发动机能量分配及循环效率.pptx

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,2020/1/8,#,第三章 循环分析与能量利用,第三章 循环分析和能量利用,ICE,工作过程研究内容：,工质成分变化；,热能的转化过程。,目标：,高的循环效率；,低的污染物排放。,工作过程研究难度：,工质的质和量是时间的函数；,物理、化学过程一直在进行；,存在摩擦、散热、燃烧、节流等。,对,ICE,工作过程的研究只能建立模型，进行理论分析！,三种循环模式：,理论循环,工质,理想气体,循环,理想循环,理想循环,工质,实际气体,循环,理想循环,真实循环,工质,实际气体,循环,真实循环,第二节 理论循环,一、理论循环构成,工质,理想气体（空气），物性参数为常数；,循环,理想循环构成封闭热力系统：,绝热压缩,定容定压吸热（燃料燃烧放热）,定容放热（进排气的换气过程）,二、理论循环类型,1,、循环分析,早期,ICE,活塞运动速度低，汽油机为定容加热循环，,柴油机为定压加热循环。现代,ICE,为混合加热循环。,TDC,BDC,第二节 理论循环,a,r,c,z,b,Otto,循环,TDC,BDC,第二节 理论循环,a,r,z,c,b,Diesel,循环,TDC,BDC,第二节 理论循环,a,r,z,c,z,，,b,NA-ICE,的,Sabathe,循环,TDC,BDC,第二节 理论循环,c,z,b,z,，,TCICE,的,Sabathe,循环,a,r,r,a,第二节 理论循环,2,、循环效率,Otto,循环循环效率,:,Diesel,循环循环效率,:,Sabathe,循环循环效率,:,压力升高比：,预膨胀比：,第二节 理论循环,三、影响循环效率的因素,1,、压缩比的影响,增大压缩比可以,提高,ICE,的循环,效率,a,c,b,z,第二节 理论循环,c,z,b,z,z,第二节 理论循环,2,、压力升高比和预膨胀比的影响,等容度：,循环吸热过程中,等容吸热量占总吸热量的,比率。,z,z,a,c,b,b,a,c,因此，提高等容度，可以提高,ICE,的循环效率,第二节 理论循环,ICE,接近等容燃烧，可以得到高循环效率；,分析：,CI-ICE,负荷增大，循环喷油量加大，燃烧时间加长，,预膨胀比加大，等容度下降，循环效率降低；,电喷汽油机把按照化学计量比混合气进行控制，,可得到较高的循环效率；,CI-ICE,多次喷射技术会降低循环效率。,CI-ICE,高压喷射技术会提高循环效率；,第二节 理论循环,在预膨胀比一定时，压力升,高比对循环效率影响不大。,在压力升高比一定时，减小,预膨胀比，会显著提高循环,效率。,第二节 理论循环,3,、绝热指数,提高绝热指数，,可以提高循环效率。,第二节 理论循环,四、理论循环研究的意义,提供,ICE,比较的理论依据；,提供改善,ICE,性能的措施；,同一机型比较,压缩比、工质吸热量相同，吸热形式不同,z,p,b,p,a,c,第二节 理论循环,更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率,z,m,b,m,z,v,b,v,第二节 理论循环,最高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率,z,v,b,v,不同机型比较,z,p,b,p,a,c,p,b,m,z,m,c,m,最高爆发压力形同，,吸热量相同,c,v,第二节 理论循环,五、理论循环下,SI-ICE,和,CI-ICE,的比较,CI-ICE,的最低有效燃油消耗率比,SI-ICE,低,15%,25%,；,CI-ICE,压缩比高于,SI-ICE,，具有更高的循环效率；,对于,SI-ICE,，混合气浓度偏离化学计量比浓度，,循环效率均会下降，经济性会下降。