内燃机循环及性能评价.pptx

内燃机循环及性能评价内燃机循环及性能评价2-1 2-1 概述概述概述概述内燃机：内燃机：EQ W的动力机械的动力机械装置。装置。转换方式：热力循环转换方式：热力循环四冲程四冲程=进、压、做功、排进、压、做功、排三个环节：三个环节：混合气形成及换气过程：混合气形成及换气过程：Q W的物质基础，的物质基础，A/F，v 燃烧放热过程：放热规律，热效率燃烧放热过程：放热规律，热效率 i，排放，排放能量传递过程：机械效率能量传递过程：机械效率 m，机械损失，机械损失AFA/F v 燃烧燃烧第1页/共38页改善内燃机性能改善内燃机性能=能量转换效果：能量转换效果：体现在完善上体现在完善上述三个环节题上，即：述三个环节题上，即：混合气：燃料混合气：燃料汽汽/柴柴/替代燃料，热值替代燃料，热值/成分不同成分不同 换气过程换气过程尽可能提高充量，提高气缸利用率尽可能提高充量，提高气缸利用率燃烧：完全、及时燃烧：完全、及时节能，节能，CO、HC 放热规律放热规律压力升高率（压力升高率（NOx），热效率），热效率能量传递：机械损失能量传递：机械损失摩擦、泵气、驱动附件摩擦、泵气、驱动附件 机械效率机械效率提高提高 m的措施的措施第2页/共38页2.2 2.2 内燃机的循环理论内燃机的循环理论内燃机的循环理论内燃机的循环理论一一、卡卡诺诺循循环环与与内内燃燃机机的的动动力力循循环环卡诺循环组成卡诺循环组成:绝热压缩、绝热绝热压缩、绝热膨胀做功过程、膨胀做功过程、等温加热过程、等温加热过程、等温放热过程等温放热过程卡诺定理：任何实际循环热效率都卡诺定理：任何实际循环热效率都14后，随后，随 ，t 缓慢，机械缓慢，机械/热负荷热负荷 TS14n=k=1.4n=1.3n=1.2n=1.25 n：多变指数：多变指数n ，nk=1.4（空气），工质更接近空气，（空气），工质更接近空气，热效率热效率，如稀薄燃烧技术等，如稀薄燃烧技术等 第7页/共38页 及及 ：a)定容循环定容循环:不变，不变，Q1 ，Q2 ，Q2/Q1不变，不变，t 不变不变 b)混合循环：混合循环：Q1、一一定，定，t =1第8页/共38页 2.循环平均压力循环平均压力pt 定义：单位气缸工作容积所定义：单位气缸工作容积所做的循环功做的循环功 评定循环的做功能评定循环的做功能力力 混合：混合：定容：定容：定压：定压：第9页/共38页三、三种理论循环的比较三、三种理论循环的比较三、三种理论循环的比较三、三种理论循环的比较a)Q1，相同：相同：等容加热速率快，等容加热速率快，Q2pQ2mQ2v tv tm tpb)Q1，pz相同：相同：不同，即不同，即 p m v Q2vQ2mQ2p tp tm tvc)Tz，pz相同：相同：工质做功能力相同，工质做功能力相同，Q2p=Q2m=Q2v tp tm tv第10页/共38页2-3 2-3 内燃机实际循环及其评价指标内燃机实际循环及其评价指标内燃机实际循环及其评价指标内燃机实际循环及其评价指标 一、实际循环：一、实际循环：1个循环个循环4个行个行程程5个过程：个过程：进进-压压-燃烧燃烧-膨胀膨胀-排，各过排，各过程都存在各种损失程都存在各种损失 1.进气过程：换气，为气缸进气过程：换气，为气缸Q-W转换物质准备转换物质准备 理想理想无损失的可逆过程；无损失的可逆过程；纯空气，纯空气，p=p0 实际实际进气流动损失：进气流动损失：热交换：高温零件热交换：高温零件加热加热 残余废残余废气气进气道、气缸进气道、气缸壁、进排气门壁、进排气门第11页/共38页汽油机：汽油机：汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：柴油机：柴油机：增压柴油机：增压柴油机：增压柴油机：增压柴油机：增压压力：增压压力：增压压力：增压压力：第12页/共38页2.2.