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第一章 發(fā)動機(jī)的性能 Engine Performance 主要內(nèi)容 第一節(jié) 發(fā)動機(jī)理論循環(huán) 第二節(jié) 四沖程發(fā)動機(jī)的實際循環(huán) 第三節(jié) 發(fā)動機(jī)的指示性能指標(biāo) 第四節(jié) 發(fā)動機(jī)的有效性能指標(biāo) 第五節(jié) 機(jī)械損失和機(jī)械效率 第六節(jié) 熱平衡 發(fā)動機(jī)性能指標(biāo) 動力性能指標(biāo)：功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速 經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)：燃料消耗率、潤滑油消耗率 運(yùn)轉(zhuǎn)性能指標(biāo)：冷起動性能、噪聲、排放性能 可靠性、耐久性、結(jié)構(gòu)工藝性、使用維修性、生產(chǎn)實際條件、使用特點等。 闡述、分析三大指標(biāo)的影響因素和規(guī)律 第一節(jié) 發(fā)動機(jī)理論循環(huán) 一、三種基本理論循環(huán): 1、研究理論循環(huán)的目的: 1)確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷實際發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和工作過程進(jìn)行的完善程度以及改進(jìn)潛力。 2)分析比較發(fā)動機(jī)不同熱力循環(huán)方式的經(jīng)濟(jì)性和動力性。 3) 確定提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟(jì)性和以平均壓力為代表的動力性的基本途徑。 1 假定工質(zhì)為定比熱容的理想氣體（具有標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)，工質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不變）； 2 不計吸氣和排氣過程（工質(zhì)的總質(zhì)量保持不變），假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)； 3 壓縮、膨脹過程簡化為絕熱等熵過程； 4 把燃燒過程看作是外界對工質(zhì)的加熱過程，簡化為等容加熱過程或等壓加熱過程； 5 排氣中的實際放熱過程簡化為等容放熱過程； 6 忽略過程損失，把循環(huán)的每一過程都假定為可逆過程，即假設(shè)循環(huán)過程為可逆循環(huán)。 3、發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)： 理論循環(huán)參數(shù) 壓縮比： εc=Va/Vc=(Vs+Vc)/Vc=1+Vs/Vc 等容加熱時的壓力升高比： λp= pz′/pc 等壓加熱時的容積預(yù)膨脹比（初始膨脹比）： =Vz/Vz′ 工質(zhì)的等熵指數(shù)/絕熱指數(shù)（比熱容比）：k=cp/cv 粗略對應(yīng)關(guān)系 汽油機(jī)——等容加熱 高增壓和低速柴油機(jī)——等壓加熱 高速柴油機(jī)——混合加熱 二、循環(huán)熱效率： 2、三種基本理論循環(huán)的熱效率公式 3、三種基本理論循環(huán)熱效率的分析 1）混合加熱循環(huán)熱效率的分析 2）等容加熱循環(huán)熱效率的分析 2）實際等容加熱循環(huán)熱效率的分析 工程熱力學(xué)內(nèi)容 提高循環(huán)中工值平均吸熱溫度，降低平均放熱溫度，可提高循環(huán)熱效率。 