第三章 内燃机的工作循环.pptVIP

第四节　内燃机的热平衡 图3-4　内燃机的热流图 一、有效功率Pe 有效功率是通过发动机曲轴输出的，不同转速和负荷工况下，发动机的有效功率可以在0~ Pemax之间变化。同一Pe工况下，η越大越好，其他项的热损失就越小，则就有更多的燃料燃烧释放的热量转化为有用功。 二、冷却项Q·cool 冷却项专指由发动机的冷却介质带走的那部分热量。内燃机缸内高温工质和与其接触的缸盖、缸套和活塞表面之间进行热量传递，再通过与它们接触的冷却介质实现热量的传导，避免受热零件温度(温差)过高造成破坏。如水冷机冷却水通过换热器带走的热量即为内燃机的冷却项，这部分热量包括了诸如活塞缸套之间摩擦热源等所产生的部分热量，但并不包括机器外表面与空气之间的对流换热量，虽然该部分热量的一部分是由冷却水传递的。如果使用水冷式机油冷却器，则机油冷却带走的那部分热量也属该冷却项。水冷的增压中冷器的换热也归此项。 三、排气项Q·ex 发动机热平衡中的排气项表示由排气带走的热量，用排气的焓来计算。 四、杂项损失Q·misc 图3-5　增压中冷柴油机热平衡图a) 20%负荷工况　b) 50%负荷工况　c) 100%负荷工况 第五节　内燃机工作过程的热力学模型 一、模型假定二、基本微分方程组三、缸内实际工作过程的计算四、进排气过程的计算五、内燃机性能的计算 一、模型假定 1) 不考虑气缸内各点的压力、温度与浓度的差异，认为缸内的状态是均匀的。2) 工质的比热容、比热力学能和比焓等热力学参数仅与气体的温度和气体的成分有关。3) 不考虑进排气系统压力和温度波动对进排气过程的影响，气体流动视为准稳定流动，且不计气体流入或流出时的动能。4) 不考虑通过活塞环组、气门等处的气体泄漏损失。 二、基本微分方程组 (1) 气缸工作容积　根据活塞连杆机构运动学的几何关系式导出气缸工作容积随曲轴转角的变化关系，其方程为(2) 气体流动　工质流进、流出气缸的质量流率，可根据流体力学中气体流经节流元件的计算关系导出，其一般的形式为(3) 热交变换　工质与活塞顶面、气缸壁面及缸盖底面的传热量计算式为(4) 放热规律　燃料的燃烧放热较为复杂，在本类模型中一般用一个简化的燃烧放热规律来代替实际燃烧放热过程，即认为燃料是按照一定的函数形式进行燃烧放热的，并且所放出的总热量以及所产生的结果(性能指标)与实际过程是一致的。(5) 工质物性　由于内燃机的工质是由空气与燃油组成的混合气，其组成成分在燃烧过程前后有明显的不同，精确计算其比热容、比焓、摩尔热力学能等物性参数，涉及缸内不同区域温度、未燃或已燃产物平衡等复杂的计算。 二、基本微分方程组 图3-6　气缸内工作过程计算简图 三、缸内实际工作过程的计算 应用上一小节建立的微分方程式(3-12)，结合补充的各种计算关系式［式(3-13)～式(3-18)］，即可对内燃机的实际工作过程进行零维热力学模拟计算。计算一般从压缩始点(进气门关闭时刻)开始，并预设一个缸内空气质量和残余废气系数，依次完成一个工作循环。当计算回到压缩始点时，比较两次计算结果，如果达不到精度要求，则将计算得到的终点参数作为初始参数，重新迭代计算，直至达到满意的精度。 根据缸内实际过程在各个阶段的不同特点，上述微分方程式中的有些项可以简化，具体计算时应注意赋给该项“0”值。下面依工作过程顺序对压缩、燃烧、膨胀和换气阶段(排气、叠开和进气)各个时期的计算要点分别作一些简要说明。 四、进排气过程的计算 对于进排气过程热力参数的计算，不仅要求解缸内过程的热力参数，有时还希望了解进排气道及管内的压力及温度波动情况，以预测或验证进排气系统的设计结果，开展发动机的增压匹配计算等。 进排气过程计算的最简单的方法是容积法，又称充满-排空法，实际上是把进排气管系看成是与原有管道容积相当的一个简单容器，把不稳定的气体流动过程简化为准稳定的流进或流出，即充满和排空；把一些存在压力降的元件(如空气滤清器、消声器、增压器、涡轮等)简化为节流元件。这样，对于简化后的简单容积系统，可以分别列出质量守恒方程、能量守恒方程以及气体状态方程，其形式与求解缸内参数的微分方程式相似，从而可以求解出进排气系统内气体的质量、压力、温度等热力学参数。 五、内燃机性能的计算 按照上述的数值模拟计算方法，可以求出气缸内的压力、温度随曲轴转角的变化关系，以及在整个循环中缸内工质质量、瞬时过量空气系数的变化情况等。根据模拟计算的缸内压力数据，就可以方便地计算出内燃机在该工况下的所有指示性能指标，如Pi、pmi、bi、ηit等。为了模拟计算出内燃机的有效性能参数，需要确定在该计算工况下的机械损失或机械效率，一般需考虑内燃机的形式、转速、气缸直径、负荷、增压压力、润滑油温度和冷却水温度等因素，由于内燃机的形式繁杂，工况多变，目前尚无