汽车发动机原理-教学课件第一章-发动机性能.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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,第一章 发动机的性能,第一节发动机理论循环,第二节四冲程发动机的实际循环,第三节发动机的指示性能指标,第四节发动机的有效性能指标,第五节机械损失与机械效率,第六节热平衡,第一章 发动机的性能,本章要求：,了解：发动机的理论循环和实际循环过程。,理解：发动机的主要性能指标。,掌握：提高发动机性能的基本途径，机械效率的测定方法。,衡量发动机性能的指标：,三个主要,性能指标,动力性,经济性,运转性,（功率、转矩、转速等）,（燃油消耗率等）,（冷起动、排放、噪音等）,实际上，上述指标在一台发动机上难以同时兼顾，必须根据需要权衡利弊；另外，作为一种大众化的消费品，还必须考虑其生产成本、使用维修、可靠耐用等方面。,第一节 发动机的理论循环,四冲程发动机的实际循环：,P,V,发动机实际循环过程非常复杂，进行理论研究时十分困难。,发动机实际循环,P-V,图,a,b,c,r,z,r-a,进气,a-c,压缩,c-z,燃烧,z-b,膨胀作功,b-r,排气,四、三种基本循环的比较：,第四节发动机的有效性能指标,以工质对活塞所作之功为计算基准的指标称为指示性能指标，简称指示指标；,发动机实际循环过程非常复杂，进行理论研究时十分困难。,t 随c的变化关系,可见，在发动机基本参数（D、i和）不变的情况下，强化系数越大，发动机发出的有效功也就越多。,发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。,个气缸一个循环内作的指示功：,1、有效功 和有效功率 ：（标定工况下）,拖动功率即为机械损失功,对于等容加热循环（0=1）：,3、由于传热损失，额外增加拖动功消耗，使摩擦损失偏大。,*思考：为什么柴油机膨胀终了的压力和温度要比汽油机低？,（Q1和pmax相同）,4、冷却水QS（25%50%）,引入,空气标准假设,，根据不同发动机工作特点，将实际循环简化为,等容、等压和混合加热循环,。,P,V,P,V,P,V,a,b,c,z,a,b,c,z,a,b,c,z,/,z,等容加热循环,（汽油机）,等压加热循环,（低速柴油机）,混合加热循环,（高速柴油机）,P,V,a,b,c,r,z,一、三种基本循环,二、循环热效率,t,：,对于,混合加热循环,：,对于,等容加热循环,（,0,=1,）,：,对于,等压加热循环,（,p,=1,）：,其中,c,为压缩比，,p,为定容增压比（,p,z,/p,c,），,0,为定压预胀比（,V,z,/V,z,/,）。,P,V,a,b,c,z,/,z,混合加热循环,1,、压缩比,c,对循环热效率,t,的影响,：,T,S,a,b,c,z,c,1,z,1,b,1,T,z,c,增大,提高了循环平均吸热温度，降低了循环平均放热温度，扩大了循环温差,t,提高,。,t,c,1,0,4,8,12,16,20,最高温度相同时，,c,对循环热效率,t,的影响,t,随,c,的变化关系,c,增大,2,、定压预胀比,0,和定容增压比,p,对循环热效率,t,的影响,：,T,S,a,b,c,z,z,/,b,1,等容,等压,z,1,/,z,1,0,和,p,对循环热效率,t,的影响,在总吸热量,Q,1,不变的情况下，,随着,p,增大,（等容加热部分增大），,0,减小,（等压加热部分减小），使得循环放热量,Q,2,减少，,t,增大,。,p,增大,3,、等熵指数,对循环热效率,t,的影响,：,t,c,1,0,4,8,12,16,20,t,与,、,c,的关系,随着,增大,，循环热效率,t,也增大,。