汽車發(fā)動機(jī)原理(張志沛第四版)-第一章-內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)及實際循環(huán)熱計算

第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)概述第二節(jié)內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)與熱損失第三節(jié)熱平衡第四節(jié)指示指標(biāo)第五節(jié)有效指標(biāo)第六節(jié)機(jī)械損失第七節(jié)燃燒熱化學(xué)第八節(jié)燃燒根本理論第九節(jié)實際循環(huán)的近似計算———熱計算第十節(jié)實際循環(huán)數(shù)值計算的根本微分方程式第一章內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)及實際循環(huán)熱計算本章要求：掌握內(nèi)燃機(jī)三種理想循環(huán)，理解內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)與熱損失，了解內(nèi)燃機(jī)熱平衡；掌握內(nèi)燃機(jī)指示指標(biāo)與有效指標(biāo)，理解機(jī)械損失及其測試方法；熟悉內(nèi)燃機(jī)燃燒熱化學(xué)及根本理論，了解內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)的熱近似計算，了解時間循環(huán)數(shù)值計算的根本微分方程。高速柴油機(jī):混合加熱循環(huán)燃燒過程根本上由定容燃燒和定壓燃燒1.混合加熱循環(huán)第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)概述一、理想循環(huán)

汽油機(jī)中混合氣燃燒迅速，近似為定容加熱循環(huán)。

2．定容加熱循環(huán)

高增壓和低速大型柴油機(jī)工作循環(huán)近似為定壓加熱循環(huán)。

3．定壓加熱循環(huán)二、評定指標(biāo)混合加熱循環(huán)1．循環(huán)熱效率2．循環(huán)平均壓力混合加熱循環(huán)*由上述理論循環(huán)的ηt和ｐt表達(dá)式可得出以下結(jié)論:(１)增加ε,可提高ηt,但其提高率將隨ε值的不斷增大而逐漸降低。(２)增大λ，由于可增加混合循環(huán)中等容局部的加熱量，從而導(dǎo)致熱量利用率的提高，因而也可使ηt提高。(３)ε和λ的增長，將伴隨著最高循環(huán)壓力ｐz的急劇上升。(４)增大ρ，可提高ｐt，但由于ρ的增大相當(dāng)于混合循環(huán)中等壓局部的加熱量增加了，因此ηt將隨之降低。(５)絕熱指數(shù)ｋ越大，那么ηt越高，第二節(jié)內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)與熱損失發(fā)動機(jī)實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較1.工質(zhì)的影響：實際循環(huán)中，燃燒前后工質(zhì)成分、數(shù)量改變；2.換氣損失：實際循環(huán)中，存在進(jìn)、排氣過程中的流動阻力損失和有用功損失；3.氣缸壁的傳熱損失：工質(zhì)與周圍環(huán)境的熱量交換；4.燃燒損失：〔1〕燃料燃燒速度的有限性a.壓縮負(fù)功的增加;b.最高壓力的下降;c.初始膨脹比減小。〔2〕后燃及不完全燃燒〔3〕在高溫下局部燃燒產(chǎn)物分解而吸熱，是循環(huán)最高溫度下降。5.時間損失6.其他幾項損失第三節(jié)熱平衡熱量分配情況：

〔1〕一局部轉(zhuǎn)化為有用功；

〔2〕一局部傳遞給冷卻介質(zhì)：

〔3〕廢氣帶走的熱量；

〔4〕不完全燃燒、輻射熱、驅(qū)動附件的能量消耗等其他熱量損失.

