内燃机原理第三章4h.ppt

第三章 内燃机的工作指标与性能分析 3-1 内燃机的工作指标 内燃机的工作指标是指内燃机处于正常运行状态下，描述和表征内燃机性能和工作状态的一组参数。 一、标定性能的主要指标 标定工况，是指内燃机在标准大气条件下，其动力性能和经济性能达到设计指标时所处的运行状态。 标定性能指标是指在标定工况下表征内燃机工作性能的主要指标,比如： 标定功率标定工况下内燃机发出的功率。 标定转速标定工况下内燃机相应的曲轴转速。 标定油耗率标定工况下内燃机发出单位功率所消耗的油量。 比质量单位标定功率下内燃机所具有的质量。 比容积单位标定功率下内燃机所具有的容积。,比质量和比容积是用以评价、比较内燃机轻重、紧凑、设计合理性的重要指标。 大修期指从新机开始使用至第一次进行大修或二次大修之间内燃机累计运行的时间。是表征内燃机可靠性与寿命的重要指标。 二、驱动扭矩和驱动功率 用测功器可测出某一工况下内燃机输出的扭矩或驱动扭矩Me（见图3-1）。 Me = Pb,图 31 测功器示意图,用转速仪可测出同一工况下内燃机的转速，则内燃机输出的有效功率或驱动功率为 Ne =2nMe/103 / 60 (3-1) 三、循环指示功率 图3-2所示的是内燃机的p-V曲线图。每缸每循环的指示功Wi可沿封闭曲线进行积分获得,即 (3-2) 也就是图中封闭曲线围成的面积。 对于二冲程机(图3-2(a),单缸循环指示功Wi就是阴影面积， 对于四冲程机，单缸循环指示功Wi就是： 图3-2（b） 阴影面积AC,即为压缩膨胀冲程传递给活塞的功。 图3-2（c） 阴影面积(A+C)(B+C)，即为四个冲程传递给活塞的功。 BC为泵气损失。对非增压机，BC为负功，对增压机，BC为正功。,图 3-2 p-V曲线图示例 (a)二冲程发动机； (b)四冲程发动机； c)部分负荷下四冲程汽油机 进气和排气行程(泵气回路) ,单缸指示功率为： (3-3) 式中，Z动作系数(也称为活塞行程数)，对于四冲程机，Z=4；对于二冲程机，Z=2; 对于二冲程双动机，Z=1。 这个功率称为指示功率，即缸内工质作用于活塞的功率，与驱动功率的不同之处在于，它包含了克服内燃机摩擦和带动辅助机械所消耗的功率以及泵气功率。 四、道路功率 指车用内燃机为克服汽车轮胎滚动摩擦阻力和车辆气动阻力所消耗的功率。道路功率的近似计算式为： （3-4）,式中，fR滚动阻力系数，凭经验确定(0.012 fR 0.015）3;mA车辆质量；g重力加速度； 环境空气密度；fD气动阻力系数，凭经验确定(对于汽车,0.3 fD 0.5)3; fA车辆最大横截面积；vA车辆速度。 五、平均指示压力 MPa ，即为单位气缸工作容积所作的指示功，代入式(3-3)，可得 MPa （3-6） 六、油耗率gi与效率 gi-表示内燃机每小时每单位指示功率所消耗的燃料量。 g/kWh （3-7）,每循环内燃机所作的功与每循环供给的燃料燃烧所释放能量之比 （3-8） 七、空燃比和燃空比 空燃比 A/F= (3-9) 燃空比 F/A= (3-10) mL 每循环进入气缸的空气质量， mf 每循环喷入气缸的燃料量。 对于汽油机， A/F1218， F/A= 0.0560.083， 对于柴油机， A/F1870， F/A= 0.0140.056。 八、容积效率(充气效率) V V定义为每循环空气进入进气系统的容积流量mL除以被,活塞置换容积的速率。 或者表示为 （3-11） 九、比排放量 比排放量定义为单位时间、单位输出功率内燃机排出污染物的质量流量，单位为mg/(kW·h)。 十、增压压力PK与增压比k PK : 在环境状态下，空气经压气机压缩后压气机的出口压力或进入气缸前的压力。 k ：在环境状态下，空气经压气机压缩后的出口压力比上环境压力。 十一、机械效率 ：内燃机输出的有效功率比上指示功率,（3-13） 3-2 内燃机的指示参数 内燃机的指示参数是用以表征燃料燃烧释放出来的热能转变为机械能完善程度的一组参数，只考虑了气缸内因燃烧不完全和传热等方面所引起的热量损失，而没有考虑各运动副间所存在的摩擦损失、泵气损失和辅助机械损失等。 