《汽车发动机原理》吴建华主编第章发动机的性能

第一章发动机的性能EnginePerformance车辆工程本科2012级汽车学院主要内容第一节发动机理论循环第二节四冲程发动机的实际循环第三节发动机的指示性能指标第四节发动机的有效性能指标第五节机械损失和机械效率第六节热平衡作业题及复习题第一节发动机理论循环发动机的理论循环:将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，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〔如可燃混合气的准备与燃烧过程等〕进行简化处理，得到便于进行定量分析的循环，称发动机的理想循环。p1一、三种基本理论循环:p1～

p61、研究理论循环的目的:p11)确定循环热效率的理论极限，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力。2)分析比较发动机不同热力循环方式的经济性和动力性。3)确定提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压力为代表的动力性的基本途径。1假定工质为定比热容的理想气体；2不计吸气和排气过程（工质的总质量保持不变），假设工质是在闭口系统中作封闭循环；3压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程；4把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，简化为等容加热过程或等压加热过程；5排气中的实际放热过程简化为等容放热过程；6忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为可逆过程，即假设循环过程为可逆循环。简化原则为:p1理解！！3、发动机的理论循环：发动机理论循环的三种形式：a)混合加热循环、b)等容加热循环c)等压加热循环。p２二、循环热效率：p2～p41、循环热效率(简称热效率)：p2式中：工质所做循环功（J）循环加热量（J）工质在循环中放出的热（J）评定循环经济性理论循环是用循环热效率和循环平均压力来评定。１）混合加热循环的热效率

2、三种基本理论循环的热效率公式２）等容加热循环的热效率

３）等压加热循环的热效率

3、三种基本理论循环热效率的分析

1）混合加热循环热效率的分析

分析条件：循环总加热量不变。2）等容加热循环热效率的分析３）等压加热循环热效率的分析4）等熵指数对循环热效率的影响从理理论论循循环环的的分分析析可可知知，，提提高高压压缩缩比比εεc和压压力力升升高高比比λλp对提提高高循循环环热热效效率率ηηt起着着有有利利的的作作用用，，但但发发动动机机实实际际工工作作条条件件约束束和和限限制制循环环热热效效率率提提高高。。４、、发发动动机机实实际际工工作作条条件件对对循循环环热热效效率率提提高高的的约束束和和限限制制：p3~41)零零件件的的强强度度和和可可靠靠性性的的限限制制2)机机械械效效率率的的限限制制3)燃燃烧烧方方面面的的限限制制发动动机机的的压压缩缩比比和和压压力力升升高高比比见见p4。。1、、循环环平平均均压压力力：p4评定定循循环环的的动动力力性性(kPa)式中中：：循环环所做做的的功（（J））气缸缸工工作作容容积积（（L））三、、循循环环平均均压压力力：p41））混混合合加加热热循循环环平平均均压压力力公公式式2、、三三种种基基本本理理论论循循环环平平均均压压力力公公式式２））等等容容加加热热循循环环平平均均压压力力公公式式1））混混合合加加热热循循环环平平均均压压力力公公式式3、、等等压压加加热热循循环环平平均均压压力力公公式式混合合加加热热循循环环的的平平均均压压力力随随进气气终终点点压力力、、压压缩缩比比、、压压力力升升高高比比、、预预胀胀比比、、绝绝热热指指数数和和循循环环热热效效率率的的增增大大而而增增大大。。p4：进进气气终终点点的的压压力力(kPa)四、、三三种种基基本本循循环环的的比比较较：：p4～～p6循环名称循环热效率循环特点等容加热循环

