汽車發(fā)動機原理教學(xué)課件-第一章-發(fā)動機的性能

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發(fā)動機原理第一章發(fā)動機的性能大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院目錄發(fā)動機的理論循環(huán)31四行程發(fā)動機的實際循環(huán)32發(fā)動機的性能指標(biāo)3334機械損失與機械效率35發(fā)動機的熱平衡第一節(jié)四行程發(fā)動機的理論循環(huán)四行程發(fā)動機工作循環(huán)排氣行程做功行程壓縮行程進氣行程補充：工程熱力學(xué)相關(guān)概念工質(zhì)--實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機械能的媒介物質(zhì)，通常為氣體。熱機--將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機械裝置。熱力系統(tǒng)--熱力學(xué)所研究的對象。

閉口系統(tǒng)-熱力系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開口系統(tǒng)-熱力系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。狀態(tài)--熱力系統(tǒng)在某一瞬間呈現(xiàn)的全部宏觀性質(zhì)狀態(tài)參數(shù)--描述這種宏觀狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)BFCDA溫度T壓力P比體積v熵S熱力學(xué)能UE

焓H因物體熱運動而具有的能量焓H

=U+pV

表示工質(zhì)進入或離開系統(tǒng)所攜帶的總的熱力學(xué)能。熵ds=dq/T他是微元熱量與溫度的商，物理意義是系統(tǒng)可逆定溫過程與外界交換的熱量。功是指熱力系統(tǒng)通過邊界傳遞的能量，其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。膨脹功，壓縮功，體積功

熱量是指僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。是兩物體通過微觀的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。傳熱與否的標(biāo)志用狀態(tài)參數(shù)熵s表示。熱量與功的異同：都是通過邊界傳遞的能量；都是過程量；功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標(biāo)志；熱量傳遞由溫度差推動，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；功是物系間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量；熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。為了分析問題的方便，工程上通常采用兩個獨立狀態(tài)參數(shù)組成坐標(biāo)圖來表示工質(zhì)所處的狀態(tài)。示功圖p–v圖和示熱圖T–s圖熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用，可以描述為：熱能和機械能可以相互轉(zhuǎn)換，且在相互轉(zhuǎn)換過程中，能量的總量保持守恒?！矃⒓訜崃ο到y(tǒng)的能量的總和〕-〔離開熱力系統(tǒng)能量的總和〕=〔熱力系統(tǒng)總能量的增量〕熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律主要是說明與熱現(xiàn)象有關(guān)的各種過程進行的方向、條件以及進行的限度或深度的定律自發(fā)過程有方向性；自發(fā)過程的反方向過程并非不可進行，而是要有附加條件；并非所有不違反第一定律的過程均可進行。熱力學(xué)第二定律的兩種典型表述克勞修斯表達——熱量不可能自發(fā)地、不花代價地從低溫物體傳向高溫物體。開爾文—普朗克表達——不可能制造循環(huán)熱機，只從一個熱源吸熱，將之全部轉(zhuǎn)化為功，而不在外界留下任何影響。熱力學(xué)第二定律各種表述是等效的。1.1熱機循環(huán)與熱效率熱機循環(huán)熱力系統(tǒng)經(jīng)一系列連續(xù)過程，最后又回到初態(tài)，稱經(jīng)歷了一個熱力循環(huán)。如果這種循環(huán)在外界參加熱量后，又對外做正功，就是熱機循環(huán)。發(fā)動機的一個工作過程就是完成一個熱機循環(huán)。完成一個正向循環(huán)后全部效果為：高溫?zé)嵩捶懦隽藷崃縬1〔或熱機中工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰醧1〕。低溫?zé)嵩传@得了熱量q2〔或熱機中工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶艧醧2〕。熱機將(q1－q2)=q0的熱量轉(zhuǎn)化為功。工質(zhì)與機器設(shè)備回復(fù)到原來狀況，沒有變化。熱機中工質(zhì)從高溫?zé)嵩吹玫降臒崮躴1，其中只有局部可以轉(zhuǎn)化為功，在局部熱能〔q1－q2〕轉(zhuǎn)化為功的同時，必有另一局部q2傳向低溫?zé)嵩矗笳呤鞘篃崮芙?jīng)過熱循環(huán)轉(zhuǎn)化成為功的必要條件。因此，一切熱動力裝置都只能將從熱源得到的熱量中的一局部轉(zhuǎn)化成為功，這是熱動力循環(huán)根本特性。P-V〔示功圖〕T－S〔示熱圖〕循環(huán)熱效率定義輸出循環(huán)功量Wt所占循環(huán)加熱量Q1的百分比四沖程發(fā)動機的工作過程由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個過程組成。理想循環(huán)的根本假設(shè)：假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同；假設(shè)氣缸工質(zhì)在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)；假設(shè)工質(zhì)的壓縮和膨脹是絕熱等熵過程；假設(shè)燃燒是外界對工質(zhì)定容或定壓加熱；假設(shè)工質(zhì)放熱過程可簡化為定容放熱過程。1.2理想工質(zhì)的理想循環(huán)

