汽车发动机原理第一章发动机性能课件

汽车发动机原理汽车发动机原理 第一章第一章 发动机的性能发动机的性能Engine Performance主要内容主要内容第一节第一节 发动机理论循环发动机理论循环第二节第二节 四冲程发动机的实际循环四冲程发动机的实际循环第三节第三节 发动机的指示性能指标发动机的指示性能指标第四节第四节 发动机的有效性能指标发动机的有效性能指标第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率第六节第六节 热平衡热平衡作业题及复习题作业题及复习题第一节第一节 发动机理论循环发动机理论循环 发动机的理论循环理论循环: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，称发动机的理论循环。p1一、三种基本理论循环一、三种基本理论循环:p1 p61、研究理论循环的目的、研究理论循环的目的:p11)确定循环热效率的理论极限确定循环热效率的理论极限，以判断实际发，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动机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。改进潜力。2)分析比较发动机分析比较发动机不同热力循环方式不同热力循环方式的经济性的经济性和动力性。和动力性。3)确定提高确定提高以理论以理论循环热效率循环热效率为代表的经济性为代表的经济性和和以以平均压力平均压力为代表的动力性为代表的动力性的基本途径。的基本途径。1 假定工质为定比热容的理想气体理想气体；2 不计吸气和排气过程（工质的总质量保持不变）（工质的总质量保持不变）（工质的总质量保持不变）（工质的总质量保持不变），假设工质是在闭口系统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，简化为等等容加热过程容加热过程或或等压加热过程等压加热过程；5 排气中的实际放热过程简化为等容放热等容放热过程；6 忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为可逆过程可逆过程，即假设循环过程为可逆循环可逆循环。简化原则为简化原则为:p1理解！3、发动机的理论循环：、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、混合加热循环、混合加热循环、混合加热循环、b)b)等容加热循环等容加热循环等容加热循环等容加热循环 c)等压加热循环等压加热循环等压加热循环等压加热循环。p二、二、循环热效率循环热效率：p2p41、循环热效率、循环热效率(简称简称热效率热效率)：p2式中：式中：工质所做工质所做循环功（循环功（J）循环加热量（循环加热量（J）工质在工质在循环中放出的热（循环中放出的热（J）评定循环评定循环经济性经济性理论循环是用循环热效率和循环平均压理论循环是用循环热效率和循环平均压力来评定。力来评定。）混合加热循环的热效率）混合加热循环的热效率 2、三种基本理论循环的热效率公式、三种基本理论循环的热效率公式式中式中 是压缩比，是压缩比，其中其中 为气缸总容积，为气缸总容积，为气缸压缩容积；为气缸压缩容积；其中其中 为气缸工作容积；为气缸工作容积；是初始膨胀比，是初始膨胀比，；是压力升高比，是压力升高比，是等熵指数。是等熵指数。2）等容加热循环的热效率）等容加热循环的热效率）等压加热循环的热效率）等压加热循环的热效率 3、三种基本理论循环热效率的分析、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）混合加热循环热效率的分析 分析条件：分析条件：循环总加热量不变。循环总加热量不变。2）等容加热循环热效率的分析）等容加热循环热效率的分析）等压加热循环热效率的分析）等压加热循环热效率的分析4）等熵指数对循环热效率的影响等熵指数对循环热效率的影响 从理论循环的分析可知，提高压缩比从理论循环的分析可知，提高压缩比c和和压力升高比压力升高比P对提高循环热效率对提高循环热效率t起着有利的起着有利的作用，但发动机实际工作条件作用，但发动机实际工作条件约束和限制约束和限制循循环热效率提高。环热效率提高。、发动机实际工作条件对循环热效率提高的约束和限制约束和限制：p341)零件的强度和可靠性的限制零件的强度和可靠性的限制 最高循环压力最高循环压力PZ急剧升高，降低发动机的使急剧升高，降低发动机的使用寿命和可靠性。用寿命和可靠性。2)机械效率的限制机械效率的限制机械效率随最高循环压力升高而下降（曲柄连杆机构质量、机械效率随最高循环压力升高而下降（曲柄连杆机构质量、惯性力增加）惯性力增加）3)燃烧方面的限制燃烧方面的限制产生产生爆燃、表面点火爆燃、表面点火等不正常燃烧现象等不正常燃烧现象在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部，火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物（如排气门头部，火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。