内燃机的指示参数主要包括内燃机的平均指示压力pi、指示功率Ni、指示效率i以及指示油耗率gi，下面主要讨论这几个参数。 一、平均指示压力pi和指示功率Ni 1. 平均指示压力pi 以一个假想的数值不变的气体压力作用在活塞上，在一个膨胀行程内所获得的功与一个工作循环的指示功Wi相等，这个假想的压力就称为平均指示压力pi。如图3-3所示。,图3-3 求平均指示压力pi的示意图,每循环每缸所作指示功为： kJ m3 于是： MPa （3-14） 由式(3-14)可以看出，平均指示压力就是内燃机在一个工作循环中每单位气缸工作容积(即活塞排量)，活塞所获得的指示功，即 。 这样，平均指示压力pi就与气缸的容积大小无关了。pi愈高，表示单位气缸工作容积所作的指示功愈多，气缸工作容积的利用率也愈高。同时，平均指示压力pi也是衡量内燃机实际作功能力大小的一个很重要的性能参数，也基本上表征了,内燃机的强化程度和工作循环各阶段进行的完善程度。 在各种类型内燃机中，标定工况下的pi值一般为： 非增压汽油机 pi=0.41.2MPa 增压汽油机 pi=0.91.5 MPa 非增压四冲程柴油机 pi=0.751.2 MPa 增压四冲程柴油机 pi=1.23.0 MPa 非增压二冲程柴油机 pi=0.50.9 Mpa 增压二冲程柴油机 pi=1.02.2 MPa 煤气机 pi =0.61.4 MPa 2. 指示功率Ni 每单位时间内作用于活塞上的指示功称为内燃机的指示功率Ni，即,kW （3-15） 式中：z为动作系数，四冲程机，z4；二冲程机，z2；二冲程双动机，z1。 双动机活塞上方的气缸工作容积为Vs，下方容积应减去活塞杆所占的容积，后者约为1112Vs，以11Vs计算，则二冲程双动机每个气缸的平均工作容积为， 式（3-15）可写为 kW （3-16）,为了分析pi、Ni与工作循环中各参数间的相互联系，分析影响因素，下面建立数学表达式。 计算整台内燃机每小时的耗油量可以用以下两式计算: kg/h (3-17) kg/h (3-18) g/kW.h 整机每小时空气耗量 kg/h,s：进气管状态下空气密度，kg/m3, kg空气/kg燃料； kg空气/kg燃油 （L'o，kmol空气/kg燃料）。 由（3-17）、（3-18）得： (3-19) 将gi，Ni，mL及L'代入上式，整理后得： (3-20) 将上式代入（3-15），化简得： kW (3-21) 二. 影响pi与Ni的因素 1.影响内燃机平均指示压力pi的因素: (1)增压度pk,当一定时，pk ps s pi，可见p增 pi非 对特定的发动机，因受热负荷与机械负荷的限制，用提高pk来提高pi也有一个限度 （2）过量空气系数 , 当每循环供油量不变时，pk AF。 在2以前，随着的增大，混合气中的氧气成分增加，可促进燃烧的改善，pi值也随着值的提高而有所提高。 当2.62时，随着的提高，混合气逐渐变得比较稀薄，pi的增加就变得很缓慢。 到2.6后， 燃烧速度 后燃 i pi。 （3）换气质量v 内燃机的换气质量愈好 v 残余废气愈少，气缸中新鲜充量填充愈充足， 燃烧速度 热利用系数z i pi。 （4）油气混合的完善程度,柴油机燃油空气混合的完善程度愈高，完全燃烧所需的 pi 。但值也不能太小，太小使气缸热负荷 ，ge 。 (5) 燃烧完善的程度i 燃烧完善 放热持续期 等容度 热利用系数z i pi。 2. 影响Ni的因素 由（3-15）式知，凡提高pi的途径，均有利于提高Ni；另外，Vs，i Ni，减少z Ni。 三、指示效率i及指示油耗率gi 1.指示效率 i 每循环所做指示功的热量比上循环供油量的热量，即,（3-11） 2. 指示油耗率gi 内燃机每小时发出1kW指示功率时所消耗的燃油量，即： g/kW.h （3-12） 或 g/kW.h （3-12） 将（3-11）代入上式并整理得 g/kW.h （3-13）,由（3-12）可以清楚看出gi与i反比，i越高，gi越少，反之亦然。 1.影响i和gi的因素 改写（3-11）式得， 上式右端给出了i与循环参数的关系。