第一章发动机性能

1、 汽车拖拉机发动机原理汽车学院主讲人：刘金山手 机q信箱：第一章第一章 内燃机内燃机的性能的性能Engine Performance 参考书1、工程热力学华自强，张忠进编，北京高等教育出版社 2、工程热力学/陈贵堂，北京 理工大学出版社3、燃料及燃烧/韩昭沧，主编，冶金工业出版社4、汽车构造/陈家瑞，主编，机械工业出版社5、内燃机学/周龙宝，主编，机械工业出版社6 、读者。1.1 发动机理论循环发动机理论循环1.2 四冲程发动机的实际循环四冲程发动机的实际循环1.3 发动机的指示性能指标发动机的指示性能指标1.4 发动机的有效性能指标发动机的有效性能指标1.5 机械损

2、失和机械效率机械损失和机械效率1.6 热平衡热平衡作业题及复习题作业题及复习题第一章第一章 内燃机性能内燃机性能 内燃机性能指标很多内燃机性能指标很多,主要有：主要有： 动力性指标动力性指标功率功率/Pe、扭矩、扭矩/Ttq、转速、转速/n； 经济性指标经济性指标热效率热效率、燃油消耗率、燃油消耗率be； 运转性能指标运转性能指标冷启动性、噪声和排气品质。冷启动性、噪声和排气品质。 内燃机是通过工作内燃机是通过工作循环循环连续不断进行工作的，连续不断进行工作的，工作循环工作循环进行的好坏直接影响到内燃机的各项进行的好坏直接影响到内燃机的各项性能指标性能指标。因此、。因此、我们从内燃机的循环开始

3、引我们从内燃机的循环开始引出内燃机的各项性能指标。出内燃机的各项性能指标。1.1 发动机理论循环发动机理论循环 内燃机的内燃机的是燃料的热能转变为机械是燃料的热能转变为机械能的过程，由能的过程，由等等5 5个个过程所组成。在这些过程中，伴随着各种复杂的过程所组成。在这些过程中，伴随着各种复杂的，同时，同时，等引起的一系列不可逆损失也大量存在等引起的一系列不可逆损失也大量存在, ,十分复杂。十分复杂。将非常将非常复杂的复杂的实际工作过程加实际工作过程加以以抽象简化抽象简化，忽略一些次要影响因素，并对其中变，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、化学过程化复杂、难于进行细

4、致分析的物理、化学过程 进行进行简化处理简化处理，从而得到便于进行，从而得到便于进行定量定量分析的假想循环分析的假想循环或简化循环或简化循环.研究理论循环的目的研究理论循环的目的1)用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，以明确提高数间的关系，以明确提高以理论以理论循环热效率循环热效率为代表的为代表的经济性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。 寻找提高经济性与动力性的方法。寻找提高经济性与动力性的方法。2)确定确定循环热效率的理论循环热效率的理论极限极限，以判断实际内燃机经济，以判断实

5、际内燃机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。 设定评判标准。设定评判标准。3)有利于分析比较内燃机有利于分析比较内燃机不同热力循环方式不同热力循环方式的经济性和的经济性和动力性。动力性。用于用于不同发动机比较。不同发动机比较。一、一、三种三种基本循环基本循环( (定容、定压、混合定容、定压、混合) ) 简化原则为简化原则为( (五个假定条件五个假定条件) ) : 封闭封闭循环循环不考虑更换工质的各项损失；不考虑更换工质的各项损失； 压缩和膨涨过程压缩和膨涨过程绝热绝热等熵等熵不考虑传热损失；不考虑传热损失； 理想理想工质工质( (空气比热为常数空

6、气比热为常数)不考虑工质成分、不考虑工质成分、数量变化的影响。数量变化的影响。 以热源向工质加热，冷原从工质吸热代替燃烧和以热源向工质加热，冷原从工质吸热代替燃烧和排气排气不考虑燃烧和时间损失（不考虑燃烧和时间损失（及时性及时性） ； 循环各过程均为可逆过程（循环各过程均为可逆过程（可逆可逆）。）。 根据以上假定，按照加热方式的不同，内燃机可以根据以上假定，按照加热方式的不同，内燃机可以抽象出以下三种抽象出以下三种( (定容、定压、混合定容、定压、混合) )基本循环。基本循环。理解！理解！1.1.定容加热循环定容加热循环( (Otto cycle)Otto cycle) 汽油机汽油机混合气混合

7、气燃烧迅燃烧迅速速（容积不变时燃烧（容积不变时燃烧就以结束）近似为就以结束）近似为定定容加热循环。容加热循环。 r-ar-a进气过程进气过程; ; a-ca-c绝热压缩过程绝热压缩过程; ; c-zc-z等容加热过程等容加热过程; ; z-bz-b绝热膨胀过程绝热膨胀过程; ; b-ab-a等容放热过程。等容放热过程。caPVQ1Q2bzr2.2.定压加热循环（定压加热循环（Diesel cycleDiesel cycle） 高增压和低速大型柴油机高增压和低速大型柴油机受受最高燃烧压力最高燃烧压力Pzmax限制限制, ,大大部分燃料在上止点后燃烧部分燃料在上止点后燃烧（边喷边烧）（边喷边烧）,

