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1、第三章 循环分析与能量利用,掌握理论循环模型及影响循环效率的因素；,掌握工质属性对循环效率的影响；,掌握从理论循环到实际循环的能量损失情况；,掌握ICE机械损失的构成及机械效率的测量方法；,了解现代ICE的能量利用状况；,掌握提高ICE热效率的技术措施。,混合气总量,能量转换“质”问题,本章的研究目标：,如何得到高的循环效率？,如何得到高的机械效率？,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（不可逆）。,对ICE工作过程的研究只能建立
2、模型，进行定性分析！,三种循环模式：,一、理论循环（ Theoretical Cycle ）,热力循环构成,等熵压缩,循环理想循环构成封闭热力系统,等容/等压加热,工质理想气体（空气），物性参数不变,等熵膨胀,定容放热,循环类型,封闭热力循环：,绝热压缩,等容等压吸热（燃烧放热）,绝热膨胀,等容放热（进排气换气过程）,等容（isochoric）加热循环,等压（isobaric）加热循环,等容等压混合加热循环,z,等容加热循环奥托循环（Otto Cycle),早期ICE活塞 运动速度低， 汽油机接近 等容加热循环,b,T-S图,z,等压加热循环狄赛尔循环（Diesel Cycle）,早期ICE活
3、塞 运动速度低， 喷油压力低， 持续时间长， 柴油机接近 定压加热循环,现代的低速 大功率柴油 机（船舶） 可简化为等 压加热循环,b,T-S图,z,z，,混合加热循环（Sabathe Cycle）,现代ICE活塞 运动速度高， 喷油压力高， 均为混合加 热循环,b,T-S图,z,z，,TC-ICE的Sabathe循环,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：等容加热过程中工质压力的升高比值。,预膨胀比：等压加热过程中工质的体积增大比值。,影响循环效率的因素,压缩比的影响,增大压缩比可以 提高ICE的循环 效率；,压缩比由8增加
4、为12，热效率 提高1015， 压缩比20，热 效率提高不明显。,b,c,b,同等吸热量时：,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。,提高等容度，可以提高ICE的循环效率,吸热量相同,等容度提高,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。,等压过程,等 容 过 程,ICE接近等容燃烧（高等容度），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；,EFI的SI-ICE把按照化学计量比混合气进行控制，火焰传播 速
5、度快，等容度高，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；,绝热指数,提高绝热指数， 可以提高循环效率。,吸热量相同,增大， 、 减小、 工质温升增大，放热 量减小，循环效率提高,理论循环研究的意义,提供ICE之间性能比较的理论依据,提供了改善ICE性能的原则和方向,同一机型不同加热模式比较,压缩比、工质吸热量相同，吸热形式不同,在允许的条件下, 尽可能提高压缩比 , 尤其是汽油机；,合理组织燃烧, 提高循环加热等容度（减少预膨胀比、 合理选择燃烧始点、压燃同时着火 ）；,保证工质具有较高的等熵指数（稀燃 ）。,更高的等容度决定了
6、等容加热循环具有更高的效率,更高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率,不同机型比较,cm,最高爆发压力相同， 吸热量相同，压缩比不同,cv,理论循环下SI-ICE和CI-ICE比较,CI-ICE压缩比远高于SI-ICE，CI-ICE具有更高的循环效率， 表现出更好的动力性和经济性；,CI-ICE的 比SI-ICE低15% 25%；,中、小负荷CI-ICE的 比SI-ICE低30% 50%,CI-ICE负荷质调节，负荷减小，喷油量减少,SI-ICE负荷量调节，负荷减小，混合气量减少,二、理想循环（Ideal Cycle）,研究理想循环的目的,热力循环构成,循环理想循环,工质实际工质,压缩过程
7、：空气+燃料蒸气+废气,膨胀过程：废气+空气,工质热力参数与温度、成分、分子结构等有关,工质特性参数对循环效率的影响程度；,ICE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。,最高燃烧温度,比热容,真实工质对循环效率的影响,在相同加热量下，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。,高温时，原子间的结合力减弱，产生热裂解吸热,工质的高温裂解,膨胀过程温度、压力下降，进行逆向反应放热,放热时间延长,高温裂解吸热,燃烧温度越高、压力越小，热裂解越严重,SI-ICE高温裂解程度CI-ICE高温裂解程度,工质分子变化数,液体燃料
8、ICE，分子量大，不计燃料分子数,气体燃料ICE，分子量小，计入燃料分子,分子变化数对ICE循环效率影响不大,混合气浓度,采用稀薄燃烧可 以得到高循环效率,CI-ICE比EF具有 更高的循环效率,残余废气系数,SI-ICE循环效率较低,ICE的EGR率越大，等容度下降越多，三原子气体 含量越多，循环效率越低。,EGR降低排放以性能损失为代价,理想循环下SI-ICE和CI-ICE比较,大负荷时,小负荷时,SI-ICE加浓 很小，CI-ICE的 很 大,在小负荷、大负荷工况下，SI-ICE的经济性低30%50%,理论循环,理想循环,传热、流动、不完全燃烧 工质泄漏等,时间损失,后燃损失,换气损失,