由上式知， 当功一定（piVs一定）循环供油量 mfcyc i ，这说明作同样的功，耗了更少的燃料，热量利用高 i 。 当 mfcyc 一定，piVs i ，这说明消耗相同的燃料，做功多了，热量利用高 i 。 热量利用的好坏主要与燃料热能释放的好坏、热量转换成指示功的有效程度及热损失相关。,a. 燃料热能释放的好坏 它与混合气形成的好坏相关，一般空气足够，油气混合均匀，燃料中的热能就能较好的释放出来 i 混合气形成的好坏与燃油系统、燃烧室形状、空气涡流运动及足够空气相关。 b. 热能转换的有效程度 在内燃机燃烧过程中，燃油热能的释放是按一定规律 进行的，如果放热持续期短、等容度高（在上止点附近放热多），那么有效利用率就高，热能转变成机械能的有效程度就大，反之亦然。 c. 热量损失的大小 热量释放与转换的损失已包含在a、b中，这里主要是考虑冷却介质的传热损失，但在实际发动机中，Tw 7585° C较好，太低Qw i ，太高 i 燃烧变坏 Tr i 。,关于影响gi的因素，由i知，它们互为倒数，影响i的因素就是影响gi的因素，只是增加i ，gi则应减少。 3-3 内燃机的机械损失及机械效率 一、机械损失功率Nm 在内燃机工作过程中，经曲轴输出的有效功率Ne总小于活塞所获得的指示功率Ni，其差值为机械损失功率Nm，即 NiNeNm 而有效功率比上指示功率即定义为机械效率，即 (3-14) 现代内燃机的机械效率一般在下列数值范围之内（见P45）： 非增压四冲程柴油机 m =0.750.80,增压四冲程柴油机 m =0.800.92 非增压二冲程柴油机 m =0.700.80 增压二冲程柴油机 m =0.750.90 四冲程汽油机 m =0.700.85 煤气机 m =0.750.80 由上可知，增压比非增压的m高，因为增压泵气功为正。 机械损失功率由下面几部分组成： NmNmfNpNkNau Nmf：摩擦损失功率， Np：泵气损失功率，pkpr为正，pkpr为负。 Nk：机械增压压气机或扫气泵消耗的功率,Nau：辅助机械损失功率（包含：燃油泵、机油泵、水泵、发电机等）。 对应于机械损失功率Nm引入平均机械损失压力pm，在数值上它等于各部分机械损失压力的总和。 下面以一部小型高速柴油机机械损失分配的试验数据为例，这部高速柴油机转速为1600r/min, pe为0.82 MPa，pi为0.986 MPa， pm为0.17MPa，它的机械损失分配如下： 活塞及活塞环摩擦损失为 0.50 pm； 曲轴连杆轴承摩擦损失为 0.24 pm； 泵气损失为 0.14 pm； 辅助机械损失为 0.06 pm； 传动机构及其他损失为 0.06 pm。 机械损失pm =0.17 MPa，而pi =0.986 MPa，故pm =0.172 pi。,可见，活塞及活塞环与缸套的的摩擦损失最大，其次是曲柄连杆轴承的摩擦损失，泵气损失第三，其它二项损失较少。 二、机械损失功率的测定 比较精确地测定机械损失功率的数值，寻求降低机械损失的途径，对发展新的内燃机或改进已有内燃机都是十分重要的，目前常用的测量方法主要有倒拖法、灭缸法及油耗线法。这些方法都只能近似地求出Nm，各有其不足。 1. 1. 倒拖法 用电力测功器测定。 方法： 发动机在给定工况下稳定运行，待T水和T油达正常后，测定Ne。 停机切断发动机的供油，并立即将电力测功器转换为电动机，以给定工况下的转速倒拖发动机，保持T水、T油相同，这时电力测功器上的倒拖功率即为给定工况下发动机的Nm。,由NeNmNi，得 或 此法最简单、方便。但内燃机在着火运转和不着火倒拖的情况下，其摩擦损失功率和泵气损失功率二者存在较大的差别： 着火运转时缸内压力较高，摩擦副表面受力大些，着火的Nmf不着火的Nmf。 着火运转时，高温、高压的废气自排气阀急速的派出，排气背压比非着火时低，泵气损失小。非着火时，排出的是空气，温度低，比重大，排气速度低，背压高，泵气损失比着火时大。 拖动状态下，压缩膨胀过程中工质传热损失不一样，压缩和膨胀线不重合，也增加了部分损失。