8、 ,燃烧时燃烧时压力压力变化不显著变化不显著近似为近似为定压加定压加热循环热循环。 r-ar-a进气过程进气过程 a-ca-c绝热压缩过程绝热压缩过程 c-zc-z等压加热过程等压加热过程 z-bz-b绝热膨胀过程绝热膨胀过程 b-ab-a等容放热过程等容放热过程baPVczQ1Q2rcazb3.混合加热循环（混合加热循环（Sabathe cycleSabathe cycle） 高速柴油机高速柴油机部分燃料在上部分燃料在上止点前燃烧、部分燃料在止点前燃烧、部分燃料在上止点后燃烧，近似上止点后燃烧，近似为混为混合加热循环合加热循环。 r-ar-a进气过程进气过程 a-ca-c绝热压缩过程绝热压缩

9、过程 c-zc-z等容加热过程等容加热过程 z-zz-z等压加热过程等压加热过程 z-bz-b绝热膨胀过程绝热膨胀过程 b-ab-a等容放热过程等容放热过程 Q1bZcaPV Q1zQ2r二、理论循环的评定二、理论循环的评定1. 1.经济性经济性用循环热效率用循环热效率t t评定评定：循环功：循环功W Wt t (J)(J)和循和循环加热量环加热量Q Q1 1(J)(J)之比。之比。（1 1卡卡=4.1840=4.1840焦耳，焦耳， 即即1 1千卡热量千卡热量同同427427千克米的功相当）千克米的功相当） 式中：式中： W Wt t -工质所做工质所做循环功（循环功（J） Q Q1 1-循

10、环加热量循环加热量(J);(J); Q Q2 2-工质传给冷源的热量工质传给冷源的热量(J).(J).1212111QQQQQQWtt评定循环评定循环经济性经济性根据热力学公式根据热力学公式混合加热混合加热循环的热效率：循环的热效率： 压缩比：压缩比： VaVa：汽缸总容积；：汽缸总容积； Vs Vs ：工作容积；：工作容积； VcVc：汽缸压缩容积。：汽缸压缩容积。 预膨胀比：预膨胀比：111111KtmVcVsVcVcVsVcVa1ZZVV工质被压工质被压缩的程度缩的程度气体膨胀气体膨胀的程度的程度 压升比压升比 绝热指数绝热指数预膨比预膨比=1=1时定容加热循环，时定容加热循环，压升比压

11、升比=1=1时定压加热循环，时定压加热循环，111tv11111tpczPP表示定容表示定容燃烧情况燃烧情况绝热比比热比vpcck其数值随气体的其数值随气体的种类和温度而变种类和温度而变2. 2.影响影响t t的因素的因素. .压缩比：压缩比：t t。 平均吸热温度平均吸热温度； 平均放热温度平均放热温度； 循环温差循环温差 ； 膨胀比膨胀比 。 如图如图1-21-2所示。所示。0sT22144T3331mTmT12mTmT2图图1-2 从图从图1-31-3中可知当：中可知当： 18 18 18时，随着时，随着t t但效果已不大。但效果已不大。. .绝热指数绝热指数k k，取决于工质的性质，取

12、决于工质的性质，双原子气体双原子气体maxmax=1.4=1.4。t t, , 工质原子数工质原子数； 混合气浓度混合气浓度 。. .压力升高比压力升高比 ： a a、在定容加热循环当：、在定容加热循环当：一定时，一定时，Q Q1 1 Q Q2 2顺变顺变QQ2/ 2/ Q Q1 1不变不变t t亦不变亦不变 。 b b、混合加热循环：、混合加热循环：当（当（、 Q Q1 1）一定时，）一定时，QQ2 2t t。但是但是()（），因而零件的热负荷和机械负荷都受因而零件的热负荷和机械负荷都受零件耐温和强度限制不能太高。零件耐温和强度限制不能太高。. .预膨胀比预膨胀比： a a、在、在定压加热循

13、环定压加热循环中当中当一定时，一定时，Q Q1 1t t 因为后加入热量膨胀不充因为后加入热量膨胀不充分，排给冷源热量分，排给冷源热量Q Q2 2。 b b、在、在定压加热循环定压加热循环中当中当（、Q Q1 1）一定时，）一定时， t t。3 3、动力性、动力性循环平均压力循环平均压力p pt t：单位汽缸工作容积所做的循：单位汽缸工作容积所做的循环功。环功。 根据热力学公式根据热力学公式 (J/m(J/m3 3) MPa ) MPa ：混合加热循环：混合加热循环： PaPa压缩始点的压力压缩始点的压力KPa KPa 定容加热循环定容加热循环=1 =1 tmaktmkkpp1111sttVW

14、ptvatvKPP)1(*1*1定压加热循环定压加热循环=1 由上述公式可知，循环热效率和循环平均压力只由上述公式可知，循环热效率和循环平均压力只 和和 五个参数有关。五个参数有关。 （ ）t t。tpatpKKPP1*1*1ap,ap,三、三种基本循环比较当初态相同当初态相同（、 Q Q1 1）一定时，）一定时，QQ2 2t t。tvtvtmtmtptp当加热量当加热量(Q(Q1 1p pz z) )相相同时同时,t t。 tptptmtmtvtvP PV VP PV V 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较比较的前提：比较的前提：1）初态相同）初态相同2 2）吸热量、压缩比、最高温度及最）

15、吸热量、压缩比、最高温度及最高压力相同高压力相同利用利用T Ts s图进行比较最为简便图进行比较最为简便一、压缩比相同、吸热量相同时的比较一、压缩比相同、吸热量相同时的比较T0s554443332215mVT,2mmT,2mpT,2mpT,1mmT,1mVT,112341：定容吸热：定容吸热122341： 混合吸热混合吸热12341： 定压吸热定压吸热tptmtV吸热量相同，吸热量相同，放热量不同放热量不同二、循环最高压力和最高温度相同时的比较二、循环最高压力和最高温度相同时的比较12341：定容吸热：定容吸热123 341：混合吸热：混合吸热12 341：定压吸热：定压吸热放热量相同，放热量

