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1、第四章 发动机工作循环及性能指标,本章主要内容: 1、发动机实际循环 、发动机性能指标 、机械效率及其影响因素 4、发动机热平衡,第一节 发动机的实际循环,重点掌握: 1、示功图分析 、五个工作过程的特点,一、概述 发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。实际循环比理论循环复杂的多。 通常用气缸内的工质压力随气缸工作容积或曲轴转角而变化的图形（示功图）来研究。即-示功图和-,二、四行程发动机示功图,a：进气终点 c：压缩终点 z：燃烧终点 b：膨胀终点 r：排气终点 Va-气缸的总容积 Vc-气缸的压缩容积 Vs-气缸的工作容积 TDC-上止点 BDC-下止点,四 冲
2、程 柴 油 机 图,四 冲 程 汽油 机 图,三、五个工作过程,1、进气过程 2、压缩过程 3、燃烧过程化学能热能 4、膨胀过程 5、排气过程排气温度是重要参数,第二节 发动机的性能指标,重点掌握: 1、各指标的定义、单位和公式 、指示指标与有效指标的区别 3、机械损失,概述 内燃机的性能指标包括： 指示指标：据示功图求得的动力性和经济性指标 它是以工质在气缸内对活塞所做的功为基础的性能指标。 意义：用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程。 有效指标：考虑到机械损失的指标。小于指示指标 它是以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。 意义：用来评定发动机性能的好坏。,内燃机的指示指标,顺时
3、针 正功-循环指示功； 逆时针 负功-泵气功;机械 损失功,示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多少。,在气缸完成一个循环，工质对活塞所做的功，用Wi（J）表示。Wi=Pdv （Wi相当于代表的功）,一、指示功和平均指示压力 1、指示功（或循环指示功）：,1）定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。 Pmi=Wi/Vs (kpa) 2）单位：Wi（J），Vs（L），Pmi（kpa） 3）Pmi，Wi =气缸工作容积的利用程度。 4）作用：评价发动机工作循环的动力性。 5）汽油机:Pmi=800-1500kpa 柴油机:Pmi=700-1100kpa 增压柴油机:Pmi=1000-2
4、500kpa,2、平均指示压力Pmi,二、指示功率Pi,i 气缸数； Pmi 平均指示压力（kpa)； n 转数，r/min； 行程数； Vs（L）汽缸工作容积。 当时：,Pmi，Pi，动力性指标。,定义：单位时间内所做的指示功，Pi, KW。 Pi=Wi/t(N.m/s),KW,KW,三、指示燃油消耗率bi,定义：单位指示功所消耗的燃油量，用bi表示。 bi（1000B/Pi）g/kwh B 每小时的燃油消耗量，kg/h； Pi 指示功率，kw。,bi，it，经济性指标。,四、指示热效率it,定义：实际循环指示功Wi与所用燃油的发热量Q1之比值,用it表示。,Pi KW； Hu KJ/kg燃
5、料热值； B kg/h； bi g/kwh,可以看出：i1gi,标定工况下，it，bi的大致范围：,bi it 汽油机： 205320 0.300.40 柴油机： 170205 0.400.50,内燃机的有效指标,一、机械损失功率Pm和有效功率Pe 1.机械损失： 主要包括： 摩擦损失： 活塞环与缸壁间，各轴承与轴颈间，气门传动机构的摩擦等。占总损失的6075%。,驱动附属机构的能量损失 占1020%。 泵气损失： 占1020%。 2.机械损失功率Pm: 因机械损失所消耗的功率 3有效功率Ne: PePi-Pm: 曲轴对外输出的功率。,二、有效扭矩（转矩）Ttg,Pe：功率；KW Ttq：扭矩
