第六章 内燃机的热负荷

一、转化为有效功的热量
Qe 3.6 10 Pe
6
( J / h)
二、润滑油带走的热量
Q0 G0C p (t2 t1 )
G0 : 润滑油的流量（kg / h)，用重量法或体积法测定； C p:润滑油的比热容。
三、废气带走的热量
Qr M 2GT C t M 1GT C pt0
1、n对活塞温度的影响
2、n对缸盖温度的影响
பைடு நூலகம்
3、n对缸套温度的影响
缸套温度随转速变化 比活塞、缸盖平缓； 不同位置温度变化有 差异：上部变化比下 部显著。
4、n对排气门温度的影响
• 排气门温度由过量空 气系数决定。 • 增压机，转速降低时， 空气量下降更快，过 量空气系数下降，温 度升高。
三、pme和n影响的分析比较
几点结论：
• 过量空气系数对零件温度有较显著的影响； • 对于增压发动机应正确选择过量空气系数来保持其热负荷 不变； • 加强中冷对降低零件温度有较显著的影响。
六、供油提前角或点火提前角θ的影响
• θ↑： 1、着火燃烧时间提前，压缩负功↑，功率 ↓：为了保持功率→，Gb↑。 2、pz↑，h↑。 • 所以：受热零件温度↑。
注意：喷油角度对缸盖火力面的影响 • 油束与邻近燃烧室壁面接触会↑缸盖火力面 温度； • 增加缸盖底面与油束距离可使缸盖火力面 温度显著↓。
第五节 绝热发动机
• 热力学意义：无热损失的发动机。 • 目前所指：无通常强制冷却系统，并尽量将热损失减至最 小。
一、兴起与发展 1、兴起：1974年，英国皇家海军工程学院。 反应烧结氮化硅→活塞。 试验用机：4冲程水冷柴油机（D×S=108×152.4mm） Pe=9kw/(1100r/min)，50小时满负荷试验。
第六章 内燃机的热负荷
本章主要内容
• • • • •
内燃机的热平衡 内燃机热流量的实际测量和计算 各种运转因素对受热零件温度的影响 某些结构因素对零件温度的影响 绝热发动机
内燃机的热负荷 零件承受温度高
内燃机的经济性和可靠性 冷却带走热量少
强度下降
热效率高
内燃机热负荷的含义
• 受热零件的温度 • 受热零件的温度差 温度过高的危害： 1、零件材料在高温下强度降低； 2、零件产生热裂或局部烧熔； 3、第一道环槽处滑油结胶，环卡死折断； 4、破坏受热零件间的正常间隙，产生拉缸等； 5、零件温差过大，热应力过大，产生热疲劳裂纹。

2
sin 2
x : 瞬时分子变更系数； c x 3 x ( ) ( 1) x e : 燃烧终了的分子变更系数； c : 着火开始时的曲轴转角； x : 燃烧阶段的任一曲轴转角； e : 燃烧终了时的曲轴转角。
0 : 几何压缩比。
2、用放热系数的 计算公式，求h。
Qc Qcl Qch GcC p (t t1 ) GcC p (t2 t )
' 2 ' 2
Gc : 冷却水的流量，用重量法或容积法测定； C p : 冷却水的比热容； t1 , t2 : 分别为进、出水的温度； t : 冷却水从缸套流进缸盖时的温度。
' 2
Qch：通过缸盖传给冷却水的热量，占冷却水带走热量 的50%。
0
'' C p Gr d
0 : 每循环周期
' tr : 废气的瞬时温度
Gr : 废气的瞬时流量 d : 单位时间
废气按流量的平均温度≠用热电偶测得的废气平均温度
用热电偶测得的废气平均温度：
tr
ht d hd
0 ' r
0
0
0
h : 气体向热电 偶的放热系数
四、冷却水带走的热量
2、发展
• 英国：发展缓慢。 Ricardo公司：应用计算机技术对绝热发动机性能进 行了预测和评价。 巴斯大学： a、进行燃烧分析计算、性能预测； b、采用空气隔热层来隔热。
四、冷却水温度的影响
• 影响：冷却水温上升，带走热量少，零件 温度上升。 • 活塞、缸盖：各个不同位置的温度随冷却 水温的变化幅度基本相同，并呈线性关系。 • 缸套：各部位变化幅度不同，但都呈线性 关系；上部影响小，下部影响大。 • 排气门：与冷却水状态有关，核状沸腾时 温度保持稳定，膜态沸腾时进一步上升。
