发动机原理-第二章_工作循环与性能

1、发动机原理讲授内容讲授内容：第二章：第二章 发动机发动机工作循环及性能指标工作循环及性能指标主主 讲讲 人人：邓晓亭：邓晓亭 讲师讲师Email：电 话二章第二章 发动机工作循环及发动机工作循环及性能指标性能指标重点掌握重点掌握: : 1 1、示功图分析法示功图分析法、发动机性能指标的定义、意义发动机性能指标的定义、意义和单位；和单位；、机械效率及其影响因素。、机械效率及其影响因素。第一节第一节 内燃机的理想循环内燃机的理想循环要求掌握：要求掌握： 1 1、车用发动机的理想循环各是什么；、车用发动机的理想循环各是什么； 2 2、理想循环各由哪些过程组成；、理想循环各由

2、哪些过程组成； 3 3、影响理想循环热效率的因素；、影响理想循环热效率的因素； 4 4、车用发动机理想循环的比较。、车用发动机理想循环的比较。 为便于分析内燃机的实际工作过程，将内燃机的某为便于分析内燃机的实际工作过程，将内燃机的某个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆过程，这样得到的一个闭合循环，称为过程，这样得到的一个闭合循环，称为理想循环理想循环。1 1、研究理论循环的目的、研究理论循环的目的: : 1)1)确定循环热效率的理论极限确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机经济，以判断实际发动机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜

3、力。性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。2)2)分析比较发动机分析比较发动机不同热力循环方式不同热力循环方式的经济性和动力性。的经济性和动力性。3)3)确定提高以确定提高以理论循环热效率理论循环热效率为代表的经济性和以为代表的经济性和以平均平均压力压力为代表的动力性的基本途径。为代表的动力性的基本途径。第一节第一节 内燃机的理想循环内燃机的理想循环2 2、理想化、理想化第一节第一节 内燃机的理想循环内燃机的理想循环理想循环所采取的简化假定：理想循环所采取的简化假定：1 1 假定工质为假定工质为定比热容定比热容的的理想气体理想气体；2 2 不计吸气和排气过程（工质的总质量保持不变），不计吸气

4、和排气过程（工质的总质量保持不变），假设工质是在假设工质是在闭口系统闭口系统中作封闭循环；中作封闭循环；3 3 压缩、膨胀过程简化为压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程绝热等熵过程；4 4 把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，简化简化为为等容加热过程等容加热过程或或等压加热过程等压加热过程；5 5 排气排气中的实际放热过程中的实际放热过程简化为简化为等容放热过程等容放热过程；6 6 忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为可逆可逆过程过程，即假设循环过程为，即假设循环过程为可逆循环可逆循环。3 3、实际循环及理想化、实际循

5、环及理想化实际工作过程：实际工作过程：进气、压缩、燃烧、膨胀、排气进气、压缩、燃烧、膨胀、排气第一节第一节 内燃机的理想循环内燃机的理想循环1 1）汽油机的理想循环：）汽油机的理想循环：汽油机汽油机燃烧迅速燃烧迅速温度和压力温度和压力增长快速增长快速 等容加热循环等容加热循环2 2）低速柴油机的理想循环：）低速柴油机的理想循环：低速柴油机低速柴油机燃烧压力限制燃烧压力限制压压力一定力一定 等压加热循环等压加热循环3 3）高速柴油机的理想循环：）高速柴油机的理想循环：高速柴油机高速柴油机先定容再定压先定容再定压 混合加热循环混合加热循环4 4、汽油机的理想循环、汽油机的理想循环1-21-2的压缩

6、过程的压缩过程绝热压缩；绝热压缩；2-32-3的燃烧过程的燃烧过程等容加热；等容加热；3-43-4的膨胀过程的膨胀过程绝热膨胀；绝热膨胀；4-14-1的排气过程的排气过程等容放热。等容放热。等容加热循环的热效率：等容加热循环的热效率：=V1/V2V1/V2-压缩比；压缩比；k-绝热指数。绝热指数。-等容加热循环等容加热循环Q2Q1111tvk 15 5、低速柴油机的理想循环、低速柴油机的理想循环-等压加热循环等压加热循环1-21-2的压缩过程的压缩过程绝热压缩；绝热压缩；2-32-3的燃烧过程的燃烧过程等压加热；等压加热；3-43-4的膨胀过程的膨胀过程绝热膨胀；绝热膨胀；4-14-1的排气过

