发动机原理-发动机工作循环与性能指标

1、第四章第四章 发动机工作循环及发动机工作循环及性能指标性能指标本章主要内容本章主要内容: :1 1、发动机实际循环、发动机实际循环、发动机性能指标发动机性能指标、机械效率及其影响因素、机械效率及其影响因素 4 4、发动机热平衡、发动机热平衡第一节第一节 发动机的实际循环发动机的实际循环重点掌握重点掌握: : 1 1、示功图分析、示功图分析、五个工作过程的特点、五个工作过程的特点一、概述一、概述 发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。实际循环比膨胀和排气五个过程所组成。实际循环比理论循环复杂的多。理论循环复杂的多。通常用气缸内的工质

2、通常用气缸内的工质压力压力随随气缸工作容气缸工作容积或曲轴转角积或曲轴转角而变化的图形（而变化的图形（示功图）示功图）来研究来研究。即即- -示功图和示功图和- - 二、四行程发动机示功图二、四行程发动机示功图a a：进气终点进气终点c c：压缩终点压缩终点z z：燃烧终点燃烧终点b b：膨胀终点膨胀终点r r：排气终点排气终点VaVa- -气缸的总容积气缸的总容积VcVc- -气缸的压缩容积气缸的压缩容积V Vs s- -气缸的工作容积气缸的工作容积TDCTDC- -上止点上止点 BDCBDC- -下止点下止点四四冲冲程程柴柴油油机机 图图四四冲冲程程汽汽油油机机图图三、五个工作过程三、五个

3、工作过程1、进气过程、进气过程2、压缩过程、压缩过程3、燃烧过程燃烧过程化学能化学能热能热能4、膨胀过程膨胀过程5、排气过程排气过程排气温度是重要参数排气温度是重要参数第二节第二节 发动机的性能指标发动机的性能指标重点掌握重点掌握: : 1 1、各指标的定义、单位和公式、各指标的定义、单位和公式、指示指标与有效指标的区别、指示指标与有效指标的区别3 3、机械损失、机械损失概述概述内燃机的性能指标包括：内燃机的性能指标包括：指示指标：据示功图求得的动力性和经济性指标指示指标：据示功图求得的动力性和经济性指标它是以工质在气缸内对活塞所做的功为基础的性能指标。它是以工质在气缸内对活塞所做的功为基础的

4、性能指标。意义：意义：用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程。过程。有效指标：考虑到机械损失的指标。有效指标：考虑到机械损失的指标。小于指示指标小于指示指标 它是以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。它是以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。意义：意义：用来评定发动机性能的好坏。用来评定发动机性能的好坏。内燃机的指示指标内燃机的指示指标顺时针顺时针 正功正功- -循环指示功循环指示功；逆时针逆时针 负功负功- -泵气功泵气功; ;机械机械 损失功损失功示功图上循环曲线所围成的面示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多少。积的大小表示功的多少

5、。在气缸完成一个循环，工在气缸完成一个循环，工质对活塞所做的功，用质对活塞所做的功，用W Wi i（J J）表示。表示。W Wi i= =Pdv（Wi相当于代表的功）相当于代表的功）一、指示功和平均指示压力一、指示功和平均指示压力1 1、指示功（或循环指示功）：、指示功（或循环指示功）：1 1）定义：）定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。示功。 P Pmimi=W=Wi i/V/Vs s (kpa)(kpa)2 2）单位：）单位：W Wi i（J J），），V Vs s（L L），），P Pmimi（kpakpa）3 3）P Pmimi ，W Wi

6、i =气缸工作容积的利用程度气缸工作容积的利用程度 。4 4）作用：）作用：评价发动机工作循环的动力性。评价发动机工作循环的动力性。 5 5）汽油机汽油机: :P Pmimi=800-1500kpa =800-1500kpa 柴油机柴油机: :P Pmimi=700-1100kpa=700-1100kpa增压柴油机增压柴油机: :P Pmimi=1000-2500kpa=1000-2500kpa2 2、平均指示压力平均指示压力P Pmimi二、指示功率二、指示功率Pii i 气缸数；气缸数； P Pmi mi 平均指示压力（平均指示压力（kpa)kpa)； n n 转数，转数，r/minr/m

