内燃机循环及性能评价.pptx

第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价第一第一节 概述概述第二第二节 内燃机的理内燃机的理论循循环第三第三节 内燃机内燃机实际循循环及其及其评价指价指标第四第四节 内燃机有效性能指内燃机有效性能指标第五第五节 机械机械损失失第六第六节 热平衡平衡第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2-1 概述概述内燃机：内燃机：EQ W的的动力机械装置。力机械装置。转换方式：方式：热力循力循环四冲程四冲程=进、压、做功、排、做功、排三个环节：三个环节：混合气形成及换气过程：混合气形成及换气过程：Q W的物质基础，的物质基础，A/F，v 燃烧放热过程：放热规律，热效率燃烧放热过程：放热规律，热效率 i，排放，排放能量传递过程：机械效率能量传递过程：机械效率 m，机械损失，机械损失AFA/F v 燃烧燃烧第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT改善内燃机性能改善内燃机性能=能量能量转换效果：体效果：体现在完善上在完善上述三个述三个环节题上，即：上，即：混合气：燃料混合气：燃料汽汽/柴柴/替代燃料，热值替代燃料，热值/成分不同成分不同 换气过程换气过程尽可能提高充量，提高气缸利用率尽可能提高充量，提高气缸利用率燃烧：完全、及时燃烧：完全、及时节能，节能，CO、HC 放热规律放热规律压力升高率（压力升高率（NOx），热效率），热效率能量传递：机械损失能量传递：机械损失摩擦、泵气、驱动附件摩擦、泵气、驱动附件 机械效率机械效率提高提高 m的措施的措施第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2.2 内燃机的循环理论内燃机的循环理论一、卡一、卡诺循循环与内燃机的与内燃机的动力循力循环卡卡诺循循环组成成:绝热压缩、绝热膨膨胀做功做功过程、程、等温加等温加热过程、等温放程、等温放热过程程卡诺定理：任何实际循环热效率都卡诺定理：任何实际循环热效率都14后，随后，随 ，t 缓缓慢，机械慢，机械/热负荷热负荷 TS14n=k=1.4n=1.3n=1.2n=1.25 n：多变指数：多变指数n ，nk=1.4（空气），工质更接近空气，（空气），工质更接近空气，热效率热效率，如稀薄燃烧技术等，如稀薄燃烧技术等 第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT 及及 ：a)定容循定容循环:不不变，Q1 ，Q2 ，Q2/Q1不不变，t 不不变 b)混合循混合循环：Q1、一定，一定，t =1第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT 2.循循环平均平均压力力pt 定定义：单位气缸工作容位气缸工作容积所做的循所做的循环功功 评定循定循环的做功能力的做功能力 混合：混合：定容：定容：定定压：第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT三、三种理论循环的比较三、三种理论循环的比较a)Q1，相同：相同：等容加热速率快，等容加热速率快，Q2pQ2mQ2v tv tm tpb)Q1，pz相同：相同：不同，即不同，即 p m v Q2vQ2mQ2p tp tm tvc)Tz，pz相同：相同：工质做功能力相同，工质做功能力相同，Q2p=Q2m=Q2v tp tm tv第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2-3 内燃机实际循环及其评价指标内燃机实际循环及其评价指标 一、一、实际循循环：1个循个循环4个行程个行程5个个过程：程：进-压-燃燃烧-膨膨胀-排，各排，各过程都存在各种程都存在各种损失失 1.进气气过程：程：换气，气，为气缸气缸Q-W转换物物质准准备 理想理想无无损失的可逆失的可逆过程；程；纯空气，空气，p=p0 实际进气流气流动损失：失：热交交换：高温零件加：高温零件加热 残余残余废气气进气道、气缸进气道、气缸壁、进排气门壁、进排气门第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：增增压柴油机：柴油机：增增压压力：力：第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2.压缩行程（过程）压缩行程（过程）作用：燃作用：燃烧前的准前的准备提高提高p和和T；提高膨提高膨胀比比提高效率提高效率 理想：理想：纯空气，空气，绝热过程：程：k=1.4;实际：多：多边过程程热交交换/漏气，平均多漏气，平均多边指数；指数；原原则：以平均：以平均n1计算算结果果终了状了状态相同，即相同，即 压缩终了状了状态：第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT汽油机：汽油机：n1=1.321.38;柴油机：柴油机：n1=1.381.4；第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT3.