7、程的排气过程等容放热。等容放热。等压加热循环的热效率：等压加热循环的热效率：k-1k-111(1)tpk=V3/V2 预膨胀比预膨胀比Q2Q116 6、车用柴油机的理想循环、车用柴油机的理想循环 -混合加热循环混合加热循环混合加热循环的热效率混合加热循环的热效率:1-21-2的压缩过程的压缩过程绝热压缩；绝热压缩；2-32-3的燃烧过程的燃烧过程等容加热；等容加热；3-43-4的燃烧过程的燃烧过程等压加热等压加热；4-54-5的膨胀过程的膨胀过程绝热膨胀；绝热膨胀；5-15-1的排气过程的排气过程等容放热。等容放热。11111ktmkk =V=V1 1/V/V2 2-压缩比压缩比,=P,=P3

8、 3/P/P2 2 - -压力升高比，压力升高比，=V=V4 4/V/V3 3 - -预胀比，预胀比，k-k-绝热指数绝热指数.Q1Q1111tv 1111(1)tp 1111(1)(1)tm 循环名称循环名称循环热效率循环热效率循环特点循环特点等容加等容加热循环热循环 加热过程在等容条件下很快加热过程在等容条件下很快完成，热效率仅与压缩比有完成，热效率仅与压缩比有关关等压加等压加热循环热循环 加热过程在等压条件下缓慢加热过程在等压条件下缓慢完成，负荷的增加使得热效完成，负荷的增加使得热效率下降率下降混合加混合加热循环热循环介于上述两者之间介于上述两者之间三种理论循环的比较三种理论循环的比较二

9、、影响内燃机理想循环的主要因素二、影响内燃机理想循环的主要因素 分析循环的主要目的是找出影响循环热分析循环的主要目的是找出影响循环热效率的因素，找到提高热效率的途径。效率的因素，找到提高热效率的途径。常用的方法有：常用的方法有： 1 1、解析法：、解析法： 从循环热效率的公式出发进行分析。从循环热效率的公式出发进行分析。2 2、图示法：、图示法： 由由P PV V图、图、T TS S图入手分析。图入手分析。1 1、压缩比的影响、压缩比的影响 压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。由由热效率的公式热效率的公式： ,提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温

10、度，扩提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大了循环温差和膨胀比大了循环温差和膨胀比, tt 。当压缩比较小时，热当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比显著增大；当压缩比较大时，热效率随压较大时，热效率随压缩比的增加增大较少。缩比的增加增大较少。由试验曲线看出由试验曲线看出:2 2、k k的影响的影响 由公式看出，由公式看出， kkt t（混合气较稀（混合气较稀,k,k较大）较大）k k取决于工质的性质，双原子气体为取决于工质的性质，双原子气体为1.41.4；多原子；多原子( (排气成分排气成分) )为为1.331.33；多原子（混合气）；多原子（混合

11、气）1.32-1.41.32-1.4。柴油机热效率高的四柴油机热效率高的四个要素：个要素：压缩比高；压缩比高；混合气绝热指数高；混合气绝热指数高；泵气损失小；泵气损失小；燃烧完全燃烧完全3 3、的影响的影响 ( (1) 1) 对定容加热循环，对定容加热循环，t t不变不变 当当一定时，要使一定时，要使，必须增加加热量，必须增加加热量Q1Q1，由于定容加热和，由于定容加热和定容放热两个过程斜率相同，定容放热两个过程斜率相同， Q2/Q1不变不变。其对效率没有改善，。其对效率没有改善，但动力性能改善了，循环平均压力但动力性能改善了，循环平均压力PtPt增大了。增大了。(2) (2) 对混合加热循环

12、，对混合加热循环，t tQ1Q1不变，不变，值增大（值增大（Q1vQ1v）则）则相对的减少了相对的减少了Q1pQ1p所占的比例，即所占的比例，即，而，而Q2Q2减少，使整个循环的热减少，使整个循环的热效率会增大。效率会增大。但但Tz PzTz Pz，零件的热，零件的热负荷和机械负荷负荷和机械负荷，受零件耐温和，受零件耐温和强度限制强度限制不能过高。不能过高。4 4、的影响的影响 （1 1）对等压加热循环，）对等压加热循环，t t。( ( Q2) （2 2）对混合加热循环，）对混合加热循环， Q2 Q2 t t 从理论循环的分析可知，提高压缩比从理论循环的分析可知，提高压缩比和和压力升高比压力升

