第一章发动机的性能

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 机械损失与机械效率机械损失与机械效率第六节第六节 热平衡热平衡v发动机的性能指标发动机的性能指标：主要有：主要有动力性能指标动力性能指标（功率、（功率、转矩、转速）、转矩、转速）、经济性能指标经济性能指标（燃料及润滑油消（燃料及润滑油消耗率）及耗率）及运转性能指标运转性能指标（冷起动性能、噪声和排（冷起动性能、噪声和排气品质）等。气品质）

2、等。v衡量一台发动机的质量主要是对以上性能指标进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、结构工艺性、使用维修性、把可靠性、耐久性、结构工艺性、使用维修性、生产实际条件以及使用特点等多方面予以综合评生产实际条件以及使用特点等多方面予以综合评定。定。v本章主要阐述发动机的动力性能指标、经济性能本章主要阐述发动机的动力性能指标、经济性能指标、及运转性能指标。指标、及运转性能指标。通过深入到发动机工作通过深入到发动机工作过程的各个阶段，对它们进行分析，从中找出影过程的各个阶段，对它们进行分析，从中找

3、出影响性能的因素及提高性能的一般规律。响性能的因素及提高性能的一般规律。第一节第一节 发动机理论循环发动机理论循环一、三种基本循环一、三种基本循环 发动机的理论循环发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以是将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略次要因素后建立的循环模式。抽象简化，忽略次要因素后建立的循环模式。 为建立理论循环研究，必须对发动机的实际过程进行为建立理论循环研究，必须对发动机的实际过程进行必要的必要的几点简化假设：几点简化假设：1 1）工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理）工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同，整个循环中的工质的物理性质及化

4、学性质不变，常数相同，整个循环中的工质的物理性质及化学性质不变，工质比热容为常数；工质比热容为常数；2 2）工质是在闭口系统中做封闭循环，忽略进、排气过程；）工质是在闭口系统中做封闭循环，忽略进、排气过程；3 3）工质压缩、膨胀过程）工质压缩、膨胀过程 （复杂的多变过程）（复杂的多变过程） 简化为绝热简化为绝热等熵过程；等熵过程；4 4）燃烧是外界无数个高温热源等容或等压向工质加热，工）燃烧是外界无数个高温热源等容或等压向工质加热，工质放热为等容放热；质放热为等容放热；5 5）循环过程为可逆过程。）循环过程为可逆过程。 通过对理论循环的研究，达到以下目的：通过对理论循环的研究，达到以下目的：1

5、 1）确定循环热效率的理论极限，以判断实际）确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机经济性能和工作过程进行的完善程度发动机经济性能和工作过程进行的完善程度以及改进的潜力；以及改进的潜力；2 2）有利于分析比较发动机不同热力循环方式）有利于分析比较发动机不同热力循环方式的经济性能和动力性能；的经济性能和动力性能；3 3）通过分析发动机理论循环的热效率和平均）通过分析发动机理论循环的热效率和平均压力，明确提高以理论循环热效率为代表的压力，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性能和以平均压力为代表的动力性能的经济性能和以平均压力为代表的动力性能的基本途径。基本途径。三种发动机的理论循环：三种发动机

6、的理论循环：1 1）等容加热循环早期低速汽油发动机）等容加热循环早期低速汽油发动机（燃烧迅速，循环时间长燃烧迅速，循环时间长）2 2）等压加热循环高增压和低速大型柴油机）等压加热循环高增压和低速大型柴油机（受燃烧最高压力限制，受燃烧最高压力限制，燃料大部分在上止点后燃烧燃料大部分在上止点后燃烧）3 3）混合加热循环车用高速柴油机）混合加热循环车用高速柴油机 发动机的理论循环分析传统上就是这三种循环的对比分析：发动机的理论循环分析传统上就是这三种循环的对比分析：二、循环热效率二、循环热效率 t t t t : :是工质所做循环功是工质所做循环功W W（J J）与循环加热量）与循环加热量Q1Q1（

7、J J）之比，）之比，用以评定循环经济性。用以评定循环经济性。式中式中: : t t 是循环热效率，是循环热效率，w w是工质所做循环功（是工质所做循环功（J J），）， Q Q1 1循环加热量（循环加热量（J J），）， Q Q2 2是工质在循环中放出的热是工质在循环中放出的热量（量（J J）。）。122111 1tQQQWQQQ （一）（一） 混合加热循环混合加热循环 车用高速柴油机的理想循环车用高速柴油机的理想循环1 1、循环特征参数、循环特征参数（1 1）压缩比）压缩比（2 2）压力升高比）压力升高比（3 3）初始膨胀比）初始膨胀比 vv12 pp32 vv43（一）混合加热循环（一）

8、混合加热循环2 2、热效率、热效率21221111111vtvpQQ QQWQQQQ Q 根据热力学公式得根据热力学公式得: : （k k是等熵指数）是等熵指数） tkkk 111111()()3 3、分析、分析（1 1） 为定值为定值 t t ； t t 。 = 1 = 1 t t = const. = const. （汽油机，定容加热循环）（汽油机，定容加热循环）（2 2） t t ；当；当 = 20 = 20 左右时，左右时， t t 不大不大 柴油机柴油机 = 12= 122222（二）等容加热循环（奥托（二）等容加热循环（奥托OTTOOTTO循环）循环） 汽油机的理想循环汽油机的理想