,第三节 理想循环,一、理想循环构成,工质,实际工质,循环,理论循环,现代高技术水平的内燃机，相对效率已高达,90%,。,意义：,内燃机提高循环效率最高限度。,相对热效率：,真实循环循环效率与理想循环循环效率之比。,第三节 理想循环,二、工质特性对循环效率的影响,1,、最高燃烧温度,在相同的加热量下，燃烧温度越高，工质比热容,升高越多，绝热指数下降越多，循环效率偏离理,论循环效率越远。,2,）工质的高温裂解,1,）比热容,第二节 理想循环,高温高压下，加速,CO,2,、,H,2,O,、,N,2,、,O,2,、,H,2,的裂解，,裂解吸热；膨胀过程温度压力下降，进行放热的,逆向反应，使放热时间延长，等容度下降，效率下降。,2,、残余废气系数,多原子分子数增多，比热容增大，绝热指数下降，,效率下降。,残余废气系数和,EGR,率对循环效率影响较大。,第三节 理想循环,3,、混合气浓度,燃料裂解吸热，增加工质内能，做功能力下降；,稀混合气：,浓混合气：,最高燃烧温度低，循环效率高；,混合气中废气比例少，循环效率高。,工质最高温度大，循环效率低；,混合气中废气比例高，循环效率低。,第三节 理想循环,燃空当量比,稀薄燃烧可以得到,较高的循环效率！,在着火极限区域内，,随着混合气浓度的加大，,循环效率逐渐下降。,第三节 理想循环,二、理想循环下,SIICE,和,CI-ICE,比较,小、大负荷下差距加大,SI-ICE,小、大负荷循环效率相对于,CI-ICE,更小，,有效燃油消耗率高出,30%,50%,。,原因,TDC,BDC,第四节 真实循环,理论循环,理想循环,传热、流动、不完全燃烧,工质泄漏等,一、循环构成,真实循环,+,实际工质,时间损失,后燃损失,换气损失,c,z,b,b,c,a,r,第四节 真实循环,传热、流动、不完全燃烧和泄漏损失,换气损失,时间损失,后燃损失,四大损失,工质和循环的变化，使实际循环效率和,理论循环效率相差,10%,20%,。,第五节 机械损失和机械效率,一、机械损失的组成,（一）机械摩擦损失,1,、活塞组件摩擦,2,、轴承摩擦,3,、配气机构摩擦,4,、其它损失,正时齿轮、链轮、带轮的传动损失，连杆大头搅油损失，,曲轴箱内空气压缩和通风损失，运动件的空气动力损失。,第五节 机械损失和机械效率,（二）驱动附件损失,内燃机正常运行必备附件：,发电机、水泵、机油泵、高压油泵、调速器、点火装置。,内燃机台架试验中必须拆除的四大附件：,空压机、空滤器、风扇和消声器。,（三）泵气损失,进排气过程中工质流动时的节流和摩擦损失。,第五节 机械损失和机械效率,二、机械损失各,部分所占份额,SI,CI,SI,CI,SI,CI,1800,200,1800,600,3600,400,转速,平均有效压力,泵气损失,曲柄、连杆、活塞损失,其它附件损失,高压油泵损失,配气机构损失,第五节 机械损失和机械效率,活塞连杆组件和曲轴轴承摩擦损失高，转速、负荷增大，,该损失也增大。,转速、负荷增大，驱动附件损失也增大。,SI-ICE,小负荷和高速，泵气损失大；负荷对,CI-ICE,泵气损失,影响小，高转速时泵气损失高。,SI-ICE,：,CI-ICE,：,负荷,略下降,负荷,第五节 机械损失和机械效率,各种,ICE,标定工况下的机械效率：,SI-ICE,：,80%,90%,CI-ICE,：,78%,85%,增压,CI-ICE,：,80%,92%,问题：增压内燃机为什么具有更高的机械效率？,第五节 机械损失和机械效率,三、机械损失的测定方法,（一）示功图法,1,、测量方法,用燃烧分析仪测量工况点（，）下的示功图，,测算 ，计算 、和 。