发动机性能课件.pptx

1、气缸工作容积（气缸工作容积（V Vh h）：）：活塞运行一个行程所活塞运行一个行程所扫过的容积。扫过的容积。活塞行程：活塞从一个止点到另一个止点移活塞行程：活塞从一个止点到另一个止点移动的距离，即上、下止点之间的距离。动的距离，即上、下止点之间的距离。下止点：活塞在气缸里作往复直线运动时，下止点：活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向下运动到最低位置，即活塞顶部距当活塞向下运动到最低位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最近的极限位置。离曲轴旋转中心最近的极限位置。上止点：活塞在气缸里作往复直线运动时，上止点：活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向上运动到最高位置，即活塞顶部距当活塞向上运动到最高位

2、置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位置。离曲轴旋转中心最远的极限位置。燃烧室容积（燃烧室容积（V Vc c ）：活塞位于上止点时，）：活塞位于上止点时，其顶部与气缸盖之间的容积。其顶部与气缸盖之间的容积。气缸总容积（气缸总容积（V Va a）：活塞位于下止点时，其）：活塞位于下止点时，其顶部与气缸盖之间的容积。顶部与气缸盖之间的容积。第1页/共113页v发动机排量发动机排量 ：多缸发动机各气缸工作容积的总和（：多缸发动机各气缸工作容积的总和（L L），），称为发动机排量。称为发动机排量。v压缩比压缩比 ：气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比：气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比值，即

3、气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般值，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。一般用用表示。表示。v示功图：示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。情况。第2页/共113页 发动机的发动机的理论循环理论循环是对其是对其实际循环实际循环进行进行抽象抽象并加以并加以理想化理想化而得到，突出发动机工作过程中最而得到，突出发动机工作过程中最本质本质、最重要的因素。、最重要的因素。第一节第一节 内燃机理论循环概述内燃机理论循环概述 重要假定：重要假定：1 1、忽略进、排气过程，瞬间完成，假定为封闭循环、忽略进、排气过程，瞬间完成，假定为封闭循

4、环2 2、排气放热简化为可逆的定容放热过程、排气放热简化为可逆的定容放热过程3 3、压缩、膨胀过程简化为可逆的绝热过程、压缩、膨胀过程简化为可逆的绝热过程4 4、燃烧过程简化为加热过程、燃烧过程简化为加热过程可逆定容、定压过程可逆定容、定压过程 5 5、假定工质为定比热的理想气体、假定工质为定比热的理想气体空气空气第3页/共113页建立理论循环模型的意义建立理论循环模型的意义v简化内燃机的实际工作过程简化内燃机的实际工作过程v阐明各基本热力参数间的关系，明确提高以阐明各基本热力参数间的关系，明确提高以理论循环理论循环热效率热效率为代表的为代表的经济性经济性和以和以循环平均压力循环平均压力为代表

5、的为代表的动动力性力性的基本途径。的基本途径。v确定循环热效率的理论限值，以判断实际内燃机工作确定循环热效率的理论限值，以判断实际内燃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。过程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。v有利于比较内燃机各种热力循环的经济性和动力性。有利于比较内燃机各种热力循环的经济性和动力性。第4页/共113页第一节第一节 内燃机理论循环概述内燃机理论循环概述v一一 实际循环向理想循环实际循环向理想循环的简化的简化v（一）（一）实际循环实际循环 （以车用柴油机为例）（以车用柴油机为例）v1 1 进气过程进气过程:0:01 1（p pp p0 0p pp pp p

6、0 0 ）膨胀膨胀排气排气压缩压缩进气进气燃烧燃烧第5页/共113页v（二）（二）实际循环的简化实际循环的简化1 1 忽略进、排气过程忽略进、排气过程2 2 压缩、膨胀过程压缩、膨胀过程 （复杂的多（复杂的多变过程）变过程）简化为绝热过程简化为绝热过程3 3 燃烧过程简化为定容加热过程燃烧过程简化为定容加热过程 （2 23 3）和定压加热过程和定压加热过程 （3 34 4）4 4 排气放热简化为定容放热过程排气放热简化为定容放热过程5 5 假定工质为定比热的理想气体假定工质为定比热的理想气体膨胀膨胀压缩压缩放热放热燃烧燃烧第6页/共113页v（三）评定循环过程中质和量的指标（三）评定循环过程中