9、循环1 1、热效率、热效率 因为初始膨胀比因为初始膨胀比 所以热效率所以热效率 vv431tk111(二二)等容加热循环等容加热循环2 2、分析、分析 t t ；当；当 = 10 = 10 左左右时，右时， t t 不大且汽油不大且汽油机容易爆燃，因此，汽油机机容易爆燃，因此，汽油机 = = 6 61010（三）定压加热循环（狄赛尔（三）定压加热循环（狄赛尔DIESELDIESEL循环）循环） 船舶用大型低速柴油机的理想循环船舶用大型低速柴油机的理想循环1 1、热效率、热效率因为压力升高比因为压力升高比 所以热效率所以热效率 pp321tkkk11111()(三三)等压加热循环等压加热循环2

10、2、分析、分析（1 1） 为定值时，为定值时， 平均平均膨胀比减小，放热量膨胀比减小，放热量Q Q2 2 t t （2 2） 为定值时，为定值时， t t 从理论循环可知，在用于指导实践时必须考虑到发从理论循环可知，在用于指导实践时必须考虑到发动机实际工作条件的约束和限制：动机实际工作条件的约束和限制：1 1）结构条件的限制：）结构条件的限制：尽管从理论循环的分析可知，尽管从理论循环的分析可知，提高压缩比提高压缩比 和压力和压力升高比升高比 对提高循环热效率对提高循环热效率 t t 有利有利，但这，但这将导致最高循环压力将导致最高循环压力P Pz z的急剧升高，的急剧升高，从而对承载零件的强度

11、要求更高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动从而对承载零件的强度要求更高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动机的使用可靠性机的使用可靠性，为此只好提高发动机的质量，结果造成发动机体积与制造，为此只好提高发动机的质量，结果造成发动机体积与制造成本的增加。因此，在实际设计时，对上述参数的选择必须根据具体情况权成本的增加。因此，在实际设计时，对上述参数的选择必须根据具体情况权衡利弊而定；衡利弊而定；2 2）机械效率的限制：）机械效率的限制：发动机的机械效率发动机的机械效率 m m是与气缸中的最高压力是与气缸中的最高压力P Pz z密切密切相关的，因为相关的，因为P Pz z值决定了曲柄连杆机构的

12、质量、惯性力以及主要承压面积的值决定了曲柄连杆机构的质量、惯性力以及主要承压面积的大小等。不加限制地提高大小等。不加限制地提高 、 ，将引起，将引起 m m的下降。从有效指标上看，将导致的下降。从有效指标上看，将导致由压缩比由压缩比 、压力升高比、压力升高比 提高而带来的收益得而复失。这一点，对于本来压提高而带来的收益得而复失。这一点，对于本来压缩比已经很高的柴油机来说更为明显。缩比已经很高的柴油机来说更为明显。3）燃烧方面的限制燃烧方面的限制：若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面点火等不正常燃烧现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气

13、点火等不正常燃烧现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也不利于燃烧的高效进行。不利于燃烧的高效进行。 目前，柴油机的压缩比目前，柴油机的压缩比 一般在一般在12122222之间，最高之间，最高循环压力循环压力PzPz7 714MPa14MPa，压力升高比，压力升高比 在在2.2左右。左右。汽油机的压缩比汽油机的压缩比 6 61212，PzPz3 38.5MPa8.5MPa， 在在2.02.04.04.0左右。左右。三、循环平均压力三、循

14、环平均压力 循环平均压力循环平均压力P Pt t（kPakPa）: :指单位气缸容积所做的循环功，指单位气缸容积所做的循环功，用它来评定气缸工作容积的做功能力用它来评定气缸工作容积的做功能力。tsWPV 式中式中:W:W是指循环所做的功（是指循环所做的功（J J），），V Vs s是气缸工是气缸工作容积（作容积（L L）。）。 0.(1)(1)11kcdetpptcPPkk .(1 )11kcd etptcPPk取取p p0 01 1，得等容加热循环的平均压力为：，得等容加热循环的平均压力为：（1）（2）取取 1 1，得等压加热循环的平均压力为，得等压加热循环的平均压力为p0.(1)11kcd

15、ettcPPkk（3）根据工程热力学公式，混合加热循环的平均压力为：根据工程热力学公式，混合加热循环的平均压力为： P Pt t随着进气终点压力随着进气终点压力P Pdede、压缩比、压缩比 、等熵、等熵指数指数k k和循环热效率和循环热效率 等的增加而增加。等的增加而增加。ct四、三种理想循环热效率的比较四、三种理想循环热效率的比较1、初态初态1 1相同，压缩比相同，压缩比 相同，加热量相同，加热量Q1Q1相同，则相同，则放热温度有：放热温度有： 则：则： t vt mt p,vmpvmpTTTQQQ放放放2 2 、初态、初态1 1相同，最高压力、加热量相同，最高压力、加热量Q1Q1相同，放

