第1章内燃机性能指标及实际循环热计算绪论 (2)

Vs
发动机气缸工作容积，m3。
若Vs用L为单位，Wi用kJ为单位，则pmi (MPa)
Wi pmiVs pmi
D S
2
4
式中， D和S分别为气缸直径和活塞行程
性能指标及热计算
Pi 一般范围如下： 汽油机 Pi =700-1300KPa 柴油机 Pi =650-1100KPa 增压柴油机 Pi =900-2500KPa 汽车用增压柴油机 Pi =1100-1600KPa
Baidu Nhomakorabea性能指标及热计算
第一章 发动机性能
工程热力学基础
（1）基本概念 1）工质 在发动机的工作过程中，将热能转变为机械能的工作物 质。 发动机：热能 机械能 2）热力系统 把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究对象，称为热力 系统。 界面 研究对象以外的一切物质，称为外界； 热力系 热力系统和外界的分界面，称为界面 外界 3）热力状态及热力过程 工质所处的某种宏观状态称为热力状态 描述热力状态的物理量参数有：压力、温度、比容等 热力系统的状态随时间变化的过程称为热力过程
性能指标及热计算
3、汽、柴油机负荷变化(不同加热量)时的对比： 柴油机：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当负荷下降 时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部 分变化不大。这相当于λ基本不变而 减小， 则ηt提高。
汽油机：点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传 播距离不变。当负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧 时间加长。这相当于λ下降而 上升，则ηt降低。
发动机工作循环
②循环平均压力pt 等于循环净功与气缸工作容积的比值。 pt=W/Vs
pa k 1 k ( 1) t pt 1 k 1
实际工作条件的限制: ①结构强度的限制。提高压缩比和压力升高比能提高热效率 ，导致零件承载能力升高，增加发动机重量 ②机械效率方面的限制。发动机机械效率与最高燃烧压力有 关，直接影响曲柄连杆机构的重量、惯性力等，导致机械效 率下降。 ③燃烧方面的限制。压缩比过高导致汽油机爆燃。柴油机燃 烧室小，设计困难，不利于高效率地燃烧。
Wi Fab i
式中： Fi
（J或N· m）
示功图面积，cm2；可以用求积仪或计算方法求得 示功图纵坐标比例尺，Pa／cm；
a
b
示功图横坐标比例尺，cm3／cm。
性能指标及热计算
平均指示压力是指单位气缸容积 一个循环所作的指示功(Pa) 。 式中， Wi
Wi pmi Vs
发动机一个工作循环的指示功，J；
发动机理论循环的三种形式：a)混合加热循环（高 速柴油机）b)等容加热循环 （汽油机）c)等压加热 循环(高增压低速柴油机)。
发动机工作循环
（1）评定理论循环的指标 ①循环热效率η t 等于转变循环净功的热量与每次循环加给工质总热 量之比。 η t=W/Q1 1、压缩比 压缩比越大，循环热效率越高。
发动机工作循环
2、绝热指数k 绝热指数越大（和混合气浓度有成反比），循环热效 率越高。
发动机工作循环
3、压力升高比 在混合加热循环中提高等容部分加入的热量，可提高热 效率。但受到材料的耐热性和强度的限制，提高压力升高 比和压缩比有限。
发动机工作循环
4、预膨胀比ρ 在等压加热循环中，随着加热量Q1的增加，ρ值增加， 若保持压缩比不变，放出热量 Q2增加，热效率降低。 在混合加热循环中，当循环总热量Q1和压缩比不变，ρ 值增大，则等压部分加热量增加，热效率降低。
工程热力学基础
9）示功图 示功图：在活塞式机器的一个循环中, 气缸内气体压力随活塞位移(或气缸内 容积)而变化的循环曲线
10）温熵图 熵:单位质量工质所吸收的热量除以 工质的热力学温度所得到的熵。 温熵图：热力过程中单位质量 与外界所交换的热量称为温熵图
工程热力学基础
（2）基本状态参数 1）比容 单位质量的工质所占有的容积。
发动机工作循环
第二节内燃机的实际循环
