第5章发动机实际循环与评价指标

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1、知识回忆,四冲程发动机的工作过程由进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个过程组成。理想循环的基本假设： （1）工质为理想气体，缸内热力系统为闭口系统； （2）进气行程忽略不研究； （3）压缩和膨胀过程近似为绝热定熵过程； （4）加热过程为汽油机视为定容过程；高速柴油机视为混合加热过程；低速柴油机视为定压放热过程； （5）排气过程视为定容过程。 根据加热方式的不同，发动机理想循环分：定容加热循环定压加热循环、混和加热循环。,1 - 2 绝热压缩 2 - 3定容加热 3 - 4绝热膨胀 4 - 1定容放热,1、定容加热循环,吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际

2、循环的指导。,1 - 2 绝热压缩 2 - 3定压加热 3 - 4绝热膨胀 4 - 1定容放热,2、定压加热循环,1 - 2 绝热压缩 2 - 3定容加热 3 - 4定压加热 4 - 5绝热膨胀 5 - 1定容放热,3、混合加热循环,第五章 发动机实际循环与评价指标,5.1 四冲程发动机的实际循环 5.2 发动机的指示指标 5.3 发动机的有效指标 5.4 机械损失与机械效率 5.5 提高发动机性能指标的途径,5.1 四冲程发动机的实际循环,1.进气过程 进气过程中进气终点的压力和温度的范围: P0 K 汽油机 0.0800.092 340380 柴油机 0.0800.095 300340,5

3、.1.1发动机的实际循环,2.压缩过程 压缩终了汽缸内压力和温度的范围: MPa K 汽油机 0.82.0 600750 柴油机 3.05.0 7501000 增压柴 5.08.0 9001100,燃烧的最高爆发压力及最高温度的范围： （MPa） （K） 汽油机 3.08.0 22002800 柴油机 4.59.0 18002200,3.燃烧过程,4.膨胀过程 、 的范围： 汽油机:0.30.6MPa 12001500K 柴油机:0.250.5MPa 8001200K,膨胀过程及多变指数变化过程,排气终了的压力（MPa）、温度（K）范围： MPa K 汽油机 0.1050.125 900110

4、0 柴油机 0.1030.108 700900,5.排气过程,（a） 柴油机 （b） 汽油机,5.1.2实际循环与理论循环的比较,为了了解实际循环的热量分配情况，寻找损失所 在。对实际循环与理论循环进行比较。 分析二者P-V图，发现存在差异:,汽油机,Wk 实际工质影响引起损失,Wr 换气损失,Wz 非瞬时燃烧和补燃损失,Wb 传热和流动损失,W 提前排气损失,1、实际工质的影响（Wk）,理论循环假设工质比热容是定值，工质是双原子气体，实际上燃烧后生成三原子气体居多，使循环的最高温度降低。 实际循环还存在泄漏，使工质数量减少，意味着同样的加热量，实际循环中所引起的压力和温度的升高比理论循环低得

5、多，使循环所做功减少Wk。,2、换气损失（Wr ）,燃烧废气的排出和新鲜空气的吸入是使循环重复进行必不可少的，因此因换气而消耗的功称为换气损失Wr 。 由于进排气系统中的流动阻力而产生的损失称泵气损失Wb。 换气过程中因排气门在下止点前必要的提前开启而产生的损失叫提前排气损失W。,实际循环中燃烧非瞬时完成，所以喷油或点火在上止点前，并且燃烧还会持续到膨胀行程，由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失Wz 。 实际循环中会有部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失。 高温下部分燃烧产物分解而吸热，使循环的最高温度下降，产生燃烧损失。,3、燃烧损失Wz,实际循环中，气缸壁（包括气缸套、气缸盖、活塞、活塞环、气门

6、、喷油器等）和工质间自始至终存在着热交换，由此产生损失Wb 。,4、传热损失Wb,5.其他损失,缸内流动损失、涡流和节流损失、泄露损失等。,由于上述各项损失的存在，使得实际循环的热效率低于理论的热效率。,理论循环热效率 指示热效率 汽油机 0.540.58 0.300.40 柴油机 0.640.67 0.400.45,5.2 发动机的指示指标,以工质在汽缸中对活塞所作功为计算基准的指标是指示性指标。,用指示功、平均指示压力和指示功率评定循环的动力性。,用指示热效率、指示燃油消耗率评定循环的经济性。,5.2.1 发动机的示功图,5.6 四冲程发动机的 与 图,5.2.2发动机的指示性能指标,1.

7、指示功和平均指示压力,(a) 四冲程非增压发动机 (b) 四冲程增压发动机,指示功：在气缸内完成一个循环工质对活塞所做有用功。,Fi=F1-F2 Fi=F1+F2,Wi=Fi ab/106,Wi为循环功 Fi 为示功面积， a、b为坐标比例尺。,平均指示压力,指示功,平均指示压力是指发动机一个工作循环中，发动机单位汽缸工作容积所做的指示功大小； -代表发动机对外做功能力。,2.指示功率,发动机的指示功率指发动机单位时间内所做的指示功。,3.指示热效率和指示燃油消耗率,指示热效率指实际循环指示功与所消耗的燃油热量的比值,的范围一般是 柴油机 0.430.50 汽油机 0.250.40,指示燃油消