16、热相同，放热温度有：温度有：t vt mt p,vmpvmpTTTQQQ放放放则则: :三种理想循环热效率的比较图：三种理想循环热效率的比较图：线3 3、汽油机、柴油机负荷变化（即加热量、汽油机、柴油机负荷变化（即加热量Q Q1 1不同不同时）：时）：柴油机：柴油机：是喷雾压燃后边喷油边燃烧，负荷下降是喷雾压燃后边喷油边燃烧，负荷下降时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部分变化不大，有分变化不大，有汽油机：汽油机：是点火后火焰传播燃烧。无论负荷大小，是点火后火焰传播燃烧。无论负荷大小，火焰传播距离都不改变。负荷减小时残余废气系火焰传播距离都不改变。

17、负荷减小时残余废气系数增加，燃烧速度降低，燃烧时间加长，有数增加，燃烧速度降低，燃烧时间加长，有pt0基本不，pt0，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 发动机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过发动机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过程。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排程。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程组成的，较之理论循环复杂得多。气五个过程组成的，较之理论循环复杂得多。a）进气过程大气压力线进气压缩大气压力线b）压缩过程d）排气过程做功c）膨胀（做功）过程排气大气压力线大气压力线一、进气过程一、进气过程 为了使发动机连续运转

18、，必为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，即是进须不断吸入新鲜工质，即是进气过程。此时进气门开启，排气过程。此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。首先是上一循环留止点移动。首先是上一循环留在气缸中的残余废气膨胀，压在气缸中的残余废气膨胀，压力由排气终点的压力力由排气终点的压力 下降到下降到小于大气压力，然后新鲜空气小于大气压力，然后新鲜空气被吸入气缸。由于进气阻力，被吸入气缸。由于进气阻力，进气终点压力进气终点压力 一般小于环境一般小于环境压力压力 ，压力差，压力差 用来用来克服进气系统阻力。因为气流克服进气系统阻力。因为气流受到发动机高温零件及

19、残余废受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终点的温度气的加热，进气终点的温度 总是高于大气温度总是高于大气温度 。rpdepapadeppdeTaTa） 进 气 过 程大 气 压 力 线进 气压 缩大 气 压 力 线b） 压 缩 过 程d） 排 气 过 程做 功c） 膨 胀 （ 做 功 ） 过 程排 气大 气 压 力 线大 气 压 力 线depdeT表表1-1 1-1 进气过程中进气终点的压力和温度的范围表进气过程中进气终点的压力和温度的范围表发动机类型发动机类型进气终点的压力进气终点的压力 /Mpa/Mpa进气终点的温度进气终点的温度 /K/K汽油机汽油机0.080-0.0920.080

20、-0.092340-380340-380柴油机柴油机0.080-0.0950.080-0.095300-340300-340二、压缩过程二、压缩过程 压缩过程中进排气门压缩过程中进排气门均关闭，活塞由下止点向均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断到压缩，温度、压力不断上升，工质受压缩的程度上升，工质受压缩的程度用压缩比用压缩比 表示。表示。 压缩过程的作用是增压缩过程的作用是增大做功过程的温差，获得大做功过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高最大限度的膨胀比，提高热功转换效率，同时也为热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利的条件。燃烧过程创造有

21、利的条件。在柴油机中，压缩后气体在柴油机中，压缩后气体的高温还是保证燃料着火的高温还是保证燃料着火的必要条件。的必要条件。 ca） 进 气 过 程大 气 压 力 线进 气压 缩大 气 压 力 线b） 压 缩 过 程d） 排 气 过 程做 功c） 膨 胀 （ 做 功 ） 过 程排 气大 气 压 力 线大 气 压 力 线 在理论循环中，假设压缩过程是绝热的。实际在理论循环中，假设压缩过程是绝热的。实际上，发动机的压缩过程是一个复杂的多变过程。工上，发动机的压缩过程是一个复杂的多变过程。工程热力学中，凡满足程热力学中，凡满足 的过程，通称为多变过程。的过程，通称为多变过程。 n n值为值为0 0、1

22、 1、k k和和时，分别是等压、等温、时，分别是等压、等温、等熵和等容过程。等熵和等容过程。npv 常数 压缩开始时，新鲜功质的温度小压缩开始时，新鲜功质的温度小于缸壁温度，多变指数于缸壁温度，多变指数 ；随；随着工质温度上升，某一瞬间与缸壁温着工质温度上升，某一瞬间与缸壁温度相等，度相等， ；此后，由于工质温；此后，由于工质温度高于缸壁度高于缸壁 ，向缸壁传热，向缸壁传热， 。 在实际的近似计算中，常用一个在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数不变的、平均的多变指数n n1 1来代替来代替n n1 1（ n n1 1称为平均压缩多变指数），只要称为平均压缩多变指数），只要以这个指

