热工基础与发动机原理 教学课件 ppt 作者 刘永峰 第2章

热工基础与发动机原理北京建筑工程学院第2章发动机性能指标和工作循环** 学习目标：掌握发动机的各种工作指标（指示性能指标、有效性能指标、运转性能指标）。 重点： 掌握示功图和发动机的工作循环 难点： 各种参数之间的相互换算*2.1发动机的工作指标 内燃机的工作指标很多,主要有指示性能指标、有效性能指标、运转性能指标和机械效率等。*2.1.1示功图* 要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对内燃机的一个工作循环中热工转换的质和量两方面加以。 通常利用不同形式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工作压力的变化，所得的结果即为示功图和示功图。 示功图和示功图可以相互转化。*四冲程内燃机的图四冲程内燃机的图四冲程内燃机的图四冲程内燃机的图*发动机的图a)四冲程非增压发动机b）四冲程增压发动机c）二冲程发动机2.1.2指示性能指标 指示性能指标是以工质对活塞所做的功为基础的指标，用来评定发动机工作循环的状况。 1、平均指示压力 平均指示压力是指发动机单位汽缸工作容积在每一循环内所做的指示功，用符号表示，单位为kPa，相当于一个平均不变的压力在发动机整个循环中作用在活塞上，其效果与变化的气体压力相当，使活塞移动一个冲程所做的功等于循环指示功。 式中---循环指示功（J）;---汽缸工作容积（L）。 循环指示功是指每循环内工质对活塞所做的有用功，所以用平均指示压力能更准确地评定发动机循环动力性的好坏。* 2．指示功率 指示功率是指发动机在单位时间内所做的指示功，用符号来表示，单位是W（由于W的单位很小，所以常用kW为单位）。发动机每工作循环所做的指示功，每秒的工作循环次数为。 ---冲程数；---汽缸数；---发动机转速（r/min）。* 3．指示燃油消耗率 指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油量，又称指示比油耗，用符号来表示，常用单位为g/（kW·h）。当发动机的指示功率为（kW），每小时耗油量为（kg/h），则指示燃油消耗率为指示燃油消耗率是评定发动机实际循环经济性的重要指标之一* 4．指示热效率 指示热效率是指发动机实际循环指示功与所消耗热量之比，即 为做指示功所消耗的热量，按所消耗的燃料量与燃料的热值来计算，燃料的热值是指单位质量的燃料燃烧后放出的热量，其数值取决于燃料本身的性质。 若已知发动机的指示功率为（kW），每小时耗油量为（kg/h），所用燃料的低热值为（kJ/kg），则*2.1.3有效性能指标 有效性能指标是以发动机曲轴上输出的功率为基础的指标，可用来评定整个发动机工作性能的好坏。 1．有效功率 有效功率是指从发动机曲轴上输出的功率,用符号表示,单位为kW。 机械损失功率是指发动机在内部传递动力的过程中损失的功率，主要包括摩擦损失、驱动附件的损失和泵气损失。发动机工作中，机械损失是不可避免的，机械损失功率和有效功率均可通过试验方法确定。* 2．平均有效压力 平均有效压力是指发动机单位汽缸工作容积输出的有效功 ----循环有效功（J）；----汽缸工作容积（L）。 平均有效压力和有效功率的关系为 平均有效压力越高，有效转矩越大，发动机的动力性好* 3．有效转矩 有效转矩是指发动机曲轴上输出的转矩 ---有效转矩（）；n-----发动机转速（r/min）。*2.1发动机的工作指标 4．升功率 单位汽缸工作容积所发出的有效功率 ----汽缸数；----汽缸工作容积 发动机的升功率与平均有效压力和转速的乘积成正比，升功率反映发动机汽缸工作容积的利用程度，可反映发动机结构的紧凑性。发动机有效功率一定时，升功率越高，发动机的体积就越小。提高平均有效压力和转速是提高升功率的有效措施。* 5．