汽車發動機原理 第二章發動機實際循環與評價指標 目錄 第一節四沖程發動機的實際循環第二節發動機的指示指標第三節發動機的有效指標第四節機械損失與機械效率第五節提高發動機的有效效率的途徑 第一節四沖程發動機的實際循環 一 發動機實際循環 四沖程發動機的實際循環是由進氣 壓縮 燃燒 膨脹 排氣5個熱力過程組成 通常用氣缸內的氣體壓力P隨比容V 或曲軸轉角 而變化的圖形 稱為示功圖 來表示工質在氣缸中的實際工作情況 四沖程發動機的p v與圖和p 圖 1 進氣過程 進氣過程是指充量進入氣缸的過程 圖2 1 a 中rr a線 在進氣過程中 進氣門開啟 排氣門關閉 活塞由上止點向下止點移動 2 壓縮過程 活塞在氣缸內壓縮工質的過程 即為壓縮過程 圖2 1 a 的ac c線 壓縮過程進 排氣門均關閉 活塞從下止點向上止點移動 缸內工質受壓后溫度和壓力不斷上升 壓縮過程的目的是增大工作過程的溫差 使工質獲得最大限度的膨脹比 提高循環熱效率 同時為著火燃燒創造有利條件 3 燃燒過程 在上止點前混合氣著火燃燒 圖2 1 b 中的c z線 燃燒越完全 放出的熱量越多 放熱時越靠近上止點 則熱效率越高 4 膨脹過程 膨脹過程是燃燒后的高溫 高壓氣體在氣缸內膨脹 推動活塞由上止點向下止點移動而做功的過程 圖2 1 a 中的zb線 隨著氣缸容積增大 氣體的壓力 溫度迅速下降 5 排氣過程 排氣過程如圖2 1 a 所示中的b br曲線 在膨脹過程末期 活塞接近下止點 圖2 1 a 中的b 時排氣門開啟 廢氣高速排出 當活塞由下止點向上止點移動時 缸內廢氣繼續排出 直到排氣門關閉 排氣過程結束 由于排氣系統的阻力 排氣終了時的壓力高于大氣壓 二 發動機實際循環與理論循環比較 發動機的實際循環存在許多不可避免的損失 使其不可能達到理論循環的熱效率和平均壓力數值 為了改善實際循環 有必要分析兩種循環之間的差異和引起各項損失的原因 一 換氣損失 Wr W 二 燃燒損失 Wz 不完燃燒損失 高溫熱分解損失 三 實際工質影響引起損失 Wk 四 傳熱 流動損失 Wb 發動機實際循環與理想循環的差別 第二節發動機的指示指標 發動機的指示指標是以工質對活塞作功的基礎上建立的 用以評價發動機實際循環的好壞 一 發動機的示功圖 1 指示功 指示功是指氣缸內完成一個工作循環所得到的有用功Wi 指示功的大小可以由圖2 5中閉合曲線包圍的面積baczb求得 指示功可由下式求出 kJ 式中 Ai 示功圖中指示功面積 mm2 a 示功圖縱坐標比例尺 kPa mm b 示功圖橫坐標比例尺 mm3 mm 2 平均指示壓力 指示功反映了發動機在一個工作循環中獲得的有用功數量 它除了與循環中熱功轉換的有效程度有關外 還與氣缸容積大小有關 為了比較不同氣缸工作容積的發動機循環的熱功轉換有效程度 引入平均指示壓力的概念 平均指示壓力pmi是指單位氣缸工作容積所作的指示功 pmi Wi vs kPa 3 指示功率 發動機在單位時間內所做的全部的指示功 稱為發動機的指示功率 用Pi表示 一臺發動機的氣缸數為i 每缸工作容積為vs 轉速為n r min 平均指示壓力為pmi kPa 則每缸 每循環工質的指示功為 4 指示燃油消耗率 單位指示功所消耗的燃油量 指示燃油消耗率 通常以每千瓦小時指示功的耗油量表示 當測量的發動機的指示功率為pi kW 每小時耗油量為B kg h 時 則指示燃油消耗率 為 g kW h 第三節發動機的有效指標 發動機的有效指標是以曲軸輸出功率為基礎的指標 用來評價發動機的整機性能和設計與制造水平 