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1、第三章第三章 循环分析与能量利用循环分析与能量利用2021/3/111第三章第三章 循环分析和能量利用循环分析和能量利用ICE工作过程研究内容：工作过程研究内容：工质成分变化；工质成分变化；热能的转化过程。热能的转化过程。目标：目标：高的循环效率；高的循环效率；低的污染物排放。低的污染物排放。工作过程研究难度：工作过程研究难度：工质的质和量是时间的函数；工质的质和量是时间的函数；物理、化学过程一直在进行；物理、化学过程一直在进行；存在摩擦、散热、燃烧、节流等。存在摩擦、散热、燃烧、节流等。2021/3/112对对ICE工作过程的研究只能建立模型，进行理论分析！工作过程的研究只能建立模型，进行理
2、论分析！三种循环模式：三种循环模式：理论循环理论循环工质工质理想气体理想气体循环循环理想循环理想循环理想循环理想循环工质工质实际气体实际气体循环循环理想循环理想循环真实循环真实循环工质工质实际气体实际气体循环循环真实循环真实循环2021/3/113第二节第二节 理论循环理论循环一、理论循环构成一、理论循环构成工质工质理想气体（空气），物性参数为常数；理想气体（空气），物性参数为常数；循环循环理想循环构成封闭热力系统：理想循环构成封闭热力系统：绝热压缩绝热压缩定容定压吸热（燃料燃烧放热）定容定压吸热（燃料燃烧放热）定容放热（进排气的换气过程）定容放热（进排气的换气过程）二、理论循环类型二、理论循
3、环类型1、循环分析、循环分析早期早期ICE活塞运动速度低，汽油机为定容加热循环，活塞运动速度低，汽油机为定容加热循环，柴油机为定压加热循环。现代柴油机为定压加热循环。现代ICE为混合加热循环。为混合加热循环。2021/3/114TDCBDC第二节第二节 理论循环理论循环arczbOtto循环循环2021/3/115TDCBDC第二节第二节 理论循环理论循环arzcbDiesel循环循环2021/3/116TDCBDC第二节第二节 理论循环理论循环arzcz，bNA-ICE的的Sabathe循环循环2021/3/117TDCBDC第二节第二节 理论循环理论循环czbz，TC-ICE的的Sabat
4、he循环循环arr,a,2021/3/118第二节第二节 理论循环理论循环2、循环效率、循环效率Otto循环循环效率循环循环效率:Diesel循环循环效率循环循环效率:Sabathe循环循环效率循环循环效率:压力升高比：压力升高比：预膨胀比：预膨胀比：2021/3/119第二节第二节 理论循环理论循环三、影响循环效率的因素三、影响循环效率的因素1、压缩比的影响、压缩比的影响增大压缩比可以增大压缩比可以提高提高ICE的循环的循环效率效率2021/3/1110acbz第二节第二节 理论循环理论循环czb2021/3/1111zz第二节第二节 理论循环理论循环2、压力升高比和预膨胀比的影响、压力升高
5、比和预膨胀比的影响等容度：等容度：循环吸热过程中循环吸热过程中等容吸热量占总吸热量的等容吸热量占总吸热量的比率。比率。zzacbbac因此，提高等容度，可以提高因此，提高等容度，可以提高ICE的循环效率的循环效率2021/3/1112第二节第二节 理论循环理论循环ICE接近等容燃烧，可以得到高循环效率；接近等容燃烧，可以得到高循环效率；分析：分析：CI-ICE负荷增大，循环喷油量加大，燃烧时间加长，负荷增大，循环喷油量加大，燃烧时间加长， 预膨胀比加大，等容度下降，循环效率降低；预膨胀比加大，等容度下降，循环效率降低；电喷汽油机把按照化学计量比混合气进行控制，电喷汽油机把按照化学计量比混合气进
6、行控制， 可得到较高的循环效率；可得到较高的循环效率；CI-ICE多次喷射技术会降低循环效率。多次喷射技术会降低循环效率。CI-ICE高压喷射技术会提高循环效率；高压喷射技术会提高循环效率；2021/3/1113第二节第二节 理论循环理论循环在预膨胀比一定时，压力升在预膨胀比一定时，压力升高比对循环效率影响不大。高比对循环效率影响不大。在压力升高比一定时，减小在压力升高比一定时，减小预膨胀比，会显著提高循环预膨胀比，会显著提高循环效率。效率。2021/3/1114第二节第二节 理论循环理论循环3、绝热指数、绝热指数提高绝热指数，提高绝热指数，可以提高循环效率。可以提高循环效率。2021/3/1
7、115第二节第二节 理论循环理论循环四、理论循环研究的意义四、理论循环研究的意义提供提供ICE比较的理论依据；比较的理论依据；提供改善提供改善ICE性能的措施；性能的措施；u同一机型比较同一机型比较压缩比、工质吸热量相同，吸热形式不同压缩比、工质吸热量相同，吸热形式不同2021/3/1116zpbpac第二节第二节 理论循环理论循环更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率zmbmzvbv2021/3/1117第二节第二节 理论循环理论循环最高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率最高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率zvbvu不同机型比较
