第1章 发动机性能指标

1、主讲人：主讲人： 薛薛 晶晶2014. 3内蒙古农业大学 车辆工程专业Principle of Automobile Engine 本课程主要以发动机的动力性、本课程主要以发动机的动力性、经济性、排放、噪声、振动等性能为经济性、排放、噪声、振动等性能为研究对象，深入到发动机工作过程的研究对象，深入到发动机工作过程的各个阶段，分析影响性能指标的各种各个阶段，分析影响性能指标的各种因素，找出性能指标变化的一般规律，因素，找出性能指标变化的一般规律，从而得出提高发动机性能的具体措施；从而得出提高发动机性能的具体措施；也为合理有效地选择和使用发动机，也为合理有效地选择和使用发动机，提供必要的基本理论知

2、识和实验技能。提供必要的基本理论知识和实验技能。奔驰奔驰E230E230六缸六缸2.52.5升发动机升发动机 发动机是汽车的动力来源，发动机的性能直接影响着发动机是汽车的动力来源，发动机的性能直接影响着汽车的性能、可靠程度和寿命。汽车的性能、可靠程度和寿命。 The engine is the power source of automobile. Engine performance directly affects the performance, reliability and longevity of cars. 汽油机特点汽油机特点：工作柔和、噪声低、运转平稳、比质量轻工作柔和、噪声

3、低、运转平稳、比质量轻，在，在轿车和轻型车上广泛应用。近年来由于汽车新技术的不断发展轿车和轻型车上广泛应用。近年来由于汽车新技术的不断发展及其应用，汽油机在燃油经济性方面有了较大的改善。及其应用，汽油机在燃油经济性方面有了较大的改善。 柴油机特点柴油机特点：载货汽车的主要动力，其最大优点是载货汽车的主要动力，其最大优点是功率大、功率大、热效率高、经济性好热效率高、经济性好，一般柴油机的燃油消耗率比汽油机低，一般柴油机的燃油消耗率比汽油机低3040。所以，近年来柴油机汽车发展迅速，尤其在载货汽车和。所以，近年来柴油机汽车发展迅速，尤其在载货汽车和客车及工程汽车领域，甚至在轿车领域柴油机的发展也是

4、不可估客车及工程汽车领域，甚至在轿车领域柴油机的发展也是不可估量的，在汽车工业发达国家轿车柴油机化的比例很高。量的，在汽车工业发达国家轿车柴油机化的比例很高。 发动机性能指标：发动机性能指标： 动力性能指标：功率、转矩和转速动力性能指标：功率、转矩和转速 经济性能指标：燃料与润滑油消耗率经济性能指标：燃料与润滑油消耗率 运转性能指标：冷起动性能、噪声和排气品质运转性能指标：冷起动性能、噪声和排气品质 耐久可靠性指标耐久可靠性指标发动机质量评定：发动机质量评定：主要通过以上性能指标进行评定，主要通过以上性能指标进行评定，但在评定时要把各种性能指标有机地结合起来。但在评定时要把各种性能指标有机地结

5、合起来。 第第1章章 发动机的性能指标发动机的性能指标1.1发动机的理论循环发动机的理论循环 确切描述发动机的实际热力过程是非常困难的，通常确切描述发动机的实际热力过程是非常困难的，通常将发动机实际工作循环加以抽象和简化，使其既近似于所将发动机实际工作循环加以抽象和简化，使其既近似于所讨论的实际循环，以便作定量分析，为讨论实际循环提供讨论的实际循环，以便作定量分析，为讨论实际循环提供了理论依据。这种假想循环就称为发动机了理论依据。这种假想循环就称为发动机“理论循环理论循环”。简化的假设条件：简化的假设条件：（1）假设工质为理想气体）假设工质为理想气体 ，在整个循环中保持物理及化，在整个循环中保

6、持物理及化学性质不变，其状态参量的变化完全遵守气体状态方程。学性质不变，其状态参量的变化完全遵守气体状态方程。（2）气缸内系统为闭口系统，不考虑实际存在的工质更）气缸内系统为闭口系统，不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失，工质数量保持不变，循环是在定量工质下换以及漏气损失，工质数量保持不变，循环是在定量工质下进行的。进行的。（3）把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的绝热）把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的绝热等熵过程，工质与外界不进行热交换；工质比热容为常数。等熵过程，工质与外界不进行热交换；工质比热容为常数。（4）用假想的定容或定压加热和定容放热来代替实际的）用假想的定容或定压加热

7、和定容放热来代替实际的燃烧和换气过程。燃烧和换气过程。 根据对燃烧过程即加热方式的不同假设，可以得到三根据对燃烧过程即加热方式的不同假设，可以得到三种基本理论循环，理论循环是用循环热效率和循环平均压种基本理论循环，理论循环是用循环热效率和循环平均压力来衡量的。力来衡量的。 图图1-1 1-1 发动机理论循环示功图发动机理论循环示功图a)混合加热循环;b)定容加热循环;c)定压加热循环1）混合加热循环）混合加热循环 ，按燃烧过程的特点分成定，按燃烧过程的特点分成定容和定压两种加热过程。活塞由下止点向上容和定压两种加热过程。活塞由下止点向上止点运动速度较快，简化为绝热压缩过程；止点运动速度较快，简