等）点燃混合气的现象，统称表面点火。发动机的压缩比和压力升高比见发动机的压缩比和压力升高比见p4。压缩比压缩比最高循环压力最高循环压力压力升高比压力升高比柴油机柴油机12-227-14 MPa1.3-2.2汽油机汽油机6-123-8.5 MPa2.0-4.01、循环平均压力循环平均压力 ：p4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）三、循环三、循环平均压力平均压力：p41）混合加热循环平均压力公式）混合加热循环平均压力公式2 2、三种基本理论循环平均压力公式、三种基本理论循环平均压力公式）等容加热循环平均压力公式）等容加热循环平均压力公式：进气终点的压力(kPa)3)等压加热循环平均压力公式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。p4四、三种基本循环的比较：四、三种基本循环的比较：p4p6 循环名循环名称称循环热效率循环热效率循环特点循环特点等容加等容加热循环热循环 加热过程在等容条件下很快完成，加热过程在等容条件下很快完成，热效率仅与压缩比有关热效率仅与压缩比有关等压加等压加热循环热循环 加热过程在等压条件下缓慢完成，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负荷的增加使得热效率下降混合加混合加热循环热循环介于上述两者之间介于上述两者之间表表11 三种理论循环的比较三种理论循环的比较T Ts s44554455a ab bbbbb4 41 12 23 35 51、压缩比及加热量分别相同时比较、压缩比及加热量分别相同时比较 p5压缩比压缩比 相同相同加热量加热量 相同相同初态初态1 1相同相同 等容加热循环热效率最高，而等压加热循环的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均最低。欲提高混合加热循环的热效率，应增加混，应增加混合加热循环的等容部分。合加热循环的等容部分。2 2、加热量及、加热量及循环的最高压力分别相同循环的最高压力分别相同时比较时比较T Ts s加热量加热量 相同相同初态初态1 1相同相同循环的最高压力相同循环的最高压力相同a ab bbbbb2244555 54 41 12 23 3P Pmaxmax2 2 4455 对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率，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。宜按等压加热循环工作。3、汽、柴油机负荷变化、汽、柴油机负荷变化(不同加热量不同加热量)时的对比：时的对比：柴油机柴油机：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当负荷下降时负荷下降时，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p基本不变而 减小，则t提高提高。汽油机汽油机：点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传播距离不变。当负荷下降时当负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相当于p下降而 上升，则t降低降低。第二节第二节 四冲程发动机的实际循环四冲程发动机的实际循环一、发动机的实一、发动机的实 际循环际循环1、进气过程、进气过程 图图a）2、压缩过程、压缩过程 图图b）3、燃烧过程、燃烧过程 图图c）4、膨胀过程、膨胀过程 图图c）5、排气过程、排气过程 图图d）1、实际工质的影响、实际工质的影响 实际工质影响引起的损失（比热容、泄漏）：实际工质影响引起的损失（比热容、泄漏）：2、换气损失、换气损失 换气损失：换气损失：提前排气损失：提前排气损失：3、燃烧损失、燃烧损失 非瞬时燃烧损失非瞬时燃烧损失 和补燃损失：和补燃损失：不完全燃烧损失不完全燃烧损失4、传热损失、传热损失 传热、流动传热、流动 损失：损失：5、缸内流动损失、缸内流动损失二、发动机实际循环与理论循环的比较二、发动机实际循环与理论循环的比较图图112 发动机实际循环与理论循环的比较发动机实际循环与理论循环的比较a)柴油机柴油机 b)汽油机汽油机第三节第三节 发动机的指示性能指标发动机的指示性能指标 发动机的指示性能指标是指以工质对以工质对活塞做功为计算基础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评价由燃烧到热功转换工作循环进行的质量行的质量。是从从示功图示功图测量计算得出测量计算得出的。