發(fā)動機原理汽車工程學(xué)院許廣舉Tel-Mail：xuguangju@掌握理論循環(huán)模型及影響循環(huán)效率的因素；掌握工質(zhì)屬性對循環(huán)效率的影響；掌握從理論循環(huán)到實際循環(huán)的能量損失情況；掌握ICE機械損失的構(gòu)成及機械效率的測量方法；了解現(xiàn)代ICE的能量利用狀況；掌握提高ICE熱效率的技術(shù)措施。混合氣總量能量轉(zhuǎn)換“質(zhì)”問題學(xué)習(xí)目標：如何得到高的循環(huán)效率？如何得到高的機械效率？ICE工作過程研究內(nèi)容：工質(zhì)成分變化；熱能的轉(zhuǎn)化過程。目標：高的循環(huán)效率低的污染物排放工作過程研究難度：工質(zhì)的質(zhì)和量是時間的函數(shù)；物理、化學(xué)過程一直在進行；存在摩擦、散熱、燃燒、節(jié)流等（不可逆）。工質(zhì)循環(huán)模式對ICE工作過程的研究只能建立模型，進行定性分析！三種循環(huán)模式：理論循環(huán)（TheoreticalCycle）工質(zhì)—理想氣體循環(huán)—理想循環(huán)理想循環(huán)（IdealCycle）工質(zhì)—實際氣體循環(huán)—理想循環(huán)真實循環(huán)（Realcycle）工質(zhì)—實際氣體循環(huán)—真實循環(huán)一、理論循環(huán)（TheoreticalCycle）熱力循環(huán)構(gòu)成等熵壓縮循環(huán)——理想循環(huán)構(gòu)成封閉熱力系統(tǒng)等容/等壓加熱工質(zhì)——理想氣體（空氣），物性參數(shù)不變等熵膨脹定容放熱循環(huán)類型封閉熱力循環(huán)：絕熱壓縮等容等壓吸熱（燃燒放熱）絕熱膨脹等容放熱（進排氣換氣過程）等容（isochoric）加熱循環(huán)等壓（isobaric）加熱循環(huán)等容等壓混合加熱循環(huán)TDCBDCarczb等容加熱循環(huán)——奧托循環(huán)（OttoCycle)早期ICE活塞運動速度低，汽油機接近等容加熱循環(huán)aczbT-S圖TDCBDCarzcb等壓加熱循環(huán)——狄賽爾循環(huán)（DieselCycle）早期ICE活塞運動速度低，噴油壓力低，持續(xù)時間長，柴油機接近定壓加熱循環(huán)現(xiàn)代的低速大功率柴油機（船舶）可簡化為等壓加熱循環(huán)aczbT-S圖TDCBDCarzcz，b混合加熱循環(huán)（SabatheCycle）現(xiàn)代ICE活塞運動速度高，噴油壓力高，均為混合加熱循環(huán)acbT-S圖zz’TDCBDCczbz，TC-ICE的Sabathe循環(huán)arr,a,循環(huán)效率Otto循環(huán)循環(huán)效率:Diesel循環(huán)循環(huán)效率:Sabathe循環(huán)循環(huán)效率:壓力升高比：等容加熱過程中工質(zhì)壓力的升高比值。預(yù)膨脹比：等壓加熱過程中工質(zhì)的體積增大比值。影響循環(huán)效率的因素壓縮比的影響增大壓縮比可以提高ICE的循環(huán)效率；壓縮比由8增加為12，熱效率提高10～15％，壓縮比>20，熱效率提高不明顯。acbzc’z’b’同等吸熱量時：zz’壓力升高比和預(yù)膨脹比的影響等容度：循環(huán)吸熱過程中等容吸熱量占總吸熱量的比率。z’zacbbac提高等容度，可以提高ICE的循環(huán)效率吸熱量相同等容度提高在預(yù)膨脹比一定時，壓力升高比對循環(huán)效率影響不大。在壓力升高比一定時，減小預(yù)膨脹比，會顯著提高循環(huán)效率。等壓過程等容過程ICE接近等容燃燒（高等容度），可以得到高循環(huán)效率；分析：CI-ICE負荷增大，循環(huán)噴油量加大，燃燒時間加長，預(yù)膨脹比加大，等容度下降，循環(huán)效率降低；EFI的SI-ICE把按照化學(xué)計量比混合氣進行控制，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，等容度高，可得到較高的循環(huán)效率。CI-ICE多次噴射技術(shù)會降低循環(huán)效率。CI-ICE高壓噴射技術(shù)會提高循環(huán)效率；絕熱指數(shù)提高絕熱指數(shù)，可以提高循環(huán)效率。吸熱量相同增大，、減小、工質(zhì)溫升增大，放熱量減小，循環(huán)效率提高理論循環(huán)研究的意義提供ICE之間性能比較的理論依據(jù)提供了改善ICE性能的原則和方向同一機型不同加熱模式比較壓縮比、工質(zhì)吸熱量相同，吸熱形式不同在允許的條件下,盡可能提高壓縮比