,增大,c,、,p,，减小,0,，有利于,t,的提高，但实际应用中还必须综合考虑以下因素：,（,1,）结构条件,增大,c,和,p,，会使最高燃烧压力,P,z,急剧升高，提高了对零部件强度的要求；,（,2,）机械效率,c,和,p,增大，,P,z,升高，会使机械效率降低；,（,3,）燃烧方面,c,过大，汽油机容易产生爆燃和表面点火等不正常燃烧，柴油机会因燃烧室容积过小而设计困难，同时使燃烧效率降低；,目前，柴油机,c,一般在,12,22,，,p,为,1.3,，最高爆发压力,P,z,在,7,14MPa,；汽油机,c,一般在,6,12,，,p,为,2.0,，最高爆发压力,P,z,在,3,；,三、循环平均压力,p,t,：,定义：,单位汽缸容积所做的循环功称为循环平均压力,p,t,（,kPa,）：,对于,混合加热循环,有：,取,0,=1,（等容加热循环）,有：,取,p,=1,（等压加热循环）,有：,式中,p,de,为进气终点的压力（,kPa,）,（用于评定气缸工作容积做工能力的大小）,可见,p,t,主要与进气终点压力,p,de,、压缩比,c,、定压预胀比,0,、等熵指数,和循环热效率,t,有关。,四、三种基本循环的比较：,（,1,）同一机型不同循环模式的对比,（,c,和,Q,1,不变）,：,T,S,a,b,m,c,z,m,z,/,b,v,z,v,同一机型不同循环模式的比较,b,p,z,p,因此，要提高热效率，就应增大等容加热的比重，即提高循环加热,“,等容度,”,；但需要适当限制最高温度和压力。,放热量：,热效率：,最高温度：,最高压力：,混合加热,等容加热,等压加热,T,S,a,b,m,c,z,m,z,/,b,p,z,p,不同机型三种循环,t,的比较,（,Q,1,和,p,max,相同）,b,v,z,v,c,p,c,v,（,2,）三种循环具有相同加热量,Q,1,的比较,（,Q,1,和,p,max,相同）,混合加热,等容加热,等压加热,放热量：,热效率：,最高温度：,（,3,）汽油机、柴油机负荷变化（吸热,Q,1,不同）时的比较：,a),柴油机,负荷降低,喷油时间减少,燃烧时间减少,0,减小而,p,基本不变,t,升高,b),汽油机,负荷降低,残余废气增多,燃烧速度降低,0,增大而,p,减小,h,t,降低,（特点是边喷油边烧，燃烧时间与喷油时间有关）,（点燃后火焰传播燃烧，燃烧时间与燃烧速度有关）,燃烧时间增长,第二节 四冲程发动机的实际循环,进气、压缩、燃烧、膨胀作功和排气,5,个部分。,包括：,四冲程汽油机工作工程,四冲程柴油机实际循环,一、进气过程（,r,a),：,1,、由于进气系统的阻力，进气终了压力,p,a,小于大气压力,p,0,（约,0.95 p,0,）,一般柴油机要略高于汽油机。,2,、受高温零件和废气加热，进气终了温度,T,a,高于大气环境温度,T,0,（约,300,380K),，,一般汽油机略高于柴油机。,进气门开启，排气门关闭，活塞下行，新鲜工质被吸入汽缸。,特点：,二、压缩过程（,a,c),：,进、排气门关闭，活塞上行，工质被压缩，温度和压力升高。,（一）压缩的作用：,1,、增大工作过程的温差，获得大的膨胀比，提高热效率，同时为燃烧过程创造有利条件。,2,、在柴油机中，压缩后气体的高温是保证燃烧着火的必要条件。,汽油机,p,c,，,T,c,=600,750K,；,柴油机,p,c,，,T,c,=750,1000K,（二）压缩比,c,：,压缩过程为一个多变指数,n,不断变化的过程。,汽油机中,为提高热效率,希望提高压缩比,但受到不正常燃烧的限制；柴油机中,为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及冷启动时可靠着火,需选取较高的压缩比。,（三）多变指数,n,：,P,n=0,n=,n=,q0,q0,q0,V,b,z,P,、,n,1,V,b,z,n,1,n,膨胀过程中,n,的变化,补燃（吸热）,散热（汽缸）,*,思考：转速和漏气对膨胀过程中,n,如何影响？,类似压缩过程，多变指数,n,也是不断变化的。,多变指数,n,：,五、排气过程（,b,r),：,进气门关闭，排气门打开，,废气先靠自身压力排出，而后在活塞由下止点向上止点运动时强制排出。,特点：,1,、由于排气系统阻力，排气终了压力,p,r,高于大气压力,p,0,，阻力越大，,p,r,也越大，汽缸中残余废气也就越多。,（约,1.25 p,0,）,一般汽油机要略高于柴油机。,2,、排气终了温度,T,r,:,T,r,越低，转化为有用功的热量就越多，发动机状态就越好。,（约,700,1100K,）,一般汽油机要高于柴油机。,六、发动机实际循环与理论循环的比较：,柴油机实际循环与理论循环比较,汽油机实际循环与理论循环比较,六、发动机实际循环与理论循环的比较：,1,）实际工质的影响（,W,k,）,：工质成分的改变和泄露,2,）换气损失（,W,r,）,：泵气损失和提前排气损失,3,）燃烧损失（,W,z,）,：时间损失、后燃、不完全燃烧和工质的高温分解,4,）传热损失（,W,b,）,：工质与气缸壁间的热交换、涡流与节流损失,5,）缸内流动损失,：缸内流动损失指压缩及燃烧、膨胀过程中，由于缸内气流（涡流与湍流）所形成的损失。