內(nèi)燃機原理第三章 工作循環(huán)及能量利用

1、本章要求本章要求HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家掌握理論循環(huán)模型及影響循環(huán)效率的因素；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；掌握從理論循環(huán)到實際循環(huán)的能量損失情況；掌握掌握ICE機械損失的構(gòu)成及機械效率的測量方法；機械損失的構(gòu)成及機械效率的測量方法；了解現(xiàn)代了解現(xiàn)代ICE的能量利用狀況；的能量利用狀況；掌握提高掌握提高ICE熱效率的技術(shù)措施。熱效率的技術(shù)措施。前前 言言HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家inTRpVlHPsssscaumtce20umtceHb1混合氣總量混合氣總量能量

2、轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換“質(zhì)質(zhì)”問題問題本章的研究目標：本章的研究目標：如何得到高的循環(huán)效率？如何得到高的循環(huán)效率？如何得到高的機械效率？如何得到高的機械效率？ICE工作過程研究內(nèi)容：工作過程研究內(nèi)容：工質(zhì)成分變化；工質(zhì)成分變化；熱能的轉(zhuǎn)化過程。熱能的轉(zhuǎn)化過程。目標：目標：高的循環(huán)效率高的循環(huán)效率低的污染物排放低的污染物排放工作過程研究難度：工作過程研究難度：工質(zhì)的質(zhì)和量是時間的函數(shù)；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；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）。存在摩擦、散熱、燃燒、節(jié)流等（不可逆）。HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效

3、率工質(zhì)工質(zhì)循環(huán)模式循環(huán)模式對對ICE工作過程的研究只能建立模型，進行定性分析！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：三種循環(huán)模式：理論循環(huán)（理論循環(huán)（Theoretical Cycle）工質(zhì)工質(zhì)理想氣體理想氣體循環(huán)循環(huán)理想循環(huán)理想循環(huán)理想循環(huán)（理想循環(huán)（Ideal Cycle）工質(zhì)工質(zhì)實際氣體實際氣體循環(huán)循環(huán)理想循環(huán)理想循環(huán)真實循環(huán)（真實循環(huán)（Real cycle）工質(zhì)工質(zhì)實際氣體實際氣體循環(huán)循環(huán)真實循環(huán)真實循環(huán)HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率一、理論循環(huán)（一、理論循環(huán)（ Theoretical Cycle ）HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家

4、功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率熱力循環(huán)構(gòu)成熱力循環(huán)構(gòu)成等熵壓縮等熵壓縮循環(huán)循環(huán)理想循環(huán)構(gòu)成封閉熱力系統(tǒng)理想循環(huán)構(gòu)成封閉熱力系統(tǒng)等容等容/等壓加熱等壓加熱工質(zhì)工質(zhì)理想氣體（空氣），物性參數(shù)不變理想氣體（空氣），物性參數(shù)不變等熵膨脹等熵膨脹定容放熱定容放熱1Q2QHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率循環(huán)類型循環(huán)類型封閉熱力循環(huán)：封閉熱力循環(huán)：絕熱壓縮絕熱壓縮等容等壓吸熱（燃燒放熱）等容等壓吸熱（燃燒放熱）絕熱膨脹絕熱膨脹等容放熱（進排氣換氣過程）等容放熱（進排氣換氣過程）等容（等容（isochoric）加熱循環(huán)）加熱循環(huán)等壓（等壓（isobaric）加熱循環(huán)

5、）加熱循環(huán)等容等壓混合加熱循環(huán)等容等壓混合加熱循環(huán)TDCBDCcVaVsV0pVparczb1Q等容加熱循環(huán)等容加熱循環(huán)奧托循環(huán)（奧托循環(huán)（Otto Cycle)2QHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率早期早期ICE活塞活塞運動速度低，運動速度低，汽油機接近汽油機接近等容加熱循環(huán)等容加熱循環(huán)HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率STaczb1Q2Q121QQtT-S圖圖TDCBDCcVaVsV0pVparzcb1Q等壓加熱循環(huán)等壓加熱循環(huán)狄賽爾循環(huán)（狄賽爾循環(huán)（Diesel Cycle）2QHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一