8、化为绝热压缩过程；燃烧开始阶段燃烧速度较快，气缸容积变化燃烧开始阶段燃烧速度较快，气缸容积变化不大，可简化为定容加热过程，后期燃烧较不大，可简化为定容加热过程，后期燃烧较慢，压力变化不大，可简化为定压加热过程；慢，压力变化不大，可简化为定压加热过程；然后活塞由上止点向下止点运动，燃烧气体然后活塞由上止点向下止点运动，燃烧气体膨胀作功，这一过程可简化为绝热膨胀过程，膨胀作功，这一过程可简化为绝热膨胀过程，放热过程简化为定容放热。所以车用柴油机放热过程简化为定容放热。所以车用柴油机的理论循环称为混合加热循环。的理论循环称为混合加热循环。 柴油机的混合加热循环由柴油机的混合加热循环由5个基本热力过程

9、组成：个基本热力过程组成：a-c为为绝热压缩绝热压缩过程；过程；c- z为为定容加热定容加热过程，加热量为过程，加热量为 ；z-z为为定压加热定压加热过程，加热量为过程，加热量为 ；z-b为为绝热膨胀绝热膨胀过程；过程；b-a为为定容放热定容放热过程，放热量为过程，放热量为 。1Q1Q2Q1.1.1基本理论循环基本理论循环 混合加热循环的热效率：混合加热循环的热效率： ) 1() 1(1111ppkpktmkcapczpppczk式中 压缩比， 压力升高比， 预膨胀比，绝热指数，理想气体绝热指数是定值，其值取决于气体的原子数，单原子气体为1.67，双原子气体为1.4，三原子气体为1.3。 混合

10、加热循环的平均压力：混合加热循环的平均压力：单位汽缸工作容单位汽缸工作容积所做的功，是评价理论循环的做功能力的指积所做的功，是评价理论循环的做功能力的指标。标。tmppaktmkkpp) 1() 1(11 压缩初始点的压力，即进气终了的压力。压缩初始点的压力，即进气终了的压力。 ap2）定容加热循环）定容加热循环 在实际工作中，由于燃烧前混合在实际工作中，由于燃烧前混合气形成的质量较好，气形成的质量较好，燃烧时间短、速度快燃烧时间短、速度快，燃烧过程燃烧过程接近于接近于对缸内气体进行对缸内气体进行定容加热定容加热过过程，其余过程和混合加热循环类似，所以汽程，其余过程和混合加热循环类似，所以汽油

11、机的理论循环又称为定容加热循环。油机的理论循环又称为定容加热循环。 定容加热循环实际可看作定容加热循环实际可看作。定容加热循环由。定容加热循环由4个基本热力过程组成：个基本热力过程组成：a-c为绝热压缩过为绝热压缩过程；程；c-z为定容加热过程，加热量为为定容加热过程，加热量为Q1； z-b为绝热膨胀过程；为绝热膨胀过程；b-a为定容放热过程，放热量为为定容放热过程，放热量为Q2。 将 =1代入混合加热循环热效率和平均压力计算式，得出定容加热循环的热效率和平均压力为 111ktVtVpaktVkpp1113）定压加热循环）定压加热循环 工作接近定压加热循环。定工作接近定压加热循环。定压加热循环

12、实际可看作压加热循环实际可看作。定压加热循环由。定压加热循环由4个基本个基本热力过程组成：热力过程组成：a-c为绝热压缩过程；为绝热压缩过程；c-z为为定压加热过程，加热量为定压加热过程，加热量为Q1；z-b为绝热膨为绝热膨胀过程；胀过程；b-a为定容放热过程，放热量为为定容放热过程，放热量为Q2。 taktkkpp 111 1 将将 =1代入混合加热循环热效率和平均压力计算式，得出代入混合加热循环热效率和平均压力计算式，得出定压加热循环的热效率和平均压力为定压加热循环的热效率和平均压力为 ) 1(1111kkktptpaktpkkpp111结论：结论：(1)当初始状态一致（当初始状态一致（P

13、1，T1相同）且加热量且加热量Q1及及，定压加热循环的热效率最低，定压加热循环的热效率最低，混合加热循环介于两者之间。混合加热循环介于两者之间。tv tmtp (2)当最高燃烧压力当最高燃烧压力Pz和加热量和加热量Q1相同但相同但，定容加热循环的热效率最低，混合加，定容加热循环的热效率最低，混合加热循环仍介于两者之间。热循环仍介于两者之间。tp tmtv图图2-5 三种理论循环的比较三种理论循环的比较1.1.2理论循环的影响因素理论循环的影响因素1）压缩比）压缩比 ttp随着压缩比随着压缩比 的提高，三种循环的热效率的提高，三种循环的热效率 和平均压力和平均压力 均提高。均提高。 定容加热循环

