内燃机原理第2章ppt课件
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内 燃 机 原 理,1,第2章 内燃机的工作指标,动力性能指标 功率、转矩、转速 经济性能指标 燃料与润滑油消耗率 运转性能指标 冷起动性能、噪声和排气品质 耐久可靠性指标 大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力,燃料燃烧产生的热量是通过气缸内所进行的工作循环转化为机械能的,即气缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上,通过曲柄连杆机构,在克服了内燃机内部各种损耗后,对外做功。 因此,要研究内燃机的动力性能和经济性能,应首先对内燃机一个工作循环中热功转换的质和量两方面加以分析。,燃料的 化学能,工质的 内能,工质的 机械能,有效功,燃烧,热力循环,曲柄连杆机构,指示性能指标,机械效率,2,第2章 内燃机的工作指标,第1节 示功图与指示性能指标 第2节 有效性能指标 第3节 机械损失与机械效率 第4节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径,3,第1节 示功图与指示性能指标,一、示功图 二、指示性能指标,4,一、示功图,pV示功图或p示功图 利用不同型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质压力的变化规律 pV图或p图两者可以互相转换。 从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段(压缩、燃烧、膨胀)以及进气、排气行程中的压力变化 通过数据处理,运用热力学知识,将它们与所积累的试验数据进行分析比较,可以对整个工作过程或工作过程的不同阶段进展的完善程度做出正确判断,进气行程,压缩行程,膨胀行程,排气行程,下止点,上止点,下止点,360,540,720,0,曲轴转角/()CA,气缸压力p/MPa,5,6,第1节 示功图与指示性能指标,一、示功图 二、指示性能指标,7,二、指示性能指标,内燃机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为基础的指标。 指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。 指示功的大小可以由pV图中闭合曲线所占有的面积求得 (a)四冲程非增压发动机 Fi = F1F2 (b)四冲程增压发动机 Fi = F1 + F2 (c)二冲程发动机只有一块示功图面积Fi,它表示了指示功的大小,Fi可以用求积仪或计算方法求得,然后用下式计算Wi(Nm或J)值 (21) Fi为示功图面积,cm2 a为示功图纵坐标比例尺,Pa/cm b为示功图横坐标比例尺,cm3/cm,8,二、指示性能指标,平均指示压力(用pmi表示,下标m表示“平均mean”的意思)是单位气缸容积一个循环所做的指示功(Pa) (22) 一般在标定工况下pmi值在下列范围内 四冲程非增压柴油机 0.60.95MPa 四冲程增压柴油机 0.852.6MPa 二冲程柴油机 0.351.3MPa 四冲程摩托车用汽油机 0.91.43MPa 四冲程小客车用汽油机 0.651.25MPa 四冲程载货车用汽油机 0.60.85MPa 二冲程小型风冷汽油机 0.40.85MPa,内燃机单位时间内所作的指示功称为指示功率Pi。 平均指示压力pmi与指示功率的关系: 根据pmi的定义,每循环所作的指示功(J)为 Wi = pmiVs 得 (23) 为冲程数,四冲程=4;二冲程=2。 在实际应用时,一般采用pmi(MPa),Vs(L),n(r/min),Pi(kW)代入可得 (24),9,二、指示性能指标,指示热效率it是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比,即 (25) Q1为得到指示功Wi所消耗的热量(J)。 对于一台发动机,当测得其 指示功率Pi(kW)和 每小时燃油消耗量B(kg/h)时, 根据it的定义,可得 (26) 3.6103为1kWh的热当量,kJ/(kWh); B为每小时发动机的耗油量,kg/h; Hu为所用燃料的低热值,kJ/kg。