7、质和量的指标v1 1循环的热效率循环的热效率v式中：式中：w w0 0工质的循环净功（工质的循环净功（J J）v q q1 1工质在循环中吸收的热量（工质在循环中吸收的热量（J J）v q q2 2工质在循环中放出的热量（工质在循环中放出的热量（J J）v 热效率可以用来评定循环的经济性。热效率可以用来评定循环的经济性。12121101qqqqqqwt第7页/共113页v2 2循环平均压力循环平均压力p pt tv v （J/m3）或（）或（Nm2）v式中式中:V:Vh h气缸工作容积（气缸工作容积（m m3 3）v 循环平均压力表示单位气缸工作容积所作循环平均压力表示单位气缸工作容积所作的循

8、环功，用来评定循环的动力性。的循环功，用来评定循环的动力性。htVwp0第8页/共113页二、理想循环及其分析比较二、理想循环及其分析比较v（一）（一）混合加热循环混合加热循环v 车用（高速）柴油机的理想车用（高速）柴油机的理想循环循环v1 1 循环特征参数循环特征参数v（1 1）压缩比压缩比v（2 2）压力升高比压力升高比v（3 3）预胀比预胀比v（4 4）后膨胀比后膨胀比 燃烧过程为定容、定压加热过程；燃烧过程为定容、定压加热过程；压缩、膨胀过程为绝热过程；压缩、膨胀过程为绝热过程；瞬间完成进、排气过程，定容放热过程瞬间完成进、排气过程，定容放热过程21vvpp32vv43第9页/共113

9、页v2 2 热效率热效率pvvtmqqqqqqw112121011计算得计算得:)1()1(1111kkktm -压缩比压缩比 -压力升高比压力升高比 -预胀比预胀比 K-K-等熵指数等熵指数第10页/共113页v3 3 分析分析（1 1）为定值为定值 tmtm ；tmtm 。=1=1 tmtm=const.const.（汽油机，（汽油机，定容加热循环）定容加热循环）（2 2）tmtm 当当 =20=20 左右时，左右时，tmtm 不大不大柴油机柴油机 =12=122222第11页/共113页v4 4 循环平均压力分析循环平均压力分析1(1)(1)11ktmtmPpkk 01tmtmhhwQp

10、VV 表示单位气缸工作容积所作的循环功，用来评定循表示单位气缸工作容积所作的循环功，用来评定循环的动力性。环的动力性。根据热力学理论，得到根据热力学理论，得到混合加热循环混合加热循环平均压力为平均压力为P P1 1压缩始点的压力压缩始点的压力(kPa)(kPa)第12页/共113页 （1 1）进气终了压力）进气终了压力 PaPa 提高，提高，PtPt增加；增加；t t 提高，提高，Pt Pt 增加增加;凡是使凡是使 t t 提高的因素，也都会增加提高的因素，也都会增加 PtPt。（2 2）（其他参数不变）（其他参数不变）对三种循环，都是对三种循环，都是 时，时，p pt t 也也（3 3）（其

11、他参数不变）（其他参数不变）定容加热循环定容加热循环混合加热循环混合加热循环时，时，p pt t 也也 定压加热循环，定压加热循环，=1,=1,不影响不影响 p pt t。1(1)(1)11ktmtmPpkk 第13页/共113页循环参数及热效率、平均压力的表达式循环参数及热效率、平均压力的表达式第14页/共113页理想循环热效率和平均指示压力的影响因素理想循环热效率和平均指示压力的影响因素v影响热效率和平均指示压力的因素有：影响热效率和平均指示压力的因素有：t=ft=f（k k，）pt=fpt=f1 1（papa，k k，）v借助于借助于p pV V、T Ts s图更能直观、形象地分析影响关

12、图更能直观、形象地分析影响关系系 第15页/共113页理想循环热效率和平均指示压力的影响因素理想循环热效率和平均指示压力的影响因素的理论指导意义的理论指导意义v1 1）实际内燃机开发的目标之一就是如何改善内燃机的）实际内燃机开发的目标之一就是如何改善内燃机的工作过程，使得工作过程，使得 提高。提高。v2 2）关于内燃机燃烧过程的分配和控制的问题。从理论）关于内燃机燃烧过程的分配和控制的问题。从理论上来说，增大燃烧速度，也即增大上来说，增大燃烧速度，也即增大，可以提高热效率，可以提高热效率和增加平均压力，这正是所需要的，而实际上，往往要和增加平均压力，这正是所需要的，而实际上，往往要受到实际情况

