點燃式和壓燃式內燃機工作過程、燃燒理論、性能分析及參數調控陳勛寧夏大學汽車工程系汽車發動機原理AutomotiveEngineFundamentals點燃式和壓燃式內燃機陳勛寧夏大學汽車工程系汽車發1.循環模式與熱效率2.機械損失與機械效率3.能量分配與合理利用循環熱效率和機械效率質環節講課內容第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環與能量利用第4章換氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力1.循環模式與熱效率循環熱效率和機械效率質環節講課內循環模式分類根據工質和循環特征分類:1)理論循環(TheoreticalCycle)工質——理想氣體(空氣)，物性參數(比熱比,k)為常數，不隨溫度變化循環——理想循環：封閉熱力循環：系統加熱

燃燒放熱；系統放熱氣體交換(進排氣)

特殊熱力過程：絕熱壓縮和膨脹；等容或等壓加熱和放熱

2)理想循環(IdealCycle)工質——真實工質循環——理想循環

3)真實循環(RealCycle)工質——真實工質循環——真實循環Q2Q1等熵壓縮等容/等壓加熱等熵膨脹等容放熱工質和循環模式是決定循環熱效率的兩大因素循環模式分類根據工質和循環特征分類:Q2Q1等熵壓縮等容/等循環熱效率(Cycle

thermalefficiency)ht211qq=-htt1wq=0=12321tqq

w-=pVTswtwtq2q1示功圖溫熵圖溫熵圖(T-s)是分析循環熱效率的一種有效而又直觀的方法w

pdV

Tds

dut==-òòò循環功(動力過程功）熱力學第一定律循環熱效率:Tdsdq=循環熱效率(Cyclethermalefficiency理論循環分類根據加熱過程進行分類：1)等容加熱→等容循環(Otto循環)2)等壓加熱→等壓循環(Diesel循環)3)混合(等容＋等壓)加熱→混合循環(Sabathe循環)1-2:等熵壓縮(isentropic)2-3:等容/等壓加熱(isochoric/isobaric)3-4:等熵膨脹(isentropic)4-1:等容放熱(isochoric)理論循環分類根據加熱過程進行分類：1-2:等熵壓縮(is等容循環(Isochoriccycle)VspT3q1q1q22411234V1V2q2q2q1奧托循環(OttoCycle):早期汽油機轉速低，燃燒接近等容放熱壓力升高比

＝p3/p2壓力升高比對等容循環的熱效率沒有影響！等容循環效率:()()hhhkkkt21t,vv41v321412321221134143t,v122111qq1cTTcTT1TTT1TTT1TTVVVVTT1TT1VV=-=---=--?è???-?è???=?è???=?è???==-=-?è???---het,v111=--k?????等容循環(Isochoriccycle)VspT3q1q1加熱時刻對循環的影響(等容度)q1=const.q133

3

3q13*4*41q222*3*4*4q212*2TpsVTDC加熱:1-2-3-4BTDC加熱:1-2*-3*-3’-4*-1ATDC加熱:1-2-2*-3*-4*-1ht211qq=-偏離上止點加熱，

t增大or減小?等容度：VcmVs等容加熱≠100％等容度q2增加，

t減小Vc加熱時刻對循環的影響(等容度)q1=const.q133等壓循環(Isobariccycle)q13341q224q212Tpq1p2V2V1sV4狄賽爾循環(DieselCycle):早期柴油機在上止點噴油燃燒

t,p=容積預膨脹比:

=V3/V2預膨脹比

與等容度

是什么關系？等壓循環(Isobariccycle)q13341q224混合循環與其他循環的比較q1p241q2,vvT21q134q2,v等容循環pq12341q2,pvTs21q14q2,p等壓循環3s3

t,s=現代汽油機和柴油機的實際工作循環是混合循環。相對而言，傳統汽油機更接近于等容循環，傳統柴油機更接近于等壓循環。3pq1,p241q2,svs21q1,p34q2,sq1,v3￠q1,v3￠T混合循環混合循環與其他循環的比較q1p241q2,vvT21q134理論循環熱效率的比較20161284000.20.40.60.8hte等容循環等壓循環混合循環150bar70barp3=40bark=1.4q*=9.14p1=1barq*qcT1p1=在加熱量、壓縮比相同的條件下，等容循環具有最高的熱效率，因此，提高等容加熱比例是提高熱效率的有效途徑理論循環熱效率的比較20161284000.20.40.60壓縮比和等熵指數對熱效率的影響20161284000.20.40.60.8ht,vk