13、高比对提高循环热效率对提高循环热效率T起着有利的起着有利的作用，但发动机实际工作条件作用，但发动机实际工作条件约束和限制约束和限制循循环热效率提高。环热效率提高。1)零件的强度和可靠性的限制零件的强度和可靠性的限制; 2)机械效率的限制机械效率的限制;3)燃烧方面的限制。燃烧方面的限制。比较图中各循环加热过比较图中各循环加热过程所对应的面积，程所对应的面积，得出：得出：Q Q2p 2p QQ2m2mQQ2v2v所以：所以：tvtvtmtmtptp三、活塞式内燃机理想循环的比较三、活塞式内燃机理想循环的比较1 1、在等压缩比、在等压缩比 、等加热量、等加热量Q1条件下条件下等容加热循环热效率最高

14、，等容加热循环热效率最高，而等压加热循环的均最低。而等压加热循环的均最低。欲提高混合加热循环的热效欲提高混合加热循环的热效率率 ，应增加混合加热循环的等，应增加混合加热循环的等容部分。容部分。2 2、在等加热量、在等加热量Q1、循环最高压力、循环最高压力Pz相等相等条件下条件下比较图中各循环加热过比较图中各循环加热过程所对应的面积，程所对应的面积，得出：得出：Q Q2v2vQQ2m2mQQ2p 2p 所以：所以：tptptmtmtvtv理论上说明，柴油机的理论上说明，柴油机的热效率要高于汽油机的热效率要高于汽油机的热效率。热效率。3 3、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下、在循环的最高温度

15、、最高压力相同的条件下在在T-ST-S图上比较三种循图上比较三种循环的加热量和放热量，环的加热量和放热量，可以看出：可以看出： 放热量放热量q q2 2都相同，而都相同，而加热量为：加热量为： Q1pQ1mQ1v所以：所以：tptmtv 实际内燃机中，由实际内燃机中，由于压缩比选取的不同，于压缩比选取的不同，有：有：tmtm tptptvtv第二节第二节 发动机的实际循环发动机的实际循环 发动机的实际循环是由进气、压缩、燃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。实际循环烧、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。比理论循环复杂的多。 通常用气缸内的工质通常

16、用气缸内的工质压力压力随随气缸工作气缸工作容积或曲轴转角容积或曲轴转角 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- - 示功图示功图。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四行程发动机示功图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 Vh h- -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r五个工作过程五个工

17、作过程1 1、进气过程、进气过程2 2、压缩过程、压缩过程3 3、燃烧过程、燃烧过程4 4、膨胀过程、膨胀过程5 5、排气过程、排气过程r发动机实际循环与理论循环的比较发动机实际循环与理论循环的比较1、实际工质的影响、实际工质的影响实际工质影响引起的损失：实际工质影响引起的损失：Wk2、换气损失、换气损失泵气损失：泵气损失： Wr提前排气损失：提前排气损失：W3、燃烧损失、燃烧损失非瞬时燃烧损失非瞬时燃烧损失和补燃损失：和补燃损失：Wz不完全燃烧损失不完全燃烧损失高温热分解损失高温热分解损失4、传热损失、传热损失传热、流动损失传热、流动损失Wb5、缸内流动损失、缸内流动损失 Wk 实际工质影响

18、引起的损失；实际工质影响引起的损失； Wz 非瞬时燃非瞬时燃烧损失和补燃损失；烧损失和补燃损失； Wr换气损失；换气损失； Wb 传热传热流动损失；流动损失；W提前排气损失提前排气损失发动机实际循环与理论循环的比较发动机实际循环与理论循环的比较1、实际工质的影响、实际工质的影响 Wk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比热比热C工质性质工质性质 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。2、换气损失、换气损失 Wr + W 理论上理论上: 忽略进、排气过程忽

19、略进、排气过程 实际上实际上: 进、排气门提前开启，迟后关进、排气门提前开启，迟后关闭，且有流动阻力。闭，且有流动阻力。泵气损失泵气损失：换气损失中逆向循环所包：换气损失中逆向循环所包围的面积。围的面积。提前排气损失：提前排气损失：排气门在下止点排气门在下止点前提前开启而产生的损失。前提前开启而产生的损失。3、燃烧损失、燃烧损失补燃损失补燃损失 理论上理论上: 加热瞬间停止，膨胀过加热瞬间停止，膨胀过程无加热。程无加热。 实际上实际上: 虽大部分虽大部分(80%以上以上)燃燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部分燃料会拖到膨胀线上才燃小部分燃料会拖到膨胀线上才燃烧，做功

20、效果变差，热效率下降。烧，做功效果变差，热效率下降。不完全燃烧损失不完全燃烧损失 实际循环中有部分燃料、空气混实际循环中有部分燃料、空气混合不良，部分燃料由于缺氧产生不合不良，部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失。完全燃烧损失。4、传热损失、传热损失 Wb 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: 大量热量通过汽缸壁传给冷大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。却水或空气。传热损失传热损失是发动机中的最大损失，是发动机中的最大损失，占总损失量的占总损失量的30%以上。因此，许多以上。因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。研究者致力于开发绝热发动机。5、缸内流动

