发动机基本知识教学规划报告.pdf

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1、上海理工大学 3 第第一一部分部分 实际循环热力过程计算实际循环热力过程计算 热力过程计算的目的在于， 在设计内燃机的过程中， 大致确定缸内压力和温度的变化情况， 绘制示功图，为以后的动力计算提供原始数据。同时，它可对发动机方案设计中确定的指标、 尺寸和结构起到一定的校核作用。 柴油机和汽油机的热力计算方法很类似，下面以四缸四冲程汽油机为例说明热力计算方法。 一、燃烧热化学计算一、燃烧热化学计算 设 1kg 燃料中 C、H、O 的含量分别为 C g， H g和 O gkg，则 C g+ H g+ O g=1kg 1kg 燃料完全燃烧所需要的理论空气量为： ) 32412 ( 21.0 1 0

2、OHC ggg L= 1 0.21 （ 0.855 12 + 0.145 4 ） = 0.512kmol/kg 燃烧前，混合气总量为： T m LM 1 01 =1 0.512 + 1 114 = 0.521/ 对于汽油机，当=0.851.05 时可获得最大功率，所以可在此范围内选择一个。取=1.0 燃烧产物的总量（不完全燃烧） ： 02 79. 0 212 222 L gg MMMMM HC NOHCOCO =0.855 12 + 0.145 4 + 0.79 1 0.512 = 0.548/ 所以： T OH m gg LMMM 1 324 )1 (21. 0 012 =0.548 0.5

3、12 = 0.027kmol/kg 理论分子变更系数： T T OH m L m gg L M M 1 1 324 )1 (21. 0 11 0 0 1 0 =1+ 0.027 0.521 = 1.05 对于四冲程汽油机，残余废气系数=0.060.16，在此范围内取=0.1。 实际分子变更系数： 1 0 1 2 r r MM MM =1.05+0.1 1+0.1 = 1.045 二、换气过程参数计算二、换气过程参数计算 上海理工大学 4 1 1进气终点压力进气终点压力 a p 汽油机 a p=（0.850.95）bar,取= 0.9bar 2 2排气终了温度排气终了温度 r T 四冲程汽油机

4、r T=9001100K,取=900K. 3 3进气终了温度进气终了温度 a T a T的大小受进气温度 0 T、残余废气的热焓量、高温零件对新鲜充量的加热和充量动能转化 为热能等因素的影响。 设后两种因素使新鲜充量得到T的温升， 一般T=525C,取T = 25C。 在进气终点，缸内工质由残余废气和新鲜充量组成，将两者作为一封闭体系考虑： Q=U +W 因为Q、W均为 0，所以U=0。在 a 点工质的内能由新鲜充量和残余废气的内能组成： )()( 01 1 TTcMTcMTcMM vrvravr 因为不大，近似认为 vvv ccc ，所以有： TTTT ra 0 )1 ( 1 0r a TT

5、T T= 298+25+0.1900 1+0.1 =375.4K。 一般四冲程汽油机 a T=340380K。 4 4充气效率充气效率 v sh v M M1 其中，M1实际进入气缸的新鲜空气的 kmol 数； Msh进气管状态充满气缸工作容积的 kmol 数。 在进气终点 a，缸内工质数量为： )1 ( 11 MMMM ra 把 1 1 8314 1 a aa T Vp M， 0 0 8314T Vp M h sh 代入 v 关系式得： 1 1 11 1 0 0 0 0a a a a h a v T T p p T T p p V V = 90.092981 （91）0.1375.4（1+0

6、.1） = 0.713 一般顶置气阀的=8.09.0 左右，取 = 9，四冲程顶置气阀汽油机 v =0.750.85。 5 5排气终了压力排气终了压力 r p 上海理工大学 5 依据统计资料，汽油机 r p=（1.051.2）bar，取= 1.1=0.11MPa 三、压缩过程计算三、压缩过程计算 1 1平均多变压缩指数平均多变压缩指数 1 n 汽油机 1 n=1.321.38,取1= 1.32. 2 2压缩过程中任意点的压力压缩过程中任意点的压力 cx p 1 n cx a acx V V pp 其中， cx V为 x 点的气缸容积： 222 sin1 1 cos 1 1 4 1 RDVV c

