内燃机性能指标及实际热循环课件

发动机原理 1绪绪 论论交通运输的交通运输的5 5种运输方式种运输方式中中公路运输公路运输的特点的特点 p 机动机动p 灵活灵活p 快速快速p 便捷便捷p 换装少换装少p 货损少货损少p 效率高效率高p 效益高效益高可以实现可以实现“门到门门到门”的服务的服务 在综合运输体系中承担着必不可少的作用在综合运输体系中承担着必不可少的作用 绪 论交通运输的5种运输方式中公路运输的特点 机动可以实现2 汽车工业的快速发展，高新技术在汽车中汽车工业的快速发展，高新技术在汽车中的应用越来越多的应用越来越多绪绪 论论-技术密集的行业技术密集的行业直接影响着整车的直接影响着整车的发动机发动机-汽车的心脏汽车的心脏-动力来源动力来源性能性能可靠性可靠性寿命寿命课程性质课程性质车辆工程方向的车辆工程方向的专业限选课专业限选课 汽车工业的快速发展，高新技术在汽车中绪 论-技3绪绪 论论1 1、对象对象 以性能指标作为研究对象以性能指标作为研究对象 内容内容动力性指标动力性指标 经济性指标经济性指标运转性指标运转性指标2 2、工作过程、工作过程 发动机冲程发动机冲程 ：吸气：吸气压缩压缩做功做功排气排气热力过程：吸气热力过程：吸气压缩压缩燃烧燃烧膨胀膨胀排气排气 燃烧燃烧 膨胀膨胀 为能量转换过程为能量转换过程 衡量发动机的质量，还要考虑衡量发动机的质量，还要考虑可靠性，耐久性，可靠性，耐久性，加工容易，操纵维修方便，成本核算加工容易，操纵维修方便，成本核算绪 论1、对象 以性能指标作为研究对象 内容动力性指标 4绪绪 论论 二、汽车内燃机的发展二、汽车内燃机的发展1 1、汽车用发动机的分类、汽车用发动机的分类 四个冲程中只有四个冲程中只有一个一个冲程做功，做功不连续冲程做功，做功不连续 发动机发动机内燃机和外燃机内燃机和外燃机车用发动机车用发动机间歇间歇工作式发动机工作式发动机燃气轮机：连续工作式发动机燃气轮机：连续工作式发动机绪 论 二、汽车内燃机的发展1、汽车用发动机的分类 四5绪绪 论论 1 1、汽车用发动机的分类、汽车用发动机的分类汽油汽油 柴油柴油液化石油气、天然气液化石油气、天然气沼气、混合动力、沼气、混合动力、纯电动纯电动氢、醇类、二甲醚氢、醇类、二甲醚植物油、太阳能植物油、太阳能按燃料按燃料绪 论 1、汽车用发动机的分类汽油 柴油按燃料6绪绪 论论活塞式活塞式转子转子按发动机往复运动件按发动机往复运动件按发动机气缸布置按发动机气缸布置直立直立卧式卧式V 型型W 型型分冷、水冷分冷、水冷按冷却介质按冷却介质单缸、多缸单缸、多缸按气缸数按气缸数绪 论活塞式按发动机往复运动件按发动机气缸布置直立分冷、水冷7绪绪 论论按活塞冲程数按活塞冲程数按发动机转数按发动机转数2 2冲程、冲程、4 4冲程冲程按点火方式按点火方式点燃、压燃点燃、压燃低速低速 n 500 r/min中速中速500 r/min n 1500 r/min低增压、中增压、低增压、中增压、高高增压增压按增压程度按增压程度按混合气形成方式、按燃烧室型式、按混合气形成方式、按燃烧室型式、按照用途等多种分类按照用途等多种分类 绪 论按活塞冲程数按发动机转数2冲程、4冲程按点火方式点燃、82 2、车用发动机的优缺点、车用发动机的优缺点优点优点 功率范围广功率范围广 蒸汽机蒸汽机 111116%16%蒸汽轮机蒸汽轮机 30%30%汽油机汽油机30%30%，柴油机，柴油机40%40%增压柴油机增压柴油机46%46%以上以上Ne=0.635000 kw柴油机柴油机3.7 kg/kw车用汽油机车用汽油机1.37 kg/kw缺点缺点 对燃料要求高对燃料要求高 石油紧张，汽油、柴油价石油紧张，汽油、柴油价 格高；要求一定的标号格高；要求一定的标号噪声、排污噪声、排污 *结构较复杂结构较复杂有效热效率高有效热效率高比重量小，升功率大比重量小，升功率大 体积小、重量轻体积小、重量轻比重量比重量起动性好起动性好可很快达到全负荷可很快达到全负荷2、车用发动机的优缺点优点 