發(fā)動機原理2課件

1.2發(fā)動機的工作循環(huán)

發(fā)動機工作循環(huán)和性能指標(biāo)1.2.1發(fā)動機理想循環(huán)汽車發(fā)動機的熱力循環(huán)由一系列物理和化學(xué)變化的復(fù)雜過程所組成，要確切地描述在發(fā)動機中實際進行的熱力過程是非常困難的。為了解發(fā)動機熱能利用的完善程度，能量相互轉(zhuǎn)換的效率，尋求提高熱量利用率的途徑，在理論上通常把發(fā)動機實際工作過程進行若干簡化，忽略一些次要的影響因素，假想為由幾個基本的熱力過程所組成的理想循環(huán)。通過對理想循環(huán)的分析，可以指出提高發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的方向。簡化為理想循環(huán)采取的假定（P13）（1）工質(zhì)是一種理想氣體，在整個循環(huán)中保持物理和化學(xué)性質(zhì)不變，其狀態(tài)參量的變化完全遵守理想氣體狀態(tài)方程pV=mRT。（2）不考慮實際存在的工質(zhì)更換及漏氣損失，工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中做封閉循環(huán)。（3）工質(zhì)在絕熱壓縮和絕熱膨脹過程中工作，與外界不進行熱交換。（4）用定容放熱和定容或定壓加熱來代替實際的換氣和燃燒過程。理想循環(huán)的三種形式a）定容循環(huán)；

b）定壓循環(huán)；

c）混合循環(huán)理想循環(huán)示功圖定容循環(huán)將燃燒過程假想為在容積不變的情況下對工質(zhì)加熱的循環(huán)。工質(zhì)從a點開始絕熱壓縮到c點，自c點定容吸熱到z點，然后從z點絕熱膨脹到b點，最后沿b-a線定容散熱再回到a點，從而完成一個工作循環(huán)。在壓縮過程中，工質(zhì)容積的變化用壓縮比ε表示，壓縮和膨脹過程工質(zhì)狀態(tài)的變化用pvk=C表示。工質(zhì)以定容方式先沿c-z線吸熱Q1，再沿b-a線放熱Q2。定容循環(huán)的參數(shù)計算壓力升高比λ熱效率ηtv為：ε——壓縮比，

Va——氣缸總?cè)莘e（L）；Vc——氣缸壓縮容積（L）；VS——氣缸工作容積（L）；k——絕熱指數(shù)，空氣的k=1.4?；旌涎h(huán)

分析（1）增加ε，可提高ηt，但提高率將隨ε值的不斷增大而逐漸降低；（2）絕熱指數(shù)k越大，則ηt越高；（3）增大pa可提高pt，但pa增大會導(dǎo)致ηt降低；（4）增大λ可提高ηt；（5）ε和λ的增長，將導(dǎo)致最高壓力pz急劇上升，由于受到發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度、燃燒條件和機械效率等方面的制約，ε和λ的提高是有限度的。（2）在循環(huán)的最高溫度、最高壓力相同的條件下在T-S圖上比較三種循環(huán)的加熱量和放熱量，可以看出：放熱量q2都相同，而加熱量為：