三種根本理論循環(huán)定容加熱循環(huán)汽油機：燃燒速度很快，而在上止點附近容積變化又較小。因此，燃燒過程相當(dāng)于定容加熱過程1-2絕熱壓縮2-3定容加熱3-4絕熱膨脹4-1定容放熱三種根本理論循環(huán)定壓加熱循環(huán)高增壓和低速柴油機：形成混合氣速度慢，燃燒時汽缸壓力變化不顯著，很接近于定壓加熱過程1-2絕熱壓縮2-3定壓加熱3-4絕熱膨脹4-定容放熱三種根本理論循環(huán)混合加熱循環(huán)高速柴油機：可以將燃燒過程簡化為定容及定壓加熱兩個過程的組合1-2絕熱壓縮2-3定容加熱3-4定壓加熱4-5絕熱膨脹5-1定容放熱理論循環(huán)參數(shù)1-2等熵壓縮；2-3等容吸熱；3-4定壓吸熱；4-5等熵膨脹；5-1定容放熱

1.3循環(huán)熱效率和平均指示壓力的計算

循環(huán)熱效率和平均指示壓力分別是評定發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的兩個重要指標(biāo)定容加熱循環(huán)、定壓加熱循環(huán)只是混合加熱循環(huán)的兩個特例，因此下面以混合加熱循環(huán)為例來進行計算混合加熱循環(huán)熱效率循環(huán)吸收量循環(huán)放熱量循環(huán)熱效率混合加熱循環(huán)循環(huán)熱效率循環(huán)熱效率混合加熱循環(huán)平均指示壓力平均指示壓力是指單位汽缸工作容積對外做的循環(huán)功，即：定容加熱循環(huán)(ρ=1)的熱效率和平均有效壓力定壓加熱循環(huán)(λ＝1)的熱效率和平均有效壓力1.4影響熱效率和平均指示壓力的因素〔1〕等熵指數(shù)K結(jié)論：等熵指數(shù)K增大，熱效率增大1.4影響熱效率和平均指示壓力的因素〔2〕壓縮比結(jié)論：增大壓縮比，對任何加熱循環(huán)，都能使熱效率和平均指示壓力增大限制壓縮比提高的因素：汽油機-爆燃柴油機-機械負(fù)荷和結(jié)構(gòu)強度1.4影響熱效率和平均指示壓力的因素〔3〕壓力升高比結(jié)論：定容加熱：壓力升高比增大時，吸熱、放熱都成比例增加，熱效率不變；但吸熱和放熱量之差增大，所以平均指示壓力增大；混合加熱：定容加熱局部增加，熱效率提高，平均指示壓力增大；1.4影響熱效率和平均指示壓力的因素〔4〕預(yù)膨脹比結(jié)論：定壓加熱：當(dāng)壓縮比不變，預(yù)膨脹比增大，加熱量增加，熱效率下降，平均指示 壓力升高；混合加熱：預(yù)膨脹比增大，等壓加熱局部增加，熱效率下降，且平均指示壓力也 減少；定容加熱循環(huán)定壓加熱循環(huán)-r)b混合加熱循環(huán)1.5三種理想循環(huán)熱效率的比較〔1〕壓縮比相同，吸熱量相同時的比較1.5三種理想循環(huán)熱效率的比較〔2〕循環(huán)pmax，Tmax相同時的比較相同時的比較內(nèi)容小結(jié)了解理論循環(huán)的假設(shè)條件掌握三種根本循環(huán)、循環(huán)參數(shù)掌握根本循環(huán)熱效率的計算掌握影響熱效率的主要因素目錄發(fā)動機的理論循環(huán)31四行程發(fā)動機的實際循環(huán)32發(fā)動機的性能指標(biāo)3334機械損失與機械效率35發(fā)動機的熱平衡第二節(jié)四行程發(fā)動機的實際循環(huán)實際循環(huán)包括的五個過程實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較實際循環(huán)常用示功圖、壓力圖來表示2.1進氣過程曲線：r-a進氣阻力的存在，pa<p0氣流被加熱，Ta>T0終點的壓力和溫度的范圍：2.2壓縮過程曲線：a-c壓縮過程及多變壓縮指數(shù)變化過程理論:壓縮過程是絕熱的實際:壓縮過程是一個復(fù)雜的多變過程。