23、数以这个指数n n1 1计算而得的多变过程，其计算而得的多变过程，其始点始点a a和终点和终点c c的工质状态与实际压缩的工质状态与实际压缩过程的初、终状态相符即可。过程的初、终状态相符即可。k 1nk 1nk 1n压 缩 过 程 及 多 变 压 缩 指 数 变 化 过 程试验测定试验测定 的范围见下表：的范围见下表：1n发动机类型发动机类型 n n1 1的范围的范围发动机的类型发动机的类型n n1 1的范围的范围汽油机汽油机1.32-1.381.32-1.38增压柴油机增压柴油机1.35-1.371.35-1.37高速柴油机高速柴油机1.38-1.401.38-1.40 压缩终了的压力压缩终

24、了的压力 和温度和温度 可用下式计算：可用下式计算：1ndecpcop11ncodecTTcopcoT /MPa/MPa /K/K 汽油机汽油机2.0600600750750柴油机柴油机3.03.05.05.075075010001000增压柴油机增压柴油机5.05.08.08.090090011001100表表1-2 1-2 压缩终了压力和温度压缩终了压力和温度copcoT三、燃烧过程三、燃烧过程 燃烧过程中进、排气门均关闭，活塞处在上止点前后。燃燃烧过程中进、排气门均关闭，活塞处在上止点前后。燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、烧过程的作用是将燃料的化

25、学能转变为热能，使工质的压力、温度升高。燃烧放出的热量越多，放热越靠近上止点，热效率温度升高。燃烧放出的热量越多，放热越靠近上止点，热效率越高。越高。 柴油机压缩比高，燃烧的最高爆发压力很高，但因柴油柴油机压缩比高，燃烧的最高爆发压力很高，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反而比汽油机低。度值反而比汽油机低。maxpmaxTmaxpmaxT表表1 13 3 燃烧的最高爆发压力燃烧的最高爆发压力 最高温度最高温度 发动机类型发动机类型 /MPa/MPa /K/K汽油机汽油机8.02200220

26、028002800柴油机柴油机4.54.514.514.51800180022002200四、膨胀过程四、膨胀过程 进、排气门均关闭，高温、高压的进、排气门均关闭，高温、高压的工质推动活塞，由上止点向下止点移动工质推动活塞，由上止点向下止点移动而膨胀作功，气体的压力、温度也随即而膨胀作功，气体的压力、温度也随即迅速降低。迅速降低。 膨胀初期，由于补燃，工质被加膨胀初期，由于补燃，工质被加热，热， ；膨胀某一时刻，对工质；膨胀某一时刻，对工质的加热量等于向缸壁的传热的加热量等于向缸壁的传热量，量， ；此后，工质向缸壁放；此后，工质向缸壁放热，热， 。 如同压缩过程，在实际的近似计算如同压缩过程，

27、在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数中，常用一个不变的、平均的多变指数n n2 2来代替来代替n n2 2 。做功c）膨胀（做功）过程大气压力线膨 胀 过 程 及 多 变 指 数 变 化 过 程k 2nk 2nk 2n膨胀终点的压力（膨胀终点的压力（MPaMPa）和温度（）和温度（K K）的计算公式及范）的计算公式及范围如下：围如下：22ma x1ma xnze xbnze xbVppVVTTVe xpxeT发动机类型发动机类型 /MPa/MPa /K/K汽油机汽油机0.61200120015001500柴油机柴油机0.5800800120

28、01200五、排气过程五、排气过程 当膨胀过程接近终了时，当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程身压力自由排气，膨胀过程结束时，活塞由下止点返回结束时，活塞由下止点返回上止点移动，将气缸内的废上止点移动，将气缸内的废气排除。气排除。 排气过程中，由于排气系排气过程中，由于排气系统有阻力，排气终了的压力统有阻力，排气终了的压力PrPr大于环境压力大于环境压力PaPa，压力差用来，压力差用来克服排气系统的阻力。克服排气系统的阻力。排气系排气系统阻力愈大，排气终了的压力统阻力愈大，排气终了的压力PrPr愈大，残留在气缸中的废气愈大，残留在气缸中

29、的废气就愈多。就愈多。 a） 进 气 过 程大 气 压 力 线进 气压 缩大 气 压 力 线b） 压 缩 过 程d） 排 气 过 程做 功c） 膨 胀 （ 做 功 ） 过 程排 气大 气 压 力 线大 气 压 力 线排气终了的压力、温度范围：排气终了的压力、温度范围：rprT发动机类型发动机类型 /MPa/MPa /K/K汽油机汽油机0.1050.1050.1250.12590090011001100柴油机柴油机0.1030.1030.1080.108700700900900 排气温度是用来检查发动机工作状况的一个参排气温度是用来检查发动机工作状况的一个参数。排气温度低，说明燃料燃烧后，转变为

30、有用功数。排气温度低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进行的越好。的热量多，工作过程进行的越好。 六、发动机实际循环与理想循环的比较六、发动机实际循环与理想循环的比较 发动机理想循环是最简单的空气标准循环，发动机理想循环是最简单的空气标准循环，它除了不可避免地向冷源放热外，没有其它损失。它除了不可避免地向冷源放热外，没有其它损失。理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际循环。研究两者的差异，就可找出热量损失所在；循环。研究两者的差异，就可找出热量损失所在；分析差异的原因，可探求提高热量有效利用的途径。分析差异的原因，可探求提高热量有