加热过程在等容条件下很快完成，热效率仅与压缩比有关等压加热循环

加热过程在等压条件下缓慢完成，负荷的增加使得热效率下降混合加热循环介于上述两者之间表1––1三三种种理理论论循循环环的的比比较较Ts4’5’4’’5’’abb’b’’412351、、压压缩缩比比及及加加热热量量分分别别相相同同时时比比较较p5压缩缩比比相相同同加热热量量相相同同初态态1相相同同等容容加加热热循循环环热热效效率率最最高高，，而而等等压压加加热热循循环环的的均均最最低低。。欲欲提提高高混混合合加加热热循循环环的的热热效效率率，，应应增增加加混混合合加加热热循循环环的的等等容容部部分分。。2、、加加热热量量及及循环环的的最最高高压压力力分分别别相相同同时比比较较Ts加热热量量相相同同初态态1相相同同循环环的的最最高高压压力力相相同同abb’b’’2’’4’’5’’54123Pmax2’4’5’对于于高高增增压压柴柴油油机机，，为为了了得得到到较较高高的的热热效效率率，，宜宜按按等等压压加加热热循循环环工工作作。。3、、汽汽、、柴柴油油机机负负荷荷变变化化(不同同加加热热量量)时时的的对对比比：：柴油油机机：由由于于喷喷雾雾压压燃燃后后边边喷喷油油边边燃燃烧烧,当当负荷荷下下降降时时，喷喷油油时时间间缩缩短短，，但但初初期期相相当当于于等等容容燃燃烧烧的的部部分分变变化化不不大大。。这这相相当当于于λλp基本本不不变变而而减减小小，，则则ηt提高高。汽油油机机：点点火火后后传传播播燃燃烧烧且且无无论论负负荷荷大大小小，，火火焰焰传传播播距距离离不不变变。。当负负荷荷下下降降时时，燃烧速度度降低，燃烧时时间加长长。这相当于于λp下降而上升，则则ηt降低。第二节四四冲程程发动机机的实际际循环一、发动动机的实实际循环1、进气气过程图a）2、压缩缩过程图图b）3、燃烧烧过程图c）4、膨胀胀过程图c）5、排气气过程图图d）1、实际际工质的的影响实际工质质影响引引起的损损失：2、换气气损失换气损失失：3、燃烧烧损失非瞬时燃燃烧损失失和补燃损损失：提前排气气损失：：4、传热热损失传热、流流动损失：5、缸内内流动损损失二、发动动机实际际循环与与理论循循环的比比较图1–12发发动动机实际际循环与与理论循循环的比比较a)柴柴油机b)汽汽油机第三节发发动机机的指示示性能指指标发动机的的指示性性能指标标是指以工质对对活塞做做功为计计算基础础的指标，，简称指指示指标标。指示指标标表征工质质在汽缸缸内部经经历的循循环的完完善程度度，以工工质在汽汽缸内对对活塞做做功为基基础，评价由燃燃烧到热热功转换换工作循循环进行行的质量量。是从示功图测量计算算得出的。一、指示功和和平均指指示压力力指示功是指气缸缸内完成成一个工工作循环环所得到到的有用用功Wi。指示功功的大小小可以由由p—V图中闭合合曲线所所占有的的面积求求得。式中：Fi示功图面积，cm2；可以用求积仪或计算方法求得a示功图纵坐标比例尺，Pa／cm；b示功图横坐标比例尺，cm3／cm。（J或N·m））平均指示示压力是指单位位气缸容容积一个个循环所所作的指指示功(Pa)。式中，Wi发动机一个工作循环的指示功，J；Vs发动机气缸工作容积，m3。若Vs用L为单位，Wi用kJ为单位，则pmi(MPa)式中，D和S分分别为气缸直直径和活塞行行程平均指示压力力可以设想为一一个恒定的压压力作用于活活塞顶上，使使活塞移动一一个行程所作作的功，即循循环的指示功功Wi。平均指示压力力是衡量发动机机实际循环动动力性能的一一个很重要的的指标。图1–15指指示功与平平均指示压力力二、指示功率：指示功率Pi：发动机单位位时间内所作作的指示功。。若：一台内燃机机的缸数i，，每缸的工作作容积Vs(L)，，平均指示压压力为pmi(MPa)，转速n(r/min)，冲程数。(kw)三、指示热效效率和指示燃燃油消耗率指示热效率ηηit：发动机实际循循环指示功与与所消耗燃料料热量的比值值。式中，Q1得到指示功Wi所消耗的热量(J)。对于一台发动动机，若测得得其指示功率率Pi(kW)、每小小时燃油消耗耗量B(kg/h)，，则：式中，3.6×l031kW·h的热当量，kJ/(kW·h)；B每小时发动机的耗油量，kg/h；Hu所用燃料的低热值，kJ/kg。指示燃油消耗耗率[g／(kW·h)]：：指单位指示示功的耗油量量。