8、不同机型比较zpbpacpbmzmcm最高爆发压力形同，最高爆发压力形同，吸热量相同吸热量相同cv2021/3/1118第二节第二节 理论循环理论循环五、理论循环下五、理论循环下SI-ICE和和CI-ICE的比较的比较CI-ICE的最低有效燃油消耗率比的最低有效燃油消耗率比SI-ICE低低15% 25%；CI-ICE压缩比高于压缩比高于SI-ICE，具有更高的循环效率；，具有更高的循环效率；对于对于SI-ICE，混合气浓度偏离化学计量比浓度，混合气浓度偏离化学计量比浓度， 循环效率均会下降，经济性会下降。循环效率均会下降，经济性会下降。2021/3/1119第三节第三节 理想循环理想循环一、理
9、想循环构成一、理想循环构成工质工质实际工质实际工质循环循环理论循环理论循环现代高技术水平的内燃机，相对效率已高达现代高技术水平的内燃机，相对效率已高达90%。意义：意义：内燃机提高循环效率最高限度。内燃机提高循环效率最高限度。相对热效率：相对热效率：真实循环循环效率与理想循环循环效率之比。真实循环循环效率与理想循环循环效率之比。2021/3/1120第三节第三节 理想循环理想循环二、工质特性对循环效率的影响二、工质特性对循环效率的影响1、最高燃烧温度、最高燃烧温度在相同的加热量下，燃烧温度越高，工质比热容在相同的加热量下，燃烧温度越高，工质比热容升高越多，绝热指数下降越多，循环效率偏离理升高越
10、多，绝热指数下降越多，循环效率偏离理论循环效率越远。论循环效率越远。2）工质的高温裂解）工质的高温裂解1）比热容）比热容2021/3/1121第二节第二节 理想循环理想循环高温高高温高压下，加速下，加速CO2、H2O、N2、O2、H2的裂解，的裂解，裂解吸裂解吸热；膨；膨胀过程温度、程温度、压力下降，力下降，进行放行放热的的逆向反逆向反应，使放，使放热时间延延长，等容度下降，效率下降。，等容度下降，效率下降。2、残余废气系数、残余废气系数多原子分子数增多，比多原子分子数增多，比热容增大，容增大，绝热指数下降，指数下降，效率下降。效率下降。残余残余废气系数和气系数和EGR率率对循循环效率影响效率
11、影响较大。大。2021/3/1122第三节第三节 理想循环理想循环3、混合气浓度、混合气浓度u燃料裂解吸燃料裂解吸热，增加工，增加工质内能，做功能力下降；内能，做功能力下降；稀混合气：稀混合气：浓混合气：混合气：u最高燃最高燃烧温度低，循温度低，循环效率高；效率高；u混合气中混合气中废气比例少，循气比例少，循环效率高。效率高。u工工质最高温度大，循最高温度大，循环效率低；效率低；u混合气中混合气中废气比例高，循气比例高，循环效率低。效率低。2021/3/1123第三节第三节 理想循环理想循环燃空当量比燃空当量比稀薄燃稀薄燃烧可以得到可以得到较高的循高的循环效率！效率！在着火极限区域内，在着火极
12、限区域内，随着混合气随着混合气浓度的加大，度的加大，循循环效率逐效率逐渐下降。下降。2021/3/1124第三节第三节 理想循环理想循环二、理想循二、理想循环下下SI-ICE和和CI-ICE比比较小、大小、大负荷下差距加大荷下差距加大SI-ICE小、大小、大负荷循荷循环效率相效率相对于于CI-ICE更小，更小，有效燃油消耗率高出有效燃油消耗率高出30% 50%。原因原因2021/3/1125TDCBDC第四节第四节 真实循环真实循环理理论循循环理想循理想循环传热、流、流动、不完全燃、不完全燃烧工工质泄漏等泄漏等一、循一、循环构成构成真真实循循环+实际工工质时间损失失后燃后燃损失失换气气损失失c
13、zbbcar2021/3/1126第四节第四节 真实循环真实循环传热、流、流动、不完全燃、不完全燃烧和泄漏和泄漏损失失换气气损失失时间损失失后燃后燃损失失四大四大损失失工工质和循和循环的的变化，使化，使实际循循环效率和效率和理理论循循环效率相差效率相差10% 20%。2021/3/1127第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率一、机械损失的组成一、机械损失的组成（一）机械摩擦损失（一）机械摩擦损失1、活塞组件摩擦、活塞组件摩擦2、轴承摩擦、轴承摩擦3、配气机构摩擦、配气机构摩擦4、其它损失、其它损失正时齿轮、链轮、带轮的传动损失，连杆大头搅油损失，正时齿轮、链轮、带轮的传动损失，连