有效燃油消耗率 有效燃油消耗率是指单位有效功的耗油量，又称有效比油耗 有效燃油消耗率是评定发动机实际循环经济性的重要指标之一* 6．有效热效率 有效热效率是指发动机实际循环有效功与所消耗热量之比 ----做有效功所消耗的热量 有效热效率也是评定发动机经济性的重要指标 柴油机热效率比汽油机的高，经济性比汽油机好*2.1.4运转性能指标 发动机运转性能主要指排放性能、噪声及冷启动性能等。 1．排放性能 （1）有害气体。发动机排放的有害气体主要是氮氧化合物（）、碳氢化合物（HC）及一氧化碳（CO） （2）排气颗粒。指发动机排出的除水以外任何液态和固态颗粒。 2．噪声 3．冷启动性能*2.1.5机械效率 1．机械效率 机械效率是指有效功率与指示功率的比值 可用机械效率来比较不同发动机机械损失的大小。机械效率越高，机械损失越小，发动机的性能越好。在任何情况下，为提高发动机的性能，应尽可能减少机械损失，提高机械效率。 根据机械效率、有效热效率和指示热效率的定义式，可得三者之间的关系为 * 2．机械损失的组成及测定 (1)机械损失的组成 在机械传动中，机械损失是不可避免。 1）摩擦损失。指发动机曲柄连杆机构和配气机构中运动件摩擦造成的损失。 2）驱动附件损失。发动机正常工作时，必须驱动冷却水泵、发电机、机油泵、输油泵和风扇等一些必要的附件，驱动这些附件必然会消耗发动机的指示功率。 3）泵气损失。在测定发动机的机械损失时，很难将泵气损失与其他机械损失分离开，所以通常将泵气损失包括在机械损失中。 （2）机械损失的测定 机械损失功率可通过试验方法测定，常用的试验方法有倒拖法、灭缸发、示功图法和油耗线法等* 3．影响机械效率的因素 （1）点火提前角或供油提前角 汽油机的点火提前角和柴油机的供油提前角直接影响实际循环指示功和缸内最高压力。汽油机的点火提前角和柴油机的供油提前角不易过大或过小，必须根据发动机的转速和负荷等合理选择。 （2）发动机转速 随发动机转速提高，各摩擦表面间的相对运动速度加大，摩擦损失增加；同时由于转速上升而引起运动件的惯性力加大，致使活塞侧压力和轴承负荷增加，也会使汽缸和活塞的摩擦损失增加。此外，转速提高，还会使泵气损失及驱动附件的机械损失增加。所以，随发动机转速提高，机械损失功率增加，机械效率下降。根据试验统计，机械损失功率与转速平方近似成正比，所以转速越高，机械效率下降越快，如图2-3所示。这也成为通过提高转速来强化发动机动力性的一大障碍。**图2-3 3）发电机负荷 发动机的机械损失主要来自摩擦损失，摩擦损失又取决于机件的相对运动速度与机械负荷。随发动机负荷增加，机械损失功率增加较缓慢。随发动机负荷的增加，油门开度增大，对柴油机意味着每循环供油量增多，对汽油机意味着每循环供给的混合气数量增多，所以循环加热量增加，指示功和指示功率均增长迅速。但发动机负荷较大时，在增加负荷，由于混合气的浓度增大，使不完全燃烧的损失增加，指示功率随负荷增长的速度会减慢。发动机负荷减小时，机械效率下降。在怠速工况下，由于发动机输出轴上无有效功率输出，即发动机的指示功率全部用于克服其内部的机械损失。* 4）润滑油黏度 润滑油的黏度对摩擦损失有重要影响。润滑油黏度过大，其流动性就会变差，尤其是刚刚启动的一段时间内，润滑油不易到达各摩擦表面，甚至不能形成边界润滑，使摩擦损失增加；同时随润滑油黏度增大，曲轴旋转时的阻力增加，影响发动机的冷启动性能。而润滑油黏度过小，其油膜的承载能力低，在机械负荷较大时，容易造成因油膜破裂而失去润滑作用，形成干摩擦。因此，润滑油的黏度过大或过小，均会使机械损失增加，机械效率下降。为减少摩擦损失，提高发电机机械效率，在保证润滑可靠的前提下，尽量选用黏度较小的润滑油，并在使用中，定期更换润滑油。* 5）发动机工作温度 发动机的工作温度直接影响润滑油的工作温度，而随润滑油温度的提高，其黏度减小。发动机的工作温度过高或过低，就会使润滑油的黏度过小或过大，均会导致机械损失增加，机械效率下降。同时，温度过高有时使润滑油变质。