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文檔簡介
1、第二章內燃機的工作指標第一節(jié)示功圖與指示性能指標第二節(jié)有效性能指標第三節(jié)機械損失與機械效率第四節(jié)排 放 指 標第五節(jié)提高內燃機動力性能與經濟性能的途徑第一節(jié)示功圖與指示性能指標一、示功圖二、指示性能指標一、示功圖圖2-1四沖程內燃機的p-圖一、示功圖圖2-2四沖程壓燃式和點燃式內燃機實際循環(huán)p-V圖二、指示性能指標1.指示功和平均指示壓力2.指示功率3.指示熱效率和指示燃油消耗率1.指示功和平均指示壓力圖2-3發(fā)動機的p-V圖a) 四沖程非增壓發(fā)動機b) 四沖程增壓發(fā)動機c) 二沖程發(fā)動機2.指示功率內燃機單位時間內所作的指示功稱為指示功率Pi。3.指示熱效率和指示燃油消耗率指示熱效率是發(fā)動機
2、實際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量的比值第二節(jié)有效性能指標一、機械效率和有效功率二、平均有效壓力、有效功率和升功率三、由吸入空氣量計算平均有效壓力四、有效熱效率和有效燃油消耗率一、機械效率和有效功率上面所討論的指示性能指標只能評定工作循環(huán)進行的好壞,發(fā)動機發(fā)出的指示功率需扣除運動件的摩擦功率以及驅動風扇、機油泵、燃油泵、發(fā)電機等附件所消耗的功率后才能變?yōu)榍S的有效輸出,所有這些消耗功率的總和稱為機械損失功率Pm,從而有效功率為Pe=Pi-Pm有效功率與指示功率之比稱為機械效率二、平均有效壓力、有效功率和升功率與平均指示壓力相似,平均有效壓力可看做是一個假想的、平均不變的壓力作用在活塞頂上,使活塞
3、移動一個行程所做的功等于每循環(huán)所做的有效功。平均有效壓力是衡量發(fā)動機動力性能的一個重要參數(shù)。三、由吸入空氣量計算平均有效壓力1.充量系數(shù)?c2.過量空氣系數(shù)?a1.充量系數(shù)?c若把每循環(huán)吸入氣缸的空氣量換算成進氣管狀態(tài)(ps,Ts)的體積V1,其值一般要比活塞排量Vs小,兩者的比值定義為充量系數(shù)2.過量空氣系數(shù)?a燃燒單位燃料的實際空氣量與理論空氣量之比稱為過量空氣系數(shù)?a四、有效熱效率和有效燃油消耗率衡量發(fā)動機經濟性能的重要指標是有效熱效率和有效燃油消耗率b。有效熱效率是實際循環(huán)的有效功與為得到此有效功所消耗的熱量的比值第三節(jié)機械損失與機械效率一、機械損失的組成部分二、機械損失的測定一、機械
4、損失的組成部分1.活塞與活塞環(huán)的摩擦損失2.軸承與氣門機構的摩擦損失3.驅動附屬機構的功率損失4.風阻損失5.驅動掃氣泵及增壓器的損失1.活塞與活塞環(huán)的摩擦損失活塞與活塞環(huán)的摩擦損失占整個摩擦損失的主要部分。這是由于它的滑動面積大、相對速度高、潤滑不充分等原因造成的。這種摩擦與活塞的長度、活塞間隙以及活塞環(huán)的數(shù)目和環(huán)的張力等結構因素有關。此外,在構造相同的情況下,它隨氣缸壓力、活塞速度以及潤滑油粘度的升高而增加。2.軸承與氣門機構的摩擦損失軸承與氣門機構的摩擦損失包括所有主軸承、連桿軸承和凸輪軸軸承等的摩擦損失。在這些軸承里,由于潤滑充分,純液力摩擦因數(shù)很低,不過隨著軸承直徑的增大和轉速的提高
