绪论发动机性能指标.ppt

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1、汽车发动机原理,授课老师：阎春利,绪 论,课程性质：专业基础课适应专业：交通运输类/车辆工程教学目的和任务：比较系统地掌握现代车用发动机的基本工作原理和工作过程，理解发动机的主要性能指标及评价，掌握发动机工作过程的分析方法及性能指标与各工作过程的内在联系；了解影响整机性能的使用因素及提高性能的基本途径。,绪 论,学时：36讲课学时：32实验学时：4学分：2,绪 论,汽车发动机原理,绪 论,课程教学基本内容及要求 本课程主要讲述汽车的基础理论知识，汽车使用性能和实验方法。了解发动机的发展概况；熟练掌握发动机理论循环的特点及实际循环对其的修正、发动机性能指标；掌握四冲程发动机的换气过程；熟练掌握发

2、动机的燃烧过程；熟练掌握发动机的特性；发动机增压及其特殊问题;懂得发动机所用燃料的基本原理；了解其他动力装置;,绪 论,主要试验发动机负荷特性试验发动机速度特性试验前导课 汽车构造、工程热力学、化学等,绪 论,教材董敬、庄志等.汽车拖拉机发动机.机械工业出版社.2006 主要参考书 孙凤英等.汽车性能.东北林业大学出版社.2008年陈家瑞主编.汽车结构.人民交通出版社.2006冯健璋.汽车发动机原理与汽车理论.北京：机械工业出版社，1999年,绪 论,考核方式,绪 论,工程热力学基础知识（补充）,热力过程和准静态过程,热力过程热力学状态连续变化的历程。非准静态过程系统经历一系列不平衡状态的过程

3、。准静态过程系统经历一系列无限接近平衡状态的过程。准静态过程进行的条件：推动过程的作用无限小。,可逆过程和不可逆过程,可逆过程：系统进行一个热力过程后，能够沿原路径逆向回复到初态，而不引起别的变化的热力过程。,不可逆因素：摩擦、温差传热。不可逆过程：存在自发的变化，从而产生不可复逆影响的过程。（如：摩擦、温差传热的影响。）不可逆过程意味着作功能力的损失。,熵及温熵图,熵是一个导出的状态参数，熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量 除以传热时的绝对温度T所得的商。同功量的图示相仿，也可用两个独立的状态参数T,s构成的状态图来表示热量。在T-s图上的一点表示一个平衡状态，一条曲线表示一个可逆过程。

4、,定义为：,对1kg工质，则有：,和,理想气体的热力过程,热力过程分析概述 工程中，完成热功转换的热力循环都可以被抽象为由定容、定压、定温、绝热和多变过程构成的。假设条件:理想气体；准静态过程 讨论的内容：状态参数的变化关系（p、v、T、s）；过程曲线在p-v 图及T-s图上的表示。,一、定容过程,比体积保持不变时系统状态发生变化所经历的过程,过程方程：v常量,过程中状态参数之间的关系：,由：,可得：,定容过程在状态参数坐标图上的表示：,二、定压过程,压力保持不变时系统状态发生变化所经历的过程,过程方程：p=常量,过程中状态参数之间的关系：,由：,可得：,定压过程在状态参数坐标图上的表示：,三

5、、定温过程,温度保持不变时系统状态发生变化所经历的过程,过程方程及状态参数之间的关系：,定温过程在状态参数坐标图上的表示：,四、绝热过程,系统与外界不发生热量交换时所经历的过程,因此有：,对于理想气体：,过程方程,绝热过程在状态参数坐标图上的表示：,五、多变过程,各种热力过程，其过程方程式通常都可以表示为下述形式：,前述的四种典型过程均为多变过程的一个特例：,多变过程在状态参数坐标图上的表示。,n顺时针方向增大。两图的过程线和区间一一对应。dv0,功量为正。ds0,热量为正。dT0du0，dh0。,n=0pv0=p=常量定压过程；n=1pv=常量定温过程；n=pv=常量绝热过程；n=p1/nv

