汽車發(fā)動機原理教學課件-第一章-發(fā)動機的性能

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發(fā)動機原理第一章發(fā)動機的性能大連理工大學汽車工程學院目錄發(fā)動機的理論循環(huán)31四行程發(fā)動機的實際循環(huán)32發(fā)動機的性能指標3334機械損失與機械效率35發(fā)動機的熱平衡第一節(jié)四行程發(fā)動機的理論循環(huán)四行程發(fā)動機工作循環(huán)排氣行程做功行程壓縮行程進氣行程補充：工程熱力學相關概念工質(zhì)--實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機械能的媒介物質(zhì)，通常為氣體。熱機--將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機械裝置。熱力系統(tǒng)--熱力學所研究的對象。

閉口系統(tǒng)-熱力系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開口系統(tǒng)-熱力系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。狀態(tài)--熱力系統(tǒng)在某一瞬間呈現(xiàn)的全部宏觀性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)--描述這種宏觀狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)BFCDA溫度T壓力P比體積v熵S熱力學能UE

焓H因物體熱運動而具有的能量焓H

=U+pV

表示工質(zhì)進入或離開系統(tǒng)所攜帶的總的熱力學能。熵ds=dq/T他是微元熱量與溫度的商，物理意義是系統(tǒng)可逆定溫過程與外界交換的熱量。功是指熱力系統(tǒng)通過邊界傳遞的能量，其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。膨脹功，壓縮功，體積功

熱量是指僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。是兩物體通過微觀的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。傳熱與否的標志用狀態(tài)參數(shù)熵s表示。熱量與功的異同：都是通過邊界傳遞的能量；都是過程量；功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志；熱量傳遞由溫度差推動，比熵變化是傳熱的標志；功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量；熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。為了分析問題的方便，工程上通常采用兩個獨立狀態(tài)參數(shù)組成坐標圖來表示工質(zhì)所處的狀態(tài)。示功圖p–v圖和示熱圖T–s圖熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的應用，可以描述為：熱能和機械能可以相互轉(zhuǎn)換，且在相互轉(zhuǎn)換過程中，能量的總量保持守恒?！矃⒓訜崃ο到y(tǒng)的能量的總和〕-〔離開熱力系統(tǒng)能量的總和〕=〔熱力系統(tǒng)總能量的增量〕熱力學第一定律熱力學第二定律熱力學第二定律主要是說明與熱現(xiàn)象有關的各種過程進行的方向、條件以及進行的限度或深度的定律自發(fā)過程有方向性；自發(fā)過程的反方向過程并非不可進行，而是要有附加條件；并非所有不違反第一定律的過程均可進行。熱力學第二定律的兩種典型表述克勞修斯表達——熱量不可能自發(fā)地、不花代價地從低溫物體傳向高溫物體。開爾文—普朗克表達——不可能制造循環(huán)熱機，只從一個熱源吸熱，將之全部轉(zhuǎn)化為功，而不在外界留下任何影響。熱力學第二定律各種表述是等效的。1.1熱機循環(huán)與熱效率熱機循環(huán)熱力系統(tǒng)經(jīng)一系列連續(xù)過程，最后又回到初態(tài)，稱經(jīng)歷了一個熱力循環(huán)。如果這種循環(huán)在外界參加熱量后，又對外做正功，就是熱機循環(huán)。發(fā)動機的一個工作過程就是完成一個熱機循環(huán)。完成一個正向循環(huán)后全部效果為：高溫熱源放出了熱量q1〔或熱機中工質(zhì)從高溫熱源吸熱q1〕。低溫熱源獲得了熱量q2〔或熱機中工質(zhì)向低溫熱源放熱q2〕。熱機將(q1－q2)=q0的熱量轉(zhuǎn)化為功。工質(zhì)與機器設備回復到原來狀況，沒有變化。熱機中工質(zhì)從高溫熱源得到的熱能q1，其中只有局部可以轉(zhuǎn)化為功，在局部熱能〔q1－q2〕轉(zhuǎn)化為功的同時，必有另一局部q2傳向低溫熱源，后者是使熱能經(jīng)過熱循環(huán)轉(zhuǎn)化成為功的必要條件。因此，一切熱動力裝置都只能將從熱源得到的熱量中的一局部轉(zhuǎn)化成為功，這是熱動力循環(huán)根本特性。P-V〔示功圖〕T－S〔示熱圖〕循環(huán)熱效率定義輸出循環(huán)功量Wt所占循環(huán)加熱量Q1的百分比四沖程發(fā)動機的工作過程由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個過程組成。理想循環(huán)的根本假設：假設工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標準狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同；假設氣缸工質(zhì)在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)；假設工質(zhì)的壓縮和膨脹是絕熱等熵過程；假設燃燒是外界對工質(zhì)定容或定壓加熱；假設工質(zhì)放熱過程可簡化為定容放熱過程。1.2理想工質(zhì)的理想循環(huán)

