當(dāng)前位置:汽車配件110網(wǎng) >> 汽修百科 >> 汽車構(gòu)造維修 >> 第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)及性能指標(biāo) |
互聯(lián)網(wǎng) panzhihao 汽車構(gòu)造維修 2007-09-05
§1-2 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)
發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)加上各項(xiàng)損失后,
即可分析發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)。
一 工質(zhì)改變損失
(一) 工質(zhì)性質(zhì)
理論上: 理想氣體,雙原子氣體。
實(shí)際上: 燃燒前: 燃料+空氣;
燃燒后: 燃燒產(chǎn)物。
(二) 比熱
理論上: 定比熱
實(shí)際上: 溫度T ® 比熱C
(三) 高溫分解
例 C + O ® CO + 熱量 [+ O] ® CO2 + 熱量
其中 CO 為中間產(chǎn)物,CO2 為最終產(chǎn)物。若遇高溫,則會(huì)發(fā)生復(fù)分解反
應(yīng),即高溫分解:
CO2 ® CO + O - 熱量
這部分熱量雖然在膨脹過程中還可能會(huì)釋放出來,但由于活塞已接近下止
點(diǎn),做功效果變差,熱效率下降。
二 傳熱、流動(dòng)損失
(一) 傳熱損失
理論上: 壓縮、膨脹過程為絕熱過程。
實(shí)際上: 大量熱量通過汽缸壁傳給冷卻水或空氣。
傳熱損失是發(fā)動(dòng)機(jī)中的最大損失,占總損失量的30%以上。因此,許多研
究者致力于開發(fā)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)。
(二) 流動(dòng)損失
理論上: 閉口系統(tǒng),沒有氣體流動(dòng)損失。
實(shí)際上: 進(jìn)、排氣節(jié)流沿程損失,缸內(nèi)進(jìn)氣、擠壓、燃燒渦流損失。
三 換氣損失
理論上: 忽略進(jìn)、排氣過程。
實(shí)際上: 進(jìn)、排氣門提前開啟,遲后關(guān)閉。而且有流動(dòng)阻力。
之中。
四 時(shí)間損失
理論上: 定容加熱瞬間完成,定壓加熱速度與活塞運(yùn)行速度密切配合。
實(shí)際上: 燃燒需要時(shí)間。
五 補(bǔ)燃損失
理論上: 加熱瞬間停止,膨脹過程無加熱。
實(shí)際上: 雖然大部分(80%以上)燃料在燃燒過程中燃燒掉,但仍有小部分燃
料會(huì)拖到膨脹線上才燃燒,做功效果變差,熱效率下降。
六 泄漏損失
理論上: 閉口系統(tǒng),無泄漏。
實(shí)際上: 活塞氣環(huán)不會(huì)100%嚴(yán)密密封,總會(huì)有些氣體竄到曲軸箱中,造
成損失。
§1-3 熱平衡
總熱量: QT = GT hu 分別轉(zhuǎn)化為
一 有效功的熱量 QE
[ kJ/h ] ( 1 kw/h = kJ )
只有這部分熱量做了功,是有用的,所以希望越大越好。一般
令
二 傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量 QS
其中Gs-發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)的每小時(shí)流量 [ kg/h ]
cs-冷卻介質(zhì)比熱 [ kJ/kg·℃ ]
t1 ,t2 -冷卻介質(zhì)的進(jìn)、出口溫度 [℃]
三 廢氣帶走的熱量Qr
其中Gr-燃料量 [ kg/h ]
Gk-空氣量 [ kg/h ]
cpr-廢氣比熱 [ kJ/kg·℃ ]
cp-空氣比熱 [ kJ/kg·℃ ]
t1 ,t2 -進(jìn)、排氣溫度 [℃]
四 燃料不完全燃燒的熱損失QB
其中hr-燃料效率
五 其它熱量損失QL
發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡方程式:
§1-4 指示指標(biāo)
p-V圖 p-φ?qǐng)D
發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo): 指示指標(biāo),有效指標(biāo)