兩種分析方法： 第一定律分析法——立足數(shù)量，以熱效率為指標(biāo) 第二定律分析法（?損失和?效率）——立足數(shù)量和質(zhì)量，以?為指標(biāo) 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱能不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，其最大可能轉(zhuǎn)換的部分叫做“熱?”，即最大可利用的熱能。熱力系統(tǒng)的溫度相對于環(huán)境溫度愈高，則“熱?”值愈大，可能達(dá)到的熱效率就愈高。 循環(huán)參數(shù)對 影響的物理實質(zhì) 發(fā)動機(jī) k、 λp、 ρ0值不變，單純改變εc時，在相同的初始狀態(tài)下， εc高者壓縮終了時的p、T值必然都高。壓縮終了溫度愈高，則相同加熱量下所達(dá)到的溫度也必然更高。所以高εc系統(tǒng)的“熱?”高于低εc系統(tǒng)。 發(fā)動機(jī)εc和 k 值不變，而λp、 ρ0變化時：由于任何循環(huán)都可分割為若干具有相同加熱量的微等容循環(huán)，越是后面的等容循環(huán)其壓縮比εc越低，低于理論壓縮比。所以， λp、 ρ0的影響，實質(zhì)上還是壓縮比不同的影響。“等容度”實質(zhì)上反映了各微循環(huán)真實壓縮比的平均值接近理論壓縮比的程度。預(yù)脹比ρ0比壓力升高比λp的影響大，就是因為真實壓縮比變化更大的緣故。 發(fā)動機(jī)εc、λp、 ρ0 值不變，而k 變化時：因為氣體常數(shù)Rg不變，所以k值愈大，則cv、cp愈�。� cv = Rg/（ k -1）， cp - cv = Rg），在相同加熱量和初始狀態(tài)不變時， 比熱容小則工質(zhì)溫升愈高， 也就愈高。 ４、發(fā)動機(jī)實際工作條件對循環(huán)熱效率提高　　　的約束和限制： 發(fā)動機(jī)的壓縮比和壓力升高比 三、循環(huán)平均壓力： 1、循環(huán)平均壓力 ： 2、三種基本理論循環(huán)平均壓力公式 汽、柴油機(jī)實質(zhì)上都是按混合加熱循環(huán)運(yùn)行的。 理論循環(huán)是發(fā)動機(jī)工作過程最本質(zhì)的模型，影響理論循環(huán)熱效率的主要參數(shù)和規(guī)律，同樣是影響實際發(fā)動機(jī)動力、經(jīng)濟(jì)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 根據(jù)理論循環(huán)，改善發(fā)動機(jī)動力、經(jīng)濟(jì)性能的基本原則是：提高燃燒加熱后的能量質(zhì)量，即在相同加熱量和環(huán)境溫度條件下，盡可能提高加熱過程中工質(zhì)的平均溫度。 在現(xiàn)有循環(huán)模式下，主要的實施方向有三個：在允許和可能的條件下，提高發(fā)動機(jī)的壓縮比；合理組織燃燒，提高循環(huán)加熱的“等容度”，特別是減小循環(huán)的預(yù)膨脹比和合理選擇燃燒始點相位；保證工質(zhì)具有較高的絕熱指數(shù)。 四、三種基本循環(huán)的比較： 3、不同機(jī)型負(fù)荷變化(不同加熱量)時的對比 柴油機(jī)：由于噴霧壓燃后邊噴油邊燃燒，當(dāng)負(fù)荷下降時，噴油時間縮短，但初期相當(dāng)于等容燃燒的部分變化不大。這相當(dāng)于λp基本不變而 減小，則ηt提高。 結(jié)論 汽油機(jī)的熱效率低于柴油機(jī)； 在高負(fù)荷、以及特別是低負(fù)荷時，這種差距進(jìn)一步加大。 第二節(jié) 四沖程發(fā)動機(jī)的實際循環(huán) 一、發(fā)動機(jī)的實 際循環(huán) 1、進(jìn)氣過程 圖a） 2、壓縮過程 圖b） 3、燃燒過程 圖c） 4、膨脹過程 圖c） 5、排氣過程 圖d） 進(jìn)氣過程 進(jìn)氣過程進(jìn)行的好壞用實際進(jìn)入汽缸的新鮮工質(zhì)的數(shù)量評價。 