第5章-发动机实际循环与评价指标

发动机实际循环与评价指标一、示功图图2-1四冲程内燃机的p-φ图一、示功图图2-2四冲程压燃式和点燃式内燃机实际循环p-V图正负功确定原则：压力方向与活塞运动方向一致，工质对活塞作正功压力方向与活塞运动方向相反，工质对活塞作负功工质对活塞所作功Compression压缩过程W<0Power作功过程W>0Intake进气过程W>0Exhaust排气过程W<0WpdV=ò循环功：动力过程功：压缩与燃烧膨胀冲程所作功之代数和泵气过程功：进气与排气冲程所作功之代数和(总)指示功＝动力过程功＋理论泵气功(不考虑泵气损失)净指示功＝动力过程功＋泵气过程功(考虑泵气损失)进气压力pd大气压力p0排气压力pe

大气压力p0与泵气有关的功：

理论泵气功忽略流动阻力,进、排气冲程压力所作功之代数和。自然吸气发动机进、排气压力相同（等于大气压力），即理论泵气功为零

实际泵气功(泵气过程功)由于流动存在阻力，进气压力低于大气压，排气压力高于大气压力，造成进气和排气流动损失功，两者之和为实际泵气功

W2+W3

负功泵气损失(Pumpingloss)

（实际泵气功理论泵气功）

W2+W3

负功自然吸气(NaturalAspirated)发动机作功分析(总)指示功＝W1+W3净指示功＝(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2进气压力pd大气压力p0排气压力pe

大气压力p0自然吸气(NaturalAspirated)发动机作功分析与泵气有关的功：

理论泵气功忽略流动阻力,进、排气冲程压力所作功之代数和。自然吸气发动机进、排气压力相同（等于大气压力），即理论泵气功为零

实际泵气功(泵气过程功)由于流动存在阻力，进气压力低于大气压，排气压力高于大气压力，造成进气和排气流动损失功，两者之和为实际泵气功

W2+W3

负功泵气损失(Pumpingloss)

（实际泵气功理论泵气功）

W2+W3

负功

理论泵气功

(pb–pk)Vs

正功

实际泵气功

W2

正功

泵气损失功

W2-(pb–pk)Vs

阴影面积负功

(总)指示功

W1＋(pb-pk)Vs

净指示功

W1+W2涡轮增压(Turbocharging)发动机作功分析实际进气压力pd＞实际排气压力pe＞大气压力p0记住：理论泵气功和实际泵气功可正、可负，但泵气损失功永远为负！理论循环分析的指导意义1）指出了改善发动机动力性、经济性的基本原则和方向在允许的条件下,尽可能提高压缩比

,尤其是汽油机合理组织燃烧,提高循环加热等容度（减少预膨胀比、合理选择燃烧始点、压燃同时着火）保证工质具有较高的等熵指数

（稀燃）2）提供了发动机之间进行动力性、经济性对比的理论依据同一机型不同加热模式的对比、及q1不变：等容循环t>混合循环t>等压循环t不同机型(汽、柴油机)的对比pmax及q1相同：等压循环t>混合循环t>等容循环t理论循环分析的指导意义

汽、柴油机负荷变化(q1不同)时的对比

部分负荷柴油机:缸内喷射扩散燃烧,喷油时间缩短,初期等容放热变化不大,即基本不变而减小,t提高

部分负荷汽油机:预混燃烧,燃烧速度下降,燃烧时间加长,即

下降而上升,t下降结果：中、低负荷工况,柴油机使用油耗较汽油机低30％～50％。理想循环假设：1)保持理论循环中关于循环的假设(简化)2)工质特性按真实情况考虑：循环过程中成分是变化的工质的热力参数随温度、分子结构及混合气浓度等变化研究理想循环的目的：1)工质特性对热效率的影响(与理论循环相比)2)理想循环代表了人类努力所能达到的水平(与真实循环相比)相对热效率：真实循环的指示效率与理想循环热效率之比。反映了实际发动机指示效率接近理想水平的程度。压缩过程:空气+燃料蒸气+残余废气膨胀过程:废气+空气真实工质对热效率的影响1)比热容