6、節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率早期早期ICE活塞活塞運動速度低，運動速度低，噴油壓力低，噴油壓力低，持續(xù)時間長，持續(xù)時間長，柴油機接近柴油機接近定壓加熱循環(huán)定壓加熱循環(huán)現(xiàn)代的低速現(xiàn)代的低速大功率柴油大功率柴油機（船舶）機（船舶）可簡化為等可簡化為等壓加熱循環(huán)壓加熱循環(huán)HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率STaczb1Q2QT-S圖圖TDCBDCcVaVsV0pVparzcz，b1Q1Q混合加熱循環(huán)（混合加熱循環(huán)（Sabathe Cycle）2QHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率現(xiàn)代現(xiàn)代ICE活塞活塞運動速度高，運動速度高，噴油壓力高

7、，噴油壓力高，均為混合加均為混合加熱循環(huán)熱循環(huán)HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率STacbVQ12QT-S圖圖zzpQ1TDCBDCcVaVsVkpVpbp1Q1Qczbz，TC-ICE的的Sabathe循環(huán)循環(huán)arr,a,2QHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率循環(huán)效率循環(huán)效率Otto循環(huán)循環(huán)效率循環(huán)循環(huán)效率:111ktDiesel循環(huán)循環(huán)效率循環(huán)循環(huán)效率:11111kkktSabathe循環(huán)循環(huán)效率循環(huán)循環(huán)效率:111111kkkt壓力升高比：壓力升高比：等容加熱過程中工質(zhì)壓力的升高比值。等容加熱過程中工質(zhì)壓力的升高比值。c

8、zpp預(yù)膨脹比：預(yù)膨脹比：等壓加熱過程中工質(zhì)的體積增大比值。等壓加熱過程中工質(zhì)的體積增大比值。zzVVHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率影響循環(huán)效率的因素影響循環(huán)效率的因素,kftl壓縮比的影響壓縮比的影響t增大壓縮比可以增大壓縮比可以提高提高ICE的循環(huán)的循環(huán)效率；效率；HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率壓縮比由壓縮比由8增加增加為為12，熱效率，熱效率提高提高1015，壓縮比壓縮比20，熱，熱效率提高不明顯。效率提高不明顯。acbzSTczb2Q1Q2Q1Qtt22QQ HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié)

9、循環(huán)效率循環(huán)效率同等吸熱量時：同等吸熱量時：zzl壓力升高比和預(yù)膨脹比的影響壓力升高比和預(yù)膨脹比的影響等容度：等容度：循環(huán)吸熱過程中循環(huán)吸熱過程中等容吸熱量占總吸熱量的等容吸熱量占總吸熱量的比率。比率。STzzacb1Qb2Q2Q1Qac22QQ 22tt提高等容度，可以提高提高等容度，可以提高ICE的循環(huán)效率的循環(huán)效率HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率VQ1VQ1VVQQ11吸熱量相同吸熱量相同等容度提高等容度提高11QQV在預(yù)膨脹比一定時，壓力升在預(yù)膨脹比一定時，壓力升高比對循環(huán)效率影響不大。高比對循環(huán)效率影響不大。在壓力升高比一定時，減小在壓力升高比一定

10、時，減小預(yù)膨脹比，會顯著提高循環(huán)預(yù)膨脹比，會顯著提高循環(huán)效率。效率。HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率等壓過程等壓過程等等容容過過程程pICE接近等容燃燒（高等容度），可以得到高循環(huán)效率；接近等容燃燒（高等容度），可以得到高循環(huán)效率；分析：分析：pCI-ICE負荷增大，循環(huán)噴油量加大，燃燒時間加長，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；預(yù)膨脹比加大，等容度下降，循環(huán)效率降低；pEFI的的SI-ICE把按照化學(xué)計量比混合氣進行控制，火焰?zhèn)鞑グ寻凑栈瘜W(xué)計量比混合氣進行控制，火焰?zhèn)鞑?速度快，等容度高，可得到較高的循環(huán)效率

11、。速度快，等容度高，可得到較高的循環(huán)效率。pCI-ICE多次噴射技術(shù)會降低循環(huán)效率。多次噴射技術(shù)會降低循環(huán)效率。pCI-ICE高壓噴射技術(shù)會提高循環(huán)效率；高壓噴射技術(shù)會提高循環(huán)效率；HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率l絕熱指數(shù)絕熱指數(shù)提高絕熱指數(shù)，提高絕熱指數(shù)，可以提高循環(huán)效率?？梢蕴岣哐h(huán)效率。tHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率吸熱量相同吸熱量相同 增大，增大， 、 減小、減小、工質(zhì)溫升增大，放熱工質(zhì)溫升增大，放熱量減小，循環(huán)效率提高量減小，循環(huán)效率提高kpcVc理論循環(huán)研究的意義理論循環(huán)研究的意義l提供提供ICE之間性能