8、耗率 ：单位指示功的耗油量。,值得大致范围是 柴油机 170200 g/(kWh) 汽油机 230340 g/(kWh),5.3 发动机的有效指标,作用在发动机活塞上的指示功要经活塞、连杆、曲轴传递到曲轴输出端的飞轮上，才能把机械功传输出去作为输出功。 有效指标：以曲轴输出功为计算基准的性能指标。 动力性指标 经济性指标,5.3.1动力性指标,1.有效功和有效功率,有效功：每循环由曲轴输出的单缸功量。 由指示功变为输出有效功，应扣除传动件的摩擦损功和各附件运转所消耗的功。实际机械损失功 。,有效功率：,注： 包含泵气损失功，无法消除。因此，把泵气损失归为机械损失,2.有效扭矩 发动机工作时，由

9、功率输出轴输出的扭矩称为有效扭矩,Pe可由测功器测得和对应转速n,由公式可得Ttq,3.平均有效压力,4.转速和活塞平均速度,的讨论：提高转速，不增加速度，要求气缸设计时，活塞行程减小。,注：平均有效压力 是衡量发动机动力性的重要参数,平均有效压力是发动机单位汽缸工作容积输出的有效功,5.3.2经济性指标,1.有效热效率 实际循环有效功与所消耗的燃油热量的比值。,2.有效燃油消耗率,注：测出Pe及B，通过上式可计算得到有效热效率,-单位有效功所消耗的燃料。,和 都可比较不同发动机和不同工况经济性，但是 更具有实际意义。,强化指标,1.升功率,2.比质量,3.强化系数,每升工作容积所发出的有效功

10、率。,已知：某型号为EQ6100-1的汽油机，其活塞行程110mm，整备质量为260Kg,以标定转速n=3000r/min运转，标定功率为105kW，最低耗油率306g/(kWh)。 求解：标定工况时的有效转矩、平均有效压力、升功率和最低耗油率时的有效热效率？（汽油低热值Hu=44000kJ/kg）,计算：,回 顾,机械损失: 发动机内部摩擦损失 驱动附件损耗 泵气损失 表示机械损失： Wm 、Pm 、 pmm、 m,5.4 机械损失与机械效率,机械损失的组成,机械摩擦损失,活塞组件的摩擦,轴承摩擦,气门机构摩擦,其他损失,辅助设备(附件)驱动功率的消耗,泵气损失,5.4.1 机械效率,机械效

11、率：有效功率与指示功率的比值,机械功率是衡量发动机机械损失的重要指标，研究机械损失的目的是为了寻求提高机械效率的有效途径。,指示热效率、有效热效率 、机械效率的关系,有效燃油消耗率和指示效率与机械效率的关系,5.4.2 机械损失的测定,1.示功图法,2.倒拖法,图5.9 发动机被倒拖时膨胀线和压缩线不重合,作用在活塞上的气体压力在膨胀行程中大幅度下降，使活塞连杆曲轴的摩擦损失有所减少 含有不应该有的泵气损失 发动机被倒拖时膨胀线和压缩线不重合出现负功,3.灭缸法,灭第一缸,灭第二缸,4.油耗线法,由指示效率的定义可导出,当发动机空转(无负荷)，若 不随负荷增减而变化时，应有,两式相除，得,测定

12、方法,负荷特性曲线保证发动机转速不变，逐渐改变发动机节气门（或供油齿条）的位置，测出每小时耗油量随负荷变化的关系，绘制成曲线,根据以上的分析，得到图中A、B两工况的关系式为,当测得其值后，其机械效率可近似地用下式估算,倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。 对于废气涡轮增压柴油机（0.15MPa），由于倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作，因而只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。 对于废气涡轮中增压、高增压的柴油机（0.15MPa），除示功图外，尚无其他适用的方法可取代,机械损失的测定方法小结,5.4.3影响机械效率的主

13、要因素,1.气缸内的最高燃烧压力 2.发动机转速或活塞平均速度 3.发动机负荷 4.润滑油品质和冷却水温度 5.发动机的技术状况,1.气缸内的最高燃烧压力,气缸内的最高燃烧压力增大，气缸内压力高，活塞环背压按比例增加，活塞与缸壁摩擦增加，摩擦损失增大； 压力高，为保证零部件的强度、刚度等，活塞、连杆、曲轴尺寸和质量增加，使得运动零部件的惯性力增大，从而导致摩擦损失增大。,2. 转速（活塞平均速度）的影响,所有机型机械效率都随转速上升而下降,为什么？,各摩擦副速度增加导致摩擦阻力增加，运动件惯性力增加，导致摩擦阻力增加，泵气损失、驱动附件消耗的功增加。,3.负荷的影响,负荷越小,机械效率越低。,

14、4. 润滑油温和冷却水温的影响,5.汽缸尺寸及数目的影响,5.4.4发动机的热平衡,1.发动机所耗燃油的热量,2.转化为有效功的热量,3.传递给冷却介质的热量,4.废气带走的热量,5.燃料不完全燃烧热损失,6.其他热量损失,图5.11 发动机的热平衡图,课后练习,已知：某型号为EQ6100-1的汽油机，其活塞行程115mm，以标定转速n=3000r/min运转，标定功率为99kW，最低耗油率为306g/(kWh)。 求解：标定工况时的有效转矩、平均有效压力、升功率和最低耗油率时的有效热效率？（汽油低热值Hu=44000kJ/kg）,解： （1）有效转矩：,（2）平均有效压力：,（L）,（Nm）,（MPa）,（3）升功率：,（4）有效热效率：,（kW/L）,