第二章发动机主要性能

第二章发动机的主要性能第一节发动机主要性能指标发动机的指示性能指标发动机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为计算基础的指标，简称指示指标。指示指标表征工质在汽缸内部经历的循环的完善程度，以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价由燃烧到热功转换工作循环进行的质量。是从示功图测量计算得出的。、指示功率：指示功率Pi：发动机单位时间内所作的指示功。若：一台内燃机的缸数i，每缸的工作容积Vs(L)，平均指示压力为pmi(MPa)，转速n(r/min)，冲程数。(kw)压缩比定义：压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比。用ε表示。ε=Va/Vc现代化油器式发动机压缩比一般为6～9(轿车有的达9～11)。上海桑塔纳轿车汽油机压缩比为8.2。压缩比过大的不良后果返回发动机的有效性能指标以曲轴输出功为计算基础的性能指标，称为有效性能指标，简称有效指标。有效指标被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣。一、发动机动力性指标1、有效功和有效功率有效功：发动机每循环曲轴输出的单缸功量。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:发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗；泵气损失等。2、有效转矩发动机工作时由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩，可由测功器测得。(N·m)发动机的有效功率Pe(kW)可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩Ttq及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求得:3、平均有效压力：发动机单位气缸工作容积所输出的有效功。与平均指示压力相似；平均有效压力是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。Ttq∝pmepme反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。Pme=30τPe/Vhni（2-3）式中：Vh—发动机气缸工作容积i—发动机气缸数

τ—发动机行程数。四行程τ=4二行程τ=2应用式（2-2）和（2-3）的恒等关系。可得Ttq=318.3PmeVhi/τ(2-4)因此，对于一定气缸总工作容积（即Vhi）的发动机，Pme反映了有效扭矩Ttq的大小。

四冲程发动机的简单工作原理

四冲程汽油机的工作原理1、进气行程2、压缩行程3、作功行程4、排气行程单缸四冲程汽油机的工作过程三、升功率Pl(发动机强化指标)升功率：在标定工况下(指标定转速、标定功率)，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率

Pl=Pe/iVh(2-5)由式（2-3）可得Pl=Pmen/30τ(2-6)升功率是评定发动机整机动力性和强化程度的重要指标之一，他从发动机有效功率的角度对气缸工作容积的利用率做出总的评价。Pl值愈大，发动机强化程度愈高，发出一定有效功率的发动机尺寸愈小，由（2-6）知，Pl与Pme和n的乘积成正比，因此，不断提高Pme和n以获得更强化、更轻巧、更紧凑的发动机，一直是人们追求的目标。四、有效热效率ηet（发动机经济性指标）衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率ηet和有效燃油消耗率be。有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值，即ηet

=We/Q1对一台发动机，当测得Pe和每小时燃油消耗量qmf（kg/h）,可得ηet=3.6x103Pe/qmfHu五、有效燃油消耗率[g／(kW·h)]是指单位有效功所消耗的燃油量，用be表示（是衡量发动机经济性能的重要指标）be=qmf/Pex103

[g／(kW·h)(2-9)由式（2-8）be又可表示为be=3.6x106/ηetHu可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。一般内燃机在标定工况下的be和ηet值大致在以下范围：be／[g(kW·h)-1]ηet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be值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机)四冲程汽油机274～4100.30～0.20二冲程汽油机410～5450.20～0.15机械效率：发动机的有效功率与指示功率之比。机械效率是指曲轴输出的有效功（或功率）与指示功（或功率）的比值，用符号ηm表示。根据机械效率、有效热效率和指示热效率的定义式，可得三者之间的关系:由有效燃油消耗率和有效热效率的关系式可得:机械效率机械损失的组成：摩擦损失、驱动附件损失、泵气损失。机械损失的测定(倒拖法)：将发动机与电力测功机相连，电力测功机测定的倒拖功率即机械损失功率。六、机械损失的组成及测定