通常以单单位指示千瓦瓦小时的耗油油量来表示：：表示实际循环环的经济性指指标ηit和bi之间存在着以以下关系：一般内燃机的的ηit和bi的统计范围如如下：ηitbi／[g／(kW·h)-1]四冲程柴油机机0.4l～0.48210～175二冲程柴油机机0.40～0.48218～～177四冲程汽油机机0.25～0.40344～～218二冲程汽油机机0.19～0.27435～～305从统计范围可可以看出：柴柴油机的指示示热效率高于于汽油机，四四冲程发动机机的指示热效效率高于二冲冲程发动机。。第四节发发动机的有有效性能指标标以曲轴输出功功为计算基础础的性能指标，，称为有效性能指标标，简称有效指标。有效指标被用用来直接评定发动动机实际工作作性能的优劣。一、发动机动动力性指标1、有效功和和有效功率有效功：发动机每循环环曲轴输出的的单缸功量。。式中：Wi循环净指示功Wm循环实际机械损失功有效功率式中：Pi指示功率Pm实际机械损失功率(kw)机械损失:发动机内部摩摩擦损失；驱动附件损耗耗；泵气损失等。。2、有效转矩矩发动机工作时时由功率输出出轴输出的转转矩称为有效效转矩，可由由测功器测得得。(N·m)发动机的有效效功率Pe(kW)可以以利用各种型型式的测功器器和转速计分分别测出发动动机在某一工工况下曲轴的的输出转矩Ttq及在同一工况况下的发动机机转速，按以以下公式求得得:3、平均有效效压力：发动机单位气气缸工作容积积所输出的有有效功。与平均指示压压力相似；平均有效压力力是衡量发动机动力力性能的一个很重要要的参数。Ttq∝pmepme反映了发动机机单位气缸工工作容积输出出转矩的大小小。4、转速n和和活塞平均速速度（m／s）式中，S为活塞塞行程(m)n为发动机转转速(r/min)二、发动机经经济性指标衡量发动机经经济性能的重重要指标是有效热效率ηηet和有效燃油消耗耗率be。有效热效率是实际循环的的有效功与为为得到此有效效功所消耗的的热量的比值值，即有效燃油消耗耗率[g／(kW·h)]是是指单位有效效功所消耗的的燃油量，用用be表示：：（g/kw·h）可见，有效燃燃油消耗率与与有效热效率率成反比，知知道其中一值值后，可求出出另一值。一般内燃机在在标定工况下下的be和ηηet值大致在以下下范围：be／[g(kW·h)-1]ηηet低速柴油机190～2250.38～0.45中速柴油机195～2400.36～0.43高速柴油机215～2850.30～0.40(其中较低的的be值属排排气涡轮增压压的四冲程、、二冲程柴油油机)四冲程汽油机机274～4100.30～0.20二冲程汽油机机410～5450.20～0.15三、发动机强强化指标升功率：在标定工况下下(指标定转转速、标定功功率)，发动动机每升气缸缸工作容积所所发出的有效效功率。式中，pme为标定工况下下的平均有效效压力，MPa；n为标定转速速，r／min。(kW／L)比质量：是发动机质量量与所给出的的标定功率之之比:(kg／kW)汽车发动机要要求质量小、、功率大，所所以其升功率率大、比质量量小。汽油机的强化化程度要比柴柴油机的高.强化系数平均有效压力力与活塞平均均速度的乘积积称为强化系数。与活塞单位面面积的功率成成正比。其值值愈大，发动机的的热负荷和机机械负荷愈高高。发动机的类型强化系数汽油机（8～17）MPa·m／s小型高速柴油机（6～ll）MPa·m／s重型汽车柴油机（9～15）MPa·m／s表1–16强强化系数范范围第五节机机械损失失和机械效率率一、机械效率率平均机械损失失压力pmm发动机单位气气缸工作容积积一个循环所所损失的功。。式中，Pm为机械损失功功率(kW)；Vs为工作容容积(L)；；n为转速(r／min)；i为气缸数目目。机械效率：发动机的有效效功率与指示示功率之比。。二、机械损失失的测定1、示功图法法2、倒拖法3、灭缸法4、油耗线法法1、示功图法法:运用各种示功功器录取气缸缸的示功图，，从中算出Pi值，从测功器和转转速计读数中中测出发动机机的有效功率率Pe，从而可以算算出Pm，ηm及pmm值。示功图法一般般用于当上止止点位置能得得到精确校正正时才能取得得较满意的结结果。试验结果的正正确程度决定于示功图图测录的正确确程度：a.最大的误误差来源于p—φ图或p—V图上活塞上止点位置不易正正确地确定；b.各个气缸的不不均匀性。