7、in； 行程数；行程数；V Vs s（L L）汽缸工作容积。汽缸工作容积。当当时：时：P Pmimi，P Pi i，动力性指标。，动力性指标。定义：定义：单位时间内所做的指示功，单位时间内所做的指示功，P Pi i, , KWKW。 P Pi i=W=Wi i/t(N.m/s)/t(N.m/s) KWKW三、指示燃油消耗率三、指示燃油消耗率b bi i定义：定义：单位指示功所消耗的燃油量，用单位指示功所消耗的燃油量，用b bi i表表示。示。 b bi i（10001000B/PB/Pi i）g/kwg/kwhh B B 每小时的燃油消耗量，每小时的燃油消耗量，kg/hkg/h； P Pi i

8、 指示功率，指示功率，kwkw。b bi i，itit，经济性指标。，经济性指标。四、指示热效率四、指示热效率 it定义：定义：实际循环指示功实际循环指示功W Wi i与所用燃油的与所用燃油的发热量发热量Q Q1 1之比值之比值, ,用用itit表示。表示。 P Pi i KWKW； H Hu u KJ/kgKJ/kg燃料热值；燃料热值； B B kg/hkg/h； b bi i g/kwhg/kwh可以看出：可以看出：i i11g gi i标定工况下，标定工况下，itit，b bi i的大致范围：的大致范围： b bi i itit汽油机：汽油机： 2 20505320 0.30320 0.

9、300.0.4040柴油机：柴油机： 170 17020205 0.405 0.400.500.50内燃机的有效指标内燃机的有效指标一、机械损失功率一、机械损失功率P Pm m和和有效功率有效功率PePe1.1.机械损失：机械损失： 主要包括：主要包括：摩擦损失：摩擦损失： 活塞环与缸壁间活塞环与缸壁间，各，各轴承与轴颈间，气门传轴承与轴颈间，气门传动机构的摩擦等。占总动机构的摩擦等。占总损失的损失的606075%75%。驱动附属机构的能量损失驱动附属机构的能量损失 占占101020%20%。泵气损失：泵气损失： 占占101020%20%。2.2.机械损失功率机械损失功率P Pm m: : 因

10、机械损失所消耗的功率因机械损失所消耗的功率3 3有效功率有效功率Ne: Ne: PePeP Pi i-P-Pm m: : 曲轴对外输出的功率。曲轴对外输出的功率。二、有效扭矩（转矩）二、有效扭矩（转矩）T TtgtgPePe：功率；功率； KW TKW Ttqtq：扭矩；：扭矩； N.mN.mn n：转速；转速； r/minr/min是发动机工作时曲轴输出的平均扭矩。是发动机工作时曲轴输出的平均扭矩。TtqnPe=9550(KW)三、平均有效压力三、平均有效压力P Pme1.1.定义：定义：单位气缸工作容积的循环有效功。单位气缸工作容积的循环有效功。 是评价发动机动力性的重要指标。是评价发动机

11、动力性的重要指标。2.2.与与PePe的关系：的关系： PmePme平均有效压力平均有效压力kpakpa，V Vs s 汽缸工作容积汽缸工作容积L L 对四冲程发动机，对四冲程发动机，4 4，3.3.对于结构一定的发动机，平均有效压力对于结构一定的发动机，平均有效压力PePe与扭与扭矩矩MeMe成正比。成正比。汽油机汽油机:Pme=700-1300kpa ；柴油机；柴油机:Pme=600-1000kpa四、强化指标四、强化指标 升功率升功率N NL L： 发动机每升工作容积发出的有效功率。发动机每升工作容积发出的有效功率。 P PL LPe/(i Pe/(i V Vs s) ) kw/Lkw/

