第3章-循環(huán)分析與能量利用模版課件

點(diǎn)燃式和壓燃式內(nèi)燃機(jī)工作過程、燃燒理論、性能分析及參數(shù)調(diào)控陳勛寧夏大學(xué)汽車工程系汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理AutomotiveEngineFundamentals點(diǎn)燃式和壓燃式內(nèi)燃機(jī)陳勛寧夏大學(xué)汽車工程系汽車發(fā)1.循環(huán)模式與熱效率2.機(jī)械損失與機(jī)械效率3.能量分配與合理利用循環(huán)熱效率和機(jī)械效率質(zhì)環(huán)節(jié)講課內(nèi)容第一部分：動(dòng)力輸出與能量利用第1章性能指標(biāo)與影響因素第2章燃料、工質(zhì)與熱化學(xué)第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進(jìn)氣充量第5章運(yùn)行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎(chǔ)知識第7章柴油機(jī)混合氣形成與燃燒第8章汽油機(jī)混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動(dòng)力1.循環(huán)模式與熱效率循環(huán)熱效率和機(jī)械效率質(zhì)環(huán)節(jié)講課內(nèi)循環(huán)模式分類根據(jù)工質(zhì)和循環(huán)特征分類:1)理論循環(huán)(TheoreticalCycle)工質(zhì)——理想氣體(空氣)，物性參數(shù)(比熱比,k)為常數(shù)，不隨溫度變化循環(huán)——理想循環(huán)：封閉熱力循環(huán)：系統(tǒng)加熱

燃燒放熱；系統(tǒng)放熱氣體交換(進(jìn)排氣)

特殊熱力過程：絕熱壓縮和膨脹；等容或等壓加熱和放熱

2)理想循環(huán)(IdealCycle)工質(zhì)——真實(shí)工質(zhì)循環(huán)——理想循環(huán)

3)真實(shí)循環(huán)(RealCycle)工質(zhì)——真實(shí)工質(zhì)循環(huán)——真實(shí)循環(huán)Q2Q1等熵壓縮等容/等壓加熱等熵膨脹等容放熱工質(zhì)和循環(huán)模式是決定循環(huán)熱效率的兩大因素循環(huán)模式分類根據(jù)工質(zhì)和循環(huán)特征分類:Q2Q1等熵壓縮等容/等循環(huán)熱效率(Cycle

thermalefficiency)ht211qq=-htt1wq=0=12321tqq

w-=pVTswtwtq2q1示功圖溫熵圖溫熵圖(T-s)是分析循環(huán)熱效率的一種有效而又直觀的方法w

pdV

Tds

dut==-òòò循環(huán)功(動(dòng)力過程功）熱力學(xué)第一定律循環(huán)熱效率:Tdsdq=循環(huán)熱效率(Cyclethermalefficiency理論循環(huán)分類根據(jù)加熱過程進(jìn)行分類：1)等容加熱→等容循環(huán)(Otto循環(huán))2)等壓加熱→等壓循環(huán)(Diesel循環(huán))3)混合(等容＋等壓)加熱→混合循環(huán)(Sabathe循環(huán))1-2:等熵壓縮(isentropic)2-3:等容/等壓加熱(isochoric/isobaric)3-4:等熵膨脹(isentropic)4-1:等容放熱(isochoric)理論循環(huán)分類根據(jù)加熱過程進(jìn)行分類：1-2:等熵壓縮(is等容循環(huán)(Isochoriccycle)VspT3q1q1q22411234V1V2q2q2q1奧托循環(huán)(OttoCycle):早期汽油機(jī)轉(zhuǎn)速低，燃燒接近等容放熱壓力升高比

＝p3/p2壓力升高比對等容循環(huán)的熱效率沒有影響！等容循環(huán)效率:()()hhhkkkt21t,vv41v321412321221134143t,v122111qq1cTTcTT1TTT1TTT1TTVVVVTT1TT1VV=-=---=--?è???-?è???=?è???=?è???==-=-?è???---het,v111=--k?????等容循環(huán)(Isochoriccycle)VspT3q1q1加熱時(shí)刻對循環(huán)的影響(等容度)q1=const.q133

3

3q13*4*41q222*3*4*4q212*2TpsVTDC加熱:1-2-3-4BTDC加熱:1-2*-3*-3’-4*-1ATDC加熱:1-2-2*-3*-4*-1ht211qq=-偏離上止點(diǎn)加熱，

t增大or減小?等容度：VcmVs等容加熱≠100％等容度q2增加，

t減小Vc加熱時(shí)刻對循環(huán)的影響(等容度)q1=const.q133等壓循環(huán)(Isobariccycle)q13341q224q212Tpq1p2V2V1sV4狄賽爾循環(huán)(DieselCycle):早期柴油機(jī)在上止點(diǎn)噴油燃燒

t,p=容積預(yù)膨脹比:

=V3/V2預(yù)膨脹比

與等容度

是什么關(guān)系？等壓循環(huán)(Isobariccycle)q13341q224混合循環(huán)與其他循環(huán)的比較q1p241q2,vvT21q134q2,v等容循環(huán)pq12341q2,pvTs21q14q2,p等壓循環(huán)3s3

t,s=現(xiàn)代汽油機(jī)和柴油機(jī)的實(shí)際工作循環(huán)是混合循環(huán)。相對而言，傳統(tǒng)汽油機(jī)更接近于等容循環(huán)，傳統(tǒng)柴油機(jī)更接近于等壓循環(huán)。3pq1,p241q2,svs21q1,p34q2,sq1,v3￠q1,v3￠T混合循環(huán)混合循環(huán)與其他循環(huán)的比較q1p241q2,vvT21q134理論循環(huán)熱效率的比較20161284000.20.40.60.8hte等容循環(huán)等壓循環(huán)混合循環(huán)150bar70barp3=40bark=1.4q*=9.14p1=1barq*qcT1p1=在加熱量、壓縮比相同的條件下，等容循環(huán)具有最高的熱效率，因此，提高等容加熱比例是提高熱效率的有效途徑理論循環(huán)熱效率的比較20161284000.20.40.60壓縮比和等熵指數(shù)對熱效率的影響20161284000.20.40.60.8ht,vk

=1.41.31.2e結(jié)論：1)壓縮比ε越大,熱效率越高壓縮比由8增加為12，熱效率能提高10～15％。但ε>20，熱效率提高不明顯2)等熵指數(shù)

越大,熱效率越高等熵指數(shù)由1.2提高到1.4,熱效率可增加40％(q1和

不變,

,cp和cv,工質(zhì)溫升,效率)循環(huán)參數(shù)對熱效率的影響四大循環(huán)參數(shù):1)壓縮比

;2)等熵指數(shù)

;3)壓力升高比

;4)預(yù)膨脹比

壓縮比和等熵指數(shù)對熱效率的影響20161284000.20.壓力升高率和預(yù)膨脹比對熱效率影響:1)

＝1,等容循環(huán),

對

t無影響2)

＝1,等壓循環(huán),

增大,

t明顯下降3)混合循環(huán)：

不變：隨

上升，

t略有增加

再增大，

t不受影響

不變：隨

增大，

t明顯下降結(jié)論：減少等壓加熱；增加等容加熱循環(huán)參數(shù)對熱效率的影響壓力升高率和預(yù)膨脹比對熱效率影響:結(jié)論：循環(huán)參數(shù)對熱效率的影理論循環(huán)分析的指導(dǎo)意義1）指出了改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的基本原則和方向在允許的條件下,盡可能提高壓縮比

,尤其是汽油機(jī)合理組織燃燒,提高循環(huán)加熱等容度（減少預(yù)膨脹比

、合理選擇燃燒始點(diǎn)、壓燃同時(shí)著火）保證工質(zhì)具有較高的等熵指數(shù)

（稀燃）2）提供了發(fā)動(dòng)機(jī)之間進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性對比的理論依據(jù)同一機(jī)型不同加熱模式的對比

、

及q1不變：等容循環(huán)

t>混合循環(huán)

t>等壓循環(huán)

t不同機(jī)型(汽、柴油機(jī))的對比pmax及q1相同：等壓循環(huán)

t>混合循環(huán)

t>等容循環(huán)

t理論循環(huán)分析的指導(dǎo)意義1）指出了改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的理論循環(huán)分析的指導(dǎo)意義