做功行程做功行程膨膨胀做功行程做功行程=燃燃烧过程程+膨膨胀过程程作用：作用：实现E Q1W的能量的能量转换过程程 燃烧过程：实现燃烧过程：实现E Q1的转换的转换理想循环：假设为等容加热或等压加热理想循环：假设为等容加热或等压加热实际循环：燃烧非瞬时，时间损失，不完全燃烧实际循环：燃烧非瞬时，时间损失，不完全燃烧 汽油机：均匀预混合气，提前点燃，火焰传播汽油机：均匀预混合气，提前点燃，火焰传播 柴油机：边混边燃，喷油提前，预混合柴油机：边混边燃，喷油提前，预混合/扩散燃烧扩散燃烧 增压柴油机：增压柴油机：通过燃烧第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT膨膨胀过程：程：实现：Q1 W的的转换 理想：均理想：均质空气，空气，绝热膨膨胀 实际：多：多变过程，取决于程，取决于热交交换、泄漏、泄漏、补燃、工燃、工质变化；化；用平均多用平均多边指数：指数：n2 评定多定多边过程程 原原则：计算算结果与果与实际一致一致 通过曲柄通过曲柄连杆机构连杆机构工质被加热时：工质被加热时：n2k第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT汽油机：汽油机：n2=1.231.28；膨胀终了：膨胀终了：柴油机：柴油机：n2=1.151.28;膨胀终了：膨胀终了：柴油机柴油机 高，膨胀比大，热效率高，膨胀终了温度及压力高，膨胀比大，热效率高，膨胀终了温度及压力都比汽油机小都比汽油机小第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT4.排气行程排气行程作用：尽量排作用：尽量排净，为下一循下一循环充气准充气准备 理理论：无阻力，可逆，或：无阻力，可逆，或闭口系口系统 实际：排气流：排气流动损失：失：传热现象：象：废气与排气管壁的气与排气管壁的传热 残余残余废气系数：气系数：排气门、排气道、排气门、排气道、排气管、消声器排气管、消声器评价换气过程排出评价换气过程排出废气的完善程度废气的完善程度排气后缸内的排气后缸内的残余废气量残余废气量进入气缸的进入气缸的新鲜充气量新鲜充气量第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT排气排气终了状了状态：汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：排温取决于燃烧温度；排温取决于燃烧温度；燃烧过程迟后或后燃（补燃）增加排温升高。燃烧过程迟后或后燃（补燃）增加排温升高。所以，排温是检查发动机燃烧状况的重要参数所以，排温是检查发动机燃烧状况的重要参数第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT二、实际循环的评价指标二、实际循环的评价指标评价方法：指示指价方法：指示指标，即，即 以工以工质对活塞做功活塞做功为基基础，评价价实际循循环的做功能力和的做功能力和经济性性。1.做功能力做功能力评价指价指标动力性指力性指标：1）平均指示）平均指示压力：定力：定义 意意义：比：比较不同气缸的做工能力；不同气缸的做工能力；评价价Vs的利用程度的利用程度循环指示循环指示功功kW气缸工作气缸工作容积容积 L第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2）指示功率：发动机单位时间所做的指示功）指示功率：发动机单位时间所做的指示功其中，其中，:1个循环所需时间（个循环所需时间（s）n:发动机转速发动机转速 r/min;i:气缸数气缸数 ：冲程数，四冲程机：冲程数，四冲程机 =4 二冲程机二冲程机=2第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT 2.经济性性评价指价指标 意意义：评价价为获得得W而消耗的能量。而消耗的能量。方法：方法：1）指示）指示热效率：效率：为获得循得循环指示功指示功Wi所消所消耗的耗的热量量Q1（能源）之比，即（能源）之比，即 2）指示燃料消耗率：）指示燃料消耗率：单位位时间，为获得得单位指示功率所消耗的燃料量，即位指示功率所消耗的燃料量，即其中，其中，B：每小时燃油消耗量：每小时燃油消耗量 kg/h第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT 由由 所以，所以，汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：其中，其中，h:燃料的低热值燃料的低热值第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2-4 有效指标有效指标指示指指示指标只只评价缸内价缸内Q/W工作循工作循环的好坏，不能的好坏，不能评价内部价内部动力力传递过程中的程中的损失。失。有效指有效指标：以曲：以曲轴对外外输出功率出功率为基基础，评价价发动机性能机性能对外外产生的效果生的效果包括包括动力性、力性、经济性、排放性性、排放性。1.动力性力性评价价对外做功的能力外做功的能力 1）有效功率）有效功率Pe：Pi在发动机内部传递在发动机内部传递过程中损失一部分过程中损失一部分用用 m评价评价第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT其中，机械损失功率其中，机械损失功率Pm 包括：发动机内部摩擦损失；包括：发动机内部摩擦损失；驱动附件损失；驱动附件损失；泵气损失泵气损失进排气损失进排气损失机械效率机械效率 m：定义：定义 动力传递过程动力传递过程内部损失大小内部损失大小第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2）有效）有效转矩矩Ttq：由：由发动机曲机曲轴输出的出的转矩矩Nm 由由 一个循一个循环(2转)输出的功出的功:We=Pe t=Ttq 4/1000 其中，一个循其中，一个循环所需所需时间：所以，所以，Ttq和和n由试验测得，并用上式求有效功率由试验测得，并用上式求有效功率第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT3）平均有效）平均有效压力：力：单位气缸工作容位气缸工作容积的有效功。