三種根本理論循環(huán)定容加熱循環(huán)汽油機：燃燒速度很快，而在上止點附近容積變化又較小。因此，燃燒過程相當于定容加熱過程1-2絕熱壓縮2-3定容加熱3-4絕熱膨脹4-1定容放熱三種根本理論循環(huán)定壓加熱循環(huán)高增壓和低速柴油機：形成混合氣速度慢，燃燒時汽缸壓力變化不顯著，很接近于定壓加熱過程1-2絕熱壓縮2-3定壓加熱3-4絕熱膨脹4-定容放熱三種根本理論循環(huán)混合加熱循環(huán)高速柴油機：可以將燃燒過程簡化為定容及定壓加熱兩個過程的組合1-2絕熱壓縮2-3定容加熱3-4定壓加熱4-5絕熱膨脹5-1定容放熱理論循環(huán)參數(shù)1-2等熵壓縮；2-3等容吸熱；3-4定壓吸熱；4-5等熵膨脹；5-1定容放熱

1.3循環(huán)熱效率和平均指示壓力的計算

循環(huán)熱效率和平均指示壓力分別是評定發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的兩個重要指標定容加熱循環(huán)、定壓加熱循環(huán)只是混合加熱循環(huán)的兩個特例，因此下面以混合加熱循環(huán)為例來進行計算混合加熱循環(huán)熱效率循環(huán)吸收量循環(huán)放熱量循環(huán)熱效率混合加熱循環(huán)循環(huán)熱效率循環(huán)熱效率混合加熱循環(huán)平均指示壓力平均指示壓力是指單位汽缸工作容積對外做的循環(huán)功，即：定容加熱循環(huán)(ρ=1)的熱效率和平均有效壓力定壓加熱循環(huán)(λ＝1)的熱效率和平均有效壓力1.4影響熱效率和平均指示壓力的因素〔1〕等熵指數(shù)K結論：等熵指數(shù)K增大，熱效率增大1.4影響熱效率和平均指示壓力的因素〔2〕壓縮比結論：增大壓縮比，對任何加熱循環(huán)，都能使熱效率和平均指示壓力增大限制壓縮比提高的因素：汽油機-爆燃柴油機-機械負荷和結構強度1.4影響熱效率和平均指示壓力的因素〔3〕壓力升高比結論：定容加熱：壓力升高比增大時，吸熱、放熱都成比例增加，熱效率不變；但吸熱和放熱量之差增大，所以平均指示壓力增大；混合加熱：定容加熱局部增加，熱效率提高，平均指示壓力增大；1.4影響熱效率和平均指示壓力的因素〔4〕預膨脹比結論：定壓加熱：當壓縮比不變，預膨脹比增大，加熱量增加，熱效率下降，平均指示 壓力升高；混合加熱：預膨脹比增大，等壓加熱局部增加，熱效率下降，且平均指示壓力也 減少；定容加熱循環(huán)定壓加熱循環(huán)-r)b混合加熱循環(huán)1.5三種理想循環(huán)熱效率的比較〔1〕壓縮比相同，吸熱量相同時的比較1.5三種理想循環(huán)熱效率的比較〔2〕循環(huán)pmax，Tmax相同時的比較相同時的比較內(nèi)容小結了解理論循環(huán)的假設條件掌握三種根本循環(huán)、循環(huán)參數(shù)掌握根本循環(huán)熱效率的計算掌握影響熱效率的主要因素目錄發(fā)動機的理論循環(huán)31四行程發(fā)動機的實際循環(huán)32發(fā)動機的性能指標3334機械損失與機械效率35發(fā)動機的熱平衡第二節(jié)四行程發(fā)動機的實際循環(huán)實際循環(huán)包括的五個過程實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較實際循環(huán)常用示功圖、壓力圖來表示2.1進氣過程曲線：r-a進氣阻力的存在，pa<p0氣流被加熱，Ta>T0終點的壓力和溫度的范圍：2.2壓縮過程曲線：a-c壓縮過程及多變壓縮指數(shù)變化過程理論:壓縮過程是絕熱的實際:壓縮過程是一個復雜的多變過程。