发动机的工作循环和性能.ppt

1,第二章 发动机的工作循环和性能,工程热力学基础知识：气体的热力性质；热力学基本定律；基本热力过程；,发动机性能：发动机理论循环;发动机实际循环；指示指标；有效指标；机械损失与机械效率；发动机热平衡。,主要内容：,2,一 基本概念1 热力系统:在热力学中，将所要研究的对象从周围物体中隔离出来，构成一个热力系统；,界面,-系统以外的一切物质，称为外界；,-热力系统和外界的分界面，称为界面。热力系统的分类:闭口系统：与外界无质量交换的系统(空调制冷剂循环）；开口系统：与外界有质量交换的系统（发动机混合气）；绝热系统：与外界无热量交换的系统（理想状态）；孤立系统：与外界即无质量交换，又无热量交换的系统（理想状态）。2 工质：在热力设备中完成能量转换的媒介物质。热力系统通过工质状态的变化实现与外界的能量交换(发动机的工质通过燃烧吸热膨胀将热能转换为机械能)。,第一节 工程热力学基础,热力系统,外界,3,3 热力状态：热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况(压力、比容、温度)。4 热力平衡状态：一个热力系统中，如果不受外界影响，系统总是保持不变的状态，即其状态参数P、V、T不随时间和系统内空间的改变而改变。5 状态参数：用来描述气体热力状态的物理量。主要状态参数：压力P、比容、温度T、内能、熵。,4,基本状态参数：,温度-T：描述物体冷热程度的物理量。单位是K-开尔文。温度的数值表示法称为温度标尺，简称温标。,5,压力-p：系统单位面积上受到的法向作用力。即：p=F/A 单位是Pa、kPa、Mpa。比容-：单位质量的物质所占的容积。即：=V/M 单位是m3/kg。V-物质的容积,m3;M-物质的质量，kg。比容的倒数是什么？,6,6 理想气体：气体分子本身不占有体积，分子之间无相互作用力的气体。理想气体的状态方程：R-气体常数7 压容图,气体的状态可以用P-V图上的点表示,这种用气体压力和体积两个参数来描述气体状态的图示方法叫压容图。,7,8 热力过程：热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变化历程。P-V图上,一个点表示气体的一个热力状态;一条曲线表示一个热力过程。9 膨胀功（）气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功，又称为容积功。物理学中有：W=FX W=Fdx=pAdx=pdV 工质从状态1到状态2做的功:W1-2=21pdV故p-V图上,W1-2为过程线与横轴围成的面积。,8,规定：热力系统对外界做功为正，外界对热力系统做功为负。由W=pdV得：1-2:膨胀,dV0,系统对外界做功,W0；2-1:压缩,dV0,外界对系统做功,W0；系统与外界之间无功量传递时，dV=0，W=0。,膨胀,W0,压缩,W0,对于汽缸内的混合气热力系统受压缩时燃烧膨胀时,9,10 热量：系统与外界之间依靠温差来传递的能量形式，用Q表示规定：传入热力系统的热量为正值，即吸热为正；传出热力系统的热量为负值，即放热为负。热量与功一样，是系统在热力过程中与外界传递的能量形式，因此是过程量，不是状态参数。,10,11 熵S:熵的增量是系统在热力过程中交换的热量与传热时绝对温度（热力学温标）的比值。ds=q/T1Kg工质的熵的单位J/kgKmKg工质熵的单位/K,思考？对于热力系统：比容的变化标志着，熵s的变化标志着。,熵s是一个状态参数吸热：Q0，ds0;放热：Q0，ds0;无热量交换，ds=0.,有无做功,有无传热,11,二 热力学第一定律1 热力学第一定律：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。对于一个热力系统：吸收的能量-散失的能量=储存能量的变化量,12,2 内能-工质内部所具有的各种能量总称3 闭口系统的能量方程 1）闭口系统:与外界没有质量交换的系统。2）能量方程 Q-W=U(吸收的热量-对外做功=系统储存的热力学能的增量),故Q=U+W,对于微元过程：,Q=dU+W,对于1kg工质：,q=u+w（/Kg),以上各项均为代数值，可正可负或零，且不受过程的性质和工质性质的限制。,13,例2-1 气体在某一过程中吸入了50KJ的热量，同时热力学能增加了80KJ，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？对外所做的功是多少？