第2章内燃机的工作指标

1、1第二章 内燃机的工作指标2内燃机的工作指标内燃机的工作指标指单位时间内做功能力的大小，反映能量指单位时间内做功能力的大小，反映能量转换中转换中数量方面的大小数量方面的大小。主要指标有：。主要指标有：ePtqTn功率功率转矩转矩转速转速指单位时间单位功率消耗燃料量多少，反指单位时间单位功率消耗燃料量多少，反映能量转换中映能量转换中质量的好坏质量的好坏。主要指标有：主要指标有：燃油消耗率燃油消耗率eb热效率热效率t指内燃机的起动性、振动性和排放性等方指内燃机的起动性、振动性和排放性等方面指标面指标指大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障指大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力。反

2、映设计，加工水平的高低。长期工作能力。反映设计，加工水平的高低。3主要内容主要内容 n第一节第一节 示功图与指示性能指标示功图与指示性能指标n第二节第二节 有效性能指标有效性能指标n第三节第三节 机械损失与机械效率机械损失与机械效率n第四节第四节 排放指标排放指标n第五节第五节 提高内燃机动力性和经济性的提高内燃机动力性和经济性的途径途径4第一节第一节 示功图与指示性能指示功图与指示性能指标标51.定义定义是指气缸内压力随曲轴转角是指气缸内压力随曲轴转角(或气缸容积或气缸容积)而变化而变化的关系的图形。的关系的图形。pV示功图或示功图或p示功图。示功图。2.研究原因研究原因 内燃机气缸内部实际

3、进行的工作循环是非常复杂的，内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的， 6p示功图示功图7pV示功图示功图压燃式压燃式点燃式点燃式83.pV图与图与p图是可以互相转换的。图是可以互相转换的。 p-V图 p-图 9,()xxx p V( )sV sxV()ccV s由由pV图转换成图转换成p图图,npVconst n为多变指数(,):xxnnnaxxaaxaxpVx p VVp Vp VppV在 图压缩线上任取一点 CS由结构得知：缸径为D,行程为S,余隙为22()4()()4nCnCxaaCxCxDSSSSpppSSDSS(1 cos)(1 cos2)4xxxSR由曲柄连杆运动方程可得：x

4、xxxSVp由此：由计算时一般计算时一般510度为一点，在压缩终点和燃烧始点阶段要密一点，此处压力变化度为一点，在压缩终点和燃烧始点阶段要密一点，此处压力变化大、点太稀误差大。大、点太稀误差大。10内燃机的整个工作进行中由两部分组成内燃机的整个工作进行中由两部分组成第一部分：完成能量的转换。第一部分：完成能量的转换。第二部分：完成运动形式的转换。第二部分：完成运动形式的转换。化学能化学能热能热能机械功机械功（即缸内燃料燃烧到缸内气体膨胀推动活塞做功）（即缸内燃料燃烧到缸内气体膨胀推动活塞做功）活塞往复运动活塞往复运动曲轴旋转运动曲轴旋转运动以工质在气缸内对活塞所做的功为基础的性能指标。以工质在

5、气缸内对活塞所做的功为基础的性能指标。以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程。用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程。用来评定发动机性能的好坏。用来评定发动机性能的好坏。意义：意义：意义：意义：11 （一）指示功Wi和平均指示压力 iWpdV1213非增压非增压增压增压12iFFF12iFFF2F1FiFiF141F二冲程二冲程iF 156/10iiWF a b iF2:/aN mcm纵坐标比例：Pa/cm()N m3b:/cmcm横坐标比例：363110mcm162.平均指示压力平均指示压力miipW

6、24iimiSWWpVDSSV发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。定义：定义：当当一定时，一定时，mip说明热量转换功多，气缸工作容积的利用程度说明热量转换功多，气缸工作容积的利用程度 17平均指示压力平均指示压力mip18( (二二) ) 指示功率指示功率 若一台内燃机的气缸数为若一台内燃机的气缸数为i，每缸的工作容积为，每缸的工作容积为Vs （m3），平均指示压力为），平均指示压力为pmi （Nm2），转速），转速为为n（rs），根据），根据pmi的定义，的定义，每循环每循环气体所作的气体所作的指示功（指示功（J）为）为:imisWpViP1.定

