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1、第一章 内燃机的性能,Engine Performance,主要内容,1.1 发动机理论循环1.2 四冲程发动机的实际循环1.3 发动机的指示性能指标1.4 发动机的有效性能指标1.5 机械损失和机械效率1.6 热平衡作业题及复习题,第一章 内燃机性能,内燃机性能指标很多,主要有： 动力性指标功率/Pe、扭矩/Ttq、转速/n； 经济性指标热效率、燃油消耗率be； 运转性能指标冷启动性、噪声和排气品质。内燃机是通过工作循环连续不断进行工作的，工作循环进行的好坏直接影响到内燃机的各项性能指标。因此、我们从内燃机的循环开始引出内燃机的各项性能指标。,1.1 发动机理论循环,内燃机的实际热力循环:是
2、燃料的热能转变为机械能的过程，由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等5个过程所组成。在这些过程中，伴随着各种复杂的物理、化学过程，同时，机械摩擦、散热、燃烧、节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在。 内燃机的理论循环:将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略一些次要影响因素，并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、化学过程如可燃混合气的准备与燃烧过程等进行简化处理，从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环.,研究理论循环的目的,1)用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，以明确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。2)确定循环热效率的理论极
3、限，以判断实际内燃机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。3)有利于分析比较内燃机不同热力循环方式的经济性和动力性。,发动机实际过程的简化,实际循环（以车用柴油机为例）进气过程:r-a （prp0pap0）,一、三种基本循环简化原则为(五个假定条件) : 封闭循环不考虑更换工质的各项损失； 压缩和膨涨过程绝热等熵不考虑传热损失； 理想工质(空气比热为常数)不考虑工质成分、数量变化的影响。 以热源向工质加热，冷原从工质吸热代替燃烧和排气不考虑燃烧和时间损失（及时性） ； 循环各过程均为可逆过程（可逆）。根据以上假定，按照加热方式的不同，内燃机可以抽象出以下三种(定容、定压、混合)基本循环。
4、,理解！,1.定容加热循环(Otto cycle),汽油机混合气燃烧迅速（容积不变时燃烧就以结束）近似为定容加热循环。r-a进气过程;a-c绝热压缩过程;c-z等容加热过程;z-b绝热膨胀过程;b-a等容放热过程。,2.定压加热循环（Diesel cycle）, 高增压和低速大型柴油机受最高燃烧压力Pzmax限制,大部分燃料在上止点后燃烧（边喷边烧）,燃烧时压力变化不显著近似为定压加热循环。r-a进气过程a-c绝热压缩过程c-z等压加热过程z-b绝热膨胀过程b-a等容放热过程,3.混合加热循环（Sabathe cycle）,高速柴油机部分燃料在上止点前燃烧、部分燃料在上止点后燃烧，近似为混合加
5、热循环。r-a进气过程a-c绝热压缩过程c-z等容加热过程z-z等压加热过程 z-b绝热膨胀过程b-a等容放热过程,二、理论循环的评定,1.经济性用循环热效率t评定：循环功Wt (J)和循环加热量Q1(J)之比。（1卡=4.1840焦耳， 即1千卡热量同427千克米的功相当） 式中： Wt -工质所做循环功（J） Q1-循环加热量(J); Q2-工质传给冷源的热量(J).,评定循环经济性,混合加热效率推倒,根据热力学公式混合加热循环的热效率：压缩比： Va：汽缸总容积； Vs ：工作容积； Vc：汽缸压缩容积。 预膨胀比：,工质被压缩的程度,气体膨胀的程度,压升比绝热指数预膨比=1时定容加热循
6、环，压升比=1时定压加热循环，,表示定容燃烧情况,其数值随气体的种类和温度而变,可知：t。 循环平均吸热温度； 循环平均放热温度； 循环温差 ； 膨胀比 。,2.影响t的因素,.压缩比的影响：,由公式,从图1-3中可知当： 18时，随着t但效果已不大。,取决于工质的性质双原子气体max=1.4。t,工质原子数；混合气浓度 。,.绝热指数k的影响,a、在定容加热循环当： 一定时，Q1 Q2顺变Q2/ Q1不变 t亦不变 。 b、在混合加热循环中： 当（、 Q1）一定时，Q2t。但是()（）， 因而零件的热负荷和机械负荷都受零件耐温和强度限制不能太高。,.压力升高比的影响 ：,a、在定压加热循环中
7、当一定时， Q1t 因为后加入热量膨胀不充分，排给冷源热量Q2。 b、在混合加热循环中当（、Q1）一定时， t。,.预膨胀比的影响：,3、动力性循环平均压力pt：,循环平均压力pt：单位汽缸工作容积所做的循环功。(J/m3),混合加热循环：,Pa压缩始点的压力MPa, 定容加热循环=1,定压加热循环=1,五个参数有关。,由上述公式可知，循环热效率和循环平均压力只和,t。,三、三种基本循环比较1、同一机型不同加热模式的对比：,压缩比相同加热量Q1相同初态1相同,定容加热循环热效率最高，而定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定容部分。,2、具有相同加热量时的比较