5、,軸頸圓周速度的增大,運動件慣性力增大,這部分損失也將增加,但它對氣缸中壓力的變化不太敏感。至于消耗在氣門驅動機構上的損耗,在額定功率工況下所占比例是很微小的,在低速小負荷時,它的比例將增大。3.驅動附屬機構的功率損失所謂的附屬機構,主要是指為保證發(fā)動機正常工作所必不可少的部件或總成,如冷卻水泵總成(風冷發(fā)動機中則是冷卻風扇)、機油泵、噴油泵、調速器等;而一些不是發(fā)動機運轉所必要的總成,如發(fā)電機、汽車制動用的空氣壓縮機、真空助力泵等,除非加以說明,一般不包括在內。有時散熱器、冷卻風扇也不包括在發(fā)動機機械損失之內。這些附屬機構消耗的功率隨發(fā)動機的轉速和潤滑油粘度的增加而增大,但與氣缸壓力無關,它
6、僅占機械損失中的一小部分。4.風阻損失活塞、連桿、曲軸等零件在曲軸箱內高速運動時,為克服油霧、空氣阻力及曲軸箱通風等將消耗一部分功,但其數(shù)值是很微小的。5.驅動掃氣泵及增壓器的損失在二沖程或機械增壓發(fā)動機中,還要加上對進氣進行壓縮而帶來的損失。上述諸損失中,可將前四項損失之和視作發(fā)動機的內部摩擦損失,并以Pf表示其損耗的功率,掃氣泵或增壓器所消耗的功率為PB圖2-4自然吸氣發(fā)動機中機械損失各組成部分隨活塞平均速度的變化a泵氣損失b活塞與活塞環(huán)的摩擦損失c氣門機構驅動損失d附屬機構驅動損失e連桿軸承摩擦損失f凸輪軸承摩擦損失二、機械損失的測定1.示功圖法2.倒拖法3.滅缸法4.油耗線法圖2-5一
7、般發(fā)動機的機械損失平均壓力p的范圍1.示功圖法運用燃燒分析儀測錄氣缸的示功圖,從中算出指示功率Pi值,從測功器和轉速計讀數(shù)中測出發(fā)動機的有效功率Pe值,從而可以算出Pm、pmm及m值。這種直接測定方法是在發(fā)動機真實的工作情況下進行的,從理論上講也完全符合機械損失的定義,但結果的正確程度往往取決于示功圖測錄的正確程度及p-圖或p-V圖上活塞上止點位置的標定誤差,后者對示功圖及放熱率計算有很大影響。上止點誤差1(CA),平均指示壓力的最大相對誤差可達7%8%,用示功圖來計算的放熱率的最大相對誤差可達6%7%。此外,在多缸發(fā)動機中,各個氣缸多少存在著一定的不均勻性,而在試驗中往往只測錄一個氣缸的示功
8、圖用以代表其他各缸,這也會引起一定的誤差,因此,示功圖法一般用于當上止點位置能得到精確標定時才能取得較滿意的結果。2.倒拖法圖2-6發(fā)動機在倒拖時的p-V圖3.滅缸法此法僅適用于自然吸氣式多缸柴油機。當發(fā)動機調整到給定工況穩(wěn)定工作后,先測出其有效功率Pe,保持發(fā)動機原循環(huán)供油量不變,停止向某一氣缸供油,并用減少制動力矩的辦法迅速將轉速恢復到原來的數(shù)值,并重新測定其有效功率P4.油耗線法第四節(jié)排 放 指 標一、排放物的濃度二、質量排放量三、比排放量四、排放率(或排放指數(shù))一、排放物的濃度內燃機排放物的濃度,從廣義上來說,是指排放物在總排氣量中所占的比例。對于氣態(tài)排放物如CO、HC和NOx(NO、
9、NO2)來說,常用體積分數(shù)來表示。一般內燃機的氣態(tài)排放物都可作為理想氣體處理。為了數(shù)據(jù)的普遍性,氣體的體積要換算到標準大氣狀態(tài)(內燃機工程標準的大氣壓力為101.3kPa,水蒸氣分壓為1kPa,溫度為273K)。現(xiàn)代測量內燃機氣態(tài)排放物的儀器都是基于物理或化學原理,在標準大氣狀態(tài)下用標定氣進行標定的流程式儀器(詳見第八章),測量結果用體積分數(shù)表示。二、質量排放量單位時間或按某排放標準規(guī)定,進行一次測試,在試驗期內測出的污染物質量,稱為質量排放量,通常以g/h或g/測試(g/test)表示。安裝內燃機的車輛按規(guī)定的工況組合(稱為測試循環(huán))行駛后折算到單位里程的排放量,稱為(單位)里程質量排放量,
