内燃机 第一章综述

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1、* / 1 第一章 内燃机工作循环与性能指标 l内燃机的理论循环 l四行程内燃机的实际循环 l指示性能指标与有效性能指标 l机械损失 l提高内燃机动力性和经济性放的途径（略 ） l内燃机的热平衡（略） * / 2 一、内燃机的理论循环 压缩、膨胀过程简化为可逆绝 热过程； 燃烧过程简化为定容加热过程 和定压加热过程，排气放热简 化为定容放热过程； 假定工质为定比热的理想气体 ,忽略气体成分变化； 忽略进、排气过程,工质在闭 口系统中作封闭循环； 1.实际循环的简化： * / 3 2. 内燃机的三种基本理论循环 （1） 混合加热循环：高速非增压柴油机（车用柴油机） 一、内燃机的理论循环 * /

2、4 一、内燃机的理论循环 （2） 汽油机定容加热循环（Otto 循环） * / 5 一、内燃机的理论循环 （3） 定压加热循环（Diesel 循环）： 大型低速柴油机（船舶用柴油机） * / 6 3. 理论循环及其分析 （1） 特征参数： . 压压力升高比： .压缩压缩 比： . 预胀预胀 比： 一、内燃机的理论循环 * / 7 .混合加热热循环环： 一、内燃机的理论循环 （2） 循环热效率： . 定容加热热循环环： . 定压压加热热循环环： * / 8 （3）影响热效率的因素 .压缩压缩 比：提高，可以提高循环环平均吸热热温度，降低循环环平均 放热热温度 一、内燃机的理论循环 . 绝热绝热

3、指数k， 取决于工质质的性质质， 双原子气体max=1.4。 t, l工质质原子数； l混合气浓浓度 。 一、内燃机的理论循环 . 压压力升高比 ： （、 Q1）一定，Q2t。 但是()（）， 因而零件的热负热负 荷和机械负负荷都受 零件耐温和强度限制不能太高。 . 预预膨胀胀比： a、定压压加热热循环环，一定， Q1 t 因为为后加入热热量膨胀胀不充分，排给给冷源热热量Q2。 b、混合加热热循环环，（、Q1）一定， 等压压加热热部分t。 一、内燃机的理论循环 * / 11 T T s s 4v 5v 4p 5 5 p 4m 1 1 2 2 3 3 5 5 m （5）加热热量相同时时三种基本循

4、环环比较较 .同一机型不同加热模式的对比（压缩比相同） ： 压缩压缩 比相同 加热热量Q1相同 初态态1相同 一、内燃机的理论循环 * / 12 . 循环最高压力相同： 加热热量Q1相同 初态态1相同 循环环的最高压压力相同 T T s s 2 2p p 4 4p p 5 5p p 5 5 mm 4 4 mm 1 1 2 2 mm 3 3 mm p p maxmax 2 2v v 4 4v v 5 5v v 一、内燃机的理论循环 * / 13 4. 循环平均压力：单位气缸工作容积所作的循环功 。 一、内燃机的理论循环 （1）混合加热循环： （2）定容加热循环（=1）： （3）定压加热循环（=1

5、）： * / 14 3. 理论循环及其分析 （1） 特征参数： . 压压力升高比： .压缩压缩 比： . 预胀预胀 比： 一、内燃机的理论循环 * / 15 l继续膨胀循环（涡轮增压理论循环） 脉冲涡轮增压：从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续 膨胀，充分利用废气中的脉冲能量。但供给涡轮的能 量变化大，涡轮效率较低，当T工质 质，工质 质吸热热，nk； l某一瞬间间 T璧=T工质 质，n=k； l后期，由于T璧p0，p= pr-p0 用来克服排气系 统统有阻力，阻力越大，排气终终了的压压力pr愈 大，残留在气缸中的废废气就愈多。排气温度 Tr低，说说明燃料燃烧烧后，转变为转变为 有用功的 热热量多

6、，工作过过程进进行得好。 . 排气终终了的压压力（MPa）、温度（K） ： 汽油机和柴油机 pr=（1.051.2）p0 废废气涡轮涡轮 增压压柴油机 pr=（0.751.0) pk 汽 油 机 Tr=9001100 柴 油 机 Tr=700900 二、四冲程内燃机的实际循环 （1）实际实际 工质质的影响: a. 性质质: 理论论上: 理想气体。 实际实际 上: 燃烧烧前: 燃料+空气 ； 燃烧烧后: 燃烧产烧产 物。 b. 比热热:理论论上: 定比热热 实际实际 上: 温度T 比热热c c. 数量：理论论上: 不变变 实际实际 上: 泄漏 减少 结结果：燃烧烧最高压压力pz和最高温 度参数T

7、z降低，循环环有用功减少 。 （2） 换气损失：由于更换工质而 消耗的功 l理论上: 忽略进、排气过程 。 l排气门早开，造成膨胀功损 失。 l排气功损失和吸气功损失 二、四冲程内燃机的实际循环 （3） 传热损失(总加热量的6) 实际循环并非绝热过程, 通过气 缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向 外散热。 l 压缩过程: 前期吸热, 后期散 热, 使压缩线略下降(有利)。 l 燃烧及膨胀过程: 温差大, 散 热强烈, 使pz和膨胀线下降(不利) 。 l 减少的有用功大于增加的有用 功, 使动力过程功减小。 二、四冲程内燃机的实际循环 （4）时间损失 实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成 ： l存在点火