14、热效率与压定容加热循环热效率与压缩比的关系，压缩比较小时，缩比的关系，压缩比较小时，随压缩比提高，热效率增加很随压缩比提高，热效率增加很快，但压缩比较大时，再提高快，但压缩比较大时，再提高压缩比则效果就不明显了。压缩比则效果就不明显了。 在实际循环中，提高汽油机压缩比在实际循环中，提高汽油机压缩比受爆震燃烧的限制，受爆震燃烧的限制，而柴油机在压缩比为而柴油机在压缩比为22以上后对热效率的提高就不太明显了，以上后对热效率的提高就不太明显了，相反压力的提高却对机体和零件的强度带来考验相反压力的提高却对机体和零件的强度带来考验。 2）压力升高比）压力升高比 在定容加热循环定容加热循环中，压力升高比随

15、着循环加热量Q1的增加而加大，且 值成正比加大。若 保持不变， 增大 则平均压力增加，循环放热量Q2亦相应增加。即 不变，pt提高。 ptV在混合加热循环混合加热循环中，当压缩比和总加热量一定时，提高压力升高比 ，预膨胀比 相应减小，相应 减小，使循环热效率和平均压力提高。 p2Q3）预膨胀比）预膨胀比 在等压加热循环等压加热循环中，若 保持不变，随着加热量 增加， 值加大， 下降。在混合加热循环混合加热循环中，当循环总加热量 和 保持不变时，若 值增大，意味着等压加热部分增大，同样 下降。 1Qtp1Qtm4）绝热指数）绝热指数 绝热指数绝热指数k越大，热效率越大，热效率 越高。越高。 在其

16、他参数一定时，随着进气终了压力提高，气缸内在其他参数一定时，随着进气终了压力提高，气缸内最高温度和压力都会有所提高，循环平均压力也提高。最高温度和压力都会有所提高，循环平均压力也提高。5）进气终了压力）进气终了压力 t（1）结构条件的限制）结构条件的限制 从理论循环的分析得知，从理论循环的分析得知，提高压缩比和压力升高比对提高压缩比和压力升高比对提高循环热效率起着有利的作用提高循环热效率起着有利的作用，但使，但使循环最高压力急剧循环最高压力急剧升高升高，从而对零件的承载强度要求更高，降低发动机的使，从而对零件的承载强度要求更高，降低发动机的使用寿命和使用可靠性，为此必然增加发动机的质量，造成用

17、寿命和使用可靠性，为此必然增加发动机的质量，造成发动机体积与制造成本的增加。因此，用提高压缩比和压发动机体积与制造成本的增加。因此，用提高压缩比和压力升高比的方法来提高循环热效率时应权衡考虑。力升高比的方法来提高循环热效率时应权衡考虑。 （2）机械效率的限制）机械效率的限制 不加限制地提高压缩比和压力升高比反而会使不加限制地提高压缩比和压力升高比反而会使机械效率机械效率下降下降，会产生提高压缩比和压力升高比带来的动力性增加量，会产生提高压缩比和压力升高比带来的动力性增加量由于摩擦损失的增加而减少甚至消失。由于摩擦损失的增加而减少甚至消失。 从理论循环中所得到的结论用于指导实践时，必须考虑的约束

18、和限制 ：MPapz147MPapz93柴油机的压缩比一般在1422之间， 最高循环压力汽油机的压缩比一般在612之间， 最高循环压力（3）燃烧方面的限制）燃烧方面的限制 压缩比过高时压缩比过高时汽油机汽油机容易产生容易产生爆燃爆燃和和表面点火表面点火等不正等不正常燃烧现象。对于常燃烧现象。对于柴油机柴油机，过高的压缩比将使压缩终了的，过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积很小，使气缸容积很小，使燃烧室的设计困难燃烧室的设计困难。 ) 1() 1(1111ppptm111tV) 1(1111tp（1）各循环热效率的对比）各循环热效率的对比 知识点小结知识点小结tVpatVpp) 1(1) 1(tm

19、ppatmpp)1() 1(1) 1(tpatppp) 1(1) 1(（2）各循环平均压力的对比）各循环平均压力的对比)32412(21. 01OHCowwwL)838(23. 01OHCowwwL)32412(21. 04 .22OHCowwwL空气的摩尔数空气的摩尔数(摩尔数摩尔数*O2分子分子量量32=O2质量质量)空气的质量空气的质量(1摩尔气体的体摩尔气体的体积约为积约为22.4L)空气的体积空气的体积图图4-5 随负荷的变化关系随负荷的变化关系0aa0LL燃料量燃料量燃料量空气量1.3.1 实际循环与理论循环的比较实际循环与理论循环的比较 实际循环与理想循环相比，主要存在以下各种损

