内燃机原理汇编.pptx
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1、内燃机原理汇编内燃机原理汇编第第2 2章章 内燃机的工作指标内燃机的工作指标动力性能指标动力性能指标l l功率、转矩、转速功率、转矩、转速经济性能指标经济性能指标l l燃料与润滑油消耗率燃料与润滑油消耗率运转性能指标运转性能指标l l冷起动性能、噪声和排气品质冷起动性能、噪声和排气品质耐久可靠性指标耐久可靠性指标l l大修或更换零件之间的最长运行大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力时间与无故障长期工作能力l l燃料燃烧产生的热量是通过气缸燃料燃烧产生的热量是通过气缸内所进行的工作循环转化为机械内所进行的工作循环转化为机械能的,即气缸中工质的燃烧压力能的,即气缸中工质的燃烧压力作
2、用在活塞顶上,通过曲柄连杆作用在活塞顶上,通过曲柄连杆机构,在克服了内燃机内部各种机构,在克服了内燃机内部各种损耗后,对外做功。损耗后,对外做功。l l因此,要研究内燃机的动力性能因此,要研究内燃机的动力性能和经济性能,应首先对内燃机一和经济性能,应首先对内燃机一个工作循环中热功转换的质和量个工作循环中热功转换的质和量两方面加以分析。两方面加以分析。燃料的化学能工质的内能工质的机械能有效功燃烧热力循环曲柄连杆机构指示性能指标机械效率第1页/共37页第2章内燃机的工作指标第1节示功图与指示性能指标第2节有效性能指标第3节机械损失与机械效率第4节提高内燃机动力性能与经济性能的途径第2页/共37页第
3、1节示功图与指示性能指标一、示功图一、示功图二、指示性能指标二、指示性能指标第3页/共37页一、示功图pV示功图或p示功图l l利用不同型式的利用不同型式的示示功器功器或或内燃机数据内燃机数据采集系统采集系统来观察或来观察或记录相对于不同活记录相对于不同活塞位置或曲轴转角塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力时气缸内工质压力的变化规律的变化规律l lp p V V图或图或p p 图两者图两者可以互相转换。可以互相转换。l l从示功图可以观察从示功图可以观察到内燃机工作循环到内燃机工作循环的不同阶段(压缩、的不同阶段(压缩、燃烧、膨胀)以及燃烧、膨胀)以及进气、排气行程中进气、排气行程中的压力变化的压
4、力变化l l通过数据处理,运通过数据处理,运用热力学知识,将用热力学知识,将它们与所积累的试它们与所积累的试验数据进行分析比验数据进行分析比较,可以对整个工较,可以对整个工作过程或工作过程作过程或工作过程的不同阶段进展的的不同阶段进展的完善程度做出正确完善程度做出正确判断判断进气行程压缩行程膨胀行程排气行程下止点上止点下止点1803605407200曲轴转角/()CA气缸压力p/MPaVcVaVsZZbacOp0pVa)VcVaVsZbacOp0pVb)第4页/共37页第5页/共37页第1节示功图与指示性能指标一、示功图一、示功图二、指示性能指标二、指示性能指标第6页/共37页二、指示性能指标
5、内内燃燃机机的的指指示示性性能能指指标标是是指指以以工工质质对对活塞做功为基础的指标。活塞做功为基础的指标。指指示示功功是是指指气气缸缸内内完完成成一一个个工工作作循循环环所得到的有用功所得到的有用功WWi i。l l指指示示功功的的大大小小可可以以由由p p V V图图中中闭闭合合曲线所占有的面积求得曲线所占有的面积求得(a)(a)四四冲冲程程非非增增压压发发动动机机 F Fi i=F F1 1F F2 2(b)(b)四冲程增压发动机四冲程增压发动机 F Fi i=F F1 1+F F2 2(c)(c)二二冲冲程程发发动动机机只只有有一一块块示示功功图图面积面积F Fi i,它表示了指示功的
6、大小,它表示了指示功的大小 F Fi i可可以以用用求求积积仪仪或或计计算算方方法法求求得得,然后用下式计算然后用下式计算WWi i(N(N mm或或J)J)值值(2(21)1)F Fi i为示功图面积,为示功图面积,cmcm2 2 a a为示功图纵坐标比例尺,为示功图纵坐标比例尺,Pa/cmPa/cm b b为示功图横坐标比例尺,为示功图横坐标比例尺,cmcm3 3/cm/cmOVp0b)F1F2p+OVc)F1p0p+OpVp0a)F1F2+-第7页/共37页二、指示性能指标平均指示压力(用平均指示压力(用p pmimi表示,下表示,下标标mm表示表示“平均平均mean”mean”的意思)