QT=Qe+Qs+Qr+Qb+QL

100%=qe+qs+qr+qb+ql二.發(fā)動機(jī)熱平衡第四節(jié)指示指標(biāo)示功圖：氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力p隨氣缸工作容積v或曲軸轉(zhuǎn)角θ變化的圖形稱為示功圖。1.指示功Wi：氣缸內(nèi)完成一個工作循環(huán)所作的有用功?？捎蓀-v圖中閉合曲線包圍的面積求得。

Wi=Fiab/106(J)

2.平均指示壓力pi：單位氣缸容積一個工作循環(huán)所作的指示功。pi=Wi/Vh

(MPa)

指示功率Pi：發(fā)動機(jī)單位時間內(nèi)所作的指示功。一.指示功和平均指示壓力二.指示功率1.指示熱效率ηi：發(fā)動機(jī)實際循環(huán)指示功與所消耗燃料熱量的比值。

ηi=Wi/Q1

2.指示燃油消耗率gi：單位指示功的耗油量。三.指示熱效率和指示燃油消耗率第五節(jié)有效指標(biāo)一.內(nèi)燃機(jī)動力性指標(biāo)1.有效功率Pe：發(fā)動機(jī)功率輸出軸上實際輸出的凈功率。

Pe=Pi-Pm(kW)2.有效轉(zhuǎn)矩Me：發(fā)動機(jī)工作時，由功率輸出軸輸出的轉(zhuǎn)矩。3.平均有效壓力pe：發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積輸出的有效功，反映了發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te的大小。四行程內(nèi)燃機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)一圈，那么活塞上、下移動兩個活塞行程。所以轉(zhuǎn)速與活塞平均速度的關(guān)系為：4.轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度Cm二.內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)1.有效熱效率ηe：實際循環(huán)的有效功與為得到有效功所消耗熱量的比值。2.有效燃油消耗率ge：單位有效功率的耗油量。三.內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度1.升功率：發(fā)動機(jī)每升工作容積所發(fā)出的有效功率稱為升功率。2.比質(zhì)量：發(fā)動機(jī)的質(zhì)量G與所發(fā)出的標(biāo)定功率之比。3.強(qiáng)化系數(shù)：平均有效壓力ｐｅ與活塞平均速度Ｃｍ的乘積稱為強(qiáng)化系數(shù)。四.內(nèi)燃機(jī)其他性能評定1．排氣品質(zhì)

汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)對氮氧化物(ＮＯｘ)、碳?xì)浠衔?ＨＣ)及一氧化碳(ＣＯ)３種危害最大的氣體的排放量都做出限額規(guī)定。排氣顆粒是指排放物中除水以外的各種液態(tài)和固態(tài)微粒。2．噪聲汽車是城市中主要的噪聲源之一，發(fā)動機(jī)又是汽車的主要噪聲源。3．起動性

我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不采用特殊的低溫起動措施，汽油機(jī)在-10℃、柴油機(jī)在-5℃以下的氣溫條件下起動發(fā)動機(jī)時，15s以內(nèi)發(fā)動機(jī)要能自行運(yùn)轉(zhuǎn)。第六節(jié)機(jī)械損失機(jī)械損失分配情況*由上表可知，機(jī)械損失所消耗的功率占指示功率的10％-30％，是不可無視的功率損失，降低機(jī)械損失，特別是摩擦損失，使實際循環(huán)發(fā)出的指示功盡可能轉(zhuǎn)變成對外輸出的有效功，是提高內(nèi)燃機(jī)性能的一個重要途徑。一.機(jī)械效率機(jī)械效率是有效功率和指示功率的比值。機(jī)械效率的大致范圍是：汽油機(jī)0.7~0.9柴油機(jī)0.7~0.85二.機(jī)械損失的測定①讓內(nèi)燃機(jī)在給定的工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，②當(dāng)冷卻水和機(jī)油溫度到達(dá)正常值時，立即切斷供油〔柴油機(jī)〕或停止點(diǎn)火〔汽油機(jī)〕，同時將電力測功器轉(zhuǎn)換為電動機(jī)，以給定轉(zhuǎn)速倒拖內(nèi)燃機(jī)，③此過程中盡可能維持冷卻水和機(jī)油溫度不變，④這時電力測功器所測得的倒拖功率即為內(nèi)燃機(jī)在該工況下的機(jī)械損失功率。1.倒拖法首先將內(nèi)燃機(jī)調(diào)整到給定工況穩(wěn)定工作，測定其有效功率，然后停止向一個氣缸〔例如第一缸〕供油，并調(diào)整測功器的阻力矩，使內(nèi)燃機(jī)恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速，再測定內(nèi)燃機(jī)的有效功率，由于有一個氣缸不工作，第二次測得的有效功率比第一次測得的小，兩者之差即為停油氣缸的指示功率，然后恢復(fù)第一缸的工作，同法，依次使各缸熄火，即可測得對應(yīng)的有效功率、……。2.滅缸法各缸的指示功率為：