6、=p0v=v=常量定容过程.,热力循环和热效率,热力循环：工质从初态出发，经过一系列变化又回到初态的封闭过程，称为热力循环。（简称循环）根据效果不同，将热力循环分为正向循环和逆向循环。把热能转变为机械能的循环称为正向循环（或热机循环）；依靠消耗机械功而将热量从低温热源传向高温热源的循环叫逆向循环（或热泵循环），如制冷机。总有一部分热量不能转换为机械能，而以废热的形式放给温度较低的环境。实践证明：企图不向温度较低的环境放热而把高温物体的热能连续地完全转换为机械能是不可能的。,热机吸热,热机放热,循环净功,热机循环热效率,它说明工质从高温热源吸收的热量有多少转换为功。Q2 但因为 Q2 0，所以

7、总小于1。,制冷机吸热,制冷机放热,制冷机耗功,制冷机性能系数,热泵性能系数,第二章 发动机实际循环与性能指标,第二章 发动机实际循环与性能指标,主要内容：发动机实际循环的简化与评价；对理想循环的修正；发动机实际循环影响因素；发动机热平衡；发动机性能指标；机械损失机械效率；热平衡。,一、三种基本循环发动机的理论循环简化条件：1）假设工质为理想气体，其物理常数与标 准状态下的空气物理常数相同2）假设工质在闭口系统中作封闭循环3）假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程4）假设工质燃烧为定容或定压加热，工质 放热为定容放热(热源加热)5）假设循环过程为可逆循环,第一节 发动机的理论循环,1.混合加热循环

8、,循环特点：将燃烧过程假想为由定容加热和定压加热过程两部分组成：,a-c 绝热压缩过程c-z 定容加热，加热量为z-z 定压加热，加热量为z-b 绝热膨胀过程b-a 定容放热，放热量为,2.定容加热循环,循环特点：将燃烧过程假想为定容加热过程,a-c 绝热压缩过程c-z 定容加热，加热量为z-b 绝热膨胀过程b-a 定容放热，放热量为,3.定压加热循环,循环特点：将燃烧过程假想为定压加热过程,a-c 绝热压缩过程c-z 定压加热，加热量为z-b 绝热膨胀过程b-a 定容放热，放热量为,二、循环评定指标,第一节 发动机的理论循环,由一定量的燃料能够得到尽可能多的功,发动机的性能,由一定的气缸工作

9、容积能够得到尽可能多的功,1、循环热效率,定义：工质所作循环功与循环热量之比。,式中 W-作循环功 Q1-循环加热量 Q2-循环放热量,根据工程热力学公式，混合加热循环热效率为：,等熵指数K,发动机压缩比,预膨胀比,压力升高比,1、循环热效率,当 时为定容加热,当 时为定压加热,1、循环热效率,影响循环热效率的因素,（1）压缩比 随着压缩比的增大，三种循环的t,在压缩比很小时，随着压缩比的提高，t增长很快；在较大时，再增加效果很小。,当=20 左右时，t 不大 柴油机=1222,影响循环热效率的因素,（2）绝热指数K 当相同时，K增大，t,影响循环热效率的因素,（3）压力升高比 在定容/定压加

10、热循环中，由公式可知，t 与无关。在混合加热循环中，当循环总加热量和压缩比不变时，Q2 t；,影响循环热效率的因素,（4）预膨胀比 定压循环中，Q1 若压缩比不变 Q2 t；混合加热循环中，Q1和压缩比不变，等压价热 t,影响循环热效率的因素,2、循环平均压力,循环平均压力是单位工作容积的循环功，用以评定发动机的做功能力。,根据工程热力学公式，混合加热循环平均压力为,式中-压缩始点的压力,定容,定压,三、三种基本循环的比较,第一节 发动机的理论循环,发动机采用工作循环的依据-热效率最大,四冲程发动机的实际循环包括进气、压缩、燃烧、做功和排气,第二节 四冲程发动机的实际循环与热损失,新充量进入气

