第二章(发动机的性能指标)

1、汽车发动机原理 第二章 发动机的性能指标 发动机的性能指标所包括内容主要有：动力性能指标动力性能指标、经济性能经济性能 指标指标及运转性能指标运转性能指标等。 衡量一台发动机的质量主要是对以上性能指标进行评定，但在评 定时不仅要考虑性能指标，还要把可靠性、耐久性、结构工艺、生产 实际条件以及使用特点等多方面予以综合评定，并把各种性能有机结 合起来。 本章主要阐述发动机的动力性、经济性及运转性能指标，并通过 对它们的分析，从中找出影响因素及提高性能的一般规律。 第一节 发动机的理论循环 理论循环理论循环:是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

2、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。 其简化条件如下： 1 假定工质为定比热容的理想气体； 2 不计吸气和排气过程，假设工质是在闭口系闭口系 统统中作封闭循环； 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，从而简化为等容加热过程等容加热过程或 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。 研究理论循环的目的研究理论循环的目的: 1)

3、 确定循环热效率的理论极限，从而判断实际发动机经济性和工 作过程进行的完善程度以及改进潜力。 2) 分析比较发动机不同热力循环方式下的经济性和动力性。 3) 确定提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压力为代 表的动力性的基本途径 三种基本理论循环 发动机有三种基本理论循环，即定容加热循环、定压加热循环和 混合加热循环。发动机的循环常用示功图来说明。 发动机理论循环的三种形式：a) c)。 柴油机混合加热理想循环和定压加热理想循环 理论循环是用循环热效率循环热效率和循环平均压力循环平均压力来衡量和评定的。 1.循环热效率 是工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比，用以评定循环 的

4、经济性。 式中 Q2循环放热量（J） 根据工程热力学公式，混合加热循环混合加热循环热效率为： 式中 发动机的压缩比， =Va/Vc=(Vs+Vc)/Vc=1+Vs/Vc,其中， Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积； 预膨胀比， =Vz/Vc 压力升高比， =pz/pc 等熵指数 t t 122 111 1 t QQQW QQQ 1 11 1 (1)(1) tm 定容加热循环定容加热循环（ =1）热效率为： 定压加热循环定压加热循环（ =1）热效率为： 1 1 1 tv 1 11 1 (1) tp 从热效率的计算式中可以发现，影响热效率的因素有： t=f（ k、 、 、）

5、1）绝热指数k的影响 从下图可知，随着绝热指数k值的增加， t增加。K值取决于工质的性质， 双原子气体k=1.4，多原子气体k=1.33。 2）压缩比对三种理论循环的影响 汽油机压缩比范围为710，柴油机压缩比范围为 1422。 3）压力升高比 在混合加热循环中，当循环总加热量Q1和不变时，增大，则 减小。如下图中zb变到zb，相应的Q2减少，t提高。 但是、增加会造成最高温度Tz和最高压力Pz的急剧上升，因 而受到材料耐热性和强度的限制。 在定容加热循环中，随着循环加 热量Q1的增加，值成正比加大。若保 持不变，则工质的膨胀比也不会变化， 这样，循环放热量Q2亦相应增加，而 Q2/Q1不变，

6、 t亦不变。 4）预膨胀比 在等压加热循环中，若保持不变，随着加热量Q1增加值加大。 由定压加热循环热效率公式可知， t下降。 在混合加热循环中，当循环总加热量Q1和保持不变，若值增 大，意味着等压加热部分增大，同样t下降。 2.循环平均压力pt pt(kPa)是单位气缸工作容积所做的循环功，用以评定发动 机的循环做功能力。 式中 W循环所作的功（J） Vs气缸工作容积（L） t s W p V 根据工程热力学公式，混合加热循环的平均压力为： 式中 pa进气终了压力（kPa） 对定容加热循环（ =1），其循环平均压力 对定压加热循环（ =1），其循环平均压力 可见，pt是随压缩始点压力、压缩比

7、、压力升高比、预膨 胀比、等熵指数和热效率的增加而增加的。 (1)(1) 11 a tmt p p t a tV p p ) 1( 11 t a tp p p ) 1( 11 三种基本循环的比较 压缩比压缩比及及加热量加热量分别相同时比较分别相同时比较 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 1 Q tptmtv 等容加热循环热效率最高，而等压加热循环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的均最低。欲提高混合加热循环的热效率 ，应增，应增 加混合加热循环的等容部分。加混合加热循环的等容部分。 汽、柴油机负荷变化(不同加热量)时

