第二章-发动机的性能指标.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章 发动机的性能指标,第一节发动机的理论循环,第二节四冲程发动机的实际循环,第三节发动机的指示指标、有效指标和强化指标,第四节发动机的热平衡,第五节发动机技术的现状与发展,第一节 发动机的理论循环,发动机的,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,理想循环,。,p1,一、三种基本理论循环,:,p1,p6,1,、研究理论循环的目的,:p1,1),确定循环热效率的理论极限,，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改进潜力。,2),分析比较发动机,不同热力循环方式,的经济性和动力性。,3),确定提高,以理论,循环热效率,为代表的经济性,和,以,平均压力,为代表的动力性,的基本途径。,1,假定工质为定比热容的,理想气体,；,2,不计吸气和排气过程,（工质的总质量保持不变）,，,假设工质是在,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,；,4,把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，,简化为,等容加热过程,或,等压加热过程,；,5,排气,中的实际放热过程,简化为,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,，,即假设循环过程为,可逆循环,。,简化原则为,:,p1,理解！,3,、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、,b),等容加热循环,c),等压加热循环,。,p,一）、循环热效率,：,p2,p,4,1,、循环热效率,(,简称,热效率,),：,p2,式中：工质所做,循环功（,J,）,循环加热量（,J,）,工质在,循环中放出的热（,J,）,评定循环经济性,理论循环是用循环热效率和循环平均压力来评定。,二、循环热效率和循环平均压力,2,）等容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,从理论循环的分析可知，提高压缩比,c,和压力升高比,p,对提高循环热效率,t,起着有利的作用，但发动机实际工作条件,约束和限制,循环热效率提高。,、发动机实际工作条件对循环热效率提高的,约束和限制,：,p34,1),零件的强度和可靠性的限制,2),机械效率的限制,3),燃烧方面的限制,发动机的压缩比和压力升高比见,p4,。,1,、,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,）,二）、循环平均压力：,p4,1,）混合加热循环平均压力公式,2,、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,1,）混合加热循环平均压力公式,3,、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,：进气终点的压力,(kPa),循环名称,循环热效率,循环特点,等容加,热循环,加热过程在等容条件下很快完成，热效率仅与压缩比有关,等压加,热循环,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,混合加,热循环,介于上述两者之间,表,11,三种理论循环的比较,三、三种基本循环的比较,T,s,4,5,4,5,a,b,b,b,4,1,2,3,5,1,、压缩比及加热量分别相同时比较,p5,压缩比 相同,加热量 相同,初态,1,相同,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，应增加混合加热循环的等容部分。,2,、加热量及,循环的最高压力分别相同,时比较,T,s,加热量 相同,初态,1,相同,循环的最高压力相同,a,b,b,b,2,4,5,5,4,1,2,3,P,max,2,4,5,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。,3,、汽、柴油机负荷变化,(,不同加热量,),时的对比：,柴油机,：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当,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,。,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,，,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,。,一、发动机的实际循环,发动机的实际循环：,连续不断的把热能转换为机械功的循环。,四冲程发动机的实际循环是由,进气、压缩、燃烧、膨胀和排气,5,个过程组成。,通常用汽缸内工质的压力,p,随汽缸容积,V,（或曲轴转角,）而变化的,图形,来表示汽缸内工质的实际工作情况。,第二节四冲程发动机的实际循环,发动机的,实际循环,1,、进气过程,图,a,）,2,、压缩过程 图,b,）,3,、燃烧过程,图,c,）,4,、膨胀过程,图,c,）,5,、排气过程 图,d,）,p,-,V,图和,p,-,图,结论,：,进气,、,压缩,、,燃烧,、,膨胀,、,排气,进气过程进行的好坏用实际进入汽缸的新鲜工质的数量评价。,由,pV,=,mRT,可以看出：汽缸容积一定时，,提高进气终了压力、降低进气终了温度可增加进气量。进气量的增加意味着循环加热量的增加，在循环热效率一定时，可增加循环净功，从而提高发动机动力性。,结论：进气,发动机的实际压缩过程，是一个复杂的热力过程,(,吸热,-,绝热,-,放热,),。总体来说，缸内气体的放热量大于其吸热量。,实际工作中，常测量压缩终了的压力。压缩终了的压力过低，说明汽缸密封不良，其主要原因一般是气门密封不良、活塞和汽缸磨损严重等。,结论：压缩,汽油机及燃气发动机的燃烧接近,定容加热过程,。,柴油机燃烧接近,混合加热过程,（同时存在定容加热和定压加热）。,燃烧过程放出的热量越多，放热时越靠近上止点，则热效率越高。,在实际燃烧过程中，不仅有散热损失、不完全燃烧损失，而且还存在非瞬时燃烧损失。