功率范围广 蒸汽机 1116960 60 年代以前年代以前:动力性、可靠性、耐久性动力性、可靠性、耐久性70708080年代年代:经济性、动力性经济性、动力性90 90 年代口号年代口号:清洁、经济、安全清洁、经济、安全（1 1）相关学科日益增多，学科之间相互渗透相关学科日益增多，学科之间相互渗透（2 2）标准化，系列化，通用化标准化，系列化，通用化 （三化三化三化三化）（3 3）新材料，新工艺，新产品新材料，新工艺，新产品（4 4）使用计算机设计、计算零部件及其配合，精使用计算机设计、计算零部件及其配合，精密、准确、优化密、准确、优化（5 5）设计、零部件生产商设计、零部件生产商 分散分散集中集中分散分散（6 6）电控应用日益增多，混合气制备更加完善电控应用日益增多，混合气制备更加完善（7 7）检测设备与手段先进检测设备与手段先进（8 8）低排放的代用燃料发动机正在普及，零排放低排放的代用燃料发动机正在普及，零排放正在开发并进入实用正在开发并进入实用3 3、现代发动机的发展、现代发动机的发展60 年代以前:动力性、可靠性、耐久性3、现代发动机的发展10绪绪 论论 3 3、现代发动机的发展、现代发动机的发展 结论：结论：新技术、电子控制技术可保持新技术、电子控制技术可保持发动机发动机运行参数运行参数最佳值最佳值，使动力、经济、，使动力、经济、排放等排放等性能指标性能指标最佳化最佳化，并，并监视运行监视运行工况工况 三、汽车对发动机的要求三、汽车对发动机的要求 p动力性动力性是基本要求是基本要求p对经济性、可靠性等方面也有着要求对经济性、可靠性等方面也有着要求绪 论 3、现代发动机的发展三、汽车对发动机的要求 11第一章第一章 内燃机性能指标及内燃机性能指标及 实际热循环实际热循环 发动机发动机汽车的汽车的动力源动力源品质的评价品质的评价-定性、定量定性、定量-指标指标指标的建立需要条件和基础，作为能量指标的建立需要条件和基础，作为能量转换机构的工作过程需要建立模型。转换机构的工作过程需要建立模型。第一章 内燃机性能指标及 实际热循环 发动机12发动机的实际循环发动机的实际循环 V42 P PQ15 Q 2Q1VhVcPe310进气过程进气过程0-10-1压缩过程压缩过程1-21-2燃烧过程燃烧过程2-3-42-3-4膨胀过程膨胀过程4-54-5 排气过程排气过程5-05-0发动机的实际循环 V42 PQ15 Q 2Q1VhVcP13实际循环的简化实际循环的简化忽略进、排气过程忽略进、排气过程压缩、膨胀过程压缩、膨胀过程 （复杂的多变过程）（复杂的多变过程）简化为简化为燃烧过程简化为燃烧过程简化为 排气放热简化为排气放热简化为定容放热过程定容放热过程假定工质为假定工质为定比热定比热的理想气体的理想气体定容加热过程定容加热过程定容加热过程定容加热过程定压加热过程定压加热过程定压加热过程定压加热过程 绝热过程绝热过程绝热过程绝热过程实际循环的简化定容加热过程 绝热过程14 1-1 内燃机理论循环内燃机理论循环 将实际工作过程抽象简化后建立的循环将实际工作过程抽象简化后建立的循环 z c VPzQ1b aQ 2Q1VhVc混混合合加加热热循循环环车用柴油机的理想循环 1-1 内燃机理论循环 将实际工作过程抽象简化后建立的15定容加热循环定容加热循环 (奥托奥托OttoOtto循环循环 )z c VPb aQ 2Q1VhVc汽油机的理想循环定容加热循环 (奥托Otto循环 )z c VPb aQ16定压加热循环定压加热循环（狄赛尔（狄赛尔diesel 循环）循环）z VPcb aQ 2Q1VhVc高增压低速柴油机的理想循环 定压加热循环（狄赛尔diesel 循环）z VPcb a17循环特征参数循环特征参数p压缩比压缩比 p压力升高比压力升高比p预胀比预胀比 p绝热指数绝热指数空气的=1.4zcVPzQ1baQ 2Q1VhVc循环特征参数压缩比 空气的=1.4z c VPzQ118内燃机性能指标及实际热循环课件19循环热效率 