,解：取气体作为闭口系统的分析对象，建立热力学第一定律的能量方程：Q-W=U有：W=Q-U因Q=50KJ U=80KJ所以W=50-80=-30（KJ）因为功是负值，所以过程是压缩过程，对外所做的功为-30KJ（外界对气体所做的功为30KJ）。,14,4 理想气体的比热1）比热的定义和单位热容量：向热力系统加热（或取热）使之温度升高（或降低）1K所需的热量,用C表示。比热：单位质量工质的热容量，用c表示。即c=C/m 单位J/(kgK）物理意义：单位质量的物质作单位温度变化时吸放的热量。2）比热与过程的关系功和热量都是过程量，故比热与过程有关。热力过程中最常见的加热过程是保持压力不变或容积不变，因此比热也相应的分为定压质量比热cP和定容质量比热c。K=cP/c绝热指数,15,3）比热与气体性质、温度的关系 实验证明，多数气体的比热随温度的升高而增大，但为使计算简便，不考虑比热随温度的变化，即采用定值比热（或定比热）。5 理想气体内能的计算 在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为：q=c(T2-T1)由热力学第一定律 q=w+u,推出：u=cv(T2-T1),内能是一状态量，与热力过程无关，且理想气体的内能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程。,因为系统容积不变 所以 w=0，,16,三 理想气体的热力过程,一切热机所进行的实际热力过程是十分复杂的,所以,在研究热机的热力循环时进行了简化,以便于分析计算.将热力循环分成几个典型的热力过程:定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程，称为四个基本热力过程。,17,1 定容过程定义：过程进行中系统的容积（比容）保持不变的过程。过程方程式：=定值参数间的关系：由 pV=RT 知，p/T=常数，过程量的计算：W1-2=21pdV因dV=0 w=0 又 q=u+w，q=u加入工质的热量全部转变为工质的内能。,18,过程曲线等容线,等容加热：作功为零，内能增加，温度升高,等容放热：作功为零，内能减少，温度下降,19,2 定压过程定义：过程进行中系统的压力保持不变。过程方程式：p=定值参数间的关系：由pV=RT知，/T=常数过程量的计算：吸收的热量:qp=cp(T2-T1)c-温度变化1K所传递的热量做功:w=21pd=p(2-1)=pdv=d（pv）=d(RT)=RdT=R(T2-T1)内能变化:u=c(T2-T1)由热力学第一定律：qp=w+u cp(T2-T1)=c(T2-T1)+R(T2-T1)得:cp=cV+R 迈耶公式,20,过程曲线等压线,等压放热对内做功温度降低,等压加热对外做功温度升高,21,3 定温过程定义：过程进行中系统的温度保持不变的过程。过程方程式：T=定值参数间的关系：p=RT=常数,过程量的计算：,T=常数 所以 u=0,由 q=w+u,可得：q=w,加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。,22,过程曲线等温线,等温压缩对外放热,等温膨胀 吸热,23,四个基本热力过程:定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程。定容过程-过程进行中系统的容积（比容）保持不变，加入工质的热量全部转变为工质的内能。定压过程-过程进行中系统的压力保持不变。定温过程-过程进行中系统的温度保持不变，加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。,24,4 绝热过程 定义：过程进行中系统与外界没有热量的传递（q=0 s=q/T=0，故也称定熵过程）。过程方程式：pvk=常数（推导略）,K=cp/c：绝热指数,过程量的计算：,q=w+u,q=0,推出：w=-u,系统的内能变化全部于对外界做功（正、负）。,25,过程曲线,26,5 多变过程 在实际的热力过程中，P、T的变化和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的过程即多变过程来描述。过程方程式：Pvn=常数,n:多变指数。,等压过程；,当n=1时,Pv=常数,等温过程；,当n=k时,Pvk=常数,绝热过程；,等容过程。,当n=0时,P=常数,当n=时,v=常数,27,四 热力学第二定律,1 热力学第二定律 热力学第二定律就是说明能量传递（热功转换）过程的方向和条件问题的。