汽、柴油機(jī)負(fù)荷變化(q1不同)時(shí)的對比

部分負(fù)荷柴油機(jī):缸內(nèi)噴射擴(kuò)散燃燒,噴油時(shí)間縮短,初期等容放熱變化不大,即

基本不變而

減小,

t提高

部分負(fù)荷汽油機(jī):預(yù)混燃燒,燃燒速度下降,燃燒時(shí)間加長,即

下降而

上升,

t下降結(jié)果：中、低負(fù)荷工況,柴油機(jī)使用油耗較汽油機(jī)低30％～50％。理論循環(huán)分析的指導(dǎo)意義汽、柴油機(jī)負(fù)荷變化(q1不同)時(shí)的對理想循環(huán)假設(shè)：1)保持理論循環(huán)中關(guān)于循環(huán)的假設(shè)(簡化)2)工質(zhì)特性按真實(shí)情況考慮：循環(huán)過程中成分是變化的工質(zhì)的熱力參數(shù)隨溫度、分子結(jié)構(gòu)及混合氣濃度等變化研究理想循環(huán)的目的：1)工質(zhì)特性對熱效率的影響(與理論循環(huán)相比)2)理想循環(huán)代表了人類努力所能達(dá)到的水平(與真實(shí)循環(huán)相比)相對熱效率：真實(shí)循環(huán)的指示效率與理想循環(huán)熱效率之比。反映了實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)指示效率接近理想水平的程度。壓縮過程:空氣+燃料蒸氣+殘余廢氣膨脹過程:廢氣+空氣理想循環(huán)假設(shè)：研究理想循環(huán)的目的：相對熱效率：真實(shí)循環(huán)的指示真實(shí)工質(zhì)對熱效率的影響1)比熱容

cv,cp=f（T,分子結(jié)構(gòu)）

ΔQv=cv×ΔT，ΔQp=cp×ΔT

T↑

cv和cp↑

↓

ΔT↓

t↓

多原子分子↑

cv和cp↑

↓

ΔT↓

t↓

即：真實(shí)工質(zhì)

＜理想工質(zhì)

真實(shí)工質(zhì)

t↓

例如：柴油機(jī)

汽油機(jī)

；稀薄燃燒

化學(xué)計(jì)量比燃燒

2)高溫?zé)岱纸飧邷貢r(shí)，原子間的結(jié)合力減弱，產(chǎn)生熱分解（吸熱過程）。

CO2→CO+O2H2O→H2+O2

低溫膨脹及排氣時(shí)，反向燃燒放熱。因此，燃燒放熱時(shí)間拉長等容度

↓

t↓。*T越高，p越小

熱分解越嚴(yán)重，因此，汽油機(jī)熱分解＞柴油機(jī)熱分解。真實(shí)工質(zhì)對熱效率的影響1)比熱容真實(shí)工質(zhì)對熱效率的影響1.401.351.301.251.204006008001000K溫度Temperaturek=cp/cvAir

a=2.0

a=1.25

a=0.83

a=0.67

a=1.0w/oexhaustgasresidual3)工質(zhì)分子變化系數(shù)液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后，

>1，p和

t↑

氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后，

1，p和

t↓（氣體燃料分子計(jì)入燃前分子總數(shù)）總的來說，

的影響不大4)過量空氣系數(shù)

a1，未燃碳?xì)洹?/p>

多原子↑

T↑

↓

t↓

a>1，空氣↑

單雙原子↑

T↓

t

真實(shí)工質(zhì)對熱效率的影響1.401.351.301.251.2汽油機(jī)與柴油機(jī)理想循環(huán)熱效率的比較1)高負(fù)荷柴油機(jī)

a>汽油機(jī)

a

柴油機(jī)

t>汽油機(jī)

t

汽油機(jī)混合氣濃且等容度高，Tmax↑，殘余廢氣↑

↓，熱分解↑汽油機(jī)

t

↓

汽油機(jī)

>柴油機(jī)

，但影響不大2)低負(fù)荷汽油機(jī)

a更小，而柴油機(jī)

a更大汽油機(jī)

t

↓↓

汽油機(jī)

r↑，柴油機(jī)

r不變，汽油機(jī)

↓，燃燒速度↓汽油機(jī)

t↓

汽油機(jī)高、低負(fù)荷溫差小，Tmax↑

↓

汽油機(jī)

t↓考慮真實(shí)工質(zhì)特性后，汽、柴油機(jī)熱效率差距加大：汽油機(jī)與柴油機(jī)理想循環(huán)熱效率的比較1)高負(fù)荷考慮真實(shí)工質(zhì)特真實(shí)循環(huán)1)傳熱損失(總加熱量的6％)真實(shí)循環(huán)并非絕熱過程,通過氣缸壁面、缸蓋底面、活塞頂面向外散熱。散熱量Qw=∫αFw（T-Tw）dτ式中，α—傳熱系數(shù)

