發(fā)動機工作過程計算(授課)

1、 二、進氣溫度 1、 的確定：可選用或由經(jīng)驗公式計算 氣缸中高溫物體對新鮮充量的加熱溫升 受到多方因 素的影響。如：進氣管的結(jié)構(gòu)及其布置方式、冷卻 系統(tǒng)的布置方式（汽油機進排氣在同側(cè)，柴油機進排氣 管分布兩側(cè)）、發(fā)動機的高速性、增壓情況等。 范圍： 四沖程非增壓柴油機 1040 四沖程增壓柴油機 510 四沖程汽油機 040 如計算，采用下面經(jīng)驗公式： 式中： 發(fā)動機在額定工況下工作時對新鮮充量的溫 升（選?。?a T T T CT N T T e N n n T 0125.0110 0125.0110 發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速、計算轉(zhuǎn)速。 2、殘余廢氣系數(shù) 是衡量氣缸中殘留的廢氣量多少的一個量 根據(jù)殘

2、余廢氣系數(shù)的定義： ， 而殘余廢氣量 新鮮充量： 每循環(huán)實際進入氣缸新鮮充量 在進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量 式中：假定 （37） nne, 1 M M r r cr r rr r RT Vp RT Vp M 0 0 1 RT Vp RT Vp MM hv h hhv vh 00, ,TTppVV hhcr vr rr T T p p M M 1 1 1 0 01 1 M h M 3、充氣系數(shù) 式中： 每循環(huán)實際進入氣缸新鮮充量 在進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量 進氣終點時缸內(nèi)工質(zhì)數(shù)量 ， 由氣體狀態(tài)方程式： ，同理： ，而 （38） h v M M 1 1 M h M 1 11

3、 MMMM ra 1 1 a M M a aa a RT Vp M 1 1 1 a aa RT Vp M 0 0 RT Vp M h h 1 1 0 0 1 a a h a h v T T p p V V M M 1 ca a h a VV V V V 1 1 1 0 0a a v T T p p 4、求 的第一種方法： 根據(jù)能量守恒，新鮮充量能量+殘余廢氣能量=混合后氣 體能量 即： 假定： （39） a T aprrprp TCMMTCMTTCM 101 ppp CCC 1 0 1 01r r rr a TTT MM TMTTM T 5、不含 的殘余廢氣系數(shù)的求法： 所以把（39）代如（3

4、8）有： （310） 由（310）有： 由 （39）有： 兩式聯(lián)立求出： （311） 又把此式代如（37）式得到不含 的殘余廢氣系數(shù) （312） v r a v TTT T p p 0 0 0 1 TT p p T T a v r 0 0 0 1 v r r T p p T 0 0 1 1 1 1 00 0 a ra v p p p p TT T v ra r r pp p T TT 0 6、 進氣溫度 第二種求法： 在圖32中，假定經(jīng)過 多變過程后，才有新鮮充量與 殘余廢氣相混合進行熱交換，則根據(jù)熱量平衡方程式有： 所以有： （313） 式中： 殘余廢氣系數(shù) 新鮮充量 殘余廢氣量 a T r

5、 r arrra TTCMTTTCM 011 1 0r a TTT T 1 M M r 1 M r M 比熱比 左右 分別為殘余廢氣和新鮮充量的比熱。 假定 是以n（汽油機n=1.33,柴油機n=1.50）為多變指 數(shù)的多變過程，那么由多變過程的熱力關(guān)系有： （設(shè) ） 把 代入（313）式有： （314） 1 C Cr 2 . 1 1 ,CCr r r n n r a r n n r rr p p T p p TT 1 1 ar pp T n n r a r a p p TTT T 1 0 1 34 過后充氣量的計算 在上節(jié)中導出的所有公式中，都沒有考慮過后充氣（或倒流）問 題。而在現(xiàn)代高速汽

6、車發(fā)動機中，過后充氣具有十分重要的意義。 定義：過后充氣（倒流）：指發(fā)動機活塞從下止點到進氣門完全 關(guān)閉這段時間新鮮充量的流動過程。 在內(nèi)燃機進排氣過程中，我們可以利用進排氣管中的氣流慣性來 達到進入更多的新鮮充量和排出更多的廢氣量。 在進排氣門開關(guān)這四個時期中，以進氣門關(guān)閉時期對充氣系數(shù)影 響最大。因此，此處只研究進氣門關(guān)閉時期對充氣量的影響。 由圖33可知，對不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，就有響應(yīng)的進氣門遲閉 角，才能使充氣系數(shù)獲得最大值。而實際發(fā)動機的進氣門遲閉 角是固定的，因而隨著轉(zhuǎn)速的變化就有不同的充氣系數(shù)，也即有 不同的過后充氣（或倒流） 一、發(fā)動機的循環(huán)充氣量 由上面的討論可知： （-）