压缩行程（过程）压缩行程（过程）压缩行程（过程）压缩行程（过程）作用：燃烧前的准备作用：燃烧前的准备提高提高p和和T；提高膨胀比提高膨胀比提高效提高效率率 理想：纯空气，绝热过程：理想：纯空气，绝热过程：k=1.4;实际：多边过程实际：多边过程热交换热交换/漏气，漏气，平均多边指数；平均多边指数；原则：以平均原则：以平均n1计算结果计算结果终终了状态相同，即了状态相同，即 压缩终了状态：压缩终了状态：第13页/共38页汽油机：汽油机：n1=1.321.38;柴油机：柴油机：n1=1.381.4；第14页/共38页3.3.做功行程做功行程做功行程做功行程膨胀做功行程膨胀做功行程=燃烧过程燃烧过程+膨胀过程膨胀过程作用：实现作用：实现E Q1W的的能量转换过程能量转换过程 燃烧过程：实现燃烧过程：实现E Q1的转换的转换理想循环：假设为等容加热或等压加热理想循环：假设为等容加热或等压加热实际循环：燃烧非瞬时，时间损失，不完全燃烧实际循环：燃烧非瞬时，时间损失，不完全燃烧 汽油机：均匀预混合气，提前点燃，火焰传播汽油机：均匀预混合气，提前点燃，火焰传播 柴油机：边混边燃，喷油提前，预混合柴油机：边混边燃，喷油提前，预混合/扩散燃烧扩散燃烧 增压柴油机：增压柴油机：通过燃烧第15页/共38页膨胀过程：实现：膨胀过程：实现：Q1 W的转的转换换 理想：均质空气，绝热膨胀理想：均质空气，绝热膨胀 实际：多变过程，取决于热交实际：多变过程，取决于热交换、换、泄漏、补燃、工质变化；泄漏、补燃、工质变化；用平均多边指用平均多边指数：数：n2 评定多边过程评定多边过程 原则：原则：计算结果与实际一致计算结果与实际一致 通过曲柄通过曲柄连杆机构连杆机构工质被加热时：工质被加热时：n2k第16页/共38页汽油机：汽油机：n2=1.231.28；膨胀终了：膨胀终了：柴油机：柴油机：n2=1.151.28;膨胀终了：膨胀终了：柴油机柴油机 高，膨胀比大，热效率高，膨胀终了温度及压力高，膨胀比大，热效率高，膨胀终了温度及压力都比汽油机小都比汽油机小第17页/共38页4.4.排气行程排气行程排气行程排气行程作用：尽量排净，为下一循环充作用：尽量排净，为下一循环充气准备气准备 理论：无阻力，可逆，或闭口理论：无阻力，可逆，或闭口系统系统 实际：排气流动损失：实际：排气流动损失：传热现象：废气与排传热现象：废气与排气管壁的传热气管壁的传热 残余废气系数：残余废气系数：排气门、排气道、排气门、排气道、排气管、消声器排气管、消声器评价换气过程排出评价换气过程排出废气的完善程度废气的完善程度排气后缸内的排气后缸内的残余废气量残余废气量进入气缸的进入气缸的新鲜充气量新鲜充气量第18页/共38页排气终了状态：排气终了状态：汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：排温取决于燃烧温度；排温取决于燃烧温度；燃烧过程迟后或后燃（补燃）增加排温升高。燃烧过程迟后或后燃（补燃）增加排温升高。所以，排温是检查发动机燃烧状况的重要参数所以，排温是检查发动机燃烧状况的重要参数第19页/共38页二、实际循环的评价指标二、实际循环的评价指标二、实际循环的评价指标二、实际循环的评价指标评价方法：指示指标，即评价方法：指示指标，即 以工以工质对活塞做功为基础，评价实质对活塞做功为基础，评价实际循环的做功能力和经济性际循环的做功能力和经济性。1.