13、的限制。但理论上的分析为实际工作指出受到实际情况的限制。但理论上的分析为实际工作指出了方向。了方向。v3 3）提高）提高ptpt的有效途径之一是提高的有效途径之一是提高p pa a，如增压技术，如增压技术 第16页/共113页v（二）（二）定容加热循环定容加热循环 （奥托（奥托OTTOOTTO循环）循环）v 汽油机的理想循环汽油机的理想循环123vv111ktv1 热效率热效率 因为因为:预胀比预胀比 所以所以:热效率热效率 2 2 分析分析 =1=1 t t=const.=const.t t ；当；当 =10=10 左右时，左右时，t t 不大不大 且汽油机容易爆燃，因此，汽油机且汽油机容易

14、爆燃，因此，汽油机 =6=61010燃烧过程燃烧过程（23）为定容加热过程为定容加热过程 压缩、膨胀过程为绝热过程；压缩、膨胀过程为绝热过程；瞬间完成进、排气过程，定容放热瞬间完成进、排气过程，定容放热过程过程第17页/共113页（三）（三）定压加热循环定压加热循环 （狄赛尔（狄赛尔DIESEL DIESEL 循环）循环）船舶用大型低速柴油机的理想循环船舶用大型低速柴油机的理想循环pp321)1(1111kkktp1 热效率热效率 因为因为:压力升高比压力升高比 所以所以:热效率热效率 2 分析分析（1）为定值为定值 t （2）为定值为定值 t 燃烧过程（燃烧过程（2 23 3）为定压加热过程

15、；）为定压加热过程；压缩、膨胀过程为绝热过程；压缩、膨胀过程为绝热过程；瞬间完成进、排气过程，定容放热过程瞬间完成进、排气过程，定容放热过程第18页/共113页热效率分析（1 1）（其他参数不变）（其他参数不变）对三种循环，都是对三种循环，都是 时，时，t t 也也当当 =20=20 左右时，左右时，对对 t t 影响不大影响不大低速柴油机低速柴油机 =16=162222高速柴油机高速柴油机 =14=142020汽油机汽油机 =8=81212第19页/共113页（2 2）（其他参数不变）（其他参数不变）不影响不影响 t t 。定容加热循环，定容加热循环，不出现不出现定压加热循环，定压加热循环，

16、=1=1混合加热循环，混合加热循环，时，时，t t 也也（3 3）（其他参数不变）（其他参数不变）定容加热循环，定容加热循环，=1=1，无影响。，无影响。对定压加热循环和混合加热循环对定压加热循环和混合加热循环 时，时，t t 第20页/共113页从理论上能够提高发动机的从理论上能够提高发动机的循环热效率和平均压力循环热效率和平均压力的措施，的措施，往往往往受实际工作条件限制的。受实际工作条件限制的。1.1.结构条件限制结构条件限制 提高提高 和和对对 t t有利，但有利，但PzPz急剧增高，影响发动机急剧增高，影响发动机的零件寿命。只有增加零部件强度来适应，又导致体的零件寿命。只有增加零部件

17、强度来适应，又导致体积和成本增加。积和成本增加。2.2.机械效率的限制机械效率的限制 提高热效率会使机械效率下降。提高热效率会使机械效率下降。3.3.燃烧方面限制燃烧方面限制 太高，汽油机会爆震。柴油机燃烧室设计困难。太高，汽油机会爆震。柴油机燃烧室设计困难。低速柴油机低速柴油机 =16=1622 22；高速柴油机；高速柴油机 =14=142020；汽油机汽油机 =8=812124.4.排放方面限制排放方面限制第21页/共113页（四）（四）三种理想循环热效率的比较三种理想循环热效率的比较t vt mt p,pmaxTmaxt vt mt p,1 1 初态初态1 1相同，压缩比相同，压缩比 相

18、同，加热量相同，加热量q1q1相同相同 2 2 初态初态1 1相同，最高压力相同，最高压力、最高温度、最高温度相同，放热量相同，放热量q q2 2相同相同 所以，想提高混合加热循环热效率应增加定容部分所以，想提高混合加热循环热效率应增加定容部分的加热量，即增大的加热量，即增大。所以，对高增压这类受机件强度限制，其循环最高压力所以，对高增压这类受机件强度限制，其循环最高压力不得过大的情况，提高不得过大的情况，提高，同时增大定压加热部分有利。，同时增大定压加热部分有利。第22页/共113页低速柴油机高速柴油机高速汽油机初态初态1相同，压缩比相同，压缩比 相同，加热量相同，加热量q1相同相同t vt