11、缸的过程 由于残余废气pr高于po，随着活塞下行，残余废气膨胀，压力由pr 下降到低于大气压力的pr。在压力差的作用下，新鲜气体被吸入气缸，直到活塞达下止点后，进气门关闭为止。,一、进气过程,由于进气系统阻力，进气终了的压力pa，仍低于大气压力po。进气终了气体因受到高温零件和残余废气的加热，其温度Ta总是高于大气温度To。,压缩过程中，进、排气门均关闭，活塞从下止点向上止点移动，缸内工质受压后温度和压力不断上升。目的：提高工作过程的温度，使工质获得最大限度的膨胀比，提高循环热效率，为着火燃烧创造有利条件。,二、压缩过程（图21a中acc线）,压缩开始：工质温度较低，受缸壁加热，多变指数n大于

12、定熵指数k随着工质温度升高，到某一瞬时与缸壁温度相等，多变指数n等于定熵指数k(热交换为零)随着工质温度升高，向缸壁散热，多变指数n小于定熵指数k,二、压缩过程,复杂的多变过程,汽油机(图2-2b)，由电火花点燃混合气，火焰迅速传遍整个燃烧室，使工质的压力及温度急剧上升，在极短的时间内达到最高值接近定容加热。柴油机(图2-2a)，上止点前开始喷油、燃烧。初始时，燃烧速度很快，气缸容积变化很小，工质温度、压力剧增，接近定容加热中。随后是边喷油边燃烧，燃烧速度慢，且随着活塞下移，气缸内容积增大，气压力升高不大，温度继续升高，接近等压加热。,三、燃烧过程,上止点前点火或自燃。混合气着火燃烧(图2-2

13、中cz线)。燃烧放热量越多，越靠近上止点，则热效率越高。实际燃烧过程中，有散热损失，燃烧需要时间，因此存在非瞬时燃烧损失。,三、燃烧过程,膨胀过程是燃烧后的高温、高压气体在气缸内膨胀，推动活塞由上止点向下止点移动而作功的过程。图2-1中zb线为膨胀曲线。随着气缸容积增大，气体的压力、温度迅速下降。,四、膨胀过程,膨胀过程中，与压缩过程中情况相似，并非绝热过程，不仅有散热损失、漏气损失，还有补燃和高温热分解。实际膨胀过程也是多变指数变化的多变过程：在膨胀开始时，由于存在继续燃烧现象，工质被加热，多变指数n小于k；到某一瞬时，工质的加热量与工质向缸壁的放热量相等，多变指数n等于k；随后工质向缸壁散

14、热，则多变指数n大于k。,四、膨胀过程,为简便起见，通常在计算中，用一个不变的平均多变指数来代替变化的多变指数：压缩过程的平均多变指数为n1；膨胀过程的平均多变指数为n2。,四、膨胀过程,在膨胀过程末期，活塞接近下止点(图2-1a的b)时排气门开启，废气高速排出。当活塞由下止点向上止点移动时，缸内废气继续排出，直到排气门关闭，排气过程结束。图2-1a中bbr线示出排气过程。,五、排气过程,排气终了的温度常作为检查发动机工作状态的技术指标。如发动机工作过程不良，热功转换效率低，则排气终了温度偏高。,六、理论循环与实际循环的比较（对理想循环的修正）,研究实际循环与理论循环的差异，就可找出实际循环的

15、热量损失所在。分析差异的原因，可探求提高热量的有效利用途径。比较示功图。,（1）工质性质 理论上:理想气体，双原子气体。实际上:燃烧前:燃料+空气；燃烧后:燃烧产物。（2）比热容 理论上:定比热容 实际上:温度T 比热容C,（一）工质改变损失,理论上:闭口系统，无泄漏。实际上:活塞气环不会100%严密密封，总会有些气体窜到曲轴箱中，造成损失。,（3）泄漏损失,（1）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机。（2）流动损失 理论上:闭口系统，没有气体流动损失。