一、一、指示功和平均指示压力指示功和平均指示压力指示功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pV图中闭合曲线所占有的面积求得。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，Pacm；b 示功图横坐标比例尺，cm3cm。（J或Nm）平均指示压力平均指示压力是指单位气缸容积是指单位气缸容积一个循环所作的指示功一个循环所作的指示功(Pa)。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)式中，D和S分别为气缸直径和活塞行程 平均指示压力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。图图115 指示功与平均指示压力指示功与平均指示压力 二二、指示功率：指示功率：指示功率指示功率Pi：发动机单位时间内所作的指示功。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三、指示热效率和指示燃油消耗率指示热效率指示热效率it：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。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：式中，3.6l03 1kWh的热当量，kJ/(kWh)；B 每小时发动机的耗油量，kg/h；Hu 所用燃料的低热值，kJ/kg。指示燃油消耗率指示燃油消耗率g(kWh)：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：表示实际循环的经济性指标it和bi之间存在着以下关系：一般内燃机的it和bi的统计范围如下：it big(kWh)-1四冲程柴油机 0.4l0.48 210175二冲程柴油机 0.400.48 218177 四冲程汽油机 0.250.40 344218二冲程汽油机 0.190.27 435305 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。第四节第四节 发动机的有效性能指标发动机的有效性能指标以曲轴输出功为计算基础以曲轴输出功为计算基础的性能指标，称为有效性能指标，有效性能指标，简称有效指标。有效指标。有效指标被用来有效指标被用来直接评定发动机实际直接评定发动机实际工作性能工作性能的优劣。的优劣。一、发动机动力性指标一、发动机动力性指标1、有效功和有效功率、有效功和有效功率有效功有效功：发动机每循环曲轴输出的单缸功量 。式中：Wi 循环净指示功 Wm 循环实际机械损失功有效功率有效功率式中：式中：Pi 指示功率指示功率 Pm 实际机械损失功率实际机械损失功率(kw)机械损失机械损失:发动机内部摩擦损失；发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗；驱动附件损耗；泵气损失等。泵气损失等。2、有效转矩、有效转矩发动机工作时由功率输出轴输出的转矩称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。为有效转矩，可由测功器测得。(Nm)发动机的有效功率发动机的有效功率Pe(kW)可以利用各种型式的测功器和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转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩工况下曲轴的输出转矩Ttq及在及在同一工况下的发动机转速，按同一工况下的发动机转速，按以下公式求得以下公式求得:3、平均有效压力：、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。Ttqpme pme 反映了发动机单位气缸反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。工作容积输出转矩的大小。4、转速n和活塞平均速度（m s）式中式中，S为活塞行程为活塞行程(m)n为发动机转速为发动机转速(r/min)二、发动机经济性指标二、发动机经济性指标衡量发动机经济性能的重要指标是有效热有效热效率效率et和有效燃油消耗率有效燃油消耗率be。有效热效率有效热效率是实际循环的有效功与为得到是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值此有效功所消耗的热量的比值，即有效燃油消耗率有效燃油消耗率g(kWh)是指单位有是指单位有效功所消耗的燃油量，用效功所消耗的燃油量，用be表示：表示：（g/kwh）可见，有效燃油消可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，比，知道其中一值后，可求出另一值。可求出另一值。