16、相同，吸热量不同吸热量不同tVtmtp0Ts654332221mT2mVT,1mmT,1mpT,1maxTminTmaxpminp思考题1 1、何谓理论循环热效率、何谓理论循环热效率t t ？并以循环加热量？并以循环加热量Q Q1 1，放，放热量热量Q Q2 2写出表达式。写出表达式。2 2、什么是循环平均压力、什么是循环平均压力P Pt t？3 3、什么是压缩比、什么是压缩比？4 4、内燃机有哪三种基本空气标准循环，高增压和低速、内燃机有哪三种基本空气标准循环，高增压和低速大型柴油简化为何种基本循环，为什么？大型柴油简化为何种基本循环，为什么？5 5、当压缩比和、当压缩比和 Q Q1 1相同

17、时，用相同时，用T TS S图比较定容加热循图比较定容加热循环和定压加热循环热效率的大小。环和定压加热循环热效率的大小。6 6、在混合加热循环中，当在混合加热循环中，当 Q1和和不变时，压力升高不变时，压力升高比比增加循环热效率如何变化，用增加循环热效率如何变化，用T-S图说明。图说明。 课外作业课外作业t 1.2 四行程发动机的实际循环四行程发动机的实际循环 发动机的工作性能，常用性能指标来衡量。发动机的工作性能，常用性能指标来衡量。 本课程是以动力性、经济性、排放、振动、本课程是以动力性、经济性、排放、振动、噪声等性能为研究对象，深入到工作过程噪声等性能为研究对象，深入到工作过程的各个阶段

18、，分析影响这些性能的各种因的各个阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中找出提高性能的一般规律。素，从中找出提高性能的一般规律。 实际循环通常用气缸内工质的压力随气缸实际循环通常用气缸内工质的压力随气缸容积（或曲轴转角）的变化图形容积（或曲轴转角）的变化图形PVPV图或图或PP图来表示，称为示功图。图来表示，称为示功图。 -工质对活塞做的功；正功。工质对活塞做的功；正功。 -泵气损失；增压机：正功；非增压机：负功。泵气损失；增压机：正功；非增压机：负功。 四行程内燃机实际循环四行程内燃机实际循环由由5 5个个工作过程组成，即，工作过程组成，即，进气、压进气、压缩、燃烧、膨胀和排气缩、燃烧、膨胀和

19、排气。czbbbirrabr1一、进气过程（一、进气过程（r ra a）作用：吸入新鲜工质，为加入作用：吸入新鲜工质，为加入Q Q1 1作准备；作准备； 特点：特点： PaPPaTTaT, , T=Ta -TT=Ta -T 缸内残余废气加热缸内残余废气加热 ( (高温机件加热高温机件加热; ;汽汽 油机进气预热油机进气预热) )。prp0? 进气终了的压力进气终了的压力PaPa及温度及温度TaTa大致范围是：大致范围是： 汽油机汽油机: Pa=: Pa=（0.80.80.900.90）P P0 0 Ta=340 Ta=340380K380K 柴油机柴油机: Pa=: Pa=（0.850.850

20、.950.95）P P0 0 Ta=300 Ta=300340K340K 增压柴油机增压柴油机: Pa=: Pa=（0.90.91.01.0）P P0 0 Ta=320 Ta=320380 K380 K二、压缩过程（二、压缩过程（a ac c）作用：增大工作过程的温差；增大膨胀比，提高热功转换效作用：增大工作过程的温差；增大膨胀比，提高热功转换效率；为燃烧过程创造有利的条件；柴油机，压缩高温是保证率；为燃烧过程创造有利的条件；柴油机，压缩高温是保证燃料着火的必要条件。燃料着火的必要条件。压缩比：压缩比： 特点：多变过程。特点：多变过程。 开始开始T T璧璧TT工质工质，工质吸热，工质吸热，n

21、n1 1KK； 某一瞬间某一瞬间T T璧璧=T=T工质工质，n n1 1=K=K； 后期，由于后期，由于T T璧璧TT工质工质，n n1 1KK。 但在实际的近似计算中，常用一个但在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数则来取而代之不变的、平均的多变指数则来取而代之n n1 1 。气缸压缩容积气缸总容积cacavvvv 汽油机汽油机: n: n1 1=1.32=1.321.381.38；n n1 1的范围：的范围： 高速柴油机高速柴油机:n:n1 1=1.38=1.381.401.40； 增压柴油机增压柴油机:n:n1 1=1.35=1.351.371.37。 影响影响n n1 1的

22、主要因素：的主要因素： 当转速当转速(向缸壁的传热量及气缸泄漏量向缸壁的传热量及气缸泄漏量)n)n1 1 ； 当负荷当负荷气缸温度气缸温度及相对的传热量和泄漏量及相对的传热量和泄漏量 n n1 1； 当泄漏量当泄漏量或气缸温度或气缸温度时时nn1 1。 压缩终了的参数压缩终了的参数 Pc (MPa) Tc (K)Pc (MPa) Tc (K) 汽油机汽油机: 0.8: 0.82.0 6002.0 600750750 柴油机柴油机: 3.0: 3.05.0 7505.0 7501000 1000 增压柴油机增压柴油机: 5.0: 5.08.0 9008.0 9001100 1100 汽油机的压缩

