第一章 发动机性能

1、1 2第一章第一章 发动机的性能发动机的性能Engine Performance3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 热平衡热平衡4发动机性能指标发动机性能指标 动力性能指标：功率、转矩、转速 经济性能指标：燃料消耗率、润滑油消耗率 运转性能指标：冷起动性能、噪声、排放性能 可靠性、耐久性、结构工艺性、使用维修性、生产实际条件、使用特点等。 阐述、分析三大指标的

2、影响因素和规律阐述、分析三大指标的影响因素和规律5第一节第一节 发动机理论循环发动机理论循环发动机的发动机的将非常复杂的实际工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，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、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进行简化处理，得到便于进行定量分析的循环，循环，称发动机的称发动机的理想循环理想循环。6一、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:

3、 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。71 假定工质为定比热容的假定工质为定比热容的理想气体理想气体（具有标准状态下的（具有标准状态下的空气物理常数，工质的物理性质和化学性质不变）；空气物理常数，工质的

4、物理性质和化学性质不变）；2 2 不计吸气和排气过程不计吸气和排气过程（工质的总质量保持不变），（工质的总质量保持不变），假设工质是在假设工质是在闭口系统闭口系统中作封闭循环；中作封闭循环；3 3 压缩、膨胀过程简化为压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程绝热等熵过程；4 4 把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，简化为简化为等容加热过程等容加热过程或或等压加热过程等压加热过程；5 5 排气排气中的实际放热过程中的实际放热过程简化为简化为等容放热等容放热过程；过程；6 6 忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为可逆过可逆过程

5、程，即假设循环过程为，即假设循环过程为可逆循环可逆循环。简化原则为简化原则为: : 理解！理解！83、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：发动机理论循环的三种形式：a)b) c)9理论循环参数理论循环参数 压缩比：压缩比： c=Va/Vc=(Vs+Vc)/Vc=1+Vs/Vc 等容加热时的压力升高比：等容加热时的压力升高比： p= pz/pc 等压加热时的容积预膨胀比（初始膨胀等压加热时的容积预膨胀比（初始膨胀比）：比）： =Vz/Vz 工质的等熵指数（比热容比）：工质的等熵指数（比热容比）：k=cp/cv 010粗略对应关系粗略对应关系 汽油机汽油机等容加热等容

6、加热 高增压和低速柴油机高增压和低速柴油机等压加热等压加热 高速柴油机高速柴油机混合加热混合加热11二、二、循环热效率循环热效率：1、循环热效率、循环热效率(简称简称热效率热效率) ：1212111QQQQQQWt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）tW1Q2Q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。12 ) 1() 1(111001ppkpkctk2、三种基本理论循环的热效率公式、三种基本理论循环的热效率公式111kct)

7、1(111001kkkct 101p133、三种基本理论循环热效率的分析、三种基本理论循环热效率的分析1）混合加热循环热效率的分析）混合加热循环热效率的分析 tc) 1 (分析条件：分析条件：循环总加热量不变。循环总加热量不变。循环平均吸热温循环平均吸热温度增加，平均放度增加，平均放热温度下降，循热温度下降，循环温差加大。环温差加大。14t0)2(tp)3( 增大增大循环平均吸热温度增加，平均放热温循环平均吸热温度增加，平均放热温度下降，循环温差加大（放热量减少）；度下降，循环温差加大（放热量减少）； 增增大则反之。大则反之。 增大增大到一定数值后，到一定数值后， 变化变化不大，而不大，而 变

8、化影响明显变化影响明显）(二者负相关，反映混合加热二者负相关，反映混合加热循环中等容、等压加热的多循环中等容、等压加热的多少，应综合分析少，应综合分析）0t0pp15162）等容加热循环热效率的分析）等容加热循环热效率的分析tc) 1 (）等压加热循环热效率的分析）等压加热循环热效率的分析t0)2(tc) 1 (4） 等熵指数对循环热效率的影响等熵指数对循环热效率的影响t) 1 (特别是在特别是在c c 较小时明显较小时明显c 大时明显大时明显17不同加热循环，影响热效率的因素有所不同，不同加热循环，影响热效率的因素有所不同，但共同的特点是三种理论循环的热效率均与压但共同的特点是三种理论循环的