7、下面的任務(wù)就是要求出過后充氣量 。 s G 后 MMMs 180 后 GGGs 180 1 180 a ha a ha RT Vp RT Vp G 后 G 一、過后充量的計算： 在進氣門遲關(guān)過程中，與氣缸過后充氣有聯(lián)系的氣體動 力學現(xiàn)象是很復(fù)雜的。但我們可以把過后充氣或倒流簡 化成圖-4所示的形式。將長度為l的等直進氣管和氣缸 上面積為 的進氣通道相連接。截面 兩端分別作用缸 內(nèi)被壓縮氣體的壓力 ，進氣管內(nèi)氣體壓力 和氣流 的慣性壓力 。 顯然，根據(jù)這些壓力關(guān)系可能會出現(xiàn)下面兩種情況： （）過后充氣： （）倒流： 、進氣管內(nèi)氣體壓力 近似地令 f f x p T p T p j p xTj p

8、pp xTj ppp 2 0a T pp p T p 2、氣流慣性壓力 氣流慣性力 （Kgf） 式中：進氣管阻力系數(shù) 進氣管有效管長（m） 管中氣體的密度 j氣流的加速度 由此得到氣流慣性力： j p g j lfF Tj . T l 3 /mKg a T T T RT p RT p 2 /sm g j l f F p T j j 2 /mKg 進氣管中氣流的加速度j，可以近似地認為與活塞加速 度 成正比關(guān)系 即： 式中：F活塞頂面積 活塞位移關(guān)系式： 活塞的加速度根據(jù)發(fā)動機運動學知識可求得： 式中：R曲柄半徑 曲軸旋轉(zhuǎn)角速度 連桿長度與曲柄半徑之比值 進氣門遲閉角。 n j n j f F

9、j nTj j f F g lp 1 2cos1 4 cos1Rx 2cos 1 cos 2 Rj n 將 和 代入 由于 （） n j 30 n j p 2 22 30 2cos 1 cos n f F g R p Tj h VRF 2 1 g 2 2cos 1 cos 1800 2 f Vn lp h Tj 3、氣缸內(nèi)氣體壓力 由狀態(tài)方程： 可得： 近似地 （ ） 式中： 過后充氣系數(shù)，可選用 由精確公式求出或選用。 x p x xx a aa RT vp RT vp a x a x x a ax T T G G v v pp ax TT x a ax v v pp 180180 1 G

10、G G G G G s a x后 a x G G x a v v cx vR D v 2cos1 4 cos1 4 2 4、過后充氣量 由下述公式求： 式中： 進氣門處流量系數(shù)0.750.85 過后充氣或倒流時間 （） 、 、 隨著對過后充氣（或倒流）的影響如圖 所示?？梢?，在兩條曲線的交點左方發(fā)生過后充氣， 右邊出現(xiàn)倒流。 后 G 6 102 xjT pppgtf 后 G 循環(huán)/mg t nn t 6 60 360 T p j p x p 5、過后充氣系數(shù) 實際充量 6、充氣系數(shù) 7、進氣門關(guān)閉時的壓力 （-21） 后 GGGs 180 180 G G s v 0 0 180 0 RT Vp

11、 GG G G h s v 后 閉 p 閉 p a a a aa a a T T V V p T T G G V V p 閉 閉 閉閉 閉 1 a T T 閉 壓縮過程 一、 的分析式 我們先來推導多變指數(shù)的n的表達式： 多變過程：P =const 利用微分關(guān)系有：n= - （a） 由熱力學第一定律： （b） 由狀態(tài)方程：PV=RT 得到： （c） 利用： 和 之關(guān)系 （d） 分別把（a）、（c）、（d）式子代入（b）可以求得： （3-22） 由（3-22）式子可以看出，n在所研究的區(qū)段上是絕熱 指數(shù)k，壓力p和熱交換速度的 函數(shù)。 n V v p d d P V PdvCvdTWdUQ )(

12、 1 VdpPdV R dT RCvCpk Cv Cp dV Q p k kn 1 dV Q 1 n 二、影響 的因數(shù)分析 在多變壓縮過程中，只有工質(zhì)和缸壁間的溫度差傳熱， 還沒有燃料燃燒的熱量加入。 因為，多變壓縮過程中， 0即 k，且向工質(zhì)加入的熱量越多， 則 值越大； 若工質(zhì)放出能量， 0， k，且工質(zhì)傳出熱量愈多 愈大。 2 n dV Q p k kn 1 z p 2 n 0, 0 dV Q Q kn 22 n 0Q , 0 dV Q 2 n 2 n 結(jié)合內(nèi)燃機的實際膨脹過程進行分析： 轉(zhuǎn)速n。n增加，過后燃燒增加，而膨脹時間縮短，減 小了工質(zhì)傳熱和漏氣時間。二者綜合結(jié)果 選 較小值；