cv,cp=f（T,分子结构）

ΔQv=cv×ΔT，ΔQp=cp×ΔT

T↑cv和cp↑

↓ΔT↓t↓

多原子分子↑cv和cp↑

↓ΔT↓t↓

即：真实工质

＜理想工质

真实工质t↓

例如：柴油机汽油机；稀薄燃烧化学计量比燃烧2)高温热分解高温时，原子间的结合力减弱，产生热分解（吸热过程）。

CO2→CO+O2H2O→H2+O2

低温膨胀及排气时，反向燃烧放热。因此，燃烧放热时间拉长等容度↓

t↓。

*T越高，p越小热分解越严重，因此，汽油机热分解＞柴油机热分解。真实工质对热效率的影响1.401.351.301.251.204006008001000K温度Temperaturek=cp/cvAira=2.0a=1.25a=0.83a=0.67a=1.0w/oexhaustgasresidual3)工质分子变化系数液体燃料发动机燃烧后，>1，p和t↑

气体燃料发动机燃烧后，1，p和t↓（气体燃料分子计入燃前分子总数）总的来说，

的影响不大4)过量空气系数

a1，未燃碳氢↑多原子↑T↑

↓

t↓

a>1，空气↑单双原子↑T↓

t汽油机与柴油机理想循环热效率的比较1)高负荷柴油机a>汽油机a柴油机t>汽油机

t

汽油机混合气浓且等容度高，Tmax↑，残余废气↑

↓，热分解↑汽油机t

↓

汽油机>柴油机，但影响不大2)低负荷汽油机a更小，而柴油机a更大汽油机t

↓↓

汽油机r↑，柴油机r不变，汽油机

↓，燃烧速度↓汽油机

t↓

汽油机高、低负荷温差小，Tmax↑

↓汽油机t↓考虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大：真实循环1)传热损失(总加热量的6％)真实循环并非绝热过程,通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。散热量Qw=∫αFw（T-Tw）dτ式中，α—传热系数

Fw—散热面积,Fw=f（）

T—缸内工质温度,T=f（）

Tw—燃烧室壁面温度,可设为定值压缩过程:前期吸热,后期散热,使压缩线略下降(有利)。燃烧及膨胀过程:温差大,散热强烈,使pz和膨胀线下降(不利)。燃烧膨胀线的下降幅度远大于压缩线,使动力过程功减小。真实循环2)时间损失实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成：存在点火(喷油)提前，使有用功面积下降，t↓。pz出现在TDC后10CA，而非等容加热，使有用功面积减小。3)换气损失排气门早开，造成膨胀功损失。泵气损失功(W2＋W3)4)不完全燃烧损失正常燃烧时，也有c≠100%

不正常燃烧、a

＜1等，

t↓↓5)缸内流动损失流动增强以及提高涡流与湍流程度，

t↓

因为：造成能量损失、散热损失例如：流动损失，非直喷式柴油机＞直喷式柴油机6)工质泄漏损失

真实循环与理论循环的比较总结：由于工质和循环方面的差别，使得:

理论循环ηt-实际循环ηt=10~20百分点两者之间的差别指出了改善内燃机ηt的基本原则讲课内容5.2发动机的性能指标1.动力性能指标功率(Power),转矩(Torque),转速(Revolution/Speed)有效平均压力(BrakeMeanEffectivePressure,BMEP)2.经济性能指标有效燃料消耗率(BrakeSpecificFuelConsumption,BSFC)机油消耗率(Oil/LubricantConsumption)3.环保性能指标碳氢(HC),一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx),二氧化碳(CO2)颗粒物(ParticulateMatter,PM),干碳烟(DrySoot,DS)噪声振动冲击(NoiseVibrationHarshness,NVH)4.使用性能指标可靠性或耐久性(Robust/Reliability,Durability)检测/维护(Inspection/Maintenance,I/M)发动机性能(Performance)指标指示指标与有效指标1.以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示(Indicated)指标基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏用于理论分析和科研2.以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效(Brake/Effective)指标由试验测出，直接反映产品最终性能用于产品开发、生产和使用当中只有与作功有关的指标，如功、功率、油耗、平均压力、热效率等才有“有效”与“指示”之分一、指示功、有效功和机械损失功

指示功：发动机在一个工作循环内，缸内工质在无泵气损失条件下对活塞所做的功。用Wi表示。四冲程发动机：Wi=W1+W3四冲程增压发动机：Wi=W1+（pb-pk）Vs一、指示功、有效功和机械损失功指示性能指标只能评定工作循环进行的好坏，发动机发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动风扇、机油泵、燃油泵、发电机等附件所消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，所有这些消耗功的总和称为机械损失功Wm，从而有效功为We=Wi-Wm有效功与指示功之比称为机械效率机械损失功Wm=Wf+We+WpWf:机械摩擦损失功We：附件消耗功Wp：泵气损失功动力性能指标pWVmiis=[]p.

