汽车发动机原理第1章动力经济性指标.ppt

汽车发动机原理清华汽车系课件,汽车发动机原理,任课教师：王建昕 马凡华总学时：4818周，4学时816周，2学时,序言,一、汽车发动机的特点 既是汽车的重要部分，也是最广泛应用的动力机械 航空、铁路运输、农机、船舶、移动发电源。燃气轮机、电机（电动车）、混合动力、燃料电池等都有可能作为汽车发动机，但汽油机和柴油机在未来几十年内会保持其主导地位 既有普通机械的全部特征，又有复杂的热-功转换过程,二、本课程主要内容“构造课”-入门、“原理课”-理论 3部分10章：循环分析与能量利用、混合气形成与燃烧、特性与控制 三、本课程学习方法 以讲课内容为准、辅以自学和课下作业、实验课 计算不多，但侧重于理论分析（过程复杂难以计算）体系看似面大离散，注意抓纲 发展的学科而不是静止的（尤其是近年）汽油机与柴油机的相互对比、融会贯通 注意复习相关课程内容（汽车构造、热工、流体.）,四、课外作业与考核方式 每章布置作业一次，每二章检查一次 最终成绩：期中考占40%、期末考占40%、作业占20%五、讲义：“汽车发动机原理教程”，刘峥、王建昕，清华大学出版社，2001年 主要参考书籍“内燃机学”，周龙保等，机械工业出版社，1999年“汽车拖拉机发动机”（第3版），董敬等，机械工业出版社，1997年“内燃机原理”，唐开元等，译自“,第一篇 动力输出与能量利用,主要讲述发动机的动力性和经济性能源是世界5大问题之一，汽车发动机的最高热效率一般40%。内容组成：1章 动力经济性指标与影响因素2章 燃料与工质3章 循环分析与能量利用4章 换气过程与循环充量,第一章 动力经济性指标,评价发动机性能的主要指标：1、动力性指标功率、转矩、转速、平均有效压力2、经济性指标燃油消耗率、（润滑油消耗率）3、环保性指标有害排放物、噪声、振动（公害）4、使用性指标可靠性、耐久性、维修方便性,1.1 工质对活塞作功及示功图,1、工质进行能量转换的气体或流体 蒸汽机蒸汽、水轮机水 内燃机工作过程中汽缸中的气体 空气+可燃混合气+已燃气体（变化的）,发动机构造图,2、活塞作功,规定：工质对活塞作功为正功活塞对工质作功为负功,P,Pa,Pr,3、示功图定义,定义：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（如图1-1，是最常用的研究热-功转换的手段）。（1）两种示功图：pv图、p图（压力图或展开示功图）（2）如图，记汽缸压力为p、汽缸截面积为F、活塞位移为x，则：工质对活塞作功 W=p F x 微元功 dw=p F dx=p dv 每循环所作功 Wi=pdv Wi称为循环功，也称为指示功，因为它是由“示功器”测得的示功图计算出的。,4、自然吸气四冲程发动机的示功图分析,（1）循环动力功（动力过程功）压缩冲程和燃烧膨胀冲程所作之功，W1+W3，正功；（2）泵气过程功排气冲程和进气冲程所作之功（以p0线为分界），W2+W3，可正、可负；与泵气有关的功：（3）理论泵气功忽略流动阻力时的进排气压力与汽缸压力之差所作之功，自吸式发动机为0（设气门瞬时开启到最大且流速足够慢），即泵气功为一直线；（4）泵气损失功推出损失功与吸气损失功之和，W2+W3；（与排气损失功不同，不包括排气门早开带来的膨胀损失）（5）实际泵气功理论泵气功减去泵气损失功，-（W2+W3）,自然吸气四冲程发动机的示功图分析,两种指示功：（6）净指示功考虑泵气损失时的指示功，循环动力功+实际泵气功 即：（WI+W3）-（W2+W3）=W1-W2（有些书上仅给出结果，忽略W3）（7）总指示功不考虑泵气损失时的指示功，（即有可能得到的最大指示功，也称热力学指示功）W1+W3W1,5、增压四冲程发动机的示功图分析,对于增压机有：进气压力Pb 排气压力Pk大气压力 P0因而：（1）理论泵气功=（Pb-Pk）Vs，正功（2）泵气损失功=阴影面积（3）实际泵气功=理论泵气功-泵气损失功=W2，正功（4）净指示功=W1+W2（5）总指示功=W1+（Pb-Pk）Vs,1.1节-小结,1、示功图概念，p-v图、p-图2、示功图分析，7个功3、增压与非增压发动机示功图对比分析4、自学二冲程发动机示功图,1.2 