14、杆大头搅油损失，曲轴箱内空气压缩和通风损失，运动件的空气动力损失。曲轴箱内空气压缩和通风损失，运动件的空气动力损失。2021/3/1128第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率（二）驱动附件损失（二）驱动附件损失内燃机正常运行必备附件：内燃机正常运行必备附件：发电机、水泵、机油泵、高压油泵、调速器、点火装置。发电机、水泵、机油泵、高压油泵、调速器、点火装置。内燃机台架试验中必须拆除的四大附件：内燃机台架试验中必须拆除的四大附件：空压机、空滤器、风扇和消声器。空压机、空滤器、风扇和消声器。（三）泵气损失（三）泵气损失进排气过程中工质流动时的节流和摩擦损失。进排气过程中工质流动时的节流
15、和摩擦损失。2021/3/1129第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率二、机械损失各二、机械损失各 部分所占份额部分所占份额SICISICISICI180020018006003600400转速转速平均有效压力平均有效压力泵气损失泵气损失曲柄、连杆、活塞损失曲柄、连杆、活塞损失其它附件损失其它附件损失高压油泵损失高压油泵损失配气机构损失配气机构损失2021/3/1130第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率活塞连杆组件和曲轴轴承摩擦损失高，转速、负荷增大，活塞连杆组件和曲轴轴承摩擦损失高，转速、负荷增大，该损失也增大。该损失也增大。转速、负荷增大，驱动附件损失也增大。
16、转速、负荷增大，驱动附件损失也增大。SI-ICE小负荷和高速，泵气损失大；负荷对小负荷和高速，泵气损失大；负荷对CI-ICE泵气损失泵气损失影响小，高转速时泵气损失高。影响小，高转速时泵气损失高。SI-ICE：CI-ICE：负荷负荷略下降略下降负荷负荷2021/3/1131第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率各种各种ICE标定工况下的机械效率：标定工况下的机械效率：SI-ICE：80% 90%CI-ICE：78% 85%增压增压CI-ICE：80% 92%问题：增压内燃机为什么具有更高的机械效率？问题：增压内燃机为什么具有更高的机械效率？2021/3/1132第五节第五节 机械损
17、失和机械效率机械损失和机械效率三、机械损失的测定方法三、机械损失的测定方法（一）示功图法（一）示功图法1、测量方法、测量方法用燃烧分析仪测量工况点（用燃烧分析仪测量工况点（ ， ）下的示功图，）下的示功图，测算测算 ，计算，计算 、 、 和和 。示功图法可以得到示功图法可以得到ICE的机械损失、机械效率运行特性。的机械损失、机械效率运行特性。2、注意事项、注意事项准确标定准确标定TDC位置；位置；NA-ICE测量面积为测量面积为 代表的面积。代表的面积。提高面积计算离散化精度。提高面积计算离散化精度。2021/3/1133第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率TDC位置设置不准确位
18、置设置不准确对机械效率有什么影响？对机械效率有什么影响？TDC CABDCBDC 2021/3/1134第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率如果：如果：TDC位置靠前位置靠前BDCBDCTDCBDC CABDC TDC2021/3/1135第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率测得的测得的 偏高偏高偏小偏小2021/3/1136TDCBDC CABDC 第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率如果：如果：TDC位置靠后位置靠后BDCBDC TDC2021/3/1137第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率测得的测得的 偏低偏低偏高偏高2021/3
19、/1138第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率（二）反拖法（倒拖法）（二）反拖法（倒拖法）1、测量方法、测量方法使使ICE正常运行在工况点（正常运行在工况点（ ， ）测取）测取 ，停油、断火，用停油、断火，用电力测功机电力测功机反拖反拖ICE按同等转速按同等转速运转，测量测功机的功率损耗，即为运转，测量测功机的功率损耗，即为 。2、注意事项、注意事项电力测功机价格昂贵，反拖法不适合大功率电力测功机价格昂贵，反拖法不适合大功率ICE，仅适用于中小功率的仅适用于中小功率的NA-ICE。2021/3/1139第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率（三）灭缸法（三）灭缸法1、