21、损失缸内流动损失 理论上理论上: 闭口系统，没有气体流动损闭口系统，没有气体流动损失。失。 实际上实际上: 进、排气节流沿程损失，缸进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。内进气、挤压、燃烧涡流损失。发动机实际循环与理论循环的比较发动机实际循环与理论循环的比较 3、燃烧损失、燃烧损失高温热分解损失高温热分解损失例例C+OCO +热量热量 +OCO2+热量热量 其中其中 CO 为中间产物，为中间产物，CO2 为最为最终产物。若遇高温，则会发生复分解终产物。若遇高温，则会发生复分解反应，即高温分解反应，即高温分解: CO2CO+O-热量热量 这部分热量虽然在膨胀过程中还这部分热量虽然在

22、膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近可能会释放出来，但由于活塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。下止点，做功效果变差，热效率下降。 减少各项损失，提高实际循环热效率，改善发动机性能，减少各项损失，提高实际循环热效率，改善发动机性能，是研究发动机循环的目的。结论：是研究发动机循环的目的。结论：1）汽油机的理论循环热效率低于柴油机的；）汽油机的理论循环热效率低于柴油机的；2）实际工质比热容变化引起的损失占较大的比例；）实际工质比热容变化引起的损失占较大的比例；3）对于汽油机，不完全燃烧损失主要是由于采用浓混合气）对于汽油机，不完全燃烧损失主要是由于采用浓混合气造成的，所以采用造成的，

23、所以采用稀混合气稀混合气是汽油机减少损失的途径之一。是汽油机减少损失的途径之一。对于柴油机，不完全燃烧主要是对于柴油机，不完全燃烧主要是混合气形成及燃烧组织不完混合气形成及燃烧组织不完善善引起的，是柴油机应改善之处。引起的，是柴油机应改善之处。发动机理论循环热效率和实际循环指示热效率值的范围：发动机理论循环热效率和实际循环指示热效率值的范围：理论循环热效率：理论循环热效率： 0.54-0.58 0.64-0.67实际循环指示热效率：实际循环指示热效率： 0.30-0.40 0.40-0.45 汽油机汽油机 柴油机柴油机第二节第二节 内燃机的性能指标内燃机的性能指标内燃机的性能指标包括：内燃机的

24、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

25、- -循环指示功循环指示功,F1,F1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,F2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。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相当于相当于Fi=F1-F2代表的功）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、指示功（或循环指示功）：、指示功（或循环指示功）：21FFFi21FFFi 指示功指

26、示功反映了发动机在一个工作循环中获得的有用功反映了发动机在一个工作循环中获得的有用功数量，它除了与循环中热功转换的有效程度有关外，还与数量，它除了与循环中热功转换的有效程度有关外，还与气缸容积大小有关。气缸容积大小有关。1 1）定义：）定义：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。 p pmimi=W=Wi i/V/Vh h (kpa)(kpa) W Wi i=p=pmimiV Vh h =(p=(pmimiDD2 2h)/4h)/4 D D和和h h分别为气缸直径和活塞行程。分别为气缸直径和活塞行程。2 2）单位：）单位：W Wi i（J J），），V

27、 Vh h（L L），），p pmimi（kpakpa）3 3）p pmimi ，W Wi 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=700-1430kpa =700-1430kpa 柴油机柴油机: :p pmimi=600-1100kpa=600-1100kpa增压柴油机增压柴油机: :p pmimi=850-2600kpa=850-2600kpa2 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

28、mi 平均指示压力平均指示压力（kpa)kpa)； n n 转数，转数，r/minr/min； 行程数；行程数；V Vh h（L L）汽缸工作容积。汽缸工作容积。当当时：时：W Wi i，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。32106030mihiip V innPW i 310120mihip V inPkWkWmiiPW t （N/s）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表示。表示。 b bi

29、 i（10001000B/PB/Pi i）g/(kwg/(kwh)h) 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 指示功率，指示功率，kWkW。b bi i经济性指标。经济性指标。四、指示热效率四、指示热效率 i定义：定义：实际循环指示功实际循环指示功W Wi i与所用燃油的发热与所用燃油的发热量量Q Q1 1之比值之比值, ,用用i i表示表示。 P Pi i 指示功率指示功率kWkW； H Hu u 燃料低热值燃料低热值kJ/kgkJ/kg； B B 每小时的燃油消耗量每小时的燃油消耗量kg/hkg/h； b bi i g/(kWh)g/(kWh)可以