,示功图法可以得到,ICE,的机械损失、机械效率运行特性。,2,、注意事项,准确标定,TDC,位置；,NA-ICE,测量面积为 代表的面积。,提高面积计算离散化精度。,第五节 机械损失和机械效率,TDC,位置设置不准确,对机械效率有什么影响？,TDC,CA,BDC,BDC,第五节 机械损失和机械效率,如果：,TDC,位置靠前,BDC,BDC,TDC,BDC,CA,BDC,TDC,第五节 机械损失和机械效率,测得的 偏高,偏小,TDC,BDC,CA,BDC,第五节 机械损失和机械效率如果：,TDC,位置靠后,BDC,BDC,TDC,第五节 机械损失和机械效率,测得的 偏低,偏高,第五节 机械损失和机械效率,（二）反拖法（倒拖法）,1,、测量方法,使,ICE,正常运行在工况点（，）测取 ，,停油、断火，用,电力测功机,反拖,ICE,按同等转速,运转，测量测功机的功率损耗，即为 。,2,、注意事项,电力测功机价格昂贵，反拖法不适合大功率,ICE,，,仅适用于中小功率的,NA-ICE,。,第五节 机械损失和机械效率,（三）灭缸法,1,、测量方法,设,ICE,有,N,个缸。使,ICE,正常运行在工况点（，）,测取 ，使其中一个缸停止作功，减小测功机载荷，,使,ICE,恢复到原转速，测取,N-1,缸工作的功率 ，,ICE,功率的降低值，认为是所灭气缸的指示功率 。,依次灭缸，测试,N,次，就可得到整机的 。,第五节 机械损失和机械效率,2,、注意事项,用灭缸法测量,SI-ICE,机械效率，注意安全。,第五节 机械损失和机械效率,（四）油耗线法,1,、测量方法,测量,ICE,在某个转速下的负荷特性，制作燃油消耗率的,负荷特性曲线，当低负荷区域线性度非常好时，按线,性区域油耗线进行反向拓延，拓延线与负荷轴的交点，,距离负荷零点的负荷值，即为平均机械损失压力或者,机械损失功率。,第五节 机械损失和机械效率,良好线性,a,第五节 机械损失和机械效率,2,、注意事项,油耗线法不适用于,SI-ICE,和大功率,CI-ICE,。,各种测量方法的使用范围：,所有内燃机均可使用示功图法测量机械效率；,大功率,ICE,最佳方法是灭缸法（,费油,）；,中小功率的增压,ICE,，如果燃油消耗率的负荷特性线,线性度高，可采用油耗线法；,SI-ICE,最佳方法是反拖法。,第五节 机械损失和机械效率,四、影响机械效率的因素,1,、机械效率速度特性,低速机械效率曲线平坦，中高速下降速度快。,第五节 机械损失和机械效率,油门开度一定,第五节 机械损失和机械效率,2,、机械效率负荷特性,转速一定,油门开度,市区运行车辆，,关注小负荷的,机械效率问题,第五节 机械损失和机械效率,3,、润滑条件对机械效率的影响,1,）润滑油的作用,减摩,密封,冷却,清洗,2,）,ICE,对润滑油的要求,防锈,良好的运动粘度、粘温特性和抗氧化能力。,3,）,ICE,润滑油的分类标准,SAE,标准：,SAE,（,W,）,数字“,”,夏季,99,的粘度，,20,、,30,、,40,、,50,冬季,-18,的粘度（,W,），,5,、,10,、,20,第五节 