由pV=mRT可以看出：汽缸容積一定時，提高進(jìn)氣終了壓力、降低進(jìn)氣終了溫度可增加進(jìn)氣量。進(jìn)氣量的增加意味著循環(huán)加熱量的增加，在循環(huán)熱效率一定時，可增加循環(huán)凈功，從而提高發(fā)動機(jī)動力性。 壓縮過程 發(fā)動機(jī)的實際壓縮過程，是一個復(fù)雜的熱力過程(吸熱-絕熱-放熱)。總體來說，缸內(nèi)氣體的放熱量大于其吸熱量（圖1-9）。 實際工作中，常測量壓縮終了的壓力。壓縮終了的壓力過低，說明汽缸密封不良，其主要原因一般是氣門密封不良、活塞和汽缸磨損嚴(yán)重等。 燃燒過程 汽油機(jī)及燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的燃燒接近定容加熱過程。 柴油機(jī)燃燒接近混合加熱過程（同時存在定容加熱和定壓加熱）。 燃燒過程放出的熱量越多，放熱時越靠近上止點，則熱效率越高。 在實際燃燒過程中，不僅有散熱損失、不完全燃燒損失，而且還存在非瞬時燃燒損失。 燃燒過程 膨脹過程 發(fā)動機(jī)的實際膨脹過程與壓縮過程很相似，也是一個復(fù)雜的熱力過程（吸熱量大于放熱量、吸熱量等于放熱量、吸熱量小于放熱量）�？傮w來說，缸內(nèi)氣體的吸熱量大于放熱量（圖1-11）。 膨脹過程不僅有散熱損失和漏氣損失，還有補(bǔ)燃損失。 膨脹過程終了b點的壓力和溫度越低，說明氣體膨脹和熱量利用越充分。 排氣過程 由于排出的廢氣具有一定的壓力和較高的溫度，故存在排氣損失。 由于排氣系統(tǒng)有阻力，使排氣終了的壓力略高于大氣壓力。 實際工作中，也常用排氣溫度作為檢查發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)，排氣終了溫度偏高，說明發(fā)動機(jī)工作不良，熱功轉(zhuǎn)換效率低。 二、發(fā)動機(jī)實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較 簡單理解 Simplification 由于上述各項損失的存在，使實際循環(huán)熱效率低于理論循環(huán)（表1-9，從表中也可看到實際熱效率低10%以上，柴油機(jī)的熱效率高于汽油機(jī)）。 第三節(jié) 發(fā)動機(jī)的指示性能指標(biāo) 發(fā)動機(jī)的指示性能指標(biāo)是指以工質(zhì)對活塞做功為計算基礎(chǔ)的指標(biāo)，簡稱指示指標(biāo)。 一、 指示功和平均指示壓力 指示功是指氣缸內(nèi)完成一個工作循環(huán)所得到的有用功Wi。指示功的大小可以由p—V圖中閉合曲線所占有的面積求得。 平均指示壓力是指單位氣缸容積一個循環(huán)所作的指示功(Pa) 。 二 、指示功率： 指示功率Pi ：發(fā)動機(jī)單位時間內(nèi)所作的指示功。 指示性能指標(biāo)之間的關(guān)系 三、指示熱效率和指示燃油消耗率 指示熱效率ηit ：發(fā)動機(jī)實際循環(huán)指示功與所消耗燃料熱量的比值。 指示燃油消耗率[g／(kW·h)]：指單位指示功的耗油量。通常以單位指示千瓦小時的耗油量來表示： 第四節(jié) 發(fā)動機(jī)的有效性能指標(biāo) 以曲軸輸出功為計算基礎(chǔ)的性能指標(biāo)，稱為有效性能指標(biāo)，簡稱有效指標(biāo)。 有效指標(biāo)被用來直接評定發(fā)動機(jī)實際工作性能的優(yōu)劣。 一、發(fā)動機(jī)動力性指標(biāo) 1、有效功和有效功率 有效功：發(fā)動機(jī)每循環(huán)曲軸輸出的單缸功量 。 有效功率 2、有效轉(zhuǎn)矩 發(fā)動機(jī)工作時由功率輸出軸輸出的轉(zhuǎn)矩稱為有效轉(zhuǎn)矩Ttq ，可由測功器測得。 (N·m) 3、平均有效壓力: (MPa) 平均有效壓力反映了發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積輸出轉(zhuǎn)矩的大小。 