2.3燃燒過程發(fā)動機實際循環(huán)的燃燒過程曲線：c-z作用是：將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工質(zhì)的壓力、溫度升高，放出的熱量越多，放熱時越靠近上止點，熱效率越高曲線：z-b2.4膨脹過程膨脹過程及多變壓縮指數(shù)變化過程膨脹過程比壓縮過程更為復雜，除有熱交換和漏氣損失外，還有補燃現(xiàn)象。所以，膨脹過程也是一個多變過程。曲線：b-r排氣溫度越低，說明做成效果越好2.5排氣過程終點的壓力和溫度的范圍：2.6實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較實際工質(zhì)的影響換氣損失燃燒損失傳熱損失缸內(nèi)流動損失其他幾項損失比熱容、泄漏工質(zhì)更換補燃、不完全燃燒等熱量交換氣流渦流、節(jié)流、泄漏等內(nèi)容小結了解發(fā)動機實際循環(huán)的五個過程掌握四沖程發(fā)動機示功圖了解發(fā)動機各個過程壓力和溫度變化趨勢了解多變壓縮指數(shù)和多變膨脹指數(shù)掌握發(fā)動機實際循環(huán)與理論循環(huán)存在的損失目錄發(fā)動機的理論循環(huán)31四行程發(fā)動機的實際循環(huán)32發(fā)動機的性能指標3334機械損失與機械效率35發(fā)動機的熱平衡第三節(jié)發(fā)動機的評定指標3132發(fā)動機指示性能指標發(fā)動機有效性能指標平均指示壓力指示功率指示熱效率指示燃料消耗率動力性能經(jīng)濟性能強化指標環(huán)境指標區(qū)別：指標計算的基準3.1指示性能指標定義：以工質(zhì)對活塞所做的功為計算基準的指標；動力性：平均指示壓力指示功率經(jīng)濟性：指示熱效率指示燃料消耗率3.1.1指示功定義：在氣缸完成一個循環(huán)，工質(zhì)對活塞所做的功(a)四沖程非增壓發(fā)動機(b)四沖程增壓發(fā)動機

示功圖上循環(huán)曲線所圍成的面積的大小表示功的多少。3.1.2平均有效壓力定義：發(fā)動機單位氣缸工作容積每循環(huán)做的指示功平均指示壓力

指示功

3.1.2平均有效壓力3.1.3指示功率定義：發(fā)動機單位時間所做的指示功指示功率-即每秒所做指示功〕：指示功

其中τ--行程數(shù)，對四行程τ=4

對二行程τ=2指示熱效率3.1.4指示熱效率定義：發(fā)動機實際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量之比值指示熱效率的范圍一般是：柴油機0.43～0.50汽油機0.25～0.40

3.1.5指示燃料消耗率定義：單位指示功的耗油量，即比油耗〔g/kw.h)指示燃料消耗率值得大致范圍是柴油機170～200g/(kW·h)汽油機230～340g/(kW·h)