指示指標(biāo): 以工質(zhì)在汽缸內(nèi)對(duì)活塞做功為基礎(chǔ),評(píng)價(jià)工作循環(huán)的質(zhì)量。
有效指標(biāo): 以曲軸上得到的凈功率為基礎(chǔ),評(píng)價(jià)整機(jī)性能。
示功圖: 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力p隨汽缸容積V (p-V圖) 或曲軸轉(zhuǎn)角f (p-f圖) 變化的圖示。
一 指示功和平均指示壓力
(一) 指示功
一個(gè)循環(huán)工質(zhì)對(duì)活塞所做的有用功。
應(yīng)該:非增壓: 增壓:
因?yàn)? 不容易測(cè)量, 實(shí)際將 歸到機(jī)械損失中考慮。
所以:
其中 - 橫、縱座標(biāo)比例尺
指示功大,說明 ○汽缸工作容積大 ○熱功轉(zhuǎn)換有效程度大。為突出后
者,比較不同大小發(fā)動(dòng)機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換有效程度,引入平均有效壓力的概念。
(二) 平均指示壓力
單位汽缸工作容積所做的指示功。
(假想?yún)?shù))
其中 -每缸工作容積。
686~981 [ kpa ]
784~1180 [ kpa ]
二 指示功率
單位時(shí)間所做的指示功。
若: 缸數(shù)i,每缸工作容積V [ m ],沖程數(shù) t,平均指示壓力 p [ p ],
轉(zhuǎn)速 n [ r/min ]。則
[ w ]
[ kw ]
若: 每缸工作容積V [ L ],平均指示壓力 p [ bar ]。則
[ kw ]
三 指示比油耗和指示熱效率
(一) 指示比油耗
單位指示功率的耗油量。
[ g/kw·h ]
-每小時(shí)耗油量 [ kg/h ]
(二) 指示熱效率
-做 指示功所消耗的熱量。
-燃料的低熱值。
0.43~0.50 =170~200 [ g/kw·h ]
0.25~0.40 =230~340 [ g/kw·h ]
§1-5 有效指標(biāo)
一 有效功率和機(jī)械損失功率
(一) 有效功率
單位時(shí)間所做的有效功。
[ kw ]
其中 -平均有效壓力。
(二) 機(jī)械損失功率
發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗的功率。
機(jī)械損失包括: 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦損失;驅(qū)動(dòng)附件損耗,如: 機(jī)油泵、燃油泵、
掃氣泵、冷卻水泵、風(fēng)扇、配氣機(jī)構(gòu);和泵氣損失等。
[ kw ]
其中 -平均機(jī)械損失壓力。
二 有效扭矩
功率輸出軸輸出的扭矩。
[ w ]
[ kw ]
[ kw ]
三 平均有效壓力
單位汽缸工作容積所做的有效功。
由于 [ kw ]
[ kw ]
所以
[ kpa ]
588~883 [ kpa ] 588~981 [ kpa ]
四 升功率和比重量
(一) 升功率
單位汽缸工作容積所發(fā)出的功率。
[ kw/l ]
(二) 比重量
發(fā)動(dòng)機(jī)凈重量G與所發(fā)出有效功率 的比值。
[ kg/kw ]
, ¯ ® 發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度高。
11~26 [ kw/l ] 4~9 [ kg/kw ]
9~15 [ kw/l ] 5.5~16 [ kg/kw ]
22~55 [kw/l ] 1.35~4 [ kg/kw ]
五 有效比油耗和有效熱效率
(一) 有效比油耗
單位有效功率的耗油量。
[ g/kw·h ]
-每小時(shí)耗油量 [ kg/h ]
(二) 有效熱效率
-做 有效功所消耗的熱量。
0.30~0.40 =218~285 [ g/kw·h ]
0.20~0.30 =285~380 [ g/kw·h ]
由此可見,柴油機(jī)的熱效率比汽油機(jī)的高,經(jīng)濟(jì)性比汽油機(jī)好。
§1-6 機(jī)械損失
一 機(jī)械效率
對(duì)于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī),絕對(duì)損失大的,其相對(duì)損失卻不一定也大。必須有