16、实际上:进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。,（二）传热、流动损失,理论上:忽略进、排气过程。实际上:进、排气门提前开启，迟后关闭。而且有流动阻力。换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失之中。,（三）换气损失,（1）非瞬时燃烧和补燃损失理论上:定容加热瞬间完成，定压加热速度与活塞运行速度密切配合。实际上:燃烧需要时间。,（四）燃烧损失,理论上:加热瞬间停止，膨胀过程无加热。实际上:虽然大部分（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部分燃料会拖到膨胀线上才燃烧，做功效果变差，热效率下降。,（2）不完全燃烧损失（3）高温下部分燃烧产物分解 例 C+O

17、 CO+热量+O CO2+热量 其中 CO 为中间产物，CO2 为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反应，即高温分解:CO2+热量 CO+O H2O+热量H2+O2 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。,第三节 发动机的性能指标,一、发动机的指示指标指示指标是以工质在气缸内对活塞做功为基础。,应该：非增压：,因为:,不容易测量,实际将,归到机械损失中考虑。,其中,所以:,横、纵座标比例,定义：一个循环工质对活塞所做的有用功。,（一）指示功,为突出后者，比较不同大小发动机的热功转换有效程度，引入平均指示压力的概念。,（一）指示功,汽缸工作

18、容积大指示功大 热功转换有效程度大,（二）平均指示压力,定义：发动机单位气缸工作容积所做的指示功。,其中,每缸工作容积。,（三）指示功率,式中 i 缸数；Vs每缸工作容积；冲程数；Pmi平均指示压力；n 转速。,定义：发动机单位时间所做的指示功。,（四）指示燃油消耗率,定义：单位指示功的耗油量。,g/kwh,B每小时耗油量 kg/h,（五）指示热效率,做,指示功所消耗的热量。,燃料的低热值。,0.300.40,=205320 g/kwh,0.400.50,=170205 g/kwh,定义：实际循环指示功与所消耗的燃料热量 的比值。,第三节 发动机的性能指标,二、发动机的有效指标有效指标是以曲轴

19、对外输出的功率为基础，代表发动机的整体性能。,有效指标,1.有效功率,定义：发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率，记作 pe 单位为 KW。它等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。发动机的有效功率可以用台架试验方法测定，也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然后用公式计算出发动机的有效功率 pe：式中：Ttq有效转矩，Nm；n曲轴转速，r/min。,2.机械效率,定义：有效功率与指示功率之比。式中 机械损失功率。,3.有效转矩,定义：发动机对外输出的转矩称为有效转矩，记作 Ttq，单位为 Nm。有效转矩与曲轴角位移的乘积即为发动机对外输出的有效功。,4.平均有效压力,定义：单位气缸工作容积发

20、出的有效功称为平均有效压力，记作 pme，单位为 MPa。显然，平均有效压力越大，发动机的作功能力越强。,式中 i 缸数；Vs每缸工作容积；冲程数；Pmi平均指示压力；n 转速。,5.有效燃油消耗率,定义：发动机每输出 1kW 的有效功所消耗的燃油 量称为有效燃油消耗率，记作 be，单位为 g/（kWh）。式中：B发动机在单位时间内的耗油量，kg/h；Pe发动机的有效功率，kW。显然，有效燃油消耗率越低，经济性越好。,6.有效热效率,定义：发动机的有效功WE与所消耗燃料热量Q1之比称为有效热效率，记作 e。燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数。式中 显然，为获得一定数量的有效功所消耗的热量