13、 負荷。當轉(zhuǎn)速n不變而增大負荷時，由于后燃增加， 缸壁溫度相對提高使傳出的熱量相對減小，二者比較的 結(jié)果， 選較小值； 氣缸尺寸。 ，使相對傳熱面積和漏氣減小， 選較小值； 燃料燃燒速度（熱利用系數(shù) ）。 顯著燃燒階段 放熱多，使過后燃燒減小， 選較大值； 冷卻強度。冷卻強度提高，傳出的熱量增加， 選較大值 ；等等 2 , 0, 0n dV dQ Q V F D z z 2 , 0 nQ 2 n 2 n 2 n 二、 計算 實際循環(huán)膨脹多變指數(shù) 沿膨脹線是變化無常的。因 此，同壓縮過程多變指數(shù) 選擇一樣，為了簡化計算， 采用一個不變的平均多變膨脹指數(shù) 進行計算，只要 計算出來的膨脹終點參數(shù)（b

14、點）與實際相符即可。 經(jīng)驗公式： 頂置氣門發(fā)動機： （346） 側(cè)置氣門發(fā)動機： （347） 式中： 最大功率時的轉(zhuǎn)速 n計算轉(zhuǎn)速 2 n 1 n 2 n 2 n n n n N 035.014.1 2 n n n N 039.02 .1 2 N n 三、膨脹終點參數(shù)計算 1、后期膨脹比 （348） 2、膨脹終點壓力 （bar） （349） 3、膨脹終點溫度 (K) (350) 四、膨脹過程任意點參數(shù) （351） 式中： 膨脹過程中任意點的氣缸容積 的求法與 （328）一樣。 z z z b z b V V V V V V b p 2 2 n z n b z zb p V V pp b T 1

15、 1 2 2 n z n b z zb T V V TT 2 n bx z zbx V V pp bx V bx V cx V 38示功圖的繪制 內(nèi)燃機的示功圖可以利用工作過程計算各點的參數(shù)值 （P,V）和壓縮線及膨脹線各計算點值來繪制。 一、比例的選取 建議選取如下比例作圖，從而保證作出來的示功圖受看。 1、示功圖高度/底邊長度 即 2、AB長度代表了氣缸工作容積，可以與活塞行程按比 例尺取值。比例尺 等 3、 4、混合加熱循環(huán) 5、壓力比例尺 ： =0.2,0.25,0.4,0.5,0.7,1.0 （bar/mm）,0.02,0.025,0.04, 0.05,0.07,0.1(Mpa/mm

16、)等。即坐標紙 上每一格代表 比例尺數(shù)值。 7 . 12 . 1 AB Az 1:2, 1:5.1 , 1:1 s M 1 AB OA 1OAzz p Mp M p M 二、棱角示功圖 在示功圖上用所選的比例尺，根據(jù)熱計算的數(shù)據(jù)，取各 特征點a,c, ,z,b,a等點及壓縮線和膨脹線的(P,V)值，就 得到了棱角的循環(huán)PV圖 和 三、示功圖的圓整（四沖程） （一）、燃燒過程曲線的圓整 1、汽油機燃燒過程曲線的圓整 （1）、點1：在點火點稍后即可。 （2）、點2： (3)、點3：由于實際最大壓力值比 計算值低。 取 ，位于上止點 即可。確定1、2、3點 后用過渡圓滑曲線連接即可。 z zbdra

17、zcazbdrac a czc pppp5 .04 .0 2 z p z pp85. 0 3 1812 2、柴油機燃燒過程曲線的圓整 （1）、點1：在噴油稍后開始。 （2）、點2： 點3：取在 中間點 點4：圓整后與膨脹線圓滑連接的交點。 原則：直噴式和渦流式柴油機，點4靠近上止點。預(yù)燃 室式柴油機，點4距上止點可稍遠。 （二）、進排氣過程曲線的圓整 點1：根據(jù)排氣提前打開角 1點可在 稍后之處。 點2： 點3：取在 處。有3點：1、2、3用過渡圓滑線連接 便可。 czc pppp 5.04.0 2 z z 5040 ba ppp 2 1 2 13 VV 排氣曲線的其余部分（3r）和進氣線(r