Fw—散熱面積,Fw=f（

）

T—缸內(nèi)工質(zhì)溫度,T=f（

）

Tw—燃燒室壁面溫度,可設(shè)為定值壓縮過程:前期吸熱,后期散熱,使壓縮線略下降(有利)。燃燒及膨脹過程:溫差大,散熱強(qiáng)烈,使pz和膨脹線下降(不利)。燃燒膨脹線的下降幅度遠(yuǎn)大于壓縮線,使動(dòng)力過程功減小。真實(shí)循環(huán)1)傳熱損失(總加熱量的6％)真實(shí)循環(huán)2)時(shí)間損失實(shí)際燃燒及向工質(zhì)加熱不可能瞬間完成：存在點(diǎn)火(噴油)提前，使有用功面積下降，

t↓。pz出現(xiàn)在TDC后10

CA，而非等容加熱，使有用功面積減小。3)換氣損失排氣門早開，造成膨脹功損失。泵氣損失功(W2＋W3)4)不完全燃燒損失正常燃燒時(shí)，也有

c≠100%

不正常燃燒、

a

＜1等，

t↓↓5)缸內(nèi)流動(dòng)損失流動(dòng)增強(qiáng)以及提高渦流與湍流程度，

t↓

因?yàn)椋涸斐赡芰繐p失、散熱損失例如：流動(dòng)損失，非直噴式柴油機(jī)＞直噴式柴油機(jī)6)工質(zhì)泄漏損失

真實(shí)循環(huán)2)時(shí)間損失真實(shí)循環(huán)與理論循環(huán)的比較總結(jié)：由于工質(zhì)和循環(huán)方面的差別，使得:

理論循環(huán)ηt-實(shí)際循環(huán)ηt=10~20百分點(diǎn)兩者之間的差別指出了改善內(nèi)燃機(jī)ηt的基本原則真實(shí)循環(huán)與理論循環(huán)的比較總結(jié)：1.循環(huán)模式與熱效率2.機(jī)械損失與機(jī)械效率3.能量分配與合理利用講課內(nèi)容第一部分：動(dòng)力輸出與能量利用第1章性能指標(biāo)與影響因素第2章燃料、工質(zhì)與熱化學(xué)第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進(jìn)氣充量第5章運(yùn)行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎(chǔ)知識第7章柴油機(jī)混合氣形成與燃燒第8章汽油機(jī)混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動(dòng)力1.循環(huán)模式與熱效率講課內(nèi)容第一部分：動(dòng)力輸出與能量利用機(jī)械損失與機(jī)械效率1)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素機(jī)械損失與機(jī)械效率1)機(jī)械效率的定義機(jī)械損失與機(jī)械效率(1)機(jī)械摩擦損失(50％～80％)活塞組件、軸承、氣門機(jī)構(gòu)等(2)附件驅(qū)動(dòng)消耗(～10％)水泵、機(jī)油泵、燃油泵、點(diǎn)火裝置等運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的輔助機(jī)構(gòu)(3)泵氣損失(5％～40％)1)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素

為什么泵氣損失包含在機(jī)械損失中？機(jī)械損失與機(jī)械效率(1)機(jī)械摩擦損失(50％～80％)1)機(jī)械損失與機(jī)械效率1)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素?zé)o凸輪軸（Camless）發(fā)動(dòng)機(jī)測量機(jī)械損失時(shí)可以剔除泵氣損失嗎？(1)機(jī)械摩擦損失(50％～80％)活塞組件、軸承、氣門機(jī)構(gòu)等(2)附件驅(qū)動(dòng)消耗(～10％)水泵、機(jī)油泵、燃油泵、點(diǎn)火裝置等運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的輔助機(jī)構(gòu)(3)泵氣損失(5％～40％)電控氣門機(jī)械損失與機(jī)械效率1)機(jī)械效率的定義無凸輪軸（Camles機(jī)械損失與機(jī)械效率標(biāo)定工況：自吸式汽油機(jī):

m=0.8~0.9

自吸式柴油機(jī):

m=0.78~0.85

渦輪增壓式柴油機(jī):