Q1p>Q1m>Q1v所以：ηtp>ηtm>ηtv發(fā)動機的壓縮比ε、壓力升高比λ和最高工作壓力pz的大致范圍汽油機：ε=6～11λ=2～4pz=3000～8000kPa柴油機：ε=12～22λ=1.3～2.2pz=5000～14000kPa1.2.2發(fā)動機實際工作循環(huán)四沖程發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)二周完成一個實際工作循環(huán)；而實際工作循環(huán)則是由進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程所組成的，較之理想循環(huán)復(fù)雜得多。示功圖上的封閉曲線表示實際工作循環(huán)中工質(zhì)壓力隨容積變化的關(guān)系，曲線所包圍的面積就是工質(zhì)完成一個循環(huán)所做的有用功。進氣過程圖中r-a曲線反映出進氣過程的p-V關(guān)系。在進氣過程中，活塞由上止點向下止點移動，此時進氣門打開，排氣門關(guān)閉。由于上一循環(huán)留在氣缸壓縮容積中的殘余廢氣膨脹，壓力由排氣終了時的壓力pr降到壓力pr’，然后新鮮工質(zhì)才被吸入氣缸。為了更多地排除上一循環(huán)的廢氣和盡可能多地吸入新鮮工質(zhì)，實際上排氣門在下止點前就已被打開而進氣門則在下止點后才被關(guān)閉。由于進氣系統(tǒng)的阻力，進氣終了時壓力pa總是小于大氣壓力p0，其壓力差p0-pa用來克服進氣系統(tǒng)的阻力。因為工質(zhì)受到發(fā)動機高溫零件及殘余廢氣的加熱，進氣終了的溫度Ta，也總是高于大氣溫度T0。進氣終了的壓力pa和溫度Ta的大致范圍汽油機pa=(0.75～0.90)p0

Ta=370～400K柴油機pa=(0.80～0.95)p0

Ta=310～340K壓縮終了的壓力pc和溫度Tc的大致范圍汽油機pc=600～1200kPa

Tc=600～700K柴油機pc=3500～4500kPa

Tc=750～1000K燃燒過程圖中c-z曲線反映出燃燒過程的p-V關(guān)系。燃燒過程中，活塞運行在上止點附近，此時進排氣門均關(guān)閉。在實際循環(huán)中，由于燃燒需要一定的時間，燃燒速度也是不均勻的，所以在示功圖上c-z線不是一段直線而是以一段圓弧線與壓縮線和膨脹線圓滑相接。燃燒過程的作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工質(zhì)的壓力、溫度迅速升高。燃燒釋放出的熱量越多，放熱時越接近上止點，熱效率也就越高。燃燒時最高壓力pz和最高溫度Tz的大致范圍汽油機pz=2940～4900kPa

Tz=2000～2800K柴油機pz=5800～8830kpa

Tz=1800～2200K可以看出，柴油機燃燒時最高壓力較汽油機高，但由于相對空氣量大，所以其燃燒時最高溫度反比汽油機低。膨脹過程圖中z-b曲線反映出膨脹過程的p-V關(guān)系。膨脹過程中，進、排氣門關(guān)閉，高溫高壓的工質(zhì)推動活塞由上止點向下止點移動，從而達到做功的目的，隨后氣缸內(nèi)的壓力和溫度均迅速降低。膨脹過程除了有熱交換和漏氣損失外，還有補燃（即一些燃料著火后不能及時燃燒，在膨脹過程中繼續(xù)燃燒）等現(xiàn)象，所以該過程為一個多變過程。排氣過程圖中b-r曲線反映出排氣過程的p-V關(guān)系。排氣過程中，活塞由下止點向上止點移動，此時排氣門開啟，將氣缸內(nèi)的廢氣排除。由于排氣系統(tǒng)有阻力，排氣終了的壓力pr大于大氣壓力p0，其壓力差pr-p0用來克服排氣系統(tǒng)的阻力。阻力越大，排氣終了的壓力pr越大。與進氣過程中氣門開閉時間類似，實際工作中排氣門已先于其行程開始前被打開，并延遲關(guān)閉。排氣終了時壓力pr和溫度Tr的大致范圍汽油機pr=（1.05～1.2）p0