,尤其是汽油機；合理組織燃燒,提高循環(huán)加熱等容度（減少預(yù)膨脹比、

合理選擇燃燒始點、壓燃同時著火）；保證工質(zhì)具有較高的等熵指數(shù)（稀燃）。zpbpac更高的等容度決定了等容加熱循環(huán)具有更高的效率zmbmzvbv更高的壓縮比決定了等壓加熱循環(huán)具有更高的效率zvbv不同機型比較zpbpacpbmzmcm最高爆發(fā)壓力相同，吸熱量相同，壓縮比不同cv理論循環(huán)下SI-ICE和CI-ICE比較CI-ICE壓縮比遠高于SI-ICE，CI-ICE具有更高的循環(huán)效率，

表現(xiàn)出更好的動力性和經(jīng)濟性；CI-ICE的比SI-ICE低15%～25%；中、小負荷CI-ICE的比SI-ICE低30%～50%CI-ICE負荷質(zhì)調(diào)節(jié)，負荷減小，噴油量減少負荷SI-ICE負荷量調(diào)節(jié)，負荷減小，混合氣量減少負荷火焰?zhèn)鞑ニ俣榷?、理想循環(huán)（IdealCycle）研究理想循環(huán)的目的熱力循環(huán)構(gòu)成循環(huán)——理想循環(huán)工質(zhì)——實際工質(zhì)壓縮過程：空氣+燃料蒸氣+廢氣膨脹過程：廢氣+空氣工質(zhì)熱力參數(shù)與溫度、成分、分子結(jié)構(gòu)等有關(guān)工質(zhì)特性參數(shù)對循環(huán)效率的影響程度；ICE提高循環(huán)效率最高限度。相對熱效率：真實循環(huán)循環(huán)效率與理想循環(huán)循環(huán)效率之比。最高燃燒溫度比熱容真實工質(zhì)對循環(huán)效率的影響T/KcV、cp/(kJ/kg.k)kcVcpkR多原子分子數(shù)在相同加熱量下，燃燒溫度越高，工質(zhì)比熱容升高越多，絕熱指數(shù)下降越多，循環(huán)效率偏離理論循環(huán)效率越遠。高溫時，原子間的結(jié)合力減弱，產(chǎn)生熱裂解——吸熱工質(zhì)的高溫裂解2CO22CO+O22H2+O22H2O膨脹過程溫度、壓力下降，進行逆向反應(yīng)——放熱放熱時間延長高溫裂解吸熱2H2O+O24OH2H2H22OO22NON2+O2燃燒溫度越高、壓力越小，熱裂解越嚴重SI-ICE高溫裂解程度>CI-ICE高溫裂解程度工質(zhì)分子變化數(shù)液體燃料ICE，分子量大，不計燃料分子數(shù)氣體燃料ICE，分子量小，計入燃料分子分子變化數(shù)對ICE循環(huán)效率影響不大混合氣濃度未燃燃料量多原子分子數(shù)燃燒溫度kT/K濃度增大單雙原子數(shù)空氣量燃燒溫度采用稀薄燃燒可以得到高循環(huán)效率燃空當(dāng)量比循環(huán)效率CI-ICE比EF具有更高的循環(huán)效率殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣量燃燒速度三原子分子數(shù)SI-ICE殘余廢氣系數(shù)CI-ICE殘余廢氣系數(shù)SI-ICE循環(huán)效率較低ICE的EGR率越大，等容度下降越多，三原子氣體含量越多，循環(huán)效率越低。EGR降低排放以性能損失為代價理想循環(huán)下SI-ICE和CI-ICE比較大負荷時小負荷時SI-ICE加濃很小，CI-ICE的很大在小負荷、大負荷工況下，SI-ICE的經(jīng)濟性低30%～50%TDCBDC理論循環(huán)理想循環(huán)傳熱、流動、不完全燃燒工質(zhì)泄漏等時間損失后燃損失換氣損失czbb’c’ar三、真實循環(huán)（RealCycle）傳熱、流動、不完全燃燒和泄漏損失換氣損失時間損失后燃損失四大損失工質(zhì)和循環(huán)的變化，使實際循環(huán)效率和理論循環(huán)效率相差10%～20%。傳熱損失(總加熱量的6％)真實循環(huán)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：式中：壓縮行程：前期吸熱，