1、活塞与活塞环的摩擦损失：这一部分损失是整个摩擦损失的主要部分。由于它们的滑动面积大、相对速度高和润滑不充分等造成。2、轴承与气门机构的摩擦损失：他包括所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等。由于润滑充分。这部分损失对气缸压力的变化不太敏感。3、驱动附属机构的损失：主要指为保证发动机工作所必不可少的部件总成。如冷却水泵、机油泵、喷油泵和调速器。4、泵气损失：排气过程中，由于进气系统的阻力所消耗的一部分功。在实际测定时常将泵气损失与其他损失一起测得。泵气损失将随发动机转速的升高而增加。一般发动机中机械损失的分配活塞与活塞环的摩擦损失：（45-60）%连杆和曲轴轴承的摩擦损失（15-20）%附属机构的驱动损失：（10-20）%气门机构的驱动损失（2-3）%（二）机械损失的评定机械损失的大小可以用机械损失功率PmPm=Pi-Pe式中Pi—发动机的指示功率Pe--发动机的有效功率为表示各种不同发动机的指示功率转变为有效功率的程度，引入了机械效率的概念。机械效率ηm是有效功率与指示功率之比

ηm=Pe/Pi=1-Pm/PiΗm值越接近1，Pe越近于Pi说明机械损失功率越少，发动机性能越好。第二节发动机的特性发动机的工作状况是不断变化的。当发动机工况（负荷和转速）发生变化时，其相应的各项参数和指标也要发生变化。发动机主要性能指标随发动机转速或负荷的变化的关系，称为发动机特性。发动机特性以图线形式表示的，称为发动机特性曲线。发动机特性：（1）性能特性：负荷特性、速度特性、万有特性、调速特性（2）调整特性：供油提前角、点火提前角、混合气调整特性一、发动机的工作范围从动力性考虑，发动机工作转速范围应在最大功率转速和最大扭矩转速之间。从经济性考虑，发动机工作转速范围应在最大功率转速与最低燃油消耗率转速之间。1.发动机的工况分类第—类工况，其特点是发动机的功率变化时，转速几乎保持不变。该工况又被称为固定式内燃机工况。例如，发电用内燃机，其负荷呈阶跃式突变，并没有一定的规律、然而内燃机的转速必须保持稳定，以保证输送电压和频率的恒定，反映在工况图上就是—条垂直线(图8—1中的曲线1)，称为线工况。灌溉用内燃机，除了起动和过渡工况外，在运行过程中负荷与转速均保持不变，称为点工况(图8—1中的A点)。第二类工况，其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函数关系，如图8—1中的曲线2示的三次幂函数()。当内燃机作为船用主机驱动螺旋桨时，内燃机所发出的功率必须与螺旋桨吸收的功率相等，而吸收功率又取决于螺旋桨转速的高低，且与转速成幂函数关系，这样，内燃机功率就呈现一种十分有规律的变化。该类工况常被称为螺旋桨工况或推进工况，也属于线工况。

第三类工况，其特点是功率与转速都在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系。汽车及其他陆地运输用内燃机，都居于这种工况。此时，内燃机的转速决定于行驶速度、可以从最低稳定转速一直变到最高转速；负荷取决于行驶阻力，在同一转速下，可以从零变到全负荷。内燃机可能的工作区域就是该种类型内燃机的实际工作区域，相应的上况区域称为面工况。二、发动机的功率标定内燃机的功率标定，是指制造企业根据内燃机的用途、寿命、可靠性、维修与使用条件等要求，人为地规定该产品在标准大气条件下所输出的有效功率以及所对应的转速，即标定功率与标定转速。世界各国对标定方法的规定有所不同。按照国家标准GBll05——87《内燃机台架性能试验方法》规定，我国内燃机的功率可以分为四级：(1)15min功率

这一功率为内燃机允许连续运转15min的最大有效功率，适用于需要较大功率储备或瞬时需要发出最大功率的轿车、中小型载货汽车、军用车辆、快艇等用途的内燃机。(2)1h功率这一功率为内燃机允许连续运转1h的最大有效功率，适用于需要一定功率储备以克服突增负荷的工程机械、船舶主机、大型载货汽车和机车等用途的内燃机。

(3)12h功率这一功率为内燃机允许连续运转12h的最大有效功率，适用于需要在12h内连续运转而又需要充分发挥功率的拖拉机、移动式发电机组、铁道牵引等用途的内燃机。