12、比較的理論依據(jù)之間性能比較的理論依據(jù)l提供了改善提供了改善ICE性能的原則和方向性能的原則和方向p同一機型不同加熱模式比較同一機型不同加熱模式比較壓縮比、工質(zhì)吸熱量相同，吸熱形式不同壓縮比、工質(zhì)吸熱量相同，吸熱形式不同HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率p在允許的條件下在允許的條件下, 盡可能提高壓縮比盡可能提高壓縮比 , 尤其是汽油機；尤其是汽油機；p 合理組織燃燒合理組織燃燒, 提高循環(huán)加熱等容度（減少預(yù)膨脹比、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、壓燃同時著火合理選擇燃燒始點、壓燃同時著火 ）；）；p保證工質(zhì)具有較高的等熵指數(shù)（稀燃保證工質(zhì)

13、具有較高的等熵指數(shù)（稀燃 ）。）。zpbpacSTvmpQQQ111tvtmtp更高的等容度決定了等容加熱循環(huán)具有更高的效率更高的等容度決定了等容加熱循環(huán)具有更高的效率zmbmzvbvvQ2vQ1pQ1pQ2mQ2mQ1vmpQQQ222HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率STtvtmtp更高的壓縮比決定了等壓加熱循環(huán)具有更高的效率更高的壓縮比決定了等壓加熱循環(huán)具有更高的效率zvbvvQ2vQ1pQ1pQ2mQ2mQ1vmpQQQ111vmpQQQ222n不同機型比較不同機型比較zpbpacpbmzmcm線等maxp最高爆發(fā)壓力相同，最高爆發(fā)壓力相同，吸熱量相同

14、，壓縮比不同吸熱量相同，壓縮比不同cvHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率理論循環(huán)下理論循環(huán)下SI-ICE和和CI-ICE比較比較lCI-ICE壓縮比遠高于壓縮比遠高于SI-ICE，CI-ICE具有更高的循環(huán)效率，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；表現(xiàn)出更好的動力性和經(jīng)濟性；HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率lCI-ICE的的 比比SI-ICE低低15% 25%；minebl中、小負荷中、小負荷CI-ICE的的 比比SI-ICE低低30% 50%ebpCI-ICE負荷質(zhì)調(diào)節(jié)，負荷減小，噴油量減少負荷質(zhì)調(diào)節(jié)，負荷減

15、小，噴油量減少負荷負荷bg，ctebpSI-ICE負荷量調(diào)節(jié)，負荷減小，混合氣量減少負荷量調(diào)節(jié)，負荷減小，混合氣量減少負荷負荷bagm 火焰?zhèn)鞑ニ俣然鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?，cteb二、理想循環(huán)（二、理想循環(huán)（Ideal Cycle）研究理想循環(huán)的目的研究理想循環(huán)的目的HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率熱力循環(huán)構(gòu)成熱力循環(huán)構(gòu)成循環(huán)循環(huán)理想循環(huán)理想循環(huán)工質(zhì)工質(zhì)實際工質(zhì)實際工質(zhì)壓縮過程：空氣壓縮過程：空氣+燃料蒸氣燃料蒸氣+廢氣廢氣膨脹過程：廢氣膨脹過程：廢氣+空氣空氣工質(zhì)熱力參數(shù)與溫度、成分、分子結(jié)構(gòu)等有關(guān)工質(zhì)熱力參數(shù)與溫度、成分、分子結(jié)構(gòu)等有關(guān)l工質(zhì)特性參數(shù)對循環(huán)效率的影

16、響程度；工質(zhì)特性參數(shù)對循環(huán)效率的影響程度；lICE提高循環(huán)效率最高限度。提高循環(huán)效率最高限度。相對熱效率相對熱效率：真實循環(huán)循環(huán)效率與理想循環(huán)循環(huán)效率之比。真實循環(huán)循環(huán)效率與理想循環(huán)循環(huán)效率之比。ittrell最高燃燒溫度最高燃燒溫度分子結(jié)構(gòu),Tfccpvp比熱容比熱容HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率真實工質(zhì)對循環(huán)效率的影響真實工質(zhì)對循環(huán)效率的影響T/KcV、cp/(kJ/kg.k)kcVcpkRTcQvvTcQppTkpvcc ,Tt多原子分子數(shù)多原子分子數(shù)pvcc ,kTt在相同加熱量下，燃燒溫度越高，工質(zhì)比熱容升高越多，在相同加熱量下，燃燒溫度越高，工

