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1、,1,机械工业出版社 林学东 编著,主讲：沈英,参考书目,汽车发动机原理，清华大学出版社，徐兆坤主编汽车发动机原理，人民交通出版社，张志沛主编,上课时间：32(实验4学时)考核方式：出勤率10%； 点名三次缺席取消考试资格 作业10% 实验 10% 考试70%考试时间初步定在4.8号左右,学时和考核方式,1.1 内燃机的发展1.2 内燃机在汽车上的应用,第1章 绪论,3、汽油机的压缩比为什么要低于柴油机？,1、汽油机和柴油机的区别？,2、汽油机热效率高还是柴油机热效率高，为什么？,燃料性质和点燃方式,混合气形成特点和负荷调节方式,柴油机，因为压缩比高,思考题,1.1 概述1.2 内燃机的理论循
2、环1.3 内燃机实际循环及其评价指标1.4 内燃机有效性能指标1.5 机械损失1.6 热平衡,第2章 内燃机循环及性能评价指标,1.1 概述,1.1.1 基本概念：内燃机：将燃烧化学能转化成机械能的热机，燃料在发动机内部燃烧并转化为气体的热能，经过气体膨胀，再将热能转化为机械能两个过程：化学能热能机械能,空气,燃料,混合气,Q1,Wt,Wi,We,Q1：燃料完全燃烧放出的总热量,Wt：机械功，理论值，不考虑损失,Wi：指示功，实际推动活塞所做的功，燃烧损失,We：有效功，对外输出功，摩擦损失,循环热效率,实际燃烧过程中的能量损失,机械传递过程中的能量损失,1.1.2 三大环节,1. 混合气形成
3、并导入气缸的过程2. 燃烧放热过程3. 能量传递过程,1. 混合气形成并导入气缸的过程,影响燃烧效率和动力性,2. 燃烧放热过程,等容加热循环等压加热循环混合加热循环,控制放热规律,汽油机,混合气燃烧迅速，气缸内温度压力增长很快，可以认为其燃烧过程基本是在容积不变的条件下进行的，即可简化为定容加热循环。,高增压和低速大型柴油机,高速柴油机,混合加热循环,定压加热循环,定容加热循环,由于受燃烧最高压力的限制，大部分燃料是在上止点以后燃烧，燃烧时气缸压力变化不显著，是在压力基本上一定的情况下进行，即可简化为等压加热循环。,介于两者之间，其燃烧过程可认为是先定容加热后定压加热的组合，即可简化为混合加
4、热循环。,思考题：汽油机和柴油机分别可以简化为哪种加热循环，为什么？,3. 能量传递过程,机械功,指示功,有效功,热能经曲柄连杆机构转化为机械能,混合气不均匀、不完全燃烧损失，燃烧时间损失,活塞与气缸之间摩擦曲轴和轴承之间摩擦,发动机的理论循环: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，得到便于进行定量分析的循环，称发动机的理想循环。,1.2 内燃机的理论循环,1.2.1卡诺循环与内燃机的动力循环,研究目的,提高热力动力机械装置的热效率,卡诺循环与实际循环的区别？,卡诺循环率取决于什
5、么？,绝热压缩过程,等温加热过程,绝热膨胀过程,等温放热过程,1）卡诺效率取决于高温热源温度和低温热源温度差2）实际循环效率往往低于卡诺效率,0,S1,S2,T2,T1,a,b,c,z,Q1-Q2=W,0,a,b,z,c,W,卡诺循环,热效率（卡诺效率）,提高动力循环的主要途径，是如何提高高低热源的温度差任何实际循环的热效率都不可能超过卡诺效率，为实际内燃机动力装置的燃烧放热过程的组织指明方向,四冲程内燃机实际循环热效率取决于什么？,混合气形成方式和放热规律，汽油机：均匀混合气火焰传播，燃烧速度快；柴油机：预混合燃烧和扩散燃烧，在气缸容积膨胀过程燃烧，压力升高率低压缩比的匹配,1.2.2 三种
6、理论循环,1、研究理论循环的目的:,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) 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。,1 忽略进排气损失，将实际开口循环简化为闭口循环；2 压缩过程和膨胀过程简化为理想的绝热等熵过程；3 将燃烧过程简化为等容、等压加热或混合加热过程，排气过程简化为等容放热过程；4 工质可视为理想气体，在整个循环过程中其物理化学性质保持不变，比热容为常数；,2、简化原则,3、发动机的理论循环,发动机理论循环的三种形式：a)混合加热循环、b
7、)等容加热循环 c)等压加热循环。,1.2.3 理论循环的评价,1、循环热效率(简称热效率) ：,式中： 工质所做循环功（J） 循环加热量（J） 工质在循环中放出的热（J）,理论循环是用循环热效率和循环平均压力来评定。,评定循环的经济性,压力升高率,预胀比,压缩比,2、循环平均压力 ：,评定循环的动力性,(kPa),式中： 循环所做的功（J） 气缸工作容积（L）,3理想循环的指标,等熵指数压力升高率预膨胀比压缩比,三种理论循环的热效率均与压缩比和等熵指数有关,三种理论循环的热效率均与压缩比和等熵指数有关,提高压缩比可以扩大循环高低温热源的温差，增加膨胀比，从而提高循环热效率，但当压缩比大于14
8、后，随压缩比的增加，热效率增加率减小，而机械负荷和热负荷却成比例增加,空气的等熵指数k=1.4，但实际循环是工质而非纯空气的多变过程。一般多变指数nk，提高多变指数使其接近纯空气，可提高热效率,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。,发动机实际工作条件对循环热效率提高循环热效率的约束和限制：,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,1、压缩比及加热量分别相同时比较,压缩比 相同加热量 相同初态1相同,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
