第2章发动机的性能与性能指标.ppt

第二章 发动机的实际循环与评价指标,第一节 四行程发动机的实际循环 第二节 发动机性能指标 第三节 机械损失,第一节 四行程发动机的实际循环,包括：进气、压缩、燃烧、膨胀和排气5个过程。,实际循环较理想循环复杂,虽然理想循环是在实际循环的基础上简化而来，但理想循环各过程并不能完全反映实际循环各过程的特点。 四冲程发动机曲轴旋转两圈完成一个工作循环，分进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程。 示功图：发动机缸内压力p随气缸容积V或曲轴转角变化的图示。即发动机示功图有p-V 图和p-图两种。,pv与p两种示功图,四行程发动机示功图,以pv图为例（ 为环境大气压力）,进气过程（0-1线）： 进气门开启，随着活塞下行，缸内压力降低，新鲜工质进入气缸，即： 一般进气终点的压力pa和温度Ta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,压缩过程（1-2线）：,两气门关闭，随着活塞上行，工质被压缩，缸内压力、温度升高，即p，T。 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 3.0-5.0 750-1000 增压柴油机 5.0-8.0 900-1100 的大致范围是： 汽油机 =7-10 柴油机 =14-22 增压柴油机 =12-15,燃烧过程（一）：,2-3-4线，可燃混合气快速燃烧，缸内压力、温度急剧升高，即p，T。 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 3.0-8.0 2200-2800 柴油机 4.5-9.0 1800-2200 增压柴油机 9.0-13.0,燃烧过程(二)：,发动机实际的燃烧过程,膨胀过程（4-5线）：,工质吸收燃料放出的热量，推动活塞下行，对外输出功，缸内压力、温度降低，即p，T。 膨胀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,排气过程（5-0线）,排气门开启，废气排出。 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： Tb =900-1100K 柴油机： Tb =700-900K,关于发动机实际循环,发动机理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际循环。,1.工质改变损失,（1）工质性质 理论上：理想气体，双原子气体。 实际中：燃烧前：燃料+空气； 燃烧后：燃烧产物。 （2）比热容 理论上：定比热容。 实际中：温度T 比热容C 。,（3）高温分解,例：C + O2 CO + 热量 +O2 CO2 + 热量 式中：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，即高温分解： CO2 CO + O2 - 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。,2、换气损失,理论上：忽略进、排气过程。 实际中：进、排气门提前开启，迟后关闭，且有流动阻力。 换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失之中。,3、传热、流动损失,（1）传热损失 理论上：压缩、膨胀过程为绝热过程。 实际中：大量热量通过气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。 （2）流动损失 理论上：闭口系统，没有气体流动损失。 实际中：存在进、排气节流及沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。,4、时间损失,理论上：定容加热瞬间完成，定压加热速度与活塞运行速度密切配合。 实际中：燃烧需要时间。,5、补燃损失,理论上：加热瞬间完成，膨胀过程无加热。 实际中：虽然大部分（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有少部分燃料会拖到膨胀线上才燃烧，做功效果变差，热效率下降。 6、工质泄漏损失 理论上：闭口系统，无泄漏。 实际中：活塞、气环不会100%严密密封，总会有少量气体窜到曲轴箱中，造成损失。,第二节 发动机性能指标,发动机的主要性能指标有动力性指标（有效扭矩、有效功率等），经济性指标（燃油消耗率、热效率等），运转性能指标（排气品质、噪声和起动性能等）。 这些指标用于评价发动机的动力性、经济性等。,发动机性能指标：指示指标，有效指标。,指示指标：以工质在气缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。 有效指标：以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。,一、指示指标（以下标i表示）,1、指示功Wi和平均指示压力Pmi 指示功Wi ：一个循环工质对活塞所做的有用功。,指示功Wi的大小,非增压： ；增压： 。 因为：F2不容易测量，实际将归到机械损失中考虑。 所以： 。 式中：a、b 为横、纵座标比例尺。 指示功Wi大，说明：气缸工作容积大；热功转换有效程度大。 为便于比较不同大小发动机热功转换的有效程度，引入平均有效压力的概念。,平均指示压力pmi,平均指示压力：单位气缸工作容积所做的指示功。 它是一个假想的动力性参数： 式中：Vh为每缸工作容积。,平均指示压力的图示和范围,Pmi的一般范围: 柴油机 kPa， 汽油机 kPa。,2、指示功率Pi（Ni）,指示功率：单位时间所做的指示功。 若：缸数i，每缸工作容积Vh m3，冲程数，平均指示压力pPa，转速n r/min（rpm）。则： W kW,若：每缸工作容积V hL，平均指示压力pbar。,则： kW,3、指示燃油消耗率bi（gi）,指示燃油消耗率：单位指示功率的耗油量，也称指示比油耗。 g/kW·h 式中：B为每小时耗油量 kg/h 。,4、指示热效率i,发动机实际循环指示功与所消耗的热量之比。即： 式中：Wi为做指示功所消耗的热量。 hu为燃料的低热值。,二、有效指标（以下标e表示）,1、有效功率Pe（Ne） ： 从发动机输出轴上得到的净功率称为有效功率。 发动机的指示功率不可能完全向外输出，自身存在机械损失。