17、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。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)生熱裂解高溫時，原子間的結(jié)合力減弱，產(chǎn)生熱裂解吸熱吸熱HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率p工質(zhì)的高溫裂解工質(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)膨脹過程溫度、壓力下降，進行逆向反應(yīng)放熱放熱放熱時間延長放熱時間延長高溫裂解吸熱高溫裂解吸熱1Qt2H2O+O24OH2H2H22OO22NON2+O2燃燒溫度越高、壓力越小，熱裂解越嚴重燃燒溫度越高、壓力越小，熱裂解越嚴重SI

18、-ICE高溫裂解程度高溫裂解程度CI-ICE高溫裂解程度高溫裂解程度l工質(zhì)分子變化數(shù)工質(zhì)分子變化數(shù)HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率p液體燃料液體燃料ICE，分子量大，不計燃料分子數(shù)，分子量大，不計燃料分子數(shù)p氣體燃料氣體燃料ICE，分子量小，計入燃料分子，分子量小，計入燃料分子ptpt分子變化數(shù)對分子變化數(shù)對ICE循環(huán)效率影響不大循環(huán)效率影響不大l混合氣濃度混合氣濃度1a未燃燃料量未燃燃料量1Qt多原子分子數(shù)多原子分子數(shù)ktT燃燒溫度燃燒溫度HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率kT/K濃度增大濃度增大1a單雙原子數(shù)單雙原子數(shù)k

19、tHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率空氣量空氣量T燃燒溫度燃燒溫度采用稀薄燃燒可采用稀薄燃燒可以得到高循環(huán)效率以得到高循環(huán)效率燃空當(dāng)量比燃空當(dāng)量比循環(huán)效率循環(huán)效率CI-ICE比比EF具有具有更高的循環(huán)效率更高的循環(huán)效率HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率l殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣量殘余廢氣量燃燒速度燃燒速度t三原子分子數(shù)三原子分子數(shù)ktSI-ICE殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù)rgCI-ICE殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù)rdSI-ICE循環(huán)效率較低循環(huán)效率較低ICE的的EGR率越大，等容度下降越多，三原子氣體率越大，等容度下降越多

20、，三原子氣體含量越多，循環(huán)效率越低。含量越多，循環(huán)效率越低。EGR降低排放以性能損失為代價降低排放以性能損失為代價理想循環(huán)下理想循環(huán)下SI-ICE和和CI-ICE比較比較l大負荷時大負荷時2 . 18 . 0ag0 . 73 . 1adrdrgHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率l小負荷時小負荷時tdtgdgTTmaxmaxtdtgrdrgtdtgSI-ICE加濃加濃 很小，很小，CI-ICE的的 很很 大大agadtgdgTTmaxmaxtdtgtdtg在小負荷、大負荷工況下，在小負荷、大負荷工況下，SI-ICE的經(jīng)濟性低的經(jīng)濟性低30%50%TDCBDCcV

21、aVsV0pVp理論循環(huán)理論循環(huán)理想循環(huán)理想循環(huán)kk 傳熱、流動、不完全燃燒傳熱、流動、不完全燃燒工質(zhì)泄漏等工質(zhì)泄漏等時間損失時間損失后燃損失后燃損失換氣損失換氣損失czbbcarHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率三、真實循環(huán)三、真實循環(huán) （Real Cycle）傳熱、流動、不完全燃燒和泄漏損失傳熱、流動、不完全燃燒和泄漏損失換氣損失換氣損失時間損失時間損失后燃損失后燃損失四大損失四大損失工質(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%。HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效