柴油机受热零件温度随θ变化规律视具体型式不同。
汽油机活塞温度随点火提前角的变化关系
• 活塞温度随 θ增加而线 性增加，随 负荷下降， 其斜率变小。
排气门的温度变化与其他零件不同
• θ↑： 1、燃烧过程传递给排气 门热量↑； 2、排气开始时，燃气温 度压力比θ小时低，排 气过程中传给排气门热 量↓。 • 综合：排气门温度随θ 变化不大或减小。 • 柴油机上试验：供油提 前角13°↑23°，排气 门温度变化： 540~546℃。 • 右图：汽油机实例。
Sitkei进行改进：
D 3 S 2 0.6 1 Qc 1400Z 717Z ( ) A 100 D a
• 试验用机：柴油机， D=110mm， S=140mm，ε=21
第二节 内燃机热流量的实际测量和计算
• 燃烧室表面温度波动法 • 用热流量计法 • 利用工作过程计算法
一、燃烧室表面温度波动法
4 、对缸套温度的影响
• 上部：受燃气冲击强烈， 随pme变化显著； • 中下部：受燃气冲击较 弱，冷却好，变化幅度 小。
5、pme对排气门温度的影响
• 排气门温度随pme变化幅度最大。
二、转速的影响
• 主要因素：单位时间的燃料变化量和放热系数。 • 转速增加：单位时间内的燃烧次数增加，燃料量增加； 气体的流动速度上升，放热系数增大。 • 柴油机： 非增压：转速和单位时间内燃烧次数成正比，和过量空 气系数成反比，零件温度变化急剧。 增压：燃烧次数正比，过量空气系数正比，二者影响抵 消，零件温度变化平缓。 • 汽油机：零件的温度变化与转速呈线性关系。
三、利用工作过程计算
• 发动机气缸中的传热是不稳定传热过程：
dq hg (Tg Tw )d
• 简化计算，通常当做稳定传热过程来计算：
qm hgm (Tres Twm )
1、根据示功图的压力曲线，用热力学方程求出温 度曲线。
Ta x T p pa a x pa , Ta : 进气门关闭时压力、温度； Va a : 实际压缩比； Vc Vx A x 1 : 瞬时压缩比； Vc 2C A 1 cos C 1 0 1
• 测量值：T1、T2、T3、T4、T5、T6 • 计算热流量：
q
T1 T2

q
• 通过法兰存在温度差，修正：
q K T f T3 T4 T5 T6 T f T1 4
热流量计使用注意：
• 热流量计在发动机上使用一段时间后，其表面就 会积碳，影响测量效果。 • 积碳层先随时间而变厚，然后保持一定厚度。 • 直喷式柴油机试验结果对比：
1、活塞、缸盖的温度变化
2、缸套、排气门的温度变化
五、进气压力和进气温度的影响
• 主要因素：影响过量空气 系数，进气压力对放热系 数有一定影响。 • 过量空气系数增加（一定 范围内），循环平均温度 降低，燃烧速度加快，传 到壁面热量减少，零件温 度下降。
• 进气压力增加：过量空气系数增加，温度下降； 燃气对壁面的放热系数增大，温度上升。 • 进气温度增加：过量空气系数减小，温度上升。
右图为用Woschni公式 求出的h
3、分别求hgm,(hgTg)m,Tres,q。
第三节 各种运转因素对受热零件温度的影响
• • • • • • •
平均有效压力 转速 冷却水温度 进气压力和进气温度 供油提前角或点火提前角 爆震 扫气压力和排气背压
一、平均有效压力的影响
• 主要因素：循环供油量的变化。 • 柴油机：负荷↑，循环供油量↑，总燃烧量↑，零 件温度↑。 • 公式
Qcl：通过缸套传给冷却水的热量，占冷却水带走热量 的32~38%。
1、Mackerle公式
• 对汽油机： Qc 0.095ZD S
Z : 气缸数 D:缸径 S:活塞行程
1.73 0.575 0.71
S n [1 1.5 ]( 1) 0.266 D
• 对柴油机： Qc 0.0637 ZD1.73 S 0.575 n 0.71[1 1.5 S ]