指示燃料消耗率3.2有效性能指標以曲軸對外輸出的功率為根底，代表發(fā)動機整機性能包括動力性、經(jīng)濟性、以及運轉(zhuǎn)性能有效功率：指示功率減去機械損失功率3.2.1動力性指標有效扭矩：發(fā)動機工作時，由功率輸出軸輸出的扭矩機械損失功率Pm包括：①內(nèi)燃機內(nèi)部運動件的摩擦損失②驅(qū)動附屬機構的損失③泵氣損失平均有效壓力：發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出的有效功轉(zhuǎn)速和活塞平均速度轉(zhuǎn)速增大，單位時間的做功次數(shù)增加；活塞平均速度增大，磨損加劇；3.2.1動力性指標3.2.2經(jīng)濟性指標有效熱效率：有效功與所消耗燃料熱量之比有效燃料消耗率：單位有效功的耗油量3.2.3強化指標升功率：發(fā)動機每升工作容積所發(fā)出的有效功率比質(zhì)量

：發(fā)動機干質(zhì)量與所發(fā)出的有效功率之比ＰＬ↑、ｍｅ↓，那么發(fā)動機結構越緊湊。3.2.3強化指標強化系數(shù)：平均有效壓力與活塞平均速度的乘積ｐｅＣｍ值越大，內(nèi)燃機熱負荷和機械負荷越高，同時，發(fā)動機的功率也越大。3.2.4環(huán)境指標排放性能排出有害氣體、顆粒，其排出量有限制。排放標準各國不同，其中美國加州標準是世界上最嚴的標準。如小客車排放限值為：單位：g/mile(g/km)COHCNOx排氣顆粒7〔4.4)0.41(0.26)0.7(0.44)0.6(0.375)

噪聲轎車噪聲<84db內(nèi)容小結掌握發(fā)動機指示性能指標掌握發(fā)動機有效性能指標了解發(fā)動機各指標的計算過程目錄發(fā)動機的理論循環(huán)31四行程發(fā)動機的實際循環(huán)32發(fā)動機的性能指標3334機械損失與機械效率35發(fā)動機的熱平衡第四節(jié)機械損失與機械效率

4.1機械效率平均機械損失壓力機械效率：有效功率與指示功率之比指示熱效率、有效熱效率、機械效率的關系有效燃油消耗率和指示效率與機械效率的關系

4.1機械效率

使用因素：轉(zhuǎn)速、負荷、潤滑油品質(zhì)、水溫等；結構設計因素：最高燃燒壓力、氣缸尺寸數(shù)目、大氣狀態(tài)等。4.2機械效率的影響因素負荷一定=>Pi根本不變n↑=>摩擦損失↑=>機械損失↑=>Pm↑圖ηm隨轉(zhuǎn)速的變化關系得:n↑,ηm↓故用提高轉(zhuǎn)速n來增加發(fā)動機的動力性指標受到限制。轉(zhuǎn)速nn不變，Ne∝Me，Ne∝Pe,故負荷可用Ne,Pe表示。負荷率：Me/Memax×100%負荷↓=>Pi↓,Pm近似不變

=>ηm＝１－Pm/Pi↓怠速工況:

Ne＝0Ni＝Nmηm=0

負荷

潤滑油的粘度即機油的稠稀程度。粘度↑=>內(nèi)部摩擦↑=>機械損失↑

Ni不變==>ηm↓

粘度↓==>Pm↓==>ηm↑粘度過小==>機油的承載能力太低==>油膜破裂==>發(fā)生干摩擦==>燒瓦==>Pm↑↑==>ηm↓↓另外，機油粘度還與其溫度有關。機油溫度升高，導致機油粘度降低。潤滑油粘度

冷卻水的溫度直接影響到潤滑油的溫度，因而也就關系到潤滑油粘度和摩擦損失的大小

使用中，發(fā)動機的冷卻水溫度保持在80～95℃范圍內(nèi)。圖2-5Pm隨潤滑油溫度變化的關系冷卻水溫度1.示功圖法

2.倒拖法

發(fā)動機被倒拖時膨脹線和壓縮線不重合

4.3機械損失的測定3.滅缸法

滅第一缸

滅第二缸

4.油耗線法

由指示效率的定義可導出

當發(fā)動機空轉(zhuǎn)(無負荷)，假設不隨負荷增減而變化時，應有兩式相除，得

負荷特性曲線——保