7、的意思)是单位气缸容积一个循环所做是单位气缸容积一个循环所做的指示功的指示功(Pa)(Pa)(2(22)2)l l一般在标定工况下一般在标定工况下p pmimi值在下值在下列范围内列范围内 四冲程非增压柴油机四冲程非增压柴油机0.60.95MPa0.60.95MPa 四冲程增压柴油机四冲程增压柴油机0.852.6MPa0.852.6MPa 二冲程柴油机二冲程柴油机0.351.3MPa0.351.3MPa 四冲程摩托车用汽油机四冲程摩托车用汽油机0.91.43MPa0.91.43MPa 四冲程小客车用汽油机四冲程小客车用汽油机0.651.25MPa0.651.25MPa 四冲程载货车用汽油机四冲
8、程载货车用汽油机0.60.85MPa0.60.85MPa 二冲程小型风冷汽油机二冲程小型风冷汽油机0.40.85MPa0.40.85MPa内燃机单位时间内所作的指示功内燃机单位时间内所作的指示功称为指示功率称为指示功率P Pi i。l l平均指示压力平均指示压力p pmimi与指示功率的关与指示功率的关系:系:根据根据p pmimi的定义,每循环所作的的定义,每循环所作的指示功指示功(J)(J)为为WWi i=p pmimiV Vs s得得(2(23)3)为冲程数,四冲程为冲程数,四冲程=4=4;二冲程;二冲程=2=2。在实际应用时,一般采用在实际应用时,一般采用p pmimi(MPa)(MP
9、a),V Vs s(L)(L),n n(r/min)(r/min),P Pi i(kW)(kW)代入可得代入可得(2(24)4)第8页/共37页二、指示性能指标指示热效率指示热效率 it it是发动机实际循环是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比,指示功与所消耗的燃料热量之比,即即(2(25)5)l lQQ1 1为得到指示功为得到指示功WWi i所消耗的热量所消耗的热量(J)(J)。对于一台发动机,当测得其对于一台发动机,当测得其l l指示功率指示功率P Pi i(kW)(kW)和和l l每小时燃油消耗量每小时燃油消耗量B B(kg/h)(kg/h)时,时,l l根据根据 it it的定
10、义,可得的定义,可得(2(26)6)3.6103.6103 3为为1kWh1kWh的热当量,的热当量,kJ/(kWh)kJ/(kWh);B B为每小时发动机的耗油量,为每小时发动机的耗油量,kg/hkg/h;HuHu为所用燃料的低热值,为所用燃料的低热值,kJ/kgkJ/kg。指示燃油消耗率指示燃油消耗率g/(kWh)g/(kWh)是指单是指单位指示功的耗油量,它通常以单位指示功的耗油量,它通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示位指示千瓦小时的耗油量来表示(2(27)7)l l表示实际循环的经济性指标表示实际循环的经济性指标 it it和和b bi i之间存在着以下关系之间存在着以下关系(2(2
11、8)8)l l一般一般 it it和和b bi i的统计范围如下:的统计范围如下:it it b bi i/g(kWh)/g(kWh)-1-1 四冲程柴油机四冲程柴油机0.410.480.410.48210175210175二冲程柴油机二冲程柴油机0.400.480.400.48218177218177四冲程汽油机四冲程汽油机0.250.400.250.40344218344218二冲程汽油机二冲程汽油机0.190.270.190.27435305435305第9页/共37页第2章内燃机的工作指标第1节示功图与指示性能指标第2节有效性能指标第3节机械损失与机械效率第4节提高内燃机动力性能与经济
12、性能的途径第10页/共37页第2节有效性能指标一、机械效率和有效功率二、平均有效压力和升功率三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系四、有效热效率和有效燃油消耗率第11页/共37页一、机械效率和有效功率l l气缸内工作循环发出的指示功率气缸内工作循环发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱需扣除运动件的摩擦功率以及驱动附件所消耗的功率后才是曲轴动附件所消耗的功率后才是曲轴的有效输出,所有这些消耗功率的有效输出,所有这些消耗功率的总和称为机械损失功率的总和称为机械损失功率P Pmm,从,从而有效功率而有效功率(2(29)9)l l有效功率与指示功率之比称为机有效功率与指示功率之比称为机械效率
13、械效率(2(210)10)l l内燃机的有效功率内燃机的有效功率P Pe e(kW)(kW)可以利可以利用测功器和转速计分别测出发动用测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩机在某一工况下曲轴的输出转矩T Ttqtq(Nm)(Nm)及在同一工况下的发动及在同一工况下的发动机转速机转速n n(r/min)(r/min),按下式求得,按下式求得(2(211)11)第12页/共37页第13页/共37页第2节有效性能指标一、机械效率和有效功率二、平均有效压力和升功率三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系四、有效热效率和有效燃油消耗率第14页/共37页二、平均有效压力和升功率平均有效压
