发动机原理-第二章_工作循环与性能.

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1、发动机原理 讲授内容：第二章 发动机 工作循环及性能指标 主 讲 人：邓晓亭 讲师 Email：xiaotingdeng 电 话：13851810258 第二章 发动机工作循环及性能指标 重点掌握: 1、示功图分析法 、发动机性能指标的定义、意义 和单位； 、机械效率及其影响因素。 第一节 内燃机的理想循环 要求掌握： 1、车用发动机的理想循环各是什么； 2、理想循环各由哪些过程组成； 3、影响理想循环热效率的因素； 4、车用发动机理想循环的比较。 为便于分析内燃机的实际工作过程，将内燃机的某 个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆 过程，这样得到的一个闭合循环，称为理想循环。 1、研

2、究理论循环的目的: 1)确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机经济 性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。 2)分析比较发动机不同热力循环方式的经济性和动力性 。 3)确定提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均 压力为代表的动力性的基本途径。 第一节 内燃机的理想循环 2、理想化 第一节 内燃机的理想循环 理想循环所采取的简化假定： 1 假定工质为定比热容的理想气体； 2 不计吸气和排气过程（工质的总质量保持不变） ，假设工质是在闭口系统中作封闭循环； 3 压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程； 4 把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，简化 为等容加热过程或等压加热过程； 5 排气中的

3、实际放热过程简化为等容放热过程； 6 忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为可逆 过程，即假设循环过程为可逆循环。 3、实际循环及理想化 实际工作过程： 进气、压缩、燃烧、膨胀、排气 第一节 内燃机的理想循环 1）汽油机的理想循环： 汽油机燃烧迅速温度和压力 增长快速 等容加热循环 2）低速柴油机的理想循环： 低速柴油机燃烧压力限制压 力一定 等压加热循环 3）高速柴油机的理想循环： 高速柴油机先定容再定压 混合加热循环 4、汽油机的理想循环 1-2的压缩过程绝热压缩； 2-3的燃烧过程等容加热； 3-4的膨胀过程绝热膨胀； 4-1的排气过程等容放热。 等容加热循环的热效率： =V1/V2-压

4、缩比； k-绝热指数。 -等容加热循环 Q2 Q1 5、低速柴油机的理想循环-等压加热循环 1-2的压缩过程绝热压缩； 2-3的燃烧过程等压加热； 3-4的膨胀过程绝热膨胀； 4-1的排气过程等容放热。 等压加热循环的热效率： =V3/V2 预膨胀比 Q2 Q1 6、车用柴油机的理想循环 -混合加热循环 混合加热循环的热效率: 1-2的压缩过程绝热压缩； 2-3的燃烧过程等容加热； 3-4的燃烧过程等压加热； 4-5的膨胀过程绝热膨胀； 5-1的排气过程等容放热。 =V1/V2-压缩比,=P3/P2 -压力升高比， =V4/V3 -预胀比，k-绝热指数. Q1 Q1 循环名称循环热效率循环特点

5、 等容加 热循环 加热过程在等容条件下很快 完成，热效率仅与压缩比有 关 等压加 热循环 加热过程在等压条件下缓慢 完成，负荷的增加使得热效 率下降 混合加 热循环 介于上述两者之间 三种理论循环的比较 二、影响内燃机理想循环的主要因素 分析循环的主要目的是找出影响循环热 效率的因素，找到提高热效率的途径。 常用的方法有： 1、解析法： 从循环热效率的公式出发进行分析。 2、图示法： 由PV图、TS图入手分析。 1、压缩比的影响 压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。 由热效率的公式： ,提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩 大了循环温差和膨胀比, t。 当压缩比较小时，热 效率随

6、压缩比的增加 显著增大；当压缩比 较大时，热效率随压 缩比的增加增大较少 。 由试验曲线看出: 2、k的影响 由公式看出， kt（混合气较稀,k较大） k取决于工质的性质，双原子气体为1.4；多原子( 排气成分)为1.33；多原子（混合气）1.32-1.4。 柴油机热效率高的四 个要素： 压缩比高； 混合气绝热指数高 ； 泵气损失小； 燃烧完全 3、的影响 (1) 对定容加热循环，t不变 当一定时，要使，必须增加加热量Q1，由于定容加热和 定容放热两个过程斜率相同， Q2/Q1不变。其对效率没有改善 ，但动力性能改善了，循环平均压力Pt增大了。 (2) 对混合加热循环，t Q1不变，值增大（Q

7、1v）则 相对的减少了Q1p所占的比例，即 ，而Q2减少，使整个循环的热 效率会增大。 但Tz Pz，零件的热 负荷和机械负荷，受零件耐温和 强度限制不能过高。 4、的影响 （1）对等压加热循环，t。( Q2) （2）对混合加热循环， Q2 t 从理论循环的分析可知，提高压缩比和 压力升高比对提高循环热效率T起着有利的 作用，但发动机实际工作条件约束和限制循 环热效率提高。 1) 零件的强度和可靠性的限制; 2) 机械效率的限制; 3) 燃烧方面的限制。 比较图中各循环加热过 程所对应的面积， 得出：Q2p Q2mQ2v 所以：tvtmtp 三、活塞式内燃机理想循环的比较 1、在等压缩比 、等