23、温度，压力低于柴油机，汽油机的压缩温度，压力低于柴油机，这是为什么呢？这是为什么呢？ 发动机的压缩比是气缸的总容积与气缸压缩容积之比，发动机的压缩比是气缸的总容积与气缸压缩容积之比，即：即： 在汽油机中，为了提高热效率，希望增加压缩比，但在汽油机中，为了提高热效率，希望增加压缩比，但受到爆震燃烧的限制，一般为受到爆震燃烧的限制，一般为710。 在柴油机中，为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及在柴油机中，为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及冷起动时可靠着火，必须使压缩终了有足够的温度，冷起动时可靠着火，必须使压缩终了有足够的温度，需要较高的压缩比，一般为需要较高的压缩比，一般为1422。何谓发动机的

24、压缩比？简要说明汽油何谓发动机的压缩比？简要说明汽油和柴油机如何选择压缩机。和柴油机如何选择压缩机。 气缸压缩容积气缸总容积cacavvvv 三、燃烧过程三、燃烧过程 （c cz z z z ）作用：将燃料的化学能转变为热能，使工质的压作用：将燃料的化学能转变为热能，使工质的压 力、温度升高。放出的热量越多，放热时力、温度升高。放出的热量越多，放热时 越靠近上止点，热效率越高。越靠近上止点，热效率越高。要求：燃烧完全、及时。要求：燃烧完全、及时。参数：参数： Pz(MPa) Tz (K)Pz(MPa) Tz (K) 汽油机汽油机: 3.0: 3.06.5 22006.5 22002800280

25、0 柴油机柴油机: 4.5: 4.59.0 18009.0 180022002200 增压柴油机增压柴油机:9.0:9.08.0 9008.0 90011001100汽油机的最高燃烧温度大于柴油汽油机的最高燃烧温度大于柴油机，这是为什么呢？压力呢？机，这是为什么呢？压力呢？四、膨胀过程（四、膨胀过程（z zb b）作用：热向功转换。作用：热向功转换。特点：多变过程，比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏特点：多变过程，比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有补燃等现象。气损失外，还有补燃等现象。 膨胀初期膨胀初期,T,T璧璧TT工质工质由于补燃工质被加热；某一瞬间由于补燃工质被加热；某一瞬

26、间T T璧璧=T=T工质工质, ,此后此后T T璧璧TPPrP0 0, ,P= Pr-PP= Pr-P0 0 用来克服排气系统有阻力，排气终了的用来克服排气系统有阻力，排气终了的压力压力PrPr愈大，说明残留在气缸中的废气就愈多。排气温度愈大，说明残留在气缸中的废气就愈多。排气温度TrTr低，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。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。排气终了的温度常作为检查发动机工作状态的技术指标。因为排排气终了的温度常作为检查发动机工作状态的技术指标。因为排气温度低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程气温度低，说明燃料燃烧

27、后，转变为有用功的热量多，工作过程进行的好。如果发现排温偏高，应立即查明原因。进行的好。如果发现排温偏高，应立即查明原因。参数范围：参数范围： 排气终了的压力（排气终了的压力（MPaMPa）、温度（）、温度（K K）是：）是： 汽油机和柴油机汽油机和柴油机 Pr=Pr=（1.051.051.21.2）P PK K 废气涡轮增压柴油机废气涡轮增压柴油机 Pr=Pr=（0.750.751.01.0）P P0 0 汽汽 油油 机机 Tr=900Tr=90011001100 柴柴 油油 机机 Tr=700Tr=700900900实际循环与理想循环的主要差别实际循环与理想循环的主要差别: :1 1、实际

28、工质的损失、实际工质的损失 : : a. a.性质性质: :理论上理论上: : 理想气体。理想气体。 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。 b.b.比热比热: :理论上理论上: : 定比热定比热 实际上实际上: : 温度温度T T 比热比热C C c. c.数量：理论上数量：理论上: : 不变不变 实际上实际上: : 泄漏泄漏 减少减少循环循环最高最高温度温度降低降低kWkWv例如，对于压缩比为例如，对于压缩比为18、过量空气系数为、过量空气系数为1.5、最高压力为、最高压力为8MPa的混合循环，其理论热效率大致为的混合循

29、环，其理论热效率大致为0.60；当考虑到工质的；当考虑到工质的实际物性时，其热效率将降低到实际物性时，其热效率将降低到0.51。2、换气损失、换气损失 : 定义定义：由于更换工质而消耗的功。：由于更换工质而消耗的功。 理论理论上上: 忽略进、排气过程。忽略进、排气过程。 实际实际上上: 进、排气门提前开启，迟后关闭。进、排气门提前开启，迟后关闭。 而且有流动阻力。而且有流动阻力。rW泵气损失：泵气损失：rrab换气损失换气损失W a.a.非瞬时燃烧损失和补燃损失非瞬时燃烧损失和补燃损失 理论上理论上: 定容加热瞬间完成，膨胀过程无加热。定容加热瞬间完成，膨胀过程无加热。 实际上实际上: 燃烧需

30、要时间，且会拖到膨胀过程。燃烧需要时间，且会拖到膨胀过程。 b.不完全燃烧不完全燃烧损失损失 理论上理论上: 燃料完全燃烧；燃料完全燃烧； 实际上实际上: 燃料燃烧不完全。燃料燃烧不完全。 c.燃烧放热时间延长。燃烧放热时间延长。3 3、燃烧损失、燃烧损失 ：rW4 4、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、膨胀过程为绝热过程。 实际上实际上: 大量热量通过气缸壁传给冷却水或空气。大量热量通过气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

