发动机的实际循环与性能指标课件

第二章发动机的实际循环与性能指标

在第一章中，我们按照热力学的观点把发动机的热力循环理想化、抽象化，分析影响理想循环的基本因素，找出提高效率及作功能力的途径。本章将对发动机的实际循环进行分析。在第一章中，我们按照热力学的观点把发动机的热力循环理想化、抽象化，分析影响理想循环的基本因素，找出提高效率及作功能力的途径。本章将对发动机的实际循环进行分析。研究实际循环的目的，就是分析与理想循环的差异和引起各种损失的原因，以求不断改善实际循环，缩小与理想循环的差距，促进发动机的改进与发展。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、噪声等性能为研究对象，深入到工作过程的各个阶段，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。、一、实际循环进行过程（一）示功图气缸内工质的压力p随气缸工作容积v或曲轴转角θ变化的图形称为示功图。示功图有两种基本形式：以气缸工作容积为独立变量的称为p—V示功图；以曲轴转角为独立变量的称为p—θ示功图，也称展开示功图。如图分别为p—V图和p—θ图。示功图是研究实际循环的依据，一般由专门的仪器在发动机工作时直接测得。

（二）实际循环过程发动机在实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气等五个过程组成。通常用缸内的气体压力p随气缸工作容积v而变化的图形来表示工质在气缸中的实际工作情况，如图所示为四行程发动机示功图。（1）排气终了时气缸内压力p（r点）高于大气压p0，残余废气膨胀，压力由排气终点的压力pr降到压力pr’（2）活塞下行，新鲜工质被吸入气缸。由于进气系统的阻力，进气终了压力pa一般小于大气压力p0，压力差p0~pa用来克服进气系统的阻力。由于新鲜工质受到发动机高温零件和残余废气的加热，进气终了的温度Tca总高于大气温度T0。

一般进气终了的压力Pca及温度Tca大致范围是：汽油机Pca=（0.8~0.90）p0Tca=340~380K柴油机Pca=（0.85~0.95）p0Tca=300~340K增压柴油机Pca=（0.9~1.0）p0

Tca=320~380K工质被压缩的程度用压缩比εc表示。

式中va—气缸总容积（气缸最大容积）；vcc—燃烧室容积(气缸余隙容积）;vs—气缸工作容积(活塞排量）；

压缩比的大致范围是：汽油机εc=7~10柴油机εc=14~22增压柴油机εc=12~15

压缩终了压力pco及温度Tco的大致范围是：

pco（MPa）Tco（K）汽油机0.8~2.0600~750柴油机3.0~5.0750~1000增压柴油机5.0~8.0900~1100

在使用中，实测的压缩压力值是发动机的动力性技术指标。如因活塞环失效、气缸磨损严重、气门封闭不严等，使压缩终了压力降低，造成起动困难，功率下降，应查明原因，及时检修。3．燃烧过程燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力及温度升高，为膨胀创造条件。燃烧过程放出的热量越多,放热时越接近上止点，则热效率越高。

在汽油机中，当活塞压缩到上止点前某一刻（图2-3b中c′点）汽油与空气形成的混合气由电火花点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，使工质的压力及温度急剧上升，其压力在极短的时间内达到最高值pmax(pz)。因此，接近定容加热（如图中cz段）。

在柴油机中，同样应在上止点前开始喷油（图中c′点），柴油微粒迅速蒸发而与空气混合，并借助于空气的热量而自燃。燃烧开始时，燃烧速度很快，而气缸容积变化很小，工质温度，压力剧增，所以接近定容加热（图a中cz′段）。随后是边喷油边燃烧，燃烧速度慢，且随着活塞下移气缸容积增大，所以气缸压力升高不大，而温度继续上升，因此接近等压加热（图中z′z段）。4．膨胀过程图中zb线即为膨胀过程曲线。膨胀过程是燃烧后的高温高压气体在气缸内膨胀，推动活塞由上止点向下止点移动而作功的过程。随着气缸容积增大，气体的压力、温度迅速下降。

在膨胀过程中，与压缩过程中情况相似，并非绝热过程，不仅有散热损失，漏气损失，还有补燃和高温热分解，因此实际膨胀过程也是多变指数变化的多变过程。在膨胀开始时，由于存在继续燃烧现象，称为后燃，工质被加热，到某一瞬间，对工质的加热量与工质向缸壁等的散热量相等，随后工质向缸壁散热。5．排气过程排气过程的作用是排出燃烧废气，为下一循环的进气作好准备。图中b′br线，即表示排气过程。在膨胀过程末期，活塞接近下止点b′时排气门开启，废气高速排出。当活塞由下向上移动时，缸内废气继续排出，直到排气门关闭，排气过程结束。由于排气系统有阻力，排气终了的压力pr仍高于大气压po。压力差pr—po用来克服排气系统的阻力，阻力越大，排气终了的压力pr越大，残留在缸内的废气越多。