22、率循環(huán)效率傳熱損失傳熱損失(總加熱量的總加熱量的6)真實循環(huán)并非絕熱過程真實循環(huán)并非絕熱過程, 通過氣缸壁面、缸蓋底面、活塞頂面通過氣缸壁面、缸蓋底面、活塞頂面向外散熱。向外散熱。散熱量：散熱量：dTTFQWW)(HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率式中：式中：壓縮行程：前期吸熱，壓縮行程：前期吸熱， 后期散熱，后期散熱， 使壓縮線略下降使壓縮線略下降有利有利Fw 散熱面積，散熱面積， Fw =f（ ）；）；傳熱系數(shù)；傳熱系數(shù)；T缸內(nèi)工質(zhì)溫度，缸內(nèi)工質(zhì)溫度， T= f（ ）；）；Tw 燃燒室壁面溫度。燃燒室壁面溫度。作功行程：溫差大，作功行程：溫差大， 散熱強烈

23、，散熱強烈， 使使pz和膨脹線下降和膨脹線下降不利不利作功行程壓力線下降幅度遠大于壓縮線作功行程壓力線下降幅度遠大于壓縮線動力過程功減小動力過程功減小時間損失時間損失實際燃燒及向工質(zhì)加熱不可能瞬間完成實際燃燒及向工質(zhì)加熱不可能瞬間完成l點火點火(噴油噴油)提前，使有用功面積下降，循環(huán)效率下降；提前，使有用功面積下降，循環(huán)效率下降；lpz出現(xiàn)在出現(xiàn)在TDC后后1015 CA，非等容加熱，有用功面積減小。，非等容加熱，有用功面積減小。HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率換氣損失換氣損失l排氣門早開，造成膨脹功損失；排氣門早開，造成膨脹功損失；l泵氣損失功（泵氣損失功

24、（W2W3）。）。不完全燃燒損失不完全燃燒損失l正常燃燒時，也有正常燃燒時，也有 c100%；l不正常燃燒、不正常燃燒、 a 1等，等， t 下降較大。下降較大。缸內(nèi)流動損失缸內(nèi)流動損失流動增強以及提高渦流與湍流程度，流動增強以及提高渦流與湍流程度， t 下降下降原因：原因：流動造成能量損失、散熱損失流動造成能量損失、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)泄漏損失 HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)效率循環(huán)效率工質(zhì)和循環(huán)方面的差異，使得：工質(zhì)和循環(huán)方面的差異，使得：理論循環(huán)效率理論循環(huán)效率實際循環(huán)效率實際循環(huán)效率

25、 =1020百分點百分點曲軸箱竄氣造成的工質(zhì)泄露，損失相對較小。曲軸箱竄氣造成的工質(zhì)泄露，損失相對較小。該差別是改善該差別是改善ICE循環(huán)效率的基本原則循環(huán)效率的基本原則機械損失各機械損失各部分所占份額部分所占份額SICISICISICI180020018006003600400轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速平均有效壓力平均有效壓力泵氣功損失泵氣功損失曲柄、連桿、活塞損失曲柄、連桿、活塞損失其它附件損失其它附件損失高壓油泵損失高壓油泵損失配氣機構(gòu)損失配氣機構(gòu)損失HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效

26、率機械損失和機械效率機械效率機械效率：memimiemWWWWWWW11memimiemPPPPPPP11msmmPVnip2一、機械損失的組成一、機械損失的組成（一）機械摩擦損失（一）機械摩擦損失%8050mfWplmemfmPPPP活塞組件摩擦活塞組件摩擦軸承摩擦軸承摩擦配氣機構(gòu)摩擦配氣機構(gòu)摩擦其它損失其它損失運動件的空氣動力損失運動件的空氣動力損失HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率正時齒輪、鏈輪、帶輪的傳動損失正時齒輪、鏈輪、帶輪的傳動損失連桿大頭攪油損失連桿大頭攪油損失曲軸箱內(nèi)空氣壓縮和通風(fēng)損失曲軸箱內(nèi)空氣壓縮和通風(fēng)損失活塞連桿組件

27、和曲軸軸承摩擦損失高，轉(zhuǎn)速、負荷增大，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。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：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?？諌簷C、空濾器、風(fēng)扇和消聲器。（三）泵氣功損失（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。進排氣過程中工質(zhì)流動時的節(jié)流和摩擦損失。HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率轉(zhuǎn)速、負荷增大，驅(qū)動附件損失也增大。轉(zhuǎn)速、負荷增大，驅(qū)