20、失：实际循环与理想循环相比，主要存在以下各种损失：a) 柴油机; b) 汽油机 实际工质损失实际工质损失(Wk)、传热损失、传热损失(Wb)、换气损失、换气损失(Wr+W)、燃烧损失燃烧损失(Wz)、不完全燃烧和摩擦损失、不完全燃烧和摩擦损失 。1.3 发动机的实际循环发动机的实际循环1）实际工质损失）实际工质损失(Wk) 理论循环中假设工质比热容是定值，而实际气体比热容是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，对于相同的加热量，随温度的升高而上升，对于相同的加热量，实际循环实际循环所能达到所能达到的的最高燃烧温度小于理论循环最高燃烧温度小于理论循环的，结果使循环

21、热效率下降。实的，结果使循环热效率下降。实际循环还存在际循环还存在泄漏泄漏，使工质数量减少，这意味着同样的加热量，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。多，其结果是循环热效率低，循环所做的功减少。 2）换气损失）换气损失(Wr+W) 理论循环理论循环是闭式循环，没有工质的更换，是闭式循环，没有工质的更换，不考虑发动机的不考虑发动机的进排气过程进排气过程，也没有任何形式的流动阻力损失。，也没有任何形式的流动阻力损失。实际实际发动机工发动机工作时，

22、存在工质的更新，即进气过程吸入新鲜工质，排气过程作时，存在工质的更新，即进气过程吸入新鲜工质，排气过程强制排出废气强制排出废气，克服进排气系统的阻力，克服进排气系统的阻力会消耗部分机械功会消耗部分机械功，这，这就是实际循环存在的就是实际循环存在的泵气损失泵气损失Wr。 换气过程中因排气门在下止点前的早开而产生的损失为换气过程中因排气门在下止点前的早开而产生的损失为提提前排气损失前排气损失W，泵气损失和提前排气损失之和称换气损失泵气损失和提前排气损失之和称换气损失。 3）燃烧损失）燃烧损失(Wz) 实际发动机的燃烧过程不可能在瞬间完成，为使燃烧过程在上止点附近完成，必须在上止点前使混合气着火开始

23、燃烧，到上止点后燃烧过程结束。实际燃烧速度的有限性与后燃及不完全燃烧的存在，使实际循环与理论循环存在差距。上止点前的燃烧上止点前的燃烧使活塞在压缩过程消压缩过程消耗的功增加耗的功增加，而上止点后的燃烧使最高压力下降上止点后的燃烧使最高压力下降，循环净功减少，这就是实际循环存在的燃烧损失WZ。4）传热损失）传热损失(Wb) 理论循环理论循环中将压缩和膨胀过程看作绝热过程绝热过程，实际实际循环中，气缸内的工质与外界自始至终存在热量传递热量传递，而且大多数时间都有工质向外界放热，所以工质的实际作有用功的热量减少，作功过程的平均压力降低，循环功减少，实际循环热效率低于理论循环，这就是实际循环存在的传热

24、损失Wb。5）不完全燃烧和摩擦损失）不完全燃烧和摩擦损失 在混合气过浓混合气过浓或混合气形成不良混合气形成不良时，燃料存在燃烧不完全燃烧不完全现象，燃料的化学能不能通过燃烧完全释放，使实际循环加热量减少，循环热效率和平均压力下降，这种损失称为不完全燃烧损失。 实际循环中还存在机械运动机械运动造成的摩擦损失摩擦损失。 1.3.2 实际循环的工作过程实际循环的工作过程 1）进气冲程）进气冲程 吸入新鲜工质的冲程即是进气冲程。吸入新鲜工质的冲程即是进气冲程。进气冲程中，活塞由上止点向下止点运进气冲程中，活塞由上止点向下止点运动，进气门打开，排气门关闭，新鲜工动，进气门打开，排气门关闭，新鲜工质在气缸

25、内真空作用下被吸入气缸。质在气缸内真空作用下被吸入气缸。 由于由于进气系统的阻力进气系统的阻力，进气终了时进气终了时气缸内压力小于大气压力气缸内压力小于大气压力，约为，约为0.0750.095MPa，而工质受到受，而工质受到受残余废残余废气、气缸壁、活塞顶气、气缸壁、活塞顶等高温机件的加热，等高温机件的加热，温度总是高于大气温度，进气终了温度温度总是高于大气温度，进气终了温度一般为一般为310400K。 汽油机汽油机 Pa=0.0800.095MPa Ta=310340K 柴油机柴油机 Pa=0.0750.090MPa Ta=370400K 进气门进气门 开开 启启活塞排气门排气门 关闭关闭温

