第3章_循环分析与能量利用模版ppt课件.ppt

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1、点燃式和压燃式内燃机 工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控,陈 勋,宁夏大学 汽车工程系,汽车发动机原理Automotive Engine Fundamentals,1.循环模式与热效率 2.机械损失与机械效率 3.能量分配与合理利用,循环热效率和机械效率,质环节,讲课内容,第一部分：动力输出与能量利用第1章 性能指标与影响因素第2章 燃料、工质与热化学第3章 工作循环与能量利用第4章 换气过程与进气充量第5章 运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章 燃烧的基础知识第7章 柴油机混合气形成与燃烧第8章 汽油机混合气形成与燃烧第9章 有害排放物的生成与控制第10章 新燃烧方式与替代燃料动

2、力,循环模式分类,根据工质和循环特征分类:1)理论循环(Theoretical Cycle)工质理想气体(空气)，物性参数(比热比,k)为常数，不随温度变化循环理想循环：封闭热力循环：系统加热燃烧放热；系统放热气体交换(进排气)特殊热力过程：绝热压缩和膨胀；等容或等压加热和放热 2)理想循环(Ideal Cycle)工质真实工质循环理想循环 3)真实循环(Real Cycle)工质真实工质循环真实循环,工质和循环模式是决定循环热效率的两大因素,循环热效率(Cycle thermal efficiency),h,t,t,1,w,q,=,2,1,t,q,q,w,-,=,温熵图(T-s)是分析循环热

3、效率的一种有效而又直观的方法,w,pdV,Tds,du,t,=,=,-,循环功(动力过程功）,热力学第一定律,循环热效率:,Tds,dq,=,理论循环分类,根据加热过程进行分类：1)等容加热 等容循环(Otto循环)2)等压加热 等压循环(Diesel循环)3)混合(等容等压)加热 混合循环(Sabathe循环),1-2:等熵压缩(isentropic)2-3:等容/等压加热(isochoric/isobaric)3-4:等熵膨胀(isentropic)4-1:等容放热(isochoric),等容循环(Isochoric cycle),V,s,p,T,3,q1,q1,q2,2,4,1,1,2,

4、3,4,V1,V2,q2,q2,q1,奥托循环(Otto Cycle):早期汽油机转速低，燃烧接近等容放热,压力升高比 p3/p2,压力升高比对等容循环的热效率没有影响！,等容循环效率:,(,),(,),h,h,h,k,k,k,t,2,1,t,v,v,4,1,v,3,2,1,4,1,2,3,2,1,2,2,1,1,3,4,1,4,3,t,v,1,2,2,1,1,1,q,q,1,c,T,T,c,T,T,1,T,T,T,1,T,T,T,1,T,T,V,V,V,V,T,T,1,T,T,1,V,V,=,-,=,-,-,-,=,-,-,-,=,=,=,=,-,=,-,-,-,-,h,e,t,v,1,1,

5、1,=,-,-,k,加热时刻对循环的影响(等容度),q1=const.,q1,3,3,q1,3*,4*,4,1,q2,2,2*,3*,4*,4,q2,1,2*,2,T,p,s,V,TDC 加热:1-2-3-4BTDC 加热:1-2*-3*-3-4*-1ATDC 加热:1-2-2*-3*-4*-1,偏离上止点加热，t 增大 or 减小?,等容度：,Vcm,Vs,等容加热100等容度,q2 增加，t 减小,Vc,等压循环(Isobaric cycle),q,1,3,3,4,1,q,2,2,4,q,2,1,2,T,p,q1,p,2,V,2,s,V,4,狄赛尔循环(Diesel Cycle):早期柴油

6、机在上止点喷油燃烧,t,p=,容积预膨胀比:=V3/V2,预膨胀比与等容度是什么关系？,混合循环与其他循环的比较,q1,p,2,4,1,q2,v,v,T,2,1,q1,3,4,q2,v,等容循环,p,q1,2,3,4,1,q2,p,v,T,s,2,1,q1,4,q2,p,等压循环,3,s,3,t,s=,现代汽油机和柴油机的实际工作循环是混合循环。相对而言，传统汽油机更接近于等容循环，传统柴油机更接近于等压循环。,混合循环,理论循环热效率的比较,20,16,12,8,4,0,0,0.2,0.4,0.6,0.8,ht,e,等容循环,等压循环,混合循环,150 bar,70 bar,p3=40 ba

7、r,k=1.4q*=9.14,p1=1 bar,q*,q,c,T,1,p,1,=,在加热量、压缩比相同的条件下，等容循环具有最高的热效率，因此，提高等容加热比例是提高热效率的有效途径,压缩比和等熵指数对热效率的影响,结论：1)压缩比越大,热效率越高压缩比由8增加为12，热效率能提高1015。但20，热效率提高不明显2)等熵指数越大,热效率越高等熵指数由1.2提高到1.4,热效率可增加40(q1和不变,cp和cv,工质温升,效率),循环参数对热效率的影响,四大循环参数:1)压缩比;2)等熵指数;3)压力升高比;4)预膨胀比,压力升高率和预膨胀比对热效率影响:1)1,等容循环,对t无影响2)1,等

