第1章-发动机的性能

1、第一章第一章 发动机的性能发动机的性能 王海伟王海伟 西北工业大学机电学院西北工业大学机电学院 第一节第一节 发动机理论循环发动机理论循环 第二节第二节 四冲程发动机的实际循环四冲程发动机的实际循环 第三节第三节 发动机的指示性能指标发动机的指示性能指标 第四节第四节 发动机的有效性能指标发动机的有效性能指标 第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率 第六节第六节 热平衡（自学）热平衡（自学） 第一节第一节 发动机理论循环发动机理论循环 将非常复杂的实际工 作过程加以抽象简化，忽略一些次要影响因素， 并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、 化学过程如可燃混合气的准备与燃烧过程等

2、进行简化处理，得到便于进行定量分析的循环， 称发动机的理想循环。 一、三种基本理论循环一、三种基本理论循环 1、研究理论循环的目的、研究理论循环的目的: 1)确定循环热效率的理论极限确定循环热效率的理论极限，以判断实际发，以判断实际发 动机经济性和工作过程进行的完善程度以及动机经济性和工作过程进行的完善程度以及 改进潜力。改进潜力。 2)分析比较发动机分析比较发动机不同热力循环方式不同热力循环方式的经济性的经济性 和动力性。和动力性。 3) 确定提高确定提高以理论以理论循环热效率循环热效率为代表的经济性为代表的经济性 和和以以平均压力平均压力为代表的动力性为代表的动力性的基本途径。的基本途径。

3、 1 假定工质为定比热容的理想气体理想气体； 2 不计吸气和排气过程，假 设工质是在闭口系统闭口系统中作封闭循环； 3 压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程绝热等熵过程； 4 把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，简化为等等 容加热过程容加热过程或或等压加热过程等压加热过程； 5 排气中的实际放热过程简化为等容放热等容放热过程； 6 忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为可逆过程可逆过程， 即假设循环过程为可逆循环可逆循环。 简化原则简化原则: : 理解！ 3、发动机的理论循环、发动机的理论循环 发动机理论循环的三种形式：a) c)。 二、二、循环热效率循环热效率 1、循环热效率、循环热效率(简称

4、简称热效率热效率) ： 1 2 1 21 1 1 Q Q Q QQ Q W t 式中：式中： 工质所做工质所做循环功（循环功（J） 循环加热量（循环加热量（J） 工质在工质在循环中放出的热（循环中放出的热（J） t W 1 Q 2 Q 评定循环评定循环 经济性经济性 理论循环是用循环热效率和循环平均压理论循环是用循环热效率和循环平均压 力来评定。力来评定。 )1()1( 1 1 1 0 0 1 pp p c t c s ccs c a 1/)( V V VVV V V c 气缸工作容积 s V 压缩比：压缩比： 预胀比：预胀比： 0 z z V V 升压比：升压比： c z p p p 等压加

5、热过程等压加热过程 等容加热过程等容加热过程 1 1 1 c t )1( 1 1 1 0 0 1 c t 1 0 1 p tc ) 1 ( t 0)2( tp )3( 分析条件：分析条件：循环总加热量不变。循环总加热量不变。 tc ) 1 ( t 0)2( tc ) 1 ( t ) 1 ( 从理论循环的分析可知，提高压缩比从理论循环的分析可知，提高压缩比c和和 压力升高比压力升高比p对提高循环热效率对提高循环热效率t起着有利的起着有利的 作用，但发动机实际工作条件作用，但发动机实际工作条件约束和限制约束和限制循循 环热效率提高。环热效率提高。 、发动机实际工作条件对循环热效率提高 的约束和限制

6、约束和限制： 1)零件的强度和可靠性的限制零件的强度和可靠性的限制 2)机械效率的限制机械效率的限制 3)燃烧方面的限制燃烧方面的限制 1、循环平均压力循环平均压力 ： s t V W p t p 评定循环 的动力性 (kPa) 式中： 循环所做的功（J） 气缸工作容积（L） W s V 三、循环三、循环平均压力平均压力： 1）混合加热循环平均压力公式）混合加热循环平均压力公式 tPP de c c t p p )1()1( 11 0 ）等容加热循环平均压力公式）等容加热循环平均压力公式 tP de c c t p p )1( 11 3）等压加热循环平均压力公式）等压加热循环平均压力公式 混合

