《内燃机原理第三章 工作循环与能量利用综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《内燃机原理第三章 工作循环与能量利用综述（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 掌握理论论循环环模型及影响循环环效率的因素； 掌握工质质属性对对循环环效率的影响； 掌握从理论论循环环到实际实际 循环环的能量损损失情况； 掌握ICE机械损损失的构成及机械效率的测测量方法； 了解现现代ICE的能量利用状况； 掌握提高ICE热热效率的技术术措施。 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）。 工质 循环模式 对
2、对ICE工作过过程的研究只能建立模型，进进行定性分析！ 三种循环模式： 理论论循环环（Theoretical Cycle） 工质质理想气体 循环环理想循环环 理想循环环（Ideal Cycle） 工质实际气体 循环理想循环 真实实循环环（Real cycle） 工质实际气体 循环真实循环 一、理论论循环环（ 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）
3、加热热循环环 等压压（isobaric）加热热循环环 等容等压混合加热循环 TDCBDC a r c z b 等容加热热循环环奥托循环环（Otto Cycle) 早期ICE活塞 运动动速度低， 汽油机接近 等容加热热循环环 a c z b T-S图图 TDCBDC a r zc b 等压压加热热循环环狄赛赛尔循环环（Diesel Cycle） 早期ICE活塞 运动动速度低， 喷喷油压压力低， 持续时间长续时间长 ， 柴油机接近 定压压加热热循环环 现现代的低速 大功率柴油 机（船舶） 可简简化为为等 压压加热热循环环 a c z b T-S图图 TDCBDC ar z c z， b 混合加热热
4、循环环（Sabathe Cycle） 现现代ICE活塞 运动动速度高， 喷喷油压压力高， 均为为混合加 热热循环环 a c b T-S图图 z z TDCBDC c z b z， TC-ICE的Sabathe循环环 a r r,a, 循环效率 Otto循环环循环环效率: Diesel循环环循环环效率 : Sabathe循环环循环环效率: 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 l压缩比的影响 增大压缩压缩 比可以 提高ICE的循环环 效率； 压缩压缩 比由8增加 为为12，热热效率 提高1015， 压缩压缩 比20，热热
5、 效率提高不明显显。 a cb z c z b 同等吸热量时： z z l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。 z z a c bb a c 提高等容度，可以提高ICE的循环环效率 吸热量相同 等容度提高 在预预膨胀胀比一定时时，压压力升 高比对对循环环效率影响不大。 在压压力升高比一定时时，减小 预预膨胀胀比，会显显著提高循环环 效率。 等压过压过 程 等 容 过过 程 pICE接近等容燃烧烧（高等容度），可以得到高循环环效率； 分析： pCI-ICE负负荷增大，循环喷环喷 油量加大，燃烧时间烧时间 加长长， 预预膨胀胀比加大，等容度下降，循环环
6、效率降低； pEFI的SI-ICE把按照化学计计量比混合气进进行控制，火焰传传播 速度快，等容度高，可得到较较高的循环环效率。 pCI-ICE多次喷喷射技术术会降低循环环效率。 pCI-ICE高压喷压喷 射技术术会提高循环环效率； l绝热绝热 指数 提高绝热绝热 指数， 可以提高循环环效率。 吸热量相同 增大， 、 减小、 工质质温升增大，放热热 量减小，循环环效率提高 理论论循环环研究的意义义 l提供ICE之间间性能比较较的理论论依据 l提供了改善ICE性能的原则则和方向 p同一机型不同加热热模式比较较 压缩压缩 比、工质质吸热热量相同，吸热热形式不同 p在允许许的条件下, 尽可能提高压缩压
7、缩 比 , 尤其是汽油机； p 合理组织组织 燃烧烧, 提高循环环加热热等容度（减少预预膨胀胀比、 合理选择选择 燃烧烧始点、压压燃同时时着火 ）； p保证证工质质具有较较高的等熵熵指数（稀燃 ）。 zp bp a c 更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率 zm bm zv bv 更高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率 zv bv n不同机型比较 zp bp a cp bm zm cm 最高爆发压力相同， 吸热量相同，压缩比不同 cv 理论论循环环下SI-ICE和CI-ICE比较较 lCI-ICE压缩压缩 比远远高于SI-ICE，CI-ICE具有更高的循环环效率， 表现现出更好的
8、动动力性和经济经济 性； lCI-ICE的 比SI-ICE低15% 25%； l中、小负负荷CI-ICE的 比SI-ICE低30% 50% pCI-ICE负负荷质调节质调节 ，负负荷减小，喷喷油量减少 负荷 pSI-ICE负负荷量调节调节 ，负负荷减小，混合气量减少 负荷火焰传传播速度 二、理想循环环（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 压缩过压缩过 程：空气+燃料蒸气+废废气 膨胀过胀过 程：废废气+空气 工质热质热 力参数与温度、成分、分子结结构等有关 l工质特性参数对循环效率的影响程度； lICE提高循环环效率最高限度。 相对热效率：真