9、热效率均与压缩比和等熵指数有关：缩比和等熵指数有关： 三个循环的三个循环的 均随均随c c的加大而上升。一般来的加大而上升。一般来说，说，c c较小时明显，较小时明显，c c较大时不显著。提高较大时不显著。提高压缩比可以扩大循环高低温热源的平均温度差，压缩比可以扩大循环高低温热源的平均温度差，增加膨胀比，从而提高循环热效率增加膨胀比，从而提高循环热效率 。但当。但当c1414以后，随压缩比的增加，热效率的增加逐以后，随压缩比的增加，热效率的增加逐渐减少，而机械负荷和热负荷却成比例增加。渐减少，而机械负荷和热负荷却成比例增加。tt18 三个循环的三个循环的 均随均随k k的加大而上升。的加大而上

10、升。K K值取值取决于工质的性质，双原子气体（空气）决于工质的性质，双原子气体（空气）k k =1.4,=1.4,多原子气体多原子气体k k =1.33=1.33。但实际循环工质为非纯。但实际循环工质为非纯空气的多变过程，一般多变指数空气的多变过程，一般多变指数n nk k，所以提，所以提高多变指数高多变指数n n，或使工质更接近纯空气，如稀，或使工质更接近纯空气，如稀薄燃烧技术等，可以提高循环热效率。薄燃烧技术等，可以提高循环热效率。t191 1）实际混合加热循环热效率的分析）实际混合加热循环热效率的分析1 1、在任何情况下，为提高热效率，都、在任何情况下，为提高热效率，都应该尽量减少等压加

11、热部分而接近等容应该尽量减少等压加热部分而接近等容燃烧，这就是所谓的提高燃烧，这就是所谓的提高“等容度等容度”的的概念。概念。2 2、在负荷变化时，若主要是、在负荷变化时，若主要是 变化，变化，则高、低负荷的则高、低负荷的 值差别加大，若主要值差别加大，若主要是是 变化时，则变化时，则 将保持大致不变，将保持大致不变，这一点对汽、柴油机不同负荷时这一点对汽、柴油机不同负荷时 值值的对比有理论指导意义的对比有理论指导意义（近似反向）（近似反向）。0tttp202）实际等容加热循环热效率的分析）实际等容加热循环热效率的分析）实际等压加热循环热效率的分析）实际等压加热循环热效率的分析实际上随着负荷增

12、加（实际上随着负荷增加（Q Q1 1）输出功）输出功率率但但T Tk k 略有略有实际柴油机在重负荷时（实际柴油机在重负荷时（Q Q1 1）( (0 0 ；T Tk k） 3 3、实际工质并非定比热容，因而同一种、实际工质并非定比热容，因而同一种工质随温度的变化比热容比工质随温度的变化比热容比 k k 值也是变值也是变化的。化的。T ktt21工程热力学内容工程热力学内容 提高循环中工值平均吸热温度，降低平均放热提高循环中工值平均吸热温度，降低平均放热温度，可提高循环热效率。温度，可提高循环热效率。两种分析方法：两种分析方法： 第一定律分析法第一定律分析法立足数量，以热效率为立足数量，以热效率

13、为指标指标 第二定律分析法（第二定律分析法（损失和损失和效率）效率）立立足数量和质量，以足数量和质量，以为指标为指标 根据热力学第二定律，热能不能完全根据热力学第二定律，热能不能完全转变为机械能，其最大可能转换的部分叫做转变为机械能，其最大可能转换的部分叫做“热热”，即最大可利用的热能。热力系统，即最大可利用的热能。热力系统的温度相对于环境温度愈高，则的温度相对于环境温度愈高，则“热热”值值愈大，可能达到的热效率就愈高。愈大，可能达到的热效率就愈高。22循环参数对循环参数对 影响的物理实质影响的物理实质 发动机发动机 k、 p、 0值不变，单纯改变值不变，单纯改变c时，在相同的初始状态下，时，

14、在相同的初始状态下， c高者高者压缩终了时的压缩终了时的p、T值必然都高。压值必然都高。压缩终了温度愈高，则相同加热量下缩终了温度愈高，则相同加热量下所达到的温度也必然更高。所以高所达到的温度也必然更高。所以高c系统的系统的“热热”高于低高于低c系统。系统。t23 发动机发动机c和和 k 值不变，而值不变，而p、 0变化时：变化时：由于任何循环都可分割为若干具有相同由于任何循环都可分割为若干具有相同加热量的微等容循环，越是后面的等容加热量的微等容循环，越是后面的等容循环其压缩比循环其压缩比c越低，低于理论压缩比。越低，低于理论压缩比。所以，所以， p、 0的影响，实质上还是压缩的影响，实质上还

