内燃机原理
DUT
内容 内燃机燃烧化学
DUT
第2章 内燃机性能参数
内燃机结构参数 内燃机指示参数 内燃机有效参数 机械损失与机械效率 内燃机强化指标 提高动力性和经济性的途径
1
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2
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2.1 内燃机燃烧化学 燃油和空气的成分
干空气由如下气体按照体积百分比进行混合: ? 20.95% 氧气, 78.09% 氮气, 0.93% 氩气,
DUT
2.1 内燃机燃烧化学 燃油和空气的成分
烷和烯的混合物 ? 链烷 ? 环烷 ? 烯烃 ? 炔烃 芳香族 醇类
DUT
? 极少量的二氧化碳, 氖气, 氦气, 甲烷和其他气体. ? 假设空气中除了氧之外其余均为氮，通常称为大气 氮或表相氮。 ? 氮氧的比例为
1 ? 0.2095 = 3.773 0.2095
3 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 4
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2.1 内燃机燃烧化学
DUT
2.1 内燃机燃烧化学 化学计量比
? A? ? F ? ? ? =? ? = ? F ?S ? A ?S
?1
DUT
在空气中完全燃烧平均分子式为CaHbOc的普通烃 燃料的化学方程式为
b c b b c Ca HbOc + (a + ? )(O2 + 3.773N2 ) = aCO2 + H2O + 3.773(a + ? ) N2 4 2 2 4 2
(a +
b c ? )(32 + 3.773 × 28) g g 4 2 = 34.41( C + g H ? O ) 12a + 1b + 16c 3 8
gC 、gH 、gO分别是C、H、O在燃料中的质量比例
1 kmol CaHbOc (a+b/4-c/2) kmol 空气
gC =
12a 12a + 1b + 16c
gH =
b 12a + b + 16c
gO =
16c 12a + b + 16c
完全反应 化学当量比” 燃料CaHbOc与空气的质量比即“化学当量比
5 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 6
已知某标号国产轻柴油含有C、H、O的比例分别是gC =0.87， gH =0.126，gO=0.004，则其所对应的化学当量比为
? A? ?F ? ? ? = ? ? = 14.297 kg 气 / kg油 ? F ?S ? A ?S Institute for Internal Combustion Engines
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?1
1
2.1 内燃机燃烧化学 化学计量比
? A? ?F ? ? ? = ? ? = 14.297 kg 气 / kg油 ? F ?S ? A ?S
?1
DUT
2.1 内燃机燃烧化学 空燃比和燃空比
DUT
实际缸内的空气与燃料的质量比称为“空燃比”，其倒 数为“燃空比”
& A ma = & F mf
& F mf = & A ma
单位时间空气流量 单位时间燃料流量
即理论上燃烧1kg轻柴油需要14.7kg的空气
l0 = 14.3kg空气 / kg燃油
汽油机的“空燃比” 一般为：12≤A/F≤18 实际内燃机缸内的 实际内燃机缸内的 燃烧不是按化学当 燃烧不是按化学当 量比进行的 量比进行的
7 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 8
柴油机的“空燃比” 一般为：18≤A/F≤70 为什么汽油机的空燃 为什么汽油机的空燃 比变化范围如此小而 比变化范围如此小而 柴油机的却很大？ for Internal Combustion Engines 柴油机的却很大？ Institute
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2.1 内燃机燃烧化学 空燃当量比和燃空当量比
DUT
2.1 内燃机燃烧化学 过量空气系数
DUT
实际空燃比与化学当量比的比值为“空燃当量比”，其 倒数为“燃空当量比”
每循环实际进入气缸内的空气量与每循环喷入缸内燃 料量完全燃烧理论上所需的空气量的比值
λ=
( A / F )Actual ( A / F )S
λ = φa =
1
φ = λ?1 =
(F / A)Actual (F / A)S
每循环的进油量
φa =
m1 g b ? l0
每循环的进气量
空燃当量比又称为“过量空气系数”
理论上燃烧1kg轻柴油需 要14.7kg的空气量
φ
φa > 1(φ < 1)
贫油燃烧，柴油机的所有工况，汽油机的低工况 当量比燃烧，汽油机的中负荷工况 富油燃烧，汽油机的全负荷工况
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φa
9
不是
φ
Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 10
φa = 1(φ = 1) φa < 1(φ > 1)
内容 内燃机燃烧化学 内燃机结构参数 内燃机指示参数 内燃机有效参数 机械损失与机械效率 内燃机强化指标 提高动力性和经济性的途径
DUT
2.2 内燃机结构参数 上止点 (TDC) 下止点 (BDC) 冲程 (S) 缸径 (D) 气缸工作容积 (Vs) 余隙容积 (Vc) 气缸总容积 (Va) 几何压缩比 εc
?