4、轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度 二、發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 衡量發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)是有效熱效率ηet和有效燃油消耗率 be。 有效熱效率是實際循環(huán)的有效功與為得到此有效功所消耗的熱量的比值，即 有效燃油消耗率[g／(kW·h)]是指單位有效功所消耗的燃油量，用be表示： 三、發(fā)動機(jī)強(qiáng)化指標(biāo) 升功率：在標(biāo)定工況下(指標(biāo)定轉(zhuǎn)速、標(biāo)定功率)，發(fā)動機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。也即單位汽缸工作容積所輸出的額定功率。 發(fā)動機(jī)的 PL & pme范圍 ● 比質(zhì)量：發(fā)動機(jī)質(zhì)量與所給出的標(biāo)定功率之比: 強(qiáng)化系數(shù) 排放性能:有害氣體、顆粒（指發(fā)動機(jī)排出的除水以外任何液態(tài)和固態(tài)微粒）。 噪聲：我國噪聲標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定轎車噪聲不得大于84dB 。 冷起動性能：指發(fā)動機(jī)在低溫條件下起動的可靠性，它直接影響發(fā)動機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性、使用壽命和駕駛員的勞動強(qiáng)度等。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不采用特殊的低溫起動措施，汽油機(jī)在－10℃、柴油機(jī)在－5℃以下的氣溫條件下，接通起動機(jī)，15 s內(nèi)發(fā)動機(jī)應(yīng)能順利起動。 (１)排出有害氣體　目前有害氣體排放主要是指氮氧化合物(ＮＯｘ)、各種碳?xì)浠�合�?ＨＣ)及一氧化碳(ＣＯ)這三種危害最大的氣體排放量。(2)排氣顆�！∨艢忸w粒指排氣中除水以外任何液態(tài)和固態(tài)微粒，目前除美國外，其他國家均只限制炭煙的排放量。 第五節(jié) 機(jī)械損失和機(jī)械效率一、機(jī)械效率 平均機(jī)械損失壓力pmm 發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積一個循環(huán)所損失的功。 機(jī)械效率： 發(fā)動機(jī)的有效功率與指示功率之比。 活塞與活塞環(huán)的摩擦損失 45%~65% 整個活塞連桿曲軸機(jī)構(gòu)摩擦損失 60%~70% 驅(qū)動氣門機(jī)構(gòu)功耗 2%~3% 驅(qū)動附件機(jī)構(gòu)的功率消耗 10%~20% 5. 泵氣損失 10%~20% 示功圖法 倒拖法 油耗線法 滅缸法 1、示功圖法--適用性廣 運(yùn)用各種示功器錄取氣缸的示功圖，從中算出Pi值， 從測功器和轉(zhuǎn)速計讀數(shù)中測出發(fā)動機(jī)的有效功率Pe，從而可以算出Pm，ηm及pmm值。 2、倒拖法－只能在電力測功機(jī)上試驗 3. 滅缸法（熄火法、斷缸法） ——僅適用于多缸機(jī) 當(dāng)發(fā)動機(jī)調(diào)整到以給定工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，先測出 整個發(fā)動機(jī)的有效功率。之后，在柴油機(jī)油門拉桿或 齒條位置、或汽油機(jī)節(jié)氣門開度固定不動的情況下， 停止向某一汽缸供油或點火。