(4)持续功率这一功率为内燃机允许长期连续运转的最大有效功率，适用于需要长期连续运转的固定动力、排灌、电站、船舶等用途的内燃机。

根据内燃机产品的使用特点，在内燃机的铭牌上一般应标明上述四种功率的一或两种功率及其对应的转速。同时，内燃机的最大供油量限定在标定功率的位置上。对于同一种发动机，用于不同场合时，可以有不同的标定功率值，其中，15min功率最高，持续功率最低。车用—常用15分钟,1小时或12小时功率中的两种作为铭牌功率。除持续功率外，其他几种功率均具有间歇性工作的特点，故常被称为间歇功率。对间歇功率而言，内燃机在实际按标定功率运转时，超出上述限定的时间并不意味着内燃机将被损坏，但无疑将使内燃机的寿命与可靠性受到影响。三、发动机的速度特性1.定义:指发动机在油量调节机构（节气门开度或供油拉杆、齿条）位置保持不变时，性能指标（Pe、Ttq、be

、qmf等）随n的变化规律，称为发动机的速度特性。

2.速度特性曲线的绘制方法:通过发动机试验台架上测出的。测量时，油门位置不变，调整测功器的负荷，转速发生变化，待工况稳定后，依次记录不同转速下的Pe、Ttq

、be

、qmf等数据。以n为横坐标，以Pe、Ttq

、be

、qmf等为纵坐标，绘制速度特性曲线。3.分类:全负荷速度特性（即外特性）和部分负荷速度特性。（一）、汽油机的速度特性定义：在节气门开度不变时，其Pe、Ttq

、be等随n的变化规律，称为汽油机的速度特性。1.外特性：节气门在最大开度时所测得的速度特性。2.部分速度特性：节气门在部分开度时所测得的速度特性。1.外特性曲线Ttq曲线：Pe曲线：be曲线：当采用增压后，动力性和经济性均改善。汽油机的外特性如图2-2.他表示出在不同转速下汽油机所能发出的最大转矩和最大功率，代表发动机所能达到的最高性能。一般铭片上标明的功率、转矩以及相对应的转速都是外特性最为重要。点火提前角和供油系统要调到最佳状态，油温、水温正常。Ttq曲线根据Ttq

=k2ηiηmηv/φat分析。Ⅰ.φat可视为常数：Ⅱ.ηi：Ⅲ.ηm：Ⅳ.ηv：结论：在低转速时，Ttq随n提高而增加；某一转速Me达到最大值；在高转速时，Ttq随n的提高而迅速下降。Pe曲线根据Pe=Ttq

n

/9550分析：结论：当n由低逐渐升高时，由于Ttq和n同时增加，Pe很快增加;在达到最大转矩转速nM后，随着转速提高，由于Ttq的下降，使Pe上升缓慢；在某一转速nP时，Ttq.n达最大值；再增加n，由于Ttq下降超过n上升的影响，使Pe下降。be曲线结论：be在某一中间转速(ng)时最低，而在转速高于及低于ng时均使be增加。2、部分速度特性由于固定节气门开度位置的不同可以有无限多个可形成外特性曲线上下的一组曲线镞，凡低于外特性的任何工况都可以在某一部分特性曲线上找到。通常情况下取90%、75%、50%、25%等有代表性的节气门开度来制取，图2-3为25Y-6100Q型车用发动机二、柴油机的速度特性1.定义：在油量调节机构（拉杆、齿条）位置不变时，其Pe、Ttq、be等随n的变化规律，称为柴油机的速度特性。2.分类：1）外特性：当油量调节机构限定在标定循环供油量位置时所测得的速度特性。2）部分速度特性：当油量调节机构限定在小于标定循环供油量的各个位置时所测得的速度特性。3.喷油泵的速度特性及校正:外特性曲线Me曲线：Pe曲线：ge曲线：转矩储备系数与适应系数Ttq曲线Ttq曲线：根据分析。Ⅰ.△g