6、；N.m n：转速；r/min,是发动机工作时曲轴输出的平均扭矩。,Ttqn,Pe=,9550,(KW),三、平均有效压力Pme,1.定义：单位气缸工作容积的循环有效功。 是评价发动机动力性的重要指标。 2.与Pe的关系：,Pme平均有效压力kpa，Vs 汽缸工作容积L 对四冲程发动机，4，,3.对于结构一定的发动机，平均有效压力Pe与扭矩Me成正比。,汽油机:Pme=700-1300kpa ； 柴油机:Pme=600-1000kpa,四、强化指标,升功率NL： 发动机每升工作容积发出的有效功率。 PLPe/(i Vs) kw/L 从有效功率的角度，衡量发动机排量利用的程度，PL越大，发动机的
7、强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。 比质量： 发动机的干质量m与所发出标定功率Pe的比值。 mem/Pe 表征重量利用程度和结构紧凑性。,3强化系数PmeCm： 平均有效压力Pme与活塞平均速度Cm的乘积 单位：MPam/s 强化系数越大，内燃机的热负荷和机械负荷越高。 强化系数范围：（MPam/s） 汽油机：817；小型高速柴油机： 611； 重型汽车柴油机： 915 升功率和比质量范围： PL（kW/L） me（kg/kW） 汽油机： 2565 1.14.0 汽车用柴油机： 2040 2.59.0 农用柴油机： 815 5.516,五、有效燃油消耗率和有效热效率,.有效燃油消
8、耗率: 单位有效功率的油耗量。 be1000B/Pe g/kwh B:每小时的油耗量,kg/h Pe:有效功率kw 有效热效率：发动机的有效功We与所消耗的燃油发出的热量Q1的比值。 etWe/Q13.6/ (be Hu)106 Wim/Q1itm be:有效燃油消耗率; Hu:燃料的低热值kJ/kg be、et是发动机的经济性能指标。,总结：,1、按评价发动机性能的不同 使用方面常用的性能指标：Pe, Ttq, be 结构设计方面常用的性能指标（强化程度指标）：PL me 2、发动机铭牌或产品说明上注明的指标，都是在标定工况下的指标。 3、动力性指标： Pe, Ttq ，Pme，PL； 经济
9、性指标：be，et，B,第三节 机械效率,重点掌握: 1、机械效率的定义和公式 2、影响机械效率的因素,一、机械效率 1.机械损失功率:发动机机械损失所消耗的功率（Pm） 2.平均机械损失压力:单位气缸工作容积的机械损失功，PmmPmi-Pme,.机械效率：指示功转变为有效功的程度。,it、et、m之间的关系,汽油机：m0.70.9；柴油机：m0.70.85；增压柴油机：m0.80.92,二、影响m的因素,1转速n 负荷一定=Pmi、Pi基本不变 n=摩擦损失 =机械损失=Pmm,图2-3 m随转速的变化关系,得: n,m 故用提高n来增加发动机的动力性指标受到限制。,使用因素：转速、负荷、润
10、滑油品质、水温等； 结构设计因素：最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。,2.负荷,负荷=Pmi,Pmm近似不 变 =mPmm/Pmi 怠速工况: Pe0 PiPm, m=0, 负荷定义：发动机的转速变化时,作用在发动机曲轴上的阻力矩。 n不变，PeTtq，PePme,故负荷可用Pe,Pme表示。 负荷率：Ttq/Ttqmax100%,3.润滑油粘度,润滑油的粘度即机油的稠稀程度。 粘度=内部摩擦=机械损失 Ni不变=m 粘度=Pmm=m 粘度过小=机油的承载能力太低=油膜破裂=发生干摩擦=烧瓦=Pmm=m 另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，导致机油粘度降低。,4.冷却水温度,冷却
11、水的温度直接影响到润滑油的温度，因而也就关系到润滑油粘度和摩擦损失的大小 使用中，发动机的冷却水温度保持在8095范围内。,图2-5 Pmm随润滑油温度变化的关系,第四节 内燃机的热平衡,发动机的热平衡： 燃油燃烧所产生的热量恒等于转变为有效功与各项散失的热量之和。 热平衡方程式: Qf=Qe+Qw+Qr+Qb+Qs,Qf:燃油完全燃烧的热量; Qe:转变为有用功的热量; （占2540) Qw:传给冷却介质的热量; （占1035) Qr:被废气带走的热量; （占2550) Qb:燃烧不完全热量损失; Qs:其他热量损失;,燃油完全燃烧的热量QfGThu (kJ/h) 转变为有用功的热量Qe3.