8、：,加热量Q1相同初态1相同循环的最高压力相同,对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率，宜按定压加热循环工作。,3、汽、柴油机负荷变化(不同加热量)时的对比：,柴油机：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部分变化不大。这相当于基本不变而0 减小，则t提高。汽油机：点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传播距离不变。当负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相当于下降而0上升，则t降低。,思考题,1、何谓理论循环热效率t ？并以循环加热量Q1，放热量Q2写出表达式。2、什么是循环平均压力Pt？3、什么是压缩比？4、内燃机有哪三种基本空气标准循环，高增压和低
9、速大型柴油简化为何种基本循环，为什么？5、当和 Q1相同时，用TS图比较定容加热循环和定压加热循环热效率的大小。6、在混合加热循环中，当 Q1和不变时，压力升高比增加循环热效率如何变化，用T-S图说明。,课外作业,1.2 四行程发动机的实际循环,按照热力学的观点把发动机的热力循环理想化、抽象化，分析影响理想循环的基本因素，找出提高效率及作功能力的途径。研究实际循环的目的，就是分析与理想循环的差异和引起各种损失的原因，以求不断改善实际循环，缩小与理想循环的差距，促进发动机的改进与发展。发动机的工作性能，常用性能指标来衡量。本课程是以动力性、经济性、排放、振动、噪声等性能为研究对象，深入到工作过程
10、的各个阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中找出提高性能的一般规律。实际循环通常用气缸内工质的压力随气缸容积（或曲轴转角）的变化图形PV图或P图来表示，称为示功图。,-工质对活塞做的功；正功。 -泵气损失；增压机：正功；非增压机：负功。 四行程内燃机实际循环由5个工作过程组成，即，进气、压缩、燃烧、膨胀和排气。,一、进气过程（ra）,作用：吸入新鲜工质，为加入Q1作准备； 特点： PaT, T=Ta -T 缸内残余废气加热 (高温机件加热;汽 油机进气预热)。,prp0?,进气终了的压力Pa及温度Ta大致范围是：汽油机: Pa=（0.80.90）P0 Ta=340380K柴油机: Pa=（0.
11、850.95）P0 Ta=300340K增压柴油机: Pa=（0.91.0）P0 Ta=320380 K,二、压缩过程（ac）,特点：多变过程。 开始T璧T工质，工质吸热，n1K； 某一瞬间T璧=T工质，n1=K； 后期，由于T璧T工质，n1K。但在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数则来取而代之n1 。,作用：增大工作过程的温差；增大膨胀比，提高热功转换效率；为燃烧过程创造有利的条件；柴油机，压缩高温是保证燃料着火的必要条件。,压缩比：,汽油机: n1=1.321.38；n1的范围： 高速柴油机:n1=1.381.40； 增压柴油机:n1=1.351.37。影响n1的主要因素：
12、当转速(向缸壁的传热量及气缸泄漏量)n1 ； 当负荷气缸温度增高，相对的传热量和泄漏量减小n1； 当泄漏量或气缸温度时n1。压缩终了的参数 Pc (MPa) Tc (K) 汽油机: 0.82.0 600750 柴油机: 3.05.0 7501000 增压柴油机: 5.08.0 9001100,发动机的压缩比是气缸的总容积与气缸压缩容积之比，即：在汽油机中，为了提高热效率，希望增加压缩比，但受到爆震燃烧的限制，一般为710。在柴油机中，为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及冷起动时可靠着火，必须使压缩终了有足够的温度，需要较高的压缩比，一般为1422。,何谓发动机的压缩比？简要说明汽油和柴油机如何选
13、择压缩机。,三、燃烧过程 （cz z ）,作用：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。要求：燃烧完全、及时。,参数： Pz(MPa) Tz (K) 汽油机: 3.06.5 22002800 柴油机: 4.59.0 18002200 增压柴油机:9.08.0 10001200,汽油机的最高燃烧温度大于柴油机，这是为什么呢？压力呢？,四、膨胀过程（zb）,作用：热向功转换。特点：多变过程，比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有补燃等现象。膨胀初期,T璧T工质由于补燃工质被加热；某一瞬间T璧=T工质,此后T璧T工质工质向缸壁传热。,如同压缩过程一样，为简便起见，在计算中常用一个不变的平均膨胀多变指数n2来取而代之。 n2范围：汽油机 n2=1.231.28 柴油机 n2=1.151.28,式中后膨胀比。 范围： Pb（MPa） Tb（K） 汽油机 0.30.6 12001500 柴油机 0.20.5 10001200可见，由于柴油机膨胀比大，转化为有用功的热量多，热效率高所以膨胀终了的温度和压力均比汽油机小。,
