-发动机工作循环及性能指标汇总
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柴油机的工作循环和主要性能指标柴油机是将燃油的化学能转变为热能并将热能转变为机械能的动力机械,而这种能量的转换是在柴油机的每一个工作循环中完成的。
因此,工作循环完成的情况将直接影响到能量转换的完善程度,而柴油机的主要性能指标则是表示工作循环完成情况的参数。
对工作循环及工作过程进行分析和研究,可以了解影响柴油机性能的主要因素,掌握提高其性能的基本途径和具体措施。
柴油机的工作循环一.柴油机的两种示功图研究柴油机汽缸内的工作过程,首先要用仪表测量出能正确反映汽缸内实际情况的实验数据。
最常见的是测量汽缸的压力。
因为容易测量且测得工质压力后,利用热力学的基本公式,还能求出工质温度、内能、计算焓、功和热量等热力参数,这样就可以去分析各循环了。
***表示奇怪内工质压力变化的图形称为示功图。
其中包括p-V示功图和p-∮示功图两种形式,现结合柴油机的实际情况加以说明。
1.p-V示功图:汽缸内的工质压力随汽缸容积变化的图形叫p-V示功图,又称压力-容积图,也可看做压力与活塞位置的函数关系。
该图上曲线保围的面积相当于工质在一个循环内对活塞作的功,因此,习惯上称为示功图。
2.p-∮示功图:汽缸内的工质压力随曲柄转角变化的图形叫p-∮示功图。
P-V示功图不适于研究燃烧过程,因为燃烧过程发生在上止点附近,此时活塞运动速度(相当于汽缸容积变化速率)很慢,难以从p-V图上看出这一区间内压力变化的特点。
瑞以曲柄转角为横坐标就清楚了,这等于把上止点附近的压力变化图形展开,故又称展开示功图,在柴油机的性能研究中得到广泛的应用。
二.柴油机的理想循环在柴油机中,为了连续实现燃料化学能——热能——机械能的转换,需不断重复由进气、压缩、膨胀、燃烧和排气五个过程的循环,其时间进行情况十分复杂。
为了能用热力学的基本理论和公式分析研究柴油机的循环,需将实际循环理想化和抽象化。
基于热力学基本理论建立起来的柴油机循环称为理想循环并对它作了如下几点假定:(1)工质为理想气体:其分子量与比热同纯空气在物理标准状态时的相同。
第一章内燃机的循环及性能评价指标1内燃机是在气缸内将燃料的化学能通过燃烧转为热能,再通过曲柄连杆机构将热能转化为机械的动力装置.根据完成一次能量转换所需的行程数不同,内燃机分四冲程机和二冲程机2内燃机对外输出功需要的环节:第一环节:混合气的形成并导入气缸的过程.第二环节:燃烧放热过程.第三环节:能过量的传递过程。
3三种理论循环:等容丶等压丶混合加热循环,①当加热量和压缩比相同时放热Qp>Qm>Q v ②.加热量和最高压力一定时,Qv>Qm>Qp③最高压力和最高温度一定时Qv=Qm=Qp4四冲程内燃机的实际循环热效率取决于混合气形成方式和燃烧放热规律,以及压缩比的最佳匹配.汽油机是均匀混合气以火焰传播形式迅速燃烧,柴油机根据混合气的形成特点家燃烧分预混合燃烧和扩散燃烧5论循环的评价:常用循环热效率(是指热力循环所获得的理论功与为获得该理论功所加入的总热量之比)评价动力机械设备在能量转换过程中所遵循理论循环的经济性,用循环平均压力(是指单位气缸工作容积所做的循环功)评价循环的做工能力. 6四冲程内燃机的实际循环:由进气行程(过程)丶压缩行程(过程)丶做功行程(燃烧过程和膨胀过程)以及排气过程(过程)4个行程5个过程组成。
评价指标:内燃机性能评价指标有两大类,即以活塞做功为基础评价气缸内热功转换的完善程度的指示指标;和以曲轴飞轮端对外输出的有效功为基础,从实用角度评价对外做功的有效指标。
实际循环做功能力的评价指标主要有平均指示压力(定义为单位气缸工作容积所做的指示功)和指示功率(指发动机单位时间所做的指示功)。
实际循环的经济指标有指示热效率和指示燃油消耗率。
7内燃机有效性能指标:①动力性指标a有效功率(克服运动件的摩擦损失功率以及驱动冷却风扇丶机油泵等附件所消耗的功率损失后,经曲轴对外输出的有用功。
称指示功率在传递过程中所有内部消耗功率的总和为机械损失功率)b平均有效压力(单位气缸工作容积输出的有效功)②经济性指标a有效热效率(实际循环对外输出的有效功与未获得此有效功率所消耗的热量之比)③排放指标8机械损失:内燃机的机械损失①摩擦损失62%-75%②驱动附件的损失10%-20%③泵气损失9机械损失的测定a倒拖法b示功图法c灭缸法10 排气提前角如何影响发动机性能?①如果加大排气提前角,排气初期缸内压力和温度更高,超临界排气声速更高。
汽车发动机的工作循环与效率当我们驾驶汽车在道路上疾驰时,很少有人会深入思考是什么让汽车拥有如此强大的动力。
其实,这背后的功臣就是汽车发动机。
而要理解发动机的工作原理,就不得不提到工作循环与效率这两个关键概念。
汽车发动机是一种将燃料燃烧产生的热能转化为机械能的装置。
它的工作循环是一个周而复始的过程,包括进气、压缩、做功和排气四个冲程。
进气冲程时,活塞由上止点向下止点运动,进气门打开,排气门关闭。