14、力平均有效压力l l单位气缸工作容积一个循环所做单位气缸工作容积一个循环所做的有效功。的有效功。l l平均有效压力是衡量发动机动力平均有效压力是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。性能的一个很重要的参数。l lP Pe e(kW)(kW)和和p pmeme(MPa)(MPa)的关系式的关系式(2(212)12)(2(213)13)l l应用式应用式(2(211)11)和式和式(2(212)12)的恒的恒等关系,可得等关系,可得(2(214)14)l l求得求得(2(215)15)l l对于一定气缸总工作容积(即对于一定气缸总工作容积(即iViVs s)的发动机,平均有效压力)的发动机,平均有
15、效压力p pmeme值反映了发动机输出转矩值反映了发动机输出转矩T Ttqtq的大的大小小 T Ttqtq p pmeme第15页/共37页二、平均有效压力和升功率升功率升功率P PL L(kW/L)(kW/L)的定义是在标定的定义是在标定工况下,发动机每升气缸工作容工况下,发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率积所发出的有效功率(2(216)16)l l从式从式(2(212)12)可得可得(2(217)17)l l可见,升功率可见,升功率P PL L是从发动机有效是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的功率的角度对其气缸工作容积的利用率作总的评价,它与利用率作总的评价,它与p pmeme和
16、和n n的乘积成正比。的乘积成正比。P PL L值越大,发动值越大,发动机的强化程度越高,发出一定有机的强化程度越高,发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因而效功率的发动机尺寸越小。因而P PL L是评定一台发动机整机动力性是评定一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。能和强化程度的重要指标之一。内燃机的内燃机的p pmeme和和P PL L值一般在下列值一般在下列范围内:范围内:p pmeme/MPa/MPaP PL L/(kWL-/(kWL-1)1)农用柴油机农用柴油机0.60.80.60.88.88.8 14.714.7 汽车用柴油机汽车用柴油机0.6510.6511111 25.
17、825.8 强化高速柴油机强化高速柴油机1 1 2.92.91515 4040 固定船用中速柴油机固定船用中速柴油机0.60.6 2.52.53.73.7 7.357.35 四冲程摩托车用汽油机四冲程摩托车用汽油机0.780.78 1.21.251.851.8 8888 四冲程小客车用汽油机四冲程小客车用汽油机0.650.65 1.21.24040 7070 四冲程载货汽车用汽油机四冲程载货汽车用汽油机0.60.6 0.70.72222 25.825.8 二冲程小型风冷汽油机二冲程小型风冷汽油机0.40.650.40.6518.418.4 73.573.5第16页/共37页第2节有效性能指标一
18、、机械效率和有效功率二、平均有效压力和升功率三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系四、有效热效率和有效燃油消耗率第17页/共37页三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系1.1.充量系数充量系数 c cl l定定义义1 1:若若把把每每循循环环吸吸入入气气缸缸的的空空气气量量换换算算成成进进气气管管状状态态(p ps s,T Ts s)的的体体积积V V1 1,其其值值一一般般要要比比活活塞塞排排量量V Vs s小小,两两者者的的比比值值定定义义为为充量系数充量系数 c c;l l定定义义2 2:每每循循环环吸吸入入气气缸缸的的空空气气量量mm1 1与与以以进进气气管管状状态态(p ps
19、 s,T Ts s)的的空空气气能能充充满满气气缸缸工工作作容容积积V Vs s的的质质量量mmshsh之之比比定定义义为为充充气气系系数数 c c。即。即l l充量系数充量系数 c c是表征实际换气过程是表征实际换气过程进行完善程度的一个极为重要的进行完善程度的一个极为重要的参数参数2.2.过量空气系数过量空气系数 a al l燃烧燃烧1kg1kg燃料的实际空气量与理燃料的实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数论空气量之比称为过量空气系数 a a,即,即(2(218)18)g gb b为每循环燃料供给量,为每循环燃料供给量,kgkg;l l0 0为为1kg1kg燃料完全燃烧所需的理论燃料