28、動附件損失也增大。%40%5PlW（二）驅(qū)動附件損失（二）驅(qū)動附件損失%10meWSI-ICE小負荷和高速，泵氣損失大小負荷和高速，泵氣損失大負荷對負荷對CI-ICE泵氣損失影響小泵氣損失影響小高轉(zhuǎn)速時泵氣損失高高轉(zhuǎn)速時泵氣損失高HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率平均機械損失壓力平均機械損失壓力/kPa轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速/（r/min）曲軸與密封曲軸與密封活塞連桿組活塞連桿組配氣機構(gòu)配氣機構(gòu)油泵油泵水泵與發(fā)電機水泵與發(fā)電機SI-ICE的試驗結(jié)果的試驗結(jié)果各種各種ICE標定工況下的機械效率：標定工況下的機械效率：SI-ICE：80% 90%CI-ICE

29、：78% 85%增壓增壓CI-ICE：80% 92%分析：增壓內(nèi)燃機為什么具有更高的機械效率？分析：增壓內(nèi)燃機為什么具有更高的機械效率？HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率二、機械損失的測定方法二、機械損失的測定方法（一）示功圖法（一）示功圖法測量方法測量方法用燃燒分析儀測量工況點（用燃燒分析儀測量工況點（ ， ）下的示功圖，）下的示功圖，測算測算 ，計算，計算 、 、 和和 。ntqTiWePeWmWm示功圖法可以得到示功圖法可以得到ICE的機械損失、機械效率運行特性。的機械損失、機械效率運行特性。注意事項注意事項l準確標定準確標定TDC位

30、置；位置；lNA-ICE測量面積為測量面積為 代表的面積；代表的面積；CPWl提高面積計算離散化精度；提高面積計算離散化精度；HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率l各個缸均需測量。各個缸均需測量。TDC位置設(shè)置不準確位置設(shè)置不準確對機械效率有什么影響？對機械效率有什么影響？TDCp CABDCBDC HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率如果：如果：TDC位置靠前位置靠前BDCBDC1W2WTDCBDC CABDC pTDC1W2W3WHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損

31、失和機械效率機械損失和機械效率)()(211322WWWWWWWWWcwi測得的測得的 偏高偏高iWiemWW偏小偏小)()()(123212WWWWWWWi12WW32WWHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率TDCBDC CABDC p如果：如果：TDC位置靠后位置靠后BDCBDC 3W2W1W2WTDC1WHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率測得的測得的 偏低偏低iWiemWW偏高偏高)()(211322WWWWWWWWWcwi)()()(123212WWWWWWWi12WW32WWHI

32、T規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率（二）反拖法（倒拖法）（二）反拖法（倒拖法）測量方法測量方法使使ICE正常運行在工況點（正常運行在工況點（ ， ）測取）測取 ，停油、斷火，用停油、斷火，用電力測功機電力測功機反拖反拖ICE按同等轉(zhuǎn)速按同等轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，測量測功機的功率損耗，即為運轉(zhuǎn)，測量測功機的功率損耗，即為 。ntqTmPePHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率電力測功機電力測功機ICE聯(lián)軸器聯(lián)軸器注意事項注意事項電力測功機價格昂貴，反拖法電力測功機價格昂貴，反拖法不適合大功率不適合大功率IC

33、E，僅適用于，僅適用于中小功率的中小功率的NA-ICE。誤差分析誤差分析HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率l無燃燒，缸內(nèi)壓力低，活塞環(huán)摩擦損失減小；無燃燒，缸內(nèi)壓力低，活塞環(huán)摩擦損失減??；l排氣阻力加大（無自由排氣），泵氣損失增大；排氣阻力加大（無自由排氣），泵氣損失增大；l潤滑油粘度加大，摩擦損失增大；潤滑油粘度加大，摩擦損失增大；l不可逆，壓縮、膨脹線不重合，增大機械損失。不可逆，壓縮、膨脹線不重合，增大機械損失。SI-ICE壓縮比小，誤差小壓縮比小，誤差?。ㄈ绺追ǎㄈ绺追y量方法測量方法設(shè)設(shè)ICE有有N個缸。使個缸。使ICE正

34、常運行在工況點（正常運行在工況點（ ， ）測取測取 ，使其中一個缸停止作功，減小測功機載荷，使其中一個缸停止作功，減小測功機載荷，使使ICE恢復(fù)到原轉(zhuǎn)速，測取恢復(fù)到原轉(zhuǎn)速，測取N-1缸工作的功率缸工作的功率 ，ICE功率的降低值，認為是所滅氣缸的指示功率功率的降低值，認為是所滅氣缸的指示功率 。依次滅缸，測試依次滅缸，測試N次，就可得到整機的次，就可得到整機的 。ntqTePieP）（iiPiPHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率 NieeNieeNiiiPPNPPPP111 NieeeimPPNPPP1) 1( NieeeiemPPNPPP