,结论：燃烧,燃烧过程,发动机的实际膨胀过程与压缩过程很相似，也是一个复杂的热力过程（吸热量大于放热量、吸热量等于放热量、吸热量小于放热量）。总体来说，缸内气体的吸热量大于放热量。,膨胀过程不仅有散热损失和漏气损失，还有补燃损失。,膨胀过程终了,b,点的压力和温度越低，说明气体膨胀和热量利用越充分。,结论：膨胀,由于排出的废气具有一定的压力和较高的温度，故存在排气损失。,由于排气系统有阻力，使排气终了的压力略高于大气压力。,实际工作中，也常用排气温度作为检查发动机工作状态的技术指标，排气终了温度偏高，说明发动机工作不良，热功转换效率低。,结论：排气,1,、实际工质的影响,实际工质影响引起的损失：,2,、换气损失,换气损失：,3,、燃烧损失,非瞬时燃烧损失,和补燃损失：,提前排气损失：,4,、传热损失,传热、流动,损失：,5,、缸内流动损失,图,112,发动机实际循环与理论循环的比较,a),柴油机,b),汽油机,六、理论循环与实际循环比较,发动机的指示性能指标是指,以工质对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行的质量,。是,从,示功图,测量计算得出,的。,第三节发动机的指示指标、有效指标和强化指标,一、发动机的指示指标,一）、,指示功和平均指示压力,指示功,是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功,W,i,。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,：,F,i,示功图面积，,cm,2,；,可以用求积仪或计算方法求得,a,示功图纵坐标比例尺，,Pa,cm,；,b,示功图横坐标比例尺，,cm,3,cm,。,（,J,或,Nm,）,平均指示压力,是指单位气缸容积一个循环所作的指示功,(Pa),。,式中,，,W,i,发动机一个工作循环的指示功，,J,；,V,s,发动机气缸工作容积，,m,3,。,若,V,s,用,L,为单位，,W,i,用,kJ,为单位，则,p,mi,(MPa),式中,，,D,和,S,分别为气缸直径和活塞行程,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,W,i,。,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,115,指示功与平均指示压力,二）,、,指示功率：,指示功率,P,i,：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,p,mi,(MPa),，转速,n(r/min),，,冲程数,。,(kw),三）、指示热效率和指示燃油消耗率,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,，,Q,1,得到指示功,W,i,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,，,3.6l0,3,1kWh,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,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,b,i,之间存在着以下关系：,一般内燃机的,it,和,b,i,的统计范围如下：,it,b,i,g,(kWh),-1,四冲程柴油机,0.4l,0.48 210,175,二冲程柴油机,0.40,0.48 218,177,四冲程汽油机,0.25,0.40 344,218,二冲程汽油机,0.19,0.27 435,305,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。,以曲轴输出功为计算基础,的性能指标，称为,有效性能指标，,简称,有效指标。,有效指标被用来,直接评定发动机实际工作性能,的优劣。,二、发动机的有效指标,一）、发动机动力性指标,1,、有效功和有效功率,有效功,：,发动机每循环曲轴输出的单缸功量 。,式中：,W,i,循环净指示功,W,m,循环实际机械损失功,有效功率,式中：,P,i,指示功率,P,m,实际机械损失功率,(kw),机械损失,:,发动机内部摩擦损失；,驱动附件损耗；,泵气损失等。,2,、有效转矩,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。,(N,m),发动机的有效功率,P,e,(kW),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工况下曲轴的输出转矩,T,tq,及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求得,:,3,、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,是衡,量发动机动力性能,的一个很重要的参数。,T,tq,p,me,p,me,反映了发动机单位气缸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,，,S,为活塞行程,(m),n,为发动机转速,(r/min),升功率：,在标定工况下,(,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。,式中，,p,me,为标定工况下的平均有效压力，,MPa,；,n,为标定转速，,r,min,。,(kW,L),三、发动机强化指标,比质量：,是发动机质量与所给出的标定功率之比,:,(kg,kW),汽车发动机要求质量小、功率大，所以其升功率大、比质量小。,汽油机的强化程度要比柴油机的高,.,强化系数,平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为,强化系数。,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。,发动机的类型,强化系数,汽油机,（,8,17,）,MPam,s,小型高速柴油机,（,6,ll,）,MPam,s,重型汽车柴油机,（,9,15,）,MPam,s,表,116,强化系数范围,衡量发动机经济性能的重要指标是,有效热效率,et,和,有效燃油消耗率,be,。