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，工作过程进行的好。如果发现排温偏高，应立即查明原因。（三）循环指示功在实际循环的p—V示功图中，闭合曲线czb′bc′c所包围的面积Ai，代表工质对活塞做的功，故是正功。曲线rr′ar所包围的面积A1称为泵气损失，对非增压发动机是负功；为了试验测量的方便，常将泵气损失计入机械损失中。则：Ai为实际循环有用功。二、实际循环与理论循环比较

通过上述实际循环的五个过程分析，可以看出发动机的实际循环与理想循环有很大差别。研究实际循环与理论循环的差异，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。

其差别由以下几项损失引起。1．换气损失（Wr）换气损失：为更换工质，而消耗的功，图中的Wr所示。其中因工质流动需要克服进、排气系统阻力所消耗的功称为泵气损失，即图中曲线rab’r包围的面积。和因排气门在下止点前提前开启而形成的损失称为提前排气损失，图中面积W所示。3．实际工质影响引起损失（Wk）理论循环中假定工质的比热为定值，而实际气体的比热是随温度的上升而增大的。并且在整个工作循环中存在泄漏，使工质的数量减少。因此，使实际循环的指示热效率ηit和指示功率pi要比理想循环小，其损失功为Wk。

4.传热、流动损失（Wb）在实际循环中，工质与燃烧室壁、气缸壁面之间，始终存在着热交换，其压缩与膨胀过程不是绝热的，由此而产生的损失称传热损失，如图中Wb所示。

由上述讨论可知，理想循环是把发动机的实际工作过程简化成工质的基本热力过程组成的循环，是最简单的空气标准循环。而实际循环由于存在着各种损失，其中最重要的是传热损失和燃烧损失，因此实际循环的指示功比理想循环的指示功要小。实际循环的热效率也小于理想循环的热效率。

第二节发动机的指示指标指示指标是用来评定实际循环质量的好坏，它以工质在气缸内对活塞做功为基础，用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性——即做功能力。用循环热效率及燃油消耗率评定循环经济性。、一、循环的指示功Wi和平均指示压力pmi在气缸内完成一个工作循环，工质对活塞所做的功，称为指示功，用Wi表示。其大小可由p—v图中闭合曲线包围的面积Ai求得。

用求积仪测出封闭曲线czb′bc′c所包围的面积即为Ai，则发动机的指示功可由下式求出Wi=abAikJ式中Ai—示功图中指示功面积（mm2）a—示功图纵坐标(kPa/mm)

指示功Wi虽然能表明发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功多少和循环中热功转换的有效程度，但由于和气缸工作容积有关，对不同规格、不同型式的发动机，用指示功难以评价各类发动机工作循环进行的好坏，为了便于评定不同发动机循环进行的好坏，引入平均指示压力的概念。

平均指示压力pmi是指一个循环所作的指示功Wi与气缸工作容积vs之比，即

它表示发动机单位气缸工作容积的指示功。显然，平均指示压力pmi越大，表示发动机的工作循环进行的越好，气缸工作容积利用程度越高。pmi值的一般范围是：汽油机800~1500(kPa)柴油机700~1100(kPa)增压柴油机1000~2500(kPa)二、指示功率Pi发动机单位时间所做的指示功，称为发动机的指示功率，用Pi表示。设发动机的气缸数为i，每缸工作容积为Vs（m3），转速为n（r/min），平均指示压力为pmi（kPa），则每缸、每循环工质的指示功为：Wi=pmivskJ发动机指示功率（i个气缸每秒所作的指示功）为：四行程发动机二行程发动机如果τ表示发动机冲程数,（四冲程τ=4；二冲程τ=2）以上两式可合并为下式：

三、指示燃油消耗率bi单位指示功所消耗的燃油量，称为指示燃油消耗率，用bi表示，通常以每千瓦小时指示功的耗油量(克)表示。当测得发动机的指示功率为Pi（kW），每小时耗油量为B（kg/h）时，则指示燃油消耗率：(g/kW·h)指示燃油消耗率是评定发动机实际循环的经济指标，bi越小，表示循环过程中作1千瓦﹒小时的功所消耗的燃油量越少，发动机的经济性越好。bi值的大致范围是：柴油机170~205(g/kW·h)汽油机205~320(g/kW·h)四、指示热效率ηit指示热效率ηit是发动机实际循环的指示功与所消耗燃料热量之比，即式中Q1——为得到指示功Wi所消耗燃料的热量（kJ）。

根据热功当量可知，1kW·h的指示功相当于3600(kJ)的热量，即1kW·h=3.6×103(kJ)。而完成1kW·h的功需要消耗的热量为biHu/1000（kJ），Hu为燃料低热值（kJ/kg），即不计汽化潜热时，1kg燃油完全燃烧所放出的热量。燃油中含有氢，燃烧后生成水。生成的水为液态，热值中包含了水的汽化潜热，为高热值。生成的水为气态，则热值中不包含水的汽化潜热，为低热值Hu。则指示热效率为：