因此，使用中应尽量保持发动机正常的工作温度，一般为80℃~95℃。此外，发动机的工作温度也直接影响混合气的形成及燃烧过程。发动机工作温度过低，燃料不易蒸发，混合气形成不良，不完全燃烧损失增加，指示功率减小，使机械效率下降。而温度过高，则会导致燃烧过程不正常，汽油机易发生爆燃，也会使指示功率减少，机械效率下降。* 6）发动机的技术状况 在发动机的使用过程中，应注意正确使用，及时维护和修理，保持发动机良好的技术状况。发动机的技术状况对机械效率的影响很大。在使用过程中，运动件的自然磨损、机件的变形、老化和意外事故造成的损伤等，均会导致发动机的技术状况变坏，配合间隙变大，密封不良，从而使机械损失增加，指示功率下降，机械效率降低。*2.2发动机的工作循环 2.2.1发动机的热力过程与热机循环 发动机的实际工作过程是由一系列非常复杂的物理化学变化过程组成的,在工程热力学中通常将发动机实际工作循环加以抽象与简化，忽略一些次要影响因素。 （1）假设工质为理想气体，循环过程中物理和化学性质不变，其比热容为定值。 （2）假设工质的质量不变，不考虑进排气过程，并忽略漏气影响。 （3）假设工质的压缩和膨胀均是绝热过程，工质与外界不存在热量交换。 （4）假设工质燃烧为定压或定容加热过程，排气为定容放热过程。 （5）假设循环过程为可逆循环，且不考虑实际循环中存在的各种能量损失。 理论循环与实际循环虽然存在一定的差别，但这种抽象、概括和简化是合理的，并接近实际* 图2-4位发动机的理论循环示意图。理论循环是用循环热效率和循环平均压力来衡量的。*图2-4发动机理论循环示功图(a)混合加热循环(b)定容加热循环(c)定压加热循环图2-4发动机理论循环示功图(a)混合加热循环(b)定容加热循环(c)定压加热循环图2-4发动机理论循环示功图(a)混合加热循环(b)定容加热循环(c)定压加热循环(a)混合加热循环(b)定容加热循环(c)定压加热循环(a)混合加热循环(b)定容加热循环(c)定压加热循环2.2.2理想工质的理想循环 1．混合加热循环 汽车用柴油机均为高速柴油机，按燃烧过程的特点将其分成两部分：定容和定压。定容加热循环由4个基本热力过程组成：a-c为绝热压缩过程；c-z’为定容加热过程，加热量为；z-z’为定压加热过程，加热量为；z-b为绝热膨胀过程；b-a为定容放热过程，放热量为。 混合加热循环的热效率为 混合加热循环的平均压力为* 2．定容加热循环 定容加热循环实际可看作预膨胀比=1时的混合加热循环。定容加热循环由4个基本热力过程组成：a-c为绝热压缩过程；c-z为定容加热过程，加热量为；z-b为绝热膨胀过程；b-a为定容放热过程，放热量为。* 3．定压加热循环 定压加热循环实际可看作压力升高比=1时的混合加热循环。定压加热循环由4个基本热力过程组成：a-c为绝热压缩过程；c-z为定压加热过程，加热量为；z-b为绝热膨胀过程；b-a为定压放热过程，放热量为。 将=1代入混合加热循环热效率和平均压力计算式，分别得出定压加热循环的热效率和平均压力为* 4.理论循环的影响因素 1．压缩比 随着压缩比的提高，3种循环的热效率和平均压力均提高。在循环加热量和汽缸工作容积一定时，提高压缩比，可增加循环功和减少热量损失，从而使循环热效率和平均压力提高。在定压加热循环和混合加热循环中也一样。图2-5所示为定容加热循环热效率与压缩比的关系*图2-5 2．压力升高比 3．预膨胀比 4.等熵指数 在压缩比一定时，随着绝热指数的增加，循环热效率提高。绝热指数的大小取决于工质的种类，实际上发动机的工质是无法选择的。*图2-6 5．进气终点的压力 进气终点的压力仅对循环平均压力产生影响，在其他参数一定时，随着进气终点压力提高，汽缸内最高温度和压力都会有所提高，循环平均压力也提高。 目前，柴油机的压缩比一般在14~22之间，最高循环压力为=7MPa~14MPa；汽油机的压缩比一般在6~12之间，最高循环压力=3MPa~9MPa。