7、加热循环的平均压力随进气终点压力、 压缩比、压力升高比、预胀比、绝热指数和 循环热效率的增大而增大。 de p：进气终点的压力 (kPa) tP de c c t p p )1( 11 0 四、三种基本循环的比较四、三种基本循环的比较 1 1 1 c t ) 1( 11 1 0 0 1 c t ) 1() 1( 1 1 1 0 0 1 pp p c t 循环名称循环名称循环热效率循环热效率循环特点循环特点 等容加等容加 热循环热循环 加热过程在等容条件下很快完加热过程在等容条件下很快完 成，热效率仅与压缩比有关成，热效率仅与压缩比有关 等压加等压加 热循环热循环 加热过程在等压条件下缓慢完加热

8、过程在等压条件下缓慢完 成，负荷的增加使得热效率下成，负荷的增加使得热效率下 降降 混合加混合加 热循环热循环 介于上述两者之间介于上述两者之间 表表11 三种理论循环的比较三种理论循环的比较 1、压缩比及加热量分别相同时比较、压缩比及加热量分别相同时比较 c 压缩比压缩比 相同相同 加热量加热量 相同相同 初态初态1 1相同相同 tptmtv 等容加热循环热效率最高，而等压加热循环的等容加热循环热效率最高，而等压加热循环的 均最低。欲提高混合加热循环的热效率均最低。欲提高混合加热循环的热效率 ，应增加混，应增加混 合加热循环的等容部分。合加热循环的等容部分。 1 Q 2 2、加热量及、加热量

9、及循环的最高压力分别相同循环的最高压力分别相同时比较时比较 加热量加热量 相同相同 初态初态1 1相同相同 循环的最高压力相同循环的最高压力相同 tptmtv 1 Q vmp TTT 对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率，对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率， 宜按等压加热循环工作。宜按等压加热循环工作。 3、汽、柴油机负荷变化、汽、柴油机负荷变化(不同加热量不同加热量)时的对比：时的对比： 柴油机柴油机：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当 负荷下降时负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当 于等容燃烧的部分变化不大。这相当于p基 本不变而 减小，则t提高提高。 0 汽油机汽油机：点火后传播燃烧且

10、无论负荷大小， 火焰传播距离不变。当负荷下降时当负荷下降时，燃烧速 度降低，燃烧时间加长。这相当于p下降而 上升，则t降低降低。 0 第二节第二节 四冲程发动机的实际循环四冲程发动机的实际循环 一、发动机的实一、发动机的实 际循环际循环 1、进气过程、进气过程 图图a） 2、压缩过程、压缩过程 图图b） 3、燃烧过程、燃烧过程 图图c） 4、膨胀过程、膨胀过程 图图c） 5、排气过程、排气过程 图图d） 1、实际工质的影响、实际工质的影响 实际工质影响引起的损失：实际工质影响引起的损失： 2、换气损失、换气损失 换气损失：换气损失： 3、燃烧损失、燃烧损失 非瞬时燃烧损失非瞬时燃烧损失 和补燃

11、损失：和补燃损失： 提前排气损失：提前排气损失： 4、传热损失、传热损失 传热、流动传热、流动 损失：损失： 5、缸内流动损失、缸内流动损失 二、发动机实际循环与理论循环的比较二、发动机实际循环与理论循环的比较 W b W r W k W z W 图图112 发动机实际循环与理论循环的比较发动机实际循环与理论循环的比较 a) 柴油机柴油机 b) 汽油机汽油机 发动机的指示性能指标是指 的指标，简称指示指 标。 指示指标表征工质在汽缸内部经历的循 环的完善程度，以工质在汽缸内对活塞做功 为基础，评价由燃烧到热功转换工作循环评价由燃烧到热功转换工作循环 进行的质量进行的质量。是从从示功图示功图测量

12、计算得出测量计算得出的。 指示功指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用 功Wi。指示功的大小可以由pV图中闭合曲线所 占有的面积求得。 6 10 abF W i i 式中： Fi 示功图面积，cm2；可以用求积仪或计算方法求得 a 示功图纵坐标比例尺，Pacm； b 示功图横坐标比例尺，cm3cm。 （J或Nm） 21 FFFi 21 FFFi 平均指示压力平均指示压力是指单位气缸容积是指单位气缸容积 一个循环所作的指示功一个循环所作的指示功(Pa) 。 式中， Wi 发动机一个工作循环的指示功，J； Vs 发动机气缸工作容积，m3。 若Vs用L为单位，Wi用kJ为单位，则pmi (MP