VpdVWp1bar10Nm10Nmm0.1kJdmmisimi52533º====ò注意：这里的压力事实上就是物理上所说的压强，N/m2指示平均压力(IndicatedMeanEffectivePressure,IMEP)定义：单位气缸工作容积所作的循环指示功循环指示功可以认为是一个假想不变的压力pmi作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作功指示平均压力反映发动机作功能力的大小(单位体积作功量大小J/m3)和强化程度。使不同发动机的动力性具有可比性有效平均压力有效平均压力：单位气缸工作容积所致的有效功。可看作是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个行程所做的功等于每循环所做的有效功。用pme表示机械损失平均压力：pmm

pmm:机械损失平均压力，Vs：气缸排量；Wm：机械损失功不同发动机有效平均压力pme范围摩托车发动机（四冲程）赛车发动机（自然吸气）

赛车发动机（涡轮增压）轿车汽油机（自然吸气）轿车汽油机（涡轮增压）轿车柴油机（涡轮增压）卡车柴油机（涡轮增压）大型柴油机中型高速柴油机十字头二冲程柴油机pme[

bar]1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.23.指示效率、有效效率和机械效率

指示热效率：燃料化学能转换为指示功Wi的能量转换效率，即

式中，为指示热效率；为所用燃料的低热值（kJ/kg）单缸每循环燃油消耗量gb（kg）有效热效率：燃料化学能转换为曲轴输出功We的能量转换效率式中，为有效热效率；为所用燃料的低热值（kJ/kg）单缸每循环燃油消耗量gb（kg）机械效率：指示功Wi，在支付机械损失功Wm后，变为曲轴有效输出功We的能量转换效率。4.指示燃料消耗与有效燃料消耗指示燃油消耗率：单位指示功的耗油量，通常用单位千瓦小时指示功的耗油量克数[g/(kW·h)]来表示。

B整机燃料消耗率，kg/h;Pi为指示功率，kW4.指示燃料消耗率与有效燃料消耗率有效燃料消耗率：B整机燃料消耗率，kg/h;Pe为有效功率，kW因为由功与功率的关系求功We转矩(N.m)角速度(rad/s)

动力性指标之间的关系由转速、转矩和功率功率的关系求功率Pe对于某一发动机，转矩和有效平均压力都反映负荷（load）的大小循环时间动力性指标之间的关系有效效率：EffectiveefficiencyFuelmassflow燃料流量(kg/s)Lowheatvalue

低热值(kJ/kg)Indicatedefficiency经济性指标有效燃料消耗率：BSFC指示效率：指示燃料消耗率：ISFCE.g.求油耗：比功率(升功率,powerdensity)

PL—单位发动机排量发出的功率(评价气缸容积利用程度和紧凑性)

PL=Pe/Vs*i(kW/L)

比质量

me—单位有效功率所占发动机质量(评价轻量化和紧凑性)

me=m/Pe(kg/kW)

比容积

Ve—单位有效功率所占发动机的体积(评价紧凑性)

Ve=V/Pe(m3/kW)功率密度评价指标轿车汽油机自吸式:35～65轿车汽油机增压式:50～100轿车柴油机增压式:30～40轿车汽油机:3～1轿车柴油机:5～2发动机转速与活塞平均速度主要影响：惯性力引起的机械应力摩擦(磨损)热负荷充气效率噪声活塞平均速度：(强化指标之一)注意：发动机转速与活塞速度不完全是一个概念！活塞平均速度越高，说明发动机强化度越高单位：活塞平均速度VmVm2221.7279.519.812.314.78.113.17.8[m/s]7.0125.39.55.7摩托车发动机（四冲程）赛车发动机（自然吸气）