20、完全燃烧所需的理论空气量。空气量。柴油柴油l l0 0=14.3kg=14.3kg空气空气/kg/kg燃料燃料 汽油汽油l l0 0=14.8kg=14.8kg空气空气/kg/kg燃料燃料 高速柴油机高速柴油机 a a=1.21.51.21.5 增压柴油机增压柴油机 a a=1.72.21.72.2 汽油机汽油机 a a=0.851.1=0.851.1l l非增压的四冲程内燃机可由耗油非增压的四冲程内燃机可由耗油量量B B及耗气量及耗气量A Aa a按下式求得按下式求得第18页/共37页三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系根根据据平平均均有有效效压压力力和和平平均均指指示示压压力的定义及
21、式力的定义及式(2(218)18)可得可得l l s s为进气管状态下空气密度。式为进气管状态下空气密度。式中单位均按国际单位制。中单位均按国际单位制。l l以以下列单位带入得下列单位带入得 Hu-kJ/kgHu-kJ/kg s s-kg/-kg/mm3 3 l l0 0-kg-kg空气空气/kg/kg燃料燃料P Pmeme-MPa-MPa(2(219)19)l l把把 s s=p ps s/RTRTs s和和 l l0 0=mma aL L0 0(mma a=28.928.9,为空气的分子量)代入得,为空气的分子量)代入得 p ps s为进气管压力为进气管压力(MPa)(MPa),T Ts
22、s为进气为进气管温度管温度(K)(K),空气的气体常数,空气的气体常数R R=287J/(kgK)287J/(kgK)。l l类似地,有类似地,有第19页/共37页第2节有效性能指标一、机械效率和有效功率二、平均有效压力和升功率三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系四、有效热效率和有效燃油消耗率第20页/共37页四、有效热效率和有效燃油消耗率l l总总的的衡衡量量发发动动机机经经济济性性能能的的重重要要指指标标是是有有效效热热效效率率 etet和和有有效效燃燃油油消耗率消耗率b be e。有效热效率有效热效率l l实实际际循循环环的的有有效效功功与与为为得得到到此此有有效效功所消耗的热量的
23、比值,即功所消耗的热量的比值,即(2(223)23)l l以式以式(2(25)5)代入得代入得 etet=it it mml l由由此此可可见见,在在 etet中中已已经经考考虑虑到到实实际际发发动动机机工工作作时时的的一一切切损损失失了了。与上述与上述 it it一样,可得一样,可得(2(224)24)有效燃油消耗率有效燃油消耗率l l指指单单位位有有效效功功的的耗耗油油量量,通通常常用用每每有有效效kWhkWh功功所所消消耗耗的的燃燃料料g g数数b beeg/(kWh)g/(kWh)来表示,即来表示,即(2(225)25)l l由式由式(2(224)24),b be e又可表示为又可表示
24、为(2(226)26)标标定定工工况况下下的的b be e和和 etet值值一一般般在在以以下范围:下范围:b be e/g(kWh)/g(kWh)-1-1 etet 低速柴油机低速柴油机1902251902250.380.450.380.45 中速柴油机中速柴油机1952401952400.360.430.360.43 高速柴油机高速柴油机2152852152850.300.400.300.40 四冲程汽油机四冲程汽油机 2744102744100.300.200.300.20 二冲程汽油机二冲程汽油机 4105454105450.200.150.200.15第21页/共37页第2章内燃机的
25、工作指标第1节示功图与指示性能指标第2节有效性能指标第3节机械损失与机械效率第4节提高内燃机动力性能与经济性能的途径第22页/共37页第第3 3节节 机械损失与机械效率机械损失与机械效率一、机械损失的组成部分二、机械损失的测定三、影响机械损失和机械效率的因素第23页/共37页l l在在评评定定发发动动机机机机械械损损失失时时,除除了了机机械械损损失失功功率率P Pmm和和机机械械效效率率 mm外外,也也可可应应用用单单位位气气缸缸工工作作容容积积的的比比参参数数平平均均机机械械损损失失压压力力p pmmmm。它它的的定定义义是是:发发动动机机单单位位气气缸缸工工作作容容积积一一个个循循环环所所
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