S D
DUT
TDC
BDC l
11
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12
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2
2.2 内燃机结构参数
Vc
TDC
DUT
2.2 内燃机结构参数 三个容积和几何压缩比的关系
DUT
TDC
Va
S S
VS
Vs =
π
4
TDC
D2S
S
Va = Vs + Vc
BDC BDC
εc =
Va V = 1+ s Vc Vc
BDC
13
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14
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2.2 内燃机结构参数 有效压缩比
实际上活塞位于下止点时， 进气门并没有关闭 进气门是在下止点后一定角 度才关闭的 所以有效压缩比定义为进气 门关闭瞬时的气缸容积与余 隙容积的比值
V ε c = a -IC = Vc
15
DUT
2.2 内燃机结构参数 有效压缩比
DUT
TDC s S x BDC 活塞的瞬 时位置
V ε e = a -IC = Vc
Va ?
π
4 Vc
D2 x
=
Vc +
π
4 Vc
D2s
s S
TDC
s = r cos ? + l 2 ? r 2 sin 2 ?
曲柄 半径 曲轴 转角
(
)
1/ 2
x BDC
连杆 长度
Va ?
π
4 Vc
D2 x
=
Vc +
π
4 Vc
D2s
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16
假定某直喷汽油机的缸径为82mm，冲程 为81mm，连杆长度为150mm，几何压 缩比为11，气门关闭时间为下止点后 58oCA，求其有效压缩比。
ffyy4
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内容 内燃机燃烧化学 内燃机结构参数 内燃机指示参数 内燃机有效参数 机械损失与机械效率 内燃机强化指标 提高动力性和经济性的途径
DUT
2.3 内燃机指示参数
DUT
指示参数是以工质在气缸内对活塞做功的转换过 程为基础的，以下标i（Indicated）表示 每循环所做的功是根据缸内压力测量结果计算得 到的
The term Indicated is used because p-V diagram used to be generated directly with a device called an engine indicator. Ref. [2]: p46
17 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 18 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
3
幻灯片 16 ffyy4
ffyy, 2010-9-2
8.99
2.3 内燃机指示参数
DUT
2.3 内燃机指示参数
DUT
每循环指示功Wi （ 每缸）等于p-V示功图曲线所 包围的面积
p
Combustion and expansion
每循环指示功Wi （ 每缸）等于p-V示功图曲线所 包围的面积
Wi = ∫ pdV
p
p
Combustion and expansion
EO IO
Compression Compression
总指示功: 压缩和膨胀冲程向活 塞所传递的功
A C
TDC BDC
Wig
BDC
Area A+C B Area A-B
Four-stroke engine
TDC
BDC
V
TDC
净指示功: 整个四个冲程向活塞
V 所传递的功
V
Two-stroke engine
19
Four-stroke engine
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Win
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2.3 内燃机指示参数 平均指示压力pmi (MPa)
在一个循环中内燃机单位气缸工作容积所做的指示 功，单位MPa，或bar W pmi = i Vs
DUT
2.3 内燃机指示参数 指示功率Pi(kW)
内燃机单位时间内工质对活塞所做的指示功
气缸数 每秒钟转数r/s
DUT
Pi =
i ?Wi ? 2 N
平均指示压力是一个假想的平均不变的压力，以这个 压力作用在活塞顶上，使活塞在一个膨胀行程内所做 ffyy1 的功与一个工作循环的指示功Wi相等。 平均指示压力是从实际循环角度评价气缸工作容积利 用率高低的参数，是衡量内燃机实际循环动力性能的 一个重要指标。其与气缸容积的大小无关，排除了Wi 依赖于气缸容积大小的因素。
21 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 22
τ
i ?Wi ? n = 30τ
冲程数(2或4)
每分钟转数 r/min
iV Pi = s pmi 30τ iVs pmi 120 iV 二冲程内燃机 Pi = s pmi 60
四冲程内燃机
pmi =
Wi Vs
Pi =
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2.3 内燃机指示参数 指示热效率ηi
DUT
2.3 内燃机指示参数 指示热效率和指示油耗率的关系
ηi =
3600 × Pi B ? Hu
DUT
内燃机实际循环指示功与所消耗的燃料所含热量的比 值 W 3600 × Pi ηi = i = Q1 B ? Hu
燃油消耗量( kg/h) 燃料的低热值 (kJ/kg)
B bi = ×103 Pi
ηi =
3.6 ×106 bi ? H u
指示油耗率bi (g/kWh)
单位指示功的耗油量(g/kWh)
bi =
23
ηi和 bi是分析内
燃机经济性的重 要指标