26、度温度310400 K， 压力压力7595 kPa 进气冲程进行的好坏直接影进气冲程进行的好坏直接影响发动机响发动机动力性动力性。在气缸容积一。在气缸容积一定时，定时，提高进气终了压力、降低提高进气终了压力、降低进气终了温度可增加进气量。进气终了温度可增加进气量。进进气量的增加意味着循环作功能力气量的增加意味着循环作功能力的增强，循环热效率一定时，可的增强，循环热效率一定时，可提高发动机动力性。故在实际发提高发动机动力性。故在实际发动机工作过程中，进气门的迟闭动机工作过程中，进气门的迟闭角对发动机性能影响最大。角对发动机性能影响最大。活塞向下活塞向下2）压缩冲程）压缩冲程 吸入气缸内的工质在压

27、缩冲程中吸入气缸内的工质在压缩冲程中压压力力和和温度温度急剧升高，为其着火燃烧创造急剧升高，为其着火燃烧创造了有利的条件。压缩冲程是一个复杂的了有利的条件。压缩冲程是一个复杂的多变过程，其间有多变过程，其间有热交换热交换和和漏气损失漏气损失。 进气门、排气门均关闭，活塞由下进气门、排气门均关闭，活塞由下止点向上止点运动，气体被压缩的程度止点向上止点运动，气体被压缩的程度称压缩比。称压缩比。 压缩比过低会使发动机压缩比过低会使发动机动力性、经济性和排放性动力性、经济性和排放性下降，下降，提高压缩比又受到机件强度和不正常燃烧的限制，一般发提高压缩比又受到机件强度和不正常燃烧的限制，一般发动机的压缩

28、比为：汽油机动机的压缩比为：汽油机 611；柴油机；柴油机 1622。1262214活塞向上活塞向上 压缩开始压缩开始时进入气缸的新鲜气体温度较低，从接触时进入气缸的新鲜气体温度较低，从接触的高温机件上的高温机件上吸收热量吸收热量；随着压缩过程的进行，气体温；随着压缩过程的进行，气体温度不断升高，到某一瞬时与接触的高温机件温度相等时，度不断升高，到某一瞬时与接触的高温机件温度相等时，与外界没有热量交换与外界没有热量交换；此后，随着气体温度的继续升高，；此后，随着气体温度的继续升高，高温气体又会高温气体又会向与之接触的机件放热向与之接触的机件放热。 实际发动机压缩过程中，气缸内气体的平均温度总实

29、际发动机压缩过程中，气缸内气体的平均温度总是高于与之接触的机件，所以不可避免存在是高于与之接触的机件，所以不可避免存在传热损失传热损失，此外此外气体泄漏气体泄漏和和摩擦摩擦也会造成也会造成能量损失能量损失。发动机气缸密。发动机气缸密封不良，压缩终了的压力过低，会导致发动机动力性、封不良，压缩终了的压力过低，会导致发动机动力性、经济性下降，使用中出现动力不足、起动困难、燃料消经济性下降，使用中出现动力不足、起动困难、燃料消耗增加等故障现象。耗增加等故障现象。 汽油机汽油机 Pc=0.802.00MPa Tc=600750K柴油机柴油机 Pc=3.005.00MPa Tc=750950K3）燃烧过

30、程）燃烧过程 活塞位于上止点附近，进、排气门均活塞位于上止点附近，进、排气门均关闭。燃料的化学能转化为热能，使工质关闭。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，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。放出热量越多，热效率越高。 汽油机汽油机的燃烧过程接近的燃烧过程接近定容加热循环定容加热循环，原因是汽油机的可燃混合气是在火花塞点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，火焰迅速传播到整个火之前已基本形成，火焰迅速传播到整个燃烧室。燃烧室。 柴油机柴油机的燃烧过程接近的燃烧过程接近混合加热循环混合加热循环，喷油器在上止点前喷，喷油器在上

31、止点前喷油，燃油微粒迅速与空气混合，在高温高压下自燃。开始时，燃油，燃油微粒迅速与空气混合，在高温高压下自燃。开始时，燃烧速度很快，工质温度、压力剧增，接近定容加热；后来一面喷烧速度很快，工质温度、压力剧增，接近定容加热；后来一面喷油，一面燃烧，燃烧速度逐渐缓慢，又因活塞下移，气缸容积加油，一面燃烧，燃烧速度逐渐缓慢，又因活塞下移，气缸容积加大，压力升高不大，而温度继续上升，燃烧接近定压加热。大，压力升高不大，而温度继续上升，燃烧接近定压加热。 汽油机和柴油机在燃烧时最高温度和压力一般为：汽油机和柴油机在燃烧时最高温度和压力一般为： 汽油机汽油机 Pz=3.006.00MPa Tz=22002

32、800K 柴油机柴油机 Pz=6.009.00MPa Tz=20002500K活塞向下活塞向下 高温高压的燃气推动活塞从上高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，进排气门均关止点向下止点运动，进排气门均关闭，气体边燃烧边作功，高压气体闭，气体边燃烧边作功，高压气体通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用以除了用以维持发动机本身继续运转维持发动机本身继续运转外，其余的用于外，其余的用于对外作功对外作功。 4）作功冲程）作功冲程 膨胀过程终了的膨胀过程终了的压力和温度越低，说明气体膨胀和热量压力和温度越低，说明气体膨胀和热量利用越充分利用越充分。柴油机的压缩比高，