12、6103Ne (kJ/h) 传给冷却介质的热量QwGwcs(t2-t1) (kJ/h) (Gw通过冷却介质的流量kg/h；cs冷却介质的比热kJ/(kg)； t1、t2冷却介质入口、出口温度) 被废气带走的热量Qr(GT+Gk)(cprtr-cpktk) (kJ/h) (GT、GK每小时消耗的燃油和空气量kg/h；cpr、cpk废气和空气的定压比热kJ/(kg)；tk、tr进排气门处工质温度) 燃烧不完全热量损失QbQf(1-r) (kJ/h) (r燃烧效率） 其他热量损失QsQf(QeQwQrQb) (kJ/h),燃料燃烧的总热量仅有转变为有效功，其余的热量损失掉。其中主要由废气带走，其次传
13、给冷却水，在某些汽油机中不完全燃烧所占比例也不小。,进气过程,进气过程中，由于进气气流需克服进气系统的流 动阻力，故进气终了的压力a大气温度0 （Ta=300380K）,压缩过程,1、作用： 增大工作过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利条件。 在柴油机中，压缩后气体的高温是保证燃烧着火的必要条件。,开始 吸热 n1K 绝热 n1=K 后 放热 n1K,2、压缩过程的多变指数n1是变化的。,用一平均压缩多变指数n1代替n1，使计算的始点a和终点c的工质状态与实际循环的初、终状态相等。,n1的范围：,汽油机： n1=1.32-1.38 柴油机： n1=1.3
14、8-1.42 * n1越大，热损失越小。 * n1主要决受工质与气缸壁的传热及泄漏的影响。,3、转速与负荷对n1的影响 转速增加，工质向缸壁传热时间短，且工质泄漏减少，则n1增大； 负荷增加，工质温度增高，相对传热和泄漏减少，则n1增大。 4. 压缩终点的压力 Pc=Pa n1 kPa 压缩终点的温度 Tc= Ta n1-1 k 5、压缩比的影响及范围 汽油机中,为提高热效率,希望提高压缩比,但受到不正常燃烧的限制；柴油机中,为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及冷启动时可靠着火,需选取较高的压缩比。 汽油机：=6-9 柴油机：=14-21,燃烧过程,作用：将燃料的化学能转变为热能，放出大量的热量
15、，使工质的压力和温度升高。,*燃烧越完全，放热量越多 *放热量越多，放热越靠近上止点，则热效率越高。 * 燃烧的最高压力和温度范围： 汽油机 3.06.5 MPa 22002800 K 柴油机 4.59.0 MPa 18002200 K,膨胀过程,作用：将热能转变为机械能，推动活塞做功。,* 除有热交换和漏气损失外，还有补燃。 * 也是一个多变过程： 初期，由于补燃，吸热 n2K。,* n2取决于补燃，热交换和漏气 * 转速或负荷增加，补燃增加，热交换和漏气损失减少，n2减少。 * 向缸壁传热增加，漏气增多，n2增加。 * 柴油机膨胀终了的压力和温度均比汽油机小。,排气过程,*经历自由排气和强制排气两个阶段。 *排气终了压力Pr大于大气压力。 *排气阻力越大，排气终了压力越大，残余废弃越多。 *压缩比大，则膨胀比大，热功转换效率高，Tr越低。 *负荷或转速增加，会使Tr增大。 *排气终了温度Tr低，则转变为有用功的热量多，工作过程好。,汽油机 （1.