,指示燃油消耗率g/(kWh)是指单位指示功的耗油量,它通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示 (27) 表示实际循环的经济性指标it和bi之间存在着以下关系 (28) 一般it和bi的统计范围如下: it bi/g(kWh)-1 四冲程柴油机 0.410.48 210175 二冲程柴油机 0.400.48 218177 四冲程汽油机 0.250.40 344218 二冲程汽油机 0.190.27 435305,10,第2章 内燃机的工作指标,第1节 示功图与指示性能指标 第2节 有效性能指标 第3节 机械损失与机械效率 第4节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径,11,第2节 有效性能指标,一、机械效率和有效功率 二、平均有效压力和升功率 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 四、有效热效率和有效燃油消耗率,12,一、机械效率和有效功率,气缸内工作循环发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动附件所消耗的功率后才是曲轴的有效输出,所有这些消耗功率的总和称为机械损失功率Pm,从而有效功率 (29) 有效功率与指示功率之比称为机械效率 (210),内燃机的有效功率Pe(kW)可以利用测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩Ttq(Nm)及在同一工况下的发动机转速n(r/min),按下式求得 (211),13,14,第2节 有效性能指标,一、机械效率和有效功率 二、平均有效压力和升功率 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 四、有效热效率和有效燃油消耗率,15,二、平均有效压力和升功率,平均有效压力 单位气缸工作容积一个循环所做的有效功。 平均有效压力是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。 Pe(kW)和pme(MPa)的关系式 (212) (213),应用式(211)和式(212)的恒等关系,可得 (214) 求得 (215) 对于一定气缸总工作容积(即iVs)的发动机,平均有效压力pme值反映了发动机输出转矩Ttq的大小 Ttq pme,16,二、平均有效压力和升功率,升功率PL(kW/L)的定义是在标定工况下,发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率 (216) 从式(212)可得 (217) 可见,升功率PL是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的利用率作总的评价,它与pme和n的乘积成正比。PL值越大,发动机的强化程度越高,发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因而PL是评定一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。,内燃机的pme和PL值一般在下列范围内: pme/MPa PL/(kWL-1) 农用柴油机 0.60.8 8.814.7 汽车用柴油机 0.651 1125.8 强化高速柴油机 12.9 1540 固定船用中速柴油机 0.62.5 3.77.35 四冲程摩托车用汽油机 0.781.2 51.888 四冲程小客车用汽油机 0.651.2 4070 四冲程载货汽车用汽油机 0.60.7 2225.8 二冲程小型风冷汽油机 0.40.65 18.473.5,17,第2节 有效性能指标,一、机械效率和有效功率 二、平均有效压力和升功率 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 四、有效热效率和有效燃油消耗率,18,三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系,1.充量系数c 定义1:若把每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状态(ps,Ts)的体积V1,其值一般要比活塞排量Vs小,两者的比值定义为充量系数c; 定义2:每循环吸入气缸的空气量m1与以进气管状态(ps,Ts)的空气能充满气缸工作容积Vs的质量msh之比定义为充气系数c 。即 充量系数c是表征实际换气过程进行完善程度的一个极为重要的参数,2.过量空气系数a 燃烧1kg燃料的实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数a,即 (218) gb为每循环燃料供给量,kg;l0为1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量。 