1、进气过程 图a）
2、压缩过程 图b）
3、燃烧过程 图c）
4、膨胀过程 图c）
5、排气过程 图d）
发动机工作循环
（1）进气过程 作用：吸入新鲜工质，为热功转换做必要的准备。 进气门提前开启扫气。由于进气系统有阻力， 进气终了的压力Pa总是小于大气压力P0。进气终 了温度Ta总是高于大气温度T0。Pa﹤P0； Ta﹥T0
二、 指示功率
指示功率：内燃机单位时间内所做的指示功。Pi 若：一台内燃机的缸数i，缸径为D，行程为S,每缸的 工作容积Vh (L) ，平均指示压力为pmi (MPa ) ，转速 n(r/min)，冲程数。
转速对时间损失的影响
供油提前角对时间损失的影响
发动机工作循环
5、燃烧损失
由后燃和不完全燃烧组成
6、其他方面损失
①、涡轮和节流损失 ②、泄露损失
性能指标及热计算
第三节 发动机指示指标
发动机的指示性能指标是指以工质对活塞 做功为计算基础的指标，简称指示指标。
作用：评定工质在气缸内实际循环的进行情况的 好坏，是从示功图测量计算得出的。
s
a
b’
b b’’
性能指标及热计算
2、加热量及循环的最高压力分别相同时比较
T
加热量 Q相同
4’’
2’’ 2 2’ 1 3
4 4’
5’ 5
Pmax
初态1相同
1
容
循环的最高压力相同
压
5’’
Q2v Q2m Q2 p
tv tm tp
a b’’ b b’ s
对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率， 宜按等压加热循环工作。
发动机工作循环
（4）膨胀过程 膨胀过程是高温高压的工质推动活塞由上止 点向下止点运动而做功的过程。 多变指数n2’和平均多变指数n2 ：实际计算中 n2取代n2’ ，试验测定n2大致范围是：
发动机工作循环
（5）排气过程 作用：排出燃烧废气为下一循环的进气做准备。 排出的气体具有较高的温度和压力，使热效率 下降；由于排气系统的阻力，使排气终了压力大 于大气压力。 排气温度常用作检查发动机工作状态的技术指 标。其值偏高，说明热功转换效率低工作过程不 良，及时检修。
发动机工作循环
研究理论循环的目的: 1）确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机经济性 和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。 2）分析比较发动机不同热力循环方式的经济性和动力性。 3）确定提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压 力为代表的动力性的基本途径。
发动机工作循环
一、内燃机的理论循环：
性能指标及热计算
（2）三种基本循环的比较： 表1–1 三种理论循环的比较
循环名 称 等容加 热循环 等压加 热循环 混合加 热循环 循环热效率 循环特点 加热过程在等容条件下很快完成 ，热效率仅与压缩比有关 加热过程在等压条件下缓慢完成 ，负荷的增加使得热效率下降 介于上述两者之间
c 1 1 0 1 t 1 1 c ( 0 1)
工程热力学基础
4）平衡状态 工质再不收外界影响的条件下，宏观性质不随时间变 化的状态称为平衡状态。 5）工质的比热 工质的比热就是单位量的物质温度升高（或降低）1K时 所吸收（或放出）的热量。Cv等容比热 Cp等压比热。 6）工质的功 功是热力系统与外界间传递的能量。效果体现使物体改变 宏观运动状态。 7）内能 内能就是工质内部气体分子和原子的动能和分子间的位能 总和。 8）能量平衡方程 q1-2 =u2- u1+ω1-2
发动机工作循环
三、引起实际循环热损失 的因素
1、工质的影响
实际工质影响引起的损失：
2、换气损失
换气损失：
3、气缸壁的传热损失
非瞬时燃烧损失和补燃损失 提前排气损失：
4、时间损失
传热、流动损失：
5、燃烧损失
发动机工作循环
1、工质的影响
（1）在实际循环中，工质的成分会发生变化，使循环热效率 下降。 （2）工质的比热随温度的上升而增大。使循环热效率下降。 （3）工质的高温分解。使循环热效率下降。 （4）工质分子数的变化。
由上式可知：缸径D越大，比值越小，相对传热损失越小。
高速小缸径（85-90mm）柴油机传热损失约30-33%；大 型柴油机（700-780mm），传热损失约15-18%。