2.3燃燒過程發(fā)動機實際循環(huán)的燃燒過程曲線：c-z作用是：將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工質(zhì)的壓力、溫度升高，放出的熱量越多，放熱時越靠近上止點，熱效率越高曲線：z-b2.4膨脹過程膨脹過程及多變壓縮指數(shù)變化過程膨脹過程比壓縮過程更為復(fù)雜，除有熱交換和漏氣損失外，還有補燃現(xiàn)象。所以，膨脹過程也是一個多變過程。曲線：b-r排氣溫度越低，說明做成效果越好2.5排氣過程終點的壓力和溫度的范圍：2.6實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較實際工質(zhì)的影響換氣損失燃燒損失傳熱損失缸內(nèi)流動損失其他幾項損失比熱容、泄漏工質(zhì)更換補燃、不完全燃燒等熱量交換氣流渦流、節(jié)流、泄漏等內(nèi)容小結(jié)了解發(fā)動機實際循環(huán)的五個過程掌握四沖程發(fā)動機示功圖了解發(fā)動機各個過程壓力和溫度變化趨勢了解多變壓縮指數(shù)和多變膨脹指數(shù)掌握發(fā)動機實際循環(huán)與理論循環(huán)存在的損失目錄發(fā)動機的理論循環(huán)31四行程發(fā)動機的實際循環(huán)32發(fā)動機的性能指標(biāo)3334機械損失與機械效率35發(fā)動機的熱平衡第三節(jié)發(fā)動機的評定指標(biāo)3132發(fā)動機指示性能指標(biāo)發(fā)動機有效性能指標(biāo)平均指示壓力指示功率指示熱效率指示燃料消耗率動力性能經(jīng)濟性能強化指標(biāo)環(huán)境指標(biāo)區(qū)別：指標(biāo)計算的基準(zhǔn)3.1指示性能指標(biāo)定義：以工質(zhì)對活塞所做的功為計算基準(zhǔn)的指標(biāo)；動力性：平均指示壓力指示功率經(jīng)濟性：指示熱效率指示燃料消耗率3.1.1指示功定義：在氣缸完成一個循環(huán)，工質(zhì)對活塞所做的功(a)四沖程非增壓發(fā)動機(b)四沖程增壓發(fā)動機

示功圖上循環(huán)曲線所圍成的面積的大小表示功的多少。3.1.2平均有效壓力定義：發(fā)動機單位氣缸工作容積每循環(huán)做的指示功平均指示壓力

指示功

3.1.2平均有效壓力3.1.3指示功率定義：發(fā)動機單位時間所做的指示功指示功率-即每秒所做指示功〕：指示功

其中τ--行程數(shù)，對四行程τ=4

對二行程τ=2指示熱效率3.1.4指示熱效率定義：發(fā)動機實際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量之比值指示熱效率的范圍一般是：柴油機0.43～0.50汽油機0.25～0.40

3.1.5指示燃料消耗率定義：單位指示功的耗油量，即比油耗〔g/kw.h)指示燃料消耗率值得大致范圍是柴油機170～200g/(kW·h)汽油機230～340g/(kW·h)