,发动机理论循环与实际循环热效率值,各种热损失使热效率下降的热量分配,第三节 发动机的指示性能指标,定义：,以工质对活塞所作之功为计算基准的指标,称为指示性能指标，简称指示指标；,反映了发动机工作过程进行的好坏。,指示性能指标的研究方法：,示功图法（,p-V,、,p-,）,P-V,图,P-,图,一、指示功和平均指示压力：,1,、指示功：,指气缸内完成一个循环所得到的有用功 ，,其大小可由,p-V,图上的有效循环面积 求得。,四冲程非增压发动机,p-v,图,四冲程增压发动机,p-v,图,式中：,（,+,）,（,-,）,F,1,F,2,（,+,）,（,+,）,F,1,F,2,2,、平均指示压力 ：,指单位气缸容积完成一个循环所作的指示功。,式中：,可见，越大，相同容积的气缸发出的 也越大，故 表征了发动机气缸工作容积利用率的高低，是衡量发动机实际循环动力性的一个很重要的指标。,式中：,通常，汽油机,p,i,，非增压柴油机,p,i,；增压柴油机,p,i,。,二、指示功率：,定义：,指发动机单位时间内所作的指示功，,用 表示。,假设一台发动机气缸数为 ，冲程数为 ，每缸工作容积为 ，,转速为 ，平均指示压力为 ，则指示功率 为多少？,一个气缸一个循环内作的指示功：,个气缸一个循环内作的指示功：,（单位：,kJ,）,（单位：,kJ,）,一分钟内发动机工作循环次数：,一分钟内发动机发出的总指示功：,（单位：,kJ,）,则该发动机的指示功率为：,（单位：,kW,）,三、指示热效率和指示燃油消耗率：,1,、指示热效率 ：,指发动机所得指示功与所消耗的燃油热值的比值,。,式中：,2,、指示燃油消耗率 ：,指单位指示功的耗油量，通常用每千瓦时的耗油量来表示（,g/(kW.h),。,故：,第四节 发动机的有效性能指标,定义：,以发动机曲轴输出功为计算基准的指标,称为有效性能指标，简称有效指标；,反映了发动机实际工作性能的好坏。,一、发动机动力性指标：,1,、有效功 和有效功率 ：,（标定工况下）,通常，有效功 、有效功率 、机械损失功 和机械损失功率 都可以在试验台架上直接测得。,2,、有效转矩 ：,式中：为发动机转速 。,可见，对 的测量可通过对曲轴输出端的 和 的测量得到。,3,、平均有效压力 ：,单位气缸容积一个循环输出的有效功。,式中：为发动机转速 ，为冲程数，为气缸数。,可见，平均有效压力 反映了发动机有效输出转矩 的大小,是评价发动机动力性和强化程度的重要指标。,通常，汽油机,p,me,，非增压柴油机,p,i,；增压柴油机,p,i,。,4,、转速 和活塞平均速度 ：,转速 增大,发动机功率增大,（体积小、重量轻）,活塞平均速度 增大,式中：为发动机转速 ，,为活塞行程 。,活塞、曲柄连杆机构惯性大，磨损大,所以，为了提高转速 而又不使 过大，通常适当减小,S,，加大,D,，即采用较小的行程缸径比（,S/D,）；但过小的,S/D,会使燃烧室高度降低，不仅燃烧室布置困难，并使燃烧条件变差。,气缸基本结构,二、发动机经济性指标：,1,、有效热效率 ：,实际得到的有效功与所消耗的燃油低热值之比。,式中：为有效功率（,kW,），为每小时耗油量（,kg/h,），,为燃料的低热值（,kJ/kg),。,2,、有效燃油消耗率 ：,每小时单位功率消耗的燃料（,g/(kW.h),。,故：,可见，有效热效率越高，燃油消耗率也就越低。,发动机标定工况下的,b,e,和,et,三、发动机强化指标：,发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。,1,、升功率 ：,升功率是从有效功的角度来衡量发动机排量的利用程度，越大，发出单位功率的发动机尺寸就越小，发动机也就越轻巧、紧凑。,提高平均有效压力 和转速 ，是提高升功率、强化发动机的有效途径。,发动机质量与所发出的有效功率（标定功率）之比。,2,、比质量 ：,与升功率类似，比质量表征了发动机质量的利用程度，其值越小，发出单位功率的发动机就越轻巧、越紧凑。,其值越大，发动机的机械负荷和热负荷越高。