9、加等容加热循环的等容部分。,绝热压缩,等容加热,等压加热,2、加热量及循环的最高压力分别相同时比较,加热量 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，宜按等压加热循环工作。,3、最高温度、最高压力分别相同时比较,Tmax和Pmax相同，则放热量相同,加热量、压缩比不同,当气缸内最高压力或者最高温度受到限制时，适当提高工质的压缩程度，增加等压加热部分，有利于提高循环热效率,a,c,z,z1,b1,b,对于等容循环，当压缩比不变时，增大压力升高率能提高热效率吗？为什么？,当压力升高比增加时，循环加热量Q1增加，最高压力和温度相应提高，导致Q2/Q1不变，所以热效率不
10、变。,回顾,1、a混合加热循环，可将高速柴油机简化为混合加热循环,2、b等容加热循环，可将汽油机简化为等容加热循环,3、c等压加热循环，可将低速柴油机机简化为等压加热循环,卡诺循环可简化为哪四个个过程？,压力升高率,预胀比,压缩比,1.3 内燃机实际循环及其评价指标,发动机的实际循环1、进气冲程 图a）2、压缩冲程 图b）3、做功冲程 图c）（燃烧和膨胀过程）4、排气冲程 图d）,1、进气行程,进气过程开始时，进气门打开，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。,对于非增压发动机： 由于进气系统的阻力，进气终了压力 因为气流受到内燃机高温零件及残余废气的加热，进气终了的温度,1.3.1 实际循环
11、分析,进气流动损失,为进气系统的流动阻力系数； 为进气密度， 为进气气流的平均流速,汽油机,柴油机,增压柴油机,2、压缩行程,进、排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动。 理论循环中压缩过程是绝热的，实际上，内燃机的压缩过程是一个复杂的多变过程（非纯空气的工质与气缸壁面进行热交换，并存在漏气现象），常用平均多变系数 表示 。 进气终了压力温度 在柴油机中，其压缩终了的压力和温度均比汽油机高许多。这是由于柴油机的比汽油机大的原因。,汽油机,柴油机,3、做功行程,实际循环的做功行程包括燃烧过程和膨胀过程。,燃烧过程的作用是：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
12、靠近上止点，热效率越高。,柴油机因为压缩比高，燃烧最高爆发压力很高，但因相对于燃油的空气量大，所以最高燃烧温度反而比汽油机低。汽油机柴油机,燃烧过程：进排气门均关闭，活塞在上止点附近。,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。 汽油机柴油机,进排气门均关闭，高温、高压的工质推动活塞，由上止点向下止点移动，膨胀做功，气体的压力、温度迅速降低。,膨胀过程比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有补燃现象。所以，膨胀过程也是一个多变过程。,膨胀过程,4、排气过程,膨胀过程结束，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。,由于
13、排气系统有阻力，排气终了的压力pr大于大气压力p0，阻力愈大，排气终了的压力愈大，残留在气缸中的废气就多 。,柴油机比汽油机低，其工作过程进行得好，转变为有用功的热量多。汽油机柴油机,判断发动机燃烧程的好坏,四冲程发动机换气过程中汽油机与柴油机温度的区别与比较？,残余废气系数,排气终了后，由于在结构上余隙容积的存在，气缸内的废气不能排净而保留一部分。这一部分被保留在气缸内的废气称为残余废气。,判断气缸内换气过程进行的完善程度,式中， 为残余废气量 为新鲜充量,1.3.2 内燃机性能评价指标,内燃机性能的评价指标包括指示性指标和有效性指标,指示性指标：以活塞做功为基础，评价气缸内热工转换的完善程
14、度的指标,有效性指标：以曲轴飞轮端对外输出的有效功为基础，从实用角度评价对外做功能力的指标,指示性指标,1.实际循环做功能力的评价指标,2.实际循环的经济性指标,平均指示压力是指单位气缸容积一个循环所作的指示功(Pa) 。,平均指示压力可以设想为一个恒定的压力作用于活塞顶上，使活塞移动一个行程所作的功，即循环的指示功Wi 。,平均指示压力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。,图115 指示功与平均指示压力,式中，A为示功图面积 a、b分别为示功图纵、横坐标的比例尺 D和S分别为气缸直径和活塞行程,若Vs用L为单位，Wi用kJ为单位，则Pmi (MPa),指示性指标,1.实际循环做功
15、能力的评价指标,指示功率Pi ：发动机单位时间内所作的指示功。,若：一台内燃机的缸数i，每缸的工作容积Vs (L) ，平均指示压力为pmi (MPa ) ，转速n(r/min)，冲程数。,(kw ),指示性指标,1.实际循环做功能力的评价指标,2.实际循环的经济性指标,指示热效率it：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。,对于一台发动机，若测得其指示功率Pi (kW)、每小时燃油消耗量B(kg/h) ，则：,指示性指标,1.实际循环做功能力的评价指标,2.实际循环的经济性指标,指示燃油消耗率：指单位指示功的耗油量。通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示。g(kWh) ：,表示实际循环的经济性指标it和bi之间存在着以下关系：,一般内燃机的it和bi的统计范围如下： it big(kWh) -1四冲程柴油机 0.40.5 170205二冲程柴油机 0.400.5 218177 四冲程汽油机 0.30.4 205320二冲程汽油机 0.20.3 435305,
