發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理 第二章發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)與評(píng)價(jià)指標(biāo) 目錄 第一節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)第二節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示指標(biāo)第三節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效指標(biāo)第四節(jié)機(jī)械損失與機(jī)械效率第五節(jié)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率的途徑 第一節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán) 一 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)是由進(jìn)氣 壓縮 燃燒 膨脹 排氣5個(gè)熱力過程組成 通常用氣缸內(nèi)的氣體壓力P隨比容V 或曲軸轉(zhuǎn)角 而變化的圖形 稱為示功圖 來表示工質(zhì)在氣缸中的實(shí)際工作情況 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的p v與圖和p 圖 1 進(jìn)氣過程 進(jìn)氣過程是指充量進(jìn)入氣缸的過程 圖2 1 a 中rr a線 在進(jìn)氣過程中 進(jìn)氣門開啟 排氣門關(guān)閉 活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng) 2 壓縮過程 活塞在氣缸內(nèi)壓縮工質(zhì)的過程 即為壓縮過程 圖2 1 a 的ac c線 壓縮過程進(jìn) 排氣門均關(guān)閉 活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng) 缸內(nèi)工質(zhì)受壓后溫度和壓力不斷上升 壓縮過程的目的是增大工作過程的溫差 使工質(zhì)獲得最大限度的膨脹比 提高循環(huán)熱效率 同時(shí)為著火燃燒創(chuàng)造有利條件 3 燃燒過程 在上止點(diǎn)前混合氣著火燃燒 圖2 1 b 中的c z線 燃燒越完全 放出的熱量越多 放熱時(shí)越靠近上止點(diǎn) 則熱效率越高 4 膨脹過程 膨脹過程是燃燒后的高溫 高壓氣體在氣缸內(nèi)膨脹 推動(dòng)活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)而做功的過程 圖2 1 a 中的zb線 隨著氣缸容積增大 氣體的壓力 溫度迅速下降 5 排氣過程 排氣過程如圖2 1 a 所示中的b br曲線 在膨脹過程末期 活塞接近下止點(diǎn) 圖2 1 a 中的b 時(shí)排氣門開啟 廢氣高速排出 當(dāng)活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)時(shí) 缸內(nèi)廢氣繼續(xù)排出 直到排氣門關(guān)閉 排氣過程結(jié)束 由于排氣系統(tǒng)的阻力 排氣終了時(shí)的壓力高于大氣壓 二 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)比較 發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)存在許多不可避免的損失 使其不可能達(dá)到理論循環(huán)的熱效率和平均壓力數(shù)值 為了改善實(shí)際循環(huán) 有必要分析兩種循環(huán)之間的差異和引起各項(xiàng)損失的原因 一 換氣損失 Wr W 二 燃燒損失 Wz 不完燃燒損失 高溫?zé)岱纸鈸p失 三 實(shí)際工質(zhì)影響引起損失 Wk 四 傳熱 流動(dòng)損失 Wb 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)與理想循環(huán)的差別 第二節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示指標(biāo) 發(fā)動(dòng)機(jī)的指示指標(biāo)是以工質(zhì)對(duì)活塞作功的基礎(chǔ)上建立的 用以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)的好壞 一 發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖 1 指示功 指示功是指氣缸內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)所得到的有用功Wi 指示功的大小可以由圖2 5中閉合曲線包圍的面積baczb求得 指示功可由下式求出 kJ 式中 Ai 示功圖中指示功面積 mm2 a 示功圖縱坐標(biāo)比例尺 kPa mm b 示功圖橫坐標(biāo)比例尺 mm3 mm 2 平均指示壓力 指示功反映了發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中獲得的有用功數(shù)量 它除了與循環(huán)中熱功轉(zhuǎn)換的有效程度有關(guān)外 還與氣缸容積大小有關(guān) 為了比較不同氣缸工作容積的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換有效程度 引入平均指示壓力的概念 平均指示壓力pmi是指單位氣缸工作容積所作的指示功 pmi Wi vs kPa 3 指示功率 發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所做的全部的指示功 稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率 用Pi表示 一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)為i 每缸工作容積為vs 轉(zhuǎn)速為n r min 平均指示壓力為pmi kPa 則每缸 每循環(huán)工質(zhì)的指示功為 4 指示燃油消耗率 單位指示功所消耗的燃油量 指示燃油消耗率 通常以每千瓦小時(shí)指示功的耗油量表示 當(dāng)測量的發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率為pi kW 每小時(shí)耗油量為B kg h 時(shí) 則指示燃油消耗率 為 g kW h 第三節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效指標(biāo) 發(fā)動(dòng)機(jī)的有效指標(biāo)是以曲軸輸出功率為基礎(chǔ)的指標(biāo) 