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： 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、研究理论循环的目的: 1)确定循环热效率的理论极限，以判断

2、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

3、 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-压缩比； k-绝热指数。-等容加热循环Q2Q15、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；

4、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Q2Q16、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.Q1Q1循环名称循环热效率循环特点 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

5、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

6、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（Q1v）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

7、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

8、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

9、 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：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； W

10、b 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，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

11、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

12、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

13、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 （

14、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)/4D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=600-1100

15、kpa增压柴油机:pmi=850-2600kpa2、平均指示压力pmi二、指示功率Pii 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。kWkW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； bi g/(kWh)可以看出：i1bi 标定工况下，i，bi的大致范围：bi i 汽油机： 215340 0.250.40 柴油机： 170210 0.400.50内燃机的有效指标一、有效功W