热力学第二定律的实质是一切自发的过程都是不可逆的。,高温物体,低温物体,Q,机械能,热能,因摩擦转化,28,2 热力循环系统从某一状态（初始状态）出发，经历一系列的中间状态，又回到初始状态，这样一个封闭的热力过程称为一个热力循环。（在P-V图上，热力循环是一封闭的曲线。）,正向循环把热能转变为机械功的循环。逆向循环靠消耗机械功将热量从低温热源传向高温热源的循环。（或称热泵循环）,3 卡诺循环（最理想的热机循环）由两个定温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。,29,第二节 发动机理论循环,一 实际的复杂循环(一)实际循环（以车用柴油机为例）1 进气过程:ra（p p0 p p0）,进气,压缩、点燃,膨胀,排气,30,(二）特点,1 工质的质量和成分时刻在改变；2 循环中存在着复杂的物理化学过程；3 存在摩擦、传热、燃烧、节流等不可逆循环损失。发动机的实际工作过程复杂多变，要准确描述十分困难，因而需进行简化-理论循环。,31,二 理论循环,将实际循环进行简化、忽略次要因素，简化各过程得到的假想循环，称之为理论循环。,等熵压缩,等熵膨胀,等容放热,等容/等压加热,32,三 理论循环模型,模型的四点假设：1 忽略进、排气过程（r-a,b-r),排气放热简化为定容放热过程（b-a)；2 压缩、膨胀过程（复杂的多变过程）简化为绝热(定熵）过程；3 燃烧过程简化为定容加热过程（cz）和定压加热过程（zz）；4 假定工质为定比热的理想气体。,33,根据对燃烧过程-即加热方式的不同假设，可以得到不同的理论循环：定容加热循环、定压加热循环、混合加热循环。,34,四 循环特征参数：,1 压缩比 2 压力升高比（压升比）3 预胀比（初始膨胀比）4 等熵指数（比热比或绝热指数）,加热终点的容积与压缩终点的容积之比-表示定压燃烧情况。对于定容加热，=1,加热终点的压力与压缩终点的压力之比-表示定容燃烧情况。,活塞在下止点的气缸容积与在上止点的气缸容积之比-表征发动机工作容积的大小。,其数值随气体的种类和温度而变。当、为常数时，k为定值。,35,1 循环热效率(简称热效率)：,式中：-工质所做循环功（J）-循环加热量（J）-工质在循环中散失的热量（J）循环热效率越高，说明加入的热量有更多的部分转换为功，循环的经济性越好。,五 循环过程评价指标,评定循环经济性,36,2 循环平均压力：,式中：-循环所做的功（J）-气缸工作容积（L）循环平均压力越高，说明循环的做功能力越强。对于即定的气缸容积，可以将更多的燃料转换为循环功输出。,评定循环的动力性,37,（一）等容加热循环-汽油机1 循环过程a-c：绝热压缩过程；c-z：等容加热；z-b：绝热膨胀；b-a：等容放热。,Otto Cycle奥托循环,奥托：1867年提出了内燃机的四冲程理论。制作了卧式气压煤气发动机。,六、三种理论循环形式的分析,38,2 热效率,预胀比 热效率3 分析=1 t=const 热效率高 t；当=10 左右时，t 不大 柴油机的压缩比高于汽油机。,39,（二）定压加热循环,高增压和低速大型柴油机,Diesel Cycle狄赛尔循环,1 循环过程a-c：绝热压缩过程；c-z：等压加热；z-b：绝热膨胀；b-a：等容放热。2 热效率 因为:压力升高比,所以:热效率,3 分析 为定值 t,狄塞尔：1892年根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机,较低,40,（三）混合加热循环分析（车用高速柴油机）1 循环过程a-c：绝热压缩过程；c-z：等容加热；z-z：等压加热；z-b：绝热膨胀；b-a：等容放热。,萨巴得循环,41,2 循环特征参数（1）压缩比（2）压力升高比（3）预胀比 3 热效率,42,4 平均压力,：进气终点的压力,(kPa),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。由此，要想提高平均压力，就要-,计算得:,43,5 分析,（1）压缩比 为定值 压力升高比 热效率t，-为做功做准备；预胀比 热效率t，-等压膨胀不做功；预胀比=1 t=const.（定容加热循环）（2）t；当=20 左右时，t 不大 定容加热循环热效率最高，而定压加热循环的热效率最低-欲提高混合加热循环的热效率,应增加混合加热循环的定容部分。