《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 第一章发动机工作循环及性能指标 §1-1发动机理想循环概述 实际循环向理想循环的简化 )实际循环(以车用柴油机为例) 1进气过程0~1(p>p→pp。) 实际循环的简化 忽略进、排气过程 2压缩、膨胀过程(复杂的多变过程)简化为绝热过程 3燃烧过程简化为定容加热过程(2~3)和定压加热过程(3~4) 4排气放热简化为定容放热过程 5假定工质为定比热的理想气体 理想循环及其分析比较 (一)混合加热循环 车用柴油机的理想循环 1循环特征参数 (1)压缩比 p E VI (2)压力升高比 p3 P (3)预胀比 2热效率 q 77 q qIv t qlp
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 5 ― 第一章 发动机工作循环及性能指标 §1-1 发动机理想循环概述 一 实际循环向理想循环的简化 （一） 实际循环 （以车用柴油机为例） 1 进气过程: 0～1 （ p > p 0 →p p 0 ） （二） 实际循环的简化 1 忽略进、排气过程 2 压缩、膨胀过程 （复杂的多变过程） 简化为绝热过程 3 燃烧过程简化为定容加热过程 （2～3） 和定压加热过程 （3～4） 4 排气放热简化为定容放热过程 5 假定工质为定比热的理想气体 二 理想循环及其分析比较 （一） 混合加热循环 －车用柴油机的理想循环 1 循环特征参数 （1） 压缩比 = v v 1 2 （2） 压力升高比 = p p 3 2 （3） 预胀比 = v v 4 3 2 热效率 t v v p w q q q q q q = = − = − + 0 1 2 1 2 1 1 1 1
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 计算得:n1 (2-1)+kA(0-1) 3分析 (1)ε为定值 λ↑→n个;p↑→n↓。p=1→m= const.(汽油机,定容加热循环) (2)↑→n↑;当ε=20左右时,c↑→n↑不大 柴油机E=12~22 n n 2.0 2 3.0 20E (二)定容加热循环(奥托OIIO循环) 汽油机的理想循环 热效率 因为:预胀比p= q1- 所以:热效率n,=11 2分析 p p=1→n= const e↑→n↑;当E=10左右时,E↑→n↑不大 且汽油机容易爆燃,因此,汽油机ε=6~10 (三)定压加热循环(狄赛尔 DIESEL循环)p2q 船舶用大型低速柴油机的理想循环 1热效率 因为:压力升高比A p2 所以:热效率71=1
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 6 ― 计算得: t k k k = − − − + − − 1 1 1 1 1 1 ( ) ( ) 3 分析 （1） 为定值 → t ； → t 。 = 1 → t = const. （汽油机，定容加热循环） （2） → t ；当 = 20 左右时， → t 不大 柴油机 = 12～22 （二） 定容加热循环 （奥托 OTTO 循环） － 汽油机的理想循环 1 热效率 因为: 预胀比 = = v v 4 3 1 所以: 热效率 t k = − − 1 1 1 2 分析 = 1 → t = const. → t ；当 = 10 左右时，→ t 不大 且汽油机容易爆燃，因此，汽油机 = 6～10 （三）定压加热循环（狄赛尔 DIESEL 循环） －船舶用大型低速柴油机的理想循环 1 热效率 因为: 压力升高比 = = p p 3 2 1 所以: 热效率 t k k k = − − − − 1 1 1 1 1 ( )
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 2分析 (1)ε为定值p↑→n↓ (2)p为定值e↑→n个 (四)三种理想循环热效率的比较 1初态1相同,压缩比ε相同,加热量q相同 2初态1相同,最高压力P、最高温度Tma相同,放热量q2相同 niy <nim <n, 56 8 9 §1-2发动机实际循环 发动机理想循环加上各项损失后 即可分析发动机的实际循环 补燃损失 工质改变损失 传热、流动损失 (一)工质性质 理论上:理想气体,双原子气体 时间损失 工质改变损失 实际上:燃烧前:燃料+空气 燃烧后:燃烧产物。 换气损失 (二)比热 理论上:定比热 实际上:温度T个→比热C个 (三)高温分解 例C+O→CO+热量[+O]→CO2+热量 其中CO为中间产物,CO2为最终产物。若遇高温,则会发生复分解反 应,即高温分解:
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 7 ― 2 分析 （1） 为定值 → t （2） 为定值 → t （四） 三种理想循环热效率的比较 1 初态 1 相同，压缩比相同，加热量 q1相同 t,v t,m t,p 2 初态 1 相同，最高压力 pmax 、最高温度 Tmax 相同，放热量 q2相同 t,v t,m t,p §1-2 发动机实际循环 发动机理想循环加上各项损失后， 即可分析发动机的实际循环。 一 工质改变损失 （一） 工质性质 理论上: 理想气体，双原子气体。 实际上: 燃烧前: 燃料+空气； 燃烧后: 燃烧产物。 （二） 比热 理论上: 定比热 实际上: 温度 T → 比热 C （三） 高温分解 例 C + O → CO + 热量 [+ O] → CO2 + 热量 其中 CO 为中间产物，CO2 为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反 应，即高温分解:
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 CO2→CO+O-热量 这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来,但由于活塞已接近下止 点,做功效果变差,热效率下降。 传热、流动损失 )传热损失 理论上:压缩、膨胀过程为绝热过程。 实际上:大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。 传热损失是发动机中的最大损失,占总损失量的30%以上。因此,许多研 究者致力于开发绝热发动机 (二)流动损失 理论上:闭口系统,没有气体流动损失 实际上:进、排气节流沿程损失,缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。 三换气损失 理论上:忽略进、排气过程。 实际上:进、排气门提前开启,迟后关闭。而且有流动阻力。 换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失 之中 四时间损失 理论上:定容加热瞬间完成,定压加热速度与活塞运行速度密切配合。 实际上:燃烧需要时间 五补燃损失 理论上:加热瞬间停止,膨胀过程无加热。 实际上:虽然大部分(80%以上)燃料在燃烧过程中燃烧掉,但仍有小部 分燃 料会拖到膨胀线上才燃烧,做功效果变差,热效率下降 六泄漏损失 理论上:闭口系统,无泄漏。 实际上:活塞气环不会10%严密密封,总会有些气体窜到曲轴箱中,造 成损失 §1-3热平衡 总热量 Or=GT h 分别转化为 有效功的热量QE Qe=36×103N。[kJh](1kwh=36×10°kJ) 只有这部分热量做了功,是有用的,所以希望越大越好。一般 柴油机:30~40%;汽油机:20~30% 令q Q1
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 8 ― CO2→ CO + O - 热量 这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止 点，做功效果变差，热效率下降。 二 传热、流动损失 （一） 传热损失 理论上: 压缩、膨胀过程为绝热过程。 实际上: 大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。 传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的 30%以上。因此，许多研 究者致力于开发绝热发动机。 （二） 流动损失 理论上: 闭口系统，没有气体流动损失。 实际上: 进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。 三 换气损失 理论上: 忽略进、排气过程。 实际上: 进、排气门提前开启，迟后关闭。而且有流动阻力。 换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失 之中。 四 时间损失 理论上: 定容加热瞬间完成，定压加热速度与活塞运行速度密切配合。 实际上: 燃烧需要时间。 五 补燃损失 理论上: 加热瞬间停止，膨胀过程无加热。 实际上: 虽然大部分（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部 分燃 料会拖到膨胀线上才燃烧，做功效果变差，热效率下降。 六 泄漏损失 理论上: 闭口系统，无泄漏。 实际上: 活塞气环不会 100%严密密封，总会有些气体窜到曲轴箱中，造 成损失。 §1-3 热平衡 总热量: QT = GT hu 分别转化为 一 有效功的热量 QE Qe = 36 10 Ne 3 . [ kJ/h ] （ 1 kw/h = 36 103 . kJ ） 只有这部分热量做了功，是有用的，所以希望越大越好。一般 柴油机: 30～40% ； 汽油机: 20～30%。 令 q Q Q e e T =
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 二传递给冷却介质的热量s (t2-1)qs 其中G一发动机冷却介质的每小时流量[kgh C一冷却介质比热[kJkg·C t,t2一冷却介质的进、出口温度[C] 废气带走的热量QR Cr=(Gr+Gr(cpr,t1) QE 其中G-燃料量[kgh] G一空气量[kgh] cp一废气比热[kJ/kg℃C Cp空气比热[kJkg:C t,t-进、排气温度[Cl 四燃料不完全燃烧的热损失ΩB CB=Or (1-nr) qr LB 其中-燃料效率 五其它热量损失ΩL QL=Or-(e+os+Or+ ob) q1=qr -(e +qs+qr+qb) 发动机热平衡方程式 ge+s+9r+qb+qI=l §1-4指示指标 0 φ图