=1.41.31.2e結論：1)壓縮比ε越大,熱效率越高壓縮比由8增加為12，熱效率能提高10～15％。但ε>20，熱效率提高不明顯2)等熵指數

越大,熱效率越高等熵指數由1.2提高到1.4,熱效率可增加40％(q1和

不變,

,cp和cv,工質溫升,效率)循環參數對熱效率的影響四大循環參數:1)壓縮比

;2)等熵指數

;3)壓力升高比

;4)預膨脹比

壓縮比和等熵指數對熱效率的影響20161284000.20.壓力升高率和預膨脹比對熱效率影響:1)

＝1,等容循環,

對

t無影響2)

＝1,等壓循環,

增大,

t明顯下降3)混合循環：

不變：隨

上升，

t略有增加

再增大，

t不受影響

不變：隨

增大，

t明顯下降結論：減少等壓加熱；增加等容加熱循環參數對熱效率的影響壓力升高率和預膨脹比對熱效率影響:結論：循環參數對熱效率的影理論循環分析的指導意義1）指出了改善發動機動力性、經濟性的基本原則和方向在允許的條件下,盡可能提高壓縮比

,尤其是汽油機合理組織燃燒,提高循環加熱等容度（減少預膨脹比

、合理選擇燃燒始點、壓燃同時著火）保證工質具有較高的等熵指數

（稀燃）2）提供了發動機之間進行動力性、經濟性對比的理論依據同一機型不同加熱模式的對比

、

及q1不變：等容循環

t>混合循環

t>等壓循環

t不同機型(汽、柴油機)的對比pmax及q1相同：等壓循環

t>混合循環

t>等容循環

t理論循環分析的指導意義1）指出了改善發動機動力性、經濟性的理論循環分析的指導意義

汽、柴油機負荷變化(q1不同)時的對比

部分負荷柴油機:缸內噴射擴散燃燒,噴油時間縮短,初期等容放熱變化不大,即

基本不變而

減小,

t提高

部分負荷汽油機:預混燃燒,燃燒速度下降,燃燒時間加長,即

下降而

上升,

t下降結果：中、低負荷工況,柴油機使用油耗較汽油機低30％～50％。理論循環分析的指導意義汽、柴油機負荷變化(q1不同)時的對理想循環假設：1)保持理論循環中關于循環的假設(簡化)2)工質特性按真實情況考慮：循環過程中成分是變化的工質的熱力參數隨溫度、分子結構及混合氣濃度等變化研究理想循環的目的：1)工質特性對熱效率的影響(與理論循環相比)2)理想循環代表了人類努力所能達到的水平(與真實循環相比)相對熱效率：真實循環的指示效率與理想循環熱效率之比。反映了實際發動機指示效率接近理想水平的程度。壓縮過程:空氣+燃料蒸氣+殘余廢氣膨脹過程:廢氣+空氣理想循環假設：研究理想循環的目的：相對熱效率：真實循環的指示真實工質對熱效率的影響1)比熱容

cv,cp=f（T,分子結構）

ΔQv=cv×ΔT，ΔQp=cp×ΔT

T↑

cv和cp↑

↓

ΔT↓

t↓

多原子分子↑

cv和cp↑

↓

ΔT↓

t↓

即：真實工質

＜理想工質

真實工質

t↓

例如：柴油機

汽油機

；稀薄燃燒

化學計量比燃燒

2)高溫熱分解高溫時，原子間的結合力減弱，產生熱分解（吸熱過程）。

CO2→CO+O2H2O→H2+O2

低溫膨脹及排氣時，反向燃燒放熱。因此，燃燒放熱時間拉長等容度

↓

t↓。*T越高，p越小

熱分解越嚴重，因此，汽油機熱分解＞柴油機熱分解。真實工質對熱效率的影響1)比熱容真實工質對熱效率的影響1.401.351.301.251.204006008001000K溫度Temperaturek=cp/cvAir