,44,通过改变循环参数可以提高热效率，但须考虑实际工作条件的约束和限制：1 结构条件的限制 与，t，但是pz，致使发动机使用可靠性降低，要求提高发动机结构强度，因而质量造价增加。2 机械效率的限制 m与pz密切相关，pz 会使m，故与不能无限制增大。3 燃烧方面的限制 若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面点火等不正常燃烧的现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也不利于燃烧的高效进行。柴油机：=1222，pz=714MPa，=1.32.2 汽油机：=6 12，pz=38.5MPa，=2.04.0,发动机实际工作条件的约束和限制：,45,（四）三种理论（基本）循环的比较：,46,重点回顾,典型的理论循环：定容加热循环、定压加热循环、混合加热循环。,无预膨胀,膨胀都在做功过程进行,热效率高.,有预膨胀,预胀比较大,做功减少,热效率低.,发动机的实际循环,发动机的理论循环,柴油机：=1222，pz=714MPa，=1.32.2 汽油机：=6 12，pz=38.5MPa，=2.04.0,47,第三节 发动机的实际循环,一、示功图 发动机汽缸内工质压力p随汽缸容积v或曲轴转角 的变化曲线称为示功图-示功图、展开示功图。可利用示功器或内燃机数据采集系统记录。,展开示功图,示功图,48,示功图是最常用的研究热-功转换的手段；示功图测试系统,49,二、发动机的实际循环过程,1 进气过程发生在上一个循环的排气结束后。活塞从上止点向下止点移动，进气门打开，排气门关闭，汽缸内残余废气膨胀，压力降致小于大气压力（p1大气温度0。,实际循环由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程组成。,理论循环忽略了此过程。,50,2 压缩过程-为燃烧创造条件，同时获得最大的膨胀比。,进、排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，工质受压缩，温度、压力均上升。压缩过程是一个多变指数不断变化的多变过程：压缩开始时，新鲜工质从缸壁吸热；之后某一瞬间二者温度相等而处于绝热状态；此后工质温度高于缸壁，向缸壁散热。,在理论循环中，压缩过程是绝热的。,51,3 燃烧过程-将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度升高，为膨胀创造条件。,汽油机：进、排气门均关闭，活塞上移接近上止点。火花塞点火将混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，工质的压力、温度剧烈上升-接近于定容加热。柴油机：火花塞在活塞到达上止点前喷油，柴油微粒与空气混合被压燃，工质温度、压力剧增-接近于定容加热；火花塞继续喷油，燃烧速度减缓，活塞下移，温度继续上升，压力变化不大-接近于定压加热。,在理论循环中，燃烧过程忽略了燃烧时间。,52,4 膨胀过程-热能转化成机械能，做功过程。,进排气门均关闭，高温高压工质推动活塞向下止点移动而膨胀做功。膨胀过程也是一个多变指数不断变化的多变过程。膨胀开始时，燃烧继续进行，称为后燃（补燃），工质吸热，之后工质向缸壁传热。,在理论循环中，膨胀过程是绝热的。,53,5 排气过程,膨胀结束，排气门打开，活塞向上止点返回,将废气排除。,排气压力及温度范围：,排气温度可以作为检查发动机工况的一个参数，排气温度低，说明燃料燃烧后转变为有用功的热量多，工作过程进行良好。,理论循环忽略了此过程。,54,二 实际循环与理想循环的主要差别,1 实际工质的影响理论上:理想气体、定比热、无质量交换(忽略进、排气)。实际上:燃烧前:燃料+空气 燃烧后:CO2和H2O 温度T 比热C 存在泄漏,循环最高温度降低,55,2 换气过程产生损失 理论上:忽略进、排气过程。实际上:存在换气过程换气损失Wr 其中，工质流动需要克服阻力-泵气损失rabr 进、排气门提前开启，迟后关闭产生损失-W,56,理论上:加热(燃烧)瞬间完成，膨胀过程无加热。实际上:燃烧需要时间，且会拖到膨胀过程。a 非瞬时燃烧损失和补燃损失-Wz b 不完全燃烧损失 理论上:燃料完全燃烧 实际上:燃料燃烧不完全,3 燃烧损失,燃烧效率(u)：燃料在该系统内经燃烧反应所释放出的总热量与燃料所能释放的总能量之比。汽油机:u=95-98%燃料加浓后会有所下降柴油机：u=98%,热效率t 机械效率m,57,4 传热损失：理论上:压缩、膨胀过程为绝热过程。