ηit值的一般范围是：汽油机0.30~0.40柴油机0.43~0.50

第三节发动机的有效指标以发动机曲轴输出功率为基础的性能指标称为发动机的有效指标。可用来评价整个发动机性能的好坏，它比指示指标更有实用价值。其中评价动力性的有效指标包括有效功率、有效扭距、平均有效压力；评价经济性的有效指标包括燃油消耗率和有效热效率。评价强化程度的有升功率、比质量和强化系数。一、发动机动力性能1．有效功率Pe发动机曲轴输出的功率称为有效功率，可由发动机台架试验测得的数据计算出来。发动机的有效功率Pe即为指示功率Pi与机械损失功率Pm之差。即Pe=Pi—Pm(kW)

2．有效扭矩Ttq发动机曲轴输出的扭矩称为有效扭矩，用Ttq表示。它与有效功率Pe、发动机转速n之间为下列关系：

3．平均有效压力pme发动机单位气缸工作容积（升）所输出的有效功称为平均有效压力。它与有效功率之间的关系为：

pme值的一般范围是：汽油机700~1300(kPa)柴油机600~1000(kPa)增压柴油机900~2200(kPa)4．转速n和活塞平均速度Cm提高发动机转速，既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。转速n增加，活塞平均速度Cm也增加，n与Cm（m/s）的关系为

式中S——活塞行程（m）。

Cm大，则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，Cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s，柴油机不超过13m/s。为提高转速又不使Cm过大，可以减小行程S，即对于高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比（S/D）值。但S/D值小也会造成燃烧室高度减小，其表面积与容积的比A/V值增大，混合气形成条件变差，不利于燃烧。当S/D<1时，常称为短行程。二、发动机经济性能1.

有效燃油消耗率b单位有效功（1kW·h）的燃油消耗量（克），称为发动机的燃油消耗率，也称为耗油率。燃油消耗率是评定发动机经济性的重要指标。b越小，表示发动机经济性越好。

2．有效热效率ηet有效热效率是指发动机实际循环的有效功We(kJ)与为得到此有效功所消耗的燃油的热量Q1(kJ)之比，即

b及ηet的大致范围是：ηetb(g/kW·h)汽油机0.25~0.3270~325柴油机0.3~0.45190~285三、发动机强化指标1．升功率PL和比质量me升功率PL的定义是：在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。即发动机的标定功率PeB与总工作容积ivs之比。式中PeB——发动机的标定功率（kW）；i——气缸数；vs——每个气缸的工作容积（L）。可见PL的大小与平均有效压力pme和转速的乘积成正比，提高PL的主要措施是提高平均有效压力和发动机的机转速。它用来衡量发动机容积利用的程度。汽车发动机发展的方向之一是继续提高升功率。PL值的大致范围：汽油机30~70(kW/L)汽车柴油机18~30(kW/L)比质量me是发动机干质量m与标定功率PeB之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性汽油机1.1~4(kg/kW)汽车柴油机2.5~9.0(kg/kW)2．强化系数pmeCm平均有效压力pm与活塞平均速度eCm的乘积称为强化系数。它与活塞单位面积的功率成正比。其值越大，发动机的热负荷和机械负荷越高。由于发动机的发展趋势是强化程度不断提高，所以pmeCm值增大，也是技术进步的一个标志。pmeCm的大致范围是：汽油机8~17MPa·m./s小型高速柴油机6~11MPa·m/.s重型汽车柴油机9~15MPa·m/.s

第四节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。

一、排放性能1．排出有害气体目前主要限制一氧化碳（CO）、各种碳氢化合物（HC）及氮氧化合物（NOx）三种危害最大的气体排放量。2．排气微粒它指排气中除水以外的任何液态或固体微粒。其中，以碳为主要成分的固体颗粒形成碳烟，是排气微粒最主要的成分，目前我国只规定碳烟限值。二、噪声噪声会刺激神经，使人心情烦躁、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一，发动机又是汽车的主要噪声源，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84dB。

第五节机械损失与机械效率

一、机械损失

1．

发动机内部运动件的摩擦损失。如活塞和活塞环与缸壁的摩擦：各个轴承与轴颈之间的摩擦；气门传动机构的摩擦；油封处的摩擦等。这部分损失所占比例最大，约占总机械损失的60%~75%。2．驱动附属机构的损失。如驱动配气机构、冷却水泵、风扇、机油泵、点火装置或喷油泵等的损失。约占总机械损失的10%~20%。3

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泵气损失。约占总机械损失的10%~20%。由于机械损失而消耗的功率称为机械损失功率，用Pm表示，可得：Pm=Pi—Pe(kW)

3．

二、机械效率曲轴输出的有效功率与指示功率之比，称为机械效率，用ηm表示，即

式中pmm——平均机械损失压力（kPa）。

三、机械损失的测定机械损失功率可通过发动机台架实验测定，常用的实验方法有倒拖法和灭缸法，柴油机还可用油耗线法。1.倒拖法2.灭缸法

四、影响机械效率的主要因素1．发动机转速发动机转速提高后，致使：（1）各摩擦表面间的相对运动速度加大，摩擦损失增加。（2）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增加，摩擦损失增加。（3）泵气损失加大。（4）驱动附件的机械损失增加。所以，转速提高后机械损失功率增加，使机械效率下降。根据实测统计资料，机械损失功率与转速平方近似成正比。因此随转速升高机械效率下降较快。

2．发动机负荷当发动机转速一定，负荷减小时，汽油