Tr=850～1200K柴油機pr=（1.03～1.15）p0

Tr=700～900K從理想循環(huán)到實際循環(huán)熱效率

ηt下降的主要因素1．工質(zhì)向外傳熱的損失實際壓縮、燃燒和膨脹過程中，工質(zhì)都會與周壁進行熱交換，而不是理想的絕熱過程。由此引起的額外損失叫傳熱損失。工質(zhì)向外傳熱的部位有三個：活塞頂面、氣缸蓋底面和缸套壁面。前二者傳熱面積不變，缸套壁面則隨活塞運行位置而變。在壓縮過程的中、后期和燃燒膨脹的前期（向缸蓋及活塞頂）、中、后期（向缸套壁），傳熱漸高并達到最高值，從而造成了相當(dāng)?shù)臒崃繐p失。3．進、排氣損失為了循環(huán)的重復(fù)進行，必須更換工質(zhì)，由此而消耗的功稱為換氣損失。其中因工質(zhì)流動，需要克服進、排氣系統(tǒng)阻力，造成做功損失稱為泵氣損失，它在圖中為閉合曲線r-r’-a-b’-r所包圍的面積。在這里面，排氣損失所占比例比進氣損失大。4．提前燃燒損失及補燃損失由于實際著火燃燒過程總要持續(xù)一段時間，所以燃燒始點要略為提前，這樣才能保證更接近上止點燃燒，從而獲得較高的等容度，由此引起提前燃燒損失。同時，由于高溫?zé)岱纸獾茸饔?，壓力不會陡然下降，燃燒也要拖延一段時間才能結(jié)束，該期間熱功轉(zhuǎn)換的效率下降而形成補燃損失。上述損失的多少與始燃點的相位密切相關(guān)，汽油機通過調(diào)整點火提前角、柴油機則通過調(diào)整供油提前角來控制這一位置，即選擇適當(dāng)?shù)奶崆敖菂?shù)來減少這個損失。5．不完全燃燒損失燃料、空氣混合不良，燃燒組織不善均會引起燃料熱值不能完全釋放，這些損失稱為不完全燃燒損失。實際工作循環(huán)的熱效率ηt肯定較理想循環(huán)的熱效率要低。近年來逐步普及的燃油噴射技術(shù)、計算機控制的電子點火技術(shù)以及發(fā)動機結(jié)構(gòu)、材料的改進技術(shù)等等，均可大大地提高熱效率，從而極大地改善發(fā)動機的動力性能和經(jīng)濟性能。1.2發(fā)動機的工作二．發(fā)動機的實際循環(huán)第2章發(fā)動機的性能指標(biāo)

學(xué)習(xí)目標(biāo)通過對本章的學(xué)習(xí)，重點掌握發(fā)動機的動力性能指標(biāo)和經(jīng)濟性能指標(biāo)的定義、相關(guān)指標(biāo)之間的關(guān)系以及影響發(fā)動機性能的主要因素；明確并掌握發(fā)動機實際循環(huán)的機械損失及減少損失的基本途徑；從了解發(fā)動機理想循環(huán)入手，熟悉發(fā)動機的實際工作循環(huán)以及提高發(fā)動機熱效率的途徑。發(fā)動機從燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為有效輸出功的過程，是決定發(fā)動機動力性能、經(jīng)濟性能的關(guān)鍵所在，而循環(huán)熱效率是其核心環(huán)節(jié)，因為作為熱力循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換是熱能動力機械最本質(zhì)的體現(xiàn)。熱力循環(huán)的分析，是發(fā)動機原理最基本的內(nèi)容。本章介紹的熱力循環(huán)兩個層次不同的模型-—理想循環(huán)模型和實際循環(huán)模型體現(xiàn)了科學(xué)研究由本質(zhì)因素擴展到一般因素、由簡到繁的原則。這些模型對發(fā)動機的發(fā)展起過很大的作用，直到現(xiàn)在，為了更好地改善發(fā)動機的各種性能，仍離不開對各種模型的深入理解和掌握。本章著重探討動力性和經(jīng)濟性這兩個發(fā)動機最主要的性能指標(biāo)。只有通過深入研究發(fā)動機的工作過程，才能找出影響性能指標(biāo)的各種因素，并從中歸納出提高整機性能的一般規(guī)律。第2章發(fā)動機的性能指標(biāo)