7、义：定义：内燃机单位时间内所作的指示功。内燃机单位时间内所作的指示功。2.公式推导：公式推导：19 若一台内燃机的气缸数为若一台内燃机的气缸数为i，每缸的工作容积为，每缸的工作容积为Vs （m3），），平均指示压力为平均指示压力为pmi （Nm2），转速为），转速为n（rs），根据），根据pmi的定义，每循环气体所作的指示功（的定义，每循环气体所作的指示功（J）为）为:2nZimisWpV设每秒钟的做功次数为设每秒钟的做功次数为z42为冲程数，对于四冲程内燃机：； 对于二冲程内燃机：。具有具有i个气缸的发动机每秒所做的指示功率为：个气缸的发动机每秒所做的指示功率为：22iimismisnnPW

8、 Z ipVipVi ()W203.实际应用的公式实际应用的公式22iimismisnnPW Z ipVipVi i()( ),n(r/min), P (kW) mispMPaV L在实际应用时，一般采用，代入可得363102 101060simiVnPpi30misip V niP对四冲程发动机对四冲程发动机对二冲程发动机对二冲程发动机120misip V niP 60misip V niP ()kW()kW21itBHuPiit3106 . 3 发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。1iitWQ对于一台发动机，当测得其指示功率对于一台发动机

9、，当测得其指示功率Pi (kW)和每小时燃油和每小时燃油消耗量消耗量B(kgh)时，燃料的热值为时，燃料的热值为Hu(KJ/Kg)。根据定义，可得：Q1为得到指示功为得到指示功Wi所消耗的热量（所消耗的热量（J）。）。22310 /()iiBbgkw hPib33.6 10iitPBHu63.6 10itiub H 单位指示功率消耗的燃料量。单位指示功率消耗的燃料量。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之间存在着以下关系：之间存在着以下关系：itibuiHb若以柴油的低热值若以柴油的低热值Hu41868 kJkg代入代入86itib23四冲程柴油机四冲程柴油机 二冲程柴

10、油机二冲程柴油机 四冲程汽油机四冲程汽油机 二冲程汽油机二冲程汽油机 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：从统计范围可以看出：从统计范围可以看出：柴油机柴油机的指示热效率的指示热效率高高于于汽油机汽油机，四冲程四冲程发动机的指示热效率发动机的指示热效率高于高于二二冲程冲程发动机。发动机。2425一、机械效率和有效功率一、机械效率和有效功率eimPPPimePP一定时，则，说明摩擦力小，加工和装配精度高。emiPP26一、机械效率和有效功率一、机械效率和有效功率160( /min)( / ),6060nn rr snn*则转一转所需的时间为：t*2()606030

11、9550tqtqtqtqeeTTTnTnWPkwtnn .tqTN m式中，为发动机转矩，27二、平均有效压力和升功率二、平均有效压力和升功率mep30misip V niP3030meseemesp V niPPpV ni28955030tqmeseT np V niP30mesep V niP,tqmemeTpp发动机单位气缸工作容积输出反映了转矩的大小318.3mestqp V iT29二、平均有效压力和升功率二、平均有效压力和升功率LP30emeLsPp nPiV在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。是是作总作总的评

12、价。它与的评价。它与pme和和n的乘积成正比。的乘积成正比。PL值越大，发动机的值越大，发动机的强化程度强化程度越高越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断提高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断提高pme和和n的水平以获得更强化，更轻巧和紧凑的发动机，一直是内燃机工作的水平以获得更强化，更轻巧和紧凑的发动机，一直是内燃机工作者致力以求的奋斗目标，因而者致力以求的奋斗目标，因而PL是评定一台发动机是评定一台发动机的重要指标之一。的重要指标之一。 30 农用柴油机 汽车用柴油机 强化高速柴油机 固定船用户速柴油机 四冲程摩托车用汽油机 四冲程小客车用汽油机 四冲程载货汽车用汽