9、三、真实循环 （Real Cycle）,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,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%。,传热损失(总加热量的6),真实循环并非绝热过程, 通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面 向外散热。,散热量：,式中：,压缩行程：前期吸热， 后期散热， 使压缩线略下降有利,Fw 散热面积， Fw =f（）；,传热系数；,T缸内工质温度， T= f（）；,Tw 燃烧室壁面温度。,作功行程：温差大， 散热强烈， 使pz和膨胀线下降不利,作功行程压力线下降幅度远大于压缩线动力过程功减小,时间损失,实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成,
10、点火(喷油)提前，使有用功面积下降，循环效率下降；,pz出现在TDC后1015CA，非等容加热，有用功面积减小。,换气损失,排气门早开，造成膨胀功损失；,泵气损失功（W2W3）。,不完全燃烧损失,正常燃烧时，也有c100%；,不正常燃烧、a 1等， t 下降较大。,缸内流动损失,流动增强以及提高涡流与湍流程度， t 下降,原因：流动造成能量损失、散热损失,流动损失，非直喷式柴油机直喷式柴油机,工质泄漏损失,工质和循环方面的差异，使得： 理论循环效率实际循环效率 =1020百分点,曲轴箱窜气造成的工质泄露，损失相对较小。,该差别是改善ICE循环效率的基本原则,机械损失各 部分所占份额,泵气功损失
11、,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,机械效率：,一、机械损失的组成,（一）机械摩擦损失,活塞组件摩擦,轴承摩擦,配气机构摩擦,其它损失,运动件的空气动力损失,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,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。,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）泵气功损失,进排气过程中工质流动时的节流和摩擦损失。,转速、负荷增大，驱动附件损失也增大。,（二）驱动附件损失,SI-ICE小负荷和高速，
12、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,曲轴与密封,活塞连杆组,配气机构,油泵,水泵与发电机,SI-ICE的试验结果,各种ICE标定工况下的机械效率：,分析：增压内燃机为什么具有更高的机械效率？,二、机械损失的测定方法,（一）示功图法,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。,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；,各个缸均需测量。,TDC位置设置不准确 对机械效率有什么影响？,TDC, CA,BDC,BDC,如果：
13、TDC位置靠前,BDC,BDC,TDC,测得的 偏高,偏小,如果：TDC位置靠后,BDC,BDC,TDC,测得的 偏低,偏高,（二）反拖法（倒拖法）,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 。,电力测功机,ICE,联轴器,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。,误差分析,无燃烧，缸内压力低，活塞环摩擦损失减小；,排气阻力加大（无自由排气），泵气损失增大；,润滑油粘度加大，摩擦损失增大；,不可逆，压缩、膨胀线不重合，增大机械损失。,SI-ICE压缩比
14、小，误差小,（三）灭缸法,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 。,注意事项,用灭缸法测量SI-ICE机械效率，注意安全，灭缸一定 要断油。,误差分析,本质是反拖法，存在反拖法的误差；,灭缸，影响进气动态效应；,两个大数相减，加大误差。,进气动态效应要求严格的ICE，慎用该方法。,（四）油耗线法,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
15、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。,良好线性,a,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。,三、影响机械效率的因素,1、ICE运行参数的影响,当ICE的负荷（油门、油量拉杆位置）不变时， 机械效率随转速的变化规律。,低速时机械效率曲线平坦，中高速时 的快速增大， 机械效率下降速度很快。,机械效率速度特性,油门开度一定,高速快速下降,机械效率负荷特性,转速一定,市区运行车辆， 关注小负荷的 机械效率问题,怠速（idle）,2、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（粘度等级）：,SAE （W）,SI-ICE常用润滑油：30QB、40QB-10、15（老标准） -SAE30、SAE40-SH（API）,CI-ICE常用润滑油：30CA、40CA-11、14