9、实循环循环效率与理想循环循环效率之比。 l最高燃烧温度 p比热热容 真实工质对循环效率的影响 T/K cV、cp/(kJ/kg.k) k cV cp k R 多原子分子数 在相同加热热量下，燃烧烧温度越高，工质质比热热容升高越多， 绝热绝热 指数下降越多，循环环效率偏离理论论循环环效率越远远。 高温时时，原子间间的结结合力减弱，产产生热热裂解吸热热 p工质质的高温裂解 2CO22CO+O22H2+O22H2O 膨胀过胀过 程温度、压压力下降，进进行逆向反应应放热热 放热时间热时间 延长长 高温裂解吸热热 2H2O+O24OH2H2 H2 2OO22NON2+O2 燃烧烧温度越高、压压力越小，热
10、热裂解越严严重 SI-ICE高温裂解程度CI-ICE高温裂解程度 l工质分子变化数 p液体燃料ICE，分子量大，不计计燃料分子数 p气体燃料ICE，分子量小，计计入燃料分子 分子变变化数对对ICE循环环效率影响不大 l混合气浓度 未燃燃料量 多原子分子数 燃烧烧温度 k T/K 浓浓度增大 单单双原子数 空气量 燃烧烧温度 采用稀薄燃烧烧可 以得到高循环环效率 燃空当量比 循环环效率 CI-ICE比EF具有 更高的循环环效率 l残余废气系数 残余废废气量 燃烧烧速度 三原子分子数 SI-ICE残余废废气系数CI-ICE残余废废气系数 SI-ICE循环环效率较较低 ICE的EGR率越大，等容度下
11、降越多，三原子气体 含量越多，循环环效率越低。 EGR降低排放以性能损损失为为代价 理想循环环下SI-ICE和CI-ICE比较较 l大负负荷时时 l小负负荷时时 SI-ICE加浓浓 很小，CI-ICE的 很 大 在小负负荷、大负负荷工况下，SI-ICE的经济经济 性低30%50% TDC BDC 理论论循环环 理想循环环 传热传热 、流动动、不完全燃烧烧 工质质泄漏等时间损时间损 失 后燃损损失 换换气损损失 c z b b c ar 三、真实实循环环 （Real Cycle） 传热传热 、流动动、不完全燃烧烧和泄漏损损失 换换气损损失 时间损时间损 失 后燃损损失 四大损损失 工质质和循环环
12、的变变化，使实际实际 循环环效率和理论论循环环效率相差 10% 20%。 传热损传热损 失(总总加热热量的6) 真实实循环环并非绝热过绝热过 程, 通过过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶顶面 向外散热热。 散热热量： 式中： 压缩压缩 行程：前期吸热热， 后期散热热， 使压缩线压缩线 略下降有利 Fw 散热热面积积， Fw =f（）； 传热传热 系数； T缸内工质质温度， T= f（）； Tw 燃烧烧室壁面温度。 作功行程：温差大， 散热热强烈， 使pz和膨胀线胀线 下降不利 作功行程压压力线线下降幅度远远大于压缩线压缩线 动动力过过程功减小 时间损时间损 失 实际实际 燃烧烧及向工质质加热热不可能
13、瞬间间完成 l点火(喷喷油)提前，使有用功面积积下降，循环环效率下降； lpz出现现在TDC后1015CA，非等容加热热，有用功面积积减小。 换换气损损失 l排气门门早开，造成膨胀胀功损损失； l泵泵气损损失功（W2W3）。 不完全燃烧损烧损 失 l正常燃烧时烧时 ，也有c100%； l不正常燃烧烧、a 1等， t 下降较较大。 缸内流动损动损 失 流动动增强以及提高涡涡流与湍流程度， t 下降 原因：流动动造成能量损损失、散热损热损 失 流动损动损 失，非直喷喷式柴油机直喷喷式柴油机 工质质泄漏损损失 工质质和循环环方面的差异，使得： 理论论循环环效率实际实际 循环环效率 =1020百分点
14、曲轴轴箱窜窜气造成的工质质泄露，损损失相对较对较 小。 该该差别别是改善ICE循环环效率的基本原则则 机械损失各 部分所占份额 SI CI SI CI SICI 1800 200 1800 600 3600 400 转转速 平均有效压压力 泵气功损失 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）机械摩擦损损失 活塞组组件摩擦 轴轴承摩擦 配气机构摩擦 其它损损失 运动动件的空气动动力损损失 正时齿轮时齿轮 、链轮链轮 、带轮带轮 的传动损传动损 失 连连杆大头搅头搅 油损损失 曲轴轴箱内空气压缩压缩 和通风损风损 失 活塞连杆组件和曲轴
15、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）泵泵气功损损失 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）驱动驱动 附件损损失 SI-ICE小负负荷和高速，泵泵气损损失大 负负荷对对CI-ICE泵泵气损损失影响小 高转转速时泵时泵 气损损失高 平均机械损损失压压力/kPa 转转速/（r/min） 曲轴轴与密封 活塞连连杆组组 配气机构 油泵泵 水泵泵与发电发电 机 SI-ICE的试验结试验结 果 各种ICE标标定工况下的机
16、械效率： SI-ICE：80% 90% CI-ICE：78% 85% 增压压CI-ICE：80% 92% 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 。 示功图图法可以得到ICE的机械损损失、机械效率运行特性。 注意事项项 l准确标标定TDC位置； lNA-ICE测测量面积为积为 代表的面积积； l提高面积计积计 算离散化精度； l各个缸均需测测量。 TDC位置设设置不准确 对对机械效率有什么影响？ TDC CABDC BDC 如果：TDC位置靠前 BDC BDC TDCBDC CA BDC TDC 测得