31、。因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。 实际循环循环功比理想循环的功少，热实际循环循环功比理想循环的功少，热效率比理想循环低效率比理想循环低。5、缸内流动损失、缸内流动损失 理论上理论上: 没有气体流动损失。没有气体流动损失。 实际上实际上: 缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。bW小结小结 综上所述与理论循环相比，实际循环存在很多损失综上所述与理论循环相比，实际循环存在很多损失更换工质的损失更换工质的损失泵气损失泵气损失Wr Wr 实际工质的损失实际工质的损失WkWk实际气体比热随温度上升而增大，多原实际气体比热随温度上升而增大，多原子气体子气体K K值小值小, ,

32、使循环最高压力、温度降低且存在泄露等因使循环最高压力、温度降低且存在泄露等因素。素。时间损失时间损失WzWz（燃烧损失）由于燃烧需要时间并且要提前点（燃烧损失）由于燃烧需要时间并且要提前点火和喷油，由此形成非瞬时燃烧损失。火和喷油，由此形成非瞬时燃烧损失。传热损失传热损失W Wb b，实际循环中工质缸壁之间始终存在着热交换。，实际循环中工质缸壁之间始终存在着热交换。使压缩、膨胀线均脱离理论循环的压缩膨胀线，造成损失。使压缩、膨胀线均脱离理论循环的压缩膨胀线，造成损失。所以、实际循环的热效率一定要比理论循环底。所以、实际循环的热效率一定要比理论循环底。 1.3 1.3 实际循环的评定实际循环的评

33、定指示指标指示指标 内燃机的指示性能指标是指内燃机的指示性能指标是指的指标，简称指示指标。的指标，简称指示指标。指示指示指标表征工质在汽缸内部经历的循环的完善程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。测量计算得出的。用平均指示压力用平均指示压力PmiPmi及及指示功率指示功率P Pi i评定循环的动力性评定循环的动力性即做功能力。即做功能力。用循环热效率及燃料消耗率评定循环的经济性。用循环热效率及燃料消耗率评

34、定循环的经济性。 示功图示功图: 发动机缸内压力发动机缸内压力p随汽缸容积随汽缸容积V（p-V图，可图，可用电子示波器直接从发动机上测出）用电子示波器直接从发动机上测出）或曲轴转角或曲轴转角 （p- 图，图，多由气电式测功器或示波器测定）多由气电式测功器或示波器测定）变化的图示。变化的图示。一、循环指示功一、循环指示功WWi i与平均指示压力与平均指示压力PmiPmi1.1.循环指示功循环指示功W Wi i（kJkJ）：一个实际循环工质对活塞所做的有）：一个实际循环工质对活塞所做的有用功称为循环指示功，用功称为循环指示功， 循环指示功的真实值可根据实测示功图面积计算求得：循环指示功的真实值可根

35、据实测示功图面积计算求得： W Wi i（AiAiAlAl）abab = = PmiPmiVs=Vs= 式中式中 A Ai iA Al l示功图面积；示功图面积； aa示功图纵坐标比例尺；示功图纵坐标比例尺； bb示功图横坐标比例尺；示功图横坐标比例尺； D-D-气缸直径；气缸直径； S S活塞行程。活塞行程。32104SDmi2.2.平均指示压力平均指示压力P Pmimi（MPaMPa）：发动机单位气缸工作容：发动机单位气缸工作容积积一个循环所做的指示功一个循环所做的指示功 也可以也可以假想一个假想一个、大小不变的压、大小不变的压力力P Pmimi作用在活塞上，使活塞移动一个作用在活塞上，使

36、活塞移动一个行程，其所做的功等于循环功，则此行程，其所做的功等于循环功，则此假想的压力假想的压力即为即为平均指示压力平均指示压力。simivwp 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。一般内燃机在标定工况下的一般内燃机在标定工况下的 值在下列范围内：值在下列范围内： 四冲程非增压柴油机四冲程非增压柴油机 0.60.60.95MPa0.95MPa 四冲程增压柴油机四冲程增压柴油机 0.850.852.6MPa2.6MPa 二冲程柴油机二冲程柴油机 0.350.351.3MPa1.3MPa： 四冲程摩托车用汽油机四冲程摩托车用汽油机 0.90.91.43 MPa1

37、.43 MPa 四冲程小客车用汽油机四冲程小客车用汽油机 0.650.651.25MPa1.25MPa 四冲程载货车用汽油机四冲程载货车用汽油机 0.60.60.85 MPa0.85 MPa 二冲程小型风冷汽油机二冲程小型风冷汽油机 0.40.40.85 Mpa0.85 Mpamip二、指示功率二、指示功率P Pi i 发动机单位时间所做的指示功，称为发发动机单位时间所做的指示功，称为发动机的指示功率，用动机的指示功率，用P P i i表示。表示。P P i i （KwKw）i i发动机的气缸数；发动机的气缸数；n n发动机转速发动机转速 (r/min(r/min）；）； 行程数。行程数。 四

