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1、第一章 内燃机的工作指标,第一节 内燃机理论循环 第二节 内燃机的实际循环 第三节 内燃机的指示性能指标 第四节 有效性指标 第五节 内燃机其它性能指标 第六节 机械损失与机械效率 第七节 提高内燃机动力性与经济性的途径 第八节 内燃机热平衡,第一节 内燃机的理论循环,一、研究理论循环的目的 用简单公式阐明热力学参数间关系,明确提高循环效率和平均压力的途径; 确定循环效率的极限,判断实际内燃机经济性和工作过程进行完善程度及改进潜力; 有利于比较各种热力循环的经济性。,第一节 内燃机的理论循环,二、理论循环假设 工质是理想气体,其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同; 工质在闭口系统中作封闭循
2、环; 工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程; 燃烧是外界无数个高温热源定容或定压向工质加热,工质放热为定容放热。,第一节 内燃机的理论循环,三、理论循环 定容(Otto)循环:汽油机按等容循环工作,燃烧速度高,简化为Otto循环。 等压(Diesel)循环:低速柴油机,高增压柴油机,受缸内最高压力限制,燃料大部分在上止点后燃烧,简化为Diesel循环。 混合循环:高速柴油机,燃料部分在上止点附近燃烧,部分在上止点后燃烧,简化为混合循环。,第一节 内燃机的理论循环,四、循环热效率与平均压力 混合循环,第一节 内燃机的理论循环,四、循环热效率与平均压力 定容(Diesel)循环:,第一节 内燃机的理论循
3、环,四、循环热效率与平均压力 定压循环 :,第一节 内燃机的理论循环,四、循环热效率与平均压力 式中: 压缩比, 气缸总容积 气缸压缩容积 压力升高比 , 预胀比 ,,第一节 内燃机的理论循环,四、循环热效率与平均压力 式中: 等熵指数 后胀比,,第一节 内燃机的理论循环,五、理论循环分析 压缩比 压缩比增加,三个循环的热效率增加。压缩比增加,温差及膨胀比增加,热效率增加; 由TS图知,初始点一定,加热量一定,压缩比增加,放热量减少,由热效率公式知,热效率增加。 柴油机压缩比增加,主要考虑冷起动,但热效率增加已经很少;但汽油机压缩比增加,热效率增加很大。但压缩比大于12后,热效率上升已经很慢。
4、,第一节 内燃机的理论循环,五、理论循环分析 等熵指数 空气的等熵指数为1.4,燃料与空气混合气的等熵指数小于1.4,混合气稀,等熵指数增大,热效率增加。,第一节 内燃机的理论循环,五、理论循环分析 压力升高比 定容循环: 由公式知:加热量增加,压力升高比增加,循环平均压力增加; 循环热效率不变。 混合循环: 初始点一定,压缩比与加热量一定,压力升高比增加,循环热效率增加。,第一节 内燃机的理论循环,五、理论循环分析 预胀比 定压循环: 等熵指数、压缩比定,预胀比增加,热效率下降,后加入热量膨胀不充分,排给冷源损失 。 混合循环: 初始点一定,压缩比与加热量一定,预胀比增加,循环热效率下降。,
5、第一节 内燃机的理论循环,六、比较 加热量、初始点一定,压缩比相同,比较三种循环热效率的大小。 放热量等容加热循环最小,混合循环居中,等压循环最大; 等容热循环热效率最大,混合循环居中,等压循环最小。 加热量一定,初始一定,最高压力一定,比较三种循环的热效率的大小。 放热量等容加热循环最大,混合循环居中,等压循环最小; 等容加热循环热效率最小,混合循环居中,等压循环最大。,第二节 内燃机的实际循环,一、进气过程:ra 1、作用:吸入新气,为加入Q1作准备。 2、特点: PaP0 克服进系统阻力 TaT0 缸内残余废气加热 进气受热 高温机件加热 汽油机进气予热,燃油蒸发吸热 3、参数: 柴油机
6、 汽油机 Pa (0.850.95) P0 (0.80.9) P0 汽油机阻力增加, Pa 下降 Ta 300340K 340380K 汽油机进排气管同侧布置,进 气预热增加, Ta 增加,第三节 内燃机的实际循环,二、压缩过程:ac 1、作用:扩大温差 增加膨胀比 为燃烧创造有利条件: 柴油机压燃, Tc 着火温度 汽油机温度及密度增加火焰传播速度 增加压力升高比增加循环热效率增加 2、压缩比: 汽油机:710,压缩比增加循环热效率增加,受爆震限制 柴油机:1422,保证着火 3、特点:多变过程 PVn1=const 为计算方便,n1取平均, n1的确定,保证在压缩始点和终点的状态与实际相符
7、即可。使工质温度增加的因素都使n1增加。 n1范围: 柴油机:1.381.40 柴油机压缩的是空气,两原子气体 汽油机:1.321.38 汽油机压缩的是混合气,多原子气体,预胀比,第三节 内燃机的实际循环,4、压缩终了参数 Pc=Pan1 Tc=Ta n1-1 Pc与Tc范围: 柴油机 汽油机 Pc (MPa ) 35 0.82 柴油机大 Tc (K) 7501000 600750,第三节 内燃机的实际循环,三、燃烧过程:cz 1、作用:燃料化学能工质热能使压力温度增加,即加入Q1 2、要求:燃烧完全、及时(越靠近上止点,热效率越高) 汽油机:均匀混合气,传播式燃烧,接近等容 柴油机:开始燃烧