8、压循环,增大,t明显下降3)混合循环：不变：随上升，t略有增加 再增大，t不受影响不变：随增大，t明显下降,结论：减少等压加热；增加等容加热,循环参数对热效率的影响,理论循环分析的指导意义,1）指出了改善发动机动力性、经济性的基本原则和方向在允许的条件下,尽可能提高压缩比,尤其是汽油机合理组织燃烧,提高循环加热等容度（减少预膨胀比、合理选择燃烧始点、压燃同时着火）保证工质具有较高的等熵指数（稀燃）2）提供了发动机之间进行动力性、经济性对比的理论依据同一机型不同加热模式的对比、及q1不变：等容循环t 混合循环t 等压循环t不同机型(汽、柴油机)的对比pmax及q1相同：等压循环t 混合循环t 等

9、容循环t,理论循环分析的指导意义,汽、柴油机负荷变化(q1不同)时的对比 部分负荷柴油机:缸内喷射扩散燃烧,喷油时间缩短,初期等容放热变化不大,即基本不变而减小,t提高 部分负荷汽油机:预混燃烧,燃烧速度下降,燃烧时间加长,即 下降而上升,t下降结果：中、低负荷工况,柴油机使用油耗较汽油机低3050。,理想循环,假设：1)保持理论循环中关于循环的假设(简化)2)工质特性按真实情况考虑：循环过程中成分是变化的工质的热力参数随温度、分子结构及混合气浓度等变化,研究理想循环的目的：1)工质特性对热效率的影响(与理论循环相比)2)理想循环代表了人类努力所能达到的水平(与真实循环相比),相对热效率：真实

10、循环的指示效率与理想循环热效率之比。反映了实际发动机 指示效率接近理想水平的程度。,压缩过程:空气+燃料蒸气+残余废气膨胀过程:废气+空气,真实工质对热效率的影响,1)比热容 cv,cp=f（T,分子结构）Qv=cvT，Qp=cp T T cv和 cp T t 多原子分子 cv和cp T t 即：真实工质 理想工质 真实工质t 例如：柴油机 汽油机；稀薄燃烧 化学计量比燃烧2)高温热分解 高温时，原子间的结合力减弱，产生热分解（吸热过程）。CO2CO+O2 H2OH2+O2 低温膨胀及排气时，反向燃烧放热。因此，燃烧放热时间拉长 等容度 t。*T越高，p越小 热分解越严重，因此，汽油机热分解

11、柴油机热分解。,真实工质对热效率的影响,3)工质分子变化系数 液体燃料发动机燃烧后，1，p和t 气体燃料发动机燃烧后，1，p和t（气体燃料分子计入燃前分子总数）总的来说，的影响不大4)过量空气系数 a1，未燃碳氢 多原子 T t a1，空气单双原子 T t,汽油机与柴油机理想循环热效率的比较,1)高负荷 柴油机a 汽油机a 柴油机 t 汽油机 t 汽油机混合气浓且等容度高，Tmax，残余废气，热分解 汽油机 t 汽油机 柴油机，但影响不大2)低负荷 汽油机a更小，而柴油机a 更大 汽油机 t 汽油机r，柴油机r不变，汽油机，燃烧速度 汽油机 t 汽油机高、低负荷温差小，Tmax 汽油机 t,考

12、虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大：,真实循环,1)传热损失(总加热量的6)真实循环并非绝热过程,通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。散热量 Qw=Fw（T-Tw）d式中，传热系数 Fw 散热面积,Fw=f（）T缸内工质温度,T=f（）Tw 燃烧室壁面温度,可设为定值 压缩过程:前期吸热,后期散热,使压缩线略下降(有利)。燃烧及膨胀过程:温差大,散热强烈,使pz和膨胀线下降(不利)。燃烧膨胀线的下降幅度远大于压缩线,使动力过程功减小。,真实循环,2)时间损失实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成：存在点火(喷油)提前，使有用功面积下降，t。pz出现在TDC后10CA，而非等容加热，使

13、有用功面积减小。3)换气损失排气门早开，造成膨胀功损失。泵气损失功(W2W3)4)不完全燃烧损失 正常燃烧时，也有c100%不正常燃烧、a 1等，t 5)缸内流动损失流动增强以及提高涡流与湍流程度，t 因为：造成能量损失、散热损失 例如：流动损失，非直喷式柴油机直喷式柴油机 6)工质泄漏损失,真实循环与理论循环的比较,总结：由于工质和循环方面的差别，使得:理论循环t-实际循环t=1020百分点 两者之间的差别指出了改善内燃机t的基本原则,1.循环模式与热效率2.机械损失与机械效率3.能量分配与合理利用,讲课内容,第一部分：动力输出与能量利用第1章 性能指标与影响因素第2章 燃料、工质与热化学第