35、1注意事項注意事項l用滅缸法測量用滅缸法測量SI-ICE機械效率，注意安全，滅缸一定機械效率，注意安全，滅缸一定要斷油。要斷油。HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率誤差分析誤差分析l本質(zhì)是反拖法，存在反拖法的誤差；本質(zhì)是反拖法，存在反拖法的誤差；l滅缸，影響進氣動態(tài)效應(yīng)；滅缸，影響進氣動態(tài)效應(yīng)；l兩個大數(shù)相減，加大誤差。兩個大數(shù)相減，加大誤差。l進氣動態(tài)效應(yīng)要求嚴格的進氣動態(tài)效應(yīng)要求嚴格的ICE，慎用該方法。，慎用該方法。（四）油耗線法（四）油耗線法測量方法測量方法測量測量ICE在某個轉(zhuǎn)速下的負荷特性，制作燃油消耗率的在某個轉(zhuǎn)速下的負荷特性，

36、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，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。機械損失功率。mmmememeempppPPPHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率良好線性良好線性ammpHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率常數(shù)n注意事項注意事項油耗線法不適用于油耗線

37、法不適用于SI-ICE和大功率和大功率CI-ICE。各種測量方法的使用范圍：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；所有內(nèi)燃機均可使用示功圖法測量機械效率；大功率大功率ICE最佳方法是滅缸法（最佳方法是滅缸法（費油費油）；）；中小功率的增壓中小功率的增壓ICE，如果燃油消耗率的負荷特性線，如果燃油消耗率的負荷特性線 線性度高，可采用油耗線法；線性度高，可采用油耗線法；SI-ICE最佳方法是反拖法。最佳方法是反拖法。HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率三、影響機械效率的因素三、影響機械效率的因素1、ICE運行參數(shù)的影響運

38、行參數(shù)的影響mWnmfWmeWPlWmeemWWWHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率當(dāng)當(dāng)ICE的負荷（油門、油量拉桿位置）不變時，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。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，中高速時低速時機械效率曲線平坦，中高速時 的快速增大，的快速增大，機械效率下降速度很快。機械效率下降速度很快。PlW機械效率速度特性機械效率速度特性nm油門開度一定油門開度一定HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率高速快速下降高速快速下降機械效率負荷特性

39、機械效率負荷特性ePm轉(zhuǎn)速一定轉(zhuǎn)速一定油門開度油門開度 市區(qū)運行車輛，市區(qū)運行車輛，關(guān)注小負荷的關(guān)注小負荷的機械效率問題機械效率問題HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率怠速（怠速（idle）ePmPemmeemPPPPP112、潤滑條件對機械效率的影響、潤滑條件對機械效率的影響1）潤滑油的作用）潤滑油的作用減摩減摩密封密封冷卻冷卻清洗清洗2）ICE對潤滑油的要求對潤滑油的要求防銹防銹良好的運動粘度、粘溫特性和抗氧化能力。良好的運動粘度、粘溫特性和抗氧化能力。3）ICE潤滑油的分類標準潤滑油的分類標準SAE標準（粘度等級）：標準（粘度等級）：S

40、AE （W）數(shù)字數(shù)字“ ”夏季夏季99 的粘度，的粘度，20、30、40冬季冬季-18 的粘度（的粘度（W），），0、5、10、 15、20、25HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率SAE黏度等級黏度等級使用環(huán)境溫度范圍（使用環(huán)境溫度范圍（）0W-45155W-401010W-35515W-25020W-20525W-151020-1030300304010405W/40-353010W/40-303015W/40-204020W/40-1040HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率美國美國A

41、PI標準標準S ： 為為A、B、C、D、E、F、G、HC ： 為為A、B、C、D、E、F我國標準我國標準 Q 為為A、B、C、D、E、F、G 為為100 運動粘度運動粘度 C 為為A、B、C、D、E 為為100 運動粘度運動粘度SI-ICE常用潤滑油：常用潤滑油：30QB、40QB-10、15（老標準）（老標準） -SAE30、SAE40-SH（API） CI-ICE常用潤滑油：常用潤滑油：30CA、40CA-11、14（老標準）（老標準） -SAE30、SAE40-CF（API） HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第二節(jié)第二節(jié) 機械損失和機械效率機械損失和機械效率燃料燃料+空氣空氣壓縮壓