此时,汽缸内形成负压,将空气和燃料的混合物吸入汽缸。
这个过程就像是我们吸气一样,为后续的燃烧做好准备。
压缩冲程中,进气门和排气门都关闭,活塞由下止点向上止点运动。
混合物被压缩,温度和压力急剧升高。
这一步骤就像是给气球打气,越压缩,里面的压力就越大。
做功冲程是发动机工作循环中最重要的环节。
当活塞接近上止点时,火花塞点燃混合物,产生高温高压的气体,推动活塞向下运动,通过连杆带动曲轴旋转,输出动力。
这一瞬间的爆发力,就是汽车前进的动力源泉。
排气冲程里,活塞由下止点向上止点运动,排气门打开,进气门关闭。
燃烧后的废气被排出汽缸,为下一个工作循环腾出空间。
了解了发动机的工作循环,接下来我们说说效率。
发动机效率是衡量发动机性能的一个重要指标,它反映了燃料燃烧产生的能量中有多少被有效地转化为机械能。
影响发动机效率的因素有很多。
首先是燃烧效率,也就是燃料燃烧的充分程度。
如果燃烧不完全,不仅会浪费燃料,还会产生有害排放物。
其次是机械损失。
活塞与汽缸壁之间的摩擦、气门运动的阻力等都会消耗能量。
为了减少这些损失,发动机内部采用了各种润滑和减摩技术。
另外,热损失也不容忽视。
在燃烧过程中,部分热量会通过汽缸壁、排气管等部件散失到外界。
因此,良好的隔热和冷却系统对于提高效率至关重要。
为了提高发动机的效率,工程师们采取了许多创新的技术和设计。
例如,采用缸内直喷技术,能够更精确地控制燃油喷射量和喷射时间,提高燃烧效率。
涡轮增压和机械增压技术则可以增加进气量,提高发动机的功率和效率。
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 > p0→p < p)2 压缩过程: 1~2 (p↑,T↑)初期: 工质吸热;后期: 工质放热。
3 燃烧过程: 2~3~4 (p↑↑,T↑↑)4 膨胀过程: 4~5 (p↓,T↓)初期: 工质放热;后期: 工质吸热。
5 排气过程: 5~0 (p > p)(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(2)压力升高比(3) 预胀比2 热效率计算得: ηελρλλρt k k k =-⋅--+--111111()() 3 分析(1) ε 为定值λ↑ → ηt ↑ ;ρ↑ → ηt ↓ 。
ρ = 1 → ηt = const. (汽油机,定容加热循环)(2) ε↑ → ηt ↑ ;当 ε = 20 左右时,ε↑ → ηt ↑ 不大柴油机 ε = 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 ρ==v v 431 所以: 热效率 ηεt k =--1112 分析ρ = 1 → ηt = const.ε↑ → ηt ↑ ;当 ε = 10 左右时,ε↑ → ηt ↑ 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)-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 λ==p p 321 所以: 热效率 ηερρt k k k =-⋅---11111() 2 分析(1) ε 为定值 ρ↑ → ηt ↓(2) ρ为定值 ε↑ → ηt ↑(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 1相同2 初态1相同,最高压力p max 、最高温度T max 相同,放热量q 2相同 §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 ] → CO 2 + 热量其中 CO 为中间产物,CO 2 为最终产物。
若遇高温,则会发生复分解反应,即高温分解:CO 2 → 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: Q T = G T h u 分别转化为一 有效功的热量 Q EQ N e e =⨯36103. [ kJ/h ] ( 1 kw/h = 36103.⨯ 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qQQ eeT =二传递给冷却介质的热量Q S其中G s-发动机冷却介质的每小时流量[ kg/h ]c s-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Q R其中G r-燃料量[ kg/h ]G k-空气量[ kg/h ]c pr-废气比热[ kJ/kg·℃]c p-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Q B其中ηr-燃料效率五其它热量损失Q L发动机热平衡方程式: q q q q qe s r b l++++=1§1-4 指示指标p-V图p-φ图发动机性能指标: 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φ(p-φ图) 变化的图示。