2.1

指示指標(biāo)指示指標(biāo)：以工質(zhì)在汽缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)的指標(biāo)。包括動力性指標(biāo)和經(jīng)濟性指標(biāo)，用來評價實際循環(huán)進行的好壞。指示指標(biāo)不受動力輸出過程中機械摩擦和附件消耗等各種外來因素的影響，直接反映由燃燒到熱功轉(zhuǎn)換工作循環(huán)進行的好壞。指示功指示功：在氣缸內(nèi)完成一個循環(huán)工質(zhì)對活塞所做的有用功，用Wi表示。其大小可以由圖中閉合曲線面積Ai減去A1

即曲線所包圍的面積減去曲線

所包圍的面積。為便于測量，將A1（泵氣損失）歸于機械損失中，因此指示功就由面積Ai來表示。Wi的計算Ai可用求積儀或計算方法得到，并通過下式算出Wi真實值。式中：Ai——示功圖面積（cm2）；a——示功圖縱坐標(biāo)比例尺（kPa/cm）；b——示功圖橫坐標(biāo)比例尺（m3/cm）。平均指示壓力為了比較不同大小、不同型式發(fā)動機的性能，需要排除氣缸尺寸因素的影響，從而引入平均指示壓力的概念。平均指示壓力是發(fā)動機單位氣缸工作容積所做的指示功，用pi表示。pi是衡量實際循環(huán)動力性能的一個重要指標(biāo)，它的大致范圍是：汽油機pi=700～1300kPa柴油機pi=650～1100kPa車用增壓柴油機pi=1100～1600kPa指示功率指示功率：發(fā)動機單位時間內(nèi)所做的指示功，用Pi表示。設(shè)一臺發(fā)動機的氣缸數(shù)為i，缸徑為D（cm），行程為S（cm），每缸工作容積為Vs（L），轉(zhuǎn)速為n（r/min），平均指示壓力為pi（kPa），則每缸每循環(huán)工質(zhì)所做的指示功為：

（J）發(fā)動機的指示功率（每秒所做的指示功）為：

（kW）式中：——行程數(shù)（四沖程=4，二沖程=2）。指示燃油消耗率指示燃油消耗率：指單位指示功的耗油量，也就是發(fā)動機每小時發(fā)出1kW指示功率時所消耗的燃油量，用gi表示。當(dāng)實驗測得發(fā)動機的指示功率為Pi(kW)及每小時耗油量為mh(kg/h)時，指示油耗率gi為：(g/kW·h)指示熱效率指示熱效率：指實際循環(huán)指示功與所消耗的燃油熱量的比值，用ηi表示。式中：Q——得到指示功Wi所消耗的燃油熱量（J）。式中：hn(kJ/kg)為燃料低熱值。gi、ηi的范圍與相互關(guān)系gi、ηi是評定發(fā)動機實際循環(huán)經(jīng)濟性能的重要指標(biāo)，它們的大致范圍是：汽油機gi=205～320

ηi=0.25～0.40柴油機gi=170～200

ηi=0.43～0.50由ηi計算式可以看出指示油耗率與指示熱效率之間的關(guān)系：gi高則ηi小，反之gi低則ηi大。2.1.2有效指標(biāo)有效指標(biāo)：以曲軸輸出功為計算基準的指標(biāo)稱為有效性能指標(biāo)。有效指標(biāo)代表著發(fā)動機整機性能，被用來直接評定發(fā)動機實際工作性能的優(yōu)劣，因而在生產(chǎn)實踐中獲得廣泛的應(yīng)用。有效功率和機械損失功率有效功率：從發(fā)動機功率輸出軸上得到的凈功率，用Pe表示。指示功率Pi并不能完全對外輸出。功在發(fā)動機內(nèi)部的傳遞過程中不可避免地存在損失，這些損失主要有發(fā)動機內(nèi)部運動件的摩擦損失、驅(qū)動附屬設(shè)備的損失及泵氣損失。機械損失功率：這些損失的總和所消耗的功率，用Pm表示。Pe=Pi-Pm(kW)發(fā)動機的有效功率Pe，可利用測功器和轉(zhuǎn)速計進行測量計算而定。有效轉(zhuǎn)矩有效轉(zhuǎn)矩：發(fā)動機工作時，由功率輸出軸輸出的轉(zhuǎn)矩，用Te表示。Te與有效功率Pe的關(guān)系為：