33、活塞的冲程长，气体膨胀。柴油机的压缩比高，活塞的冲程长，气体膨胀和热量利用更充分，所以膨胀终了柴油机的温度和压力较汽和热量利用更充分，所以膨胀终了柴油机的温度和压力较汽油机低，热效率也较高。油机低，热效率也较高。 汽油机 Pb=0.300.60MPa Tb=15001700K柴油机 Pb=0.200.50MPa Tb=10001400K活塞向下活塞向下5）排气冲程）排气冲程 作功冲程接近终了时，排气门提前作功冲程接近终了时，排气门提前开启，首先靠废气的压力进行自由排气，开启，首先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时，活塞到达下止点后再向上止点运动时，继续将废气强制排到大气

34、中。活塞到达继续将废气强制排到大气中。活塞到达上止点附近时，排气冲程结束，但由于上止点附近时，排气冲程结束，但由于气体流动存在惯性，排气门在活塞到达气体流动存在惯性，排气门在活塞到达上止点之后关闭。上止点之后关闭。 由于发动机由于发动机排气系统存在阻力排气系统存在阻力，使排气终了的压力略高，使排气终了的压力略高于大气压力。在实际工作中，也常用排气温度作为检查发动于大气压力。在实际工作中，也常用排气温度作为检查发动机工作状态的技术指标，排气终了温度偏高，说明发动机工机工作状态的技术指标，排气终了温度偏高，说明发动机工作过程不良，热效率低。作过程不良，热效率低。 汽油机汽油机 Pr=0.1050.

35、120MPa Tr=9001200K柴油机柴油机 Pr=0.1050.120MPa Tr=700900K 活塞向上活塞向上示功图大气压力线大气压力线上止点下止点进气门关闭排气门打开温度温度9001200 K 压力压力105125 kPa残余废气活塞 排气行程排气行程PVrcbZ1.4.1 指示性能指标指示性能指标 指示性能指标是以工质对活塞所作的功工质对活塞所作的功为基础的指标，用来评定发动机实际工作循环质量的好坏。 指示功和平均指示压力、指示功率用来评定实际循环动实际循环动力性力性的好坏；指示热效率和指示燃油消耗率用来评定实际循环实际循环的经济性的经济性。1）平均指示压力）平均指示压力 平均

36、指示压力是指发动机单位气缸工作容积单位气缸工作容积在每一循环每一循环内所作的指示功指示功，用符号pmi表示，单位为kPa。 Wi循环指示功，J；Vs气缸工作容积，L。 根据建立指标体系的基础不同发动机的性能指标可分为：指示性能指标、有效性能指标指示性能指标、有效性能指标。 1.4 发动机的性能指标发动机的性能指标 pmi = Wi / Vs循环指示功循环指示功是指每循环内工质对活塞所作的有用功。发动机每循环作功的多少与气缸工作容积有关，平均指示压力愈高平均指示压力愈高，则同样大小的气缸每循环作功就越多。所以平均指示压力能平均指示压力能更准确地评定发动机循环动力性的好坏更准确地评定发动机循环动力

37、性的好坏。各种发动机的指示压力范围 ：2）指示功率）指示功率 指示功率是指发动机在单位时间单位时间内所作的指示功指示功，用符号 来表示，单位是瓦特，发动机每工作循环所作的指示功 iPsmiiVpW 。每秒工作循环次数为 )60(2nk kWinVptWPsmiii,10303 冲程数； 气缸数； 发动机转速（r/min）。 in汽油机 0.71.43MPa柴油机 0.6 1.1MPa增压柴油机0.85 2.6MPa3）指示燃油消耗率）指示燃油消耗率 指示燃油消耗率是指单位指示功率单位指示功率的耗油量耗油量，又称指示比油耗，用符号bi来表示，单位为克/(千瓦小时)，当发动机指示功率为Pi(kW

38、) ，每小时耗油量为B (kg/h ) ， 则指示燃油消耗率为： 310iiPBb4）指示热效率）指示热效率 指示热效率是指发动机实际循环指示功实际循环指示功与所消耗热量消耗热量之比，即 1QWii若已知发动机的指示功率为 ( kW ) ，每小时耗油量为B ( kg/h ) ，所用燃料的低热值为 ，则 iPkgkJHuuiuiiHbBHP63106 . 3106 . 31.4.2 有效性能指标有效性能指标 有效性能指标有效性能指标是以发动机为基础的指标，可用来评定整个发动机工作性能的好坏。1）有效功率）有效功率 (Pe) 有效功率是指从发动机曲轴上输出的功率，用符号Pe表示，单位为kW。在数值