38、行程四行程=4=4； 二行程二行程=2=2。30. .260niVpinWSmii 三、指示燃料消耗率三、指示燃料消耗率bibi和指示热效率和指示热效率i i 1 1、指示燃料消耗率、指示燃料消耗率bibi（简称指示比油耗）：单位指示功的（简称指示比油耗）：单位指示功的耗油量通常以每千瓦小时的耗油量表示耗油量通常以每千瓦小时的耗油量表示g/g/（kw.hkw.h）。）。 B每小燃油消耗量kg/h2 2、指示热效率、指示热效率i i 实际循环指示功实际循环指示功WiWi与所消耗的燃料热与所消耗的燃料热 量量Q Qi i之比。之比。310iibiiiQW 按热功当量得，按热功当量得，1kw.h=3

39、.61kw.h=3.610103 3kJkJ，而，而 1kw.h1kw.h的的功需要消耗的热量是（功需要消耗的热量是（bi/1000bi/1000）kJkJ，h h为燃为燃料的低热值料的低热值kJkJkgkg。 范围：范围： i i big/（kw.h） 汽油机汽油机 0.30.4 205320 柴油机柴油机 0.40.5 170205hbii6106.3若，柴油的低热值若，柴油的低热值huhu41868 kJ41868 kJkgkg，则，则， 1.4 1.4 发动机经济性和动力性的评定发动机经济性和动力性的评定有效指有效指标标 发动机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率发动机经济性和动力

40、性指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了发动机整机的性能，通常称它们为有为基础，代表了发动机整机的性能，通常称它们为有效指标。效指标。一、动力性能指标一、动力性能指标1.1.有效功率有效功率PePe：曲轴对外输出的功率，称为有效功率，：曲轴对外输出的功率，称为有效功率，指示功率指示功率P Pi i不能完全对外输出，存在机械损失功率不能完全对外输出，存在机械损失功率Pm:Pm: 1 1）运动件的摩擦损失，）运动件的摩擦损失， 606075%Pm75%Pm 2 2）驱动附机的损失，）驱动附机的损失， 101020%Pm20%Pm 3 3）泵气损失，）泵气损失， 101020%Pm 20%Pm 发

41、动机有效功率发动机有效功率Pe由试验测得：由试验测得：3101047. 09550.nnPmPiPetqtq2 2有效扭矩有效扭矩T Ttqtq：轴输出的扭矩。：轴输出的扭矩。可由测功器测得。可由测功器测得。 Nm3 3平均有效压力平均有效压力Pme(MPaPme(MPa）：单位气缸工作容积输出的有效）：单位气缸工作容积输出的有效功功, ,即。即。 netq9550mN.semeVWp30.niVsmeeVsiTtqViVsniPePmestq.14. 31030.1047. 0.303Ttqpme : pme 反反映了发动机单位气映了发动机单位气缸工作容积输出转缸工作容积输出转矩的大小。矩的

42、大小。 PmePme值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强。是评定发动机动力性的重要指标。能力强。是评定发动机动力性的重要指标。 范围：范围： 汽油机汽油机 0.70.71.3 MPa1.3 MPa 柴油机柴油机 0.60.61.0 MPa1.0 MPa 增压柴油机增压柴油机 0.90.92.2 MPa2.2 MPa 4转速转速n n和活塞平均速度和活塞平均速度CmCm nn单位时间的做功次数单位时间的做功次数 Pe Pe，但活塞平均速度，但活塞平均速度 惯性力惯性力 磨损加剧；磨损加剧； 寿命下降。寿命下降。 30.nSCm CmC

43、m为表征发动机强化程度的参数。为表征发动机强化程度的参数。 一般汽油机一般汽油机 18m/s18m/s， 柴油机柴油机 13m/s13m/s。 为了提高转速又不使为了提高转速又不使CmCm过大，可减小行程过大，可减小行程S S，一般用行程，一般用行程缸径比（缸径比（S/DS/D）表示。但）表示。但S/DS/D值小也会造成燃烧室高度减小，值小也会造成燃烧室高度减小，其表面积与容积的比其表面积与容积的比 A/VA/V值增大，不利于燃烧。当值增大，不利于燃烧。当 S/DS/D1 1时，常称为短行程。时，常称为短行程。 范围：范围： n n（r/minr/min） CmCm（m/sm/s） S/DS/

44、D 客车汽油机客车汽油机 500050008000 128000 1218 0.718 0.71.01.0 载货车汽油机载货车汽油机 360036004500 104500 1015 0.815 0.81.21.2 汽车柴油机汽车柴油机 200020005000 95000 915 0.7515 0.751.21.2 增压柴油机增压柴油机 150015004000 84000 812 0.912 0.91.31.3二、发动机经济性能二、发动机经济性能指标指标1 1有效热效率有效热效率ee：有效功：有效功WeWe（J J）与所消耗燃料热量）与所消耗燃料热量Q Ql l之比值。之比值。 2 2有效

45、燃料消耗率有效燃料消耗率be:be:单位有效功的耗油量（简称耗油率）。单位有效功的耗油量（简称耗油率）。 g/g/（kw.hkw.h） 式中式中 BB每小时的耗油量（每小时的耗油量（kgkgh h）；）； PePe有效功率（有效功率（kwkw）。）。 范围：范围： e e beg/beg/（kw.hkw.h） 汽油机汽油机 0.250.250.3 2700.3 270325325 柴油机柴油机 0.30.30.45 1900.45 190285285 61106 .3hbQWeee1000eePBb 可见，可见， ee与与bebe成反比，知成反比，知道其中一值后，道其中一值后，可求出另一值。可