19、 mt p,初态初态1相同，最高压力和最高温度相同，相同，最高压力和最高温度相同，放热量放热量q2相同相同t vt mt p,低速柴油机高速柴油机高速汽油机第23页/共113页小小 结结v由上述理论循环表达式可以得到以下结论：由上述理论循环表达式可以得到以下结论：v1 1）增加）增加 ，可提高，可提高t t，但其提高率随，但其提高率随值的不断增大值的不断增大而逐渐降低；而逐渐降低；v2 2）增大）增大，由于可增加混合循环中等容部分的加热量，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，因而也可使从而导致热量利用率的提高，因而也可使t t提高；提高；v3 3）和和的增长，将伴随

20、着最高循环压力的增长，将伴随着最高循环压力P Pz z的急剧上升，的急剧上升，因此，因此，和和的增加将受到机构强度、机械效率和燃烧的增加将受到机构强度、机械效率和燃烧条件等三方面的限制；条件等三方面的限制；第24页/共113页v4 4）增大）增大，可提高，可提高P Pt t。但由于。但由于的增大相当于混的增大相当于混合循环中等压部分的加热量增加了，因此合循环中等压部分的加热量增加了，因此t t将随将随之下降；之下降；v5 5）绝热指数）绝热指数k k愈大，则愈大，则t t愈高。愈高。第25页/共113页第二节第二节 内燃机实际循环与热损失内燃机实际循环与热损失第26页/共113页工质特性的真实

21、情况工质特性的真实情况v工质是不同组分的混合物，工质是不同组分的混合物，v高温条件下要进行各种化学反应而变更其成分高温条件下要进行各种化学反应而变更其成分v工质各组分的热力参数如比热容、等熵指数等，工质各组分的热力参数如比热容、等熵指数等，随温度、分子结构而变化随温度、分子结构而变化v当混合气的过量空气系数小于当混合气的过量空气系数小于1 1时，过浓部分的时，过浓部分的燃料不燃烧放热燃料不燃烧放热第27页/共113页四冲程四冲程增压增压发动机的实际循环发动机的实际循环示功图示功图四冲程四冲程非非增压增压发动机的实际循环发动机的实际循环示功图示功图V Vc c压缩终点气缸容积压缩终点气缸容积V

22、Vs s气缸工作容积气缸工作容积V Va a气缸总容积气缸总容积P P0 0大气压力大气压力P Pk k增压压力增压压力P PT T排气压力排气压力Vc压缩终点气缸容积压缩终点气缸容积Vs气缸工作容积气缸工作容积Va气缸总容积气缸总容积P0大气压力大气压力第28页/共113页 以四冲程非增压汽油发动机的实际循环以四冲程非增压汽油发动机的实际循环为例。为例。一、进气过程（一、进气过程（rara）二、压缩过程（二、压缩过程（acac）压缩终点压力和温度压缩终点压力和温度1nacpp11nacTTr-a r-a 进气。残余废气膨胀，压进气。残余废气膨胀，压力力P Pr r降至降至P Pr r第29页

23、/共113页一、进气过程（一、进气过程（rara）二、压缩过程（二、压缩过程（acac）平均多变指数平均多变指数n n1 1平衡特征点平衡特征点这点正好反映平均多变指这点正好反映平均多变指数数n n1 1，是放热和吸热的分，是放热和吸热的分界点界点 PVPVn n=const.=const.热力学公式热力学公式是一种热力多变过程。是一种热力多变过程。n=0n=0（等压）（等压）,1,1（等温）（等温）,k,k（等熵）（等熵）,（等容）（等容）第30页/共113页三、燃烧过程（三、燃烧过程（czcz）第31页/共113页四、膨胀过程（四、膨胀过程（zbzb）不能绝对和燃烧过程分不能绝对和燃烧过程

24、分开开平均多变指数平均多变指数n n2 2膨胀终点压力和温度膨胀终点压力和温度第32页/共113页四、膨胀过程（四、膨胀过程（zbzb）汽油机22nznbzzbpVVpp1122nznbzzbTVVTT柴油机22nznbzzbpVVpp1122nznbzzbTVVTT第33页/共113页五、排气过程（五、排气过程（brbr）六、实际循环的功六、实际循环的功 对非增压发动机，闭对非增压发动机，闭合曲线合曲线b bb b /c z bc z b的面积的面积A A i i表表示工质对活塞所做的功，是正示工质对活塞所做的功，是正功；功；r br b /a ra r /r r的面积的面积A A 1 1表