13、油机 四冲程小型风冷汽油机 目前内燃机的pme和PL值一般在下列范围内：3111eeetmeetmeSSWWQppVQV充量系数充量系数c过量空气系数过量空气系数a11mepQQ求，先要求，同吸入的空气量和燃料量有关。32,mssshpT m1,maapT m,mssshpT m1,maapT m1、充量系数、充量系数c进气始点参数：进气始点参数：进气终点参数：进气终点参数：msmapp（沿程阻力，局部阻力影响）（沿程阻力，局部阻力影响）saTT（工质受机温加热影响）（工质受机温加热影响）根据：根据：pVmRT1shpVmmmRT1shmm： 实 际 进 入 气 缸 的 新 鲜 空 气 的 质

14、 量 。： 在 进 气 管 状 态 下 能 充 满 气 缸 工 作 容 积 的 空 气 质 量331、充量系数、充量系数cpVmRT1shmm1,smV111将换算到进气口状态时，体积为V 则V也减少来了，则V111cshshsmMVmMV111,msmssshsssp Vp VmmVVRTRT 。342、过量空气系数、过量空气系数a0all:1/lkgkgkg燃料完全燃烧需要的实际空气量（空气燃料)0:1/lkgkgkg燃料完全燃烧需要的理论空气量（空气燃料)100babbglmglgl反映燃料和空气混合时的浓度量bg kg假设每循环中消耗的燃料量为10bamgl柴油l014.3，汽油l01

15、4.8 。352、过量空气系数、过量空气系数a10abmgl01,all01,all01,all(理论混合气理论混合气)(稀混合气稀混合气)(浓混合气浓混合气)是反映混合气浓度量是反映混合气浓度量a36，以保证喷入气缸的柴油能完全燃烧。柴油机在吸入气缸的空气量一定的情况下，。a是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标，。柴油机在全负荷时柴油机在全负荷时a的一般数值范围为：的一般数值范围为：高速柴油机高速柴油机 a1.21.5增压柴油机增压柴油机 a 1.72.237 在整个运行工况中，可以遇到在整个运行工况中，可以遇到a1和和a1的各种情的各种情况，汽油机在全负荷时况，汽油机在全负荷

16、时a的一般数值范围为的一般数值范围为: a0.851.11/空气质量流量空燃比燃料质量流量燃料质量流量燃空比空气质量流量38n实际发动机的a可由废气分析法求得。对于非增压的四冲程内燃机，也可由耗油量及耗气量按下求得0aaABla的测量的测量Aa为发动机的空气消耗量，为发动机的空气消耗量，kgh；B为燃油耗油量，为燃油耗油量，kgh；l0为化学计量空燃比。为化学计量空燃比。391000()()cshcssbaaamVmglll过量空气系数的定义充气效率的定义s其中：为进气管状态下的空气密度。3. pme的推导与建立的推导与建立1etmesQpV而0cssubuaVHg Hl1其中， Q0cets

17、umeaHpl 3/PausmeHJ kgkg mp其中，、 的单位分别为、；为。403. pme的推导与建立的推导与建立0cetsumeaHpl L()usHMPame实用上，取出、 的单位为kJ/kg、kg/ ,则p为：3/PausmeHJ kgkg mp其中，、 的单位分别为、；为。ssspRTss把代入，p 为进气管压力（Pa），T为进气管温度（K）,空气的气体常数R=287J/(kg.K)，得：0287cetusasH pl Tmep()( )(/)()ssumep MPaT KH kg kgpMPa若以、燃料 代入，则为03.485cetusmeasH ppl T41000000(

18、/)3.48528.90.121aamecetusascusmeetaslL kmol kglm LmpHpLTHppLTme若 换用燃料 ，则，为空气的分子量，代入上式可得 （MPa） p建立了动力性指标和经济性指标等一系列参数之间的建立了动力性指标和经济性指标等一系列参数之间的关系，为分析发动机性能提供了一个重要依据。关系，为分析发动机性能提供了一个重要依据。3. pme的推导与建立的推导与建立42n衡量发动机经济性能经济性能的重要指标是和。et1eetWQ111,eimietitWWWQQQ而etitm 33.6 10iitPBHu33.6 10eetuPBH同理4363.6 10eet