,有效热效率,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,，即,四、发动机的其他指标,有效燃油消耗率,g,(kWh),是指单位有效功所消耗的燃油量，用,be,表示：,（,g/kwh,）,可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。,一般内燃机在标定工况下的,be,和,et,值大致在以下范围：,be,g(kWh)-1 ,et,低速柴油机,190,225 0.38,0.45,中速柴油机,195,240 0.36,0.43,高速柴油机,215,285 0.30,0.40,(,其中较低的,be,值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机,),四冲程汽油机,274,410 0.30,0.20,二冲程汽油机,410,545 0.20,0.15,排放性能,:,有害气体、颗粒（,指发动机排出的除水以外任何液态和固态微粒,）。,噪声,：,我国噪声标准中规定轿车噪声不得大于,84dB,。,冷起动性能：,指发动机在低温条件下起动的可靠性，它直接影响发动机的燃料经济性、使用寿命和驾驶员的劳动强度等。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，接通起动机，,15 s,内发动机应能顺利起动。,排气品质,()排出有害气体,目前有害气体排放主要是指氮氧化合物(,)、各种碳氢化合物()及一氧化碳()这三种危害最大的气体排放量。,(2)排气颗粒,排气颗粒指排气中除水以外任何液态和固态微粒，目前除美国外，其他国家均只限制炭烟的排放量。,五、典型车用发动机技术参数,表-典型车用发动机技术参数,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：,第四节发动机的热平衡,一、发动机所耗燃油的热量,kJ/h,：,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,五、燃料不完全燃烧热损失 ：,六、其它热量损失,图,1,18,发动机的热平衡图,a,从残余废气和排气中回收的热量,b,由气缸壁传给进气的热量,c,排出废气传给冷却水的热量,d,在摩擦中传给冷却水的部分热量,e,从排气系统辐射的热量,f,从冷却水和水套壁辐射的热量,g,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,25,40,的热量转变为有效功，其余,60,75,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不小。,冷却水带走的热量占总热量的,10,35,，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,25,50,。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。,热平衡中各项数值范围,型 式,汽油机,25,30,12,27,30,50,O,45,3,10,柴油机,30,40,15,35,25,45,O,5,2,5,增压柴油机,35,45,10,25,25,40,0,5,2,5,一、性能的强化和可靠性,目前汽车发动机的压缩比和发动机的转速都有所提高。就压缩比而言，,20,世纪,70,年代由于抗爆燃料和电子控制喷射技术的广泛采用，,使汽油机的抗爆性能有很大改善，而压缩比普遍由,.,上升到,.,，同时转速不断向高速化发展。,在结构上，二气门的传统结构正逐渐被三气门、四气门结构所代替，五气门的发动机已在德国正式投入生产，顶置凸轮轴和电控技术的采用使内燃机高速化成为可能。,我国目前车用发动机的压缩比大体在,.,范围，且大部分在,8,以下；载重车在,7,左右，且强化程度还有待提高。,第五节发动机技术的现状与发展,二、排放低污染化,现在西方发达国家限制汽车尾气排放的法规越来越严格，人们的环保意识越来越强，这就对汽车的生产提出了更高的要求。如果汽车在排污方面不能达到排放指标的要求，产品就难以占领市场。,三、结构V型化,目前国际上的发展趋势是四缸以上的发动机逐渐用“”型取代“直列式”。,我国近几年引进的几种小轿车的发动机都是直列式，然而这些车型,(,桑塔纳、奥迪、捷达、高尔夫等,),在国外的同类型产品都已采用了,V,型结构。,采用,V,型结构后不仅在汽车总体布置上占优势，而且由于纵向尺寸短、整体刚性好、变形小，加工中也容易保证精度要求。,另外，,V,型机有利于扩大缸径和增加缸数，使之可以构成功率范围更广泛的系列产品，工厂企业可以用最少的设备投资和最短的更新周期获得更高的经济效益和社会效益。,因此，随着汽车工业的发展和频繁的变型，汽车发动机向,V,型化发展已成为必然趋势。,四、燃料柴油化,早在十几年前，日本和美国两吨半以上的轻型卡车已经实现了柴油化，轿车少量采用了柴油机。,大量采用柴油机的原因是因柴油机有良好的经济性，它的最低油耗率比汽油机低。而且柴油挥发性小，相对汽油来说在储存、运输等方面要安全得多。,同时，柴油机电气部分简单，采用精密的高压系统，没有汽油机常见的油路和电路故障。,五、进气系统增压化,利用各种方法提高发动机进气压力，增大循环充气量，以达到加大输出功率的目的，这就是发动机的增压。,在其余参数不变条件下，进气压力与输出功率成正比关系。,可见，,增压技术是强化发动机最有效的手段，是发动机技术发展中的一个主要方向,。当前，西方发达国家车用柴油机中大都采用了增压技术，汽油机中的应用也日益增多。,六、燃料系统电控化,化油器对汽车的发展所起的作用是巨大的，随着电子技术的发展，近十几年来电子技术在汽车上的应用越来越普遍，,欧美国家,75%,以上的汽油机已用电子喷射取代了传统的化油器。,通过电子喷射，发动机可以根据各种不同工况精确地供给理论混合比的混合气，以实现内燃机节能和排气净化的要求，同时,采用电子喷射可使汽油机增压更易于实现。采用电子喷射后还可有效地解决多缸混合气分配不均的问题。,由于取消了化油器，可以大大提高发动机的充气效率及发动机的功率，故采用电子喷射技术是我国未来汽油机的发展方向。,七、控制系统综合化、网络化,除了在燃料供给系统中采用电控喷射技术之外，,电子控制技术还逐步渗透到内燃机的点火正时、废气再循环、可变配气正时系统中来，并与自动变速器、主动悬架、全自动空调、自动巡航、防抱死制动系统等实现协同控制，组成整车控制网络，控制系统综合化、网络化特点日益明显。,