21、越少，有效热效率越高，发动机的经济性越 好。,燃料的低热值。,第三节 发动机的性能指标,三、发动机的强化指标发动机的强化指标用以评定发动机的强化程度。发动机的强化指标是指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标。,1.升功率,发动机在标定工况下，单位发动机排量输出的有效功率称为升功率。升功率大，表明每升气缸工作容积发出的有效功率大，发动机的热负荷和机械负荷都高。用以衡量发动机排量利用的程度。,2.比质量,定义：发动机的质量与所给出的标定功率之比。表征质量利用程度和结构紧凑性。,3.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。活塞平均速度是指发动机在标定转速下工作时，活塞往复运动速度

22、的平均值。表征发动机的强化程度，使发动机技术进步的一个标志。,第三节 发动机的性能指标,四、发动机的其他指标关系到人类健康的与发动机性能有关的,1.排气品质,排出有害气体氮氧化合物碳氢化合物一氧化碳排气颗粒出水以外的任何液态、固态颗粒,四、发动机的其他指标,2.噪声不得大于84dB3.结构空间外形小、体积功率大、升体积小4.总质量总质量、升质量、比质量均小5.生产成本生产耗能小，材料费用低、结构设计适于批量生产6.使用成本可靠性好、耐久性好、油耗低、保养费用少、提高车辆的有效利用程度,第四节 机械损失与机械效率,一、机械损失的组成及机械效率 机械损失：发动机实际循环所做的指示功不可能完全对外输

23、出，功在发动机内部转化过程中必然会有所损失，所消耗在发动机内部的这部分功称为机械损失。用Pm，pmm表示。,2.机械效率,定义：有效功率与指示功率之比。式中 机械损失功率。,m值高,机械损失小,发动机性能好,为了提高内燃机性能，应尽量减少机械损失，提高机械效率,空调（可选）,电器设备,机械损失功率组成,机械损失功率,泵气损失,活塞及活塞环,连杆、曲轴轴承,配气机构,水泵,风扇,机油泵,摩擦损失,驱动附件损失,6275%,1020%,1020%,第四节 机械损失与机械效率,一、机械损失的测定 机械损失功率是通过对实际发动机试验来测定。常用的测试方法：单缸熄火法电力测功机拖动法油耗线延长线法,1.

24、单缸熄火法,单缸熄火法灭缸法适用条件：仅适用于多缸内燃机试验流程：先将内燃机调定在标定工况下稳定运转；然后轮流停止一缸工作，并随即降低负荷；使转速迅速恢复到标定转速，测量其有效功率。,试验原理：由于有一个气缸不工作，单缸熄火后测出的有效功率，要比标定工况下的有效功率小，两者之差即为单缸熄火法的指示功率。,1.单缸熄火法,1.单缸熄火法,整机的机械损失功率为：,缺点：对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果也不能用于废气涡轮增压发动机（增压状态改变）不可用于单缸机,2电力测功机拖动法,电力测功机拖动法倒拖法试验流程：内燃机与电力测功机相连，内燃机在标定工况下，或在其他规定工况下稳定

25、运转；待达到热状态稳定后，停止向各缸供给燃料(汽油机待剩余燃料烧尽后，还需切断点火电源)，随即用电力测功机以标定转速，或所要求工况的转速拖动内燃机；测定电力测功机的拖动功率，此即为内燃机的机械损失功率。,缺点：必须使用平衡式电力测功器 没有燃烧，压力低摩擦损失小 由传热、压缩线和膨胀不重合负功 由于强制排引起泵气损失增加 不可用于增压机对于柴油机由于压缩比大，误差大可达15-20%对于汽油机压缩比在6-7，误差在5%左右,2电力测功机拖动法,3油耗线延长线法,油耗线延长线法油耗线法、负荷特性法试验流程：在标定转速或规定转速下作负荷特性试验，绘制燃油消耗量与有效功率的关系曲线，近似直线部分延长与