15、是压缩比不同的影响。比不同的影响。“等容度等容度”实质上反映了实质上反映了各微循环真实压缩比的平均值接近理论各微循环真实压缩比的平均值接近理论压缩比的程度。预胀比压缩比的程度。预胀比0比压力升高比比压力升高比p的影响大，就是因为真实压缩比变化更的影响大，就是因为真实压缩比变化更大的缘故。大的缘故。24 发动机发动机c、p、 0 值不变，而值不变，而k 变化变化时：因为气体常数时：因为气体常数Rg不变，所以不变，所以k值值愈大，则愈大，则cv、cp愈小（愈小（ cv = Rg/（ k -1），）， cp - cv = Rg），在相同加热量），在相同加热量和初始状态不变时，和初始状态不变时， 比热

16、容小则工比热容小则工质温升愈高，质温升愈高， 也就愈高。也就愈高。t25提高压缩比提高压缩比增大压力升高比增大压力升高比减小初期膨胀比减小初期膨胀比发动机理论循环的热效率和发动机的运发动机理论循环的热效率和发动机的运转参数及燃烧室结构型式无关转参数及燃烧室结构型式无关提高循环热效率的分析提高循环热效率的分析26增压、中冷，增加循环供油量增压、中冷，增加循环供油量提高发动机的热效率提高发动机的热效率提高压缩比，提高压缩比，增大压力升高比增大压力升高比减小初期膨胀比减小初期膨胀比提高循环动力性的分析提高循环动力性的分析27 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

17、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、发动机实际工作条件对循环热效率提高的的约束和限制约束和限制： 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4）排放方面的限制）排放方面的限制28发动机的压缩比和压力升高比发动机的压缩比和压力升高比291、循环平均压力循环平均压力 ：stVWp tp评定循环的动力性(kPa)式中： 循环所做的功（J） 气缸工作容

18、积（L）WsV三、循环三、循环平均压力平均压力：单位汽缸容积（单位排量）所做的循环功，反映汽缸工作容积的做功能力。301 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2 2、三种基本理论循环平均压力公式、三种基本理论循环平均压力公式tPPdeckctkkpp)1() 1(110）等容加热循环平均压力公式）等容加热循环平均压力公式tPdeckctkpp) 1(11313 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dep：进气终点的压力 (kPa)tdeckctkkpp) 1(110混合加热循环的平均压力随进气终点压混合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

19、胀比、绝力、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。热指数和循环热效率的增大而增大。32 汽、柴油机实质上都是按混合加热循环运行汽、柴油机实质上都是按混合加热循环运行的。的。 理论循环是发动机工作过程最本质的模型，理论循环是发动机工作过程最本质的模型，影响理论循环热效率的主要参数和规律，同样影响理论循环热效率的主要参数和规律，同样是影响实际发动机动力、经济性能的关键环节。是影响实际发动机动力、经济性能的关键环节。 根据理论循环，改善发动机动力、经济性能根据理论循环，改善发动机动力、经济性能的的基本原则基本原则是：提高燃烧加热后的能量质量，是：提高燃烧加热后的能量质量，即在

20、相同加热量和环境温度条件下，尽可能提即在相同加热量和环境温度条件下，尽可能提高加热过程中工质的平均温度。高加热过程中工质的平均温度。 在现有循环模式下，主要的在现有循环模式下，主要的实施方向实施方向有三个：有三个：在允许和可能的条件下，提高发动机的压缩比；在允许和可能的条件下，提高发动机的压缩比；合理组织燃烧，提高循环加热的合理组织燃烧，提高循环加热的“等容度等容度”，特别是减小循环的预膨胀比和合理选择燃烧始特别是减小循环的预膨胀比和合理选择燃烧始点相位；保证工质具有较高的绝热指数。点相位；保证工质具有较高的绝热指数。33四、三种基本循环的比较：四、三种基本循环的比较：111ct) 1(111

21、001ct) 1() 1(111001pppct 表表11 三种理论循环的比较三种理论循环的比较341、同一机型不同加热模式的比较、同一机型不同加热模式的比较 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相同相同但平均吸热温度和放但平均吸热温度和放热量不同热量不同tptmtv 等容加热循环热效率最高，而等压加热循环热效率等容加热循环热效率最高，而等压加热循环热效率最低。欲提高混合加热循环的热效率最低。欲提高混合加热循环的热效率 ，应增加混合，应增加混合加热循环的等容部分（既提高循环加热的等容度）。加热循环的等容部分（既提高循环加热的等容度）。1Q352 2、不同机型具有相同加热