实际上:大量热量通过气缸壁传给冷却水或空气。传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的30%以上。因此，许多研究者致力于开发绝热发动。,结论：实际循环比理论循环的有用功少，热效率比理论循环低。,58,第四节 发动机的性能指标,指示性能指标:以工质对活塞做功为计算基础的指标，称为指示性能指标,简称指示指标。有效性能指标: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。,一 指示性能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。,59,1 平均指示压力,实际膨胀过程中的压力是变化的。以一个假想的、大小不变的压力作用在活塞上，使活塞移动一段行程，其所做的功等于循环功，此假想的压力即为平均指示压力。,图中矩形面积。,平均指示压力-图中矩形的高度,60,平均指示压力的物理意义：单位气缸容积一个循环所作的指示功。,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。,61,一般发动机在标定工况下的 值在下列范围内：汽油机：0.81.5 MPa柴油机：0.71.1MPa增压柴油机：12.5MPa,62,2 指示功 Wi是指单个气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。,式中，D和S分别为气缸直径和活塞行程,Wi称为指示功，也称为循环功。由示功图中闭合曲线所占有的面积求得。,63,3 指示功率,发动机单位时间内所作的指示功，称为指示功率。若：一台发动机的缸数i，每缸的工作容积Vs(L)，平均指示压力为pmi(MPa)，转速n(r/min)，行程数。,kw,64,4 指示热效率,发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。,对于一台发动机，若测得其指示功率Pi(kW)则：,65,5 指示燃油消耗率（指示比油耗）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指示热效率i和bi之间存在着以下关系：,若，柴油的低热值h41868 kJkg，则，i86/bi,越低越好,越高越好,66,一般发动机的指示热效率i和指示燃油消耗率bi的统计范围如下：i 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,可见：指示热效率i：柴油机汽油机，四冲程二冲程指示燃油消耗率bi:柴油机汽油机，四冲程二冲程,柴油机：=1222，pz=714MPa，=1.32.2 汽油机：=6 12，pz=38.5MPa，=2.04.0,67,二 发动机的有效性能指标,指示性能指标:以工质对活塞做功为计算基础的指标，称为指示指标。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，在实践中获得广泛的应用。,68,1 发动机动力性指标,（1）有效转矩TtqNm,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。在功率保持不变的条件下，转矩和发动机转速成反比关系，转速越低，转矩越大，反之越小。同类型发动机轿车，转矩越大，加速性能越好，爬坡能力越强。,69,（2）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：Wi：循环指示功 Wm：循环实际机械损失功,kJ,机械损失功-指示功在发动机内部的传递过程中的损失。包括:发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗（水泵、机油泵等）；泵气损失（工质流动克服阻力）。换气损失的一部分。,70,有效功率：发动机单位时间内所作的有效功。,kw,发动机的有效功率可以利用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Ttq及转速，按以下公式求得:,71,（3）平均有效压力pme,发动机单位气缸工作容积所输出的有效功。是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。它与有效功率、有效转矩的关系是：,Ttqpme pme 反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。