19、ubH310eeBbPeb指单位有效功的耗油量，指单位有效功的耗油量，g(kWh)又可表示为又可表示为:33.6 10eetuPBH可见，有效燃油消耗率与有效可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。后，可求出另一值。63.6 10eitmubHeb itmuH 高44 beg /(kWh) 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、二冲程柴油值属排气涡轮增压的四冲程、二冲

20、程柴油机机)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:45第三节第三节 机械损失与机械效率机械损失与机械效率46mPmiePPPm1eimmmiiiPPPPPPPmmp30misip V niP30mmsmp V niP30mmmsPpV ni47484950515253说明：mfBPPPPPfPBP 发动机的内部摩擦损失发动机的内部摩擦损失注：上述注：上述5项中没有换气损失功率项中没有换气损失功率Pp，这是由于在计算，这是由于在计

21、算Pi时，时，计算计算F1时，扣除了时，扣除了F2这块面积，因此就定义而言，这块面积，因此就定义而言，Pf不包含不包含在在Pm项中，但在测量中要项中，但在测量中要Pf和和Pp分开是很难的。所以高速发分开是很难的。所以高速发动机中摩擦损失应为：动机中摩擦损失应为：mfBPPP5455miePPP emiPP30mmmsPpV ni56575859倒拖时倒拖时所消耗的功率要所消耗的功率要超过超过柴油机在给定工况工作时的实际机柴油机在给定工况工作时的实际机械损失。械损失。综合结果综合结果低压缩比发动机低压缩比发动机误差大约为误差大约为5高压缩比发动机高压缩比发动机误差有时可高达误差有时可高达(152

22、0)测定测定汽油机汽油机机械损失机械损失603. 灭缸法灭缸法 （ （613. 灭缸法灭缸法1()iieexxPPP(1)(2)(3)(4)4()ieeeeePPPPPPeimPPP(1)(1)(1)eimPPP(1),mmmnPPP 一定，则不变 则(1)(1)(1)(1)(1)1eimeeiiiPPPPPPPP2(2)ieePPP3(3)ieePPP4(4)ieePPPemiPP623. 灭缸法灭缸法m1500 /min,48eenrPPS(1)(2)(3)(4)33.3,34.8,34.8,33.6e ie ie ie iPPS PPS PPS PPS480.86555.5emiPP(1

23、)(2)(3)(4)1()4()4 48(33.334.834.833.6)55.5iieexeeeeexPPPPPPPP634. 油耗线法理论依据：理论依据：怠速工况：怠速工况：发动机处于发动机处于最低稳定转速最低稳定转速下运行，下运行，不对外做功不对外做功。因此，因此，怠速怠速时：时：0,0,emimPPP(消耗了消耗了B0kg/h燃油，获得了燃油，获得了Pi的功，用于克服发的功，用于克服发动机的机械损失动机的机械损失Pm)644. 油耗线法33.6 10iituPBH333.6 103.6 10 ()uitiemBHPPP3303.6 103.6 10uitimB HPP理论依据：理论依

24、据：标定工况：标定工况：设计时规定的设计时规定的Pe，n(消耗了消耗了Bkg/h燃油，对外做了燃油，对外做了Pe的功的功)怠速工况：怠速工况：0,0,emimPPPit若不随负荷增减而变化时，0PBBemmemmmmmPppPp654. 油耗线法0PBBemmPPBeP作发动机油耗线：作发动机油耗线：柴油机在转速不变的情况下进柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验，求出发动机行负荷特性试验，求出发动机在给定转速下，每小时燃油消在给定转速下，每小时燃油消耗量与平均有效功率的关系曲耗量与平均有效功率的关系曲线。线。注：注： 通常是在中等负荷下（即通常是在中等负荷下（即图中图中mn段）找准油耗线直