一般内燃机在标定工况下的一般内燃机在标定工况下的be和和et值大致在以下范围：值大致在以下范围：beg(kWh)-1 et低速柴油机低速柴油机 190225 0.380.45中速柴油机中速柴油机 195240 0.360.43高速柴油机高速柴油机 215285 0.300.40(其中较低的其中较低的be值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机)四冲程汽油机四冲程汽油机 274410 0.300.20二冲程汽油机二冲程汽油机 410545 0.200.15三、发动机强化指标三、发动机强化指标升功率：升功率：在标定工况下在标定工况下(指标定转速、标定功率指标定转速、标定功率)，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。式中，式中，pme为标定工况下的平均有效压力，为标定工况下的平均有效压力，MPa；n为标定转速，为标定转速，rmin。(kWL)比质量：比质量：是发动机质量与所给出的标定是发动机质量与所给出的标定功率之比功率之比:(kgkW)汽车发动机要求质量小、功率大，所以其汽车发动机要求质量小、功率大，所以其升功率大、比质量小。升功率大、比质量小。汽油机的强化程度要比汽油机的强化程度要比柴油机的高柴油机的高.强化系数强化系数平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化系数。强化系数。与活塞单位面积的功率成正比。其值愈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。大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。发动机的类型发动机的类型强化系数强化系数汽油机汽油机 （817）MPams小型高速柴油机小型高速柴油机（6ll）MPams重型汽车柴油机重型汽车柴油机（915）MPams表表116 强化系数范围强化系数范围 第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率一、机械效率一、机械效率机械损失：摩擦损失（机械损失：摩擦损失（62-75%）、驱动附件损失（）、驱动附件损失（10-20%）、泵气损失（）、泵气损失（10-20%）平均机械损失压力平均机械损失压力pmm 发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。式中，Pm为机械损失功率(kW)；Vs为工作容积(L)；n为转速(rmin)；i为气缸数目。机械效率：机械效率：发动机的有效功率与指示功率之比。发动机的有效功率与指示功率之比。二、机械损失的测定二、机械损失的测定1、示功图法、示功图法2、倒拖法、倒拖法3、灭缸法、灭缸法4、油耗线法、油耗线法1、示功图法、示功图法:运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出Pi值，值，从测功器和转速计读数中测出发动机的有效功率从测功器和转速计读数中测出发动机的有效功率Pe，从而可以算出从而可以算出Pm，m及及pmm值。值。示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正时示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正时才能取得较满意的结果。才能取得较满意的结果。试验结果的正确程度试验结果的正确程度试验结果的正确程度试验结果的正确程度决定于示功图测录的正确程度：决定于示功图测录的正确程度：a.最大的误差来源于最大的误差来源于pV图上图上活塞上止点位置不易活塞上止点位置不易活塞上止点位置不易活塞上止点位置不易 正确地确定正确地确定正确地确定正确地确定；b.各个气缸的不均匀性。各个气缸的不均匀性。各个气缸的不均匀性。各个气缸的不均匀性。2、倒拖法只能在电力测功机上试验 试验时，发动机与试验时，发动机与电力测功器电力测功器相连，当相连，当发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油温度到达正常数值时，切断对发动机的供温度到达正常数值时，切断对发动机的供油，同时将电力测功器转换为电动机，以给油，同时将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油定转速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油温度不变，这样测得的倒拖功率即为发动机温度不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。在该工况下的机械损失功率。该方法常用于汽油机机械损失的测定。该方法常用于汽油机机械损失的测定。3.灭缸法灭缸法（熄火法、断缸法（熄火法、断缸法）仅适用于多缸机多缸机 当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出整个发动机的有效功率。