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 9 ― 二 传递给冷却介质的热量 QS Q G c t t q Q Q S S S s S T = ( 2 − 1 ) = 其中 Gs－发动机冷却介质的每小时流量 [ kg/h ] cs－冷却介质比热 [ kJ/kg·℃ ] t1 ，t2 －冷却介质的进、出口温度 [℃] 三 废气带走的热量 QR Q G G c t c t q Q Q R r k pr p r R E = ( + )( 2 − 1 ) = 其中 Gr－燃料量 [ kg/h ] Gk－空气量 [ kg/h ] cpr－废气比热 [ kJ/kg·℃ ] cp－空气比热 [ kJ/kg·℃ ] t1 ，t2 －进、排气温度 [℃] 四 燃料不完全燃烧的热损失 QB Q Q q Q Q B T r b B T = (1− ) = 其中r－燃料效率 五 其它热量损失 QL QL = QT − QE + QS + QR + QB ql = qt − qe + qs + qr + qb ( ) ( ) 发动机热平衡方程式: qe + qs + qr + qb + ql = 1 §1-4 指示指标 p-V 图 p-φ图
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 发动机性能指标:指示指标,有效指标 指示指标:以工质在汽缸内对活塞做功为基础,评价工作循环的质量。 有效指标:以曲轴上得到的净功率为基础,评价整机性能。 示功图:发动机缸内压力p随汽缸容积Ⅴ(pV图)或曲轴转角φ(p-图) 变化的图示。 指示功和平均指示压力 (一)指示功W 一个循环工质对活塞所做的有用功 p p F2 F 四冲程非增压 四冲程增压 二冲程 应该:非增压:F=F-F2增压:F7=F1+F2 因为:F2不容易测量,实际将F2归到机械损失中考虑 所以:F1=F1 W=F1·a·b其中a,b一横、纵座标比例尺 指示功大,说明○汽缸工作容积大○热功转换有效程度大。为突出后 者,比较不同大小发动机的热功转换有效程度,引入平均有效压力的概念。 (二)平均指示压力P 单位汽缸工作容积所做的指示功。 W W P (假想参数) 其中V-每缸工作容积。 P1柴=686~981[kpa P P汽=784~1180kpa] 二指示功率M
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 10 ― 发动机性能指标: 指示指标，有效指标 指示指标: 以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。 有效指标: 以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。 示功图: 发动机缸内压力 p 随汽缸容积 V （p-V 图） 或曲轴转角 （p-图） 变化的图示。 一 指示功和平均指示压力 （一） 指示功 Wi 一个循环工质对活塞所做的有用功。 应该：非增压： Fi = F1 − F2 增压： Fi = F1 + F2 因为: F2 不容易测量, 实际将 F2 归到机械损失中考虑。 所以: Fi = F1 Wi = Fi a b 其中 a ,b － 横、纵座标比例尺 指示功大，说明 ○汽缸工作容积大 ○热功转换有效程度大。为突出后 者，比较不同大小发动机的热功转换有效程度，引入平均有效压力的概念。 （二） 平均指示压力 pi 单位汽缸工作容积所做的指示功。 p W V i i h = （假想参数） 其中 Vh －每缸工作容积。 pi,柴 = 686～981 [ kpa ] pi,汽 = 784～1180 [ kpa ] 二 指示功率 Ni
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 单位时间所做的指示功。 若:缸数i,每缸工作容积n[m3],冲程数τ,平均指示压力pIpa1 转速n[rmin]。则 P In 60r30r piNyin ×10[kw] 30r 若:每缸工作容积Vh[L],平均指示压力p;[ bar则 N=P,hin 300r kw] 指示比油耗和指示热效率 (一)指示比油耗g 单位指示功率的耗油量。 ×10°[gkw·h Gr-每小时耗油量[kgh] (二)指示热效率7 W Q1-做W指示功所消耗的热量。 36×10 7 g h,一燃料的低热值。 们=043~0.508柴=170~200[gkW·h 7,汽=0.25~040 8;汽=230~340[gkw·h] §1-5有效指标 有效功率和机械损失功率 (—)有效功率N 单位时间所做的有效功。 n- Pehin 10-3 30r 其中P-平均有效压力