22、量及、不同机型具有相同加热量及循环的最高压循环的最高压力分别相同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tptmtv1Q 实际柴油机比汽油机更接近等压循环，且压实际柴油机比汽油机更接近等压循环，且压力设计也更高，所以它的热效率大大高于汽油机。力设计也更高，所以它的热效率大大高于汽油机。T T22T T2 2T T22c2c2c2c2c2c2363、不同机型负荷变化、不同机型负荷变化(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由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当当负荷下降时负荷下降时，喷油时间缩短，但

23、初期相当，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部分变化不大。这相当于于等容燃烧的部分变化不大。这相当于p基基本不变而本不变而 减小，则减小，则t提高提高。0汽油机：汽油机：点火后传播燃烧，且无论负荷大点火后传播燃烧，且无论负荷大小，火焰传播距离不变。小，火焰传播距离不变。当负荷下降时当负荷下降时，残残余废气系数增大，余废气系数增大，燃烧速度降低，燃烧时间燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相当于加长。这相当于p下降而下降而 上升，则上升，则t降低降低。汽、柴油机的这种相反变化的趋势，将使中、汽、柴油机的这种相反变化的趋势，将使中、低负荷时二者耗油量的差距进一步扩大。低负荷时二者耗油量的差距进一步扩大

24、。037结论结论 汽油机的热效率低于柴油机；汽油机的热效率低于柴油机； 在高负荷、以及特别是低负荷时，这种在高负荷、以及特别是低负荷时，这种差距进一步加大。差距进一步加大。38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 1：进气行程：进气行程 2 2：压缩行程：压缩行程 3 3：膨胀行程：膨胀行程 4 4：排气行程：排气行程 40p p- -V V图和图和p p- -图图41上

25、止点上止点气缸压力气缸压力 进气行程进气行程压缩行程压缩行程燃烧膨胀行程燃烧膨胀行程排气行程排气行程下止点下止点上止点上止点下止点下止点曲轴转角曲轴转角 / ()CA/ ()CA0 0180180360360540540720720p -压力示功图压力示功图42u进气过程进行的好坏用实际进入汽缸的进气过程进行的好坏用实际进入汽缸的新鲜工质的数量评价。新鲜工质的数量评价。u由由pVpV= =mRTmRT可以看出：汽缸容积一定时，可以看出：汽缸容积一定时，提高进气终了压力、降低进气终了温度提高进气终了压力、降低进气终了温度可增加进气量。进气量的增加意味着循可增加进气量。进气量的增加意味着循环加热量

26、的增加，在循环热效率一定时环加热量的增加，在循环热效率一定时，可增加循环净功，从而提高发动机动，可增加循环净功，从而提高发动机动力性。力性。 进气进气过程过程43u发动机的实际压缩过程，是一个复杂的发动机的实际压缩过程，是一个复杂的热力过程热力过程( (吸热吸热- -绝热绝热- -放热放热) )。总体来说。总体来说，缸内气体的放热量大于其吸热量，缸内气体的放热量大于其吸热量（图（图1-91-9）。u实际工作中，常测量压缩终了的压力。实际工作中，常测量压缩终了的压力。压缩终了的压力过低，说明汽缸密封不压缩终了的压力过低，说明汽缸密封不良，其主要原因一般是气门密封不良、良，其主要原因一般是气门密封

27、不良、活塞和汽缸磨损严重等。活塞和汽缸磨损严重等。 压缩压缩过程过程44u汽油机及燃气发动机的燃烧接近定容加汽油机及燃气发动机的燃烧接近定容加热过程。热过程。u柴油机燃烧接近混合加热过程（同时存柴油机燃烧接近混合加热过程（同时存在定容加热和定压加热）。在定容加热和定压加热）。u燃烧过程放出的热量越多，放热时越靠燃烧过程放出的热量越多，放热时越靠近上止点，则热效率越高。近上止点，则热效率越高。u在实际燃烧过程中，不仅有散热损失、在实际燃烧过程中，不仅有散热损失、不完全燃烧损失，而且还存在非瞬时燃不完全燃烧损失，而且还存在非瞬时燃烧损失。烧损失。 燃烧燃烧过程过程45燃烧过程燃烧过程图图1-10发