（kW）

或式中：Te——有效轉(zhuǎn)矩（N·m）；n——發(fā)動機轉(zhuǎn)速（r/min）。平均有效壓力平均有效壓力：發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出的有效功，用pe表示。平均有效壓力pe與有效功率Pe的關(guān)系為：(kW)(kPa)且有：

(kPa)對總氣缸工作容積（VS·i）一定的發(fā)動機來說，pe正比于Te，pe值大，則對外輸出的功多，轉(zhuǎn)矩大。平均有效壓力pe值的大致范圍汽油機pe=650～1100kPa柴油機pe=600～950kPa車用增壓柴油機pe=900～1300kPa有效燃油消耗率有效燃油消耗率：指單位有效功的耗油量，也就是發(fā)動機每有效千瓦小時的耗油量，用ge表示。當(dāng)實驗測得發(fā)動機的有效功率為Pe（kW）及每小時耗油量為mh（kg/h）時，有效油耗率ge為：

(g/kW·h)有效熱效率有效熱效率：指實際循環(huán)有效功（We）與所消耗的燃油熱量的比值，用ηe表示。與前述的ηi推導(dǎo)方式相同hn(kJ/kg)為燃料低熱值。分析ge和ηe兩項指標(biāo)可以比較不同發(fā)動機或不同工況的經(jīng)濟性，其中g(shù)e更能直接說明發(fā)動機燃油消耗的情況，更有實際意義。ge、ηe的大致范圍是：汽油機：ge=280～360（g/kW·h）ηe=0.2～0.3柴油機：ge=220～290（g/kW·h）ηe=0.3～0.4車用增壓柴油機：ge=190～230（g/kW·h）

ηe=0.4～0.45發(fā)動機強化程度1．轉(zhuǎn)速和活塞平均速度車用發(fā)動機（特別是小客車類的發(fā)動機）在性能設(shè)計上一般都考慮采取一種強化措施，即提高發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速。這意味著發(fā)動機將經(jīng)常處在較高的工作轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，也意味著單位時間內(nèi)做功的次數(shù)增多。這樣，在氣缸尺寸相同的情況下發(fā)出的功率增大，或者是在發(fā)出相同功率的情況下發(fā)動機體積和質(zhì)量減小。轉(zhuǎn)速增加，活塞的平均速度也增加?；钊骄俣扔肅m表示，它和轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：(m/s)式中：S——活塞行程（m）。當(dāng)然，Cm增大，活塞組的熱負荷和曲柄連桿機構(gòu)的慣性力也同時增大，將導(dǎo)致磨損加劇，壽命下降。一般活塞平均速度Cm的大致范圍是：小客車汽油機12～15（m/s）載貨車汽油機10～13（m/s）柴油機8～12.5（m/s）2．升功率發(fā)動機每升工作容積所發(fā)出的有效功率稱為升功率，用PL表示。(kW/L)可以看出：提高PL的措施是提高pe和n。PL可用來評價發(fā)動機的承載能力、熱負荷和機械負荷的應(yīng)力水平以及發(fā)動機工作容積（排量）的利用程度，進一步提高升功率是發(fā)動機發(fā)展方向的研究課題之一。PL的大致范圍是：汽油機20～50（kW/L）柴油機18～30（kW/L）3.比質(zhì)量發(fā)動機的凈質(zhì)量與它所發(fā)出的有效功率的比值稱為比質(zhì)量，用me表示。