,72,发动机的强化是指同样质量、体积的发动机能够提供更高的动力性能。（1）活塞平均速度设S为活塞行程(m)，n为发动机转速(r/min),2 发动机强化指标,m s,m s,73,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。单位时间内单位气缸工作容积所发出的有效功率。,式中，pme为标定工况下的平均有效压力，MPa；n为标定转速，rmin。,(kWL),（2）升功率PL和比质量me,74,比质量是发动机质量与所给出的标定功率之比:,(kgkW),汽车发动机追求质量小、功率大，所以其升功率越大越好、比质量越小越好。,汽油机的强化程度要比柴油机的高。,75,(3)强化系数,平均有效压力和活塞平均速度的乘积称为强化系数。,76,3 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效率et和有效燃油消耗率be。（1）有效热效率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,77,（2）有效燃油消耗率g(kWh)单位有效功率所消耗的燃油量，用be表示：,g/kwh,有效燃油消耗率与有效热效率成反比。,78,一般发动机在标定工况下的有效燃油消耗率be和有效热效率et大致在以下范围：beg/kWh et,0.300.40,柴油机:218285 g/kwh,0.200.30,汽油机:285380 g/kwh,柴油机经济性优于汽油机.,79,第五节 机械损失和机械效率,机械损失:发动机内部摩擦损失 驱动附件损耗 泵气损失,回忆,表征机械损失的指标：机械损失功率Pm平均机械损失压力pmm机械效率m,在传递环节中产生的损失,机械损失消耗了部分指示功率，减少了有效功率。,80,一 评价指标,1 机械损失功率Pm：发动机机械损失所消耗的功率指示功率与有效功率的差值：2 平均机械损失压力pmm单位气缸工作容积一个循环所损失的功。,二者的关系式：,81,3 机械效率（用于比较不同发动机机械损失所占比例的大小。）指示功转变为有效功的程度。发动机的有效功率与指示功率之比。,有效热效率=指示热效率*机械效率有时在改善气缸内部指示指标的同时，却不自觉地增加了机械损失，以致不能获得预期的改进效果。,机械效率的大致范围：汽油机：m0.70.9；柴油机：m0.70.85；增压柴油机：m0.80.92,82,二 机械损失的组成,1 摩擦损失（约占2/3）部位：活塞、活塞环与汽缸套和轴承处。措施：减小摩擦面积（活塞长径比、轴承宽度）；减小惯性力和表面压力（减小运动部件质量）；选择合适的配对材料、采用特殊的表面加工技术；在润滑油中添加减摩抗摩添加剂，降低摩擦系数，改善润滑。,83,2 驱动附件损失（约占10%20%）,需要消耗发动机功率的附件：配气机构、冷却水泵、润滑油泵、燃油泵、冷却风扇，汽车空调压缩机。措施：部分附件改由电动机驱动，如冷却水泵，可以根据水温由电动机适时驱动，以利节能。限制：电源、制造成本3 泵气损失（占10%20%）换气过程中因克服气体流动阻力而造成的损失。,84,三 影响机械损失的因素,1 发动机转速n上升，摩擦、泵气、驱动附件损失均增大,所以机械损失功率增加，机械效率下降。故用提高n来增加发动机的动力性受到限制。,使用因素：转速、负荷、润滑油品质、水温等；结构设计因素：最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。,85,2 负荷,负荷定义：发动机的转速变化时,作用在发动机曲轴上的阻力矩。怠速时，负荷为零，指示功率全部用于克服机械损失功率，即pi=pm,故机械效率为零；随着负荷增加，指示功率迅速上升，而机械损失功率上升缓慢，所以机械效率提高；但在大负荷时，机械效率上升缓慢。,86,3 润滑油粘度（机油的稠稀程度）,机械损失中，摩擦损失约占2/3，而润滑油粘度对摩擦损失的大小有重要影响。粘度=内部摩擦=机械损失=m 粘度=Pm=m 粘度过小=机油的承载能力太低=油膜破裂=发生干摩擦=烧瓦=Pm=m另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，导致机油粘度降低。选用润滑油粘度的基本原则：1 在保证可靠润滑的条件下，尽量选用粘度小的润滑油，以减小摩擦损失；2 发动机强化程度高，轴承负荷大时，选用粘度大的润滑油；3 转速高，配合间隙小时，选用粘度小的润滑油；4 轴承间隙因磨损增大后，应选用高粘度润滑油。