第一章 内燃机理论循环和实际循环2

2 倒拖法 测量方法： （1）发动机与电力测功机相连； （2）发动机在给定工况下稳定运转，冷却 水和机油温度处于正常值； （3）切断供油（柴油机），停止点火（汽 油机），将电力测功机转换为电动机， 以给定转速到拖发动机。
测量状态：尽可能维持冷却水和机油温度不 变。 测量结果：由电力测功器测得的倒拖功率， 即为发动机在该工况下的机械损失功率。 测量误差：偏大。 适用范围：必须使用电力测功器，不适合大 功率高压缩比发动机和 废气涡轮增压柴油 机。
QS GS cS (t 2 t1 ) qs QS QT
• • •
其中Gs－发动机冷却介质的每小时流量 [ kg/h ] cs－冷却介质比热 [ kJ/kg· ℃] t1 ，t2 －冷却介质的进、出口温度 [℃]
• 废气带走的热量QR • • 其中Gr－燃料量 [ kg/h ] • Gk－空气量 [ kg/h ] • cpr－废气比热 [ kJ/kg· ℃] • cp－空气比热 [ kJ/kg· ℃] • t1 ，t2 －进、排气温度 [℃]
意义：从实际循环角度来评价发动机汽缸工作容积利用 率高低的一个参数， pmi 越高，气缸工作容积利用率越 高。 可以更加清楚地对不同发动机的工作循环的热功率转 换有效程度进行比较。（排除尺寸影响） （2）同理可定义平均有效压力 pme 和 平均机械损失压力 pmm
平均机械损失压力 pmm
定义：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。 意义：用来衡量机械损失的大小。
（3）指示热效率ηit
定义：实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。
ηit=Wi/Q1
-----
Q1为指示功Wi 所消耗的热量（J）
另外：设 gb 为单缸每循环燃料消耗量（循环供油量）
则
ηit =Wi/gb Hu
----- Hu为 燃料的热值
ηit=3.6 ×103 Pi /（B×Hu）
B 为每小时燃油消耗量（kg/h） Hu 为所用燃料的低热值（kJ/kg）
4.油耗线法（负荷特性法）
（1）测量方法： （2）测量原理： （3）适用范围：柴油机。
1.5 热平衡
一实际循环热平衡 （一）实际循环与理论循环的差异
1.工质的影响:实际循环中,燃烧前后工质成分,数量改 变。 2.实际循环的影响： （1）传热损失:工质与周围环境的热量交换。 （2）时间损失：比减小 （3）缸内流动损失。 （4）换气损失。:实际循环中,存在进,排气过程 （5）不完全燃烧损失。
（3）高温热分解
高温时，原子间的结合力减弱，产生热分解，
CO2→CO、O， H2O→H、O 由于热分解是吸热过程，所以ηt ↓ 尽管吸收的热能在膨胀过程中又被释放出来，但利用率低； T越高、p越大，热分解越严重，因此，汽油机＞柴油机
（4）燃烧前后分子数 分子变化系数μ＞1，缸压↑， ηt ↑。 汽油机μ＞柴油机μ，所以，影响程度，汽油机＞柴油机 （5）工质泄漏
3. 灭缸法 预备状态： 将发动机调整到给定工况稳 定工作 测量方法：a. 测有效功率Pe ； b. 停止向第一缸供油，并调整 测功机使发动机恢复到原来转速，再测发 动机的有效功率Pe（1） c. 依次使各缸熄火， 得到 Pe（i）
测量原理： 测量误差： 柴油机：较好情况下可低于5%； 不适合汽油机（停缸引起进气情况改变）； 适用范围：多缸非增压柴油机；
2、指示功、有效功和机械损失功
记：有效功为 We，机械损失功为Wm， 则有：
Wi = We+ Wm
同理，若记指示功率为Pi、有效功率为Pe、机械损失功率为 Pm，则有：
Pi=Pe+Pm
Pi基于示功图得到，
其中：n—发动机转速，r/min； i— 汽缸数 τ—冲程系数（每循环冲程数）， Pe 由测功机实测得到， Pe 与We的关系为：
实际工作时，由气门和活塞环处产生泄漏（≤2/1000质量）， 压缩压力和燃烧压力↓， ηt ↓ 即：工质质量不守恒，不是完全的闭式循环（闭口系统）
2、真实循环特性对ηt的影响
（1）散热（传热）损失
真实循环并非绝热过程，通过气缸壁面、缸盖底面、 活塞顶面向外散热。 压缩过程：前期吸热，后期散热，使压缩线略下降； 燃烧及膨胀过程：温差大，散热强烈，使 pZ 和膨胀线下降 燃烧膨胀线的下降幅度远大于压缩线，使动力过程功减小。
发动机输出转矩 Ttq=318.3pme Vs i/τ
5、经济性评价指标
（1）指示燃油消耗率bi ------单位指示功的耗油量。
单位：[g/（kW.h）]
设每小时燃油消耗量为B（kg/h）， 则 bi=（B/Pi）×103 （g/kWh） （2）有效燃油消耗率be-------单位有效功的耗油量 单位：[g/（kW.h）] be =(B/ Pe)×103 （g/kWh）
二 发动机的热平衡
• 总热量: QT = B hu • 分别转化为 Qe 3.6 103 N e • 有效功的热量 • QE [ kJ/h ] （ 1 kw/h = kJ ） • 只有这部分热量做了功，是有用的，所以希望越大越好。 • 一般柴油机: 30～40% ； 汽油机: 20～30%。 • 传递给冷却介质的热量 QS
ql qt (qe
qe qs qr qb ql 1
§ 1.6 提高发动机功率的途径