一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn),故引進(jìn)機(jī)械效率的概念。
有效功率與指示功率的比值。
性能好,所以應(yīng)盡量提高 。
0.7~0.85 0.7~0.9
二 機(jī)械損失的測(cè)定
(一) 倒拖法-只能在電力測(cè)功機(jī)上試驗(yàn)
在壓縮比不很高的汽油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。
發(fā)動(dòng)機(jī)與電力測(cè)功機(jī)相連。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),冷卻水溫度、機(jī)油溫度達(dá)正常值。然后使發(fā)動(dòng)機(jī)在給定工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的供油 ( )。
將電力測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)使用,在給定轉(zhuǎn)速下倒拖發(fā)動(dòng)機(jī),并維持冷卻水溫度和機(jī)油溫度不變。由于此時(shí) ,因此從電力測(cè)功機(jī)上所測(cè)得的倒拖功率 即為發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況下的機(jī)械損失功率 。
(二) 滅缸法-僅適用于多缸機(jī)
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整到以給定工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后,先測(cè)出整個(gè)發(fā)動(dòng)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(dòng)的情況下,停止向某一汽缸供油或點(diǎn)火。調(diào)整測(cè)功機(jī),使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速,重新測(cè)定有效功率 (其余五個(gè)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 。因?yàn)?。逐次滅缸,則整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率為 ,其中x為總缸數(shù)。
如果各缸負(fù)荷均勻,則僅測(cè)一個(gè)缸,即滅火一次即可, 。這樣,整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失功率為 ,機(jī)械效率為 。
其它還有示功圖法,油耗線法等。
三 影響機(jī)械效率的因素
(一) 轉(zhuǎn)速
其中 -活塞平均運(yùn)行速度。
與 幾乎呈直線關(guān)系。 與n似呈二次方關(guān)系。
n ® □ 慣性力 ® 活塞對(duì)缸壁的側(cè)壓力 ® 軸承負(fù)荷
□ 各摩擦副相對(duì)速度 ® 摩擦損失
□ 泵氣損失,驅(qū)動(dòng)附件損耗
® ® ¯
若要提高轉(zhuǎn)速來強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī),則 將成為主要障礙之一。
(二) 負(fù)荷
發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷 □ 柴油機(jī): 油門拉桿或齒條位置
□ 汽油機(jī): 節(jié)氣門開度
轉(zhuǎn)速n一定,負(fù)荷¯ 時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒劇烈程度¯,平均指示壓力 ¯;而由于轉(zhuǎn)速不變,平均機(jī)械損失壓力 基本保持不變。則 ,機(jī)械效率下降。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),有效功率 ,指示功率 全部用來克服機(jī)械損失功率 。即 ,因此, 。