赛车发动机（涡轮增压）轿车汽油机（自然吸气）轿车柴油机卡车柴油机（涡轮增压）大型柴油机中速柴油机十字头二冲程柴油机决定动力输出的三大环节

设单位时间加入发动机的燃料总质量为B(kg/s)，燃料低热值(lowheatvalue)为Hu(kJ/kg)，燃料能量转换的总效率为et

，则有效功率Pe可表示为：

设单位时间进入发动机的混合气总量为Gm(kg/s)，混合气低热值为Hum(kJ/kg)，则有效功率Pe也可表示为：提高功率的三大环节：可燃混合气或燃料的能量密度混合气热值Hum或燃料热值Hu

单位时间实际吸入发动机的可燃混合气总量Gm或燃料总量B

可燃混合气能量或燃料能量转换为有效输出功的多少工作过程各环节效率或总效率et与燃料热值和混合气浓度直接相关“质”的环节“量”的环节油/气混合比(浓度)是影响发动机性能的重要参数：1)过量空气系数

a（Excessairratio/Relativeair-fuelratio）设单位质量燃料完全燃烧所需理论空气量为l0，而实际供给的空气量为l，则a定义为：a

>1,稀(lean)混合气a

<1,浓(rich)混合气a

=1,化学计量比（stoichiometricratio），过去称理论空燃比可燃混合气浓度与热值燃空当量比(equivalentratio)

＝1/a，欧美国家常用2)空燃比(Air/Fuelratio,A/F)3)燃空比(Fuel/Airratio,F/A)4)可燃混合气热值Hum(Mixturelowheatvalue)定义:单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量(kJ/kg或kJ/m3)Hu表示燃料的能量密度，越高越便于携带；Hum代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积时发出功率越高(pme也越高)或可燃混合气浓度与热值能量转换效率1)燃烧效率2)循环热效率3)机械效率4)有效效率每缸每循环燃烧时发出的热量(kJ)单缸循环油量(kg)指示效率正常燃烧：汽油机c=95%~98%柴油机c=98%~99%CombustionEfficiencyThermalEfficiencyMechanicalEfficiencyEffectiveEfficiency曲轴输出功总指示功混合气(进气)充量充量系数(容积效率)Volumetricefficiency定义：每缸每循环吸入缸内的新鲜空气量与按进气系统前状态计算而得的理论充气量之比(75%-90%)可燃混合气流量：

大气密度(自然吸气机型)

增压后空气密度(增压机型)新鲜空气量燃油量功率和油耗的表达式(课程总纲)燃烧效率循环热效率(第5章)机械效率(第3章)进气充量(第6章)混合气热值(第2章)例题一台4缸四冲程火花塞点火发动机（缸径D=80mm，冲程S=76.5mm）节气门全开时在台架上的测量结果如下：转速n=5900r/min，有效转矩Ttq=107.1N•m，指示平均压力pmi=1.19MPa，计算1)指示功Wi2）指示功率Pi和有效功率Pe3）有效平均压力pme4)机械效率ηm5）机械损失功率Pm和机械损失平均压力pmm例2内燃机的动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类？表示动力性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？答：（1）指示性能指标是以工质对活塞做功为基础的指标。能评定工作循环进行的好坏。有效性能指标是以曲轴的有效输出为基础的指标，能表示曲轴的有效输出。（2）动力性能指标：功率、转矩、转速、平均有效压力、升功率。（3）功率：内燃机单位时间内做的有效功。转矩：力与力臂之积。转速：内燃机每分钟的转数。Pe=Ttq.n/9550（4）经济性能指标：有效热效率，有效燃油消耗率be。（5）有效热效率:实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量之比值。ηet=We/Q1*nc有效燃油消耗率：单位有效功的耗油量。关系：be=3.6*10^6/ηet.Hu机械损失与机械效率1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素机械损失与机械效率(1)机械摩擦损失(50％～80％)活塞组件、轴承、气门机构等(2)附件驱动消耗(～10％)水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构(3)泵气损失(5％～40％)1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素