,所以倒拖法测得的Nm比实际高 (1520)，因此，在使用此法时，对于采用空气旋流较低的直接喷射式燃烧系统的柴油机，可以从测得的pm中减去0.0137MPa，对于采用空气旋流较高、压缩比较高以及分隔式燃烧系统的柴油机，可以从测得的pm值中减去0.0343MPa，这样得到的pm值比较接近实际数值。 倒拖法在多缸高速小型内燃机上是最常用的方法，特别是比较小的汽油机，用此法较准。 2. 灭缸法 此法适用于多缸机，使用轮流停缸工作法。 当内燃机调整到给定工况下稳定运行之后，用测功器测出其有效功率Ne，以柴油机为例，在固定喷油齿条位置不变（即每缸喷油量不变）的情况下，停止向一缸供油，柴油机转速下降，然后迅速调整测功机负荷，使转速复原，再测出断这缸供油后柴油机的有效功率 ，Ne 之差即为断油气缸的指示功率，即,(3-15) 如果从第一缸起，顺序将各缸断油，求出各缸的指示功率，它的总和就是柴油机的整机指示功率Ni，即 （3-16） 灭缸法与倒拖法有相同之处，误差原因一样，但灭缸法一次只灭一缸，倒拖法则整机全灭缸，因此，灭缸法比倒拖法精确度高些。 倒拖法、灭缸法因使排气压力脉冲发生变化，改变排气能量，所以对排气涡轮增压柴油机不适用。 3. 油耗线法 此法适用于各种内燃机。 方法：测定给定转速下的负荷特性。,负荷特性测定：在给定转速（n不变）下，通过调整油门保持n，改变负荷，测定不同功率与油耗。 在坐标纸上画出以每单位时间的整机油耗量mf（kg/h）为纵坐标，以有效功率（或pe）为横坐标画出油耗曲线，这一油耗线在低负荷接近空载时是直线，顺着直线部分向纵坐标方向作延伸线，并与横坐标线的零点左方相交，如图34所示。从坐标零点到这一交点的长度(用横坐标上Ne或pe相同的比例计算)，即近似地代表机械损失功率Nm（或机械损失平均有效压力pm）。但是，并不是所有柴油机的油耗线都是完全直线，这是产生误差的原因。 用油耗线法测量机械损失功率是基于这样一种假定：就是内燃机的机械损失功率Nm（或机械损失压力pm）以及指示热效率i是只随转速n的变化而与负荷变化无关的。,图 3-4 16V240/275ZL型柴油机用油耗线法测量机械损失功率图,三、 影响机械损失功率及机械效率的因素 1. 增压 i （一般） 废气涡轮增压： 当pk Ni（含泵气功为正因素） pz，采用降低等措施后可使pz增加幅度Ni增加幅度 Nm 。 机械增压： Ni的增减视压比的高低，由泵气功与压气机耗功之和而定。一般低增压的 ，高增压的 。 增压后 若发动机n不变，上述几项影响，Nm与非增压大体相当，但因Ni ,涡轮增压与低压比机械增压的 . 2. 转速n及活塞平均速度Cm,3. 负荷 与增压类似，一般n不变，负荷 不会有多大变化，但 4. 润滑油温度Toil与冷却水温度Tw 但 所以， Toil 、 Tw 一般确定在一定范围，如85ºC左右。 5. 气缸尺寸及数目 当Cm、pz不变，D ，S ,3-4 内燃机的有效参数 内燃机的有效参数包括平均有效压力pe、有效功率Ne、有效效率e及有效油耗率ge。它们与指示参数的不同之处就是除指示参数考虑的热力损失外，还考虑了机械损失，它们的关系为： Ne=Ni-Nm=Nim ge=gi/m 前面讨论了影响指示参数的因素，影响有效参数的因素除包括指示参数外，还应加上影响机械效率的因素。这些前面都讨论了。 3-5 内燃机的强化指标与强化分析 一、内燃机的强化指标升功率NeL和活塞功率Nek 单位气缸工作容积(1L)内燃机所具有的标定功率称为内燃机的升功率NeL。,(3-46) 由上式知，发动机的升功率取决于pe、n与m。 单位活塞总面积(1m2)上内燃机所具有的标定功率称为活塞功率Nek。 （3-47） 把活塞平均速度Cm（ ） 代入上式，得 称为强化系数，也被用作发动机承载或强化的指标。 为分析影响发动机升功率的各种因素，将（337）代入（346）和（347）得,kW/L (3-53) kW/m2（3-54） 二、按升功率强化内燃机的分析 从式(353)可知，提高升功率NeL取决于下列因素：内燃机的动作系数z，发动机转速n，乘积vs（表示压缩始点缸中新鲜空气的数量），机械效率，比值 (表示燃烧过程进行的质量)。 1. 采用二冲程循环 2. 