25、示表示换气消耗的功，称为换气消耗的功，称为泵泵气损失气损失，是负功。是负功。第34页/共113页对四冲程增压发动机，对四冲程增压发动机，上闭合曲线的面积上闭合曲线的面积A A i i表表示工质对活塞所做的功，示工质对活塞所做的功，是正功；下闭合曲线的是正功；下闭合曲线的面积面积A A 1 1表示换气时，增表示换气时，增压空气对活塞所做的功，压空气对活塞所做的功，称为称为泵泵气功气功，也是正功。，也是正功。第35页/共113页v由进气、压缩、燃烧、由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程膨胀和排气五个过程组成。组成。v实际循环没有理论循实际循环没有理论循环的热效率高。环的热效率高。实际循环与理论循

26、环的比较：实际循环与理论循环的比较：第36页/共113页一、一、工质的影响工质的影响（无法改变）（无法改变）v（1 1）工质性质工质性质 理论上理论上:理想气体，双原子气体。理想气体，双原子气体。实际上实际上:燃烧前燃烧前:燃料燃料+空气空气+上循环废气；上循环废气；燃烧后燃烧后:燃烧产物。燃烧产物。v（2 2）比热）比热（单位质量物体改变单位温度时的吸（单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能收或释放的内能 ）理论上：定比热理论上：定比热 实际上：温度实际上：温度T T 比热比热C C 第37页/共113页v（3 3）高温分解）高温分解 例：例：C+OC+O CO+CO+热量热量 +O+

27、O CO CO2 2+热量热量 其中其中 CO CO 为中间产物，为中间产物，COCO2 2 为最终产物。若为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反应，即高温分解遇高温，则会发生复分解反应，即高温分解:COCO2 2 CO+O CO+O-热量热量 这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止点，做功效果变差，来，但由于活塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。热效率下降。第38页/共113页二、二、换气损失换气损失v 理论上理论上:忽略进、排气过程。忽略进、排气过程。v 实际上实际上:进、排气门提前开启，迟后关闭。而进、排气门提前开启

28、，迟后关闭。而且有流动阻力。且有流动阻力。v 换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失之中。泵气损失包含在换气损失之中。第39页/共113页三、三、传热损失传热损失 v 理论上理论上:压缩、膨胀过程为绝热过程。压缩、膨胀过程为绝热过程。v 实际上实际上:实际循环中实际循环中,气缸壁气缸壁(包括气缸套包括气缸套 气缸盖气缸盖 活活塞环塞环 气门气门 喷油器等喷油器等)和工质的热交换和工质的热交换,热量通过热量通过汽缸壁传给冷却水或空气造成损失，。汽缸壁传给冷却水或空气造成损失，。传热损失是发动机中的传热损失是发动机中的最大损失最大

29、损失，占总损失，占总损失量的量的30%30%以上。因此，许多研究者致力于开发绝热以上。因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。发动机。第40页/共113页影响因素：影响因素：直径直径D D（S/DS/D相等）相等）S/DS/D（S/DS/D相等）相等）燃烧室形状燃烧室形状冷却介质温度冷却介质温度增压增压工况变化（负荷、转速）工况变化（负荷、转速）第41页/共113页四、四、时间损失时间损失v理论上理论上:活塞运行速度无限缓慢活塞运行速度无限缓慢 定容加热瞬间完成定容加热瞬间完成 定压加热速度与活塞运行速度密切配合。定压加热速度与活塞运行速度密切配合。v实际上实际上:活塞具有相当的运行速度活塞具有

30、相当的运行速度 燃烧需要时间燃烧需要时间 加热速度与活塞运行速度很难完美配合加热速度与活塞运行速度很难完美配合 总之：由于燃料燃烧的总之：由于燃料燃烧的放热规律放热规律与与活塞运动活塞运动的规律的规律难以进行完美地配合导致时间损失。难以进行完美地配合导致时间损失。第42页/共113页五、五、燃烧损失燃烧损失v 理论上理论上:加热瞬间停止，膨胀过程无加热。加热瞬间停止，膨胀过程无加热。v 实际上实际上:虽然大部分（虽然大部分（80%80%以上）燃料在燃烧过以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部分燃料会拖到膨胀线上程中燃烧掉，但仍有小部分燃料会拖到膨胀线上才燃烧，做功效果变差，热效率下降。才燃烧

31、，做功效果变差，热效率下降。实际循环部分工质产生不完全燃烧损失。实际循环部分工质产生不完全燃烧损失。参见教材参见教材P11P11：第43页/共113页六、其它几项损失六、其它几项损失v 1 1）涡流与节流损失涡流与节流损失 理论上理论上:闭口系统，没有气体流动损失。闭口系统，没有气体流动损失。实际上实际上:进、排气节流沿程损失，缸内进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。进气、挤压、燃烧涡流损失。v2 2）泄露损失泄露损失 理论上理论上:闭口系统，无泄漏。闭口系统，无泄漏。实际上实际上:活塞气环不会活塞气环不会100%100%严密密封，严密密封，总会有些气体窜到曲轴箱中，造成损失。