动力经济性能指标,1、指示指标与有效指标（1）以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示指标；基于示功图算出，用于评价热-功转换过程的优劣（2）以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效指标 由试验测出，用于评价热-功转换和机械功传递全过程的优劣,2、指示功、有效功和机械损失功 记：有效功为 We，机械损失功为Wm，则有 Wi=We+Wm 同理，若记指示功率为Pi、有效功率为Pe、机械损失功率为Pm，则有 Pi=Pe+PmPi基于示功图得到 Pi=（2 n i/60/）Wi=（n i/30/）Wi 其中：n发动机转速，r/min；i 汽缸数 冲程系数（每循环冲程数），Pe由测功机实测得到，Pe与We的关系为 Pe=（n i/30/）WePm可由Pe与Pi之差算出，也可由试验测得。Pm=摩擦损失功+附件消耗功+泵气损失功,3、平均指示压力与平均有效压力,功和功率往往与汽缸容积有关，不同发动机间难以相互比较。（1）平均指示压力单位汽缸容积所作的指示功，pmi=Wi/Vs 由于的量纲正巧是压力的量纲，因而称为“。压力”；即：Wi=pmi Vs=pmi（D2）/4 S相当于一个不变的压力pmi作用在活塞上，使其移动一个冲程所作的功，其值等于Wi,（2）同理可定义平均有效压力pme和平均机械损失压力pmm（3）同理有：pmi=pme+pmm,4、有效转矩Ttq 通过试验可测得有效功率Pe、转速n Pe=2nTtq Ttq=Pe/2 n,5、经济性评价指标（1）指示燃油消耗率bi 设每小时燃油消耗量为B（kg/h），则 bi=（B/Pi）103（g/kWh）（2）有效燃油消耗率be 同理有，be=（B/Pi）103（g/kWh）（3）指示热效率it设gb为单缸每循环燃料消耗量（循环供油量），Hu为燃料低热值，则 it=Wi/gbHu(4)有效热效率et 同理有 et=We/gbHu,6、功率密度评价指标（1）升功率PL单位发动机排量发出的功率（评价汽缸容积利用程度）PL=Pe/Vsi（kW/L)（2）比质量me单位有效功率所占质量（评价工作过程、轻量化和紧凑性）me=m/Pe（kg/KW）（3）比容积Ve单位有效功率所占体积（评价工作过程、紧凑性）Ve=V/Pe（m3/Kw）,1-3 影响动力性经济性指标的主要环节与因素,本节从工作过程的基本原理出发，归纳出反应各个环节和影响因素的综合表达式，以分析其影响，并找出动力经济性的改进方向及途径。记单位时间进入发动机的混合气总量为Gm(kg/h)，混合气的低热值为Hum(KJ/Kg)，则有效功率Pe可表示为Pe=etGmHum三个环节中，et和Hum是决定动力输出的“质”的环节，而Gm则是“量”的环节。,1.可燃混合气的热值,混合气热值取决于燃料热值以及混合气中油/气混合比。油/气混合比是影响发动机性能的重要参数。（1）过量空气系数a 设单位质量燃料完全燃烧所需理论空气量为l0，而实际供给的空气量为l，则a定义为：a1,稀混合气;a1,浓混合气;a=1 化学计量比（过去称理论空燃比）,（1）空燃比（2）燃空比（3）可燃混合气热值Hu表示燃料的能量密度，越高越便于携带；Hum代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积时发出功率越高（即pme高）。,2.混合气流量Gm3.有效效率et4.综合表达式,其中：Hu,l 0燃料特性与燃烧热化学的影响；Rs工质热力特性的影响；t工作过程热力循环与工质特性的影响；c混合气形成与燃烧过程的影响；m与机械损失有关的机械学、流体力学的影响；c进、排气过程及热流体动力学的影响；a混合气形成与燃油供给方式的影响；s或ps/RsTs进气状态与增压中冷方式的影响；n发动机转速的影响；Vs、i多缸机缸数与排量的影响；四冲程与二冲程的影响；gb柴油机喷油系统供油特性的影响。混合气热值、混合气流量和有效热效率将分别在第2、3、4章中讨论,习题（1）试推导以pme表示的Pe和Ttq的计算公式；pme量纲为MPa，Pe量纲为kW，Ttq量纲为N.m；并比较同为动力性指标的Pe和Ttq有何区别；分析在发动机设计参数不变的前提下提高输出功率的途径。（2）基于Pe的综合表达式分析：l 由四冲程改为二冲程发动机时，以及由自吸式改为增压式发动机时，能否提高Pe，式中各种参数会怎样变化（也有不变的）；l 提高燃料热值是否可以提高Pe，为什么？,