要经历一段时间。这段时间的长短与火花塞附近预混合气体的压力、温度、氧的浓度、燃料种类、混合气浓度、气流运动状况、电火花的性质、电极几何形状和距离等诸多因素有关。2.火焰的传播（1）α=0.85~0.95时，火焰传播速度u最大,用此混合气时，发动机的功率达最大，故称功率混合比。（2）α=1.03~1.1时，燃烧最完全，热效率最高，油耗最低，故称经济混合比。α对火焰传播的影响三.燃油喷雾与扩散燃烧1.燃油喷雾与混合喷入汽缸中的燃油首先要经历破碎和雾化过程。燃油喷入汽缸后的雾化、吸热、汽化的过程总是伴随着混合气的形成过程，即边雾化、边混合的过程，以逐步形成可燃混合气。柴油机混合气形成的方式有多种形式，如雾化混合型、油膜混合型、雾化-油膜混合型等。不管具体柴油机的混合气形成哪种形式，在一个循环的工作过程中混合气的形成都必须经历预混合和扩散混合这样两个阶段。预混合燃烧扩散燃烧2.扩散燃烧的特点扩散燃烧阶段的燃烧情况非常复杂，它既存在预混合燃烧的形式，又存在单油滴的扩散燃烧形式，是一种气、液双相混合的燃烧过程。柴油机中的燃烧，不管是预混合气的均相气相燃烧，还是微油滴群的油滴扩散燃烧，都仅与局部的油气比例和着火环境有关，而与整个燃烧室中油气的宏观比例无关。柴油机燃烧过程的另一特点是它容易生成炭烟。第九节实际循环的近似计算——热计算一.燃烧热化学计算根据给定或选定的燃料成分、过量空气系数α和残余废气系数γ计算下列各值:1kg燃料所需的理论空气量Ｌ０；新鲜充量的摩尔数Ｍ１；燃烧产物的摩尔数Ｍ２；残余废气的摩尔数Ｍγ；理论分子变更系数μ０；实际分子变更系数μ。二.换气过程参数的确定1.进气终点压力papａ是影响充气效率的主要因素，对泵气损失也有影响。一般情况下，进气终点的汽缸内压力ｐａ低于进气系数的压力，其差值取决于吸气过程中的压力降Δｐａ。ｐａ＝ｐ０－Δｐａ(非增压内燃机)ｐａ＝ｐｋ－Δｐａ(增压内燃机)式中:ｐ０———环境大气压力；ｐｋ———增压压力。2.残余废气系数γ3.进气终点温度Ta4.充气效率ηv三.压缩过程压缩比ε是内燃机的一个重要结构参数。汽油机压缩比的选取主要受到燃料和燃烧室结构类型、排气污染和不正常燃烧现象等的限制，它的ε比柴油机低得