13、a) 4 2 SD pVpW mismii 式中， D和S分别为气缸直径和活塞行程 平均指示压力平均指示压力可以 设想为一个恒定的压力 作用于活塞顶上，使活 塞移动一个行程所作的 功，即循环的指示功Wi 。 平均指示压力平均指示压力是衡量发动机实际循环 动力性能的一个很重要的指标。 图图115 指示功与平均指示压力指示功与平均指示压力 二二 、指示功率：指示功率： 指示功率指示功率Pi ：发动机单位时间内所作的指示功。 30 n iVp P smi i 若：一台内燃机的缸数i，每缸的工作容积Vs (L) ，平 均指示压力为pmi (MPa ) ，转速n(r/min)，冲程数。 (kw ) 三、

14、指示热效率和指示燃油消耗率三、指示热效率和指示燃油消耗率 发动机实际循环指 示功与所消耗燃料热量的比值。 1 Q Wi it 式中， Q1 得到指示功Wi所消耗的热量( J) 。 对于一台发动机，若测 得其指示功率Pi (kW)、每小 时燃油消耗量B(kg/h) ，则： BHu P i it 3 106 . 3 式中，3.6l03 1kWh的热当量，kJ/(kWh)； B 每小时发动机的耗油量，kg/h； Hu 所用燃料的低热值，kJ/kg。 指示燃油消耗率指示燃油消耗率g(kWh)：指单位指示功 的耗油量。通常以单位指示千瓦小时的耗油 量来表示： i i P B b 1000 表示实际循环的

15、经济性指标it和bi之间存在 着以下关系： ui t i Hb 6 106 . 3 一般内燃机的it和bi的统计范围如下： it big(kWh) -1 四冲程柴油机 0.4l0.48 210175 二冲程柴油机 0.400.48 218177 四冲程汽油机 0.250.40 344218 二冲程汽油机 0.190.27 435305 从统计范围可以看出：柴油机的指示热效率 高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二 冲程发动机。 第四节第四节 发动机的有效性能指标发动机的有效性能指标 以曲轴输出功为计算基础以曲轴输出功为计算基础的性能指标， 称为有效性能指标，有效性能指标，简称有效指标。有效

16、指标。 有效指标被用来有效指标被用来直接评定发动机实际直接评定发动机实际 工作性能工作性能的优劣。的优劣。 一、发动机动力性指标一、发动机动力性指标 1、有效功和有效功率、有效功和有效功率 有效功有效功：发动机每循环曲轴输出的单缸功量 。e W mie WWW 式中： Wi 循环净指示功 Wm 循环实际机械损失功 有效功率有效功率 mie PPP 式中：式中： Pi 指示功率指示功率 Pm 实际机械损失功率实际机械损失功率 ( kw ) 机械损失机械损失: 发动机内部摩擦损失；发动机内部摩擦损失； 驱动附件损耗；驱动附件损耗； 泵气损失等。泵气损失等。 2、有效转矩、有效转矩 发动机工作时由功

17、率输出轴输出的转矩称发动机工作时由功率输出轴输出的转矩称 为有效转矩，可由测功器测得。为有效转矩，可由测功器测得。 (Nm) 发动机的有效功率发动机的有效功率Pe(kW) 可以利用各种型式的测功器和可以利用各种型式的测功器和 转速计分别测出发动机在某一转速计分别测出发动机在某一 工况下曲轴的输出转矩工况下曲轴的输出转矩Ttq及在及在 同一工况下的发动机转速，按同一工况下的发动机转速，按 以下公式求得以下公式求得: 9550 nT P tp e 3、平均有效压力：、平均有效压力： 发动机单位气缸工作容积所输出的有效功。 与平均指示压力相 似； 是衡 量发动机动力性能 的一个很重要的参数。 30