32、总会有些气体窜到曲轴箱中，造成损失。第44页/共113页 以上六个方面的差距集以上六个方面的差距集中起来，仍使热效率的降中起来，仍使热效率的降低接近或超过低接近或超过1010个百分点。个百分点。实际生产、使用中，实际生产、使用中，未必都能达到理想的设计未必都能达到理想的设计和匹配状况，差距更会加和匹配状况，差距更会加大。大。参见表参见表1-91-9发动机理论发动机理论循环热效率与指示热效率循环热效率与指示热效率值值第45页/共113页第三节第三节 热平衡热平衡v定义：按照热能在有效功和各项损失方面的数量定义：按照热能在有效功和各项损失方面的数量分配来研究燃料中总热量的利用情况，称为内燃分配来研

33、究燃料中总热量的利用情况，称为内燃机的热平衡。（通常有实验确定）机的热平衡。（通常有实验确定）总热量总热量:Q QT T=G=GT T h hu u（kJ/hkJ/h）式中：式中：G GT T每小时的油耗量每小时的油耗量(kg/h)(kg/h)h hu u燃料低热值（燃料低热值（kJ/kg)kJ/kg)第46页/共113页1.1.有效功的热量有效功的热量 Q QE E QNee36103.36103.kJ/h（1 kwh =只有这部分热量做了功，是有用的，所以只有这部分热量做了功，是有用的，所以希望越大越希望越大越好好。一般柴油机。一般柴油机:30:3040%40%；汽油机汽油机:20:203

34、0%30%。kJ）TeeQQq 令令第47页/共113页QG cttqQQSSSsST()21 其中：其中：G Gs s发动机冷却介质的每小时流量发动机冷却介质的每小时流量 kg/h kg/h c cs s冷却介质比热冷却介质比热 kJ/kg kJ/kg t t1 1 ，t t2 2 冷却介质的进、出口温度冷却介质的进、出口温度 2.2.传递给冷却介质的热量传递给冷却介质的热量 Q QS S第48页/共113页ERrKPKrKTRQQqtctcGGQ)()(Pr 其中：其中：GT每小时消耗的燃料量每小时消耗的燃料量 kg/h GK每小时消耗的空气量每小时消耗的空气量 kg/h cPr废气定压比

35、热废气定压比热 kJ/kg cPK空气定压比热空气定压比热 kJ/kg tK，tr 进、排气温度进、排气温度 3.3.废气带走的热量废气带走的热量Q QR R第49页/共113页4.4.燃料不完全燃烧的热损失燃料不完全燃烧的热损失Q QB BQQqQQBTrbBT()1 其中：其中：r r燃料效率燃料效率第50页/共113页5.5.其它热量损失其它热量损失Q QL L)()(brsetlBRSETLqqqqqqQQQQQQqqqqqesrbl 1发动机热平衡方程式发动机热平衡方程式:形形 式式qeqsqrqbql汽油机汽油机柴油机柴油机增压柴油机增压柴油机25-3030-4035-4512-2

36、715-3510-2530-5025-4525-400-450-50-53-102-52-5 有有 传传 废废 燃烧燃烧 其他其他 效效 热热 气气 功功 量量 热热 损失损失 损失损失第51页/共113页第52页/共113页第四节第四节 指示指标指示指标Pressure diagram and Indicated parametersv发动机性能指标发动机性能指标:指示指标，有效指标指示指标，有效指标v指示指标指示指标:以工质在汽缸内对活塞做功为基础，以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。评价工作循环的质量。v有效指标有效指标:以曲轴上得到的净功率为基础，评价以曲轴上得到的净功

37、率为基础，评价整机性能。整机性能。v示功图示功图:发动机缸内压力发动机缸内压力p p随汽缸容积随汽缸容积V V（p-Vp-V图）图）或曲轴转角或曲轴转角 （p-p-图）图）变化的图示。变化的图示。第53页/共113页P-V图P-图第54页/共113页第55页/共113页一、指示功和平均指示压力一、指示功和平均指示压力（一）（一）指示功指示功Wi定义：一个实际循环工质对活塞所做的有用功定义：一个实际循环工质对活塞所做的有用功。第56页/共113页FFFi12FFFi12F2F21FFiWFa biia b,应该：非增压：应该：非增压：增压：增压：因为因为:不容易测量不容易测量,实际将实际将归到机