8、(喷油)提前，压缩负功增加 ，使有用功面积下降，t。 lpz出现在TDC后10CA，而非等容加热， 最高压力下降，使有用功面积减小。 （5）后燃及不完全燃烧损失 l部分燃油在膨胀冲程继续燃烧 l缸内混合气浓度不均匀，存在过浓 和过稀区域。 l燃油附着于进气道、燃烧室壁面 二、四冲程内燃机的实际循环 总结总结总结总结 ： l 由于工质质和循环环方面的差别别，使 得: 理论论循环环t -实际实际 循环环t =1020百 分点 l 两者之间间的差别别指出了改善内燃 机t的基本原则则 二、四冲程内燃机的实际循环 l 指示指标与有效指标 （1）以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示指示(Indicat

9、ed)(Indicated)指标指标 n 基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏 n 用于理论分析和科研 （2）以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效有效(Brake/Effective)(Brake/Effective)指标指标 n 由试验测出，直接反映产品最终性能 n 用于产品开发、生产和使用当中 只有与作功有关的指标，如功、功率、油耗、平均压力、 热效率等才有“有效”与“指示”之分 三、指示性能指标 p- 图 E I IE TDC TDC TDC BDC BDC 纯压缩线 0 180360540720 CA p pz p0 压力图/ 展开示功图 TDC TDC - Top Dea

10、d Center；BDC BDC - Bottom Dead Center； IVO IVO - Intake Valve Open；IVC IVC - Intake Valve Close； EVO EVO - Exhaust Valve Open，EVC EVC - Exhaust Valve Close 1.指示功Wi : 定义：一个实际循环工质对活塞所做的有用功 计算：示功图中封闭曲线所包围的环积分面积。 三、指示性能指标 指示功指示功(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2 与泵气有关的功：与泵气有关的功： n n实际泵气功实际泵气功( (泵气过程功泵气过程功) ) 由于流动存在阻

11、力，进气压力 低于大气压，排气压力高于大 气压力，两过程缸内气体对活 塞做功之代数和为实际泵气功 W2+W3 负功 n n 泵气损失泵气损失(Pumping (Pumping loss)loss) （实际泵气功理论泵气功 ） W2+W3 负功 进气压力pd 大气压力p0 排气压力pe 大气压力p0 自然吸气(natural aspirated)发动机作功分析 三、指示性能指标 2. 平均指示压力pmi (Indicated Mean Effective Pressure, IMEP) 定义定义：单位气缸工作容积所作的指示功。 n 指示功可以认为是一个假想不变的压力一个假想不变的压力pmi作用在

12、活 塞上，使活塞移动一个冲程所作功 n平均指示压力反映发动机作功能力的大小(单位体积 作功量大小J/m3)和强化程度。使不同发动机实际循环使不同发动机实际循环 的动力性具有可比性的动力性具有可比性 三、指示性能指标 3.指示功率Pi (Indicated power) ：发动机单位时间所做的指示功。 三、指示性能指标 i发动发动 机的气缸数； n发动发动 机转转速 (r/min）； 行程数。 四行程=4； 二行程=2。 * / 38 （1）指示热效率i ：实际循环指示功Wi与所消耗的燃料热量 Q1之比。 三、指示性能指标 3. 指示热效率与指示燃油消耗率 Hu燃料低热值热值 ，kJ/kg; P

13、i指示功率，kW； B每小时时燃油消耗，kg/h * / 39 （2）指示燃料消耗率bi（简称指示比油耗）：单位指示功的耗 油量，通常以每千瓦小时的耗油量表示g / (kw.h)。 三、指示性能指标 3. 指示热效率与指示燃油消耗率 四行程内燃机的i 和bi大致范围： i big/（kw.h） 汽油机 0.30.4 205320 柴油机 0.40.5 170205 1.动力性能指标 （1）有效功率Pe：曲轴对外输出的功率，称为有效功率， 指示功率Pi不能完全对外输出，存在机械损失功率Pm: 1）运动件的摩擦损失， 6275% Pm 2）驱动附机的损失， 1020% Pm 3）泵气损失， 102

14、0% Pm 发动机有效功率Pe由试验测得: Ttq有效转转矩，N.m n 曲轴转轴转 速，r/min 四、有效性能指标 （2）平均有效压力Pme(MPa）：单位气缸工作容积输出的有 效功,即 Ttqpme : pme 反映 了发动发动 机单单位气缸 工作容积输积输 出转转矩 的大小。 四、有效性能指标 范围： 汽油机 0.71.3 MPa 柴油机 0.61.0 MPa 增压柴油机 0.92.6 MPa （3）转速n和活塞平均速度Cm ln单位时间的做功次数 Pe，但活塞平均速度Cm =Sn/30(m/s) 惯性力以下影响： 惯性力引起的机械应力 摩擦(磨损) 热负荷 噪声 l一般汽油机Cm 1

15、8m/s，柴油机Cm 15m/s。 l为了提高转速又不使Cm过大，可减小行程S，一般用行程 缸径比（S/D）表示。当 S/D1时，常称为短行程。 四、有效性能指标 2. 经济性能指标 （1）有效热效率e：有效功We与所消耗燃料热量Ql之比值 （2）有效燃料消耗率be:单位有效功的耗油量（简称比油耗） （3） e越高， be越低，内燃机的经济性越好 （4）范围： e beg/(kw.h) 汽油机 0.250.3 270325 柴油机 0.30.45 190285 四、有效性能指标 3. 发动机强化指标 升功率PL和比质量me 升功率PL (kWL)：标定工况下，发动机每升工作容积所 发出的有效功率。 比质量me （kgkW）是发动机的质量m与所给出的标定 功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性。 范围： PL（kW/L） me（kgkW） 汽油机 3070 1.14.0 汽车柴油机 940 2.59.0 四、有效性能指标 （1）排放性能 1排出有害气体 :CO、HC、NOx。 2排气微粒：颗 粒大于0.0