做功能力评价指标做功能力评价指标动力性动力性指标：指标：1）平均指示压力：定义）平均指示压力：定义 意义：比较不同气缸的做工意义：比较不同气缸的做工能力；能力；评价评价Vs的利用程度的利用程度循环指示循环指示功功kW气缸工作气缸工作容积容积 L第20页/共38页2）指示功率：发动机单位时间所做的指示功）指示功率：发动机单位时间所做的指示功其中，其中，:1个循环所需时间（个循环所需时间（s）n:发动机转速发动机转速 r/min;i:气缸数气缸数 ：冲程数，四冲程机：冲程数，四冲程机 =4 二冲程机二冲程机=2第21页/共38页 2.经济性评价指标经济性评价指标 意义：评价为获得意义：评价为获得W而消耗的而消耗的能量。能量。方法：方法：1）指示热效率：为获得）指示热效率：为获得循环指示功循环指示功Wi所消耗的热量所消耗的热量Q1（能源）之比，即（能源）之比，即 2）指示燃料消耗率：）指示燃料消耗率：单位时间，为获得单位指示功率单位时间，为获得单位指示功率所消耗的燃料量，即所消耗的燃料量，即其中，其中，B：每小时燃油消耗量：每小时燃油消耗量 kg/h第22页/共38页 由由 所以，所以，汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：其中，其中，h:燃料的低热值燃料的低热值第23页/共38页2-4 2-4 有效指标有效指标有效指标有效指标指示指标只评价缸内指示指标只评价缸内Q/W工作循工作循环的好坏，不能评价内部动力环的好坏，不能评价内部动力传递过程中的损失。传递过程中的损失。有效指标：以曲轴对外输出功率有效指标：以曲轴对外输出功率为基础，评价发动机性能为基础，评价发动机性能对外产生的效果对外产生的效果包括动力性、包括动力性、经济性、排放性经济性、排放性。1.动力性动力性评价对外做功的能评价对外做功的能力力 1）有效功率）有效功率Pe：Pi在发动机内部传递在发动机内部传递过程中损失一部分过程中损失一部分用用 m评价评价第24页/共38页其中，机械损失功率其中，机械损失功率Pm 包括：发动机内部摩擦损失；包括：发动机内部摩擦损失；驱动附件损失；驱动附件损失；泵气损失泵气损失进排气损失进排气损失机械效率机械效率 m：定义：定义 动力传递过程动力传递过程内部损失大小内部损失大小第25页/共38页2）有效转矩）有效转矩Ttq：由发动机曲轴输：由发动机曲轴输出的转矩出的转矩Nm 由由 一个循环一个循环(2转转)输出的功输出的功:We=Pe t=Ttq 4/1000 其中，一个循环所需时间：其中，一个循环所需时间：所以，所以，Ttq和和n由试验测得，并用上式求有效功率由试验测得，并用上式求有效功率第26页/共38页3）平均有效压力：单位气缸工作）平均有效压力：单位气缸工作容积的有效功。容积的有效功。或或 一般，汽油机：一般，汽油机：柴油机：柴油机：增压柴油机：增压柴油机：第27页/共38页4）升功率）升功率PL：单位气缸工作容：单位气缸工作容积输出的额定功率积输出的额定功率 评价气缸工作容评价气缸工作容积的利用效率。积的利用效率。定义式定义式称称pmen为发动机强化指标；发展趋势：为发动机强化指标；发展趋势：高功率（强化）、更轻巧、更紧凑型发动机高功率（强化）、更轻巧、更紧凑型发动机但但n的提高受活塞平均速度的限制。的提高受活塞平均速度的限制。第28页/共38页 5)转速转速n和活塞速度和活塞速度Cm：提高提高n，可增加发动机单位时间，可增加发动机单位时间做功次数，做功次数，Pe Cm ，活塞热负荷，活塞热负荷，惯性力，惯性力，磨损，磨损，寿命，寿命；为限制为限制Cm,可可 S S/D。S/D1时为短行程。时为短行程。但但 S/D，燃烧室高，燃烧室高，影响混，影响混合气形成和燃烧。合气形成和燃烧。S：活塞行程：活塞行程 比质量比质量me：E/G质量质量m与标定功率之比：与标定功率之比：汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：第29页/共38页一般一般 汽油机：汽油机：n=36008000r/min；柴油机：柴油机：n=20005000r/min；增压柴油机：增压柴油机：n=15004000r/min；第30页/共38页2.