調(diào)整測功機(jī)，使發(fā)動機(jī) 恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速，重新測定有效功率（其余五個汽 缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），兩者之差 即為滅掉缸的指示功率。逐次滅缸，則整臺發(fā)動機(jī)的 指示功率為，各缸相加。 如果滅缸后其他各缸的工作情況和發(fā)動機(jī)機(jī)械損失沒有變化，則被熄滅的氣缸原來所發(fā)出的指示功率(Pi)x： 4. 油耗線法--僅適用于自然吸氣柴油機(jī)和低增壓柴油機(jī)（沒有節(jié)氣門的壓燃式發(fā)動機(jī)） 5. 測量方法比較 Comparison 倒拖法只能用于配有電力測功器的情況，不適用于大功率發(fā)動機(jī)，而較適用于測定壓縮比不高的汽油機(jī)的機(jī)械損失。 對于非增壓或排氣渦輪增壓柴油機(jī)( pb<0.15MPa)，只能用示功圖法、油耗線法來測定機(jī)械損失。 對于排氣渦輪中增壓、高增壓的柴油機(jī)(pb≥0.15MPa)， 除示功圖外，尚無其他適用的方法。 對于4沖程發(fā)動機(jī)，除示功圖法外，其他測量方法尚無法排除泵氣功。 上述四種測量發(fā)動機(jī)機(jī)械損失的方法，均存在一定的誤差，“發(fā)動機(jī)機(jī)械損失的測量仍舊像一門‘巧妙的藝術(shù)’ ”。雖然無法得到機(jī)械損失的絕對精確值，但是這些方法能夠非常有效地監(jiān)控各種機(jī)構(gòu)和參試的變化對發(fā)動機(jī)性能的影響。 增壓發(fā)動機(jī)在倒拖或滅缸時，增壓器的工作狀況會有很大變化，所以不能用此二方法測定其機(jī)械損失功率，油耗線法也只是在低增壓機(jī)型中應(yīng)用，且誤差難于估算，目前除示功圖法外，尚無良策。 影響機(jī)械效率的主要因素 轉(zhuǎn)速（活塞平均速度） 所有機(jī)型的機(jī)械效率都隨轉(zhuǎn)速或活塞平均速度的上升而下降。 負(fù)荷 負(fù)荷越小，機(jī)械效率越低；增壓機(jī)型比非增壓的原型相比，機(jī)械效率更高；增壓中冷機(jī)械效率更會大大提高。 潤滑條件 從燃料化學(xué)能到輸出功的能量轉(zhuǎn)換，是由燃燒效率ηc、循環(huán)效率ηt和機(jī)械效率ηm三個環(huán)節(jié)所組成。其中循環(huán)效率是核心的環(huán)節(jié)，因為作為熱力循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換是熱能動力機(jī)械最本質(zhì)的體現(xiàn)。在正常燃燒條件下，無論汽油機(jī)還是柴油機(jī)，化學(xué)能都接近于全部釋放，即ηc接近100%。 第六節(jié) 熱平衡 熱平衡表示熱量的分配情況。 按照熱能表現(xiàn)為有效功和各種損失的數(shù)量分配來研究燃料中總熱量的利用情況。 燃料的總熱量大體按以下六部分，由試驗確定： 發(fā)動機(jī)所耗燃油的熱量=轉(zhuǎn)化為有用功的熱量+傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量+廢氣帶走的熱量+燃料不完全燃燒熱損失+其他熱量損失 作業(yè)題 1.簡述發(fā)動機(jī)的實際工作循環(huán)過程。 2.畫出四沖程發(fā)動機(jī)實際循環(huán)的示功圖，它與理論示功圖有什么不同?說明指示功的概念和意義。 a.發(fā)動機(jī)實際循環(huán)與理論循環(huán)比較，造成熱效率下降的原因是哪些方面？ 3.根據(jù)理論循環(huán)，提高發(fā)動機(jī)實際工作循環(huán)熱效率的基本原則是什么?主要實施方向有哪些? 4.什么是發(fā)動機(jī)的指示指標(biāo)?主要有哪些? 5.什么是發(fā)動機(jī)的有效指標(biāo)?主要有哪些?sxW紅軟基地

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