10、常用單位為g/km。三、比排放量內燃機針對單機進行排放測量時,每單位功排出的污染物質量,常用比排放量g/(kWh)表示,用以評價不同種類、排量的內燃機的排放性能。比排放量與內燃機的燃料消耗率類似,也可稱為污染物排放率,比排放量可以根據(jù)測得的發(fā)動機功率、排氣流量、污染物濃度、污染物密度等數(shù)據(jù)計算。四、排放率(或排放指數(shù))排放率定義為燃燒單位質量的燃料所排放的污染物質量,理論上是個量綱一的量,實踐中為方便起見其單位常用g/kg表示。排放率在研究各種燃燒排放源對大氣環(huán)境影響時常用到,因為根據(jù)燃料消耗量和排放率可以方便地計算污染物總量,但對內燃機而言,排放率隨工況變化十分復雜,所以應用不多。第五節(jié)提高
11、內燃機動力性能與經濟性能的途徑一、采用增壓技術二、合理組織燃燒過程,提高循環(huán)指示效率it三、改善換氣過程,提高氣缸的充量系數(shù)?c四、提高發(fā)動機的轉速五、提高內燃機的機械效率六、采用二沖程提高升功率一、采用增壓技術在保持過量空氣系數(shù)?a等參數(shù)不變的情況下,增加吸進空氣的密度s可以使發(fā)動機功率按比例增長。這就需要在內燃機上裝置增壓器,使空氣進入氣缸前進行預壓縮。目前,在柴油機上廣泛采用排氣渦輪增壓器,尤其當采用高增壓后,可以促使柴油機的pme和PL成倍增長。與此同時,它還是改善柴油機的經濟性、降低比質量、降低廢氣有害排放、降低排煙、節(jié)約原材料的一項最有效的技術措施。由于采用增壓,柴油機的pme值已
12、超過3MPa,單位功率質量可降低到2kg/kW以下。汽油機由于受爆燃限制,壓縮行程終了時的壓力和溫度不宜過高,這就限制了增壓壓力。增壓后,一般功率的提高也僅在30%40%之間。內燃機的增壓技術還可以用來恢復在高原使用的內燃機的功率,因為隨海拔高度的增加,進氣密度下降,燃燒惡化,裝備增壓發(fā)動機的汽車,其高原動力性能與經濟性能可以得到明顯改善。二、合理組織燃燒過程,提高循環(huán)指示效率it提高指示效率不僅改善了內燃機的動力性能,同時也改善其經濟性能,因此,需要從研究內燃機工作循環(huán)入手,深入分析在整個熱功轉換過程中,各種熱力損失的大小及其分布,掌握各種因素對熱力損失的影響程度,從而尋找減少這些損失的技術
13、措施,而其中最重要的一個方面就是對內燃機燃燒過程的改進。三、改善換氣過程,提高氣缸的充量系數(shù)?c同樣大小的氣缸容積,在相同的進氣狀態(tài)下若能吸入更多的新鮮空氣,則可容許噴入更多的燃料,在同樣的燃燒條件下可以獲得更多的有用功。改善換氣過程,不僅可以提高?c,而且可以減少換氣損失。為此,必須對換氣過程進行深入研究,分析產生損失的原因,然后從改善配氣機構、凸輪廓線、管道流體動力性能以及采用多氣門、可變氣門正時(VVT)與升程及可變進氣管長度(VIM)等方面著手進行研究。關于這方面的詳細討論見本書第四章。四、提高發(fā)動機的轉速增加轉速可以增加單位時間內每個氣缸做功的次數(shù),因而可提高發(fā)動機的功率輸出:與此同時,發(fā)動機的比質量也隨之降低。因此,它是提高發(fā)動機功率和減小質量、尺寸的一個有效措施。當前,小型柴油機(D=7090mm)的最高轉速已達5000r/min,但一般在30004000r/min左右,活塞平均速度vm約在1113m/s之間;車用汽油機的轉速一般在40007000r/min,某些小型風冷汽油機轉速可高達800010000r/min,它們的vm值在1820m/s左右。五、提高內燃機的機械效率提高機械效率可以提高內燃機的動力性能和經濟性能,這方面主要靠合理選定各種
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