31、效利用的途径。 发动机理想循环与实际循环的比较，差别由以发动机理想循环与实际循环的比较，差别由以下几项损失引起：下几项损失引起：1 1、实际工质的影响（工质改变的影响）、实际工质的影响（工质改变的影响）（一）一） 工质成分的变化工质成分的变化 理论上理论上: : 理想气体，双原子气体。理想气体，双原子气体。 实际上实际上: : 燃烧前燃烧前: : 燃料燃料+ +空气；空气； 燃烧后燃烧后: : 燃烧产物（燃烧产物（COCO2 2、H H2 2O O等）。多原子气体的比热容大于空气。等）。多原子气体的比热容大于空气。（二）（二） 工质比热容的变化工质比热容的变化 理论上理论上: : 定比热定比热

32、 实际上实际上: : 温度温度T T 比热比热C C （三）工质的高温分解（三）工质的高温分解（四）工质分子数的变化（四）工质分子数的变化 以上导致循环的最高温度降低。加之实际循环还存在泄漏，以上导致循环的最高温度降低。加之实际循环还存在泄漏，使工质数量减少，这些都将导致作功损失。使工质数量减少，这些都将导致作功损失。2 2、换气损失：理论换气功与实际换气功的之差、换气损失：理论换气功与实际换气功的之差理论上理论上: : 忽略进、排气过程。忽略进、排气过程。实际上实际上: : 进、排气门提前开启，迟后关闭，而且有流动阻力。进、排气门提前开启，迟后关闭，而且有流动阻力。3 3、燃烧损失、燃烧损失

33、（一）非瞬时燃烧损失（时间损失）和补燃损失（一）非瞬时燃烧损失（时间损失）和补燃损失 实际循环中燃料燃烧需要一定的时间，所以喷油或点火实际循环中燃料燃烧需要一定的时间，所以喷油或点火在上止点前，并且燃烧还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬在上止点前，并且燃烧还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬时损失和补燃损失。时损失和补燃损失。( (二）不完全燃烧损失二）不完全燃烧损失 实际循环中会有部分燃料、空气混合不良，部分燃料由实际循环中会有部分燃料、空气混合不良，部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失。于缺氧产生不完全燃烧损失。（三）高温分解（三）高温分解 例例 C + O C + O CO + CO + 热量热

34、量 + O+ O CO2 CO2 + + 热量热量 其中其中 CO CO 为中间产物，为中间产物，COCO2 2 为最终产物。若遇高温，则为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反应，即高温分解会发生复分解反应，即高温分解: : COCO2 2 CO + O CO + O - - 热量热量 这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。于活塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。 4 4、传热、流动损失、传热、流动损失（一）（一） 传热损失传热损失理论上理论上: : 压缩、膨胀过程为绝热过程。压缩、膨

35、胀过程为绝热过程。实际上实际上: : 大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。 传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的30%30%以上。因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。以上。因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。（二）（二） 缸内流动损失缸内流动损失理论上理论上: : 闭口系统，没有气体流动损失。闭口系统，没有气体流动损失。实际上实际上: : 进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。涡流损失。 由于上述各项损失的存在，使实际循环热效率低由于上述各项损失的存在

36、，使实际循环热效率低于理论循环。于理论循环。发动机的理论循环热效率和指示热效率值发动机的理论循环热效率和指示热效率值 各种损失使热效率下降的热量分配各种损失使热效率下降的热量分配发动机类型发动机类型理论循环热效率理论循环热效率指示循环热效率指示循环热效率汽油机汽油机0.540.540.580.580.300.300.400.40柴油机柴油机0.640.640.670.670.400.400.450.45各种损失使热各种损失使热效率下降效率下降工质比热容变工质比热容变化化燃烧不完全及燃烧不完全及热分解热分解传热损失传热损失提前排气提前排气汽油机汽油机0.1-0.120.1-0.120.08-0.

37、10.08-0.10.03-0.050.03-0.050.010.01柴油机柴油机0.09-0.10.09-0.10.06-0.090.06-0.090.04-0.10.04-0.10.010.01v发动机性能指标发动机性能指标: : 指示性能指标，有效性能指示性能指标，有效性能指标指标v指示性能指标指示性能指标: : 以工质在气缸内对活塞做功以工质在气缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。为基础，评价工作循环的质量。v有效性能指标有效性能指标: : 以曲轴上得到的净功率为基以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。础，评价整机性能。 第三节第三节 发动机指示性能指标发动机指示性能指标 以

38、工质对活塞所做之功为计算基准的指以工质对活塞所做之功为计算基准的指标称为指示性能指标。标称为指示性能指标。 它不受动力输出过程中机械摩擦和附件它不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等各种外来因素的影响，直接反映由燃消耗等各种外来因素的影响，直接反映由燃烧到热工转换的工作循环进行的好坏，因而烧到热工转换的工作循环进行的好坏，因而在工作过程的分析研究中得到广泛的应用。在工作过程的分析研究中得到广泛的应用。 示功图示功图: : 发动机缸内压力发动机缸内压力p p随汽缸容积随汽缸容积V V（p-Vp-V图）或曲轴转角图）或曲轴转角 （p-p- 图）变化的图示。图）变化的图示。一、指示功和平均指示压力一

