第1章-性能指标及影响因素修改

点燃式和压燃式内燃机工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控Email:sjshuai@Phone14帅石金清华大学汽车工程系汽车发动机原理AutomotiveEngineFundamentals一、内燃机工业初创期(1908～1949年)1901年冬上海开始出现由外国人带入的汽车，外国生产的内燃机作为商品也开始进入我国口岸。据统计，仅上海一地，先后有20多个洋行(外国人办的商行)在我国推销英、德、美、法等国生产的30多种型号的内燃机。由于内燃机在性能上比蒸汽机优越，有市场需求，继1908年均和安机器厂的5.88kW单缸卧式煤气机及1915年广州协同和机器厂制成的第一台29.4kW烧球式柴油机后，1924年上海新祥和机器厂制成11.76kW、17.05kW等5种不同规格压缩着火四冲程低速柴油机，上海新中工程公司分别于1929年与1939年制成我国第一台功率为26.47kW双缸柴油机和功率为47.79kW的4缸机及1800r/min的车用柴油机。这表明中国已由制造结构比较简单的单缸卧式低速柴油机和煤气机发展到技术要求较高的多缸柴油机和车用柴油机，但这些机器的技术指标还比较落后，耗能耗材大，故障多，关键零部件需依赖进口。1949年全国内燃机总的生产能力为7000kW左右，从1908年到1949年累计生产内燃机不足14万kW。二、内燃机工业体系的建设和形成期(1949.10～1979年)1.内燃机工业体系的初建期(1949.10～1957年)

2.内燃机工业体系的建设与形成期(1958～1979年)1.内燃机工业体系的初建期(1949.10～1957年)1949年新中国成立后，内燃机工业得到了恢复与发展。上海柴油机厂试制成功110系列柴油机，天津动力机厂研制成功4146柴油机，上海与天津建立油泵油嘴生产点。1952年我国内燃机产量达到近3万kW，同年第一机械工业部成立，由第四机器工业管理局负责领导与管理全国动力机械生产。1956年长春建立第一汽车制造厂，年产3万辆装载质量为4t的解放牌汽车，其发动机为功率为66kW的CA10型6缸汽油机，同年南京汽车厂开始生产功率为37kW的NJ—50型4缸汽油机。到1957年全国内燃机产量达到50万kW，内燃机工业已初具规模。2.内燃机工业体系的建设与形成期(1958～1979年)1958～1966年，内燃机工业发展迅速。1959年农业机械部成立(1965年改为第八机械工业部)，对我国内燃机工业的规划与发展起了重要作用。这一时期，上海柴油机厂试制成功了可与汽车、工程机械、船舶、农业机械、发电机等多种用途配套的135系列柴油机，它是我国由仿制到自行设计、由小批量转为大批量生产的第一个中小功率柴油机系列。三、内燃机工业飞速发展期(1979～现在)1979年十一届三中全会以后，拨乱反正，内燃机工业进行了一系列调整整顿工作，通过引入市场机制，推行全面质量管理，引进国外先进技术和对企业进行技术改造等，我国内燃机的技术水平有了明显提高。这一时期是我国内燃机发展史中的鼎盛时期，引进与开发的新产品种类繁多二、压燃式发动机图1-9昆明云内动力股份有限公司生产的D19TCI系列轿车柴油机的横剖视图二、压燃式发动机图1-10昆明云内动力股份有限公司生产的D19TCI系列轿车柴油机的纵剖视图二、压燃式发动机图1-11一汽集团公司生产的CA6DL发动机的纵剖视图二、压燃式发动机图1-12一汽集团公司生产的CA6DL发动机的横剖视图二、压燃式发动机图1-13东风康明斯发动机有限公司生产的ISLe电控发动机的纵剖视图讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力动力的获取和输出；能量的消耗和利用燃料能量转换的“质”环节；加入整机能量总量的“量”环节讲课内容1.工质对活塞所作功及示功图2.发动机的性能指标3.影响动力经济性指标的环节与因素第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力一、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

<

0

Power作功过程W

>

0

Intake进气过程W

>

0

Exhaust排气过程W

<

0

WpdV=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！讲课内容1.工质对活塞所作功及示功图2.发动机的性能指标3.影响动力经济性指标的环节与因素第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与新能源动力系统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）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(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VmVm2221.7279.519.812.37.8[m/s]7.0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讲课内容1.工质对活塞所作功及示功图2.发动机的性指标3.影响动力经济性指标的环节与因素第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与新能源动力系统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”的环节燃料及可燃混合气的热值1.燃料低热值：单位质量燃料在标准状态（T：298K,P：101.3kPa）下，定压或定容完全燃烧所能放出的热量，即反应热。燃料燃烧时，燃烧产物H2O以气态排出，其气化潜热未能释放时的热量叫低热值，用Hu表示。2.可燃混合气热值：单位质量或单位体积的可燃混合气在标准状态下定压或定容完全燃烧时的低热值。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