8、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：点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传播距离不变。当当 负荷下降时负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相当于下降而 上 升，则t降低降低。 0 第二节 四冲程发动机的实际循环 发动机的实际循环发动机的实际循环 1、进气过程、进气过程 2、压缩过程、压缩过程 3、燃烧过程、燃烧过程 4、膨胀过程、膨胀过程 5、排气过程、排气过程 例如：汽油机5600转/分， 那么一个行程历时 多少秒？ 进气行程 进气过程中，

9、进气门开启，排气门关闭， 活塞从上止点向下止点运动，在气缸内形成 真空，新鲜工质被吸入气缸。由于进气系统 的阻力，进气终了时气缸内压力小于大气压 力，约为0.0750.09MPa。因为流进气缸内 的工质受到气缸壁、活塞顶等高温机件及上 一次循环残余废气的余热，所以进气终了温 度也升高到370400K。在右图中进气行程 用曲线ra表示。 压缩行程 为使吸入气缸内的工质能迅速燃烧， 以产生较大压力，使发动机做功，必须在 做功行程之前将工质压缩，此即为压缩行 程。在这个行程中，进、排气门均关闭， 活塞由下止点向上止点运动。在右图中压 缩行程用曲线ac表示。压缩过程是一个 复杂的多变过程，其间有热交换

10、和漏气损 失。 燃烧过程 这个过程，活塞位于上止点前后，进、排气门均关 闭。燃烧过程的作用是将燃料的化学能转化为热能，使 工质的温度和压力升高。燃烧越靠近上止点，放出热量 越多，热效率越高。 汽油机的燃烧过程接近定容加热过程，原因是汽油 机的可燃混合气是在火花塞点火之前已基本形成，火花 塞在上止点前点火，火焰迅速传播到整个燃烧室，工质 的温度、压力迅速上升。 柴油机的燃烧过程接近混合加热循环，喷油器在上 止点前喷油，燃油微粒迅速与空气混合，并借助于空气 的热量而自燃。开始时，燃烧速度很快，工质温度、压 力剧增，接近定容加热过程；后来，一面喷油，一面燃 烧，燃烧速度逐渐缓慢，又因活塞下移，气缸容

11、积加大， 压力升高不大，而温度继续上升，燃烧接近定压加热。 注意：无论是汽油机还是柴油机，燃烧都不是瞬时 完成的！ 做功过程 在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当 活塞接近上止点时，工质燃烧放出大量的热能。 高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运 动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了 用以维持发动机本身继续运转外的惯性能量外， 其余的能量用于对外做功。在右图上用曲线zb 表示。做功行程比压缩过程更复杂，除有热交 换和漏气损失外还有补燃。因此，做功行程也 是一个多变过程。 排气过程 当做功行程接近终了时，开始排起行 程，排气门开启，靠废气的压力进行自由 排气，活塞到达下止点后再向上止点运动

12、 时，继续将废气强制排到大气中。活塞到 达上止点附近时，排气行程结束，如右图 曲线br。 实际循环各过程的特点 进气过程： 进气终了的压力和温度范围为： 汽油机0.0800.092（MPa）340380（K） 柴油机0.0800.095（MPa）300340（K） 压缩过程： 压缩终了的压力和温度范围为： 汽油机0.82.0（MPa）600750（K） 柴油机3.05.0（MPa）7501000（K） 燃烧过程： 由于柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力Pmax很高，但 因柴油机的过量空气系数相对于汽油机大，所以柴油机的最高燃 烧温度值Tmax反而比汽油机低。 燃烧的最高爆发压力Pmax及最高

13、温度Tmax的范围为： 汽油机3.08.0（MPa）22002800（K） 柴油机4.59.0（MPa）18002200（K） 膨胀过程： 由于柴油机膨胀比大，转化为有用功的热量多，热效率高， 所以膨胀终点的温度和压力均比汽油机小。 膨胀终了的压力和温度范围为： 汽油机0.30.6（MPa）12001500（K） 柴油机0.250.5（MPa）8001200（K） 排气过程： 排气温度是作为检查发动机工作状况的一个参数。因为排气 温度低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进 行得好。 排气终了的压力和温度范围为： 汽油机0.1050.125（MPa）9001100（K） 柴油机0.