20、测量方法、测量方法设设ICE有有N个缸。使个缸。使ICE正常运行在工况点（正常运行在工况点（ ， ）测取测取 ，使其中一个缸停止作功，减小测功机载荷，使其中一个缸停止作功，减小测功机载荷，使使ICE恢复到原转速，测取恢复到原转速，测取N-1缸工作的功率缸工作的功率 ，ICE功率的降低值，认为是所灭气缸的指示功率功率的降低值，认为是所灭气缸的指示功率 。依次灭缸，测试依次灭缸，测试N次，就可得到整机的次，就可得到整机的 。2021/3/1140第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率2、注意事项、注意事项用灭缸法测量用灭缸法测量SI-ICE机械效率，注意安全。机械效率，注意安全。202
21、1/3/1141第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率（四）油耗线法（四）油耗线法1、测量方法、测量方法测量测量ICE在某个转速下的负荷特性，制作燃油消耗率的在某个转速下的负荷特性，制作燃油消耗率的负荷特性曲线，当低负荷区域线性度非常好时，按线负荷特性曲线，当低负荷区域线性度非常好时，按线性区域油耗线进行反向拓延，拓延线与负荷轴的交点，性区域油耗线进行反向拓延，拓延线与负荷轴的交点，距离负荷零点的负荷值，即为平均机械损失压力或者距离负荷零点的负荷值，即为平均机械损失压力或者机械损失功率。机械损失功率。2021/3/1142第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率良好线性良
22、好线性a2021/3/1143第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率2、注意事项、注意事项油耗线法不适用于油耗线法不适用于SI-ICE和大功率和大功率CI-ICE。各种测量方法的使用范围：各种测量方法的使用范围：所有内燃机均可使用示功图法测量机械效率；所有内燃机均可使用示功图法测量机械效率；大功率大功率ICE最佳方法是灭缸法（最佳方法是灭缸法（费油费油）；）；中小功率的增压中小功率的增压ICE，如果燃油消耗率的负荷特性线，如果燃油消耗率的负荷特性线 线性度高，可采用油耗线法；线性度高，可采用油耗线法；SI-ICE最佳方法是反拖法。最佳方法是反拖法。2021/3/1144第五节第五节
23、 机械损失和机械效率机械损失和机械效率四、影响机械效率的因素四、影响机械效率的因素1、机械效率速度特性、机械效率速度特性低速机械效率曲线平坦，中高速下降速度快。低速机械效率曲线平坦，中高速下降速度快。2021/3/1145第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率油门开度一定油门开度一定2021/3/1146第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率2、机械效率负荷特性、机械效率负荷特性转速一定转速一定油门开度油门开度 市区运行车辆，市区运行车辆，关注小负荷的关注小负荷的机械效率问题机械效率问题2021/3/1147第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率3、润滑条件
24、对机械效率的影响、润滑条件对机械效率的影响1）润滑油的作用）润滑油的作用减摩减摩密封密封冷却冷却清洗清洗2）ICE对润滑油的要求对润滑油的要求防锈防锈良好的运动粘度、粘温特性和抗氧化能力。良好的运动粘度、粘温特性和抗氧化能力。3）ICE润滑油的分类标准润滑油的分类标准SAE标准：标准：SAE （W）数字数字“ ”夏季夏季99 的粘度，的粘度，20、30、40、50冬季冬季-18 的粘度（的粘度（W），），5、10、202021/3/1148第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率美国美国API标准标准S ： 为为A、B、C、D、E、F、GC ： 为为A、B、C、D、E我国标准我国标准
25、 Q 为为A、B、C、D、E、F、G 为为100 运动粘度运动粘度 C 为为A、B、C、D、E 为为100 运动粘度运动粘度SI-ICE常用润滑油：常用润滑油：30QB、40QB-10、15（老标准）（老标准） -SAE30、SAE40-SB（API） CI-ICE常用润滑油：常用润滑油：30CA、40CA-11、14（老标准）（老标准） -SAE30、SAE40-CA（API） 2021/3/1149第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用燃料燃料+空气空气压缩压缩膨胀膨胀摩擦、辐射摩擦、辐射冷却冷却排气排气作功作功最大作功能力最大作功能力热能热能燃烧燃烧换气换气一、一、IC