12、L 从有效功率的角度，衡量发动机排量利用的程度，从有效功率的角度，衡量发动机排量利用的程度，P PL L越大，发动越大，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。机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。 比质量：比质量： 发动机的干质量发动机的干质量m m与所发出与所发出标定标定功率功率PePe的比值。的比值。 m me em/Pm/Pe e 表征重量利用程度和结构紧凑性。表征重量利用程度和结构紧凑性。 3 3强化系数强化系数P PmemeC Cm m： 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的乘积的乘积 单位：单位：MPaMPa?m

13、/sm/s强化系数越大，内燃机的热负荷和机械负荷越高。强化系数越大，内燃机的热负荷和机械负荷越高。强化系数范围：（强化系数范围：（MPaMPa?m/sm/s）汽油机：汽油机：8 81717；小型高速柴油机：；小型高速柴油机： 6 61111； 重型汽车柴油机：重型汽车柴油机： 9 91515升功率和比质量范围：升功率和比质量范围： PLPL（kW/LkW/L） meme（kg/kWkg/kW）汽油机：汽油机： 252565 1.165 1.14.0 4.0 汽车用柴油机：汽车用柴油机： 20204040 2.52.59.09.0农用柴油机：农用柴油机： 8 815 5.515 5.51616

14、五、有效燃油消耗率和有效热效率五、有效燃油消耗率和有效热效率. .有效燃油消耗率有效燃油消耗率: : 单位有效功率的油耗量。单位有效功率的油耗量。 b be e10001000B/PB/Pe e g/kwg/kwhh B:B:每小时的油耗量每小时的油耗量, ,kg/hkg/h Pe:Pe:有效功率有效功率 kwkw有效热效率：有效热效率：发动机的有效功发动机的有效功WeWe与所消与所消耗的燃油发出的热量耗的燃油发出的热量Q Q1 1的比值。的比值。 etWe/Q13.6/ (be Hu)106Wim/Q1itm b be e: :有效燃油消耗率有效燃油消耗率; ; H Hu u: :燃料的低热

15、值燃料的低热值kJ/kgkJ/kg b be e、etet是发动机的经济性能指标。是发动机的经济性能指标。 总结：总结：1 1、按评价发动机性能的不同、按评价发动机性能的不同使用方面常用的性能指标：使用方面常用的性能指标：P Pe e, T, Ttqtq, b, be e结构设计方面常用的性能指标（强化程度结构设计方面常用的性能指标（强化程度指标）：指标）：P PL L m me e2 2、发动机铭牌或产品说明上注明的指标，、发动机铭牌或产品说明上注明的指标，都是在标定工况下的指标。都是在标定工况下的指标。3 3、动力性指标、动力性指标： P Pe e, T, Ttqtq ，P Pmeme，P

16、 PL L； 经济性指标经济性指标：b be e，etet，B B第三节第三节 机械效率机械效率重点掌握重点掌握: : 1 1、机械效率的定义和公式、机械效率的定义和公式2 2、影响影响机械效率的因素机械效率的因素 一、机械效率一、机械效率1.1.机械损失功率机械损失功率: :发动机机械损失所消耗的功率发动机机械损失所消耗的功率（P Pm m）2.2.平均机械损失压力平均机械损失压力: :单位气缸工作容积的机械损失功，单位气缸工作容积的机械损失功，P PmmmmP Pmimi-P-Pmeme . .机械效率：机械效率：指示功转变为有效功的程度。指示功转变为有效功的程度。itit、etet、m

17、m之间的关系之间的关系汽油机：汽油机：m m0.70.90.70.9；柴油机：；柴油机：m m0.70.850.70.85；增压柴油机：；增压柴油机：m0.80.92二、影响二、影响m m的因素的因素1 1转速转速n n负荷一定负荷一定=P Pmimi、P Pi i基本不变基本不变nn=摩擦损失摩擦损失 = =机械损失机械损失=P Pmmmm图图2-3 2-3 m m随转速的变化关系随转速的变化关系得得: : n,n,m m故用提高故用提高n n来增加发动机来增加发动机的动力性指标受到限制。的动力性指标受到限制。使用因素：转速、负荷、润滑油品质、水温等；使用因素：转速、负荷、润滑油品质、水温等