25、线段，段）找准油耗线直线段，然后向两边延伸，比较准确。然后向两边延伸，比较准确。因高、低负荷时油耗线不成直因高、低负荷时油耗线不成直线，误差大。线，误差大。mn0BB00PP-PB11PPPBeimmmiiemPP 664. 油耗线法0PBBemmemmmmmPppPp作发动机油耗线：作发动机油耗线：柴油机在转速不变的情况下进柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验，求出发动机行负荷特性试验，求出发动机在给定转速下，每小时燃油消在给定转速下，每小时燃油消耗量与耗量与平均有效压力平均有效压力的关系曲的关系曲线。线。011memmmmemmmemmppBppppB 这个方法虽然只是近似的方法，但只

26、要在低负荷附近，燃油消耗量曲线为直线就这个方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，这种方法不适用不适用于用节气门调节功率的汽油机。于用节气门调节功率的汽油机。675. 几种测量方法的适用范围几种测量方法的适用范围只能用于配有的情况，因而不适用于大功率发动机，而较。由于由于倒拖法和灭缸法倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作，因而只能用破坏了增压系统的正常工作，因而只能用来测定机械损失。来测定机械损失。(pb0.15M Pa)(pb0.15MPa)除除

27、外，尚无其他适用的方法可取代外，尚无其他适用的方法可取代。灭缸法灭缸法只适用于只适用于多缸机多缸机68一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 0.800.9069第四节 排放指标n一、排放物的浓度一、排放物的浓度n二、质量排放量二、质量排放量n三、比排放量三、比排放量n四、排放率四、排放率70n定义：从广义上讲，是指排放物在总排气量中所占的比例n对于气态排放物（CO、HC、NOx）来说，常用体积分数来表示n一般内燃机的排放物都可以作为理想气体处理n内燃机工程的标准的大气状态为总压力101.3kPa，水蒸气分压为1kPa，温度为2

28、73Kn固体排放物微粒用质量浓度表示，常用单位为mg/m371二、二、排放量排放量n单位时间后者按照某标准规定，进行一次测试，在试验期内测出的污染物质量，称为质量排放量，通常以g/h或g/test表示n按照内燃机的车辆规定的工况组合（称为测试循环）行使后折算到单位里程的排放量，称为（单位）里程质量排放量，常用单位为g/km72n内燃机针对单机进行测试时，没单位功排出的污染物质量，常用g/(kW.h)表示，用以评价不同种类、排量的内燃机的排放特性n比排放量可以根据测得的发动机功率、排气流量、污染物浓度、污染物密度等数据进行计算n计算比排放时，可以参阅有关国家标准执行73n排放率定义为燃烧单位质量

29、的燃料所排放的污染物质量，常用g/kg表示n排放率在研究各种燃烧排放源对大气环境影响时常用到，因为燃料消耗量和排放率可以方便的计算污染物总量，但对于内燃机来说。排放率随工况变化十分复杂，所以应用不多。74第五节第五节 提高内燃机动力性能与经济提高内燃机动力性能与经济性能的途径性能的途径401P303 10meituLcmsap nHnl 0uHl变化不大1PitLcmsaKn 首先分析影响单位气缸工作容积的输出功率，即升功率PL的各因素。动力性能动力性能经济性能经济性能62eitmuitK3.6 10bHm 可以进行提高发动机动力性和改善经济性的途径分析。0cetsumeaHpl 75 1PitLcmsaKn 62eitmuitK3.6 10bHm 1. 提高进气密度提高进气密度（采用（采用增压技术增压技术）s通过压气机使空气进入气缸前进行预压缩，提高进气口压力，从而提通过压气机使空气进入气缸前进行预压缩，提高进气口压力，从而提高进气密度。高进气密度。1sLmP76 目前，在在上广泛采用排气涡轮增压器上广泛采用排气涡轮增压器，尤其是当采用高增压后，可以促使柴油机的。 由于受限制，压缩行程终了时的压力和温