用來評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能和設(shè)計(jì)與制造水平 它比指示指標(biāo)更有實(shí)用價(jià)值 一 動(dòng)力性指標(biāo) 1 有效功率Pe 2 有效轉(zhuǎn)矩Ttq 3 平均有效壓力Pme 二 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 1 有效熱效率 2 有效燃料消耗率 三 發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度 1 升功率 升功率PL的定義是 在標(biāo)定工況下 發(fā)動(dòng)機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率 即發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率PeB與總工作容積ivs之比 2 比質(zhì)量 比質(zhì)量是發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量與標(biāo)定功率PeB之比 即 3 強(qiáng)化系數(shù) 用平均有效壓力與活塞平均速度的乘積即PmeCm表示 強(qiáng)化系數(shù)越大 則發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程越高 四 發(fā)動(dòng)機(jī)其他性能評(píng)定指標(biāo) 發(fā)動(dòng)機(jī)除要求具有良好的動(dòng)力性 經(jīng)濟(jì)性和較高的強(qiáng)化程度外 還必需具有良好的排氣清凈性 較低的噪聲度 較小的振動(dòng)和可靠的低溫起動(dòng)性 1 排氣品質(zhì) 2 噪聲 3 起動(dòng)性 第四節(jié)機(jī)械損失與機(jī)械效率 一 機(jī)械損失功率與機(jī)械效率 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)產(chǎn)生的指示功率在通過發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出之前 要損失掉一部分 因此 實(shí)際輸出的功率 稱為有效功率 指示功率與有效功率之差稱為機(jī)械損失功率 機(jī)械損失主要包括如下部分 一 摩擦損失 二 驅(qū)動(dòng)附件的損失 三 泵氣損失 四 驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)和掃氣泵的損失 機(jī)械效率 有效功率與指示功率的比值 即 有效功率 指示功率 二 機(jī)械效率的測定 有效功率與指示功率之比稱為機(jī)械效率 比較精確地測定機(jī)械損失功率的數(shù)值 尋求降低機(jī)械損失的途徑 對(duì)研制的發(fā)動(dòng)機(jī)或改進(jìn)已有發(fā)動(dòng)機(jī)都是十分重要的 而要精確地測出機(jī)械損失功率卻是比較困難的 目前常用的測量方法主要有倒拖法 滅缸法及油耗線法 三 影響機(jī)械效率的因素 發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)因素 結(jié)構(gòu)因素以及機(jī)內(nèi)外的狀態(tài)條件都對(duì)機(jī)械效率值有不同程度的影響 現(xiàn)就影響較大的因素分述如下 一 轉(zhuǎn)速 活塞平均速度 的影響 二 負(fù)荷的影響 三 潤滑條件的影響 第五節(jié)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率的途徑 一 發(fā)動(dòng)機(jī)的能量平衡 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡圖 二 發(fā)動(dòng)機(jī)的能量分配與合理利用 發(fā)動(dòng)機(jī)的有效動(dòng)力輸出一般只占燃料總能量的1 3 另有2 3的能量散失在機(jī)外 因此 發(fā)動(dòng)機(jī)能量的合理利用包括兩方面的意思 即進(jìn)一步提高有效效率和機(jī)外散失能量的再利用 三 提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效途徑 1 超膨脹發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán) 2 汽油機(jī)向稀燃和缸內(nèi)直噴的發(fā)展 首先開展了均質(zhì)混合氣 稀燃 的研究 稀燃 就是讓汽油機(jī)在更稀空燃比條件下工作 其首要目的是解決排放問題 同時(shí)也改善了經(jīng)濟(jì)性能 傳統(tǒng)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能低于柴油機(jī)的原因 是汽油機(jī)預(yù)制均勻混合氣的點(diǎn)火 火焰?zhèn)鞑サ娜紵绞?易導(dǎo)致 爆燃 限制了壓縮比的提高 二是預(yù)制均勻混合氣的方式使空燃比過濃 負(fù)荷愈低愈濃 造成部分燃料的不完全燃燒 三是節(jié)氣門負(fù)荷量調(diào)節(jié)的方式 加大了進(jìn)氣阻力 泵氣損失增大 3 汽 柴油機(jī)的電子控制與可變技術(shù) 米勒循環(huán)和缸內(nèi)直噴技術(shù)之所以能夠?qū)崿F(xiàn) 重要原因是出于有了電控技術(shù)的緣故 這反過來說明 電控技術(shù)的出現(xiàn) 不僅能夠進(jìn)行各種參數(shù)的最佳匹配 達(dá)到全工況性能的綜合優(yōu)化 而且也使過去原理上已證實(shí) 但難于實(shí)現(xiàn)的很多可變技術(shù)成為現(xiàn)實(shí) 4 提高有效熱效率的常規(guī)途徑 提高有效熱效率的新途徑反映了當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā) 研究的新的深度 但并不意味著一些常規(guī)的措施已不起作用 相反 現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 開發(fā)和使用中 并不都能達(dá)到已有的最佳水平 還要求在燃燒匹配 性能優(yōu)化 降低機(jī)械損失諸多環(huán)節(jié) 進(jìn)行更實(shí)際 更深入細(xì)微的工作 這恰恰是大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)人員最經(jīng)常從事的工作 四 發(fā)動(dòng)機(jī)散失能量的再利用 1 廢氣渦輪增壓 由冷卻介質(zhì)和廢氣帶走的熱量各占燃料總能量的1 3左右 但是 它們再利用的可能性和幅度是不相同的 根據(jù)熱力學(xué)第二定律 能量有品質(zhì)的差別 當(dāng)工質(zhì)溫度愈接近環(huán)境