18、；结构设计因素：最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。结构设计因素：最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。2.2.负荷负荷负荷负荷=P Pmimi,P,Pmmmm近似不近似不变变 =m mP Pmmmm/P/Pmimi怠速工况怠速工况: : P Pe e0 0 P Pi iP Pm m, , m m=0=0 负荷定义负荷定义：发动机的转速变化时：发动机的转速变化时, ,作用在发动机曲轴上作用在发动机曲轴上的阻力矩。的阻力矩。 n n不变，不变，P Pe eTTtqtq，P Pe ePPmeme, ,故负荷可用故负荷可用P Pe e,P,Pmeme表示。表示。 负荷率：负荷率：Ttqtq/T

19、tqmaxtqmax100%3.3.润滑油粘度润滑油粘度 润滑油的粘度即机油的稠稀程度。润滑油的粘度即机油的稠稀程度。 粘度粘度=内部摩擦内部摩擦=机械损失机械损失 NiNi不变不变=m m 粘度粘度=PmmPmm=m m粘度过小粘度过小=机油的承载能力太低机油的承载能力太低=油膜破裂油膜破裂=发生干摩擦发生干摩擦=烧瓦烧瓦=PmmPmm=m m另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，导致机油粘度降低。导致机油粘度降低。4.4.冷却水温度冷却水温度 冷却水的温度直接冷却水的温度直接影响到润滑油的温度，影响到润滑油的温度，因而也就关系到润滑油因而也

20、就关系到润滑油粘度和摩擦损失的大小粘度和摩擦损失的大小 使用中，发动机的使用中，发动机的冷却水温度保持在冷却水温度保持在80809595范围内。范围内。图图2-5 2-5 P Pmmmm随润滑油温度变化的关系随润滑油温度变化的关系第四节第四节 内燃机的热平衡内燃机的热平衡发动机的热平衡：发动机的热平衡： 燃油燃烧所产生的燃油燃烧所产生的热量恒等于转变为热量恒等于转变为有效功与各项散失有效功与各项散失的热量之和。的热量之和。热平衡方程式热平衡方程式: : Q Qf f=Q=Qe e+Q+Qw w+Q+Qr r+Q+Qb b+Q+Qs sQ Qf f: :燃油完全燃烧的热量燃油完全燃烧的热量; ;

21、Q Qe e: :转变为有用功的热量转变为有用功的热量; ;（占（占25254040) )Q Qw w: :传给冷却介质的热量传给冷却介质的热量; ; （占（占1035)Q Qr r: :被废气带走的热量被废气带走的热量; ; （占（占2550)Q Qb b: :燃烧不完全热量损失燃烧不完全热量损失; ;Q Qs s: :其他热量损失其他热量损失; ;燃油完全燃烧的热量燃油完全燃烧的热量Q Qf fG GT Th hu u (kJ/h) (kJ/h)转变为有用功的热量转变为有用功的热量Q Qe e3.63.610103 3Ne Ne (kJ/h)(kJ/h)传给冷却介质的热量传给冷却介质的热量

22、Q Qw wG Gw wc cs s(t2-t1)(t2-t1) (kJ/h)(kJ/h)(Gw(Gw通过冷却介质的流量通过冷却介质的流量kg/hkg/h；cscs冷却介质的比热冷却介质的比热kJ/(kgkJ/(kg) )；t1t1、t2t2冷却介质入口、出口温度冷却介质入口、出口温度) )被废气带走的热量被废气带走的热量Q Qr r(G(GT T+G+Gk k)(c)(cprprt tr r-c-cpkpkt tk k) ) (kJ/h)(kJ/h)(G(GT T、G GK K每小时消耗的燃油和空气量每小时消耗的燃油和空气量kg/hkg/h；c cprpr、c cpkpk废气和空气废气和空气