28、动机实际循环的燃烧过程发动机实际循环的燃烧过程46u发动机的实际膨胀过程与压缩过程很相发动机的实际膨胀过程与压缩过程很相似，也是一个复杂的热力过程（吸热量似，也是一个复杂的热力过程（吸热量大于放热量、吸热量等于放热量、吸热大于放热量、吸热量等于放热量、吸热量小于放热量）。总体来说，缸内气体量小于放热量）。总体来说，缸内气体的吸热量大于放热量的吸热量大于放热量（图（图1-111-11）。u膨胀过程不仅有散热损失和漏气损失，膨胀过程不仅有散热损失和漏气损失，还有补燃损失。还有补燃损失。u膨胀过程终了膨胀过程终了b b点的压力和温度越低，说点的压力和温度越低，说明气体膨胀和热量利用越充分。明气体膨胀

29、和热量利用越充分。 膨胀膨胀过程过程47 由于排出的废气具有一定的压力和较高由于排出的废气具有一定的压力和较高的温度，故存在排气损失。的温度，故存在排气损失。 由于排气系统有阻力，使排气终了的压由于排气系统有阻力，使排气终了的压力略高于大气压力。力略高于大气压力。 实际工作中，也常用排气温度作为检查实际工作中，也常用排气温度作为检查发动机工作状态的技术指标，排气终了发动机工作状态的技术指标，排气终了温度偏高，说明发动机工作不良，热功温度偏高，说明发动机工作不良，热功转换效率低。转换效率低。排气排气过程过程481、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：

30、T、多原子、多原子k；泄漏；泄漏2、换气损失、换气损失 泵气损失：泵气损失： 提前排气损失：提前排气损失：3、燃烧损失、燃烧损失 非瞬时燃烧损失非瞬时燃烧损失 和补燃损失：和补燃损失：不完全燃烧损失、热分解不完全燃烧损失、热分解4、传热损失、传热损失 传热损失：传热损失：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WbWrWkWzW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49一、工质的影响一、工质的影响 Effect of GasesEffect of Gases 实际气体

31、，比热容、实际气体，比热容、比热比在整个循环过比热比在整个循环过程中随温度而变。程中随温度而变。 工质的成分和质量燃工质的成分和质量燃烧前后不断变化。烧前后不断变化。 燃烧产物还存在着高燃烧产物还存在着高温分解及在膨胀过程温分解及在膨胀过程中的复合放热现象。中的复合放热现象。50二、传热损失二、传热损失 Effect of Heat TransferEffect of Heat Transfer 与工质直接接触的与工质直接接触的 缸套内壁面缸套内壁面 活塞顶面活塞顶面 气缸盖火力面等气缸盖火力面等始终与工质发生着热始终与工质发生着热量交换。量交换。51三、燃烧损失三、燃烧损失 Effect o

32、f Combustion Effect of Combustion 加热方式非等容加热方式非等容/ /非等压，燃非等压，燃烧放热速度有限造成：烧放热速度有限造成：早燃造成压缩负功损失早燃造成压缩负功损失燃烧放热速度有限造成燃烧放热速度有限造成最高压力和温度下降最高压力和温度下降后燃造成膨胀功减少及后燃造成膨胀功减少及不完全燃烧不完全燃烧52四、换气损失四、换气损失 Effect of Gas Exchange Effect of Gas Exchange 排气门提前开启造成膨胀功减少。排气门提前开启造成膨胀功减少。活塞强制排气的推出功。活塞强制排气的推出功。流动阻力损失造成吸气负功。流动阻力损

33、失造成吸气负功。53五五、缸内流动损失缸内流动损失 Effect of Gas Effect of Gas FlowFlow 缸内气流（涡流与湍流）造成缸内气流（涡流与湍流）造成。（图形上（图形上归入传热损失）归入传热损失）压缩过程，多消耗压缩功；压缩过程，多消耗压缩功；燃烧膨胀过程，一部分能量用于克服气流燃烧膨胀过程，一部分能量用于克服气流阻力，减小了活塞上作功的压力。阻力，减小了活塞上作功的压力。 缸内流动主要是为了换取其他性能而牺缸内流动主要是为了换取其他性能而牺牲部分动力、经济性能。但也不是在所有牲部分动力、经济性能。但也不是在所有的情况下对动力、经济性能都是负面影响。的情况下对动力、

34、经济性能都是负面影响。54简单理解 Simplification55 由于上述各项损失的存在，使实际循环由于上述各项损失的存在，使实际循环热效率低于理论循环（表热效率低于理论循环（表1-91-9，从表中也可，从表中也可看到看到实际热效率实际热效率低低10%10%以上，以上，柴油机的热效柴油机的热效率高于汽油机）。率高于汽油机）。56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 发动机的指示性能指标是指发动机的指示性能指标是指的指标，简称指示指的指标，简称指示指标。标。 指示指标指示指标表征工质在汽缸内部经历的循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环的完善程度