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假定某直喷柴油机在某工况下的指示油耗率bi为 190g/kWh，所用柴油的低热值Hu为42500kJ/kg， 求该工况下的指示热效率。
B × 103 Pi
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4
幻灯片 21 ffyy1
ffyy, 2010-8-31
原教材中的定义有误。
内容 内燃机燃烧化学 内燃机结构参数 内燃机指示参数 内燃机有效参数 机械损失与机械效率 内燃机强化指标 提高动力性和经济性的途径
DUT
2.4 内燃机有效参数 有效功率Pe(kW)
内燃机曲轴所输出的净功率
DUT
机械损失功率Pm(kW)
内燃机驱动附件所需功率及克服运动部件摩擦损失、 泵气损失等消耗功率的总和 Pe = Pi ? Pm
机械效率ηm
有效功率与指示功率的比值
ηm =
25 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 26
Pe Pi
Pe = Pi ?η m
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2.4 内燃机有效参数 有效输出扭矩Ttq (N·m)
内燃机曲轴输出的转矩，其与功率和转速的关系为
Pe = Ttq Ttq n 2πn ×10 ?3 = 60 9550
Pe单位kW，Ttq单位N·m
DUT
2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme (MPa)
DUT
Pe = Ttq ? ω
在一个工作循环内单位气缸工作容积在曲轴上输出的 有效功 W pme = e pme = pmi ?η m Vs pme和功率Pe的关系
Pe = iVs pme 30τ Pe = ? pme Ttq n
升功率VL (kW/L)
标定工况下每升气缸工作容积所发出的有效功率
P PL = e iVs
27
假定某直喷柴油机的缸径为 110mm，冲程为120mm，在 n=1800r/min时，有效功率为 95kW， 求此工况下的平均有效 Institute for Internal Combustion 压力、扭矩、升功率。 Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
pme和扭矩Ttq的关系
Ttq = 318.3 ?
28
9550
iVs
τ
Ttq ∝ pme
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2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme (MPa)
pme和升功率PL的关系
PL = n pme 30τ P PL = e iVs Pe = iVs n pme 30τ
DUT
2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme
平均有效压力的范围 内燃机种类 柴 油 机 汽 油 机
30
DUT
范围(MPa) 0.7~0.9 1~3.0 1.5~2.5 0.8~10.5 1.25~1.7 0.4~0.7
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四冲程自然吸气柴油机 四冲程增压柴油机 二冲程低速柴油机 四冲程自然吸气汽油机 四冲程增压汽油机 二冲程小型风冷汽油机
Ref [2], p:50~51, Ref [4]
平均有效压力pme、功率Pe、扭矩Ttq、升功率PL都是衡 量内燃机动力性能的重要参数 可以用来衡量内燃机气缸容积利益率 排除了气缸大小对每循环输出功的影响，在很大的缸 径范围都可以保持不变，因此可以用来比较不同尺寸 的内燃机
29 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
为什么相同条 件下自然吸气 汽油机的pme比 自然吸气柴油 机的大？
5
2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme
平均有效压力的范围
DUT
2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme
平均有效压力的范围
DUT
? 柴油机的平均有效压力以每年0.25/0.33 bar 的速度递增. Ref [3] p:513 Development of key performance parameters for low speed engines (circa 600 mm bore) over a 30-year period (MAN B&W Diesel) Ref [3] :p 265
31
Historical and estimated future development of mean effective pressure ratings for twostroke and four-stroke diesel engines (W?rtsil? Corporation). for Internal Combustion Engines Ref [3] :xxix Institute
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32
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2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme
平均有效压力的范围
DUT
2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme
平均有效压力的范围
DUT
Advances in key parameters of RTA series engines since their introduction. Ref [3] :p 381
