内燃机原理第1章

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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