m=0.80~0.921)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素

在相同排量和標(biāo)定工況條件下，比較渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率，哪個(gè)大？哪個(gè)??？(1)機(jī)械摩擦損失(50％～80％)活塞組件、軸承、氣門機(jī)構(gòu)等(2)附件驅(qū)動(dòng)消耗(～10％)水泵、機(jī)油泵、燃油泵、點(diǎn)火裝置等運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的輔助機(jī)構(gòu)(3)泵氣損失(5％～40％)機(jī)械損失與機(jī)械效率標(biāo)定工況：1)機(jī)械效率的定義在相同排量機(jī)械損失與機(jī)械效率(1)示功圖法由總指示功Wi，減去臺架上測得的有效功We只適用研發(fā)：(a)上止點(diǎn)難以精確測量：偏差1CA，誤差10～15％(b)各缸不均勻，需要同時(shí)測量1)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素機(jī)械損失與機(jī)械效率(1)示功圖法1)機(jī)械效率的定義機(jī)械損失與機(jī)械效率(2)倒拖法發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后。斷油或斷火，用電機(jī)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)，測得的反拖功率誤差：(a)無燃燒，缸內(nèi)壓力低，活塞與缸套間隙加大；潤滑油粘度加大，摩擦損失增大(b)排氣阻力加大，泵氣損失變化(c)壓縮、膨脹線不重合，增大pmm汽油機(jī)壓縮比小，所以誤差小1)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素機(jī)械損失與機(jī)械效率(2)倒拖法1)機(jī)械效率的定義機(jī)械損失與機(jī)械效率(3)滅缸法用于多缸機(jī)本質(zhì)上也是倒拖法（N-1缸拖1缸），但更接近真實(shí)狀態(tài)新問題：滅缸后進(jìn)排氣波動(dòng)效應(yīng)的影響兩大數(shù)相減得到小數(shù)，誤差加大1)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素機(jī)械損失與機(jī)械效率(3)滅缸法1)機(jī)械效率的定義機(jī)械損失與機(jī)械效率(4)油耗線法轉(zhuǎn)速不變，測出整機(jī)燃料消耗率隨負(fù)荷的變化曲線。將此線外延到與橫坐標(biāo)相交的a點(diǎn)，則a0之值為機(jī)械損失值。適合柴油機(jī)，不適合汽油機(jī)1)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素（參看公式1-41和圖2-16）機(jī)械損失與機(jī)械效率(4)油耗線法1)機(jī)械效率的定義（參看機(jī)械損失與機(jī)械效率小結(jié)：

(1)汽油機(jī)多用倒拖法，不適合用滅缸法(滅缸不安全)和油耗線法(不成直線)(2)自然吸氣柴油機(jī)適合滅缸法、油耗線法，小型柴油機(jī)可以用倒拖法

(3)廢氣渦輪增壓柴油機(jī)無法使用倒拖法和滅缸法，低增壓可以用油耗線法。1)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素機(jī)械損失與機(jī)械效率小結(jié)：1)機(jī)械效率的定義機(jī)械損失與機(jī)械效率(1)活塞平均速度

cm↑，摩擦阻力↑，泵氣損失↑(2)負(fù)荷負(fù)荷Pe↓，

m↓

怠速

m＝0

增壓機(jī)型

m↑(3)潤滑條件機(jī)油粘度：冷起動(dòng)和低溫不能過高；高負(fù)荷不能過低水溫80～95C，機(jī)油溫度85～110C1)機(jī)械效率的定義2)機(jī)械損失的組成與份額3)機(jī)械損失的測量4)機(jī)械效率的影響因素機(jī)械損失與機(jī)械效率(1)活塞平均速度1)機(jī)械效率的定義美國汽油機(jī)油API分級等級使用對象油品性能SA一般低負(fù)荷汽油機(jī)和柴油機(jī)不含添加劑或只加降凝劑與抗泡劑SB中負(fù)荷汽油機(jī)加入某些抗氧劑與抗磨劑SC用于1964-1967年生產(chǎn)的汽油車加入清凈分散劑與抗氧防腐劑SD用于1968-1971年生產(chǎn)的汽油車具有更好的減少低溫油泥防銹性能SE用于1972年以后生產(chǎn)的汽油車具有更好的高溫氧化及抗低溫油泥性能SF用于1980年以后生產(chǎn)的汽油車具有比SE更高的高溫氧化及抗磨性SG用于1989-1993年以后生產(chǎn)的汽油車具有更好的高溫抗氧化變稠性能及清凈性和好的低溫油泥分散性SH用于1994年以后生產(chǎn)的汽油車引入CMA試驗(yàn)規(guī)范，因而比SG的水平苛刻10%左右SJ用于1996年以后生產(chǎn)的汽油車發(fā)動(dòng)機(jī)性能與SH一樣，節(jié)能試驗(yàn)，由VI變?yōu)閂I-A，油中磷含量＜0.1%SL用于2000年以后生產(chǎn)的汽油車改善催化轉(zhuǎn)化器的保護(hù)，由GF-2的128×103km延長到16×103km萬公里，通過銹球試驗(yàn)，ⅢF、ⅤG、ⅣAⅧ、Ⅵ