第一章内燃机原理

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1、 内燃机原理 第一章 发动机的性能 掌握发动机理想循环与实际循环的差异 熟悉指示指标 有效指标和机械损失 了解燃 烧热化学和着火方式 掌握过量空气系数和分 子变更系数 发动机性能 n经济性 动力性 可靠耐久性 使用维 修性 排放噪声性以及加工工艺性等各 个方面 本章主要内容 n发动机的理论循环和实际循环 n评定发动机性能的参数 n发动机的热平衡 第一节 发动机理论循环 发动机理论循环 定义 发动机的理论循环是将非常复杂 的实际工作过程加以抽象简化 忽略 一些因素 所得出的简化循环 意义 通过对理论循环的研究 可以清 楚地确定影响性能的某些重要因素 从而找到提高发动机性能的基本途径 三种空气标准

2、循环 n定容加热循环 汽油 机 n 定压加热循环 高增压 和低速大型柴油机 n混合加热循环 高速 柴油机 标准循环的简化条件 n假设工质是理想气体 n假设工质是在闭口系统中作封闭循环 n假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程 n假设燃烧是外界无数数个高温热源定容 或定压向工质加热 工质放热为定容放 热 三种空气循环的P V图比较 循环热效率 n定义 工质所做循环功W J 与循环 加热量Q1 J 之比 n意义 评定循环经济性 循环热效率 n按工程热力学公式 混合加热循环的热 效率为 循环热效率 n 定容加热循环 1 热效率为 n定压加热循环 1 热效率为 1 1 1 1 1 r h r e K K

3、KtP 影响热效率的因素 n压缩比 n 绝热指数K n 压力升高比 n预膨胀比 三种循环热效率的比较 n循环总加热量相同时 定容加热循 环热效率最大 定压加热循环热效 率最小 n最高压力相同时 定压加热循环热 效率最大 定容加热循环最小 循环平均压力pt 定义 单位气缸容积所做的循环功 用 来评定循环的做功能力 式中 W 循环所做的功 J Vs 气缸工作容积 L 第二节 四行程发动机的实际循环 四行程发动机的实际循环 包括 进气 压缩 燃烧 膨胀和排气 四行程发动机示功图 一 进气过程 n进气过程 r a线 此时进气门打开 排气门关闭 活塞由上止点向下止点移动 n一般进气终点的压力Pa和温度T

4、a的范围是 汽油机 Pa 0 8 0 9 P0 Ta 340 380K 柴油机 Pa 0 85 0 95 P0 Ta 300 340K 增压柴油机 Pa 0 9 1 0 Pk Ta 320 380K 汽车发动机增压压力 Pk 1 3 2 0 P0 二 压缩过程 n压缩过程 a c线 进排气门均关闭 活塞由下止点向上止点 移动 缸内工质受到压缩 温度 压力不断上升 n压缩终了的压力和温度的大致范围是 Pc MPa Tc K 汽油机 0 8 2 0 600 750 柴油机 3 0 5 0 75O 1OOO 增压柴油机 5 0 8 0 9O0 1100 n 的大致范围是 汽油机 7 10 柴油机 1

5、4 22 增压柴油机 12 15 三 燃烧过程 一 n燃烧过程 c z线 的作用是将燃料的化学能转变为 热能 使工质的压力 温度升高 放出的热量越多 放热时越靠近上止点 热效率越高 此时进排气 门均关闭 活塞处在上止点前后 n 燃烧的最高爆发压力及最高温度的大致范围是 Pz MPa Tz K 汽油机 3 O 6 5 2200 2800 柴油机 4 5 9 O 1800 2200 增压柴油机 9 0 13 0 三 燃烧过程 二 n发动机实际的燃烧过程如下 四 膨胀过程 n膨胀过程中 进 排气门关闭 高温 高压的工 质推动活塞 由上止点向下止点移动而膨胀做功 气体的压力 温度迅速降低 n发动机膨胀

6、终了的压力和温度的大致范围是 Pb MPa Tb K 汽油机 0 3 0 6 1200 1500 柴油机 0 2 0 5 1000 1200 五 排气过程 n当膨胀过程结束时 排气门打开 活塞由下 止点返回上止点移动 将气缸内的废气排除 n排气终了的压力和温度的范围是 汽油机和柴油机 Pr 1 05 1 2 P0 废气涡轮增压柴油机 Pr 0 75 1 0 Pk 汽油机 Tr 900 ll00 柴油机 Tr 700 900 第三节 实际循环的评定 指示指标 两类指标的比较 n指示指标 i 以工质在气缸内对活塞做功为基础 评 定实际循环质量的好坏 n有效指标 e 以曲轴对外输出的功率为基础 代表