柴油 l0 = 14.3kg空气/kg燃料 汽油 l0 = 14.8kg空气/kg燃料 高速柴油机 a = 1.21.5 增压柴油机 a = 1.72.2 汽油机 a = 0.851.1 非增压的四冲程内燃机可由耗油量B及耗气量Aa按下式求得,19,三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系,根据平均有效压力和平均指示压力的定义及式(218)可得 s为进气管状态下空气密度。式中单位均按国际单位制。,以下列单位带入得 Hu-kJ/kg s-kg/m3 l0-kg空气/kg燃料 Pme-MPa (219) 把s=ps/RTs和 l0 = maL0(ma = 28.9,为空气的分子量)代入得 ps为进气管压力(MPa),Ts为进气管温度(K),空气的气体常数R = 287J/(kgK)。 类似地,有,20,第2节 有效性能指标,一、机械效率和有效功率 二、平均有效压力和升功率 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 四、有效热效率和有效燃油消耗率,21,四、有效热效率和有效燃油消耗率,总的衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率et和有效燃油消耗率be。 有效热效率 实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值,即 (223) 以式(25)代入得 et = itm 由此可见,在et中已经考虑到实际发动机工作时的一切损失了。与上述it一样,可得 (224),有效燃油消耗率 指单位有效功的耗油量,通常用每有效kWh功所消耗的燃料g数be g/(kWh)来表示,即 (225) 由式(224),be又可表示为 (226) 标定工况下的be和et值一般在以下范围: be/g(kWh)-1 et 低速柴油机 190225 0.380.45 中速柴油机 195240 0.360.43 高速柴油机 215285 0.300.40 四冲程汽油机 274410 0.300.20 二冲程汽油机 410545 0.200.15,22,第2章 内燃机的工作指标,第1节 示功图与指示性能指标 第2节 有效性能指标 第3节 机械损失与机械效率 第4节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径,23,第3节 机械损失与机械效率,一、机械损失的组成部分 二、机械损失的测定 三、影响机械损失和机械效率的因素,24,在评定发动机机械损失时,除了机械损失功率Pm和机械效率m外,也可应用单位气缸工作容积的比参数平均机械损失压力pmm。它的定义是:发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。它可以用来衡量机械损失的大小,参照式(213)可以写出pmm(MPa)为 (227) (228) 在致力于提高内燃机性能指标时,应尽可能减少机械损失,提高机械效率。若不注意这点,有时在改善气缸内部指示指标的同时,却不自觉地增加了机械损失,以致不能获得预期的改进效果。,1.活塞与活塞环的摩擦损失 是整个摩擦损失的主要部分。 是由于它的 滑动面大、 相对速度高、 润滑不充分等原因造成的。 这种摩擦与 活塞的长度 活塞间隙以及 活塞环的数目和环的张力等结构因素有关。 在构造相同的情况下,它随 气缸内压力、 活塞速度以及 润滑油粘度的升高而增加。,一、机械损失的组成部分,25,一、机械损失的组成部分,2.轴承与气门机构的摩擦损失 包括主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等的摩擦损失。 由于润滑充分,纯液力摩擦因数很低; 随着轴承直径的增大和转速的提高,轴颈圆周速度的增大,这部分损失亦将增加, 对气缸中压力的变化不太敏感。 消耗在气门驱动机构上的损耗,在最大功率工况下所占比例是很微小的。 3.驱动附属机构的功率消耗 这里所指的附属机构,主要是为保证发动机工作所必不可少的部件总成,如 冷却水泵(风冷发动机中是冷却风扇)、机油泵、喷油泵、调速器等; 一些较次要的部件总成,如发电机、汽车制动用的空气压缩机、水箱风扇等,除非加以说明,一般不包括在内。,这些附属机构消耗的功率随发动机的转速和润滑油粘度的增加而增大, 但与气缸压力无关,它仅占机械损失中一小部分。 