23、的定压比热的定压比热kJ/(kgkJ/(kg) )；t tk k、t tr r进排气门处工质温度进排气门处工质温度) )燃烧不完全热量损失燃烧不完全热量损失Q Qb bQ Qf f(1-(1-r r) ) (kJ/h)(kJ/h)( (r r燃烧效率）燃烧效率）其他热量损失其他热量损失Q Qs sQ Qf f(Q(Qe eQ Qw wQ Qr rQ Qb b) ) (kJ/h)(kJ/h)燃料燃烧的总热量仅有转变为有燃料燃烧的总热量仅有转变为有效功，其余的热量损失掉。其中主效功，其余的热量损失掉。其中主要由废气带走，其次传给冷却水，在某些汽油机要由废气带走，其次传给冷却水，在某些汽油机中不完全

24、燃烧所占比例也不小。中不完全燃烧所占比例也不小。进气过程进气过程进气过程中，由于进气气流需克服进气系统的流进气过程中，由于进气气流需克服进气系统的流动阻力，动阻力，故进气终了的压力故进气终了的压力a a 大气温度大气温度0 0 （T Ta a=300380K=300380K）压缩过程压缩过程 1 1、作用：、作用： 增大工作过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高增大工作过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利条件。热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利条件。 在柴油机中，压缩后气体的高温是保证燃烧着火的必在柴油机中，压缩后气体的高温是保证燃烧着火的必要条件。

25、要条件。开始开始 吸热吸热 n n1 1KK 绝热绝热 n n1 1=K=K 后后 放热放热 n n1 1KK 2 2、压缩过程的多变指数、压缩过程的多变指数n n1 1是是变化的。变化的。 用一平均压缩多变指数用一平均压缩多变指数n n1 1代替代替n n1 1，使计算的始点使计算的始点a a和终点和终点c c的工质状态的工质状态与实际循环的初、终状态相等。与实际循环的初、终状态相等。n n1 1的范围：的范围：汽油机：汽油机：n n1 1=1.3=1.32-1.382-1.38柴油机：柴油机：n n1 1=1.38-1.42=1.38-1.42* * n n1 1越大，热损失越大，热损失越

26、小。越小。* * n n1 1主要决受工质主要决受工质与气缸壁的传热及与气缸壁的传热及泄漏的影响。泄漏的影响。3 3、转速与负荷对、转速与负荷对n1n1的影响的影响 转速增加，工质向缸壁传热时间短，且工质泄漏减少，转速增加，工质向缸壁传热时间短，且工质泄漏减少，则则n1n1增大；增大； 负荷增加，工质温度增高，相对传热和泄漏减少，则负荷增加，工质温度增高，相对传热和泄漏减少，则n1n1增大。增大。 4.4. 压缩终点的压力压缩终点的压力 P Pc c=P=Pa a n1n1 kPa kPa 压缩终点的温度压缩终点的温度 T Tc c= T= Ta a n1-1n1-1 k k5 5、压缩比的影

27、响及范围压缩比的影响及范围 汽油机中汽油机中, ,为提高热效率为提高热效率, ,希望提高压缩比希望提高压缩比, ,但受到不但受到不正常燃烧的限制；柴油机中正常燃烧的限制；柴油机中, ,为保证喷入气缸的燃料能为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及冷启动时可靠着火及时自燃以及冷启动时可靠着火, ,需选取较高的压缩比。需选取较高的压缩比。 汽油机：汽油机： =6-9=6-9 柴油机：柴油机： =14-21=14-21燃烧过程燃烧过程作用：作用：将燃料的化学能转变为热能，放出大量的热量，使将燃料的化学能转变为热能，放出大量的热量，使工质的压力和温度升高。工质的压力和温度升高。*燃烧越完全，放热量越多燃烧越完全，放热量越多 *放热量越多，放热越靠近上止点，则热效率越高。放热量越多，放热越靠近上止点，则热效率越高。* 燃烧的最高压力和温度范围：燃烧的