发动机工作循环
⑥发动机冲程缸径比S/D的影响；
比值
S 1 2 （ + ） D 4 2 FC = D 2 2 Vh D S DS 4
由上式可知：D不变，S增大，比值下降，传热损失小，故 较大S/D有利。
实践经验表明：S/D值在1.27-1.30之间，传热损失具有较 小值。
发动机工作循环
4、时间损失
由于实际循环中的活塞运动具有相当的运动速度，而 进气、排气、燃料的燃烧需要一定的时间，从而增加了压 缩过程消耗的功，减少了膨胀过程的有用功，这部分造成 的损失成为时间损失。
工程热力学基础
③等温过程
等温压缩 等温压缩 压强增大 压强增大 等温膨胀 等温膨胀 压强减小 压强减小
工程热力学基础
④绝热过程
注意：q=0 ≠dq=0
工程热力学基础
⑤多变过程 体积、压力、温度都是变化的。pVn=常数
发动机工作循环
第一节发动机理论循环
（1）发动机理论循环 发动机的理论循环是假想的简化循环（空气的标准循环） ，由几个基本的热力过程组成。 简化条件： ①假定工质为理想气体； ②整个循环中工质质量不变，工质是在密闭系统中作封 闭循环，没有进、排气过程； ③压缩和膨胀过程均为绝热等熵过程。 ④用等容加热、等压加热代替燃烧过程。 ⑤用等容放热代替排热过程。
动力性指标：指示功、指示功率、平均指示压力。 经济性指标：指示热效率、指示燃油消耗率
发动机性能指标：动力性能指标（功率、转矩、转 速），经济性能指标（燃料和润滑油的消耗）， 运转性能指标（冷起动性能、噪声、排气品质）
性能指标及热计算
一、 指示功和平均指示压力 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p—V图中闭合曲线所 占有的面积求得。
比容和密度的关系：倒数 2）气体压力 气体在单位面积容器壁上的垂直作用力。 3）温度 T=t+273.15
工程热力学基础
（3）理想气体状态方程 1）理想气体 分子本身不占有体积，分子之间没有吸引力的气体。 理想气体方程： pv=RT或 PV=mRT 2）基本热力过程 ①等容过程
工程热力学基础
②等压过程
----散热过程所经历的时间，s；
（2）影响传热损失的各种因素 ①冷却介质温度的影响：介质温度越高，传热损失越少。 ②增压的影响：增压程度越高，传热损失越少。 ③工况变化的影响：工况变化是指负荷和转速的变化。 ④燃烧室形状的影响：分隔式燃烧室比直喷式燃烧室损失大。
发动机工作循环
⑤气缸几何尺寸的影响； 工质接触的传热面积与气缸工作容积之比对传热损失影 响大。 D2 S 1 传热面积 Fc DS 2 ( ) D 2 4 D 2 2 D 1 3 S 工作容积 Vh S D ( ) 4 4 D FC 1 比值 Vh D
发动机工作循环
（2）压缩过程 作用：扩大工作循环温差，使工质获得最大限度 的膨胀比，提高循环热效率，为着火燃烧创造条 件。 压缩比：
发动机工作循环
多变指数和平均多变压缩指数： 实际计算中n1取代n1’ ，试验测定n1大致范围是：
压缩终点的压力和温度的数值范围：
发动机工作循环
（3）燃烧过程 作用：将燃料的化学能转变为热能，使工质温度 、压力升高，为膨胀创造条件 汽油机：在上止点点燃，容积变化小，燃烧快， 温度压力上升快，接近等容燃烧。 柴油机：燃烧开始接近等容燃烧，随后燃烧速率 放慢，气缸容积增大，压力升高减缓，接近等压 燃烧
t 1
1
t 1
1
c 1
p 0 1 ( p 1) p ( 0 1)

性能指标及热计算
1、压缩比及加热量分别相同时比较 T 压缩比 c相同
4’ 3 2 1 4 4’’ 5’’
压
加热量 Q1 相同 初态1相同
容
5’
5
tv tm tp
2、换气损失
由排气门提前开启造成的损失和进、排气 系统阻力所消 耗的功组成。
3、气缸壁的传热损失
（1）汽缸壁传热量的计算 传热的基本方式：接触传热（导热、对流）和辐射，对流 为主要传热方式。
发动机工作循环
传热量计算公式：Qw (a a )Fc (T Tw )d 式中：a ----辐射传热系数 a ----接触传热系数 Fc ----汽缸壁某部位与工质接触的传热面积，m2； T ----工质的温度，K； Tw ----汽缸某部位的表面温度，K；