39、上为指示功率Pi与机械损失功率Pm的差值，即 miePPP 机械损失功率机械损失功率是指发动机在内部传递动力的过程中损失的功率，主要包括摩擦损失摩擦损失、驱动附件的损失驱动附件的损失和泵泵气损失气损失。发动机工作中，机械损失是不可避免的，机械损失功率和有效功率均可通过试验方法确定。2）平均有效压力）平均有效压力 (pme) 平均有效压力是指发动机单位气缸工作容积单位气缸工作容积输出的有效功有效功，用符号pme来表示，单位为 kPa，即 semeVWp平均有效压力越高，有效转矩越大，发动机的动力性越好平均有效压力越高，有效转矩越大，发动机的动力性越好。 平均有效压力和有效功率的关系：30inVp

40、tWPsmeee3）有效转矩）有效转矩 (Ttq)有效转矩是指发动机曲轴上输出的转矩，用符号Ttq表示，单位是 。在实际工作中，一般通过台架试验直接测量发动机的有效转矩和转速，计算出发动机的有效功率 mN 9550106023nTnTPtqtqe5）有效热效率）有效热效率 有效热效率是指发动机实际循环有效功与所消耗热量之比，即 1QWeetQ1做We有效功所消耗的热量。 ueetBHP3106 . 3有效热效率也是评定发动机经济性的重要指标。 汽油机30. 020. 0e50. 030. 0e可见，柴油机的热效率比汽油机的高，经济性比汽油机好。 柴油机 4）有效燃油消耗率）有效燃油消耗率 有效

41、燃油消耗率是指单位有效功的耗油量单位有效功的耗油量，简称油耗率油耗率，用符号be来表示，常用单位为克/（千瓦小时），当发动机的有效功率为Pe( kW ) ，每小时耗油量为GT( kg/h ) ，则有效燃油消耗率为： 有效燃油消耗率有效燃油消耗率是评定发动机实际循环经济性经济性的重要指标之一 。310eepBb6）升功率）升功率 (PL)单位汽缸工作容积所发出的有效功率，用符号PL表示，单位是kW/L。 30npV iPPmeseL升功率升功率反映发动机气缸工作容积的利用程度气缸工作容积的利用程度，以及发动机结构的紧凑性紧凑性。发动机有效功率一定时，升功率越高，发动机的体积就越小。提高平均有效压

42、力和转速是提高升功率的有效措施。转速转速n和活塞平均速度和活塞平均速度cm cm=Sn/30 提高n，可增加单位时间的做功次数，使发动机体积小、重量轻和功率大。 cm大，则活塞组的热负荷和曲轴连杆机构的惯性力均增大，磨损加剧，寿命下降。 cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过15m/s，柴油机不超过13m/s。 为了提高为了提高n又不使又不使cm过大，可减小活塞行程过大，可减小活塞行程S。 现代高性能柴油机的循环热效率高达40以上，汽油机的循环热效率也可达到30左右。 升功率升功率 PL=2255 (kW/L); 比质量比质量Me=1.54.0 (kg/kW)升功率升功率 PL=

43、1830 (kW/L); 比质量比质量Me=4.09.0 (kg/kW)7）比质量）比质量(Me ) ：即每单位功率的质量。即每单位功率的质量。 Me=m/Pe 例如，每产生1000千瓦输出功率，假设柴油机达到此功率要求，机组的重量（即质量）需为800千克，而汽油机可能只需要500 千克。 可认为，柴油机 比质量 大于汽油机。 1.5 机械损失和机械效率机械损失和机械效率 （1）机械效率）机械效率 机械效率是指有效功率与指示功率的比值，用符号 表示。 mmimmiemPPPP1机械效率越高，机械损失越小，发动机的性能越好。 在任何情况下，为提高发动机的性能，都应尽可能减少机械损失，提高机械效率

44、。 汽油机 柴油机 90. 070. 0m85. 070. 0m根据机械效率、有效热效率和指示热效率的定义式，可得三者之间的关系为： mie（2）机械损失的组成）机械损失的组成 1）摩擦损失）摩擦损失 指发动机曲柄连杆机构曲柄连杆机构和配气机构配气机构中运动件摩擦造成的损失。 活塞和活塞环、主轴颈与主轴承、连杆轴颈与连杆轴瓦活塞和活塞环、主轴颈与主轴承、连杆轴颈与连杆轴瓦之间均存在摩擦损失，其中活塞和活塞环与气缸壁之间的摩擦损失最大，这部分占全部摩擦损失的75 %80 %，这是因为其摩擦面积较大，相对运动速度高，且润滑条件相对差。其次是轴承与轴颈之间的摩擦损失，气门传动机构的摩擦损失。 2）驱