33
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A special electronic system for the W?rtsil? DF engine controls combustion in each cylinder, and optimizes efficiency and emissions under all conditions by keeping each cylinder within the operating Institute for Internal Combustion Engines 34 window. Ref [3], p:50 DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme的计算
充量系数?c
DUT
2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme的计算
由过量空气系数?a的定义
每循环的进油量
DUT
? 进气结束后留在气缸内的新鲜空气量与进气管状态 （以下标d表示）下充满气缸工作容积的新鲜空气 量的比值 m m1 φc = 1 = md ρ d ? Vs
φa =
gb = gb =
m1 g b ? l0 m1
每循环的进气量 理论上燃烧1kg轻柴油需 要14.7kg的空气量
φa ? l 0 φc ?Vs ? ρ d φ a ? l0
φc =
ρ d ?Vs
m1
? c是衡量内燃机进气效率的重要参数。其物
理意义将在第3章详述。
35
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36
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6
2.4 内燃机有效参数 平均有效压力pme的计算
由pme的定义
pme = We Q1 ?η et = Vs Vs
Q1 = g b ? H u
DUT
2.4 内燃机有效参数 有效热效率ηet
DUT
实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗燃料所含 的热量的比值
gb =
φc ?Vs ? ρ d φ a ? l0
pd RTd
η et =
We Wi = ηm Q1 Q1
ηet = ηiη m
pme =
φc ρ d H uη et φ a l0 φc H uη et pd φa l0Td
ρd =
R = 287 J/(kg ? k)
有效燃油消耗率 be
单位有效功的耗油量
be = B × 103 Pe be = bi
pme = 3.485
37
ηm
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38
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2.4 内燃机有效参数 有效热效率与有效油耗率的关系
η et =
3600 × Pe B ? Hu
B × 103 Pe
DUT
2.4 内燃机有效参数 有效参数与指示参数的关系
以机械效率ηm相联系
Pe = Pi ?η m
DUT
be =
3.6 ×106 ηet = be ? H u
pme = pmi ?η m be (g/kWh) 160~180 170~200 190~260
40 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
内燃机种类 二冲程低速柴油机 四冲程中速柴油机 四冲程高速柴油机 四冲程汽油机 39
ffyy2
ηet
0.53~0.47 0.50~0.42 0.45~0.33
ηet = ηi ?η m
be =
ηm
bi
0.31~0.24 for Internal Combustion Engines 260~340 Institute
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内容 内燃机燃烧化学 内燃机结构参数 内燃机指示参数 内燃机有效参数 机械损失与机械效率 内燃机强化指标 提高动力性和经济性的途径
DUT
2.5 机械损失与机械损失功率 机械损失功率Pm
DUT
内燃机驱动附件所需功率及克服运动部件摩擦损失、 泵气损失等消耗功率的总和
项目 摩擦损失 活塞与活塞环 连杆、曲轴轴承 配气机构 驱动各附件 水泵 机油泵 风扇 占Pm百分比 62~75% 45~52% 15~20% 2~3% 10~20% 2~3% 1~2% 6~10%
DALIAN 10~20% UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 2~5% Institute for Internal Combustion Engines
占Pi百分比
8~20%
1~5%
41
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42
泵气损失
7
幻灯片 39 ffyy2
ffyy, 2010-9-2
中低速柴油机都是增压的，高速柴油机有增压非增压。汽油机都是高速的
2.5 机械损失与机械损失功率 机械效率ηm
ηm =
Pe pme p = = 1 ? mm Pi pmi pmi
DUT
2.5 机械损失与机械损失功率 机械损失的测定
示功图法
? 以示功图计算Pi，以测功机测量Pe ? 优点：适用限制最小 ? 缺点：
DUT
内燃机机械效率的大致范围 内燃机种类 自然吸气柴油机 增压柴油机 汽油机
43
ηm
0.78~0.85 0.80~0.92 0.80~0.90
– 示功图测量对结果影响很大！
为什么增压柴 油机的ηm比自 然吸气柴油机 的大？
– 发动机各气缸之间存在不均匀度，用一个气缸的示功图代 表其他气缸会引起一定的误差！ – 上止点位置精确确定时才能得到满意结果!