將上列各式相加得到整機(jī)指示功率為：因此，機(jī)械損失功率為

3.油耗線法在負(fù)荷特性曲線中找出接近直線的線條，并順此線條作延長線，直到與橫坐標(biāo)相交，那么交點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的長度即該機(jī)的平均機(jī)械損失壓力。4.示功圖法錄取被測內(nèi)燃機(jī)一個汽缸的示功圖，然后算出ｐｉ值，同時從測功器上記錄該工況的讀數(shù)值并由此算出ｐｅ值，二者之差值即為該工況下內(nèi)燃機(jī)的平均機(jī)械損失壓力ｐｍ。三.影響機(jī)械效率的因素ｎ或Ｃｍ增大，各摩擦副之間的相對速度增加，摩擦損失增大，同時曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力增大，活塞的側(cè)壓力和軸承負(fù)荷增大，摩擦損失也增大。ｎ增大，泵氣損失、驅(qū)動附件消耗的功隨之增加，所以機(jī)械效率下降。1.轉(zhuǎn)速n(或活塞平均速度Cm)2.負(fù)荷變化當(dāng)n不變，負(fù)荷↑,那么Pi↑,而Pm根本不變。

在保證內(nèi)燃機(jī)正常工作時有可靠潤滑條件的前提下，盡量選用粘度較小的機(jī)油，以減少摩擦損失，改善起動性能。

冷卻液溫度直接影響內(nèi)燃機(jī)的熱負(fù)荷，所以與機(jī)油粘度也密切相關(guān)，從而也影響到摩擦的大小。3.潤滑油品質(zhì)和冷卻液溫度第七節(jié)燃燒熱化學(xué)一.燃燒所必備的空氣量1.1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量設(shè)1kg燃料中含C－gCkgH－gHkgO－gOkg所以1kg燃料完全燃燒所需的氧氣量為：*幾種主要液體燃料的成分、熱值及理論空氣2.過量空氣系數(shù)αL表示發(fā)動機(jī)工作過程中每1kg燃料實際供給的空氣量,L0表示1kg燃料完全燃燒需要的理論空氣量α>1稀混合氣α<1濃混合氣

