《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→p<p。) 2压缩过程1~2(p↑,T个 初期:工质吸热;后期:工质放热。 3燃烧过程2~3~4(p个个,T个) 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。) 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 ） 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 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