根据热力学公式可得根据热力学公式可得 1、混合加热循环的热效率混合加热循环的热效率 zcVPzQ1baQ 2Q1VhVc循环热效率 根据热力学公式可得 1、混合加热循环的热20循环热效率2 2、定容加热循环的热效率、定容加热循环的热效率z c VPb aQ 2Q1VhVc循环热效率2、定容加热循环的热效率z c VPb aQ 2Q21循环热效率3 3、定压加热循环的热效率、定压加热循环的热效率z VPcb aQ 2Q1VhVc循环热效率3、定压加热循环的热效率z VPcb aQ 2Q122循环平均压力循环平均压力 循环平均压力循环平均压力 单位气缸容积所做的循环功单位气缸容积所做的循环功 -理论理论 循环的做功能力循环的做功能力。(K pa )V Vh hV Vc cVa循环平均压力 循环平均压力(K pa )VhVcVa23循环平均压力循环平均压力 1 1、混合加热循环的循环平均压力、混合加热循环的循环平均压力 2 2、定容定容加热循环的循环平均压力加热循环的循环平均压力 3 3、定压定压加热循环的循环平均压力加热循环的循环平均压力 循环平均压力 1、混合加热循环的循环平均压力 224问题分析和结论问题分析和结论 1 1、为定值为定值 t、pt ；t 、pt ；=1 t=C t 、pt ；柴油机柴油机 =20 左右时左右时 t 不大不大 柴油机柴油机 =1222汽油机汽油机 =10 左右时左右时 t 不大不大汽油机汽油机 =6112 2、变化变化 问题分析和结论 1、为定值 t、pt ；25问题分析和结论问题分析和结论 3 3、影响影响 、t pz 急剧急剧 发动机发动机的结构、强度、寿命的结构、强度、寿命 、可靠性、可靠性 ，运动运动件惯性件惯性 摩擦力摩擦力 机械效率机械效率 4 4、k 影响影响 k t 问题分析和结论 3、影响 26 1-2 1-2 内燃机实际循环与热损失内燃机实际循环与热损失 实际循环实际循环 ：进气、压缩、燃烧、膨胀、排气：进气、压缩、燃烧、膨胀、排气 pv 1-2 内燃机实际循环与热损失 实际循环：进气、压27 一、工质的影响一、工质的影响 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 燃烧后燃烧后:燃烧产物燃烧产物比比 热热理论上理论上:定比热定比热实际上实际上:温度温度T 比热比热C C 工质高温分解工质高温分解工质的成分发生变化，工质的成分发生变化，燃烧产物的比热燃烧产物的比热燃烧产物的比热燃烧产物的比热大于空气大于空气大于空气大于空气，使循环的最高温度降低，使循环的最高温度降低。工质分子数工质分子数理论上理论上:工质分子数不变化工质分子数不变化实际上实际上实际上实际上:循环存在循环存在泄漏泄漏泄漏泄漏，工质分子数，工质分子数的变化，使循环的热效率的变化，使循环的热效率降低降低降低降低。C+O CO+热量热量 +O CO2+热量热量 CO 为中间产物，为中间产物，CO2 为最终产物。若遇高温，会发为最终产物。若遇高温，会发生复分解反应，即高温分解生复分解反应，即高温分解:CO2 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来，但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，热效率下降。由于活塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。一、工质的影响工质性质理论上:理想气体，双原子气28 1-2 1-2 内燃机实际循环与热损失内燃机实际循环与热损失 二、换气损失二、换气损失理论上：理论上：忽略忽略进、进、排气过程。排气过程。实际上：实际上：1 1）排气门）排气门提前开启提前开启 迟后关闭迟后关闭，造成，造成 能量损失。能量损失。2 2）进、排气道的）进、排气道的流流动阻力动阻力，造成能量，造成能量损失。损失。