39、、指示功和平均指示压力（一）（一） 指示功指示功 在气缸（单缸）内完成一个循环工质对活塞所做的有用功。在气缸（单缸）内完成一个循环工质对活塞所做的有用功。应该：非增压应该：非增压 增压增压所以所以: : 其中其中 横、纵座标比例尺横、纵座标比例尺 指示功大，说明：指示功大，说明： 1 1、汽缸工作容积大、汽缸工作容积大; ; 2 2、热功转换有效程度大。为突出后者，比较不同大小发、热功转换有效程度大。为突出后者，比较不同大小发动机的热功转换有效程度，引入平均指示压力的概念。动机的热功转换有效程度，引入平均指示压力的概念。FFFi12FFFi12W F a bii a b,（二）（二） 平均指示

40、压力平均指示压力 平均指示压力指单位气缸工作容积一个循环所做的指示平均指示压力指单位气缸工作容积一个循环所做的指示功功, ,是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。 它可以理解为一个假想的平均不变的压力，以这个压力它可以理解为一个假想的平均不变的压力，以这个压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程S S所作的功，即为循环所作的功，即为循环的指示功的指示功W Wi i。 （假想参数）（假想参数） 686686981 kpa 981 kpa 7847841180 kpa 1180 kpa im isWpVpi,

41、柴pi,汽sVmiP二、二、 指示功率指示功率发动机单位时间所做的指示功发动机单位时间所做的指示功P Pi i。若若: : 缸数为缸数为i i，每缸工作容积，每缸工作容积V Vs s m m3 3 ，冲程，冲程数数 ，平均指示压力，平均指示压力 p pmimi pa pa ，转速，转速 n n r/min r/min 。则。则 ww kwkw26030mi siip VinnP W i 31030misp V in三、指示燃油消耗率（比油耗）和指三、指示燃油消耗率（比油耗）和指 示热效率示热效率（一）（一） 指示比油耗指示比油耗 ：单位指示功率的耗油量单位指示功率的耗油量 g/kwh g/kw

42、h 每小时耗油量每小时耗油量 kg/h kg/h （二）（二） 指示热效率指示热效率 做指示功所消耗的热量做指示功所消耗的热量。 ibBitii tiWQQi310iiBbP 燃料的低热值。燃料的低热值。uH363.6103.610iituuiPBHH bi,柴i,汽 0.430.430.500.50 00.40 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准的指标称为有以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标，简称有效指标。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有效指标被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣，因

43、而在生产实际中获得广泛作性能的优劣，因而在生产实际中获得广泛的应用。的应用。一、发动机动力性指标一、发动机动力性指标1 1、有效功和有效功率、有效功和有效功率 每循环曲轴输出的单缸功量每循环曲轴输出的单缸功量W We e，则是循环功的有效，则是循环功的有效指标，称为循环有效功。指标，称为循环有效功。有效功：有效功： 循环的实际机械损失功：理论上是运转时传动件消循环的实际机械损失功：理论上是运转时传动件消耗的摩擦损失功和各种附件（风扇、水泵等）所消耗的耗的摩擦损失功和各种附件（风扇、水泵等）所消耗的运转功，但所有实用的测量运转功，但所有实用的测量 值的方法，在测得的数值的方法，在测得的数据中都包

44、含泵气损失功，无法将其消除，于是，人们干据中都包含泵气损失功，无法将其消除，于是，人们干脆把泵气损失也归入机械损失中。脆把泵气损失也归入机械损失中。 有效功率：有效功率：eimWWWmWmWeimPPP有效功率（有效功率（KWKW）指示功率（指示功率（KWKW）机械损失功率（机械损失功率（KWKW）2 2、有效转矩、有效转矩发动机工作时，功率输出轴输出的扭矩发动机工作时，功率输出轴输出的扭矩 (N.m)(N.m)。 发动机的发动机的 （KWKW）可以利用各种形式的测）可以利用各种形式的测功器和转速器分别测出发动机在某工况下曲轴的功器和转速器分别测出发动机在某工况下曲轴的输出转矩输出转矩 及在同

45、一工况下的发动机转速及在同一工况下的发动机转速n n（r/min)r/min)，按下式求得：，按下式求得： tqT3210609550tqetqT nnPTePtqTtqT3 3、平均有效压力、平均有效压力 平均有效压力平均有效压力 （MPaMPa）是发动机单位）是发动机单位气缸工作容积输出的有效功。气缸工作容积输出的有效功。它是衡量发动它是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数，它与有效机动力性能的一个很重要的参数，它与有效功率之间的关系是：功率之间的关系是：meP309550tqmeseT nP V niPm eP4 4、转速、转速n n和活塞平均速度和活塞平均速度C Cm m 提高发动机转