由于車用柴油機(jī)普遍在高轉(zhuǎn)速、較低負(fù)荷下工作,機(jī)械效率下降嚴(yán)重。因此,機(jī)械效率對(duì)于車用柴油機(jī)尤為重要。
(三) 潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度
潤滑油粘度影響潤滑效果
冷卻水溫度影響潤滑油溫度
即冷卻水、潤滑油溫度通過潤滑油粘度間接影響潤滑效果。
1 潤滑油粘度(牌號(hào)) ¯;冷卻水溫度 ® 潤滑油溫度 ® 潤滑油粘度¯
® 潤滑效果 ® 摩擦¯ ® ¯ ®
2 潤滑油粘度(牌號(hào)) ¯¯;冷卻水溫度 ® 潤滑油溫度 ® 潤滑油粘度¯¯
油膜破裂趨勢(shì) ® 摩擦 ® ® ¯¯
3 潤滑油中雜質(zhì) ® 摩擦 ® ® ¯
要求: 定期保養(yǎng)、清洗機(jī)油濾清器, 5000~10000公里換機(jī)油。
§1-7 燃燒熱化學(xué)
一 燃料的完全燃燒
(一) 理論空氣量
1 目的: 1 kg燃料完全燃燒所需要的空氣量
2 已知條件: 1 kg燃料中所含 kg 碳, kg 氫氣, kg氧氣
汽油: [ kg/kg ], [ kg/kg ], [ kg/kg ]
柴油: [ kg/kg ], [ kgkg ], [ kg/kg ]
3 化學(xué)反應(yīng)方程式
4 需要總的 量
1 kmol 1 kmol 1 kmol 1 kmol kmol 1 kmol
1 kg kmol kmol 1 kg kmol kmol
kg kmol kmol kg kmol kmol
5 燃料中所含的 量
[ kg ] = [ kmol ]
6 所需空氣中的 量 = 總的 量-燃料中所含的 量
7 所需空氣量 (目的)
(1) kmol
空氣中氧氣成分約占21%,所以
[ kmol/kg ]
(2) kg
空氣的折合分子量為28.95,即 1 kmol 空氣 = 28.95 kg 空氣,所以
[ kg/kg ]
(3)
1 kmol 空氣 = 22.4 空氣,所以
[ /kg ]
(二) 過量空氣系數(shù)和空燃比
1 過量空氣系數(shù) a
表示混合氣的濃稀程度。a 大 ® 混合氣;a 小 ® 混合氣濃
一般,柴油機(jī): a > 1;汽油機(jī): a £ 1。
2 空燃比 A/F
表示混合氣的濃稀程度。A/F 大 ® 混合氣;A/F 小 ® 混合氣濃
(三) 分子變更系數(shù)
1 理論分子變更系數(shù)
® 容積變化大 ® 膨脹做功好 ®
(1) 完全燃燒:
(2) 不完全燃燒:
2 實(shí)際分子變更系數(shù)
其中 -1 kg 燃料燃燒后殘余廢氣的摩爾數(shù)。 -殘余廢氣系數(shù)。
二 燃料的不完全燃燒
(一) a £ 1-汽油機(jī)
1 假設(shè)燃料中的C 燃燒全部生成了 和 。其中 是中間產(chǎn)物,即不完
全燃燒產(chǎn)物。 是最終產(chǎn)物,即完全燃燒產(chǎn)物。
2 化學(xué)反應(yīng)方程式
3 需要總的 量
kg kmol kmol kg kmol kmol
kg kmol kmol
kg kmol kmol
4 燃料中所含的 量
[ kg ] = [ kmol ]
5 空氣中的 量 = 總的 量-燃料中所含的 量
所以
6 分析
(1)當(dāng) 時(shí),a = 1,
(2)a¯ ®
(3)a¯ ® 使 時(shí)
,C全部生成CO。此時(shí)的過量空氣系數(shù)稱為臨界a值。記為 。
所以
(4)a¯¯ ®
此時(shí)理論上 ,析出炭粒。
一般柴油機(jī)的 0.6~0.72。
(二) a > 1-柴油機(jī)
混合氣混合不均勻,局部過濃或過稀,造成燃燒不完全。缸內(nèi)情況十分復(fù)雜。
三 燃料和可燃混合氣的熱值
(一) 燃料的熱值
1 kg 燃料完全燃燒所產(chǎn)生的熱量 [ kJ ]。
加入水的汽化潛熱的熱值-高熱值
不加入水的汽化潛熱的熱值-低熱值
發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高溫,水只能以氣態(tài)存在,故應(yīng)取不加入水的汽化潛熱的熱值,
即低熱值。
汽油: 44100 [ kJ/kg ];柴油: 42500 [ kJ/kg ]
(二) 可燃混合氣的熱值
[ kJ/kmol ]
§1-8 發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的著火和燃燒方式 p