有效功率的大小为： Pe =Pi-Pm 式中：Pm机械损失功率。 发动机的有效功率由试验测得。,2、有效扭矩Ttq（Me）,有效扭矩：功率输出轴输出的扭矩。 kW kW,3、平均有效压力pme,发动机单位气缸工作容积所做的有效功。该指标从发动机实际输出功的角度评价气缸工作容积的利用率。 kPa 四冲程发动机功率 kW 二冲程发动机功率 kW,4、转速n和活塞平均速度Cm,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。 活塞平均速度Cm： Cm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。,n、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 0.9-1.3,5、有效燃油消耗率be（ge）,单位有效功率的耗油量，也称有效比油耗或有效耗油量。 g/kW·h 式中：B为每小时耗油量 kg/h 。,6、有效热效率,发动机实际循环有效功与所消耗的热量之比。即： 或 ， g/kW·h。 ， g/kW·h。 由此可见，柴油机的热效率比汽油机高，经济性比汽油机好。,三、发动机强化指标,1、升功率 单位气缸工作容积所发出的有效功率。 kW/L,2、比质量,发动机的质量m与所给出的标定功率的比值。 kg/kW Pl，me 发动机强化程度高。 实际中，汽油机的强化程度要比柴油机高。,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 9-15,四、环境指标,排放性能： 一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、微粒（PM）； 噪声,第三节 机械损失,一、机械损失性能指标 1.机械损失组成 发动机内部运动零件摩擦损失：占机械损失的60-70%；如：活塞与气缸壁之间的摩擦，曲柄连杆机构轴承处的摩擦，配气机构之间的摩擦等； 驱动附件损失，占机械损失的10-20%；如：驱动配气机构、水泵、机油泵、燃油泵、风扇、转向助力泵等；。 泵气损失，占机械损失的10-20%，是指进排气过程所消耗的功等。,2.机械损失功率和机械损失压力,与pmi和pme类似，机械损失功率Pm为： kW pmm与pmi和pme之间的关系为： pmm =pmi-pme,3.机械效率,概念：机械效率是有效功率与指示功率的比值。 用于比较各种不同发动机的机械损失大小。 值越高，说明机械损失越小，发动机的性能越好。,有效热效率与指示热效率、机械热效率之间的关系：,机械效率的大小： 柴油机：0.7-0.9； 汽油机：0.7-0.85,二、机械损失的测定,1.灭缸法（适用于多缸） 1)将发动机调整到给定工况稳定工作，测出Pe； 2)停止第一缸的供油或点火，调整测功器，使发动机恢复原转速，测出Pe1。可得第一缸的指示功率Pi1=PePe1。 3) 依次使各缸熄火，可得Pe2,Pe3 则 Pi2= PePe2 Pi3=PePe3 整机的指示功率 Pi=Pi1+Pi2+ Pm可求。,2.倒拖法,在具有倒拖能力的电力测功器的试验台上方可进行。在压缩比不很高的汽油机上得到广泛应用。 1)发动机与测功机相连； 2)使发动机以给定的工况稳定运行，当水温和油温达到正常时，切断供油或停止点火，同时将电力测功机转换为电动机，以给定转速倒拖发动机； 3)测定电力测功机的倒拖功率，该倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。 3.示功图法,三、影响机械损失的因素,1.转速,分析：,其中：Cm为活塞平均运行速度。 pm与Cm几乎呈直线关系； 与n似呈二次方关系。 n惯性力活塞对缸壁的侧压力轴承负荷； 各摩擦副相对速度 摩擦损失； 泵气损失，驱动附件损耗。 pm 。 若要提高转速来强化发动机，则将成为主要障碍之一。,2、负荷,发动机的负荷 柴油机：油门拉杆或齿条位置；汽油机：节气门开度。 n一定，负荷时，发动机燃烧剧烈程度，平均指示压力；而由于转速不变，平均机械损失压力基本保持不变。则机械效率下降。,当发动机怠速运转时，有效功率，指示功率全部用来克服机械损失功率，即,因此， =0 。 由于车用柴油机普遍在高转速、较低负荷下工作，机械效率下降严重。因此，机械效率对于车用柴油机尤为重要。,3、润滑油品质和冷却水温度,润滑油选用原则：在保证可靠润滑的前提下，尽量选用低粘度润滑油。 粘度大，流动性差，摩擦损失增加； 粘度小，流动性好，承载能力差，油膜易破裂。 润滑油粘度影响润滑效果，润滑油温度影响润滑油粘度，冷却水温度影响润滑油温度，即冷却水、润滑油温度通过润滑油粘度间接影响润滑效果。,冷却水温度影响机油的粘度。,使用中降低机械损失要做到：无机械故障，控制好转速、水温，保持机油清洁等。 要求：定期保养、清洗机油滤清器，500010000公里更换机油。,水冷发动机的冷却水温应保持在80-95,水温过高、过低对发动机工作都不利。 水温过高，发动机易过热，润滑油粘度下降；水温过低，散热损失增加，不易保证可靠润滑。,四、实际循环的热平衡,实际工质影响 换气损失 燃烧损失 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 各种损失使热效率下降： 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 0.01,五、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,作业题1,有一台6135Q1四行程柴油机，D×S135mm×140 mm，6缸，在2200rmin时，发动机发出的有效功率为154kW。be217g(kW·h)。 1) 求发动机的Pme、Ttq、和et。 2) 当m0.75时，试求bi、it、Pi和Pm的值。 3) 当it、充量系数 c、过量空气系数 a均未变，m由0.75提高到0.8，此时PL、Pe和be的值。 4) 若通过提高c使Pe提高到160kW，而it、Pm均未变化，则Pi、m、be值是多大? 5) 通过以上计算，你可以得出哪些结论?,作业题2,要设计一台六缸四冲程高速柴油机，设平均指示压力Pmi0.85 MPa，平均机械损失压力Pmm=0.15 MPa，希望在2000rmin时能发出的功率为73.5kW。 1）为将活塞平均速度控制在8ms，缸径行程比取多大合适？ 2）为使缸径行程比为1：1.2，缸径与行程取多大?,