35、，以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价由功为基础，评价由燃烧到热功转换工作循燃烧到热功转换工作循环进行的质量环进行的质量。是从。是从示功图示功图测量计算得出测量计算得出的。它不计动力输出过程中机械摩擦和附的。它不计动力输出过程中机械摩擦和附件消耗件消耗。57一、一、 指示功和平均指示压力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是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功用功Wi。指示功的大小可以由。指示功的大小可以由pV图中闭合曲线图中闭合曲线所占有的面积求得。所占有的面积求得。610abFWii式中式中： Fi 示功图面积，示功图面积，cm2；可以用求积仪或计算方法

36、求得可以用求积仪或计算方法求得 a 示功图纵坐标比例尺，示功图纵坐标比例尺，Pacm； b 示功图横坐标比例尺，示功图横坐标比例尺，cm3cm。（J或或Nm）21FFFi21FFFi58 指示功指示功Wi反映了发动机气缸在一个工作反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除了和循环中所获得的有用功的数量，它除了和循环中热功转换的有效程度有关外，还和循环中热功转换的有效程度有关外，还和气缸容积的大小有关。为了能更清楚地对气缸容积的大小有关。为了能更清楚地对不同工作容积发动机工作循环的热功转换不同工作容积发动机工作循环的热功转换有效程度作比较，引出了平均指示压力有效程度作比较，引出了

37、平均指示压力(用用pmi表示表示)的概念。的概念。59 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) 。simiVWp式中式中， Wi 发动机一个工作循环的指示功，发动机一个工作循环的指示功，J； Vs 发动机气缸工作容积，发动机气缸工作容积，m3。 若若Vs用用L为单位，为单位，Wi用用kJ为单位，则为单位，则pmi (MPa) 42SDpVpWmismii式中式中， D和和S分别为气缸直径和活塞行程（分别为气缸直径和活塞行程（m）60 平均指示压力平均指示压力可以可以设想为一个恒定的压力设想为一个恒定的压力作用于活塞顶上，使活作用

38、于活塞顶上，使活塞移动一个行程所作的塞移动一个行程所作的功，即循环的指示功功，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是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。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 pmi越高，同样大小的气缸容积可以发出更大的指示功，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。气缸工作容积的利用程度越佳。61二二 、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。发动机单位时间内所作的指示功。4or 230niVpPsmii(kW)若若：一台内

39、燃机的缸数：一台内燃机的缸数i，每缸的工作容积，每缸的工作容积Vs (L) ，平，平均指示压力为均指示压力为pmi (MPa ) ，转速，转速n(r/min)，冲程数冲程数 （ ）。）。62指示性能指标之间的关系指示性能指标之间的关系30iiinWP30simiinVPpimisWp V63三、指示热效率和指示燃油消耗三、指示热效率和指示燃油消耗率率 指示热效率指示热效率it ：发动机实：发动机实际循环指示功与所消耗燃际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。料热量的比值。1QWiit式中式中， Q1 得到指示功得到指示功Wi所消耗的热量所消耗的热量( J) 。 对于一台发动机，若测对于一台发动机，

40、若测得其指示功率得其指示功率Pi (kW)、每小、每小时燃油消耗量时燃油消耗量B(kg/h) ，则：，则：式中式中，3.6l03 1kWh的热当量，的热当量，kJ/(kWh)； B 每小时发动机的耗油量，每小时发动机的耗油量，kg/h； Hu 所用燃料的低热值，所用燃料的低热值，kJ/kg。uiitBHP3106 . 364itcit1cc烧，故一般认为燃料能完全燃是燃烧效率，更加严格意义上，发动机真实的指示热效率更加严格意义上，发动机真实的指示热效率65 指示燃油消耗率指示燃油消耗率g(kWh)：指单位指示功指单位指示功的耗油量。通常以单位指示千瓦小时的耗油的耗油量。通常以单位指示千瓦小时的

41、耗油量来表示：量来表示：iiPBb1000 表示实际循环的经济性指标表示实际循环的经济性指标it和和bi之间存之间存在着以下关系：在着以下关系：uit iHb6106 . 366一般内燃机的一般内燃机的it和和bi的统计范围如下：的统计范围如下： it big(kWh) 四冲程柴油机四冲程柴油机 0.4l0.48 210175二冲程柴油机二冲程柴油机 0.400.48 218177 四冲程汽油机四冲程汽油机 0.250.40 344218二冲程汽油机二冲程汽油机 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