30、看出：可以看出：i i11b bi i标定工况下，标定工况下，i i，b bi i的大致范围：的大致范围： b bi i i i汽油机：汽油机： 2 21515340 0.25340 0.250.0.4040柴油机：柴油机： 170 1702 210 0.4010 0.400.500.506136003.6 10iiiuiuWPQB HbH内燃机的有效指标内燃机的有效指标一、有效功一、有效功W We e和有效功和有效功率率P Pe e1 1、有效功、有效功W We e 发动机每循环曲轴输发动机每循环曲轴输出的单缸功量出的单缸功量W We e, ,也称为也称为循环有效功循环有效功。 We=Wi-

31、Wm2.2.机械损失功机械损失功W Wm m: :因机械损失所消耗的功。因机械损失所消耗的功。3.3.机械损失：机械损失：摩擦损失：摩擦损失： 活塞环与缸壁间，各轴活塞环与缸壁间，各轴承与轴颈间，气门传动机构承与轴颈间，气门传动机构的摩擦。占总损失的的摩擦。占总损失的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%。4.4.机械损失功率机械损失功率P Pm m: :因机械损失所消耗的功率。因机械损失所消耗的功率。5 5有效功率有效功率P Pe e: :曲轴对外输出的功率。曲轴对外输出的功率。 P Pe

32、eP Pi i-P-Pm m二、有效扭矩（转矩）二、有效扭矩（转矩）T Ttqtq是发动机工作时曲轴输出的平均扭矩，代表了是发动机工作时曲轴输出的平均扭矩，代表了发动机克服负荷的能力。发动机克服负荷的能力。有效功率：有效功率：320.104710601000=kW9550tqetqtqTnPTnTn P Pe e：有效功率有效功率 kWkW； Ttq：有效扭矩有效扭矩 N Nmm；n n：转速转速 r/minr/min。三、平均有效压力三、平均有效压力p pmeme1.1.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和强化程度的重要指标。是评价发

33、动机动力性和强化程度的重要指标。2.2.与与P Pe e的关系：的关系： 31030mehepVn iP p pmeme平均有效压力平均有效压力kpakpa，V Vh h 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 4，310120mehepVn iP 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p pmeme与扭矩与扭矩T Ttqtq成正比。成正比。3.14tqmehTpVi汽油机汽油机: p pme me =650-1250kpa ；柴油机；柴油机: p pme me =700-1000kpa；增压柴油机：增压柴油机：p pme me

34、 =900-2200kpa。30mhnC （ms）式中式中， h为活塞行程为活塞行程(m) n为发动机转速为发动机转速(r/min) 四、四、转速转速n n和活塞平均速度和活塞平均速度C Cm m 提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，从而使发动提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大。机体积小、重量轻和功率大。 转速增大，活塞平均速度也增大，转速增大，活塞平均速度也增大，其之间的关系为：其之间的关系为： 转速转速n n、活塞平均速度、活塞平均速度Cm和行程缸径比和行程缸径比(h/D)(h/D) n n Cm h/Dh/D小客车汽油机小客车汽油机 500

35、0-80005000-8000 12-18 0.7-1.0 12-18 0.7-1.0 载货车汽油机载货车汽油机 3600-4500 10-15 0.8-1.23600-4500 10-15 0.8-1.2汽车柴油机汽车柴油机 2000-5000 9-15 0.75-1.22000-5000 9-15 0.75-1.2增压柴油机增压柴油机 1500-4000 8-12 0.9-1.31500-4000 8-12 0.9-1.3五、升功率五、升功率P PL L、比质量、比质量m me e和强化系数和强化系数 升功率升功率P PL L：发动机每升工作容积发出的有效功发动机每升工作容积发出的有效功率

36、。率。 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，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。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。 比质量：比质量： 发动机的净质量发动机的净质量m m与所发出功率与所发出功率PePe的比值。的比值。 m me e m/Pm/Pe e kg/kW kg/kW 表征质量利用程度和结构紧凑性。表征质量利用程度和结构紧凑性。 升功率和比质量都是发动机的强化程度指标。升功率和比质量都是发动机的强化程度指标。 越大，内燃机的热负荷和机械负荷越高。越大，内燃机的热负荷和机械

37、负荷越高。331010kW3030emehmeLhhPpVn ipnPi Vi V /L五、升功率五、升功率P PL L、比质量、比质量m me e和强化系数和强化系数 升功率升功率P PL L和比质量和比质量m me e的范围的范围 P PL L m me e汽油机汽油机 25-65 1.1-4.0 25-65 1.1-4.0 车用柴油机车用柴油机 20-40 2.5-9.020-40 2.5-9.0农用柴油机农用柴油机 8-15 5.5-168-15 5.5-163 3、强化系数、强化系数p pmemeC Cm m平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为强化