,3,、强化系数 ：,可见，在发动机基本参数（,D,、,i,和,）不变的情况下，强化系数越大，发动机发出的有效功也就越多。,第五节 机械损失与机械效率,一、机械效率：,单位气缸工作容积所损失的功。,1,、平均机械损失压力 ：,式中：为机械损失功率（,kW,），为气缸工作容积（,L,），,为发动机转速（,r/min),为冲程数，为气缸数。,有效功率与指示功率之比。,2,、机械效率 ：,因此，在进行发动机改进以提高其性能指标的同时，必须考虑机械效率的影响。,二、机械效率的影响因素：,1,、转速 ：,摩擦损失 增大,转速 增大,机械效率 降低,负荷一定（输出功率 不变）,可见，通过提高转速 来增加发动机动力性指标受到限制。,2,、负荷：,输出功率 增大,负荷增大,机械效率 提高,不变（机械损失 不变）,当发动机怠速时，,=0,，故机械效率为,0,。,与 的关系,与 的关系,3,、机油粘度：,粘度升高,机械效率 降低,内部摩擦增大,机械损失增大,粘度过小,机械效率 降低,机油承载能力降低，油膜容易破坏,易发生干摩擦、烧瓦,水温升高,4,、冷却水温度：,机油粘度降低,P,m,T,8095,P,m,随,T,的变化关系,机械损失先减小，后增大,3、灭缸法：（仅适用于多缸发动机）,QT=QS+QR+QB+QL+QE,3、机油粘度：,发动机质量与所发出的有效功率（标定功率）之比。,三、发动机强化指标：,六、发动机实际循环与理论循环的比较：,反映了发动机实际工作性能的好坏。,式中：为发动机转速 。,因此，要提高热效率，就应增大等容加热的比重，即提高循环加热“等容度”；,三、燃烧过程（cz)：,二、指示功率：,因而，广泛用于汽油机和低压缩比柴油机机械效率的测定。,四冲程增压发动机p-v图,0减小而p基本不变,随着增大，循环热效率t也增大。,4）传热损失（Wb）：工质与气缸壁间的热交换、涡流与节流损失,第一节 发动机的理论循环,三、机械损失的测定：,1,、示功图法：,示波器,绘制,P-V,图,求出,实验台架,测出 和,求出,适用于任何机型。,优点：,1,、活塞上止点位置不易找正；,缺点：,2,、各缸工作存在一定的差异性。,P-V,图,2,、倒拖法：,发动机稳定运行,（转速、机油和冷却水温度稳定不变）,断油或停止点火,拖动发动机运行至相同转速，并保持油温、水温不变。,拖动功率即为机械损失功,特点：,1,、缺少燃烧，气缸内平均压力降低，摩擦损失减少；,2,、将泵气损失计算在摩擦损失内；,3,、由于传热损失，额外增加拖动功消耗，使摩擦损失偏大。,综合后，摩擦损失大于实际值，且压缩比越高，误差越大（低压缩比时约,5%,，高压缩比时为,5%-15%,。因而，广泛用于汽油机和低压缩比柴油机机械效率的测定。,3,、灭缸法,：,（仅适用于多缸发动机）,1,）发动机稳定工况下运行，测出有效功率 ；,此缸指示效率为：,2,）保证供油或进气不变，停止一缸工作，并保证转速不变，测出此时有效功率 ；,3,）重复第,2,步，分别求得其它各缸指示效率 （,n,为气缸数）；,4,）即为该工况下发动机的指示功率；,5,）机械损失功率 ；,灭缸法广泛应用于多缸、低压缩比柴油机的机械效率的测定。,4,、油耗线法,:(,仅适用于低压缩比柴油机）,某工况下指示热效率为：,空转时指示热效率为：,保证发动机转速不变，若改变负荷时指示效率不变，则有：,P,me,P,mm,空转,0,B,0,B,A,n=1500r/min,如图所示，在低负荷区可得：,转速不变时，,B,随负荷的变化关系,该方法最大特点是：,不需要测功器和示波器就可以进行机械效率的测定。,第六节 热平衡,1,、燃油热值,Q,T,2,、有用功,Q,E,（,25%,40%,）,3,、废气能量,Q,R,（,25%,50%,）,4,、冷却水,Q,S,（,25%,50%,）,5,、不完全燃烧,Q,B,（,0,5%,）,6,、其他损失,Q,L,（,2,10%,）,Q,T,=Q,S,+Q,R,+,Q,B,+,Q,L,+,Q,E,第六节 热平衡,一、发动机所耗燃油的热量,Q,T,（,kJ/h,）,二、转化为有效功的热量,Q,E,（,kJ/h,）,三、传递给冷却介质的热量,Q,S,（,kJ/h,）,四、废气带走的热量,Q,R,（,kJ/h,）,第六节 热平衡,五、燃料不完全燃烧损失,Q,B,（,kJ/h,）,六、其他热量损失,Q,L,（,kJ/h,）,