42、的指示热效率高于二高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。冲程发动机。大致范围是：大致范围是：柴油机柴油机 170200 汽油机汽油机 23034067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。68一、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发动机每循环曲轴输出的单缸功量 。eWmi

43、eWWW式中：式中： Wi 循环净指示功循环净指示功 Wm 循环实际机械损失功循环实际机械损失功69 有效功率有效功率miePPP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。702、有效转矩、有效转矩 发动机工作时由功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为有效转矩Ttq ，可由测功器测得。，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

44、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，按公式求得公式求得:9550nTPtpe71260etqtqnPTT9550tqnT(W)(kW)723、平均有效压力、平均有效压力: (MPa)30niVpPsmee9550nTtp 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。是衡量发动机动力性能的是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。一个很重要的参数。发动机单位气缸工作容积所输出的有效功。其发动机单位气缸工作容

45、积所输出的有效功。其意义与平均指示压力相似。与有效功率的关系：意义与平均指示压力相似。与有效功率的关系：semeVWp73平均有效压力反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。平均有效压力反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。30318.3meetqsspPTinViV309550tqsmeenTinV pP744、转速、转速n和活塞平均速度和活塞平均速度30SnCmmC（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) 转速反映单位时间的作功次数，转速反映单位时间的作功次数，nPe。因。因Cm应控制在一定范围，故应减少应控制在一定范围，故应减

46、少S，但，但S也不能也不能过小。过小。Cm是评定发动机动力性的速度指标。是评定发动机动力性的速度指标。75二、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有效热有效热效率效率et和有效燃油消耗率有效燃油消耗率 be。有效热效率有效热效率是实际循环的有效功与为得到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此有效功所消耗的热量的比值，即1QWeetueetBHP3106 . 376 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 ） 310eeBbP63.6 10eetubH

47、 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。 显然，显然， 有效效率的提高有效效率的提高，即直接降低了燃油即直接降低了燃油消耗率，也同时增大了输出功率，这是发动机动消耗率，也同时增大了输出功率，这是发动机动力经济性能的力经济性能的“质质”的环节。的环节。77一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

48、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、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 0.200.1578三、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、标定功指标定转速、标定功率率) )，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。也即单位汽缸工作容积所输出的额定功率。率。也即单位汽缸工作容积所输出的额定功率。30meLp nP式中，式中，pme为标定工况下的平

49、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)seLV iPP 升功率升功率是从发动机有效功率的角度，评价汽缸工作是从发动机有效功率的角度，评价汽缸工作容积利用效率的一种动力性指标，反映一台发动机容积利用效率的一种动力性指标，反映一台发动机整机的强化程度。整机的强化程度。79发动机的发动机的 P PL L & & p pmeme范围范围80 比质量：比质量：发动机质量与所给出的标发动机质量与所给出的标定功率之比定功率之比:eePmm (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

50、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。 PL与与pmen成正比，所以成正比，所以pmen才是实际的强才是实际的强化指标，为了获得更强化、更轻巧和更紧凑化指标，为了获得更强化、更轻巧和更紧凑的发动机，一直以来不断提高的发动机，一直以来不断提高pme和和n。但。但n受受到到Cm的限制。的限制。81 强化系数强化系数mmeCp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

51、p表表116 强化系数范围强化系数范围 82 排放性能排放性能: :有害气体、颗粒（有害气体、颗粒（指发动机排出指发动机排出的除水以外任何液态和固态微粒的除水以外任何液态和固态微粒）。）。 噪声噪声：我国噪声标准中规定轿车噪声不得我国噪声标准中规定轿车噪声不得大于大于84dB 。 冷起动性能：冷起动性能：指发动机在低温条件下起动指发动机在低温条件下起动的可靠性，它直接影响发动机的燃料经济的可靠性，它直接影响发动机的燃料经济性、使用寿命和驾驶员的劳动强度等。我性、使用寿命和驾驶员的劳动强度等。我国标准规定，不采用特殊的低温起动措施国标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机在，汽油机在10、柴油

52、机在、柴油机在5以下的以下的气温条件下，接通起动机，气温条件下，接通起动机，15 s内发动机应内发动机应能顺利起动。能顺利起动。 83排气品质排气品质()排出有害气体排出有害气体目前有害气体排放主目前有害气体排放主要是指氮氧化合物要是指氮氧化合物()、各种碳氢化合、各种碳氢化合物物()及一氧化碳及一氧化碳()这三种危害最大这三种危害最大的气体排放量。的气体排放量。(2)排气颗粒排气颗粒排气颗粒指排气中除水以外排气颗粒指排气中除水以外任何液态和固态微粒，目前除美国外，其任何液态和固态微粒，目前除美国外，其他国家均只限制炭烟的排放量。他国家均只限制炭烟的排放量。84第五节第五节 机械损失和机械效率