46、速，即增加单位时间的作功次提高发动机转速，即增加单位时间的作功次数，从而使发动机体积小，重量轻和功率大。数，从而使发动机体积小，重量轻和功率大。 转速转速n n增加，活塞平均速度增加，活塞平均速度C Cm m也增加，也增加，n n（r/min)r/min)与与C Cm m（m/s)m/s)之间的关系为：之间的关系为：S S是活塞行是活塞行程（程（m m）。）。 26 03 0mS nS nC C Cm m大：大：活塞组的热负荷和曲柄连杆机构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，寿命下降。的惯性力均增大，磨损加剧，寿命下降。 为了提高转速又不使为了提高转速又不使C Cm m过大：

47、过大：可以减小可以减小行程行程S S，即对于高速发动机，在结构上采用较，即对于高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比（小的行程缸径比（S/DS/D）值。）值。 但是：但是：S/DS/D值小会造成燃烧室高度减小，值小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。成条件变差，不利于燃烧。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效率衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率 和有效燃油消耗率和有效燃油消耗率 。1 1、有效热效率、有效热效率 有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所

48、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，即消耗的热量的比值，即 2 2、有效燃油消耗率、有效燃油消耗率 有效燃油消耗率有效燃油消耗率 g/(kw.h)g/(kw.h)用每小时单位有效功用每小时单位有效功率所消耗的燃料（率所消耗的燃料（g g）来表示：）来表示：eteb313.6 10eeetuWPQBHeb310eeBbP 可见，有效燃油消耗率和有效热效率成反比，知道其中一值后，可见，有效燃油消耗率和有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。可求出另一值。三、发动机强化指标三、发动机强化指标1 1、升功率、升功率 （KW/L)KW/L) 单位汽缸工作容积所发出的有

49、效功率。即单位汽缸工作容积所发出的有效功率。即lPei VlsPPsspV inpn30 V i30meme63.6 10eetubH 升功率是升功率是从发动机有效功率的角度从发动机有效功率的角度对其对其气缸工作气缸工作容积的利用率容积的利用率作总的评价，它与发动机平均有效压力作总的评价，它与发动机平均有效压力和转速的乘积成正比。和转速的乘积成正比。 升功率值越大，发动机的强化程度越高，发出一升功率值越大，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，不断提高发动定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断提高发动机平均有效压力和转速的水平以获得更强化、更轻巧、机平均有效压力和转速的

50、水平以获得更强化、更轻巧、更紧凑的发动机，一直是发动机工作者致力以求的奋更紧凑的发动机，一直是发动机工作者致力以求的奋斗目标。斗目标。 升功率是评价一台发动机整机动力性能和强化程升功率是评价一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。度的重要指标之一。2 2、比质量、比质量m me e 比质量比质量m me e（kg/kw)kg/kw)是发动机的质量是发动机的质量m m与所给的与所给的标定功率（有效功率标定功率（有效功率) )之比，即之比，即eemmp第五节第五节 机械损失与机械效率机械损失与机械效率 发动机的机械损失消耗了一部分指示功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

51、效功率减少。率，而使对外输出的有效功率减少。降低机降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环得到械损失，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。高发动机性能的一个重要方面。一、机械效率一、机械效率 对于不同类型的发动机，绝对损失大的，其相对损失却不对于不同类型的发动机，绝对损失大的，其相对损失却不一定也大。必须有一个衡量标准，故引进一定也大。必须有一个衡量标准，故引进机械效率机械效率的概念。的概念。 机械效率是有效功率与指示功率的比值。机械效率是有效功率与指示功率的比值。即：即： 其中其中PmmPmm是

52、平均机械损失压力，即是发动机单位气缸容积是平均机械损失压力，即是发动机单位气缸容积一个循环所损失的功，可用来衡量机械损失的大小：一个循环所损失的功，可用来衡量机械损失的大小：11ememmmmimiimipppppppp 30mmmsppV in 结合前面指示热效率、有效热效率的定义，可得结合前面指示热效率、有效热效率的定义，可得出下列关系式：出下列关系式： 可见在可见在 中已考虑到实际发动机工作时的一切中已考虑到实际发动机工作时的一切损失了。损失了。因此在致力于提高发动机性能指标时，应尽因此在致力于提高发动机性能指标时，应尽可能减少机械损失，提高机械效率。否则可能在改善可能减少机械损失，提高

53、机械效率。否则可能在改善气缸内部指示指标的同时，却不直觉地增加了机械损气缸内部指示指标的同时，却不直觉地增加了机械损失，以致不能获得预期的改进效果。失，以致不能获得预期的改进效果。11eieetitmiWWWQQW et二、机械损失的测定二、机械损失的测定误差主要出现在三方面：误差主要出现在三方面：1 1、摩擦损失有所减少；、摩擦损失有所减少；2 2、含有不该有的泵气损失，而且比原来的有所增加；、含有不该有的泵气损失，而且比原来的有所增加；3 3、压缩和膨胀过程中出现向缸壁的传热损失，这部分、压缩和膨胀过程中出现向缸壁的传热损失，这部分损失在测量该工况的有效功率时已被考虑在内。损失在测量该工况