（kg/kW）式中：m——發(fā)動機的凈質(zhì)量（kg）。me表示發(fā)動機質(zhì)量的利用程度和結(jié)構(gòu)的緊湊性，它的大致范圍是：汽油機1.5～4.0（kg/kW）柴油機3.5～8.5（kg/kW）2.3機械損失與機械效率機械損失的組成：機械摩擦損失：發(fā)動機內(nèi)部運動件的機械摩擦、攪油及空氣動力損失。輔助設(shè)備（附件）驅(qū)動功率的消耗泵氣損失1．機械摩擦損失（1）活塞組件的摩擦主要由活塞環(huán)面、活塞裙面及活塞銷三部分的摩擦損失組成?；钊h(huán)的環(huán)面受環(huán)的自身張力以及環(huán)背面氣體壓力的作用而緊壓在缸壁上，與缸壁形成滑動摩擦，而且在活塞運行至上止點附近時由于處于邊界潤滑狀態(tài)，摩擦尤甚?；钊姑嬖诟變?nèi)運動中摩擦損失也較大，但由于其潤滑相對比環(huán)面充分，與缸壁接觸面上的單位面積壓力也相對較小。1．機械摩擦損失（2）軸承摩擦主要包括曲軸主軸承、凸輪軸軸承、連桿軸承與各自對應(yīng)的軸頸之間以及前后主軸承密封裝置的摩擦。其數(shù)值受缸內(nèi)壓力影響較小，主要取決于潤滑條件、軸頸直徑、轉(zhuǎn)速和材質(zhì)。1．機械摩擦損失（3）氣門機構(gòu)摩擦主要包括凸輪與挺柱、搖臂與氣門桿、搖臂軸承等部位的摩擦。其中凸輪與挺柱、搖臂與氣門桿等處的接觸面由于載荷高、面積小，摩擦損失較大。另外，該損失隨轉(zhuǎn)速有較大變化，尤以低速時為甚。1．機械摩擦損失（4）其它損失主要包括齒輪、鏈輪、皮帶輪傳動損失，連桿大頭攪機油的損失以及曲軸箱內(nèi)空氣壓縮、通風(fēng)和各機件運動的空氣動力損失等。2．輔助設(shè)備（附件）驅(qū)動功率的消耗主要指發(fā)動機運轉(zhuǎn)時必不可少的輔助機構(gòu)，如水泵、風(fēng)扇、機油泵、噴油泵、調(diào)速器、點火裝置等所需的驅(qū)動功率。這些附件消耗的功率主要隨轉(zhuǎn)速及潤滑油粘度的上升而加大，與負荷關(guān)系較小。近年來汽車大多增加了空調(diào)機、動力轉(zhuǎn)向器等多種裝置和設(shè)備，從而加大了附屬機械功率的消耗。3．泵氣損失進、排氣兩個過程中由于工質(zhì)流動時節(jié)流和摩擦等因素造成的能量損失。機件（如曲柄連桿機構(gòu)和配氣機構(gòu)）的摩擦損失占有最大的份額，其次為驅(qū)動附件設(shè)備的功率損失，再次為泵氣損失。柴油機機械損失所占比例一般均較汽油機大。機械損失分配情況機械損失名稱占Pm百分比占Pi百分比摩擦損失其中活塞及活塞環(huán)連桿、曲軸軸環(huán)配氣機構(gòu)62～7545～6015～202～38～20驅(qū)動各種附件損失其中水泵風(fēng)扇機油泵電器設(shè)備帶動機械增壓器損失10～202～36～81～21～26～101～5泵氣損失10～202～4總功率損失10～30機械損失的測定方法倒拖法滅缸法示功圖法發(fā)動機的機械效率機械效率：有效功率與指示功率的比值，用ηm表示，即

機械效率是衡量發(fā)動機機械損失的重要指標(biāo)，研究機械損失的目的是為了尋求提高機械效率的有效途徑。一般機械效率的大致范圍是：汽油機ηm=0.7～0.9柴油機ηm=0.75～0.85影響機械效率的主要因素1．轉(zhuǎn)速（活塞平均速度）的影響機械效率ηm隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速n或活塞平均速度Cm的上升而下降，這是因為當(dāng)負荷不變而轉(zhuǎn)速上升時：（1）各摩擦副由于相對速度增加而導(dǎo)致摩擦阻力加大；（2）曲柄連桿機構(gòu)等運動件的慣性力增大，