8、较快,接近等容,后面边喷油、边混合、边燃烧,接近等压,定容+定压 3、参数: Pz(MPa) Tz(K) 汽油机 36.5 22002800 柴油机 4.59 18002200 柴油机大 柴油机a大,第三节 内燃机的实际循环,四、膨胀过程:zb 作用:热向功转换,膨胀比越大,热效率越高 特点:多变过程,PVn2=const,比压缩过程复杂,除热交换外,还有补燃,工质高温分解等。 一般用平均多变指数n2来代替,只要n2使始点与终点的状态与实际相同即可。 范围: 汽油机 柴油机 1.231.28 1.151.28 柴油机补燃多 3、参数 汽油机:Pb=Pz/n2 Tb=Tz /n2-1 柴油机:P
9、b=Pz/n2 Tb=Tz / n2-1 参数: Pb(MPa) Tb(K) 柴油机: 0.20.5 10001200K 柴油机大 汽油机: 0.30.6 12001500K,第三节 内燃机的实际循环,五、排气过程:br 1、作用:清除废气,放出Q2为下一循环作准备 2、特点:PrP0,克服排气系统阻力 Pr : Pr大,说明留在缸内残气多 Tr :一般为检查内燃机工作状态的参数, Tr下降,工作过程好。 3、参数 柴油机 汽油机 Pr (1.051.2) P0 Tr 700900K 9001100K,第三节 内燃机的实际循环,六、实际循环与理论循环的差别 1、工质的质和量不是常数 比热容的影
10、响。 2、传热损失 3、更换工质损失。 换气损失。 4、燃烧损失 燃烧速度的影响 后燃及不完全燃烧损失,第三节 内燃机指示指标,性能指标: 动力性指标:功率、转矩、转速 经济性指标:燃料与润滑油消耗率 运转性能指标:冷起动性能、噪声和排气品质 耐久可靠性指标:大修、更换零件之间的最长运行时间、无故障长期运行能力,一、示功图 PV图及图 P 图两种 可以互相转换。,第三节 内燃机指示指标,第三节 内燃机指示指标,二、指示指标 指示指标:用来评定实际循环的好坏,以工质在气缸内对活塞作功为基础。 指示功和平均指示压力 指示功率 指示效率、指示燃油消耗率,第三节 内燃机指示指标,二、指示指标 指示功和
11、平均指示压力 (1)指示功Wi:一个实际循环工质对活塞所作的有用功。 四冲程非增压内燃机:F1-F2 四冲程增压内燃机: F1+F2 二冲程内燃机:Fi F2一般称泵气损失或泵气功,由于实验上测试方便,把F2包括在发动机的机械损失中,而把F1表示的功称为Wi。 (2)平均指示压力Pmi:单位气缸工作容积的指示功。 为了比较不同大小气缸内燃机的作功能力,要排除尺寸的影响,引入Pmi的概念。 也可以认为一个假想的大小不变的压力作用在活塞上,使活塞移动一个行程作的功等于指示功,那么这个压力就是平均指示功。,第三节 内燃机指示指标,式中:PmiMPa WikJ VsL,气缸工作容积,第三节 内燃机指示
12、指标,式中:D、S分别为缸径及冲程,第三节 内燃机指示指标,Pmi(MPa): 柴油机: 四冲程非增压柴油机: 0.60.95 四冲程增压柴油机: 0.852.6 二冲程柴油机: 0.351.3 汽油机: 四冲程摩托车用汽油机:0.81.3 四冲程小客车用汽油机:0.81.43 四冲程载货车用汽油机:0.70.85 二冲程小型风冷汽油机:0.40.7,第三节 内燃机指示指标,指示功率:内燃机单位时间内所作的指示功称指示功率。,第三节 内燃机指示指标,式中:PmiMPa WikJ VsL,气缸工作容积 行程系数,四行程: =4,二行程: =2,第三节 内燃机指示指标,指示效率、指示燃油消耗率 (
13、1)指示效率:实际循环指示功与所消耗的燃料放热量之比。,第三节 内燃机指示指标,包括了热力学损失Q2和实际循环损失, 小于理论循环效率。,第三节 内燃机指示指标,1kWh指示功需要耗热量: Hu燃料低热值, kJ/kg 按热功当量1kWh=3.6103kJ,第三节 内燃机指示指标,式中: Hu燃料低热值, kJ/kg big/kWh,第三节 内燃机指示指标,(2)指示燃料消耗率:指单位指示功的耗油量,一般以每kWh的耗油量表示。,第三节 内燃机指示指标,式中: B小时耗油量,kg/h big/kWh,第三节 内燃机指示指标,式中: HukJ/kg big/kWh,第三节 内燃机指示指标,范围:
14、 指示热效率 big/kWh 四冲程柴油机: 0.410.5 210175 二冲程柴油机: 0.400.48 218177 四冲程汽油机: 0.250.40 344218 二冲程汽油机: 0.190.27 435305,第四节 内燃机有效指标,以曲轴上输出的功率为基础,代表了发动机整机的性能。 一、内燃机动力性指标 有效功率 有效转矩 平均有效压力 升功率 转速与活塞平均速度 二、 经济性指标 有效热效率 有效燃油消耗率,第四节 内燃机有效指标,一、内燃机动力性指标 1、机械效率和有效功率 Pi不能完全对外输出,存在机械损失Pm,第四节 内燃机有效指标,式中: Pi、Pe、Pm分别为指示功率、有效功率及机械损失功率,第四节 内燃机有效指标,2、有效扭矩:轴输出扭矩,第四节 内燃机有效指标,式中: PekW TtqN.m nr/min,第四节 内燃机有效指标,3、平均有效压力: 单位气缸工作容积输出有效功。 其值大,说明单位气缸工作容积对外输出功多,作功能力强,评价内燃机动力性的重要指标。,第四节 内燃机有效指标,第四节 内燃机有效指标,第四节 内燃机有效指标,Pme范围: MPa 农用柴油机 0.50.7 汽车用柴油机 0.7