第四节 某些结构因素对零件温度的影响
一、压缩比 ε↑，pz↑，h↑，零件温度↑。 实例：柴油机缸盖、活塞温度随ε变化。 缸盖：不同位置变化幅度不同。受燃气影 响剧烈区域变化幅度大。 活塞：随ε↑，温度略有↑。
二、喷油器孔数和喷孔直径
试验：柴油机上采用三种规格喷油器： 4×0.37、4×0.40、5×0.35。 试验结果： • 对改善热应力，喷油压力的影响大于燃料 空间分布度的影响； • 涡流强度对燃烧室壁面温度有一定影响， 涡流强时壁面温度↑。
表征内燃机热负荷的参数：
• 热流量：与换热系数和热传导条件有关。
q h(Tg Tw ) (Tw1 Tw 2 )
• 零件上的每一点：该点的温度和周围的温度梯度。
第一节 内燃机的热平衡
• 热平衡：气缸中燃料燃烧放出的热量分配 情况。 例：柴油机 • 转化为有效功：35~45% • 随废气排出：25~45% • 润滑油带走：6~8.5% • 冷却水带走：15~22% • 辐射热损失及其他热损失：其余
七、爆震对受热零件温度的影响
• 爆震：汽油机的异常燃烧，压力峰值特别高，伴随强烈压 力波动。 压力↑ 放热系数↑ 压力波动↑ 零件温度↑
• 危害区域：火花塞附近燃烧室壁面温度随爆震而↑，长期 承受强烈爆震，引起铝合金活塞和缸盖局部腐蚀以致烧损。
八、扫气压力和排气背压的影响 • 过量空气系数→， 扫气压力↑：输出功 率↑，零件温度↑。 • 排气系统背压↑：压 缩初始温度↑，循环 平均温度↑，活塞温 度↑。
D
• 缺点：未反映发动机结构因素和运转因素 的影响。
2、Kostin公式
• 结构常数不能正确确定。
Qc K ' KA K ', K :由发动机结构而定的常数； Gk Tk 0.6 1 A [ ] Z 288 a Gk : 每小时空气耗量； Tk : 进气温度；
a : 过量空气系数。
'' p rm
M 1 : 空气的摩尔数； M 2 : 燃气的摩尔数； GT : 每小时燃料消耗量； C , C p : 分别为废气和燃气的平均摩尔比热容；
'' p
trm : 废气按流量的平均温度。
废气温度：排气过程中不断变化。
排气过程中总的排气量的平均温度：
trm

0 0
0
'' ' C p tr Gr d
pme CmGb i
• 非增压柴油机：温度在标定值下线性上升，超 过标定值后上升加剧，曲线上翘； • 增压柴油机：过量空气系数变化不大，线性上 升。
• 风冷柴油机：随pme增加没有增加冷却空气 量，所以温度上升急剧。 • 汽油机：节气门调节负荷，单位质量的热 容量基本保持不变，零件温度随pme变化比 较平缓。
• 原理：在一个循环中气体和燃烧室壁面的 传热造成壁面温度的波动，通过测量温度 的波动可解传热微分方程而求得局部热流 量。
Tw q ( ) x x 0
二、用热流量计法
• 原理：沿壁厚方向近似看作一维导热， 通过测量温度梯度来计算局部热流量。 • 热流量计组成： 测量电偶：NiCr-Ni热电偶，间距 18mm； 测量体：导热系数已知的非合金铸铁； 尾部冷却室：调节法兰外电偶温度； 薄法兰：实现绝热层空气和燃气之间 的密封。
• pme和n越高，发动机的热负荷也越高； • 当发动机的功率一定时，增加其中一个，另一个将降低， 需选择合适的值，使发动机受热零件的热负荷和机械负荷 处在有利条件。 • 增压柴油机：在相同功率下，高pme、低n比低pme、高n 零件的温度高； • 非增压柴油机：在相同功率下，高pme、低n热负荷较低。
1、pme对活塞温度的影响
• 不同燃烧室的活塞以及同一活塞上的不同位置的温度变化 不同，受燃气冲击强烈区域，温度上升较快。
增压预 燃室式
涡流室式
ω式
2 、pme对缸盖温度的影响
• 缸盖温度随pme变化比活塞 急剧。
3 、pme对预燃室、涡流室及镶块温度的影响
• 非增压柴油机上呈线性关系。 • 不同位置上变化幅度不同。