Ref [2], 29
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44
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2.5 机械损失与机械损失功率 机械损失的测定
倒拖法
DUT
2.5 机械损失与机械损失功率 机械损失的测定
灭缸法
DUT
? 以电力测功机测量Pe(在稳定工况，水温、油温达到正常数值） ? 测功机转换为电动机运转，倒拖内燃机到原给定转速，测得倒 拖功率即为Pm ? 缺点： – 必须配有电力测功器！不适用于大功率发动机 – 气缸内不进行燃烧，运动件摩擦损失减小 – 排气温度低、密度大，泵气功大 – 倒拖过程中，膨胀线位于压缩线下方，出现负功
? 将内燃机调整到给定工况稳定运转，测量功率Pe ? 油泵齿条位置不变，停止向一个缸供油，并调整测 功机使内燃机恢复到原转速，测得功率为Pe1 ? (Pe- Pe1)为停油气缸的指示功率，再依次熄灭其他 缸测量(Pe- Pei)，得到所有气缸的指示功率 ffyy5 ? 缺点：
– 要求某缸燃烧停止时不会引起进排气系统的异常变化，所 有不适用于汽油机和增压柴油机
46 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
45
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2.5 机械损失与机械损失功率 机械损失的测定
油耗线法
DUT
内容 内燃机燃烧化学 内燃机结构参数 内燃机指示参数 内燃机有效参数 机械损失与机械效率 内燃机强化指标 提高动力性和经济性的途径
DUT
? 做负荷特性实验，测量油耗量B曲线，向左延长该 线，与x轴交点为Pm ? 缺点：不适用于节气门调节功率的汽油机 5
4
B 耗油量 (kg/h)
3
2
1
0 -25 0 25 50 75 100 125
47
负荷(%)
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48
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8
幻灯片 46 ffyy5 以三缸机为例，不灭缸时，测的Pe=3Pii-3Pmi，灭其中一缸后，测Pei=2Pii-3Pmi 所以Pe-Pei=Pii
ffyy, 2010-9-2
2.6 内燃机强化指标 平均有效压力pme 升功率PL 活塞平均运行速度vm 强化系数pme·vm 比质量Ge
DUT
2.6 内燃机强化指标
S
DUT s
TDC
活塞平均运行速度vm
TDC s S
x BDC
vm =
内燃机
n nS ? 2S = 60 30
n (r/min) 91~114 500~514 1150 3300 5900 Vm (m/s) 8.55 ffyy8 10~10.3 12.1 11.5 17.0 pme(MPa) 1.95 2.58~2.65 2.46 1.46 1.889
x BDC
RTA60 二冲程低速柴油机 MAN B&W 48/60B 四冲程中速柴油机 MTU 8000四冲程高速船用柴油机
ffyy9 ffyy11
Ford 6L V8四冲程高速车用柴油机 大众1.8L四冲程汽油机
49 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 50
ffyy10
Ref [3], p:391, 591, 793. Ref[4], p:23,24
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2.6 内燃机强化指标 内燃机强化程度的发展历程
DUT
内容 内燃机燃烧化学 内燃机结构参数 内燃机指示参数 内燃机有效参数 机械损失与机械效率 内燃机强化指标 提高动力性和经济性的途径
DUT
Ref [3], p:xii
51 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 52 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
2.7 提高动力性和经济性的途径 动力性
以升功率表达 n 1 ηi H u 1 PL = pme = φcη m ρ d n 30τ 30 φa l0 τ
PL = K1 n ρd φcηiη m τ φa
DUT
2.7 提高动力性和经济性的途径 增压，提高进气密度 合理组织燃烧，提高指示热效率 改善换气过程，提高充量系数 提高机械效率 提高转速 采用二冲程
PL = K1
DUT
τ φa
n ρd
φcηiη m
be =
ηitη m
K2
经济性
以油耗率表示 be =
53
3.6 ×106 K2 = ηitη m H u ηitη m
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9
幻灯片 50 ffyy8 ffyy9
ffyy, 2010-9-2 ffyy, 2010-9-2 ffyy, 2010-9-2 ffyy, 2010-9-2
在91r/min转速下 缸径265，冲程315
ffyy10 缸径81，冲程86.4 ffyy11 缸径95，冲程104.9
复习 燃烧的化学计量学 过量空气系数?a 内燃机结构参数：Va, Vc, Vd, εc, εe
DUT
复习 升功率PL 充量系数?c 性能参数之间的关系 提高动力性能和经济性的有效措施
DUT
循环指示功Wi、平均指示压力pmi、指示功率Pi 指示热效率ηi和指示油耗率bi 机械损失和机械效率ηm 平均有效压力pme、有效功率Pe、输出扭矩Ttq 有效热效率ηe和有效油耗率be
55 Institute for Internal Combustion Engines DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 56
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参考文献
许锋. 内燃机原理教程. 大连理工大学出版社. 2010 John Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw Co. 1988
DUT
Doug Woodyard. Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas Turbines, 8th Edition. Elsevier Ltd. 2004. 周龙保. 内燃机学. 机械工业出版社. 2005
57
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10