后期散熱，

使壓縮線略下降—有利Fw—散熱面積，

Fw=f（

）；α—傳熱系數(shù)；T—缸內(nèi)工質(zhì)溫度，T=f（

）；Tw—燃燒室壁面溫度。作功行程：溫差大，

散熱強烈，

使pz和膨脹線下降—不利作功行程壓力線下降幅度遠大于壓縮線—動力過程功減小時間損失實際燃燒及向工質(zhì)加熱不可能瞬間完成點火(噴油)提前，使有用功面積下降，循環(huán)效率下降；pz出現(xiàn)在TDC后10～15

CA，非等容加熱，有用功面積減小。換氣損失排氣門早開，造成膨脹功損失；泵氣損失功（W2＋W3）。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下降較大。缸內(nèi)流動損失流動增強以及提高渦流與湍流程度，

t下降原因：流動造成能量損失、散熱損失流動損失，非直噴式柴油機＞直噴式柴油機

工質(zhì)泄漏損失

工質(zhì)和循環(huán)方面的差異，使得：理論循環(huán)效率—實際循環(huán)效率

=10~20百分點曲軸箱竄氣造成的工質(zhì)泄露，損失相對較小。該差別是改善ICE循環(huán)效率的基本原則機械損失各部分所占份額SICISICISICI180020018006003600400轉(zhuǎn)速平均有效壓力泵氣功損失曲柄、連桿、活塞損失其它附件損失高壓油泵損失配氣機構(gòu)損失機械效率：一、機械損失的組成（一）機械摩擦損失活塞組件摩擦軸承摩擦配氣機構(gòu)摩擦其它損失運動件的空氣動力損失正時齒輪、鏈輪、帶輪的傳動損失連桿大頭攪油損失曲軸箱內(nèi)空氣壓縮和通風(fēng)損失活塞連桿組件和曲軸軸承摩擦損失高，轉(zhuǎn)速、負荷增大，該損失也增大。發(fā)電機、水泵、機油泵、高壓油泵、調(diào)速器、點火裝置。內(nèi)燃機臺架試驗中必須拆除的四大附件：空壓機、空濾器、風(fēng)扇和消聲器。（三）泵氣功損失進排氣過程中工質(zhì)流動時的節(jié)流和摩擦損失。轉(zhuǎn)速、負荷增大，驅(qū)動附件損失也增大。（二）驅(qū)動附件損失SI-ICE小負荷和高速，泵氣損失大負荷對CI-ICE泵氣損失影響小高轉(zhuǎn)速時泵氣損失高平均機械損失壓力/kPa轉(zhuǎn)速/（r/min）曲軸與密封活塞連桿組配氣機構(gòu)油泵水泵與發(fā)電機SI-ICE的試驗結(jié)果各種ICE標定工況下的機械效率：SI-ICE：80%～90%CI-ICE：78%～85%增壓CI-ICE：80%～92%分析：增壓內(nèi)燃機為什么具有更高的機械效率？二、機械損失的測定方法（一）示功圖法測量方法用燃燒分析儀測量工況點（，）下的示功圖，測算，計算、、和。示功圖法可以得到ICE的機械損失、機械效率運行特性。注意事項準確標定TDC位置；NA-ICE測量面積為代表的面積；提高面積計算離散化精度；各個缸均需測量。TDC位置設(shè)置不準確對機械效率有什么影響？TDC°CABDCBDC如果：TDC位置靠前BDCBDCTDCBDC°CABDCTDC測得的偏高偏小TDCBDC°CABDC如果：TDC位置靠后BDCBDCTDC測得的偏低偏高（二）反拖法（倒拖法）測量方法使ICE正常運行在工況點（，）測取，停油、斷火，用電力測功機反拖ICE按同等轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，測量測功機的功率損耗，即為。電力測功機ICE聯(lián)軸器注意事項電力測功機價格昂貴，反拖法不適合大功率ICE，僅適用于中小功率的NA-ICE。誤差分析無燃燒，缸內(nèi)壓力低，活塞環(huán)摩擦損失減??；排氣阻力加大（無自由排氣），泵氣損失增大；潤滑油粘度加大，摩擦損失增大；不可逆，壓縮、膨脹線不重合，增大機械損失。SI-ICE壓縮比小，誤差?。ㄈ绺追y量方法設(shè)ICE有N個缸。使ICE正常運行在工況點（，）測取，使其中一個缸停止作功，減小測功機載荷，使ICE恢復(fù)到原轉(zhuǎn)速，測取N-1缸工作的功率，ICE功率的降低值，認為是所滅氣缸的指示功率。依次滅缸，測試N次，就可得到整機的。注意事項用滅缸法測量SI-ICE機械效率，注意安全，滅缸一定要斷油。誤差分析本質(zhì)是反拖法，存在反拖法的誤差；滅缸，影響進氣動態(tài)效應(yīng)；兩個大數(shù)相減，加大誤差。進氣動態(tài)效應(yīng)要求嚴格的ICE，慎用該方法。（四）油耗線法測量方法測量ICE在某個轉(zhuǎn)速下的負荷特性，制作燃油消耗率的負荷特性曲線，當(dāng)?shù)拓摵蓞^(qū)域線性度非常好時，按線性區(qū)域油耗線進行反向拓延，拓延線與負荷軸的交點，距離負荷零點的負荷值，即為平均機械損失壓力或者機械損失功率。良好線性a注意事項油耗線法不適用于SI-ICE和大功率CI-ICE。各種測量方法的使用范圍：所有內(nèi)燃機均可使用示功圖法測量機械效率；大功率ICE最佳方法是滅缸法（費油）；中小功率的增壓ICE，如果燃油消耗率的負荷特性線