14、1030.108（MPa）700900（K） 理论循环与实际循环比较 1、实际工质的影响、实际工质的影响 2、换气损失、换气损失 3、燃烧损失、燃烧损失 4、传热损失、传热损失 实际工质影响 理论循环中假设工质比热容是定 值，而实际气体比热容是随温度的升 高而上升，且燃烧后生产CO2、H2O 等多原子气体，这些气体的比热容又 大于空气，使循环的最高温度降低。 由于实际循环还存在泄漏，使工质数 量减少，这意味着同样的加热量，在 实际循环中所引起的压力和温度的升 高要比理论循环的低得多，其结果是 循环热效率低，循环所做的功减少， 如右图中Wk所示。 换气损失 燃烧废气的排出和新鲜空气的吸 入是使循

15、环重复进行所必不可少的， 由此而消耗的功称为换气损失。由于 进、排气系统中的流动阻力而产生的 损失右图中Wr所示。换气过程中因排 气门在下止点前必要的提前开启而产 生的损失，称为提前排气损失，如右 图中面积W 燃烧损失 1）实际循环中燃烧非瞬时完成，所 以喷油或点火在上止点之前，并且燃烧 还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬时 燃烧损失和补燃损失，如右图中WZ 2）实际循环中会有部分燃料由于缺 氧产生不完全燃烧损失。 3）在高温下部分燃烧产物分解而吸 热，即 2CO2+热量 2CO+O2 2H2O+热量 2H2+O2 使循环的最高温度下降，由此产生燃烧 损失。 传热损失 理论循环假定气缸壁和工质之

16、间无热 交换。但实际循环中，气缸壁（包括气缸 套、气缸盖、活塞、活塞环、气门、喷油 器等）和工质间自始至终存在着热交换， 使压缩、膨胀线均脱离理论循环的绝热压 缩、膨胀线，由此造成损失如右图中Wb 所示。 根据实际统计，通过气缸壁各部分向 外散发的热量损失所引起的发动机功率和 热效率下降约占理论混合循环发出的功率 和热效率的10%。 通过以上分析表面。在实际循环诸多损失中，工质 影响造成的损失是人们无法改变的。其余各项损失中以 气缸壁传热损失和燃烧损失所占比重为大。 第三节 发动机的指示指标、有效指标和强化指标 发动机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为计算基以工质对活塞做功为计算基 础础的指

17、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 工作循环进行的质量。是从示功图示功图测量计算得出的。 指示功和平均指示压力 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 平均指示压力是指单位气缸容积一个循环所作的指 示功(Pa) 。 式中，

18、 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 (MPa) 4 2S D 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。 平均指示压力是从实际循环的 角度评价发动机气缸工作容积利用 率高低的一个参数，Pmi越高，同样 大小的气缸容积可以发出更大的指 示功，气缸工作容积的利用程度越 佳。 指示功率 指示功率指示功

19、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 ) 指示热效率和指示燃油消耗率 指示热效率it：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，k

20、g/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

21、，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。 发动机的有效性能指标 以曲轴输出功为计算基础的性能指标，称为 有效性能指标，简称有效指标。 有效指标被用来直接评定发动机实际工作性 能的优劣。 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 。 mie WWW 式中： Wi 循环净指示功 Wm 循环实际机械损失功 e W 有效功率 mie PPP ( kw ) 机械损失: 发动机内部摩擦损失； 驱动附件损耗； 泵气损失等。 式中： Pi 指示功率 Pm 实际机械损失功率 有效转矩 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。 (Nm) 发动机的有效功率Pe(k

22、W)可以利 用各种型式的测功器和转速计分别 测出发动机在某一工况下曲轴的输 出转矩Ttq及在同一工况下的发动机 转速，按以下公式求得: 9550 nT P tp e 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，平均有效压力是衡量发动机 动力性能的一个很重要的参数。 30 niVp P sme e 9550 nTtp Ttqpme ， ， pme 反映了发动机单位气缸工作容 反映了发动机单位气缸工作容 积输出转矩的大小。积输出转矩的大小。 转速n和活塞平均速度 m C 30 Sn Cm（ms） 式中， S为活塞行程(m) n为发动机转速(r/min)

23、 Cm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨 损加剧，使用寿命下降。所以Cm成为表征内燃机强化程度的参数。 一般汽油机的Cm值不超过15m/s，柴油机的Cm值不超过13m/s。 为了提高转速又不使Cm过大，可以减小行程S，即对于高速发 动机，在结构上采用较小的行程缸径比（S/D）值。但（S/D）值小 也会造成燃烧室高度减小，燃烧室表面积与容积的比值增大，混合 气形成条件变差，不利于燃烧。S/D1时常称为短行程。 发动机经济性指标 衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率et和 有效燃油消耗率be。 有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功 所消耗的热量的比值，即 1 Q We