7、cx 因为 ) 1( h c V V，RDSDVh 22 5 . 025. 0，所以： 22 sin1 1 cos 1 21 15 . 0 hcx VV 其中，为从上止点算起的曲轴转角， L R 称为曲柄连杆比。 对于汽油机，一般 = 1 3.2 1 3.8，取 = 1 3.5. 3 3压缩终点压力压缩终点压力 c p和温度和温度 c T 1 n ac pp= 0.09 91.32=1.6MPa 1 1 n ac TT= 375.4 91.321=758.3K 一般汽油机 c p=8.520bar， c T=600750K. 四、燃烧过程计算四、燃烧过程计算 在汽油机实际燃烧、膨胀和排气过程的

8、近似计算中，将燃烧、膨胀和排气过程分别按定容 加热、多变过程和定容放热过程来处理。并假定活塞到上止点时开始燃烧，略取上止点前的燃 烧及后燃现象。最后求得 z、b 各点的参数后，用棱角修圆的方法使之接近实际循环过程。 在任一时刻进入气缸的每 kg 燃料只能放出 u xHkJ的热量，其中 u H为燃料的低热值，x 为放热系数。 u xH的热量， w Q部分传给缸壁， 另外 u H部分用来增加工质内能和完成机械功。 所以： w uu QxHH 上海理工大学 6 其中，为热量利用系数，汽油机在 z 点 的热量利用系数 z =0.850.95,取 z =0.9。 列出 z 点的能量守恒方程式： czcz

9、 u z WUUH 其中， z U、 c U工质在 z 点和 c 点的内能； cz W明显燃烧期工质所作的机械功。 方程式右边： zvrz tcMMU 2 )( cvrc tcMMU 1 )( 其中， 1 M、 2 M、 r M代表新鲜充量、燃烧产物和残余废气的 kmol 数； z t、 c tz 点和 c 点的温度（C） v c、 v c燃烧产物、空气残余废气混合气的平均等容 mol 比热（kg/kmol.K） 。 对于汽油机，按照等容循环计算，所以 cz W=0，所以： cvrzvrcz u z tcMMtcMMUUH 1 2 )()(，化简得： zvcv u z tctc M H 1 )

10、1 ( 若1， 燃烧不完全， 燃料中一部分热量 u H未能放出， 所以应以 （ uu HH） 代入上式： zv cvuuz tc tc M HH 1 )1 ( )( 其中，)1 (61100 u H kJ/kg 燃料 上海理工大学 7 假定新鲜混合气的比热等于空气的比热， 查表可得 c tt 时的比热 v c=21.586kJ/(kmol.K)。 同样查表可得=1.0， c tt 时，燃烧产物的比热 v c=23.886kJ/(kmol.K)。 v c利用下式进行计算： 1 vv v cc c=30.7kJ/(kmol.K)。 将 v c、 v c、 u H可求出 v c z t= 0.944

11、100 1.045（1+0.1）0.521 + 30.7485.3 1.045 = 76396.6 。然后利用试凑法，可得出 z t=2300 和 z T=2573K 压力升高比 c z T T =1.045 2573 758.3 = 3.5 燃烧终了压力： cz pp= 3.5 1.6 = 5.6MPa 对于汽油机=2.04.0， z p=3080bar， z T=22002800K。 五、膨胀过程的计算五、膨胀过程的计算 1 1平均多变膨胀指数平均多变膨胀指数 2 n 汽油机 2 n=1.21.28,取 2 n=1.2。 2 2膨胀过程任一点膨胀过程任一点x x的压力的压力 bx p 上海

12、理工大学 8 22 n zz n bxbx VpVp， 2 n bx z zbx V V pp 3 3膨胀终点的压力膨胀终点的压力 b p和温度和温度 b T 2 n z b p p = 5.6 91.2 = 0.4 1 2 n z b T T = 2573 91.21 = 1653 汽油机 b p=35bar， b T=15001700K。 六、平均指示压力六、平均指示压力 i p的计算的计算 如右图所示， 每个气缸指示功的多少取决于压缩线和膨胀线所包围的面积 aczb （未圆角化） 。 未圆角时的指示功设为 i W： aczbi WWW b z b z V V V V n z zzb dV

13、 V V ppdVW 2 1 22 2 1 1 11 n ccbbzz n Vp n VpVp 同理，可得： ac W 1 11 1 1 1 11 n ccaacc n Vp n VpVp 平均指示压力 i p： i p= h i V W = 1 1 1 2 12 1 1 1 11 1 11 nn c nn p =0.95MPa 实际示功图要用一个小于 1 的丰满系数 i 对 i p进行修正，所以： iii pp=0.95 0.95 = 0.9MPa 四冲程发动机 i =0.920.97 取 i =0.95，汽油机偏高限。四冲程汽油机 i p=713bar。 七、循环的主要参数七、循环的主要参