38、系数强化系数。与与活塞单位面积的功率活塞单位面积的功率成正比。其值愈大，发动机的热成正比。其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。负荷和机械负荷愈高。 发动机的类型发动机的类型强化系数强化系数汽油机汽油机 （817）MPams小型高速柴油机小型高速柴油机（611）MPams重型汽车柴油机重型汽车柴油机（915）MPams强化系数范围强化系数范围 六、有效燃油消耗率和有效热效率六、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b be e : : 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

39、量每小时的油耗量, ,kg/hkg/h P Pe e: :有效功率有效功率 kWkW有效热效率有效热效率e ：发动机的有效功发动机的有效功W We e与所消耗的燃油发与所消耗的燃油发出的热量出的热量Q Q1 1的比值。的比值。 eWe/Q13.6/ (be Hu)106Wim/Q1im H Hu u: :燃料的低热值燃料的低热值kJ/kgkJ/kg b be e、e e是发动机的经济性能指标。是发动机的经济性能指标。 标定工况下，标定工况下，e e，b be e的大致范围：的大致范围： b be e e e汽油机：汽油机： 270270340 0.25340 0.250.0.3030柴油机：柴

40、油机： 1 19 90 02 285 0.3085 0.300.0.4545 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（强化程度指结构设计方面常用的性能指标（强化程度指标）标）: : p pme me ，P PL L，m me e2 2、发动机铭牌或产品说明上注明的指标，都、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。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, Ttq tq ，p pmeme 经济性

41、指标：经济性指标：b be e，e e 强化性指标：强化性指标：P PL L , m, me e第三节第三节 机械效率机械效率 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 m2.2.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 pmmmmp pmimi-p-pme me （衡量机械损失的大小）（衡量机械损失的大小）3me1030mmhmmmmimiepVi nPpppPPP . .机械效率：机械效率：指示功转变为有效功指示功转变为有效功的程度

42、。的程度。11emmemmmiimimieimPPppPPppPP 4.4.i i、e e、m m之间的关系之间的关系11eeemiiieimPQPQ 汽油机：汽油机：m m0.80.90.80.9；柴油机：；柴油机：m m0.780.850.780.85；增压柴油机：增压柴油机：m0.80.921、示功图法、示功图法2、倒拖法、倒拖法3、灭缸法、灭缸法4、油耗线法、油耗线法二、机械损失的测定二、机械损失的测定1 1、示功图法、示功图法: : 运用运用燃烧分析仪燃烧分析仪测录气缸的测录气缸的示功图示功图，从中算出，从中算出Pi值，值， 从测功器和转速计读数中测出发动机的从测功器和转速计读数中测

43、出发动机的转矩和转速转矩和转速，进而通，进而通过计算得到过计算得到有效功率有效功率Pe，从而可以算出，从而可以算出Pm，m及及pmm值。值。示功图法一般用于当示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正上止点位置能得到精确校正时才能取得时才能取得较满意的结果。较满意的结果。决定于示功图测录的正确程度：决定于示功图测录的正确程度： a.最大的误差来源于最大的误差来源于p图或图或pV图上图上； b.2 2、倒拖法只能在、倒拖法只能在电力测功机电力测功机上试验上试验试验时，发动机与电力测功器相连，当发动机以试验时，发动机与电力测功器相连，当发动机以给定工况稳定运行，给定工况稳定运行，冷却水、机油温度到

44、达正常冷却水、机油温度到达正常数值数值；切断对发动机的供油或停止点火，同时将电力测切断对发动机的供油或停止点火，同时将电力测功器转换为功器转换为电动机电动机，以给定转速倒拖发动机，并，以给定转速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油温度不变；且维持冷却水和机油温度不变；这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。械损失功率。2 2、倒拖法只能在、倒拖法只能在电力测功机电力测功机上试验上试验 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、压力低、摩擦损失小没有燃烧、压力低、摩擦损失小由于传热、压缩线和膨胀线不重合而做负功（

45、由由于传热、压缩线和膨胀线不重合而做负功（由于缸内压力、温度与实际不符，导致测量结果偏于缸内压力、温度与实际不符，导致测量结果偏大）大）由于强制排气，引起泵气损失增加由于强制排气，引起泵气损失增加不可用于增压发动机不可用于增压发动机3. 3. 灭缸法灭缸法（单缸熄火法、断缸法（单缸熄火法、断缸法）仅适用于多缸机仅适用于多缸机z 发动机调整到给定工况稳定运转后发动机调整到给定工况稳定运转后，先，先测出整个测出整个发动机发动机的有效功率的有效功率。z 在在柴油机油门拉杆柴油机油门拉杆或齿条或齿条位置、或汽油机节气门开度固位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下定不动的情况下，停止，停止向某一汽缸供