一 指示功和平均指示压力(一) 指示功W i一个循环工质对活塞所做的有用功。
应该:非增压:F F F i =-12 增压:F F F i =+12因为: F 2不容易测量, 实际将F 2归到机械损失中考虑。
所以: F F i =1W F a b i i =⋅⋅ 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p i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V h -每缸工作容积。
p i ,柴=686~981 [ kpa ]p i ,汽=784~1180 [ kpa ]二 指示功率N i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 τ,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 =⋅⋅⋅=60230ττ[ w ]=⨯-p V i n i h 30103τ[ 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 =300τ[ kw ] 三 指示比油耗和指示热效率(一) 指示比油耗g i单位指示功率的耗油量。
g G N i T i=⨯103 [ g/kw ·h ] G T -每小时耗油量 [ kg/h ](二) 指示热效率ηiQ i -做W i 指示功所消耗的热量。
h u -燃料的低热值。
ηi ,柴=0.43~0.50 g i ,柴=170~200 [ g/kw ·h ] ηi ,汽=0.25~0.40 g i ,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N e单位时间所做的有效功。
N p V i n e e h =⨯-30103τ[ kw ] 其中 p e -平均有效压力。
(二) 机械损失功率N m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 =⨯-30103τ[ kw ] 其中 p m -平均机械损失压力。
二 有效扭矩M e功率输出轴输出的扭矩。
N M n e e =⋅260π [ w ] =⋅⨯M n e 260103π [ kw ] ≈M n e 9550[ kw ] 三 平均有效压力p e单位汽缸工作容积所做的有效功。
由于N p V i n e e h =⨯-30103τ [ kw ]N p V i n i i h =⨯-30103τ [ kw ] 所以p p N N e i e i = p p p e i m =- p M V ie e h =314.τ [ kpa ] p e ,柴=588~883 [ kpa ] p e ,汽=588~981 [ kpa ]四 升功率和比重量(一) 升功率N l单位汽缸工作容积所发出的功率。
=⨯-p n e 30103τ[ kw/l ] (二) 比重量G e发动机净重量G 与所发出有效功率N e 的比值。
G G N e e= [ kg/kw ] N l ↑,G e ↓ → 发动机强化程度高。
N l ,车柴=11~26 [ kw/l ] G e ,车柴=4~9 [ kg/kw ] N l ,拖柴=9~15 [ kw/l ] G e ,拖柴=5.5~16 [ kg/kw ] N l ,汽=22~55 [kw/l ] G e ,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g e单位有效功率的耗油量。
g G N e T e=⨯103 [ g/kw ·h ] G T -每小时耗油量 [ kg/h ](二) 有效热效率ηeQ e -做W e 有效功所消耗的热量。
ηe ,柴=0.30~0.40 g e ,柴=218~285 [ g/kw ·h ] ηe ,汽=0.20~0.30 g e ,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ηm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 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。
N N e i m ⇒→↑η 性能好,所以应尽量提高ηm 。
ηm ,柴=0.7~0.85 ηm ,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 (N p i i ==00,)。
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N N m e =-,因此从电力测功机上所测得的倒拖功率N e 即为发动机在该工况下的机械损失功率N m 。