14、数 指示热效率 i 和指示油耗率 i g： v i u i p p T H M 0 01 314. 8=8.3140.5212980.9 441000.10.713 = 0.369 上海理工大学 9 i u i H g 6 106 . 3 = 3.6106 441000.713 = 221.2/(.) 有效热效率 e 和有效油耗率 e g： mie =0.3690.85=0.31 m i e g g =221.2 0.85 = 260.2/(.) 四冲程汽油机 m =0.800.90,取 m =0.9。 平均有效压力 e p： mie pp=0.9 0.85 = 0.765MPa 对于四冲程汽

15、油机： i =0.250.4， i g=230340g/kW.h， e =0.20.3， e g=270410g/kW.h e p=610bar。 八、发动机的主要尺寸八、发动机的主要尺寸 发动机排量 h iV： h iV np N e e 300 =0.748L 气缸工作容积- h V 活塞行程： 2 25. 0D V S h =62mm（取整） 活塞平均速度 30 Sn Cm=0.0615500 30 =11.3m/s 验算有效功率： 120 nVpi N he e =40.7650.1875500 120 =26.23kW 要求误差100 e ee N NN %=26.2326.7 26

16、.7 100%=1.76%2%。 九、四冲程汽油机实际近似九、四冲程汽油机实际近似 p pV V 示功图和示功图和 p p 示功图的绘制示功图的绘制 汽油机的点火提前角=2035CA，取=20，着火延迟期= 46CA，取= 5，当 燃烧最高压力出现在上止点后 1015CA 时，可使动力性经济性获得最佳的效果。取燃烧最高 压力出现在 TDC 后 10CA 的位置。 上海理工大学 10 在实际示功图上 max p m M， dt d 0，增加； 当 tot M m M， dt d 0，减小； 当 tot M= m M， dt d =0，达到瞬间极值。 假定下图是某发动机的总扭矩曲线图和曲轴角速度变

17、化曲线， 图中m-m线表示平均扭矩值， 则m-m线以上扭矩曲线所包围的面积代表“剩余功” ，而m-m线以下扭矩曲线所包围的面积则 为“不足功” 。不难看出，最大的转速变化将出现在 1 与 4 处；即角速度最小值 min 出现在点 1 处，最大值 max 出现在点 4 处。 0 I 上海理工大学 29 由于： d d d d dt d d d dt d 2 2 1 ，所以： 2 )( 2 0 d IdMM mtot 对上式在 1 到 4 范围内积分： 4 1 max min 2 0 2 min 2 max 0 2 0 22 mmtot I Id IdMME 式中，E代表点 1 与点 4 之间曲轴

18、扭矩所作功的最大“剩余功” 。以下图为例，E应等 于图中（面积A1+面积A2-面积A3）所代表的数值： M AAAE)( 321 ， M 、 纵、横坐标比例尺。 通过计算求得E=466kJ 所以 2 0 m E I = 466 57620.025 = 0.056kg 2 其中是内燃机总的转动惯量，主要由三部分组成：飞轮的转动惯量 1 I、曲柄连杆机构回 转件的转动惯量 2 I和往复运动件的转动惯量 3 I。其它部分（凸轮轴、齿轮等）影响较小，可 忽略不计。所以 = 1 I+ 2 I+ 3 I 回转件的转动惯量 2 I可近似取为： 2 2 RmiI r =41.23 0.0312= 0.0047

19、kg 2 往复运动件的转动惯量 3 I可近似取为： 2 3 2 1 RimI j =1 2 4 0.65 0.0312= 0.0012kg 2 0 I 0 I 上海理工大学 30 这样，所需飞轮的转动惯量为： 2 3201 )( ffR mIIII=0.056-0.0047-0.0012=0.05 kg 2 式中， f m飞轮的质量； f R飞轮的惯性半径。 取飞轮的质量为 4kg,此时= 0.112 = 112 当 飞 轮 的 材 料 为 铸 铁 时 ， = 6.8 103/3， 此 时 飞 轮 的 厚 度 S= 2= 4 3.146.81030.1122 = 0.015 = 15mm。考虑到飞轮并不是实心的，所以将飞轮的厚度 增加到 25mm。