的有效功。或或 一般，汽油机：一般，汽油机：柴油机：柴油机：增增压柴油机：柴油机：第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT4）升功率）升功率PL：单位气缸工作容位气缸工作容积输出的出的额定功率定功率 评价气缸工作容价气缸工作容积的利用效率。的利用效率。定义式定义式称称pmen为发动机强化指标；发展趋势：为发动机强化指标；发展趋势：高功率（强化）、更轻巧、更紧凑型发动机高功率（强化）、更轻巧、更紧凑型发动机但但n的提高受活塞平均速度的限制。的提高受活塞平均速度的限制。第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT 5)转速速n和活塞速度和活塞速度Cm：提高提高n，可增加，可增加发动机机单位位时间做功次数，做功次数，Pe Cm ，活塞，活塞热负荷荷，惯性力性力，磨，磨损，寿命，寿命；为限制限制Cm,可可 S S/D。S/D1时为短行程。短行程。但但 S/D，燃，燃烧室高室高，影响混合气形成和燃，影响混合气形成和燃烧。S：活塞行程：活塞行程 比质量比质量me：E/G质量质量m与标定功率之比：与标定功率之比：汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT一般一般 汽油机：汽油机：n=36008000r/min；柴油机：柴油机：n=20005000r/min；增增压柴油机：柴油机：n=15004000r/min；第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2.经济性：从有效功角度衡量所消耗的燃料量。性：从有效功角度衡量所消耗的燃料量。1）有效）有效热效率效率 2）有效燃油消耗率：）有效燃油消耗率：单位时间、单位有效单位时间、单位有效功率所消耗的燃料量功率所消耗的燃料量汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT3.排放指排放指标：指：指发动机在机在Q1W过程中，因燃程中，因燃烧而而派出的派出的环境境污染物的限制指染物的限制指标。有害排放物：尾气排放物、蒸发物、噪声。有害排放物：尾气排放物、蒸发物、噪声。1）尾气排放物：）尾气排放物：CO、HC、NOx、PM、CO2等等各国法规限制标准发展趋势：各国法规限制标准发展趋势：2）蒸发物：汽油机燃油系统蒸发的）蒸发物：汽油机燃油系统蒸发的HC化合物。化合物。3）噪声：刺激神经，心烦，耳聋等。）噪声：刺激神经，心烦，耳聋等。第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2-5 机械损失机械损失1.机械效率机械效率 由定由定义：2.机械机械损失失Pm分配：摩擦分配：摩擦损失：失：6275%驱动附件：附件：1020%泵气气损失：失：1020%汽油机汽油机:m=0.70.9柴油机柴油机:m=0.70.85意义：评价内燃机内部动力传递效率意义：评价内燃机内部动力传递效率摩擦损失：摩擦损失：第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT3.机械机械损失的失的测定定 1)倒拖法：倒拖法：电力力测功器功器 TW和机油温度正常和机油温度正常时的反拖功率的反拖功率Pm 缺点：缸内缺点：缸内压力、温度与力、温度与实际不符，不符，误差大差大 2)灭缸法：多缸机，逐次缸法：多缸机，逐次灭1个缸，个缸，测功率功率则，指示功率：则，指示功率：柴油机：误差柴油机：误差5%，汽油机：误差较大，汽油机：误差较大进气条件。进气条件。摩擦损失功率：摩擦损失功率：灭灭n缸后缸后n缸缸指示功率指示功率第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT3)示功示功图法：燃法：燃烧分析分析仪等等专用用设备测量示功量示功图 求得指示功率求得指示功率Pi 试验测的有效功率的有效功率Pe及及转速速n 直接由定直接由定义式求得式求得 m及及Pm。4）油耗法：只适用于柴油机）油耗法：只适用于柴油机 设设 循环效率随负荷不变，则循环效率随负荷不变，则 任一工况：任一工况：误差取决于示功误差取决于示功图测量精度图测量精度怠速怠速Pe=0：(1)/(2)，得，得Pm m第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT4.影响机械效率的因素影响机械效率的因素*1）缸径）缸径D和行程和行程S：2）摩擦）摩擦损失：活塞（失：活塞（环）组，曲，曲轴组件，配气机构件，配气机构 3）n：摩擦：摩擦损失，失，惯性力，性力，泵气气损失，失，驱动附件附件 4）负荷：主要影响荷：主要影响Pi，而，而 Pm 不随不随负荷荷变化化 5）润滑油品滑油品质、冷却水温度、冷却水温度 主要影响机油粘度主要影响机油粘度Dm：曲轴平均直径：曲轴平均直径K：与缸数和：与缸数和n有关有关的常数。的常数。第二章第二章 内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价Hubei University of Automotive Technology湖北汽车工业学院汽车工程学院湖北汽车工业学院汽车工程学院School of Automotive engineering,HUAT2-6 热平衡热平衡指所加入指所加入热量量Q1的具体分配情况的具体分配情况热量量损失情况；失情况；目的：明确提高目的：明确提高热效率的有效途径效率的有效途径转换为转换为Pe的热量的热量2550%冷却损失冷却损失1035%废气带走热量废气带走热量2550%不完全燃烧损失不完全燃烧损失其它损失其它损失QT5075%2550%有效利用能源的有效利用能源的必要性必要性