53、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。inVPpsmmm30式中，式中， Pm为机械损失功率为机械损失功率(kW)； Vs为工作容积为工作容积(L)； n为转速为转速(rmin)； i为气缸数目。为气缸数目。85 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。iemPPmimmimmimemppPPpp11mitieitieieetPPWWQWQW11可见，在可见，在et中已经考虑到实际发动机工作时的一切中已经考虑到实际发动机

54、工作时的一切损失了。损失了。86一般内燃机的机械效率大致在以下范围：一般内燃机的机械效率大致在以下范围： m非增压柴油机非增压柴油机 0.780.85增压柴油机增压柴油机 0.800.92汽油机汽油机 0.800.9087n活塞与活塞环的摩擦损失活塞与活塞环的摩擦损失 45%65%n整个活塞连杆曲轴机构摩擦损失整个活塞连杆曲轴机构摩擦损失 60%70%n驱动气门机构功耗驱动气门机构功耗 2%3% n驱动附件机构的功率消耗驱动附件机构的功率消耗 10%20% 5. 泵气损失泵气损失 10%20% 88n 示功图法示功图法n 倒拖法倒拖法n 油耗线法油耗线法n 灭缸法灭缸法二、机械损失的测定二、机

55、械损失的测定891、示功图法、示功图法-适用性广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.902、倒拖法只能在电力测功机上试验 试验时，发动机与试验时，

56、发动机与电力测功器电力测功器相连，相连，当发动机以给定工况稳定运行，冷却水、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，切断对发动机油温度到达正常数值时，切断对发动机的机的供供油油（柴油机）或停止点火（汽油（柴油机）或停止点火（汽油机）机），同时将电力测功器转换为电动机，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即为发动机在该工况下的机械损失功率。率。91 广泛用于测定汽油机机械损失。广泛用于测定汽油机机械损失。 而对于

57、柴油机，倒拖时所消耗的功率而对于柴油机，倒拖时所消耗的功率要超过柴油机在给定工况工作时的实际机要超过柴油机在给定工况工作时的实际机械损失，由三个因素综合导致：械损失，由三个因素综合导致：1、无混合气燃烧，部件摩擦降低；、无混合气燃烧，部件摩擦降低；2、包含泵气损失，且由于气温低而更大；、包含泵气损失，且由于气温低而更大；3、重复考虑了充量向气缸壁的传热损失。、重复考虑了充量向气缸壁的传热损失。923. 灭缸法灭缸法（熄火法、断缸法（熄火法、断缸法）仅适用于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，先测当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出出整个发动机的有效功率。之后，在柴油

58、机油门拉杆整个发动机的有效功率。之后，在柴油机油门拉杆或或齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下，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，使发动停止向某一汽缸供油或点火。调整测功机，使发动机机恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余五个恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余五个汽汽缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），两者之缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），两者之差差即为灭掉缸的指示功率。逐次灭缸，则整台发动机即为灭掉缸的指示功率。逐次灭缸，则整台发动机的的指示功率为，各缸相加。指示功率为，各缸相加。93 如果灭缸后其他各缸的工作情况和发

59、动机如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率所发出的指示功率(Pi)x：( )()ixeexPPP依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率的总和中求得整台发功机的指示功率率的总和中求得整台发功机的指示功率Pi：1()iieexxPPP使用的条件为不能引起进、排气系统的异常使用的条件为不能引起进、排气系统的异常变化，主要应用于非增压柴油机。变化，主要应用于非增压柴油机。944. 油耗线法油耗线法-仅适用于自然吸气柴油机和低增仅适用于自然吸气柴油机和低增压柴油机（没有节气门的压燃式

60、发动机）压柴油机（没有节气门的压燃式发动机）333003.6 103.6 10 ()3.6 10PBBuitiemituitmemmemmmmmBHPPPB HPPppPp该方法理论基础 当柴油机空转（无负荷），若不随负荷增减而变化时，两式相除，得：同样，假设pmm不随负荷增减而变化。95 柴油机在转速不变的情柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验，求况下进行负荷特性试验，求出发动机在给定转速下，每出发动机在给定转速下，每小时燃油消耗量与平均有效小时燃油消耗量与平均有效压力的关系曲线。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把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的交点，就可