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 11 ― 单位时间所做的指示功。 若: 缸数 i，每缸工作容积 V h [ m 3 ]，冲程数 ，平均指示压力 p i [ p a ]， 转速 n [ r/min ]。则 N W i n p V i n i i i h = = 60 2 30 [ w ] = p V − i h i n 30 10 3 [ kw ] 若: 每缸工作容积 V h [ L ]，平均指示压力 p i [ bar ]。则 N p V i n i i h = 300 [ kw ] 三 指示比油耗和指示热效率 （一） 指示比油耗 gi 单位指示功率的耗油量。 g G N i T i = 103 [ g/kw·h ] GT －每小时耗油量 [ kg/h ] （二） 指示热效率 i i i i W Q = Qi －做 Wi 指示功所消耗的热量。 i gi hu = 36 106 . hu －燃料的低热值。 i,柴 = 0.43～0.50 gi,柴 =170～200 [ g/kw·h ] i,汽 = 0.25～0.40 gi,汽 =230～340 [ g/kw·h ] §1-5 有效指标 一 有效功率和机械损失功率 （一） 有效功率 Ne 单位时间所做的有效功。 N p V i n e e h = − 30 10 3 [ kw ] 其中 pe －平均有效压力
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 (二)机械损失功率Nn 发动机内部损耗的功率。 机械损失包括:发动机内部摩擦损失;驱动附件损耗,如:机油泵、燃油 泵 扫气泵、冷却水泵、风扇、配气机构;和泵气损失等。 N=Pm hin 10 -3「kW 30r 其中Pm-平均机械损失压力 二有效扭矩M 功率输出轴输出的扭矩。 2丌n 60 2兀n(kw 60×10 三平均有效压力p 单位汽缸工作容积所做的有效功。 In 由于 N- pel ×10[kw] 30r N- pil in ×10[kw 30r 所以 Pe pi- pm P Pe=314 Me [ kpa Pe∝M P柴=588~883kpa] P汽=588~9811kpa 四升功率和比重量 )升功率N1 单位汽缸工作容积所发出的功率
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 12 ― （二） 机械损失功率 Nm 发动机内部损耗的功率。 机械损失包括: 发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗，如: 机油泵、燃油 泵、 扫气泵、冷却水泵、风扇、配气机构；和泵气损失等。 N p V i n m m h = − 30 10 3 [ kw ] Ne = Ni − Nm 其中 pm －平均机械损失压力。 二 有效扭矩 Me 功率输出轴输出的扭矩。 N M n e = e 2 60 [ w ] = M n e 2 60 103 [ kw ] M ne 9550 [ kw ] 三 平均有效压力 pe 单位汽缸工作容积所做的有效功。 由于 N p V i n e e h = − 30 10 3 [ kw ] N p V i n i i h = − 30 10 3 [ kw ] 所以 p p N N e i e i = pe = pi − pm p M V i e e h = 3.14 [ kpa ] pe Me pe,柴 = 588～883 [ kpa ] pe,汽 = 588～981 [ kpa ] 四 升功率和比重量 （一） 升功率 Nl 单位汽缸工作容积所发出的功率
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 pe n ×10[kw/] 30z (二)比重量G。 发动机净重量G与所发出有效功率N的比值。 N1↑,G2→发动机强化程度高。 车装=11~26[kw/1 G车柴=4~9[kgkw] N拖柴=9~15[kw/] G拖柴=55~16[kgkw] 1汽=22~55kw/1 汽=135~4[kg/kW] 可见,汽油机的强化程度要比柴油机的高。 五有效比油耗和有效热效率 (—)有效比油耗g 单位有效功率的耗油量。 ge ×10[g/kw:h] Gr-每小时耗油量[kg (二)有效热效率 W Q-做W有效功所消耗的热量。 36×10° ge h 7=0.30~0408柴=218~285[gkW·h m汽=0.20~030g汽=285~380g/kW·h 由此可见,柴油机的热效率比汽油机的高,经济性比汽油机好。 §1-6机械损失 机械效率mm 对于不同类型的发动机,绝对损失大的,其相对损失却不一定也大。必须 有
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 13 ― N N iV l e h = = pe n − 30 10 3 [ kw/l ] （二） 比重量 Ge 发动机净重量 G 与所发出有效功率 Ne 的比值。 G G N e e = [ kg/kw ] Nl ，Ge → 发动机强化程度高。 Nl,车柴 = 11～26 [ kw/l ] Ge,车柴 = 4～9 [ kg/kw ] Nl,拖柴 = 9～15 [ kw/l ] Ge,拖柴 = 5.5～16 [ kg/kw ] Nl,汽 = 22～55 [kw/l ] Ge,汽 = 1.35～4 [ kg/kw ] 可见，汽油机的强化程度要比柴油机的高。 五 有效比油耗和有效热效率 （一） 有效比油耗 ge 单位有效功率的耗油量。 g G N e T e = 103 [ g/kw·h ] GT －每小时耗油量 [ kg/h ] （二） 有效热效率 e e e e W Q = Qe －做 We 有效功所消耗的热量。 e ge hu = 36 106 . e,柴 = 0.30～0.40 ge,柴 =218～285 [ g/kw·h ] e,汽 = 0.20～0.30 ge,汽 =285～380 [ g/kw·h ] 由此可见，柴油机的热效率比汽油机的高，经济性比汽油机好。 §1-6 机械损失 一 机械效率 m 对于不同类型的发动机，绝对损失大的，其相对损失却不一定也大。必须 有