46、油或点火向某一汽缸供油或点火。z 调整调整测功机，使测功机，使发动机恢复发动机恢复到原来的转速，重新测定有到原来的转速，重新测定有效功率（其余五个效功率（其余五个汽缸汽缸的有效功率），的有效功率），必然要小些（必然要小些（一缸一缸熄火），两者之熄火），两者之差即差即为为灭掉缸的指示功率灭掉缸的指示功率。z 逐次逐次灭缸，则整台发动机灭缸，则整台发动机的指示功率为各的指示功率为各缸相加。缸相加。z如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率(Pi)x：( )()ix

47、eexPPP依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率的总和依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率的总和中求得整台发功机的指示功率中求得整台发功机的指示功率Pi：1()iieexxPPP3. 3. 灭缸法灭缸法（单缸熄火法、断缸法（单缸熄火法、断缸法） 缺点：缺点：z对汽油机，由于停缸会使进气情况发生改变，往往对汽油机，由于停缸会使进气情况发生改变，往往得不到正确的结果。得不到正确的结果。z不能用于废气涡轮增压发动机（增压状态改变）。不能用于废气涡轮增压发动机（增压状态改变）。z不可用于单缸机。不可用于单缸机。3. 3. 灭缸法灭缸法（单缸熄火法、断缸法（单缸熄火法、断缸法）4. 4. 油耗线法（

48、负荷特性法）油耗线法（负荷特性法）前提条件：前提条件：当当n一定时，指示一定时，指示热效率不变，机械损失功率热效率不变，机械损失功率Pm不随负荷变化。不随负荷变化。3331000r/min3.6 103.6 10 ()3.6 10PAAuiiemiAuitmemmemmAAmmmABB HPPPB HPPppBBPp以为例，设测得 点的燃油消耗量当柴油机空转（无负荷），若不随负荷增减而变化时，两式相除，得：缺点：缺点：适用于柴油机，不适用于柴油机，不适用于汽油机。适用于汽油机。三、影响三、影响m m的因素的因素1 1转速转速n n或活塞平均速度或活塞平均速度C Cm m负荷一定负荷一定=p p

49、mimi、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 m m随转速的变化关系随转速的变化关系11emmemmmiimimiPPppPPpp 得得: : n,n,m m故用提高故用提高n n来增加发动机的动来增加发动机的动力性指标受到限制。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；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.负荷负荷柴油机：柴油机：n n不变，泵气损失基本不变，不变，泵气损失基本不变， 驱动附件损失基本

50、不变，驱动附件损失基本不变， 摩擦损失基本不变，摩擦损失基本不变，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：T Ttqtq/T/Ttqmaxtqmax100%,100%,负荷负荷=P Pi i ,P,Pm m近似不变近似不变=m mP Pm m/P/Pi i 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, ,作用在发动机曲轴作用在发动机曲轴上的阻力矩。上的阻力矩。2.2.负荷负荷汽油机，量调节，汽油

51、机，量调节，n n不变不变负荷负荷=油门开大油门开大=泵气损失泵气损失 = P Pz z = =摩擦损失摩擦损失负荷负荷 = = P Pi i= = P Pm m基本不变基本不变= m mP Pm m/P/Pi i 怠速工况怠速工况: : P Pe e0 0 P Pi iP Pm m, , m m=0 =0 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=承载能力承载能力=机械损失机械损失 PiPi不变不变=m m 粘度粘度=p pmmmm=m m 粘度粘度=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=发发生干

52、摩擦生干摩擦=烧瓦烧瓦= p pmm mm =m m 另外，机油粘度还与其另外，机油粘度还与其温度温度有关。机油温度升高，导有关。机油温度升高，导致机油粘度降低。致机油粘度降低。3.3.润滑油粘度润滑油粘度 润滑油粘度选择的基本原则：润滑油粘度选择的基本原则：z 在保证发动机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量在保证发动机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量选用选用粘度较小粘度较小的机油，以减小摩擦损失，改善启动性能。的机油，以减小摩擦损失，改善启动性能。z 发动机强化程度高、轴承负荷大时，选用发动机强化程度高、轴承负荷大时，选用粘度较大粘度较大的机油。的机油。z 转速高、配合间隙小时，要