2、倒拖法－－只能在电力力测功机上试试验试验时，发动动机与电力测功器相连，当发动机以给定定工况稳定运运行，冷却水水、机油温度到达正常常数值时，切切断对发动机机的油，同时将电力测测功器转换为为电动机，以以给定转速倒拖发动机机，并且维持持冷却水和机机油温度不变，这样测测得的倒拖功功率即为发动动机在该工况下的机械械损失功率。。3.灭缸法法（熄火法、断断缸法）——仅适用于多缸机当发动机调整整到以给定工工况稳定运转转后，先测出出整个发动机的的有效功率。。之后，在柴柴油机油门拉拉杆或齿条条位位置置、、或或汽汽油油机机节节气气门门开开度度固固定定不不动动的的情情况况下下，，停止止向向某某一一汽汽缸缸供供油油或或点点火火。。调调整整测测功功机机，，使使发发动动机机恢复复到到原原来来的的转转速速，，重重新新测测定定有有效效功功率率（（其其余余五五个个汽汽缸的的有有效效功功率率）），，必必然然小小于于（（一一缸缸熄熄火火）），，两两者者之之差差即为为灭灭掉掉缸缸的的指指示示功功率率。。逐逐次次灭灭缸缸，，则则整整台台发发动动机机的的指示示功功率率为为，，各各缸缸相相加加。。如果果灭灭缸缸后后其其他他各各缸缸的的工工作作情情况况和和发发动动机机机机械械损损失失没没有有变变化化，，则则被被熄熄灭灭的的气气缸缸原原来来所所发发出出的的指指示示功功率率(Pi)x：：依次次将将各各缸缸灭灭火火，，最最后后可可以以从从各各缸缸指指示示功功率率的的总总和和中中求求得得整整台台发发功功机机的的指指示示功功率率Pi：：4.油油耗耗线线法法柴油油机机在在转转速速不不变变的的情情况况下下进进行行负负荷荷特特性性试试验验，，求求出出发发动动机机在在给给定定转转速速下下，，每每小小时时燃燃油油消消耗耗量量与与平平均均有有效效压压力力的的关关系系曲曲线线。。把燃燃油油消消耗耗量量曲曲线线延延长长并并求求出出其其与与横横坐坐标标轴轴的的交交点点，，就就可可以以求求得得pmm值。。当测测得得其其pmm值后后，，其其机机械械效效率率可可近近似似地地用用下下式式估估算算式式中中，，B可可取取某某一一常常用用工工况况的的数数值值。。图1––17用用油油耗耗线线法法求求值值示示意意图图一般般内内燃燃机机的的机机械械效效率率大大致致在在以以下下范范围围：：ηm非增增压压柴柴油油机机0.78～～0.85增压压柴柴油油机机0.80～～0.92汽油油机机0.80～～0.90第六六节节热热平平衡衡热平平衡衡表表示示热热量量的的分分配配情情况况。。按照照热热能能表表现现为为有有效效功功和和各各种种损损失失的的数数量量分分配配来来研研究究燃燃料料中中总总热热量量的的利利用用情情况况。。燃料料的的总总热热量量大大体体按按以以下下六六部部分分，，由由试试验验确确定定：：一、发动机所耗燃油的热量[kJ/h]：二、转换为有用功的热量三、传递给冷却介质的热量四、、废废气气带带走走的的热热量量五、、燃燃料料不不完完全全燃燃烧烧热热损损失失：：六、、其其它它热热量量损损失失图1––18发发动动机机的的热热平平衡衡图图a————从从残残余余废废气气和和排排气气中中回回收收的的热热量量b————由由气气缸缸壁壁传传给给进进气气的的热热量量c————排排出出废废气气传传给给冷冷却却水水的的热热量量d————在在摩摩擦擦中中传传给给冷冷却却水水的的部部分分热热量量e————从从排排气气系系统统辐辐射射的的热热量量f————从从冷冷却却水水和和水水套套壁壁辐辐射射的的热热量量g————从从曲曲轴轴箱箱壁壁和和其其它它不不冷冷却却部部分分辐辐射射的的热热量量在燃燃料料的的总总热热量量中中，，仅仅有有25％％～～40％％的的热热量量转转变变为为有有效效功功，，其其余余60％％～～75％％都都损损失失掉掉了了。。其其中中，，主主要要由由废废气气带带走走，，其其次次传传给给冷冷却却水水，，在在某某些些汽汽油油机机中中不不完完全全燃燃烧烧损损失失的的热热量量所所占占比比例例也也不不小小。。冷却却水水带带走走的的热热量量占占总总热热量量的的10％％～～35％％，，其其中中一一部部分分是是排排气气道道中中废废气气传传给给冷冷却却水水的的热热，，一一部部分分是是由由摩摩擦擦产产生生的的热热，，真真正正由由燃燃烧烧、、膨膨胀胀过过程程散散出出的的热热大大约约占占冷冷却却损损失失的的15%。。废气气带带走走的的热热量量占占总总热热量量的的25％％～～50％％。。废废气气涡涡轮轮增增压压是是回回收收