经济性：从有效功角度衡量所经济性：从有效功角度衡量所消耗的燃料量。消耗的燃料量。1）有效热效率）有效热效率 2）有效燃油消耗率：）有效燃油消耗率：单位时间、单位有效单位时间、单位有效功率所消耗的燃料量功率所消耗的燃料量汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：第31页/共38页3.排放指标：指发动机在排放指标：指发动机在Q1W过程中，因燃烧而派出的环境过程中，因燃烧而派出的环境污染物的限制指标。污染物的限制指标。有害排放物：尾气排放物、蒸发物、噪声。有害排放物：尾气排放物、蒸发物、噪声。1）尾气排放物：）尾气排放物：CO、HC、NOx、PM、CO2等等各国法规限制标准发展趋势：各国法规限制标准发展趋势：2）蒸发物：汽油机燃油系统蒸发的）蒸发物：汽油机燃油系统蒸发的HC化合物。化合物。3）噪声：刺激神经，心烦，耳聋等。）噪声：刺激神经，心烦，耳聋等。第32页/共38页2-5 2-5 机械损失机械损失机械损失机械损失1.机械效率机械效率 由定义：由定义：2.机械损失机械损失Pm分配：摩擦损失：分配：摩擦损失：6275%驱动附件：驱动附件：1020%泵气损失：泵气损失：1020%汽油机汽油机:m=0.70.9柴油机柴油机:m=0.70.85意义：评价内燃机内部动力传递效率意义：评价内燃机内部动力传递效率摩擦损失：摩擦损失：第33页/共38页3.机械损失的测定机械损失的测定 1)倒拖法：电力测功器倒拖法：电力测功器 TW和机油温度正常时的反拖功和机油温度正常时的反拖功率率Pm 缺点：缸内压力、温度与缺点：缸内压力、温度与实际不符，误差大实际不符，误差大 2)灭缸法：多缸机，逐次灭灭缸法：多缸机，逐次灭1个个缸，测功率缸，测功率则，指示功率：则，指示功率：柴油机：误差柴油机：误差5%，汽油机：误差较大，汽油机：误差较大进气条件。进气条件。摩擦损失功率：摩擦损失功率：灭灭n缸后缸后n缸缸指示功率指示功率第34页/共38页3)示功图法：燃烧分析仪等专用示功图法：燃烧分析仪等专用设备测量示功图设备测量示功图 求得指示功率求得指示功率Pi 试验测的有效功率试验测的有效功率Pe及转速及转速n 直接由定义式求得直接由定义式求得 m及及Pm。4）油耗法：只适用于柴油机）油耗法：只适用于柴油机 设设 循环效率随负荷不变，则循环效率随负荷不变，则 任一工况：任一工况：误差取决于示功误差取决于示功图测量精度图测量精度怠速怠速Pe=0：(1)/(2)，得，得Pm m第35页/共38页4.影响机械效率的因素影响机械效率的因素*1）缸径）缸径D和行程和行程S：2）摩擦损失：活塞（环）组，曲）摩擦损失：活塞（环）组，曲轴组件，配气机构轴组件，配气机构 3）n：摩擦损失，惯性力，泵气：摩擦损失，惯性力，泵气损失，驱动附件损失，驱动附件 4）负荷：主要影响）负荷：主要影响Pi，而，而 Pm 不不随负荷变化随负荷变化 5）润滑油品质、冷却水温度）润滑油品质、冷却水温度 主要影响机油粘度主要影响机油粘度Dm：曲轴平均直径：曲轴平均直径K：与缸数和：与缸数和n有关有关的常数。的常数。第36页/共38页2-6 2-6 热平衡热平衡热平衡热平衡指所加入热量指所加入热量Q1的具体分配情况的具体分配情况热量损失情况；热量损失情况；目的：明确提高热效率的有效途目的：明确提高热效率的有效途径径转换为转换为Pe的热量的热量2550%冷却损失冷却损失1035%废气带走热量废气带走热量2550%不完全燃烧损失不完全燃烧损失其它损失其它损失QT5075%2550%有效利用能源的有效利用能源的必要性必要性第37页/共38页