54、的有效功率时已被考虑在内。 以上三方面影响综合结果是：以上三方面影响综合结果是：倒拖时所消耗的功率倒拖时所消耗的功率要超过给定工况工作时的实际机械损失要超过给定工况工作时的实际机械损失。 倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而不倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而不适于大功率发动机，在压缩比不很高的汽油机上得到适于大功率发动机，在压缩比不很高的汽油机上得到广泛应用（误差约为广泛应用（误差约为5%5%），不适用于高压缩比发动机），不适用于高压缩比发动机（误差约为（误差约为5% -15%5% -15%）。）。（二）示功图法（二）示功图法1 1、首先运用各种示功器录、首先运用各种示功器录取气缸

55、的示功图，从中取气缸的示功图，从中算出指示功率算出指示功率P Pi i值；值；2 2、从测功器（测输出转、从测功器（测输出转矩）、转速计（测发动矩）、转速计（测发动机转速）读数中测出发机转速）读数中测出发动机的有效功率动机的有效功率P Pe e；3 3、算出机械损失功率、算出机械损失功率P Pm m、机械效率等。机械效率等。 2.603030isiimissW V inWinnPPiVV 3210609550tqetqT nnPT,emiemipPppp30mmmsppV in误差主要出现在两方面：误差主要出现在两方面：1 1、上止点位置不易正确测定，而它的少许误、上止点位置不易正确测定，而它

56、的少许误差差(1(10 0CA)CA)，会引起指示功测算值的较大误差，会引起指示功测算值的较大误差(5.5%)(5.5%)；2 2、多缸发动机，各气缸存在不均匀性，以一、多缸发动机，各气缸存在不均匀性，以一缸的示功图代表其它缸会引起误差。缸的示功图代表其它缸会引起误差。 示功图法实验结果的正确程度往往取决示功图法实验结果的正确程度往往取决于示功图测录的正确程度，一般用于上止点于示功图测录的正确程度，一般用于上止点位置位置( (一般通过单缸停油法测录压缩线得到一般通过单缸停油法测录压缩线得到）能得到精确校正时才能取得较满意的结果能得到精确校正时才能取得较满意的结果。排气涡轮中增压、高增压柴油机除

57、示功图法排气涡轮中增压、高增压柴油机除示功图法外，尚无其他方法可取代。外，尚无其他方法可取代。（三）（三） 灭缸法灭缸法 1 1、当发动机调整到以、当发动机调整到以给定工况稳定运转给定工况稳定运转后，先测出整个发动机后，先测出整个发动机的有效功率的有效功率 。 2 2、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、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，动的情况下，停止向某一气缸供油或点火停止向某一气缸供油或点火，用减少制动力矩的办，用减少制动力矩的办法，法，使发动机恢复到原来的转速使发动机恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余几个，重新测定有效功率（其余几个

58、汽缸的有效功率）汽缸的有效功率） ， 必然小于必然小于 （一缸熄火），两（一缸熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率者之差即为灭掉缸的指示功率 。因为。因为 逐次灭缸，则整台发动机的指示功率为逐次灭缸，则整台发动机的指示功率为 ，其中，其中 x x为总缸数。如果各缸负荷均匀，则仅测一个缸，即灭火一次即为总缸数。如果各缸负荷均匀，则仅测一个缸，即灭火一次即可，有可，有 3 3、这样整个发动机的机械损失功率为、这样整个发动机的机械损失功率为 ，机械效率机械效率为为 。eP,1ePeP,1eP,1,1ieePP P ,1, 1,1,1,1() ()iiixememeeP P PP PP PP P ,1

59、()xiee iiPPP,1()ieePx PPmiePP P /meiPP 由于灭缸法会引起进排气系统一定的变由于灭缸法会引起进排气系统一定的变化，所以不适用于废气涡轮增压发动机（灭化，所以不适用于废气涡轮增压发动机（灭缸破坏了增压系统的正常工作）、汽油机缸破坏了增压系统的正常工作）、汽油机（引起进气情况改变）及单缸机，适用于多（引起进气情况改变）及单缸机，适用于多缸柴油机（误差在缸柴油机（误差在5%5%以下）。以下）。（四）油耗线法（四）油耗线法 此方法基础：假定转速不变时，机械损失此方法基础：假定转速不变时，机械损失和指示热效率都不随负荷增减而变化。和指示热效率都不随负荷增减而变化。由指

60、示效率的定义可导出：由指示效率的定义可导出：当柴油机空转（无负荷），若当柴油机空转（无负荷），若 不随负荷增减而变化不随负荷增减而变化时，应有：时，应有： 333.6 103.6 10 ()uitiemBHPPP303.6 10uitmB HPit 保证发动机转速不变（机械损失就基本不变）保证发动机转速不变（机械损失就基本不变），逐渐改变，逐渐改变柴油机喷油泵齿条的位置，测出每小时耗油量柴油机喷油泵齿条的位置，测出每小时耗油量B B随随P Pmeme变化的关变化的关系，绘制成如图系，绘制成如图1 11717的曲线（称为负荷特性曲线）。的曲线（称为负荷特性曲线）。 在曲线中找出接在曲线中找出接近