一 混合氣的著火
(一) 柴油機(jī)-低溫多級(jí)自燃
1 階段-混合階段
在壓縮過程終了時(shí),燃料噴入汽缸內(nèi)形成
可燃混合氣。燃料遇到溫度較高的空氣,開始
氧化,但速度緩慢,示功圖上的壓縮線沒有明
顯的變化;旌想A段,為著火做準(zhǔn)備。
2 階段-第一級(jí)反應(yīng)
燃燒的實(shí)質(zhì)是燃料的氧化反應(yīng),當(dāng)反應(yīng)速
度很快時(shí),火焰就會(huì)出現(xiàn)。經(jīng)過 時(shí)間后,反
應(yīng)加劇,出現(xiàn)冷火焰,缸內(nèi)壓力超過壓縮壓力。在這一階段,反應(yīng)生成醛類、過氧化物和一氧化碳等中間產(chǎn)物。要求混合氣較濃,a = 0.4~0.5。
3 階段-第二級(jí)反應(yīng)
溫度、壓力升高較大,產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)的活性中心,出現(xiàn)藍(lán)火焰;旌蠚庀〉枚,a略小于1。
4 時(shí)間后-第三級(jí)反應(yīng)
活性中心劇增,化學(xué)反應(yīng)加速,熱積累劇烈,發(fā)生爆炸,出現(xiàn)熱火焰;旌蠚飧,a » 1。
-著火延遲期
(二) 汽油機(jī)-高溫單級(jí)點(diǎn)燃
1 壓縮的是燃料與空氣的混合氣體, 在此過程中, 已經(jīng)進(jìn)行了一些化學(xué)反應(yīng)。
2 火花點(diǎn)火, 局部溫度高達(dá)20000℃以上, 該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基, 迅速反應(yīng)出現(xiàn)熱火焰, 瞬間擴(kuò)大到整個(gè)燃燒室內(nèi)。所以, 汽油機(jī)著火過程:
壓縮混合氣 ® 點(diǎn)火 (經(jīng)短暫著火延遲期) ® 熱火焰
三 燃燒方式
(一) 同時(shí)爆炸燃燒
取某一部分為系統(tǒng), 著火前后整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的相完全均勻一致。即相只隨 t(時(shí)間)座標(biāo)變化, 而不隨 x (位移)座標(biāo)變化, 為單相系, 均勻系。
柴油機(jī)上, 由于混合氣分配不是十分均勻, 總有某一部分混合氣最先著火(一般在噴油嘴附近), 取這一部分為系統(tǒng), 則系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的就是同時(shí)爆炸燃燒。
汽油機(jī)上, 由于火焰有傳播速度(雖然很快, 但相對(duì)同時(shí)爆炸燃燒卻很。, 傳播逐次進(jìn)行, 故顯然不是同時(shí)爆炸燃燒。但火花塞間隙處的少量混合氣在電火花作用下, 可實(shí)現(xiàn)同時(shí)爆炸燃燒,從而形成火焰中心。
(二) 逐漸爆炸燃燒
汽油機(jī)-火焰?zhèn)鞑ァ上嘞担旌蠚庀?(未燃區(qū)),燃燒產(chǎn)物相 (已燃區(qū))。
加熱從火花塞開始, 緊靠火花塞的那一部分混合氣首先被加熱, 使氧化或活性中心增多, 發(fā)生燃燒。燃燒又加熱下一層……, 一層一層傳播。燃燒主要在火焰前鋒面內(nèi)進(jìn)行;鹧媲颁h面前方的未燃區(qū)中是混合氣,火焰前鋒面后方的已燃區(qū)中為燃燒產(chǎn)物和一小部分在火焰前鋒面中沒有燃燒掉的燃料繼續(xù)燃燒。
(三) 擴(kuò)散燃燒
柴油機(jī)的燃燒方式, 三相-燃料相, 空氣相, 燃燒產(chǎn)物相。
柴油燃點(diǎn)比汽油低, 但在日常生活中汽油卻比柴油易燃, 原因就在于汽油的揮發(fā)性好, 油與空氣形成混合氣較快, 物理準(zhǔn)備過程已經(jīng)就緒, 一點(diǎn)即燃。柴油機(jī)中燃燒的快慢卻主要取決于物理準(zhǔn)備過程進(jìn)行的快慢。油滴遇熱蒸發(fā)形成燃料蒸汽, 然后才能燃燒, 并非油滴與空氣接觸就可燃燒。為防止燃燒產(chǎn)物將油滴與空氣隔開, 將組織空氣相對(duì)于油滴的氣流運(yùn)動(dòng), 將燃燒產(chǎn)物拋在后面。
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