53、求机油的流动性好，选用转速高、配合间隙小时，要求机油的流动性好，选用粘度粘度小小的机油。的机油。z 长期使用后，轴承间隙变大后改用长期使用后，轴承间隙变大后改用粘度较高粘度较高的机油。的机油。z 拖拉机用发动机经常在较高负荷下工作，选用粘度高的机拖拉机用发动机经常在较高负荷下工作，选用粘度高的机油。车用发动机可选用粘度较低的机油。油。车用发动机可选用粘度较低的机油。4.4.冷却水温度冷却水温度 冷却水的温度直接影冷却水的温度直接影响到响到润滑油的温度润滑油的温度，因而，因而也就关系到润滑油粘度和也就关系到润滑油粘度和摩擦损失的大小。摩擦损失的大小。 使用中，发动机的冷使用中，发动机的冷却水温度

54、保持在却水温度保持在80809595范围内。范围内。p pmmmm随冷却水温度变化的关系随冷却水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一、发动机的热平衡：一、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 QT T=Q=QE E+Q+QS S+Q+QR R+Q+QB B+Q+QL LQ QT T: :燃油完全燃烧的热量燃油完全燃烧的热量; ;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 QS S: :传给

55、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 QL L: :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 QT TBHBHu 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 3P Pe e (kJ/h)(kJ/h)传给冷却介质的热量传给冷却介质的热量Q QS SG GS Sc cs s(t(t2 2-t-t1 1) ) (kJ/h)(kJ/h)( (G GS S通过冷

56、却介质的流量通过冷却介质的流量kg/hkg/h；c cs s冷却介质的比热冷却介质的比热kJ/(kgkJ/(kg) )；t t1 1、t t2 2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(B+G(B+Gk k)(c)(cprprt tr r-c-cpkpkt tk k) (kJ/h) (kJ/h)(B(B、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

57、温度) )燃烧不完全热量损失燃烧不完全热量损失Q QB BQ QT T(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 QL LQ QT T(Q(QE EQ QS SQ QR RQ QB B) ) (kJ/h)(kJ/h)a a从残余废气和排从残余废气和排气中回收的热量气中回收的热量 b b由气缸壁传给进由气缸壁传给进气的热量气的热量 c c排出废气传给冷排出废气传给冷却水的热量却水的热量 d d在摩擦中传给冷在摩擦中传给冷却水的部分热量却水的部分热量 e e从排气系统辐射从排气系统辐射的热量的热量 f f从冷却水和水套从冷却水和水套

58、壁辐射的热量壁辐射的热量 g g从曲轴箱壁和其从曲轴箱壁和其它不冷却部分辐射的它不冷却部分辐射的热量热量 燃料燃烧的总热量仅有燃料燃烧的总热量仅有2540转变为有效功，其余转变为有效功，其余60%75的热量损失掉。其中主要由废气带走，其次传给冷的热量损失掉。其中主要由废气带走，其次传给冷却水，在某些汽油机中不完全燃烧所占比例也不小。却水，在某些汽油机中不完全燃烧所占比例也不小。 冷却水带走的热量占总热量的冷却水带走的热量占总热量的1035，其中一部分是，其中一部分是排气道中废气传给冷却水的热，一部分是由摩擦产生的热，真排气道中废气传给冷却水的热，一部分是由摩擦产生的热，真正由燃烧、膨胀过程散出

59、的热大约占冷却损失的正由燃烧、膨胀过程散出的热大约占冷却损失的15 %。 废气带走的热量占总热量的废气带走的热量占总热量的2550。废气涡轮增压是。废气涡轮增压是回收这部分热量的一种方式，由表可见，其有效热效率最高。回收这部分热量的一种方式，由表可见，其有效热效率最高。型型 式式qeqsqrqbql汽油机汽油机252530301212272730305050O O45453 31010柴油机柴油机303040401515353525254545O O5 52 25 5增压柴油机增压柴油机3535454510102525252540400 05 52 25 5热平衡中各项数值范围热平衡中各项数值

60、范围 二、发动机的能量分配与合理利用二、发动机的能量分配与合理利用 发动机的有效动力输出一般只占燃料总能量的发动机的有效动力输出一般只占燃料总能量的1/3，另有，另有2/3的能量的能量散失在机外。因此，发动机能量的合理利用包括两方面的意思，即进一散失在机外。因此，发动机能量的合理利用包括两方面的意思，即进一步提高有效效率步提高有效效率和机外散失能量的再利用。和机外散失能量的再利用。 三、提高发动机性能的有效途径三、提高发动机性能的有效途径(1)超膨胀发动机循环超膨胀发动机循环 Atkinson超膨超膨胀发动机循环胀发动机循环 Mill(米勒米勒)循环循环(2)(2)汽油机向稀燃和缸内直喷的发展