它比指示指標更有實用價值 一 動力性指標 1 有效功率Pe 2 有效轉矩Ttq 3 平均有效壓力Pme 二 經濟性指標 1 有效熱效率 2 有效燃料消耗率 三 發動機強化程度 1 升功率 升功率PL的定義是 在標定工況下 發動機每升氣缸工作容積所發出的有效功率 即發動機的標定功率PeB與總工作容積ivs之比 2 比質量 比質量是發動機的質量與標定功率PeB之比 即 3 強化系數 用平均有效壓力與活塞平均速度的乘積即PmeCm表示 強化系數越大 則發動機強化程越高 四 發動機其他性能評定指標 發動機除要求具有良好的動力性 經濟性和較高的強化程度外 還必需具有良好的排氣清凈性 較低的噪聲度 較小的振動和可靠的低溫起動性 1 排氣品質 2 噪聲 3 起動性 第四節機械損失與機械效率 一 機械損失功率與機械效率 發動機氣缸內產生的指示功率在通過發動機曲軸輸出之前 要損失掉一部分 因此 實際輸出的功率 稱為有效功率 指示功率與有效功率之差稱為機械損失功率 機械損失主要包括如下部分 一 摩擦損失 二 驅動附件的損失 三 泵氣損失 四 驅動壓氣機和掃氣泵的損失 機械效率 有效功率與指示功率的比值 即 有效功率 指示功率 二 機械效率的測定 有效功率與指示功率之比稱為機械效率 比較精確地測定機械損失功率的數值 尋求降低機械損失的途徑 對研制的發動機或改進已有發動機都是十分重要的 而要精確地測出機械損失功率卻是比較困難的 目前常用的測量方法主要有倒拖法 滅缸法及油耗線法 三 影響機械效率的因素 發動機的運轉因素 結構因素以及機內外的狀態條件都對機械效率值有不同程度的影響 現就影響較大的因素分述如下 一 轉速 活塞平均速度 的影響 二 負荷的影響 三 潤滑條件的影響 第五節提高發動機的有效效率的途徑 一 發動機的能量平衡 發動機熱平衡圖 二 發動機的能量分配與合理利用 發動機的有效動力輸出一般只占燃料總能量的1 3 另有2 3的能量散失在機外 因此 發動機能量的合理利用包括兩方面的意思 即進一步提高有效效率和機外散失能量的再利用 三 提高發動機性能的有效途徑 1 超膨脹發動機循環 2 汽油機向稀燃和缸內直噴的發展 首先開展了均質混合氣 稀燃 的研究 稀燃 就是讓汽油機在更稀空燃比條件下工作 其首要目的是解決排放問題 同時也改善了經濟性能 傳統汽油機經濟性能低于柴油機的原因 是汽油機預制均勻混合氣的點火 火焰傳播的燃燒方式 易導致 爆燃 限制了壓縮比的提高 二是預制均勻混合氣的方式使空燃比過濃 負荷愈低愈濃 造成部分燃料的不完全燃燒 三是節氣門負荷量調節的方式 加大了進氣阻力 泵氣損失增大 3 汽 柴油機的電子控制與可變技術 米勒循環和缸內直噴技術之所以能夠實現 重要原因是出于有了電控技術的緣故 這反過來說明 電控技術的出現 不僅能夠進行各種參數的最佳匹配 達到全工況性能的綜合優化 而且也使過去原理上已證實 但難于實現的很多可變技術成為現實 4 提高有效熱效率的常規途徑 提高有效熱效率的新途徑反映了當前發動機開發 研究的新的深度 但并不意味著一些常規的措施已不起作用 相反 現實產品的設計 開發和使用中 并不都能達到已有的最佳水平 還要求在燃燒匹配 性能優化 降低機械損失諸多環節 進行更實際 更深入細微的工作 這恰恰是大多數發動機技術人員最經常從事的工作 四 發動機散失能量的再利用 1 廢氣渦輪增壓 由冷卻介質和廢氣帶走的熱量各占燃料總能量的1 3左右 但是 它們再利用的可能性和幅度是不相同的 根據熱力學第二定律 能量有品質的差別 當工質溫度愈接近環境