26、横坐标相交，则该点的横坐标即为标定转速或规定转速下的机械损失功率。缺点：不实用于汽油机,三、影响机械效率的主要因素,1转速n（或活塞平均速度Cm）发动机转速上升（Cm随之加大），致使：1）各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加；2）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加；3）泵气损失加大；4）驱动附件消耗的功多。,转速提高后，机械损失功率增加，使机械效率下降。机械损失功率与转速平方近似成正比。因此随转速升高，机械效率下降较快。m与n的关系如图所示。,三、影响机械效率的主要因素,2发动机负荷当发动机转速一定，负荷减小时，必须根据发动机阻力矩的变化，相应减小汽油机的油门开

27、度和柴油机喷油泵齿条位置。因此，气缸内指示功率将减小，但机械损失功率变化不大，故使机械效率下降。,三、影响机械效率的主要因素,摩擦损失取决于机件的相对运动 速度与比压,发动机的机械损失主要来自摩擦损失,怠速时，负荷为零，有效功率Pe=0，指示功率全部用来克服机械损失功率，即Pi=Pm，故m=0。负荷由小变大时，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，如图213所示。,三、影响机械效率的主要因素,3润滑油品质和冷却介质温度（1）润滑油品质 润滑油的品质影响到运动副的摩擦损失。润滑油的粘度对摩擦损失大小有重要影响。粘度大承载能力强，易于保持润滑状态

28、。但润滑油的流动性差，摩擦损失增加。粘度小润滑油的流动性好，摩擦损失减少。承载能力弱，油膜易破，产生干摩擦，摩擦损失增加。,三、影响机械效率的主要因素,选用润滑油的原则：在可靠的润滑前提下，尽量选用粘度小的润滑油，以减少摩擦损失，改善起动性能。当发动机强化程度高,轴承负荷大时,要选用粘度较大的用油;当转速高,配合间隙小时,需要用油流动性好,宜选用粘度较小的用油；旧机器,轴承间隙较大,应选用粘度较大的用油。,三、影响机械效率的主要因素,三、影响机械效率的主要因素,（2）冷却介质温度冷却介质的温度影响润滑油的温度，继而影响粘度和机械损失。冷却介质温度低时，润滑油粘度大，摩擦损失增加，机械效率下降。

29、如果冷却介质温度过高，会使润滑油的粘度变小，油膜不能支持表面上的压力而破裂，失去润滑作用，引起摩擦损失增加，机械效率降低。通常应保持冷却介质温度为8090。,三、影响机械效率的主要因素,4发动机技术状况 发动机使用技术状况好坏，对机械效率影响较大。例如：活塞环与气缸壁磨损后，间隙变大，漏气增多，指示功率下降；漏气还会稀释润滑油，使润滑条件变差，摩擦损失增加，机械效率下降。,第五节 热平衡,定义：按照热能表现为有效和各种损失的数量分配来研究燃料中总热量的利用情况称为发动机的热平衡。意义：表示燃料燃烧发出的总热量在有效功和各种损失之间的分配情况。,供给发动机的燃料完全燃烧后，其热能只有2045转变

30、为有效功，而其余的热量将随着废气、冷却介质等从发动机中 排出。,一、发动机燃料燃烧发出的热量QT,定义：若发动机每小时耗油量为B(kgh)，则燃料完全燃烧，每小时所放出的热量QT(kJh)为式中 B 发动机每小时的耗油量（kg/h）;燃料的低热值。,显然，Qe值越大，转变为有效功的热量越多，发动机的热效率越高。,二、转化为有效功的热量Qe,三、传给冷却介质的热量Qs,传给冷却介质的热量主要有:工质向气缸壁及燃烧室散出的热量；废气在排气管道内散失的热量；摩擦发热所散失的热量；从润滑油散失的热量等。,四、废气带走的热量QR,废气排出时，温度仍然很高，会带走相当大一部分未曾被利用的热量。,五、其他热量损失QL,从QT中除去上述三项热量损失外，都属其他热量损失。如燃料的不完全燃烧和未计入的热量损失等。,