1-2 内燃机实际循环与热损失 二、换气损失29 1-2 1-2 内燃机实际循环与热损失内燃机实际循环与热损失 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损失，占总，占总损失量的损失量的30%30%以上以上。许多研究者致力于开发绝热发动机。许多研究者致力于开发绝热发动机。三、气缸壁的传热损失三、气缸壁的传热损失理论上理论上:压缩、膨胀过程为压缩、膨胀过程为绝热绝热过程过程汽缸壁、气缸套、汽缸壁、气缸套、气缸盖、活塞、气缸盖、活塞、活塞环、气门、活塞环、气门、喷油器等喷油器等实际上实际上大量大量热量热量冷却水冷却水或空气或空气 1-2 内燃机实际循环与热损失 三、气缸壁的传热损失30 1-2 1-2 内燃机实际循环与热损失内燃机实际循环与热损失影响传热损失影响传热损失的各种因素的各种因素 p气缸几何尺寸气缸几何尺寸 p发动机行程缸径比发动机行程缸径比 S/D p工况变化工况变化 p燃烧室形式燃烧室形式 p冷却介质温度冷却介质温度 p增增 压压 1-2 内燃机实际循环与热损失影响传热损失气缸几何尺31 1-2 1-2 内燃机实际循环与热损失内燃机实际循环与热损失 四、时间损失四、时间损失 理论上：定容加热理论上：定容加热瞬间瞬间完成，定压加热速完成，定压加热速 度与活塞运行速度密切配合。度与活塞运行速度密切配合。实际上实际上：燃烧需要时间燃烧需要时间 1 1）喷油提前，点火提前，增加了）喷油提前，点火提前，增加了 压缩负功；压缩负功；2 2）高温下部分燃烧产物分解而吸）高温下部分燃烧产物分解而吸 热。热。1-2 内燃机实际循环与热损失 四、时间损失32 1-2 1-2 内燃机实际循环与热损失内燃机实际循环与热损失 五、燃烧损失五、燃烧损失 理论上：加热理论上：加热瞬间瞬间停止，膨胀过程无加热停止，膨胀过程无加热。实际上：实际上：1 1）虽然大部分）虽然大部分（80%80%以上）以上）燃料在燃烧过程中燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部分燃料会燃烧掉，但仍有小部分燃料会拖到膨胀线拖到膨胀线拖到膨胀线拖到膨胀线上才燃上才燃烧烧-后燃（补燃），由于氧气浓度降低，引起燃后燃（补燃），由于氧气浓度降低，引起燃烧速度降低。因此，燃烧过程延迟到膨胀线上才烧速度降低。因此，燃烧过程延迟到膨胀线上才告结束；做功效果变差，热效率下降。告结束；做功效果变差，热效率下降。2 2）部分燃料由于缺氧产生）部分燃料由于缺氧产生不完全不完全不完全不完全燃烧损失。燃烧损失。1-2 内燃机实际循环与热损失 五、燃烧损失33 1-2 1-2 内燃机实际循环与热损失内燃机实际循环与热损失六、其他损失六、其他损失涡流损失涡流损失：缸内进气挤压、燃烧涡流缸内进气挤压、燃烧涡流节流损失：压缩气体、燃气在主副燃室间节流损失：压缩气体、燃气在主副燃室间 流动流动 泄漏损失：活塞气环不会泄漏损失：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总会有些气体窜到曲轴箱流动损失：进、排气节流沿程损失流动损失：进、排气节流沿程损失 1-2 内燃机实际循环与热损失六、其他损失34各项损失使热效率下降值各项损失使热效率下降值项目名称汽油机柴油机 循环热效率循环热效率 0.54-0.580.54-0.580.64-0.670.64-0.67指示热效率指示热效率0.33-0.400.33-0.400.40-0.450.40-0.45工质比热变化工质比热变化0.1-0.12 0.1-0.12 0.09-0.100.09-0.10燃烧不完全及热分解燃烧不完全及热分解0.08-0.100.08-0.100.06-0.090.06-0.09传热损失传热损失0.03-0.050.03-0.050.04-0.070.04-0.07提前排气提前排气0.010.010.010.01各项损失使热效率下降值项目名称汽油机柴油机 循环热效率 0.35