α＝1

理論混合氣一般汽油機(jī)α＝０.８~１.２，車用高速柴油機(jī)α＝１.２~１.６，增壓柴油機(jī)α＝１.８~２.２。二.理論分子變更系數(shù)1.α>1的情況柴油機(jī)：汽油機(jī)：2.α<1的情況僅在汽油機(jī)上出現(xiàn)。三.實際分子變更系數(shù)內(nèi)燃機(jī)工作時，由于汽缸中廢氣不可能完全排除干凈，每次吸入新鮮充量時都有上個循環(huán)留下來的剩余廢氣，因此研究燃燒前、后工質(zhì)摩爾數(shù)的變化時，應(yīng)將這種實際情況考慮進(jìn)去?？紤]了剩余廢氣后，燃燒后的工質(zhì)摩爾數(shù)Ｍ′２與燃燒前工質(zhì)摩爾數(shù)Ｍ′１之比稱為實際分子變更系數(shù)，以μ表示:第八節(jié)燃燒根本理論一.連鎖反響的機(jī)理及燃燒放熱規(guī)律1.連鎖反響的根本概念鏈鎖反響過程包括：①鏈引發(fā)：反響物分子受到某種因素激發(fā)〔如受熱裂解、受光輻射等〕分解成自由原子或自由基。②鏈傳播：自由原子或自由基與反響物作用，一方面使反響進(jìn)行，另一方面又生成新的自由原子〔基〕。直鏈反響—一個活化中心與反響物作用產(chǎn)生一個新的活化中心，反響以恒速進(jìn)行。支鏈反響—一個活化中心引起的反響，同時生成兩個以上的活化中心，反響速度急劇增長。③鏈中斷：自由原子〔基〕與容器壁面或惰性氣體分子碰撞，反響能力下降，不再引起反響。例如：氫的燃燒化學(xué)方程：2H2+O2→2H2O實際過程是：鏈引發(fā)：H2→2H鏈傳播(鏈爆炸)：H+O2→OH+OO+H2→OH+H2OH+H2→2H2O+2H鏈中斷：H+H+M→H2+M〔M是惰性氣體分子〕H+OH+M→H2O+MH+O+M→OH+M2.有效反響概念和連鎖化學(xué)反響的普遍方程式所謂有效反響是指能獲得最終產(chǎn)物及活化中心的反響。鏈鎖化學(xué)反響的速度與有效反響中心的生成速度成正比。如果將有效反響中心的生成速度與原始物質(zhì)的分子數(shù)Ｎ的比值稱為有效反響中心的相對密度ρ，那么:連鎖反響速度的普遍方程式為：3.內(nèi)燃機(jī)燃燒速度的半經(jīng)驗方程式燃燒品質(zhì)指數(shù)ｍ對燃燒百分比ｘ和燃燒速度ｄｘ/ｄφ

的影響二.預(yù)混合氣體中的火焰?zhèn)鞑?.火焰核心的形成預(yù)混合氣體在外源點(diǎn)火的情況下形成火焰核心的前提條件是火花塞附近的混合氣必須具備一定的濃度。汽油機(jī)預(yù)混合氣體的著火濃度范圍為α＝0.5

