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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