之后，在柴油机油门拉杆或齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下，停止向某一汽缸供油或点火。调整测功机，使发动机恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余五个汽缸的有效功率），必然减小（一缸熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率。逐次灭缸，则整台发动机的指示功率为各缸相加。由于汽油机进气情况的改变，往往得不到正确的结果，另外该方法也不能用于废气涡轮增压发动机和单缸发动机。如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率所发出的指示功率(Pi)x：依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率的总和中求得整台发功机的指示功率率的总和中求得整台发功机的指示功率Pi：4.油耗线法油耗线法 柴油机在转速不变的情柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验，求况下进行负荷特性试验，求出发动机在给定转速下，每出发动机在给定转速下，每小时燃油消耗量与平均有效小时燃油消耗量与平均有效压力的关系曲线。压力的关系曲线。把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的交点，就可以求得交点，就可以求得pmm值。值。当测得其当测得其pmm值后，其机械效率可近似地用下式值后，其机械效率可近似地用下式估算式中，估算式中，B可取某一常用工况的数值。可取某一常用工况的数值。图图117 用油耗线法求用油耗线法求 值示意图值示意图 以上介绍的几种测定机械效率的方法中，倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而不适合大功率发动机，较适合测定压缩比不高的汽油机的机械损失。对于排气涡轮增压柴油机（pb0.15MPa）,除示功图外，尚无其他适用的方法可取代。一般内燃机的机械效率大致在以下范围：一般内燃机的机械效率大致在以下范围：m非增压柴油机非增压柴油机 0.780.85增压柴油机增压柴油机 0.800.92汽油机汽油机 0.800.90第六节第六节 热平衡热平衡热平衡表示热量的分配情况。热平衡表示热量的分配情况。按照热能表现为有效功和各种损失的数量分配来按照热能表现为有效功和各种损失的数量分配来研究燃料中总热量的利用情况。研究燃料中总热量的利用情况。燃料的总热量大体按以下六部分，由试验确定：燃料的总热量大体按以下六部分，由试验确定：一、发动机所耗燃油的热量一、发动机所耗燃油的热量 kJ/h kJ/h ：二、转换为有用功的热量二、转换为有用功的热量三、传递给冷却介质的热量四、废气带走的热量四、废气带走的热量五、燃料不完全燃烧热损失五、燃料不完全燃烧热损失 ：六、其它热量损失六、其它热量损失图图1 118 18 发动机的热平衡图发动机的热平衡图a a从残余废气和排气中回收的热量从残余废气和排气中回收的热量 b b由气缸壁传给进气的热量由气缸壁传给进气的热量 c c排出废气传给冷却水的热量排出废气传给冷却水的热量 d d在在摩擦中传给冷却水的部分热量摩擦中传给冷却水的部分热量 e e从排气系统辐射的热量从排气系统辐射的热量 f f从冷却水和水套壁辐射的热量从冷却水和水套壁辐射的热量 g g从曲轴箱壁和其它不冷却部分辐射的热量从曲轴箱壁和其它不冷却部分辐射的热量在燃料的总热量中，仅有在燃料的总热量中，仅有2540的热量转变为有效功，的热量转变为有效功，其余其余6075都损失掉了。其中，主要由废气带走，其次传都损失掉了。其中，主要由废气带走，其次传给冷却水，在某些汽油机中不完全燃烧损失的热量所占比例也给冷却水，在某些汽油机中不完全燃烧损失的热量所占比例也不小。不小。冷却水带走的热量占总热量的冷却水带走的热量占总热量的1035，其中一部分是，其中一部分是排气道中废气传给冷却水的热，一部分是由摩擦产生的热，真排气道中废气传给冷却水的热，一部分是由摩擦产生的热，真正由燃烧、膨胀过程散出的热大约占冷却损失的正由燃烧、膨胀过程散出的热大约占冷却损失的15%。废气带走的热量占总热量的废气带走的热量占总热量的2550。废气涡轮增压是。废气涡轮增压是回收这部分热量的一种方式，由表可见，其有效热效率最高。回收这部分热量的一种方式，由表可见，其有效热效率最高。热平衡中各项数值范围热平衡中各项数值范围 型型 式式汽油机汽油机252530301212272730305050O O45453 31010柴油机柴油机303040401515353525254545O O5 52 25 5增压柴油机增压柴油机3535454510102525252540400 05 52 25 5