18、a)，由于壓力數(shù) 值太小，可分別用 直線表示。在 r處兩直線用任意 圓滑線連接即可。 （三）、示功圖豐滿系數(shù) 圓整后的示功圖所包圍的面積要比圓整前小，二者之間 的差用示功圖豐滿系數(shù) 來衡量。即：圓整后示功圖 面積= 理論示功圖面積。 四沖程柴油機： =0.830.93 四沖程汽油機： =0.920.97 示功圖豐滿系數(shù) 實際上是把實際循環(huán)中的時間損失 和部分換氣損失及后燃損失考慮在熱計算中。 ar pp , i i i i i i 39 發(fā)動機性能指標 一、指示指標： 圖312是由計算得出的示功圖。進排氣線所包圍的面 積為泵氣功，為方便起見，內(nèi)燃機原理中歸為機械損失 功。因此，每個氣缸指示功的

19、多少取決于壓縮線和膨脹 線所包圍的面積。即是未圓整化的示功圖或計算示功圖。 1、計算平均指示壓力 ： 由計算示功圖312，可求得指示功 ： 其中每一項分別為：（由第二章知識可得）： i p i W aczbzzi WWWW 1 cczzzzz VpVVpW 1 2 2 2 1 1 1 1/ n cc bbzzzb n Vp nVpVpW 以氣缸工作容積 除之，即得到計算的平均指示壓力 以 代入 （352） 2、實際平均指示壓力 （bar） （353） 1 11 1 1 1 11 n ccaacc ac n Vp n VpVp W 1 1 1 2 12 1 1 1 11 1 1 1 nn cci

20、 nn VpW h V i p h i i V W p 1 1 h c V V 1 n ac pp 1 1 1 2 12 1 1 1 1 11 1 1 1 1 nn n a i nn p p i p iii pp 3、指示熱效率 （354） 4、指示燃油消耗率 （g/KW.h） 二、有效指標： 1：平均機械損失壓力： 經(jīng)驗公式： （355） 式中： 潤滑油的運動粘性系數(shù)，在發(fā)動機工作溫 度范圍 =16左右 i v i v i i p p T h Mp p T H L 0 01 0 00 314.8314.8 i g i i h g 6 106.3 1000 11.0 n p m 2： 機械效率

21、 （356） 3：平均有效壓力 在得到機械效率之后，可求 （bar） （357） 4、有效熱效率： （3-58） 5：有效燃油消耗率 （359） 6：有效功率 （KW） (360) i m m p p 1 e p e p mie pp e g e e H g 6 106.3 e N 1200 npVi N eh e mie 三、氣缸尺寸的確定或校核 （1） （361） （2） （362） （3）選缸徑行程比 （363） （4） （364） np N iV e e h 900 i iV V h h A D S 3 4 A V D h DAS 第四章 發(fā)動機工作過程計算舉例 41 概述 一：計算分

22、類 分成：實際循環(huán)示功圖的熱計算：是以額定工況熱計算 為例。 發(fā)動機特性曲線計算：是以外特性計算為例。 二者的計算公式，計算步驟差不多，只是參數(shù)的選擇范 圍有區(qū)別。 1、 實際循環(huán)熱計算，由于是經(jīng)典的熱計算，是由理論 公式加上選擇經(jīng)驗數(shù)據(jù)結(jié)合進行。額定工況是人們一直 特別關(guān)心并做了大量的實驗數(shù)據(jù)供計算時選擇用。因此， 以額定工況為例進行熱計算。 2、 特性曲線計算，發(fā)動機特性曲線包括：速度特性、 負荷特性、調(diào)速特性、調(diào)整特性等等。而速度特性代表 了不同負荷和速度下性能指標的變化趨勢，尤其外特性 更具有代表性，所以，我們以發(fā)動機外特性計算為例。 二：工作參數(shù)分類： 1、原始參數(shù)： 在實際計算中，有許多參數(shù)不能直接用計算的 方法加以確定。這些參數(shù)必須根據(jù)發(fā)動機的工作 條件，速度和負荷情況以及不同結(jié)構(gòu)型式的試驗 和統(tǒng)計數(shù)據(jù)加以選擇確定或經(jīng)驗公式計算確定。 這類參數(shù)包括： （1）排氣終了的溫度和壓力： （2）進氣過程的阻力和預(yù)熱： （3）壓縮過程的壓縮比和多變指數(shù)： （4）燃燒過程的過量空氣系數(shù)、熱量利用系數(shù)、 壓力升高比（或預(yù)膨脹比） (5)膨脹過程多變指數(shù)： rr pT , T, 1 ,n , z 2 n 2、各過程的終點參數(shù)： 在原始參數(shù)分析選擇或計算選定后，各過程的終點參 數(shù)可以