18、niVp P sme e 9550 nT tp Ttqpme pme 反映了发动机单位气缸反映了发动机单位气缸 工作容积输出转矩的大小。工作容积输出转矩的大小。 4、转速n和活塞平均速度 30 Sn Cm m C （m s） 式中式中， S为活塞行程为活塞行程(m) n为发动机转速为发动机转速(r/min) 二、发动机经济性指标二、发动机经济性指标 衡量发动机经济性能的重要指标是 和。 ，即 1 Q We et u e et BH P 3 106 . 3 有效燃油消耗率有效燃油消耗率g(kWh)是指单位有是指单位有 效功所消耗的燃油量，用效功所消耗的燃油量，用be表示：表示： （ g/kwh

19、） 3 10 e e B b P 6 3.6 10 e etu b H 可见，有效燃油消可见，有效燃油消 耗率与有效热效率成反耗率与有效热效率成反 比，知道其中一值后，比，知道其中一值后， 可求出另一值。可求出另一值。 一般内燃机在标定工况下的一般内燃机在标定工况下的be和和et值大致在以下范围：值大致在以下范围： beg (kWh)-1 et 低速柴油机低速柴油机 190225 0.380.45 中速柴油机中速柴油机 195240 0.360.43 高速柴油机高速柴油机 215285 0.300.40 (其中较低的其中较低的be值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机值属排气涡轮增压的四冲程、

20、二冲程柴油机) 四冲程汽油机四冲程汽油机 274410 0.300.20 二冲程汽油机二冲程汽油机 410545 0.200.15 三、发动机强化指标三、发动机强化指标 升功率：升功率：在标定工况下在标定工况下(指标定转速、标定功率指标定转速、标定功率)， 发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。 30 me L p n P 式中，式中，pme为标定工况下的平均有效压力，为标定工况下的平均有效压力，MPa； n为标定转速，为标定转速，rmin。 (kWL) s e L V i P P 比质量：比质量：是发动机质量与所给出的标定是发动机质量与所给出的标定

21、功率之比功率之比: e e P m m (kgkW) 汽车发动机要求质量小、功率大，所以汽车发动机要求质量小、功率大，所以 其升功率大、比质量小。其升功率大、比质量小。汽油机的强化程度汽油机的强化程度 要比柴油机的高要比柴油机的高. . 强化系数强化系数 mmeC p 平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为 强化系数。强化系数。 与活塞单位面积的功率成正比。其值愈与活塞单位面积的功率成正比。其值愈 大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。 mmeC p发动机的类型发动机的类型强化系数强化系数 汽油机汽油机 （817）MPams 小型

22、高速柴油机小型高速柴油机（6ll）MPams 重型汽车柴油机重型汽车柴油机（915）MPams 表表116 强化系数范围强化系数范围 第五节第五节 机械损失和机械效率机械损失和机械效率 一、机械效率一、机械效率 平均机械损失压力平均机械损失压力pmm 发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的 功。功。 inV P p s m mm 30 式中， Pm为机械损失功率(kW)； Vs为工作容积(L)； n为转速(rmin)； i为气缸数目。 机械效率：机械效率： 发动机的有效功率与指示功率之比。发动机的有效功率与指示功率之比。 i e m P P mi mm i

23、 m mi me m p p P P p p 11 mitet 二、机械损失的测定二、机械损失的测定 1、示功图法、示功图法 2、倒拖法、倒拖法 3、灭缸法、灭缸法 4、油耗线法、油耗线法 1、示功图法、示功图法: 运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出Pi值，值， 从测功器和转速计读数中测出发动机的有效功率从测功器和转速计读数中测出发动机的有效功率Pe， 从而可以算出从而可以算出Pm，m及及pmm值。值。 示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正时示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正时 才能取得较满意的结果。才能取得较满意的结果。 决定于示功

24、图测录的正确程度：决定于示功图测录的正确程度： a.最大的误差来源于最大的误差来源于p图或图或pV图上图上 ； b. 2、倒拖法只能在电力测功机上试验 试验时，发动机与试验时，发动机与电力测功器电力测功器相连，当相连，当 发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油 温度到达正常数值时，切断对发动机的油，温度到达正常数值时，切断对发动机的油， 同时将电力测功器转换为电动机，以给定转同时将电力测功器转换为电动机，以给定转 速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油温度速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油温度 不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该 工况下的机械损失功率。工况下的机械损失功率。 3. 灭缸法灭缸法（熄火法、断缸法（熄火法、断缸法） 仅适用于多缸机多缸机 当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出 整个发动机的有效功率。之后，在柴油机油门拉杆或 齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下， 停止向某一汽缸供油或点火。调整测功机，使发动机 恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余五