4.流体摩擦损失 连杆、曲轴等零件在曲轴箱内高速运动时,为克服油雾、空气阻力及曲轴箱通风等将消耗一部分功,但其数值是很微小的。 5.驱动扫气泵及增压器的损失 在二冲程或机械增压发动机中,对进气进行压缩而带来的损失。,26,一、机械损失的组成部分,14项损失之和视作发动机的内部摩擦损失,并以Pf表示其损耗的功率,扫气泵或增压器所消耗的功率为PB,因此,发动机的机械摩擦损失功率可表示为 Pm = Pf + PB (229) 相当于泵气损失功率的Pp已经在计算Pi时扣除了,而在测定中,要把Pf和Pp分开是困难的,所以用以下两个公式表示高速发动机中的摩擦损失 Pm = Pf + Pp + PB (230) 一般机械损失功率Pm的分配约为(%) 活塞和活塞环的摩擦损失 4565 整个活塞连杆曲轴机构的摩擦损失6075 气门机构的驱动损失 23 附属机构的驱动损失 1020 泵气损失 1020,一非增压发动机机械损失各组成部分的分配情况,27,第3节 机械损失与机械效率,一、机械损失的组成部分 二、机械损失的测定 三、影响机械损失和机械效率的因素,28,二、机械损失的测定,1.示功图法 录取示功图,算出Pi;测功器和转速计测出有效功率Pe,算出Pm、m及pm。 是在真实的试验工况下进行的,从理论上讲也完全符合机械损失的定义。 试验结果的正确程度决定于示功图测录的正确程度, 最大的误差来源于p图或pV图上止点位置不易正确地确定。上止点位置须得到精确校正。 各个气缸存在着一定的不均匀性也会引起误差。 2.倒拖法 须具有电力测功器。试验方法 发动机与电力测功器相连,,当发动机以给定工况稳定运行,冷却水、机油温度到正常值时,切断发动机供油, 将电力测功器转换为电动机,以给定转速倒拖发动机,并且维持冷却水和机油温度不变,这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。 与实际运行情况相比, 气体压力在膨胀行程中大幅度下降,使活塞、连杆、曲轴的摩擦损失有所减少; 求出的摩擦功率中有Pp项,且由于排气过程中温度低、密度大,使Pp比实际还大; 倒拖在膨胀、压缩行程中,由于充量向气缸壁的传热损失,以致于pV图上膨胀线和压缩线不重合。而在测量该工况的有效功率时,这部分传热损失已被考虑。 综合结果是:倒拖时所消耗的功率超过柴油机在给定工况工作时的实际机械损失, 对低压缩比发动机,误差大约为5%,对高压缩比发动机,误差有时可达(1520)%。,29,二、机械损失的测定,3.灭缸法 此法仅适用于多缸机。试验方法: 内燃机调整到给定工况稳定工作,测出其有效功率Pe, 喷油泵齿条位置或节气门不变,停止向某一气缸供油或点火, 减少制动力矩,迅速将转速恢复到原来的数值,并重新测定其有效功率Pe。 如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化,则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率(Pi)x为 (Pi)x = (PePe)x 依次将各缸灭火,最后可以从各缸指示功率的总和求得整台发动机的指示功率Pi Pi = (PePe)x 然后可以求出Pm和m。,4.油耗线法 BHuit = 3.6103(Pe + Pm) 若it和机械损失功率Pm不随负荷增减而变化时,当柴油机空转,有 B0Huit = 3.6103Pm 机械效率可近似地用下式估算 B取待测定机械效率的转速下负荷特性曲线中直线段某一负荷的数值,B0为同转速下空转时的数值。,30,二、机械损失的测定,在以上所介绍的几种测定机械效率的方法中: 倒拖法只能用于配有电力测功器的情况,不适用于大功率发动机,较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。 涡轮增压柴油机(pb0.15MPa),由于倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作,因而只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。排气涡轮中、高增压的柴油机(pb0.15MPa),除示功图外,尚无其他适用的方法可取代。 一般机械效率大致在以下范围: 非增压柴油机 0.78 0.85 增压柴油机 0.80 0.92 汽油机 0.80 0.90,-0.28,B/(kgh-1),-0.14,0,0.14,0.28,0.42,0.56,0.70,0.84,0,45,40,30,20,10,pme/MPa,pmm,B0,B,31,第3节 机械损失与机械效率,一、机械损失的组成部分 二、机械损失的测定 三、影响机械损失和机械效率的因素,32,三、影响机械损失和机械效率的因素,影响机械损失和机械效率的因素有结构因素和运转因素。 