42、縮膨脹膨脹摩擦、輻射摩擦、輻射冷卻冷卻排氣排氣作功作功最大作功能力最大作功能力熱能熱能燃燒燃燒換氣換氣一、一、ICE能量平衡能量平衡HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用CI-ICESI-ICE100%100%熱量熱量損失損失30%32%33%35%廢氣廢氣冷卻冷卻28%30%30%32%摩擦和輻射摩擦和輻射7%9%7%9%有用功有用功30%35%25%30%HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用實際有用功實際有用功1/3（強）（強）排氣帶走熱排氣帶走熱1/3冷卻液帶走熱冷卻液帶走熱

43、1/3（弱）（弱）燃料化學(xué)能流向燃料化學(xué)能流向二、二、ICE能量合理利用能量合理利用（一）現(xiàn)代（一）現(xiàn)代ICE的能量利用狀況的能量利用狀況現(xiàn)代現(xiàn)代ICE最高燃燒溫度最高燃燒溫度1100K，環(huán)境溫度，環(huán)境溫度293K卡諾循環(huán)熱效率：卡諾循環(huán)熱效率：%7311002931112TTtcHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用100%61%53.5%45%38%受卡諾限制受卡諾限制屬于屬于ICE極限極限值，除非改值，除非改變循環(huán)模式變循環(huán)模式采用改進技術(shù)采用改進技術(shù)的提高空間只的提高空間只有有8.5%的空間的空間通過提高通過提高機械效率機械效率的

44、改善空的改善空間有間有7%HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用汽油機汽油機25% 30%（GDI：35%）柴油機柴油機30% 40%增壓柴油機增壓柴油機30% 45%現(xiàn)代現(xiàn)代ICE熱效率熱效率（二）提高（二）提高ICE有效效率的途徑有效效率的途徑改變循環(huán)模式改變循環(huán)模式超膨脹超膨脹ICE思想：思想：Atkinson循環(huán)和循環(huán)和Mill循環(huán)循環(huán)HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用aVsVTDCBDCcV0pVpzcz，baaVb，等壓放熱等壓放熱Atkinson循環(huán)循環(huán)HIT規(guī)格嚴

45、格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用TSaczzbbaVsVTDCBDCcV0pVpzcz，baaVMill循環(huán)循環(huán)等容放熱等容放熱a，b，等壓放熱等壓放熱HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用TSaczzbbb”超膨脹超膨脹ICE問題：沖程長，結(jié)構(gòu)不允許問題：沖程長，結(jié)構(gòu)不允許實用的實用的Mill循環(huán)：循環(huán)

46、：cacaeVVVV膨脹比膨脹比NA-ICETC-ICE必須采用必須采用VVT、VVL技術(shù)技術(shù)HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用熱效率熱效率/%平均指示壓力平均指示壓力/0.1MPaHIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用增壓小排量技術(shù)（增壓小排量技術(shù)（downsizing）基本思想：基本思想：保證動力性不變，增壓減小保證動力性不變，增壓減小ICE排量。排量。優(yōu)點：優(yōu)點：l小排量，泵氣損失小，活塞環(huán)摩擦損失??；小排量，泵氣損失小，活塞環(huán)摩擦損失??；l相同功率下，小排量平均有效壓力高

47、。相同功率下，小排量平均有效壓力高。排量排量/cm3熱效率熱效率/%5%8.1%5%16.4%熱效率范圍熱效率范圍熱效率范圍熱效率范圍GDI技術(shù)技術(shù)GDI稀燃（稀燃（lean burn）有效提高）有效提高ICE的經(jīng)濟性。的經(jīng)濟性。經(jīng)經(jīng)濟濟性性改改善善程程度度降低泵氣功降低泵氣功8.5%11.5%高絕熱指數(shù)、壓縮比高絕熱指數(shù)、壓縮比和低散熱和低散熱1.2%-4.7%高燃燒效率高燃燒效率換氣流通面積減小換氣流通面積減小16.5%HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用HIT規(guī)格嚴格規(guī)格嚴格功夫到家功夫到家第三節(jié)第三節(jié) ICE能量分配與合理利用能量分配與合理利用GDISpark plugFuel Injector可變技術(shù)可變技