7、整 机的性能 指示指标 平均指示压力 pmi Wi 一个实际循环工质 对活塞所做的有用功 称为指示功 KJ Vs 气缸工作容积 L 指示指标 平均指示压力 pmi n以一个假想的 大小不变的压力作用在活塞 上 使活塞移动一个行程 其所做的功等于 循环功 则此假想的压力即为平均指示压力 pmi nPmi 的物理意义是单位气缸工作容积的指示功 汽油机 0 8 1 5 MPa 柴油机 0 7 1 1 MPa 增压柴油机 1 0 2 5 MPa n与循环平均压力 pt 的比较 指示指标 指示功率 pi Ni n循环指示功 Wi kJ 可以写成 n发动机指示功率 Pi kW 指示指标 指示热效率 i n

8、指示热效率 i n指示热效率 i 的范围 汽油机 0 3 0 4 柴油机 0 4 0 5 n与循环热效率 t 的比较 指示指标 指示比油耗 bi gi n指示燃料消耗率 简称指示比油耗 是指单位指示功的耗油量 n单位 g Kw h 汽油机 205 320 柴油机 170 205 第四节 发动机经济性和动力性的评定 发动机经济性和动力性 有效指标 n发动机的指示功率Pi 并不能完全对外输出 n功在发动机内部的传递过程中 不可避免 有损失Pm 这些损失包括 运动零件的摩擦损失 驱动附属机构的损失 泵气损失 动力性指标 有效功率 Pe Ne Pe Pi Pm Pm 机械损失功率 Pe 有效功率 可由

9、试验求得 动力性有效指标 有效扭矩 Ttq Me n由功率输出轴输出的扭矩称为有效 扭矩Ttq 它与有效功率Pe kW 之间的关系是 动力性指标 平均有效压力Pme n发动机单位气缸工作容积输出的有效 功 与有效功率Pe 之间的关系是 n与平均指示压力 Pmi 的比较 nPme值大 说明单位气缸工作容积对 外输出的功多 做功能力强 动力性指标 转速n和活塞平均速度Cm n提高发动机转速 n 即增加单位时间 的做功次数 从而使发动机体积小 重 量轻和功率大 n活塞平均速度Cm nCm与曲柄连杆机构的惯性力 磨损 寿 命相关 一般汽油机不超过18m s 柴油 机不超过13m s 动力性指标 转速n

10、和活塞平均速度Cm nn Cm S D值的大致范围是 n r min Cm m s S D 小客车汽油机 5000 8000 12 18 0 7 1 0 载货车汽油机 3600 4500 10 15 0 8 1 2 汽车柴油机 2000 5000 9 15 0 75 1 2 增压柴油机 1500 4000 8 12 0 9 1 3 经济性指标 有效热效率 e n指示热效率 e n指示热效率 e 的范围 汽油机 0 25 0 3 柴油机 0 3 0 45 n与循环热效率 i 的比较 经济性指标 有效燃油消耗率be ge n有效燃料消耗率 简称比油耗 是指单位有效 功的耗油量 n单位 g Kw h

11、 汽油机 270 325 205 320 柴油机 190 285 170 205 n与指示燃料消耗率的比较 发动机强化指标 n升功率PL kW L n比质量me kg kW n强化系数Pme Cm MPa M s PL me PmeCm 汽油机 30 70 1 1 4 0 8 17 汽车柴油机 18 30 2 5 9 0 6 11 拖拉机柴油机 9 15 5 5 16 9 15 第五节 发动机的环境指标 环境指标 n排放性能 一氧化碳 CO 碳氢化合物 HC 氮氧化合 物 NOx 微粒 n噪声 第六节 机械损失 机械效率 m n有效功率和指示功率的比 n联系两类指标的纽带 机械损失的分配情况

12、机械损失名称 占Pm的百分比 占Pi的百分比 n摩擦损失 62 75 8 20 n驱动各种附件损失 10 20 1 5 n带动机械增压器损失 6 10 n泵气损失 10 20 2 4 n总功率损失 10 30 机械损失的测定 n倒拖法 汽油机 n灭缸法 多缸非增压柴油机 n油耗线法 柴油机 机械损失的影响因素 n气缸直径和行程 n摩擦损失 n转速 n负荷 n润滑油品质和冷却水温度 第六节 热平衡 实际循环的热平衡 n实际工质影 响 n换气损失 n燃烧损失 n传热损失 热量分配的大致情况 名 称 汽油机 柴油机 理论循环热效率 t 0 54 0 58 0 64 0 67 指示热效率 i 0 30 0 40 0 40 0 45 工质比热容变化 0 10 0 12 0 09 0 10 燃烧不完全及热分解 0 08 0 10 0 06 0 09 传热损失 0 03 0 05 0 04 0 01 提前排气 0 01 0 01 发动机的热平衡图 能量传递过程 Hu B Pi Pe i t 实际工质影响 燃烧损失 传热损失 m 摩擦损失 泵气损失 驱动附件损失