26、E能量平衡能量平衡2021/3/1150第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用CI-ICESI-ICE100%100%热量热量损失损失30%32%33%35%废气废气冷却冷却28%30%30%32%摩擦和辐射摩擦和辐射7%9%7%9%有用功有用功30%35%25%30%2021/3/1151第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用实际有用功实际有用功1/3（强）（强）排气带走热排气带走热1/3冷却液带走热冷却液带走热1/3（弱）（弱）燃料化学能流向燃料化学能流向二、二、ICE能量合理利用能量合理利用（一）现代（一）现代ICE的能量利用状况的能量利用状况现代现代
27、ICE最高燃烧温度最高燃烧温度1100K，环境温度，环境温度293K卡诺循环热效率：卡诺循环热效率：2021/3/1152100%61%53.5%45%38%第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用受卡诺限制受卡诺限制属于属于ICE极限极限值，除非改值，除非改变循环模式变循环模式采用改进技术采用改进技术的提高空间只的提高空间只有有8.5%的空间的空间通过提高通过提高机械效率机械效率的改善空的改善空间有间有7%2021/3/1153第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用汽油机汽油机25% 30%（GDI：35%）柴油机柴油机30% 40%增压柴油机增压柴油机30
28、% 45%现代现代ICE热效率热效率（二）提高（二）提高ICE有效效率的途径有效效率的途径1、改变循环模式、改变循环模式超膨胀超膨胀ICE思想：思想：Atkinson循环和循环和Mill循环循环2021/3/1154TDCBDC第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用zcz，baa，等压放热等压放热Atkinson循环循环2021/3/1155TDCBDC第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用zcz，baMill循环循环等容放热等容放热a，b，等压放热等压放热2021/3/1156第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用超膨胀超膨胀ICE问题：
29、冲程长，结构不允许问题：冲程长，结构不允许适用的适用的Mill循环：循环：膨胀比膨胀比NA-ICETC-ICE必须采用必须采用VVT、VVL技术技术2021/3/1157第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用2、GDI技术技术GDI可以有效提高可以有效提高ICE的经济性。的经济性。经经济济性性改改善善程程度度降低泵气功降低泵气功8.5%11.5%高绝热指数、压缩比高绝热指数、压缩比和低散热和低散热1.2%-4.7%高燃烧效率高燃烧效率换气流通面积减小换气流通面积减小16.5%2021/3/1158第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用3、可变技术、可变技术基
30、本目的：得到各参数的基本目的：得到各参数的MAP，实现，实现ICE全工况性能全工况性能 的优化控制。的优化控制。可变压缩比可变压缩比可变气门升程（可变气门升程（VVL）可变配气相位（可变配气相位（VVT）可变进气涡流可变进气涡流可变进气管长度可变进气管长度可变技术可变技术可变喷嘴环可变喷嘴环2021/3/1159第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用GT-POWE计算计算进气管长度进气管长度MAP2021/3/1160第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合理利用原机功率原机功率优化功率优化功率2021/3/1161第六节第六节 ICE能量分配与合理利用能量分配与合
31、理利用4、CI-ICE电控高压喷射技术电控高压喷射技术（三）散失能量的利用（三）散失能量的利用接近接近2/3的能量被冷却液和排气带走。的能量被冷却液和排气带走。1、废气涡轮增压、废气涡轮增压2、复合、复合ICE-利用排气推动气轮机发电利用排气推动气轮机发电3、低散热、低散热ICE-绝热绝热ICE（四）低品位能量利用（四）低品位能量利用低品位能量：排气、冷却液和中冷水低品位能量：排气、冷却液和中冷水2021/3/1162本章小结本章小结1、循环分析、循环分析2、机械损失和机械效率、机械损失和机械效率机械损失组成、机械效率的测量、影响机械效率的因素。机械损失组成、机械效率的测量、影响机械效率的因素。3、现代、现代ICE能量利用状况能量利用状况4、提高、提高ICE循环效率的主要技术措施循环效率的主要技术措施从理论循环推到出实际循环，得到影响循环效率的因素。从理论循环推到出实际循环，得到影响循环效率的因素。改变循环模式；改变循环模式；可变技术优化燃烧；可变技术优化燃烧；GDI技术。技术。5、散失和低品位能量利用、散失和低品位能量利用2021/3/1163