机械损失和机械效率,美国,API,标准,S,：,为,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,、,G,C,：,为,A,、,B,、,C,、,D,、,E,我国标准,Q,为,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,、,G,为,100,运动粘度,C,为,AB,、,C,、,D,、,E,为,100,运动粘度,SI-ICE,常用润滑油：,30QB,、,40QB-10,、,15,（老标准）,-SAE30,、,SAE40-SB,（,API,）,CI-ICE,常用润滑油：,30CA,、,40CA-11,、,14,（老标准）,-SAE30,、,SAE40-CA,（,API,）,第六节,ICE,能量分配与合理利用,燃料,+,空气,压缩,膨胀,摩擦、辐射,冷却,排气,作功,最大作功能力,热能,燃烧,换气,一、,ICE,能量平衡,第六节,ICE,能量分配与合理利用,CI-ICE,SI-ICE,100%,100%,热量,损失,30%,32%,33%,35%,废气,冷却,28%,30%,30%,32%,摩擦和辐射,7%,9%,7%,9%,有用功,30%,35%,25%,30%,第六节,ICE,能量分配与合理利用,实际有用功,1/3,（强）,排气带走热,1/3,冷却液带走热,1/3,（弱）,燃料化学能流向,二、,ICE,能量合理利用,（一）现代,ICE,的能量利用状况,现代,ICE,最高燃烧温度,1100K,，环境温度,293K,卡诺循环热效率：,100%,61%,53.5%,45%,38%,第六节,ICE,能量分配与合理利用,受卡诺限制,属于,ICE,极限,值，除非改,变循环模式,采用改进技术,的提高空间只,有,8.5%,的空间,通过提高,机械效率,的改善空,间有,7%,第六节,ICE,能量分配与合理利用,汽油机,25%,30%,（,GDI,：,35%,）,柴油机,30%,40%,增压柴油机,30%,45%,现代,ICE,热效率,（二）提高,ICE,有效效率的途径,1,、改变循环模式,超膨胀,ICE,思想：,Atkinson,循环和,Mill,循环,TDC,BDC,第六节,ICE,能量分配与合理利用,z,c,z,，,b,a,a,，,等压放热,Atkinson,循环,TDC,BDC,第六节,ICE,能量分配与合理利用,z,c,z,，,b,a,Mill,循环,等容放热,a,，,b,，,等压放热,第六节,ICE,能量分配与合理利用,超膨胀,ICE,问题：冲程长，结构不允许,适用的,Mill,循环：,膨胀比,NA-ICE,TC-ICE,必须采用,VVT,、,VVL,技术,第六节,ICE,能量分配与合理利用,2,、,GDI,技术,GDI,可以有效提高,ICE,的经济性。,经,济,性,改,善,程,度,降低泵气功,8.5%,11.5%,高绝热指数、压缩比,和低散热,1.2%,-4.7%,高燃烧效率,换气流通面积减小,16.5%,第六节,ICE,能量分配与合理利用,3,、可变技术,基本目的：得到各参数的,MAP,，实现,ICE,全工况性能,的优化控制。,可变压缩比,可变气门升程（,VVL,）,可变配气相位（,VVT,）,可变进气涡流,可变进气管长度,可变技术,可变喷嘴环,第六节,ICE,能量分配与合理利用,GT-POWE,计算,进气管长度,MAP,第六节,ICE,能量分配与合理利用,原机功率,优化功率,第六节,ICE,能量分配与合理利用,4,、,CI-ICE,电控高压喷射技术,（三）散失能量的利用,接近,2/3,的能量被冷却液和排气带走。,1,、废气涡轮增压,2,、复合,ICE-,利用排气推动气轮机发电,3,、低散热,ICE-,绝热,ICE,（四）低品位能量利用,低品位能量：排气、冷却液和中冷水,本章小结,1,、循环分析,2,、机械损失和机械效率,机械损失组成、机械效率的测量、影响机械效率的因素。,3,、现代,ICE,能量利用状况,4,、提高,ICE,循环效率的主要技术措施,从理论循环推到出实际循环，得到影响循环效率的因素。,改变循环模式；,可变技术优化燃烧；,GDI,技术。,5,、散失和低品位能量利用,