,87,4 冷却水温度：,冷却水温度会影响燃烧过程、传热损失、润滑油温度；,通常冷却水温度达到正常后才允许发动机带负荷运转。,随着冷却水温度的升高，润滑油的温度上升，粘度降低，摩擦功率损失减小，机械效率增大；冷却水的温度过高，润滑油的粘度太小而流失，摩擦损失功率增加，机械效率下降。因而水冷式发动机中冷却水的温度应保持在8095范围内。,88,四 机械损失的测定,目的：分析发动机的性能1 示功图法2 倒拖法3 灭缸法4 油耗线法,89,1 示功图法,运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出Pi值，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Pm，m及pmm值。,试验结果的正确程度取决于示功图测录的正确程度：a.最大的误差来源于p图或pV图上活塞上止点位置不易正确地确定；b.各个气缸的不均匀性。,90,2 倒拖法,思路：发动机运转达到试验条件时，撤消指示功，用电力测功器给发动机输入转矩和转速，则发动机的输入功率即为该工况下的机械损失功率试验时，发动机与电力测功器相连，当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在该工况下的机械损失功率。,91,方法评价：因为没有燃烧过程，工质的压力、温度较低，测量结果略大于实际值；对于大压缩比的柴油机尤甚，因而此方法在测定汽油机机械损失时得到较广泛的应用。,92,3 灭缸法（熄火法、断缸法）,仅适用于多缸机 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,使发动机恢复到原来的转速，重新测定剩余几个汽缸的有效功率。,则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率(Pi)x：,依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率的总和中求得整台发功机的指示功率Pi：,93,柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验，求出发动机在给定转速下，每小时燃油消耗量与平均有效压力的关系曲线。,把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的交点，就可以求得pmm值。,当测得其pmm值后，其机械效率可近似地用下式估算式中，,B可取某一常用工况的数值。,4 油耗线法(负荷特性法）,94,小结：汽油机-倒拖法排气涡轮增压柴油机-示功图法、油耗线法对于排气涡轮增压柴油机，由于倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作，因而只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失;排气涡轮中增压、高增压的柴油机-示功图。,95,五 发动机的热平衡：热平衡表示热量的分配情况：燃油燃烧所产生的热量恒等于转变为有效功与各项散失的热量之和热力学第一定律。热平衡方程式:QT=QE+QS+QR+QB+QL,QT:燃油完全燃烧的热量;QE:转变为有用功的热量;（占2540)QS:传给冷却介质的热量;（占1035)QR:被废气带走的热量;（占2550)QB:不完全燃烧热损失;QL:其他热量损失;,96,燃料燃烧的总热量仅有转变为有效功，其余的热量损失掉。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所占比例也不小。,97,作业：已知某四缸四冲程汽油机气缸直径81.0mm，活塞行程86.4mm，以标定转速n=3000r/min运转，功率为72kW，现测得运转34S共消耗200g燃油，求此时的有效转矩、升功率、燃油消耗率、有效热效率？（汽油低热值hu=44000kJ/kg）,98,思 考 题,发动机的三种理论循环及其简化原因；四行程发动机的实际工作循环过程；发动机实际循环向理论循环的简化条件；说明提高压缩比可以提高发动机热效率和功率的原因。为什么汽油机的压缩比不宜过高？什么是发动机的指示指标和有效指标？分别有哪些？叙述机械损失的测定方法；分析影响机械效率的因素；了解汽、柴油机的有效功率范围；发动机的主要发展方向（上网查询最新的提高发动机动力性和经济性的有效举措）。,