14、3章 工作循环与能量利用第4章 换气过程与进气充量第5章 运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章 燃烧的基础知识第7章 柴油机混合气形成与燃烧第8章 汽油机混合气形成与燃烧第9章 有害排放物的生成与控制第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,机械损失与机械效率,1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素,机械损失与机械效率,(1)机械摩擦损失(5080)活塞组件、轴承、气门机构等(2)附件驱动消耗(10)水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构(3)泵气损失(540),1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效

15、率的影响因素,为什么泵气损失包含在机械损失中？,机械损失与机械效率,1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素,无凸轮轴（Camless）发动机测量机械损失时可以剔除泵气损失吗？,(1)机械摩擦损失(5080)活塞组件、轴承、气门机构等(2)附件驱动消耗(10)水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构(3)泵气损失(540),电控气门,机械损失与机械效率,标定工况：自吸式汽油机:m=0.80.9 自吸式柴油机:m=0.780.85 涡轮增压式柴油机:m=0.800.92,1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效

16、率的影响因素,在相同排量和标定工况条件下，比较涡轮增压发动机、机械增压发动机和自然吸气发动机的机械效率，哪个大？哪个小？,(1)机械摩擦损失(5080)活塞组件、轴承、气门机构等(2)附件驱动消耗(10)水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构(3)泵气损失(540),机械损失与机械效率,(1)示功图法由总指示功Wi，减去台架上测得的有效功We只适用研发：(a)上止点难以精确测量：偏差1CA，误差1015(b)各缸不均匀，需要同时测量,1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素,机械损失与机械效率,(2)倒拖法发动机正常运转后。断油或断火，

17、用电机反拖发动机，测得的反拖功率误差：(a)无燃烧，缸内压力低，活塞与缸套间隙加大；润滑油粘度加大，摩擦损失增大(b)排气阻力加大，泵气损失变化(c)压缩、膨胀线不重合，增大pmm汽油机压缩比小，所以误差小,1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素,机械损失与机械效率,(3)灭缸法用于多缸机本质上也是倒拖法（N-1缸拖1缸），但更接近真实状态新问题：灭缸后进排气波动效应的影响 两大数相减得到小数，误差加大,1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素,机械损失与机械效率,(4)油耗线法转速不变，测出整机燃料消耗率随

18、负荷的变化曲线。将此线外延到与横坐标相交的a点，则a0之值为机械损失值。适合柴油机，不适合汽油机,1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素,（参看公式1-41和图2-16）,机械损失与机械效率,小结：(1)汽油机多用倒拖法，不适合用灭缸法(灭缸不安全)和油耗线法(不成直线)(2)自然吸气柴油机适合灭缸法、油耗线法，小型柴油机可以用倒拖法(3)废气涡轮增压柴油机无法使用倒拖法和灭缸法，低增压可以用油耗线法。,1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素,机械损失与机械效率,(1)活塞平均速度 cm，摩擦阻力，泵气损失

19、(2)负荷 负荷Pe，m 怠速m0 增压机型m(3)润滑条件 机油粘度：冷起动和低温不能过高；高负荷不能过低 水温8095C，机油温度85110 C,1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素,美国汽油机油API分级,ILSAC汽油机油分类,汽油机油的质量等级,润滑油的黏度等级,1.循环模式与热效率2.机械损失与机械效率3.能量分配与合理利用(讨论课),讲课内容,第一部分：动力输出与能量利用第1章 性能指标与影响因素第2章 燃料、工质与热化学第3章 工作循环与能量利用第4章 换气过程与进气充量第5章 运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章 燃烧的基

20、础知识第7章 柴油机混合气形成与燃烧第8章 汽油机混合气形成与燃烧第9章 有害排放物的生成与控制第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,讨论课思考题,发动机燃烧释放的能量有多大比例转化为有效输出功？比较汽油机和柴油机的有效效率？并说明造成差异的原因。根据图3-24所示的某四冲程柴油机能量利用率递减图例，给出内燃机节能的途径和努力方向。超膨胀循环发动机节能的理论依据是什么？实际发动机是如何应用这一理论实现节能的？试举例进行说明。什么是稀燃发动机？它有什么优缺点？增压容易导致汽油机爆燃，但为什么越来越多的车用汽油机采用涡轮增压技术？发动机燃烧系统绝热之后，会带来哪些益处和问题？为什么绝热发动机的热效率难以大幅度提高？什么是回热发动机？它有什么优缺点？,