一. 二. 三. 四. 五. 六. 采用增压技术 合理组织工作过程，提高指示热效率 改善换气过程，提高充气效率 提高发动机转速 提高机械效率 采用二冲程
6、发动机结构和强化程度的指标
（1）升功率PL—单位发动机排量发出的功率（评价汽缸容积 利用程度）
PL=Pe/Vsi
（kW/L)
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，也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。 （2）比质量me—单位有效功率所占质量（评价工作过程、轻 量化和紧凑性） me=m/Pe （kg/KW）
3、平均指示压力与平均有效压力
功和功率往往与气缸容积有关， 不同发动机间难以相互比较。 （1）平均指示压力
定义：单位气缸工作容积所 作的指示功。
pmi=Wi/ Vs
即：Wi= pmi • Vs
= pmi•（πD2）/4 • S
相当于一个不变的压力pmi作用在 活塞上，使其移动一个冲程所作 的功，其值等于Wi
• 1、真实工质特性对ηt的影响 • （1）实际中，工质成分随时间变化很大， • 压缩过程：空气+燃料蒸气+残余废气 • 膨胀过程：废气+空气 • • • • • • （2）比热容 cv、 cp=f（T、分子结构） ΔQv= cv ×ΔT，ΔQp= cp ×ΔT T↑， cv和 cp ↑，k↓，ΔT↓，ηt ↓ 多原子分子↑， cv和 cp ↑，k↓，ΔT↓， ηt ↓ 即：真实工质k＜理想工质k， ηt ↓
三.影响机械损失的因素
1. 转速 n 2. 负荷 3. 润滑油粘度、冷却水温度 选用润滑油的原则：在可靠润滑的条件下，尽 量选用粘度较小的润滑油，以减小摩擦损失， 改善起动性能。 4.点火提前角或供油提前角 5.发动机工作温度 6.发动机技术状况
四.机械损失的测定
1. 示功图法 测量方法：测功器测量有效功率，燃烧分 析仪或示波器测得缸内压力，计算得到 指示功率。 测量原理：Pi - Pe = Pm 缺点：只能测整体机械损失。 应用：上止点位置能够精确校正。废气涡 轮、中高压柴油机。
（3）强化系数 — 平均有效压力Pme与活塞平均速度 Cm的乘积。
7 其他性能指标
（1）环境指标 排放性能和噪声 （2）冷起动性能
§1.4 机械损失
一 机械效率
定义：有效功（功率）与指示功（或功率） 的比值。
We Pe Pm m 1 W1 P Pi 1
二. 机械损失的分类
1. 摩擦损失 如：活塞及活塞环；连杆轴承、曲轴轴承、凸轮 轴轴承，配气机构的摩擦损失；流体摩擦损 失； 2. 驱动附件损失 如：驱动水泵、机油泵、喷油泵、调速器、风扇 3. 泵气损失（进排气过程消耗的功） 4. 驱动扫气泵和增压器的损失(二冲程和增压）
公式：
pmm=30τPm/Vs i n
Pm——机械损失功率； τ ——冲程数； Vs ——工作容积； n ——转速。
（3）同理有： pmi = pme + pmm
4、有效转矩 Ttq
通过试验可测得有效功率 Pe [kW]、 转速 n [r/min]
Pe=2πn/60Ttq/1000
Pe =Ttq n/9550=pme Vs i.n/30τ
η it
、
bi之间的关系：
η it =3.6 ×106 / bi Hu (4)有效热效率ηet
定义：实际循环的有效功与相应消耗的热量的比值。
ηet=We/Q1=Wiηm/Q1=ηit ηm
同理有
ηet =We/gbHu ηet =3.6 ×103 Pe/（B×Hu）
η et
、
be之间的关系：
η et =3.6 ×106 / be Hu
Pi=（2 • n • i/60 /τ） • Wi = （n • i/30 /τ） • Wi
Pe= （n • i/30 /τ） • We
Pm计算：
Pm= Pi -Pe，也可由试验测得。 Pm=摩擦损失功+附件消耗功+泵气损失功
①摩擦损失（50 ~60%） 如连杆和曲轴轴承、 配气机构、活塞及活塞环等之间的摩擦损失。 ②驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等 附件所消耗的功率。（10 ~20%） ③泵气损失（10 ~20%）指进排气过程消耗的 功。
QR (Gr Gk ) (c pr t 2 c p t1 )
Байду номын сангаас
QR qr QE
燃料不完全燃烧的热损失QB • QB
QB QT (1 r ) qb QT
• 其中r－燃料效率 其它热量损失QL QL QT (QE QS QR QB ) • 发动机热平衡方程式:
（2）时间损失
实际循环时，燃烧及向工质加热不可能瞬间完成，因此： 存在点火（喷油）提前角，使有用功面积下降；ηt↓ pZ 出现在 TDC 后 10CA，而非等容加热，使有用功面积减小。
（3）换气损失 排气门早开，造成膨胀功损失；泵气损失功W2 （4）不完全燃烧损失（严格来说，该项不是对ηt 的影响） 正常燃烧时，也有ηt≠100% 不正常燃烧、Φa ＜1等，ηt ↓↓ （5）缸内流动损失 流动增强以及提高涡流与湍流程度， ηt ↓ 因为：造成能量损失、散热损失 例如：流动损失，非直喷式柴油机＞直喷式柴油机 总结：由于以上在工质和循环方面的差别，使得 理论循环ηt - 实际循环ηt =10—20% 两者之间的差别指出了改善内燃机ηt的基本原则。