線性度高，可采用油耗線法；SI-ICE最佳方法是反拖法。三、影響機械效率的因素1、ICE運行參數(shù)的影響當(dāng)ICE的負荷（油門、油量拉桿位置）不變時，機械效率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。低速時機械效率曲線平坦，中高速時的快速增大，機械效率下降速度很快。機械效率速度特性油門開度一定高速快速下降機械效率負荷特性轉(zhuǎn)速一定油門開度市區(qū)運行車輛，關(guān)注小負荷的機械效率問題怠速（idle）2、潤滑條件對機械效率的影響1）潤滑油的作用減摩密封冷卻清洗2）ICE對潤滑油的要求防銹良好的運動粘度、粘溫特性和抗氧化能力。3）ICE潤滑油的分類標準SAE標準（粘度等級）：SAE××（W）數(shù)字“××”夏季99℃的粘度，20、30、40冬季-18℃的粘度（W），0、5、10、15、20、25SAE黏度等級使用環(huán)境溫度范圍（℃）0W-45～155W-40～1010W-35～515W-25～020W-20～525W-15～1020-10～30300～304010～405W/40-35～3010W/40-30～3015W/40-20～4020W/40-10～40美國API標準S×：×為A、B、C、D、E、F、G、HC×：×為A、B、C、D、E、F我國標準××Q××為A、B、C、D、E、F、G××為100℃運動粘度××C××為A、B、C、D、E××為100℃運動粘度SI-ICE常用潤滑油：30QB、40QB----10、15（老標準）----SAE30、SAE40----SH（API）

CI-ICE常用潤滑油：30CA、40CA----11、14（老標準）----SAE30、SAE40----CF（API）

燃料+空氣壓縮膨脹摩擦、輻射冷卻排氣作功最大作功能力熱能燃燒換氣一、ICE能量平衡CI-ICESI-ICE100%100%熱量損失30%～32%33%～35%廢氣冷卻28%～30%30%～32%摩擦和輻射7%～9%7%～9%有用功30%～35%25%～30%實際有用功1/3（強）排氣帶走熱1/3冷卻液帶走熱1/3（弱）燃料化學(xué)能流向二、ICE能量合理利用（一）現(xiàn)代ICE的能量利用狀況現(xiàn)代ICE最高燃燒溫度1100K，環(huán)境溫度293K卡諾循環(huán)熱效率：100%61%53.5%45%38%受卡諾限制屬于ICE極限值，除非改變循環(huán)模式采用改進技術(shù)的提高空間只有8.5%的空間通過提高機械效率的改善空間有7%TDCBDCzcz，baa，等壓放熱Atkinson循環(huán)TDCBDCzcz，baMill循環(huán)等容放熱a，b，等壓放熱熱效率/%平均指示壓力/0.1MPa增壓小排量技術(shù)（downsizing）基本思想：保證動力性不變，增壓減小ICE排量。優(yōu)點：小排量，泵氣損失小，活塞環(huán)摩擦損失??；相同功率下，小排量平均有效壓力高。排量/cm3熱效率/%5%8.1%5%16.4%熱效率范圍熱效率范圍GDI技術(shù)GDI稀燃（leanburn）有效提高ICE的經(jīng)濟性。經(jīng)濟性改善程度降低泵氣功8.5%11.5%高絕熱指數(shù)、壓縮比和低散熱1.2%-4.7%高燃燒效率換氣流通面積減小16.5%GDISparkplugFuelI