45、动附件损失）驱动附件损失 发动机正常工作时，必须驱动冷却水泵、发电机、机油泵、喷油泵和风扇等一些必要的附件，驱动这些附件必然会消耗发动机的指示功率。 3）泵气损失）泵气损失 在测定发动机的机械损失时，很难将泵气损失与其他机械损失分离开，所以通常将泵气损失包括在机械损失中。 一般机械损失所消耗的功率占指示功率的1030 %。降低发动机机械损失，特别是摩擦损失，是提高发动机性能的重要途径之一。 （3）影响机械效率的因素）影响机械效率的因素 1）点火提前角或供油提前角）点火提前角或供油提前角 汽油机的点火提前角和柴油机的供油提前角直接影响实际循环指示功实际循环指示功和缸内最高压力缸内最高压力。 汽油

46、机的点火提前角过大点火提前角过大，不但有可能发生爆燃爆燃，还会使提前燃烧的损失提前燃烧的损失增加，循环指示功减少，同时也会增大缸内最高压力，使活塞侧压力和轴承负荷增大，气缸摩擦损失增加，这均导致机械效率降低。 点火提前角过小点火提前角过小，则会使上止点后的燃烧损失增加上止点后的燃烧损失增加，循环指示功也会减少，尽管机械损失也有所减少，但机械损失减少的比例小于循环指示功的减少，所以机械效率仍会下降。柴油机的喷油提前角过大或过小同样发生类似机械效率下降的现象。 2）发动机转速）发动机转速 随发动机转速提高转速提高，各摩擦表面间的相对运动速度加大，摩擦损失增加摩擦损失增加；同时由于转速上升而引起运动

47、件的惯性力加大，致使活塞侧压力和轴承负荷增加活塞侧压力和轴承负荷增加，也会使气缸和活塞的摩擦损失增加气缸和活塞的摩擦损失增加。此外，转速提高，还会使泵气损失及驱动附件的机械损失增加。所以，随发动机转速提高转速提高，机械损失功率增加，机械效率下降机械效率下降。 试验统计，机械损失功率与转速平方近似成正比，所以转速越高，机械效率下降越快，如图所示。这成为通过提高转速来强化发动机动力性的一大障碍。 摩擦损失占所有机械损失的6075 %，而活塞、活塞环与气缸壁之间的摩擦损失占总摩擦损失的70 80 %，因此在通过提高转速来强化发动机动力性时，尽量减小活塞的运行速度减小活塞的运行速度，以减少活塞、活塞环

48、与气缸壁之间的摩擦损失，对提高机械效率提高机械效率有重要意义。要提高发动机转速，又不使活塞运行速度过高，则应尽量减小减小活塞行程活塞行程。 3）发动机负荷）发动机负荷 发动机的机械损失机械损失主要来自摩擦损失摩擦损失，摩擦损失又取决于机件的相对运动速度机件的相对运动速度与机械负荷机械负荷。当发动机转速转速一定一定时，随负荷增加，平均有效压力负荷增加，平均有效压力增大，各机件承受的机械负荷增大机械负荷增大，摩擦损失增加摩擦损失增加；但由于转速一定，泵气损失和驱动附件的损失变化不大，所以随发动机负荷增加，机械损失功率增加较缓慢。 随发动机负荷的增加负荷的增加，油门开度增大油门开度增大，对柴油机意味

49、着每循环供油量增多，对汽油机意味着每循环供给的混合气数量增多，所以循环加热量增加，指示功和指示功率均指示功和指示功率均增长增长迅速。但发动机负荷较大时，再增加负荷，由于混合气的浓度增大，使不完全燃烧的损失增加，指示功率随负荷增长的速度会减慢。 发动机负荷减小负荷减小时，若保持油门开度不变油门开度不变，发动机转转速上升，机械效率下降速上升，机械效率下降。 在怠速工况下，由于发动机输出轴上无有效功率输出，即发动机的指示功率指示功率全部用于克服其内部的机械损失内部的机械损失。 4）润滑油粘度）润滑油粘度 润滑油的粘度过大，流动性变差粘度过大，流动性变差，尤其是刚刚起动后的一段时间内，润滑油不易到达各

50、摩擦表面，甚至不能形成边界润滑，使摩擦损失增加摩擦损失增加；同时随润滑油粘度增大，曲轴旋转时的阻力增加，影响发动机的冷起动性能影响发动机的冷起动性能。 润滑油粘度过小，油膜承载能力低，粘度过小，油膜承载能力低，在机械负荷较大时，容易造成因油膜破裂而失去润滑作用，形成干摩干摩擦擦。因此，润滑油的粘度过大或过小，均会使机械损失增加，机械效率下降。 在保证润滑可靠的前提下，尽量选用粘度较小的润滑油。并在使用中，定期更换润滑油。 5）发动机工作温度）发动机工作温度 发动机的工作温度发动机的工作温度直接影响润滑油的工作温度润滑油的工作温度，而随润滑油温度的提高，其粘度减小。发动机工作温度过发动机工作温度过高或过低高或过低，就会使润滑