46、求出另一值。例题：已知某四缸四冲程汽油机气缸直径81.0mm，活塞行程86.4mm，以标定转速n=3000r/min运转，功率为72kW，现测得运转34S共消耗200g燃油，求此时的有效转矩、升功率、燃油消耗率、有效热效率？（汽油低热值hu=44000kJ/kg）解： (1)有效转矩：(2)升功率因为：所以：)(2 .22930007295509550mNnPeTtqLKWV iPPseL/45.40445. 0472L445. 0104 .86)281(V62s(3)因为：所以燃油消耗率：(4)有效热效率:)/(118.294107247.211761033hkWgPBbeeh/g47.21

47、176h/g360034200B2782. 044000118.294106 . 3106 . 366ueehb三、发动机强化指标三、发动机强化指标 1 1升功率和比质量升功率和比质量meme升功率升功率P PL L （kWkWL L）是发动机每升工作容积所发出的有效）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。功率。 可见，提高可见，提高PLPL的主要措施是提高的主要措施是提高PmePme和和n n。衡量发动机容积利用的程度。衡量发动机容积利用的程度。比质量比质量meme（kgkgkwkw）是发动机的干质量）是发动机的干质量m m与所给出的标定与所给出的标定功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性

48、。功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性。范围：范围： PLPL（kWkWL L） meme（kgkgkwkw） 汽油机汽油机 303070 1.170 1.14.04.0 汽车柴油机汽车柴油机 181830 2.530 2.59.09.0 拖拉机柴油机拖拉机柴油机 9 915 5.515 5.51616iVSeL.eemm2 2强化系数强化系数PmePmeCmCm 平均有效压力平均有效压力PmePme与活塞平均速度与活塞平均速度CmCm的乘积称为强的乘积称为强化系数。它与活塞单位面积的功率成正比。其值化系数。它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。愈大，发动机

49、的热负荷和机械负荷愈高。 强化系数大致范围：强化系数大致范围： 汽油机汽油机 8 817 Mpa.m/s17 Mpa.m/s 小型高速柴油机小型高速柴油机 6 611 Mpa.m/s11 Mpa.m/s 重型汽车柴油机重型汽车柴油机 9 915 Mpa.m/s15 Mpa.m/s1.5 1.5 发动机的环境指标发动机的环境指标 发动机的环境指标主要指排气品质和噪声。发动机的环境指标主要指排气品质和噪声。一、排放性能一、排放性能 其排出的有害物分为下述两类。其排出的有害物分为下述两类。1 1排出有害气体排出有害气体:CO:CO、HCHC、NOxNOx。2 2排气微粒：颗粒大于排气微粒：颗粒大于0

50、.002m0.002m的任何液体或固体微粒。的任何液体或固体微粒。以碳为主。以碳为主。二、噪声二、噪声噪声会刺激神经，使人心情烦燥、反应迟钝、甚至产生耳噪声会刺激神经，使人心情烦燥、反应迟钝、甚至产生耳聋、高血压和神经系统疾病。汽车是城市的主要噪声源之聋、高血压和神经系统疾病。汽车是城市的主要噪声源之一；发动机又是汽车的主实噪声源一，故必须给予控制。一；发动机又是汽车的主实噪声源一，故必须给予控制。如我国噪声标准中规定，轿车噪声不得大于如我国噪声标准中规定，轿车噪声不得大于84dB84dB。 内燃机排放物的浓度内燃机排放物的浓度, ,从广义上讲从广义上讲, ,是指排放物在总是指排放物在总排气量

51、中所占的比例排气量中所占的比例. .对于气态排放物如对于气态排放物如CO,HCCO,HC和和 (NO, )来说来说, ,常用体积分数常用体积分数 来表示来表示, ,一般内燃机一般内燃机的气态排放物都可作为理想气体处理的气态排放物都可作为理想气体处理. .为了数据的普为了数据的普遍性遍性, ,气体的体积要换算到标准大气状态气体的体积要换算到标准大气状态( (内燃机工程内燃机工程标准的大气状态为总压力标准的大气状态为总压力101.3kPa,101.3kPa,水蒸气分压为水蒸气分压为1kPa,1kPa,温度温度273k).273k). 内燃机固体排放物如柴油机的微粒等用质量浓度表内燃机固体排放物如柴

52、油机的微粒等用质量浓度表示示, ,常用单位常用单位为为 ,对于排放物中的特殊微量物质对于排放物中的特殊微量物质, ,单位为单位为 . .3/mg mxNO2NO3/g m 单位时间或按某排放标准规定单位时间或按某排放标准规定, ,进行一次测试进行一次测试, ,在实在实验期内测出的污染物质量验期内测出的污染物质量, ,称为质量排放量称为质量排放量, ,通常以通常以g/hg/h或或g/g/测试测试(g/test)(g/test)表示表示. . 安装内燃机的车辆按规定的工况组合安装内燃机的车辆按规定的工况组合( (称为测试循环称为测试循环) )行驶后折算到单位里程的排放量行驶后折算到单位里程的排放量

53、, ,称为称为( (单位单位) )里程质量里程质量排放量排放量, ,常用单位为常用单位为g/km.g/km. 内燃机针对单机进行排放测量时内燃机针对单机进行排放测量时, ,每单位功排出每单位功排出的污染物质量的污染物质量, ,常用常用g/(kwh)g/(kwh)表示表示, ,用以评价不同用以评价不同种类种类, ,排量的内燃机的排放性能排量的内燃机的排放性能. . 比排放量与内燃机的燃料消耗率类似比排放量与内燃机的燃料消耗率类似, ,也可称为也可称为污染排放率污染排放率, ,比排放量可以根据测得的发动机功率比排放量可以根据测得的发动机功率, ,排气流量排气流量, ,污染物浓度污染物浓度, ,污染