*2.1.3真实工质的理想循环 四冲程发动机实际循环由进气、压缩、做功和排气4个冲程所组成，其中压缩与做功冲程之间有燃烧过程交叉连接，相当于有5个热力过程。如图2-7所示，这4个冲程的工作情况直接影响发动机的性能，通过对实际循环的研究以及与理论循环的比较，分析影响发动机性能的各种因素，可以从中找到提高发动机性能的途径。**图2-7 1．进气冲程 发动机连续运转必须不断吸入新鲜工质。吸入新鲜工质的冲程是进气冲程。进气冲程中，活塞由上止点向下止点运动，进气门在活塞到达上止点前打开，在活塞到达下止点后关闭，排气门始终关闭，新鲜工质在汽缸内真空作用下被吸入汽缸。由于进气系统的阻力，进气终了时汽缸内压力小于大气压力，约为0.075MPa~0.095MPa，而工质受到残余废气、汽缸壁、活塞顶等高温机件的加热，温度总是高于大气温度，进气终了温度一般为310K~400K。在图2-7中进气冲程用曲线ra表示。* 2．压缩冲程 压缩冲程中吸入汽缸内的工质在压缩冲程中压力和温度急剧升高，为其着火燃烧创造了有利条件。压缩冲程是一个复杂的多变过程，其间有热交换和漏气损失。在图2-7中压缩冲程用曲线ac表示。 3．燃烧过程 燃烧过程发生在活塞位于上止点前后，进、排气门均关闭。混合气发生外源点火或自行发火燃烧，燃烧过程的作用是将燃料的化学能转化为热能，使工质的温度和压力升高。柴油机的燃烧过程接近混合加热循环，喷油器在上止点前喷油，燃油微粒迅速与空气混合，在高温高压下自燃。开始时，燃烧速度很快，工质温度、压力剧增，接近定容加热；后来一面喷油，一面燃烧，燃烧速度逐渐缓慢，又因活塞下移，汽缸容积加大，压力升高不大，而温度继续上升，燃烧接近定压加热。 * 4．做功冲程 当活塞接近上止点时，工质燃烧放出大量的热能，高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，进排气门均关闭，气体边燃烧边做功，高压气体通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用以维持发动机本身继续运转外，其余的用于对外做功。在图2-7上用曲线zb表示。做功冲程除有热交换和漏气损失外还有补燃。整个膨胀过程总体来说，缸内气体的吸热量大于放热量。因此，做功冲程也是一个多变过程。 5．排气冲程 做功冲程接近终了时，排气门提前开启，首先靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点运动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到达上止点附近时，排气冲程结束，但由于气体流动存在惯性，排气门在活塞到达上止点之后关闭，如图2-7中的曲线br所示。由于发动机系统存在阻力，使排气终了的压力略高于大气压力。在实际工作中，也常用排气温度作为检查发动机工作状态的技术指标，排气终了温度偏高，说明发动机工作过程不良，热效率低。*2.2.4真实工质的真实循环 内燃机的实际循环存在着许多不可逆损失，因而不可能达到理论循环的热效率和循环平均压力。分析这些损失，有助于掌握两者之间的差异及成因，为提高内燃机工作过程的热效率指明方向。 （1）工质的影响 （2）传热损失 （3）换气损失 （4）燃烧损失**自然吸气压燃式内燃机理论和实际循环p-v图比较本章小结 发动机的性能指标包括指示指标和有效指标。 用循环热效率及燃料消耗率评定循环的经济性。有效指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表整台发动机的性能。用有效功率、有效扭矩、平均有效压力评定发动机的动力性。用有效热效率、有效燃油消耗率评定发动机经济性。用升功率、比质量、强化系数表明发动机的强化程度。 另外还有发动机的环境指标即排放性能和燥声。 四冲程发动机的实际循环 实际循环与理论循环相比较存在的损失*谢谢大家!****