a=2.0

a=1.25

a=0.83

a=0.67

a=1.0w/oexhaustgasresidual3)工質分子變化系數液體燃料發動機燃燒后，

>1，p和

t↑

氣體燃料發動機燃燒后，

1，p和

t↓（氣體燃料分子計入燃前分子總數）總的來說，

的影響不大4)過量空氣系數

a1，未燃碳氫↑

多原子↑

T↑

↓

t↓

a>1，空氣↑

單雙原子↑

T↓

t

真實工質對熱效率的影響1.401.351.301.251.2汽油機與柴油機理想循環熱效率的比較1)高負荷柴油機

a>汽油機

a

柴油機

t>汽油機

t

汽油機混合氣濃且等容度高，Tmax↑，殘余廢氣↑

↓，熱分解↑汽油機

t

↓

汽油機

>柴油機

，但影響不大2)低負荷汽油機

a更小，而柴油機

a更大汽油機

t

↓↓

汽油機

r↑，柴油機

r不變，汽油機

↓，燃燒速度↓汽油機

t↓

汽油機高、低負荷溫差小，Tmax↑

↓

汽油機

t↓考慮真實工質特性后，汽、柴油機熱效率差距加大：汽油機與柴油機理想循環熱效率的比較1)高負荷考慮真實工質特真實循環1)傳熱損失(總加熱量的6％)真實循環并非絕熱過程,通過氣缸壁面、缸蓋底面、活塞頂面向外散熱。散熱量Qw=∫αFw（T-Tw）dτ式中，α—傳熱系數

Fw—散熱面積,Fw=f（

）

T—缸內工質溫度,T=f（

）

Tw—燃燒室壁面溫度,可設為定值壓縮過程:前期吸熱,后期散熱,使壓縮線略下降(有利)。燃燒及膨脹過程:溫差大,散熱強烈,使pz和膨脹線下降(不利)。燃燒膨脹線的下降幅度遠大于壓縮線,使動力過程功減小。真實循環1)傳熱損失(總加熱量的6％)真實循環2)時間損失實際燃燒及向工質加熱不可能瞬間完成：存在點火(噴油)提前，使有用功面積下降，

t↓。pz出現在TDC后10

CA，而非等容加熱，使有用功面積減小。3)換氣損失排氣門早開，造成膨脹功損失。泵氣損失功(W2＋W3)4)不完全燃燒損失正常燃燒時，也有

c≠100%

不正常燃燒、

a

＜1等，

t↓↓5)缸內流動損失流動增強以及提高渦流與湍流程度，

t↓

因為：造成能量損失、散熱損失例如：流動損失，非直噴式柴油機＞直噴式柴油機6)工質泄漏損失

真實循環2)時間損失真實循環與理論循環的比較總結：由于工質和循環方面的差別，使得:

理論循環ηt-實際循環ηt=10~20百分點兩者之間的差別指出了改善內燃機ηt的基本原則真實循環與理論循環的比較總結：1.循環模式與熱效率2.機械損失與機械效率3.能量分配與合理利用講課內容第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環與能量利用第4章換氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力1.循環模式與熱效率講課內容第一部分：動力輸出與能量利用機械損失與機械效率1)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素機械損失與機械效率1)機械效率的定義機械損失與機械效率(1)機械摩擦損失(50％～80％)活塞組件、軸承、氣門機構等(2)附件驅動消耗(～10％)水泵、機油泵、燃油泵、點火裝置等運轉必不可少的輔助機構(3)泵氣損失(5％～40％)1)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素

為什么泵氣損失包含在機械損失中？機械損失與機械效率(1)機械摩擦損失(50％～80％)1)機械損失與機械效率1)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素無凸輪軸（Camless）發動機測量機械損失時可以剔除泵氣損失嗎？(1)機械摩擦損失(50％～80％)活塞組件、軸承、氣門機構等(2)附件驅動消耗(～10％)水泵、機油泵、燃油泵、點火裝置等運轉必不可少的輔助機構(3)泵氣損失(5％～40％)電控氣門機械損失與機械效率1)機械效率的定義無凸輪軸（Camles機械損失與機械效率標定工況：自吸式汽油機:

m=0.8~0.9

自吸式柴油機:

m=0.78~0.85

渦輪增壓式柴油機:

m=0.80~0.921)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素

在相同排量和標定工況條件下，比較渦輪增壓發動機、機械增壓發動機和自然吸氣發動機的機械效率，哪個大？哪個小？(1)機械摩擦損失(50％～80％)活塞組件、軸承、氣門機構等(2)附件驅動消耗(～10％)水泵、機油泵、燃油泵、點火裝置等運轉必不可少的輔助機構(3)泵氣損失(5％～40％)機械損失與機械效率標定工況：1)機械效率的定義在相同排量機械損失與機械效率(1)示功圖法由總指示功Wi，減去臺架上測得的有效功We只適用研發：(a)上止點難以精確測量：偏差1CA，誤差10～15％(b)各缸不均勻，需要同時測量1)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素機械損失與機械效率(1)示功圖法1)機械效率的定義機械損失與機械效率(2)倒拖法發動機正常運轉后。斷油或斷火，用電機反拖發動機，測得的反拖功率誤差：(a)無燃燒，缸內壓力低，活塞與缸套間隙加大；潤滑油粘度加大，摩擦損失增大(b)排氣阻力加大，泵氣損失變化(c)壓縮、膨脹線不重合，增大pmm汽油機壓縮比小，所以誤差小1)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素機械損失與機械效率(2)倒拖法1)機械效率的定義機械損失與機械效率(3)滅缸法用于多缸機本質上也是倒拖法（N-1缸拖1缸），但更接近真實狀態新問題：滅缸后進排氣波動效應的影響兩大數相減得到小數，誤差加大1)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素機械損失與機械效率(3)滅缸法1)機械效率的定義機械損失與機械效率(4)油耗線法轉速不變，測出整機燃料消耗率隨負荷的變化曲線。將此線外延到與橫坐標相交的a點，則a0之值為機械損失值。適合柴油機，不適合汽油機1)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素（參看公式1-41和圖2-16）機械損失與機械效率(4)油耗線法1)機械效率的定義（參看機械損失與機械效率小結：

(1)汽油機多用倒拖法，不適合用滅缸法(滅缸不安全)和油耗線法(不成直線)(2)自然吸氣柴油機適合滅缸法、油耗線法，小型柴油機可以用倒拖法

(3)廢氣渦輪增壓柴油機無法使用倒拖法和滅缸法，低增壓可以用油耗線法。1)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素機械損失與機械效率小結：1)機械效率的定義機械損失與機械效率(1)活塞平均速度

cm↑，摩擦阻力↑，泵氣損失↑(2)負荷負荷Pe↓，

m↓

怠速

m＝0

增壓機型

m↑(3)潤滑條件機油粘度：冷起動和低溫不能過高；高負荷不能過低水溫80～95C，機油溫度85～110C1)機械效率的定義2)機械損失的組成與份額3)機械損失的測量4)機械效率的影響因素機械損失與機械效率(1)活塞平均速度1)機械效率的定義美國汽油機油API分級等級使用對象油品性能SA一般低負荷汽油機和柴油機不含添加劑或只加降凝劑與抗泡劑SB中負荷汽油機加入某些抗氧劑與抗磨劑SC用于1964-1967年生產的汽油車加入清凈分散劑與抗氧防腐劑SD用于1968-1971年生產的汽油車具有更好的減少低溫油泥防銹性能SE用于1972年以后生產的汽油車具有更好的高溫氧化及抗低溫油泥性能SF用于1980年以后生產的汽油車具有比SE更高的高溫氧化及抗磨性SG用于1989-1993年以后生產的汽油車具有更好的高溫抗氧化變稠性能及清凈性和好的低溫油泥分散性SH用于1994年以后生產的汽油車引入CMA試驗規范，因而比SG的水平苛刻10%左右SJ用于1996年以后生產的汽油車發動機性能與SH一樣，節能試驗，由VI變為VI-A，油中磷含量＜0.1%SL用于2000年以后生產的汽油車改善催化轉化器的保護，由GF-2的128×103km延長到16×103km萬公里，通過銹球試驗，ⅢF、ⅤG、ⅣAⅧ、Ⅵ