54、物密度等数据计算污染物密度等数据计算. . 排放率定义为燃烧单位质量的燃料所排放的污排放率定义为燃烧单位质量的燃料所排放的污染物质量染物质量, , 理论上是个量纲一的量理论上是个量纲一的量, ,实践中为方便实践中为方便起见常用起见常用g/kgg/kg表示表示. . 目前排放指标中用得较多的是单位里程质量排目前排放指标中用得较多的是单位里程质量排放量放量(g/km,(g/km,轻型车排放法规轻型车排放法规) )和比排放量和比排放量g/(kwh),g/(kwh),重型车排放法规重型车排放法规. .1.6 1.6 机械损失与机械效率机械损失与机械效率一、机械损失的组成及机械效率一、机械损失的组成及机

55、械效率 m m （1 1）机械损失功率）机械损失功率PmPm（kwkw）：说明机械损失的大小可以用）：说明机械损失的大小可以用机械损失功率机械损失功率Pm Pm （kwkw）和平均机械损失压力。）和平均机械损失压力。p pmmmm（MPaMPa）单位气缸工作容积的机械损失功来表示。单位气缸工作容积的机械损失功来表示。机械损失功率机械损失功率PmPm包括：包括： 活塞及活塞环活塞及活塞环1.1.摩擦损失摩擦损失: : 连杆、曲轴轴承连杆、曲轴轴承 6275%6275%。 配气机构配气机构 水泵水泵 风扇风扇 2.2.驱动附件损失驱动附件损失: : 机油泵机油泵 1020%1020% 电器设备电器

56、设备3.3.泵气损失泵气损失: :1020%1020% （2 2）机械效率）机械效率m m：有效功率：有效功率PePe和指示功率和指示功率PiPi的比。的比。 机械效率机械效率m m的大致范围是：的大致范围是： 汽油机汽油机0.70.9 柴油机柴油机0.70.85 eim30.niVpsmmmemimmpppmimmimmimeiemppPPppPP11W-700电涡流测功器二、机械损失的测定二、机械损失的测定 机械损失功率是通过对实际发动机试验来测定。常用的机械损失功率是通过对实际发动机试验来测定。常用的测试方法有倒拖法、灭缸法和油耗线法。测试方法有倒拖法、灭缸法和油耗线法。 1 1倒拖法倒

57、拖法 发动机与平衡式电力测功器相连。在稳定工况，当冷却发动机与平衡式电力测功器相连。在稳定工况，当冷却水和水和 机油温度到达正常值时，立即切断供油（柴油机）或机油温度到达正常值时，立即切断供油（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，倒停止点火（汽油机），同时将电力测功器转换为电动机，倒拖发动机，并尽可能维持冷却水和机油温度不变。电力测功拖发动机，并尽可能维持冷却水和机油温度不变。电力测功器所测得的倒拖功率，即为机械损失功率。器所测得的倒拖功率，即为机械损失功率。缺点：缺点：必须使用平衡式电力测功器；必须使用平衡式电力测功器； 没有燃烧，压力底摩擦损失小；没有燃烧，压力底摩

58、擦损失小； 由传热、压缩线和膨胀不重合负功；由传热、压缩线和膨胀不重合负功； 由于强制排引起泵气损失增加。由于强制排引起泵气损失增加。对于柴油机由于对于柴油机由于大，误差大可达大，误差大可达1520%1520%对于汽油机对于汽油机=67=67，误差在，误差在5%5%左右。左右。2 2、灭缸法、灭缸法 此法仅适用于多缸发动机。首先将发动机调整到给定工此法仅适用于多缸发动机。首先将发动机调整到给定工况稳定工作，测定其有效功率况稳定工作，测定其有效功率PePe；然后停止向一个气缸（例；然后停止向一个气缸（例如第一缸）供油，并调整测功器，使内燃机恢复到原来的转如第一缸）供油，并调整测功器，使内燃机恢复

59、到原来的转速，再测定发动机的有效功率速，再测定发动机的有效功率P Pe(1)e(1) 。两者之差即为停油气。两者之差即为停油气缸的指示功率。同法，依次使各缸熄火，即可测得对应的有缸的指示功率。同法，依次使各缸熄火，即可测得对应的有效功率效功率P Pe(2)e(2) 、 P Pe(3)e(3) 。于是可得各缸的指示功率为：。于是可得各缸的指示功率为： ， . . 将上列各式相加得整机指示功率为：将上列各式相加得整机指示功率为： 11eei 22eei 2121eeeiiii 式中式中ii气缸数。气缸数。因此，整机的机械损失功率：因此，整机的机械损失功率： 此法的测量误差，对于柴油机，在较好情况下

60、可以达到此法的测量误差，对于柴油机，在较好情况下可以达到5 5；但对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不；但对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果。同样，它也不能用于废气涡轮增压发动机及单到正确结果。同样，它也不能用于废气涡轮增压发动机及单缸机。缸机。3 3油耗线法（又称负荷特性法）油耗线法（又称负荷特性法） 当当n n不变时，在中小负荷，柴油机的耗油量与指示功率几不变时，在中小负荷，柴油机的耗油量与指示功率几乎成正比关系。而且乎成正比关系。而且PmPm和和i i不随负荷变化。不随负荷变化。eim 211eeemi 某一负荷：某一负荷： 空转时：空转时： 两式相除：两式相