24、 et u e et BH P 3 106 . 3 有效燃油消耗率g(kWh)是指单位有效功所消 耗的燃油量，用be表示： （ g/kwh ） 3 10 e e B b P 6 3.6 10 e etu b H 可见，有效燃油消耗 率与有效热效率成反比， 知道其中一值后，可求出 另一值。 一般内燃机在标定工况下的be和et值大致在以下范围： beg (kWh)-1 et 低速柴油机 190225 0.380.45 中速柴油机 195240 0.360.43 高速柴油机 215285 0.300.40 (其中较低的be值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机) 四冲程汽油机 274410 0.30

25、0.20 二冲程汽油机 410545 0.200.15 发动机强化指标 升功率：在标定工况下(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。 30 me L p n P 式中，pme为标定工况下的平均有效压力，MPa； n为标定转速，rmin。 (kWL) s e L V i P P PL值越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动 机尺寸越小。因此，不断提高Pme和n的水平以获得更强化、更轻巧、 更紧凑的发动机，这些一直是发动机设计者尽力追求的目标。因而 PL是评定一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。 比质量：是发动机质量与所给出的标定功率之比 e e

26、 P m m (kgkW) 汽车发动机要求质量小、功率大，所以其升功率 大、比质量小。汽油机的强化程度要比柴油机的高。 强化系数 mmeC p 平均有效压力与活塞平均速度的乘积称 为强化系数。 与活塞单位面积的功率成正比。其值越 大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。 由于发动机的发展趋势是强化程度不断提高，所 以强化系数 值增大，也是技术进步的一个标志。mmeC p n1、已知某发动机在2000转/分时，发动机的有 效功率Pe为154kW，be=217g/(kW.h),发动机在 此工况下的输出扭矩为： N.m，每小时耗 油量为 kg，发动机的有效热效率为： %。（燃料的低热值Hu为42500kJ

27、/kg）。 n2、写出四行程发动机充气效率v的表达式， 并分析影响充气效率v的因素。 机械损失和机械效率 发动机的机械损失消耗了一部分指示功率，而使对外输出 的有效功率减少。其所消耗的功率占指示功率的10%30%，是 不可忽视的功率损失。因此，降低机械损失，特别是摩擦损失， 使实际循环得到的功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高 发动机性能的一个重要方面。 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： 发动机的有效功率与指示

28、功率之比。 i e m P P mi mm i m mi me m p p P P p p 11 mitet 机械损失的测定 发动机机械损失的原因极为复杂，以致无法用分 析的办法来求出准确的数值，即使有些经验公式可用 来计算，也是极为近似而不可靠。为了获得较为可信 的结果，只有通过实际发动机的试验来测定。 常用的测试方法有示功图法、倒拖法、灭缸法和 油耗线法等。 示功图法 运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出Pi值， 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Pm，m及pmm值。 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。 决定于示功图测录的正

29、确程度：决定于示功图测录的正确程度： 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 ； 倒拖法 试验时，发动机与电力测功器相连，当发动 机以给定工况稳定运行，冷却水、机油温度到达 正常数值时，立即切断对发动机的供油（柴油机） 或停止点火（汽油机），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。 倒拖法在测定汽油机机械损失时得到较广泛 的应用。 灭缸法 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

30、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（即 余五个汽缸的有效功）。两者之差即为灭掉缸的指示功率。逐次 灭缸，则整台发动机的指示功率为，各缸相加。 油耗线法 由指示热效率的定义可导出： 当发动机空转（无负荷），若指示热效率不随负荷增减 而变化时，应有： 两式相除，得： 保证发动机在转速不变的情况下 进行负荷特性试验，求出发动机在给 定转速下，每小时燃油消耗量与平均 有效压力的关系曲线。 把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的交点，就可以 求得pmm值。 当测得其pmm值后，其机械效率可近似地用下式估算式中， 0 11 memm

31、m memmmemm ppB ppppB B可取某一常用工况的数值。 用油耗线法求 值示意图 mm p 一般内燃机的机械效率大致在以下范围： m 非增压柴油机 0.780.85 增压柴油机 0.800.92 汽油机 0.800.90 在以上所介绍的几种测定机械效率的方法中，倒拖法只能用于配 有电力测功器的情况，因而不适用于大功率发动机，而较适合用于测 定压缩比不高的汽油机的机械损失。 对于油耗线法虽然只是近似的方法，但只要在低负荷附近，燃油 消耗量曲线为直线就相当可靠，即使没有电力测功器和示功器也能进 行测定。但是这种方法不适用于用节气门调节功率的汽油机。 第四节 发动机的热平衡 燃料在发动机气缸中所发出的总热量其中只有约20%45% 左右的能转化为有效功，其他部分都以不同热传递方式散失于 发动机之外。按照热能表现为有效功和各种损失的数量分配来 研究燃烧中总热量