：Ⅱ.ηm

：Ⅲ.ηi

：结论:在转速较低时，Ttq随n升高逐渐增加；在某一转速时Me达到最大；在转速较高时，n提高而Ttq逐渐下降（平坦）。Pe曲线由于Ttq曲线变化平坦，在一定转速范围内，功率Pe几乎与转速n成正比增加。柴油机的最高转速由调速器控制。当转速超过某一值时，热效率急剧下降；有效功率下降，并冒黑烟。车用柴油机的标定功率受冒烟界限的限制。与汽油机类似，也是一凹形曲线，曲线比较平坦，最低油耗率比汽油机低20%~30%。be曲线四、发动机的负荷特性负荷特性:发动机在转速n一定时，燃油经济性指标及其他参数随负荷的变化规律。一、汽油机的负荷特性二、柴油机的负荷特性结论：负荷特性曲线的特点geGT负荷调节为量调节，负荷特性又称节流特性。1.定义：汽油机转速保持不变(通过改变节气门开度来适应外界负荷的变化)时，每小时燃油消耗量qmf和燃油消耗率be随Pe（或Ttq、pe）的变化规律，称汽油机负荷特性。2.负荷特性曲线分析：1）qmf曲线:2）be曲线:一、汽油机的负荷特性与柴油机不同的是，在测取汽油机的负荷特性时，油量是通过改变节气门的开度来调整的，这样相应地改变了进入气缸的混合气数量，而混合气的浓度变化不大，故称为“量调节”。左图是汽油机的负荷特性。初看起来，汽油机的负荷特性与柴油机负荷特性似乎没什么区别。

有效燃油消耗率be随负荷的变化取决于ηit和ηm的变化⑴指示热效率:随负荷的增加而先缓慢增加，然后略有下降。⑵机械效率：随负荷的增加而增加。当发动机空转时，机械效率ηm为零，这样燃油消耗率be为无穷大。随节气门开度的增加，指示热效率和机械效率均上升，故燃油消耗率急剧下降，在大负荷需要浓混合气，不完全燃烧加剧，指示热效率下降，燃油消耗率上升。1.有效燃油消耗率be曲线2.燃油消耗量qmf曲线转速一定时，汽油机燃油消耗量qmf曲线的变化主要决定于节气门开度（决定充量系数）和混合气成分（过量空气系数）。随负荷增加，节气门开度的增加，汽油机充量系数增大，进入气缸的混合气量增多；过量空气系数先缓慢上升（混合气变稀），然后缓慢下降（混合气变浓），但总体变化不是很大。所以，qmf一直上升；全负荷时，混合气浓度变大，由于燃烧恶化，

qmf上升得更快。qmf曲线由qmf

=k4ηvn/φat知：在转速一定时，qmf主要取决于节气门开度和混合气浓度。结论：be曲线由be=k3/ηiηm

，qmf随负荷的变化取决于ηi和ηm随负荷的变化。如图6-13。ηi曲线：中小负荷时，ηi随着负荷增加而上升；大负荷时，ηi随着负荷增加而下降。ηm曲线：由可知：当n一定，中小负荷时，随负荷增加，ηm迅速增加。大负荷时，随负荷增加，ηm

缓慢增加。怠速时，指示功率完全用于自身消耗（Pi=Pm

），ηm=0。结论：怠速时，be=∞，随负荷增加，be迅速下降；当be

出现最小值后，随负荷增加，be开始缓慢上升。gemin提高汽油机燃油经济性的方法（1）由于发动机负荷率较低时的油耗率be较高，故正确选择发动机的原则：在满足动力性要求的条件下，尽量选小功率发动机，使其经常处于负荷较高的状态下工作，以利于提高燃油经济性。（2）发动机后备功率较大情况下，合理拖带挂车或半挂车。（3）合理利用加速—滑行的驾驶方法来降低油耗。原理是：将汽车加速行驶，较大负荷下工作，利用惯性滑行。二、柴油机的负荷特性1.定义：柴油机转速保持不变(通过移动供油拉杆或齿条位置来适应外界负荷的变化)时，每小时燃油消耗量qmf和燃油消耗率be随Pe（或Ttq、pe）的变化规律，称柴油机负荷特性。负荷调节为质调节。2.负荷特性曲线分析：1）qmf曲线:2）be曲线:一、柴油机负荷特性

1.定义:柴油机转速一定，改变每循环供油量，每小时耗油量B、有效燃料消耗率be随负荷（Pe、Ttq或Pme）而变化的关系。2.柴油机负荷调节方法称为“质调节”。柴油机负荷特性曲线分析（一）耗油率曲线根据公式柴油机耗油率be随负荷的变化取决于ηit和ηm