38、械损失中考虑。归到机械损失中考虑。其中其中 指示功大，说明指示功大，说明 汽缸工作容积大汽缸工作容积大 热功转换热功转换有效程度大。为突出后者，比较不同大小发动机的热功有效程度大。为突出后者，比较不同大小发动机的热功转换有效程度，引入平均指示压力的概念。转换有效程度，引入平均指示压力的概念。所以所以:横、纵座标比例尺横、纵座标比例尺iF 示功图面积（示功图面积（cmcm2 2）第57页/共113页pipWViihVhpi,柴pi,汽（二）（二）平均指示压力平均指示压力 定义：定义：内燃机单位汽缸工作容积所做的指示功。内燃机单位汽缸工作容积所做的指示功。其中：其中：每缸工作容积。每缸工作容积。6

39、506501100 kpa1100 kpa 7007001300 kpa 1300 kpa pi是衡量是衡量实际循环动力性实际循环动力性的一个重要指标。的一个重要指标。第58页/共113页v一般发动机一般发动机pmipmi范围范围v柴油机：柴油机：v四冲程非增压柴油机四冲程非增压柴油机0.60.95MPa0.60.95MPav四冲程增压柴油机四冲程增压柴油机0.852.6MPa0.852.6MPav二冲程柴油机二冲程柴油机0.51.3MPa0.51.3MPav汽油机：汽油机：v四冲程摩托车用汽油机四冲程摩托车用汽油机0.81.3MPa0.81.3MPav四冲程小客车用汽油机四冲程小客车用汽油机

40、0.81.43MPa0.81.43MPav四冲程载货车用汽油机四冲程载货车用汽油机0.70.85MPa0.70.85MPav二冲程小型风冷汽油机二冲程小型风冷汽油机0.40.7MPa0.40.7MPa第59页/共113页二、指示功率二、指示功率)(10302603kWniVpniWNhiii 定义：内燃机单位时间所做的指示功定义：内燃机单位时间所做的指示功。，若若:缸数缸数i i，缸径为，缸径为D D（cmcm），行程为），行程为S S（cmcm），每），每缸工作容积为缸工作容积为V Vh h（L L），转速为），转速为n n（r/minr/min），），为冲程为冲程数。则每缸每循环工质所做的

41、指示功为：数。则每缸每循环工质所做的指示功为：)(10432JSDpVpWihii内燃机的指示功率（每秒所做的指示功）为：内燃机的指示功率（每秒所做的指示功）为：第60页/共113页v故四冲程：故四冲程：)(101203kWn iVpNhiiv故二冲程：故二冲程：)(10603kWn iVpNhii指示功率也是衡量指示功率也是衡量实际循环动力性实际循环动力性的一个重要指标。的一个重要指标。第61页/共113页三、指示热效率和指示燃油消耗率三、指示热效率和指示燃油消耗率v1.1.指示热效率指示热效率i i：实际循环指示功与所消耗的燃：实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值。料热量之比值。iiiW

42、QQiWi做做 指示功所消耗的热量。指示功所消耗的热量。iiug h36106.hu燃料的低热值。燃料的低热值。第62页/共113页v2.2.指示油耗率指示油耗率 ：单位指示功率的耗油量。：单位指示功率的耗油量。通常以每千瓦小时的耗油量表示。通常以每千瓦小时的耗油量表示。g/kw g/kwh h 每小时耗油量每小时耗油量 kg/h kg/h 指示功率和每小时耗油量由实验测得！指示功率和每小时耗油量由实验测得！gigGNiTi 103GT第63页/共113页v获得获得1kW1kWh h的功所消耗的燃料量为的功所消耗的燃料量为 ，这些燃料，这些燃料所含热量为所含热量为 （kJkJ）由热功当量可知由

43、热功当量可知 1kw1kwh=3.6h=3.610103 3kJkJ则可以得到：则可以得到：指示热效率和指示耗油率是评定指示热效率和指示耗油率是评定内燃机实际循环经内燃机实际循环经济性济性的重要指标。的重要指标。gi1000hgiiiug h36106.第64页/共113页第五节第五节 有效指标有效指标一、内燃机动力性能指标一、内燃机动力性能指标1.1.有效功率有效功率N Ne e：从内燃机功率输出轴上得到的净功：从内燃机功率输出轴上得到的净功率即为有效功率。率即为有效功率。损失消耗的功率称为机械损失功率损失消耗的功率称为机械损失功率N Nm m。N Ne e=N=Ni i-N-Nm m 内燃