在发动机结构设计一定的情况下,发动机运转因素对机械损失和机械效率的影响如下。 1.循环过程中气缸内压力 爆发压力pz的大小反映了循环过程中气缸内压力水平的高低。 气缸压力越高,摩擦面上的压力越大,特别使使活塞环背压增加, 要求将运动件的尺寸和质量设计得越大, 使得摩擦损失越大,机械效率越低。 2.转速或活塞平均速度vm 转速n或活塞平均速度vm提高使惯性力上升,活塞的侧压力和轴承负荷增加,,泵损失和附属机构的损失也随转速的提高而增加,使机械损失增加和机械效率降低。 由于惯性力在每一个冲程都有影响,在高的活塞平均速度vm的情况下,惯性力引起的摩擦损失要比气缸压力所引起的要大得多。 3.负荷 当发动机的负荷增大时,其气缸内的压力以小得多的变化幅度增大,因而机械损失以小于有效功率变化幅度的幅度增加,由m=Pi-Pm/Pi可知,机械效率随着负荷的增大而提高。 4.润滑油的粘度和发动机的温度 5.大气状态,33,第2章 内燃机的工作指标,第1节 示功图与指示性能指标 第2节 有效性能指标 第3节 机械损失与机械效率 第4节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径,34,第4节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径,影响升功率PL的各因素可表示为 衡量发动机经济性能的重要指标be可表示为 以上二式概括而又明确地指出了提高发动机动力性能指标和经济性能指标的基本途径。,1.采用增压技术 在保持过量空气系数a等参数不变的情况下,增加吸进空气的密度s可以使发动机功率按比例增长。 在柴油机上广泛采用排气涡轮增压器,尤其是当采用高增压后,可以促使柴油机的pme和PL成倍增长。 还是改善柴油机的经济性、降低比质量、降低废气有害排放、降低排烟、节约原材料的一项最有效的技术措施。 汽油机由于受爆燃限制,压缩行程终了时的压力和温度不宜过高,这就限制了增压压力不宜过高。增压后,一般功率的提高也仅在30%40%之间。 增压技术还可以用来恢复在高原使用的内燃机的功率。,35,提高内燃机动力性能与经济性能的途径,2.合理组织燃烧过程,提高循环指示效率it;提高空气利用率,降低全负荷时柴油机过量空气系数a 提高指示效率it不仅改善了内燃机的动力性能,同时也改善其经济性能 需要从研究内燃机理论循环和实际循环入手,深入分析在整个热功转换过程中,各种热力损失的大小及其分布,掌握各种因素对热力损失的影响程度,从而寻找减少这些损失的技术措施,其中最重要的一个方面就是对内燃机燃烧过程的改进。 柴油机 增压程度和转速的不断提高,都要求燃烧过程能够高效率进行, 要求对柴油机的混合气形成、燃烧以及供油系统方面深入研究。,汽油机 向较高压缩比和高转速发展,促使爆燃燃烧等不正常燃烧倾向加强; 对内燃机噪声、排放限制越来越严。 为了改善排放品质和经济性,要求应用电控汽油喷射、稀燃、速燃、层燃等技术及发展缸内直接喷射等,对混合气形成和燃烧提出了许多新课题。 3.改善换气过程,提高气缸的充量系数c 在相同进气状态下若能吸入更多新鲜空气,则可容许喷入更多的燃料,在同样燃烧条件下获得更多有用功。 不仅提高c,而且可减少换气损失。 必须深入研究换气过程,分析产生损失的原因,然后从改善配气机构、凸轮廓线及管道流体动力性能等方面研究。,36,提高内燃机动力性能与经济性能的途径,4.提高发动机的转速 增加转速可以增加单位时间内做功次数,因而可提高发动机功率输出; 同时,发动机的比质量也随之降低。 转速的增长不同程度上受燃烧恶化、充量系数c和机械效率m急剧降低,零件使用寿命和可靠性降低以及发动机振动、噪声加剧等限制。 5.提高内燃机的机械效率 提高机械效率可以提高内燃机的动力性能和经济性能, 这方面主要靠 合理选定各种热力和结构参数, 结构、工艺采取措施减少其摩擦损失及驱动水泵、油泵等附属机构所消耗的功率, 改善发动机的润滑、冷却来实现。,6.采用二冲程提高升功率 理论上,采用二冲程相对于四冲程可以提高升功率一倍, 实际上,在相同工作容积和转速下,升功率只能提高50%60%, 若仍保持简单结构,其升功率不易超过四冲程,而燃油消耗率显著上升。 大型低速船用柴油机和小型风冷汽油机(2kW以下)中二冲程占绝对优势, 在其他的领域中,四冲程在机型数量上还是占绝大多数,,37,- 配套讲稿:
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