-1.3。在預(yù)混合氣體中，從火花塞跳火花至火焰核心形成要經(jīng)歷一段時間。這段時間的長短與火花塞附近預(yù)混合氣體的壓力、溫度、氧的濃度、燃料種類、混合氣濃度、氣流運(yùn)動狀況、電火花的性質(zhì)、電極幾何形狀和距離等諸多因素有關(guān)。2.火焰的傳播〔1〕α=0.85~0.95時，火焰?zhèn)鞑ニ俣萿最大,用此混合氣時，發(fā)動機(jī)的功率達(dá)最大，故稱功率混合比。〔2〕α=1.03~1.1時，燃燒最完全，熱效率最高，油耗最低，故稱經(jīng)濟(jì)混合比。α對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懭?燃油噴霧與擴(kuò)散燃燒1.燃油噴霧與混合噴入汽缸中的燃油首先要經(jīng)歷破碎和霧化過程。燃油噴入汽缸后的霧化、吸熱、汽化的過程總是伴隨著混合氣的形成過程，即邊霧化、邊混合的過程，以逐步形成可燃混合氣。柴油機(jī)混合氣形成的方式有多種形式，如霧化混合型、油膜混合型、霧化-油膜混合型等。不管具體柴油機(jī)的混合氣形成哪種形式，在一個循環(huán)的工作過程中混合氣的形成都必須經(jīng)歷預(yù)混合和擴(kuò)散混合這樣兩個階段。預(yù)混合燃燒擴(kuò)散燃燒2.擴(kuò)散燃燒的特點(diǎn)擴(kuò)散燃燒階段的燃燒情況非常復(fù)雜，它既存在預(yù)混合燃燒的形式，又存在單油滴的擴(kuò)散燃燒形式，是一種氣、液雙相混合的燃燒過程。柴油機(jī)中的燃燒，不管是預(yù)混合氣的均相氣相燃燒，還是微油滴群的油滴擴(kuò)散燃燒，都僅與局部的油氣比例和著火環(huán)境有關(guān)，而與整個燃燒室中油氣的宏觀比例無關(guān)。柴油機(jī)燃燒過程的另一特點(diǎn)是它容易生成炭煙。第九節(jié)實際循環(huán)的近似計算——熱計算一.燃燒熱化學(xué)計算根據(jù)給定或選定的燃料成分、過量空氣系數(shù)α和剩余廢氣系數(shù)γ計算以下各值:1kg燃料所需的理論空氣量Ｌ０；新鮮充量的摩爾數(shù)Ｍ１；燃燒產(chǎn)物的摩爾數(shù)Ｍ２；剩余廢氣的摩爾數(shù)Ｍγ；理論分子變更系數(shù)μ０；實際分子變更系數(shù)μ。二.換氣過程參數(shù)確實定1.進(jìn)氣終點(diǎn)壓力papａ是影響充氣效率的主要因素，對泵氣損失也有影響。一般情況下，進(jìn)氣終點(diǎn)的汽缸內(nèi)壓力ｐａ低于進(jìn)氣系數(shù)的壓力，其差值取決于吸氣過程中的壓力降Δｐａ。ｐａ＝ｐ０－Δｐａ(非增壓內(nèi)燃機(jī))ｐａ＝ｐｋ－Δｐａ(增壓內(nèi)燃機(jī))式中:ｐ０———環(huán)境大氣壓力；ｐｋ———增壓壓力。2.剩余廢氣系數(shù)γ3.進(jìn)氣終點(diǎn)溫度Ta4.充氣效率ηv三.壓縮過程壓縮比ε是內(nèi)燃機(jī)的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。汽油機(jī)壓縮比的選取主要受到燃料和燃燒室結(jié)構(gòu)類型、排氣污染和不正常燃燒現(xiàn)象等的限制，它的ε比柴油機(jī)低得多。ε的大致范圍是:汽油機(jī)６~１０柴油機(jī)１４~２２增壓柴油機(jī)１２~１５四.燃燒過程計算柴油機(jī)的燃燒方程式：汽油機(jī)的燃燒方程式：五.膨脹過程膨脹終點(diǎn)的壓力和溫度：六.平均指示壓力和指示熱效率的計算平均指示壓力pi：指示熱效率ηi：七.實際循環(huán)熱計算舉例試對６１３５Ｇ柴油機(jī)標(biāo)定工況進(jìn)行實際循環(huán)熱計算。條件為:缸徑Ｄ＝135ｍｍ行程Ｓ＝140ｍｍ缸數(shù) ｉ＝６12h功率 Ｐｅ＝８８.５ｋＷ轉(zhuǎn)速 ｎ＝1500r/min壓縮比 ε＝16.5每缸工作容積 Ｖｈ＝２Ｌ曲柄半徑與連桿長度比 Ｒ/Ｌ＝１/４大氣狀態(tài) ｐ０＝100kPa，Ｔ０＝288K燃料平均質(zhì)量成分 Ｃ＝0.87，Ｈ＝0.126，Ｏ＝0.004燃料低熱值 Ｈｕ＝42500kJ/kg燃料燃燒室形式 ω形分開式１.參數(shù)選擇２.燃料熱化學(xué)計算３.換氣過程參數(shù)計算４.壓縮過程計算５.燃燒過程計算６.膨脹過程計算７.平均指示壓力計算８.指示熱效率計算９.指示燃油消耗率計算10.有效熱效率和有效燃油消耗率計算11.平均有效壓力和有效功率計算計算步驟：實際循環(huán)熱計算的數(shù)學(xué)模型雖不算復(fù)雜，