8、加热量Q1条件下 等容加热循环热效率最高， 而等压加热循环的均最低。 欲提高混合加热循环的热效 率 ，应增加混合加热循环的等 容部分。 2、在等加热量Q1、循环最高压力Pz相等条件下 比较图中各循环加热过 程所对应的面积， 得出：Q2vQ2mQ2p 所以：tptmtv 理论上说明，柴油机的 热效率要高于汽油机的 热效率。 3、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下 在T-S图上比较三种循 环的加热量和放热量， 可以看出： 放热量q2都相同，而 加热量为： Q1pQ1mQ1v 所以： tptmtv 实际内燃机中，由 于压缩比选取的不同， 有：tm tptv 第二节 发动机的实际循环 发动机的实际

9、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-示功图。 四 冲 程 柴 油 机 图 四 冲 程 汽 油 机 图 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 Vh-气缸的工作容积 TDC-上止点 BDC-下止点 r 五个工作过程 1、进气过程 2、压缩过程 3、燃烧过程 4、膨胀过程 5、排气过程 r 发动机实际循环与理论循环的比较 1、实际工质的影响 实际工质影响引起的损失：

10、Wk 2、换气损失 泵气损失： Wr 提前排气损失：W 3、燃烧损失 非瞬时燃烧损失 和补燃损失：Wz 不完全燃烧损失 高温热分解损失 4、传热损失 传热、流动损失Wb 5、缸内流动损失 Wk 实际工质影响引起的损失； Wz 非瞬时燃 烧损失和补燃损失； Wr换气损失； Wb 传热 流动损失；W提前排气损失 发动机实际循环与理论循环的比较 1、实际工质的影响 Wk 比热 理论上: 定比热 实际上: 温度T比热C 工质性质 理论上: 理想气体，双原子气体 实际上: 燃烧前: 燃料+空气； 燃烧后: 燃烧产物。 2、换气损失 Wr + W 理论上: 忽略进、排气过程 实际上: 进、排气门提前开启，

11、迟后关 闭，且有流动阻力。 泵气损失：换气损失中逆向循环所包 围的面积。 提前排气损失：排气门在下止点前 提前开启而产生的损失。 3、燃烧损失 补燃损失 理论上: 加热瞬间停止，膨胀过 程无加热。 实际上: 虽大部分(80%以上)燃 料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有 小部分燃料会拖到膨胀线上才燃 烧，做功效果变差，热效率下降。 不完全燃烧损失 实际循环中有部分燃料、空气混 合不良，部分燃料由于缺氧产生不 完全燃烧损失。 4、传热损失 Wb 理论上: 压缩、膨胀过程为绝热过程 实际上: 大量热量通过汽缸壁传给冷 却水或空气。 传热损失是发动机中的最大损失， 占总损失量的30%以上。因此，许多 研究者

12、致力于开发绝热发动机。 5、缸内流动损失 理论上: 闭口系统，没有气体流动损 失。 实际上: 进、排气节流沿程损失，缸 内进气、挤压、燃烧涡流损失。 发动机实际循环与理论循环的比较 3、燃烧损失 高温热分解损失 例C+OCO +热量 +OCO2+热量 其中 CO 为中间产物，CO2 为最 终产物。若遇高温，则会发生复分解 反应，即高温分解: CO2CO+O-热量 这部分热量虽然在膨胀过程中还 可能会释放出来，但由于活塞已接近 下止点，做功效果变差，热效率下降 。 减少各项损失，提高实际循环热效率，改善发动机性能 ，是研究发动机循环的目的。结论： 1）汽油机的理论循环热效率低于柴油机的； 2）实

13、际工质比热容变化引起的损失占较大的比例； 3）对于汽油机，不完全燃烧损失主要是由于采用浓混合气 造成的，所以采用稀混合气是汽油机减少损失的途径之一。 对于柴油机，不完全燃烧主要是混合气形成及燃烧组织不完 善引起的，是柴油机应改善之处。 发动机理论循环热效率和实际循环指示热效率值的范围： 理论循环热效率： 0.54-0.58 0.64-0.67 实际循环指示热效率： 0.30-0.40 0.40-0.45 汽油机 柴油机 第二节 内燃机的性能指标 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

14、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 顺时针 正功-循环指示功,F1 逆时针 负功-泵气功-机械 损失功,F2 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Fi=F1-F2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、指示功（或循环指示功）： 指示功反映了发动机在一个工作循环中获得的有用功 数量，它除了与循环中热功转换的有效程度有关外，还

15、与 气缸容积大小有关。 1）定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。 pmi=Wi/Vh (kpa) Wi=pmiVh =(pmiD2h)/4 D和h分别为气缸直径和活塞行程。 2）单位：Wi（J），Vh（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=700-1430kpa 柴油机:pmi=600-1100kpa 增压柴油机:pmi=850-2600kpa 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； Vh（L）汽缸工作容积。 当时： Wi，pmi，Pi，动力性指标 。 定义：单位时间内所做的指示功，Pi, kW。 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经济性指标。 四、指示热效率i 定义：实际循环指示功Wi与所用燃油的发热 量Q1之比值,用i表示。 Pi 指示功率kW； Hu 燃料低热值kJ/kg； B 每小时的燃油消耗量kg/h；