指示燃料消耗率3.2有效性能指標(biāo)以曲軸對外輸出的功率為根底，代表發(fā)動機整機性能包括動力性、經(jīng)濟性、以及運轉(zhuǎn)性能有效功率：指示功率減去機械損失功率3.2.1動力性指標(biāo)有效扭矩：發(fā)動機工作時，由功率輸出軸輸出的扭矩機械損失功率Pm包括：①內(nèi)燃機內(nèi)部運動件的摩擦損失②驅(qū)動附屬機構(gòu)的損失③泵氣損失平均有效壓力：發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出的有效功轉(zhuǎn)速和活塞平均速度轉(zhuǎn)速增大，單位時間的做功次數(shù)增加；活塞平均速度增大，磨損加??；3.2.1動力性指標(biāo)3.2.2經(jīng)濟性指標(biāo)有效熱效率：有效功與所消耗燃料熱量之比有效燃料消耗率：單位有效功的耗油量3.2.3強化指標(biāo)升功率：發(fā)動機每升工作容積所發(fā)出的有效功率比質(zhì)量

：發(fā)動機干質(zhì)量與所發(fā)出的有效功率之比ＰＬ↑、ｍｅ↓，那么發(fā)動機結(jié)構(gòu)越緊湊。3.2.3強化指標(biāo)強化系數(shù)：平均有效壓力與活塞平均速度的乘積ｐｅＣｍ值越大，內(nèi)燃機熱負(fù)荷和機械負(fù)荷越高，同時，發(fā)動機的功率也越大。3.2.4環(huán)境指標(biāo)排放性能排出有害氣體、顆粒，其排出量有限制。排放標(biāo)準(zhǔn)各國不同，其中美國加州標(biāo)準(zhǔn)是世界上最嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)。如小客車排放限值為：單位：g/mile(g/km)COHCNOx排氣顆粒7〔4.4)0.41(0.26)0.7(0.44)0.6(0.375)

噪聲轎車噪聲<84db內(nèi)容小結(jié)掌握發(fā)動機指示性能指標(biāo)掌握發(fā)動機有效性能指標(biāo)了解發(fā)動機各指標(biāo)的計算過程目錄發(fā)動機的理論循環(huán)31四行程發(fā)動機的實際循環(huán)32發(fā)動機的性能指標(biāo)3334機械損失與機械效率35發(fā)動機的熱平衡第四節(jié)機械損失與機械效率

4.1機械效率平均機械損失壓力機械效率：有效功率與指示功率之比指示熱效率、有效熱效率、機械效率的關(guān)系有效燃油消耗率和指示效率與機械效率的關(guān)系

4.1機械效率

使用因素：轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、潤滑油品質(zhì)、水溫等；結(jié)構(gòu)設(shè)計因素：最高燃燒壓力、氣缸尺寸數(shù)目、大氣狀態(tài)等。4.2機械效率的影響因素負(fù)荷一定=>Pi根本不變n↑=>摩擦損失↑=>機械損失↑=>Pm↑圖ηm隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系得:n↑,ηm↓故用提高轉(zhuǎn)速n來增加發(fā)動機的動力性指標(biāo)受到限制。轉(zhuǎn)速nn不變，Ne∝Me，Ne∝Pe,故負(fù)荷可用Ne,Pe表示。負(fù)荷率：Me/Memax×100%負(fù)荷↓=>Pi↓,Pm近似不變

=>ηm＝１－Pm/Pi↓怠速工況:

Ne＝0Ni＝Nmηm=0

負(fù)荷

潤滑油的粘度即機油的稠稀程度。粘度↑=>內(nèi)部摩擦↑=>機械損失↑

Ni不變==>ηm↓

粘度↓==>Pm↓==>ηm↑粘度過小==>機油的承載能力太低==>油膜破裂==>發(fā)生干摩擦==>燒瓦==>Pm↑↑==>ηm↓↓另外，機油粘度還與其溫度有關(guān)。機油溫度升高，導(dǎo)致機油粘度降低。潤滑油粘度

冷卻水的溫度直接影響到潤滑油的溫度，因而也就關(guān)系到潤滑油粘度和摩擦損失的大小

使用中，發(fā)動機的冷卻水溫度保持在80～95℃范圍內(nèi)。圖2-5Pm隨潤滑油溫度變化的關(guān)系冷卻水溫度1.示功圖法

2.倒拖法

發(fā)動機被倒拖時膨脹線和壓縮線不重合

4.3機械損失的測定3.滅缸法

滅第一缸

滅第二缸

4.油耗線法

由指示效率的定義可導(dǎo)出

當(dāng)發(fā)動機空轉(zhuǎn)(無負(fù)荷)，假設(shè)不隨負(fù)荷增減而變化時，應(yīng)有兩式相除，得

負(fù)荷特性曲線——保