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 个衡量标准,故引进机械效率的概念。 有效功率与指示功率的比值。 N P P N。→N2→mn个性能好,所以应尽量提高mm 7m=07~0.857m汽=0.7~0.9 机械损失的测定 (一)倒拖法一只能在电力测功机上试验 在压缩比不很高的汽油机上得到广泛应用 发动机与电力测功机相连。起动发动机,冷却水温度、机油温度达正常值 然后使发动机在给定工况下稳定运转。切断发动机的供油(N2=0,n1=0)。 将电力测功机转换为电动机使用,在给定转速下倒拖发动机,并维持冷却水温 度和机油温度不变。由于此时Nn=-N,,因此从电力测功机上所测得的倒拖 功率N即为发动机在该工况下的机械损失功率Nm° (二)灭缸法一仅适用于多缸机 当发动机调整到以给定工况稳定运转后,先测出整个发动机的有效功率 N。之后,在柴油机油门拉杆或齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情 况下,停止向某一汽缸供油或点火。调整测功机,使发动机恢复到原来的转速, 重新测定有效功率N1(其余五个汽缸的有效功率),N1必然小于N(一缸 熄火),两者之差即为灭掉缸的指示功率N1=N。-Na1。因为 i,1 (N。+Nm)-(N1+Nm1)=Ne-Na1。逐次灭缸,则 整台发动机的指示功率为N1=∑(N-Nc)x,其中x为总缸数 如果各缸负荷均匀,则仅测一个缸,即灭火一次即可,N1=x(N-Ne1)。 这样,整个发动机的机械损失功率为Nn=N1-Ne,机械效率为 N,/N, 其它还有示功图法,油耗线法等。 三影响机械效率的因素 (一)转速 其中Cn-活塞平均运行速度。 Pn与cm几乎呈直线关系。m与n似呈二次方关系 n个→口惯性力↑→活塞对缸壁的侧压力↑→>轴承负荷↑ 口各摩擦副相对速度↑→丶摩擦损失↑ 口泵气损失↑,驱动附件损耗↑
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 14 ― 一个衡量标准，故引进机械效率的概念。 有效功率与指示功率的比值。 m e i e i m i m i N N p p N N p p = = = 1− = 1− Ne Ni → m 性能好，所以应尽量提高 m。 m,柴 = 0.7～0.85 m,汽 = 0.7～0.9 二 机械损失的测定 （一） 倒拖法－只能在电力测功机上试验 在压缩比不很高的汽油机上得到广泛应用。 发动机与电力测功机相连。起动发动机，冷却水温度、机油温度达正常值。 然后使发动机在给定工况下稳定运转。切断发动机的供油 （ Ni = 0, pi = 0 ）。 将电力测功机转换为电动机使用，在给定转速下倒拖发动机，并维持冷却水温 度和机油温度不变。由于此时 Nm = −Ne ，因此从电力测功机上所测得的倒拖 功率 Ne 即为发动机在该工况下的机械损失功率 Nm。 （二） 灭缸法－仅适用于多缸机 当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出整个发动机的有效功率 Ne 。之后，在柴油机油门拉杆或齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情 况下，停止向某一汽缸供油或点火。调整测功机，使发动机恢复到原来的转速， 重新测定有效功率 Ne,1 （其余五个汽缸的有效功率），Ne,1 必然小于 Ne （一缸 熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率 Ni,1 = Ne − Ne,1 。因为 Ni, Ni Ni,x Ne N m Ne, N m, Ne Ne, ( ) ( ) 1 = − −1 = + − 1 + 1 = − 1 。逐次灭缸，则 整台发动机的指示功率为 Ni N N i x = e − e i x =1 ( ) , ，其中 x 为总缸数。 如果各缸负荷均匀，则仅测一个缸，即灭火一次即可， Ni = x Ne − Ne ( ) ,1 。 这样，整个发动机的机械损失功率为 Nm = Ni − Ne ，机械效率为 m = Ne Ni / 。 其它还有示功图法，油耗线法等。 三 影响机械效率的因素 (一) 转速 其中 cm －活塞平均运行速度。 pm 与 cm 几乎呈直线关系。 m 与 n 似呈二次方关系。 n → □ 惯性力 → 活塞对缸壁的侧压力→ 轴承负荷 □ 各摩擦副相对速度→ 摩擦损失 □ 泵气损失，驱动附件损耗