为什么泵气损失包含在机械损失中？一、机械损失的组成部分1.活塞与活塞环的摩擦损失

2.轴承与气门机构的摩擦损失

3.驱动附属机构的功率损失

4.风阻损失

5.驱动扫气泵及增压器的损失1.活塞与活塞环的摩擦损失活塞与活塞环的摩擦损失占整个摩擦损失的主要部分。这是由于它的滑动面积大、相对速度高、润滑不充分等原因造成的。这种摩擦与活塞的长度、活塞间隙以及活塞环的数目和环的张力等结构因素有关。此外，在构造相同的情况下，它随气缸压力、活塞速度以及润滑油粘度的升高而增加。2.轴承与气门机构的摩擦损失轴承与气门机构的摩擦损失包括所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等的摩擦损失。在这些轴承里，由于润滑充分，纯液力摩擦因数很低，不过随着轴承直径的增大和转速的提高，轴颈圆周速度的增大，运动件惯性力增大，这部分损失也将增加，但它对气缸中压力的变化不太敏感。至于消耗在气门驱动机构上的损耗，在额定功率工况下所占比例是很微小的，在低速小负荷时，它的比例将增大。3.驱动附属机构的功率损失所谓的附属机构，主要是指为保证发动机正常工作所必不可少的部件或总成，如冷却水泵总成(风冷发动机中则是冷却风扇)、机油泵、喷油泵、调速器等；而一些不是发动机运转所必要的总成，如发电机、汽车制动用的空气压缩机、真空助力泵等，除非加以说明，一般不包括在内。有时散热器、冷却风扇也不包括在发动机机械损失之内。这些附属机构消耗的功率随发动机的转速和润滑油粘度的增加而增大，但与气缸压力无关，它仅占机械损失中的一小部分。4.风阻损失活塞、连杆、曲轴等零件在曲轴箱内高速运动时，为克服油雾、空气阻力及曲轴箱通风等将消耗一部分功，但其数值是很微小的。5.驱动扫气泵及增压器的损失在二冲程或机械增压发动机中，还要加上对进气进行压缩而带来的损失。上述诸损失中，可将前四项损失之和视作发动机的内部摩擦损失，并以Pf表示其损耗的功率，扫气泵或增压器所消耗的功率为PB图2-4自然吸气发动机中机械损失各组

成部分随活塞平均速度的变化

a—泵气损失b—活塞与活塞环的摩擦损失

c—气门机构驱动损失d—附属机构驱动损失

e—连杆轴承摩擦损失f—凸轮轴承摩擦损失机械损失与机械效率1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素无凸轮轴（Camless）发动机测量机械损失时可以剔除泵气损失吗？(1)机械摩擦损失(50％～80％)活塞组件、轴承、气门机构等(2)附件驱动消耗(～10％)水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构(3)泵气损失(5％～40％)电控气门机械损失与机械效率标定工况：自吸式汽油机:m=0.8~0.9

自吸式柴油机:m=0.78~0.85

涡轮增压式柴油机:m=0.80~0.921)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素

在相同排量和标定工况条件下，比较涡轮增压发动机、机械增压发动机和自然吸气发动机的机械效率，哪个大？哪个小？(1)机械摩擦损失(50％～80％)活塞组件、轴承、气门机构等(2)附件驱动消耗(～10％)水泵、机油泵、燃油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构(3)泵气损失(5％～40％)机械损失与机械效率(1)示功图法由总指示功Wi，减去台架上测得的有效功We只适用研发：(a)上止点难以精确测量：偏差1CA，误差10～15％(b)各缸不均匀，需要同时测量1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素机械损失与机械效率(2)倒拖法发动机正常运转后。断油或断火，用电机反拖发动机，测得的反拖功率误差：(a)无燃烧，缸内压力低，活塞与缸套间隙加大摩擦损失减小；润滑油粘度加大，摩擦损失增大(b)排气阻力加大，泵气损失增大(c)压缩、膨胀线不重合，增大pmm汽油机压缩比小，所以误差小1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素2.倒拖法图2-6发动机在倒拖时的p-V图机械损失与机械效率(3)灭缸法用于多缸机本质上也是倒拖法（N-1缸拖1缸），但更接近真实状态新问题：灭缸后进排气波动效应的影响两大数相减得到小数，误差加大1)机械效率的定义2)机械损失的组成与份额3)机械损失的测量4)机械效率的影响因素此法仅适用于自然吸气式多缸柴油机。当发动机调整到给定工况稳定工作后，先测出其有效功率Pe，保持发