提高n 但,近年来为了提高发动机的经济性和可靠性，常降低转速，采用增压办法。 3. 提高 4. 减少，提高i 组织好油气混合，就能更完全及时燃烧， 使 5. 增大压缩比以提高i 化油器式发动机压缩比 对化油器式发动机，随 ,启动变得困难，,且必须提高燃烧的辛烷值，这些决定了在目前将控制在12以下，为保证非爆震燃烧，对这类增压机不仅不能增加，反而要减小。 柴油机，是保证可靠起动及零件所能承受的机械负荷这两个条件为出发点来选定的。太高，对非增压机，不仅不会提高Nel，还会因Nm上升 Nel ,对增压机，增大增压压力pk,还需降低，使pk与协调，这样才能使 NeL提高. 6. 在化油器式内燃机中改用燃油直接喷射 三、采用增压强化内燃机的分析 增压是最有效的提高NeL的措施，但增压后需考虑以下几个因素： 1. 增压压力pk与机械负荷pz,2. 热负荷与降低热负荷的措施 随着 ，与机械应力增大的同时，因单位工作容积放热量增加，使气缸盖、气门、气缸，特别是活塞的温度梯度增大，热应力也增大；这对内燃机的工作是不利的。因此，pz与热应力是 限制 的主要因素。 在为了提高升功率Nel而提高pk的同时，必须限制pz、Tmax及零件中的温度梯度。可以采取： 增大扫气重叠角，用扫气空气冷却受热零件。此法不能用在四冲程化油器式发动机中，扫气会把部分燃料流失到排气系统中去一部分, 在pk0.15MPa，压气机后空气温度升高5560K以上时，可采用空气冷却的办法 但依靠冷却空气提高降低零件温度比依靠提高pk来增大来降低零件温度效果好。 除了用热交换器来冷却空气以外，还可用空气涡轮、喷水(蒸发冷却)及按照米勒循环的内部冷却来冷却空气。 米勒循环是压气机后的空气压力pk大于获得内燃机Ne所必需的pk 。在活塞到达下止点前40A50A内停止进气。当活塞向下止点运动时，充量膨胀，使降到发出Ne所必需的pk 。结果就减低了Ta 热应力下降。 3. 供油与燃烧过程的组织 合理选择供油规律，使着火延迟期内的供油量少，而在下一阶段供入其余燃油，也即采用分级喷射;, 选择混合气形成条件和燃烧室结构; 减少供油提前角，使燃烧过程适度后移。若在很高pk下，大部分燃料在膨胀期间进行。 4. pk的最佳化 机械增压发动机（见图3-14） （增压压力有一最佳值） 当 （曲线3、4中A1、A2点左边情况） 当进一步升高 （曲线5） （曲线3中A1点右边情况），pk在A1点（满负荷）、在A2点（部分负荷）获得Nemax，因此，机械增压压比有一最佳值，当高于此值，Nk的增长Ne的增长,在极端情况下如pk1,pk2 时，Ne0，即发动机发出的有效功全用在驱动压气机上（B1、B2点）。 较佳的pk值： 容积式罗茨压气机的发动机： MPa 离心式压气机的发动机： MPa,图 314 发动机功率N、压气机功率N、增压压力pk的关系 1及2满供油及部分供油的情况下功率（NN） 3及4满供油及部分供油的情况下的功率N 5功率N, 涡轮增压发动机 相对发动机的Ni而言，NTNk很小，且 时，NTNk变化也很小。Ne随有关参数的变化与Ni相同。 复合式发动机 涡轮增压器与曲轴相连。 当 当 与 较小时（为 0.6时），随 例： 0.6，pk 从0.6MPa升至0.78MPa，pzconst, Ne只 提高2，而ge却增加了12。,3-6 热平衡 燃料在内燃机中燃烧时所放出的热量, 2045左右转变为有效的机械功，其余的热量却以不同的形式损失掉了。 热平衡方程式 kJ/h 式中：QT：燃料在气缸中完全燃烧发出的总热量； Qe：转变为有效功的热量；Qw：冷却介质带走的热量； Qr：排气带走的热量；Qb：燃料不完全燃烧带走的热量（约为1）；Qs：其它损失的热量。 2. 热平衡的各项热量的确定 见书上的解释。 3. 热平衡图 主要有三个流向： 指示功的热量（有效功热量Qe 、机械摩擦损失的热量 Qm、驱动附件的热量和因辐射而散失到大气中的热量）； 冷却水带走的热量Qw ；, 排气带走的热量Qr； 热平衡以发动机的型式、运转工况的不同而不同，下面举个例子作为参考： 增压后，利用了一部分废气能量，热效率 ； . 增压与非增压柴油机的热平衡,