44、机的有效功率是由实验测定。内燃机的有效功率是由实验测定。第65页/共113页2 2有效转矩（有效扭矩）：内燃机工作时，由功率输有效转矩（有效扭矩）：内燃机工作时，由功率输出轴的转矩成为有效转矩出轴的转矩成为有效转矩M Me e。kw 式中式中:n:n内燃机转速（内燃机转速（r/minr/min）；）；M Me e有效转矩（有效转矩（N Nm m）。）。33101047.0955010602eeeeMnMnMN第66页/共113页 3 3平均有效压力平均有效压力 平均有效压力平均有效压力P Pe e是内燃机单位气缸工作容积是内燃机单位气缸工作容积输出的有效功。输出的有效功。（kPa）工作容积工作

45、容积V Vh h确定后确定后 P Pe eMMe e P Pe e值大，则做功能力强，评定内燃机动力性。值大，则做功能力强，评定内燃机动力性。Np V i neeh30103iVMiVMniVNphehehee14.31047.010303第67页/共113页4 4转速转速n n和活塞平均速度和活塞平均速度C Cm m 转速转速n n增加，活塞平均速度增加，活塞平均速度C Cm m也增加，也增加，n n和和C Cm m的关系为：的关系为：C Cm m=Sn/30=Sn/30式中：式中：S S活塞行程（活塞行程（m m）；）；n n转速（转速（r/minr/min）。）。C Cm m是表征内燃机

46、强化程度的参数。是表征内燃机强化程度的参数。为了提高转速而不使为了提高转速而不使C Cm m过大，可以减小行程过大，可以减小行程S S，即采用较小的行程缸径比，但，即采用较小的行程缸径比，但S/DS/D值小传热损值小传热损失将相应增大。失将相应增大。S/D1S/D 1；汽油机:1。LL0燃烧燃料实际供给的空气量完全燃烧燃料理论上所需要的空气量11kgkg第99页/共113页v2.空燃比 A/Fv表示混合气的浓稀程度。A/F 大 混合气稀；A/F 小 混合气浓 A FL/0空气量燃料量第100页/共113页v（三）分子变更系数v1.理论分子变更系数 0021MM燃烧后工质的摩尔数燃烧前工质的摩尔

47、数0 容积变化大 膨胀做功好 t第101页/共113页v（1）1的情况v燃烧前工质摩尔数：v柴油机：（kmol/kg燃料）；v汽油机：（kmol/kg燃料）为汽油的分子量 v燃烧后工质摩尔数：200000.2()12212432122432CCOCHHHOHgggggggMLLLggL第102页/共113页v理论分子变更系数：v柴油机：v汽油机：0201004324321OOHHggggLMMLL 020010114321()/()1432OHOHTTTggLgMgLMmmLm 第103页/共113页v（2）1的情况200.79122CHggML02010000.7912211110.21(1

48、)/432CHTOHTTggLMMLmggLLmm 第104页/共113页2.实际分子变更系数 MMMMrrrr2101MrrMLr/0其中1 kg 燃料燃烧后残余废气的摩尔数。残余废气系数。第105页/共113页第八节 发动机混合气的着火和燃烧方式 v一 混合气的着火v（一）柴油机低温多级自燃v1.t1 阶段混合阶段v 在压缩过程终了时，燃料喷入汽缸内形成可燃混合气。燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。混合阶段，为着火做准备。v2.t2阶段第一级反应v 燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。经过时间t1后，反应加剧，出现冷火焰，

49、缸内压力超过压缩压力。在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。要求混合气较浓，=0.40.5。第106页/共113页3.t3 阶段第二级反应 温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心，出现蓝火焰。混合气稀得多，略小于1。4.t1+t2+t3时间后第三级反应 活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现热火焰。混合气更稀，1。t1+t2+t3 着火延迟期第107页/共113页v（二）汽油机高温单级点燃v1 压缩的是燃料与空气的混合气体,在此过程中,已经进行了一些化学反应。v2 火花点火,局部温度高达20000以上,该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基,迅速

50、反应出现热火焰,瞬间扩大到整个燃烧室内。所以,汽油机着火过程：v压缩混合气 点火（经短暂着火延迟期）热火焰第108页/共113页v三 燃烧方式v（一）同时爆炸燃烧v 取某一部分为系统,着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。即相只随 t（时间）座标变化,而不随 x（位移）座标变化,为单相系,均匀系。v 柴油机上,由于混合气分配不是十分均匀,总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）,取这一部分为系统,则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。v 汽油机上,由于火焰有传播速度（虽然很快,但相对同时爆炸燃烧却很小）,传播逐次进行,故显然不是同时爆炸燃烧。但火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下,可实现