第一章 性能指标与影响因素

山东理工大学交通与车辆工程学院刘从车发动机原理AutomotiveEngineFundamentals本学期的任务基本任务：基本课程、实习核心任务：为自己的前程确定方向{一条原则：为自己多创造路

找工作：学好专业课？了解多方信息、礼仪、权衡（单位地域、家庭、收入考研：报志愿、努力、学习方法、休息、心态、身体、营养、安排计划、调剂发动机的用途很广泛本课程定位_专业核心课程汽车发动机总体构造（一体两机构五系统）奥迪A62.4T发动机前视图奥迪A62.4T发动机后视图奥迪A62.4T发动机上视图以问题为导向学习本课程学习发动机原理的根本目的：汽车构造What（一体两机构五系统）发动机原理WhyHow2、载货汽车为什么很少用汽油机？1、柴油车为什么冒黑烟？为什么比汽油车噪声和振动大？4、为什么淘汰黄标车？国四标准到底影响多大？（1）提高动力性（2）降低油耗（3）改善排放3、汽油机采用电喷的优点？柴油机采用共轨的优点？？？？？？？以发动机性能为研究对象课程特点多学科的综合应用

热力学、传热学、燃烧学、流体力学、化学反应动力学、机械学形散而意不散（围绕三个目标，三个环节）：

强动力－降能耗－减排放 燃料－燃烧－排放能量加入的“量”和能量转化的“质” 燃料能量转换的效率

动力性经济性指标的表达式多因素、多参数的综合分析：

一因多果和一果多因 优化、折衷、合理匹配的辨证观念发展观点:

关注新能源新技术教材和参考资料使用教材：王建昕、帅金石编著，汽车发动机原理，清华大学出版社， 2011年3月第一版1、周龙保主编，内燃机学，机械工业出版社，2011年1月第三版参考资料：本课程教材体系介绍（篇章之逻辑关系）第一篇（基础篇）动力输出与能量利用---主线和核心第1章动力经济性能指标与影响因素--发动机性能基本概念和指标，导出影响性能的四大类理论因素第2章燃料与工质--第2至第8章具体介绍影响性能的四大类因素（15个参数）第3章循环分析与能量利用第4章换气过程与循环充量第二篇（基础延伸篇）燃烧与排放---主线的延伸、派生问题第6章燃烧的基础知识第7章柴油机的混合气形成与燃烧过程第8章汽油机的混合气形成与燃烧过程第9章有害污染物的生成与控制---如何控制发动机的排放，满足法规要求第三篇（应用篇）运行特性与性能调控---发动机实际运转特性及匹配问题第5章发动机运行特性与整车匹配----发动机如何与底盘匹配第四篇（创新及展望篇）新技术新结构新能源第10章新燃烧方法及替代燃料发动机----如何面对能源危机和环境污染出勤+课堂：10%实验成绩：10%考试成绩：70%课堂教学：22学时实验：2学时学时分配考核方式作业：10%课程地位

本课程是车辆工程领域的主干课程，也是本专业的专业基础课。通过学习使学生掌握汽油机、柴油机等常规动力的工作过程与工作原理，理解发动机性能的各种影响因素，并了解发动机节能技术的前沿知识。本课程不仅为相关专业后继课程的学习提供了理论依据，而且为这些专业学生日后的工作和科研打下坚实的理论基础，这使本课程在本专业课程中处于重要地位。

与前面所学课程的联系:

本课程是专业理论课，以《力学》、《电器》、《机械原理》、《工程制图》、《汽车构造》等基本课程为基础。特别是《汽车构造》，根据专业知识的衔接，学生需首先学习发动机基本的曲柄连杆机构和配气机构的组成、结构、功用、工作原理以及汽、柴油的燃油供给系统的组成、工作原理等构造的基础知识，对发动机有感性认识之后，才能学习燃料的燃烧过程、配气定时、喷油控制、发动机特性等理论知识。因此本课程是对学生前两年所学工科知识和汽车构造知识的综合利用和提升。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本书知识结构动力的获取和输出；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”环节第一章性能指标与影响因素★1.1工质对活塞所作功及示功图1.2发动机的性能指标1.3影响动力经济性指标的环节与因素逻辑关系：先说明发动机的做功过程，然后定义这一过程中的许多指标，再解释在做功过程中，影响指标的因素。p-

图★示功图（四冲程）p-V

图BDC(下止点)ppzp0VsVp示功图压力图/展开示功图要求会识图和画图！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★自然吸气发动机作功分析：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

负功自然吸气发动机作功分析：(总)指示功＝W1+W3净指示功＝(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2

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！1.动力性能指标（力量）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（消耗）有效燃料消耗率(BrakeSpecificFuelConsumption,BSFC)机油消耗率(Oil/LubricantConsumption)3.环保性能指标（负面）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（便捷）可靠性或耐久性(Robust/Reliability,Durability)检测/维护(Inspection/Maintenance,I/M)1.2发动机性能指标★

1.2.1指示与有效指示指标:工质对活塞做功为基准的指标。直接反映燃烧和热力循环组织的好坏有效指标：以曲轴对外输出的功率为基础。

直接反映产品整机性能★功：指示功：工质对活塞所作的功，有效功：飞轮对外输出的功，机械损失功：功由活塞传递到飞轮过程中损失的功，包括机械摩擦损失、附件消耗和泵气损失。循环指示功、循环有效功与机械损失功理论上：测量上：以自然吸气内燃机为例：曲轴输出的循环有效功循环净指示功机械损失功＝摩擦损失功＋附件消耗功＋泵气损失功循环(总)指示功这里，循环指示功是指循环总指示功!即泵气损失功计算在机械损失功内！摩擦损失功＋附件消耗功曲轴输出的循环有效功思考：反应发动机动力性能的指示功应为循环净指示功循环(总)指示功？or1、反映热功转换的质量，而不是进、排气系统的阻力大小；2、难以将泵气损失直接测出。指示指标:

工质对活塞做功为基准的指标pWiVmis=注意：这里的压力事实上就是物理上所说的压强，N/m21、指示平均压力定义：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和强化程度。使不同发动机的动力性具有可比性2、指示功率Pi(kw)定义：发动机单位时间所作的指示功—指示功率Pmi(MPa)Vs(L)n(r/min)Wi(Kj)D、S（cm）τ行程数四行程τ=4二行程τ=24指示燃油消耗率bi:

定义：单位指示功的耗油量(g/kw.h)B---小时耗油量kg/h3指示（热）效率ηi

定义：是实际

循环指示功与消耗的燃料热量之比值有效指标：以发动机曲轴对外输出的功率为基础。1、有效功率Pe：单位时间输出的有效功。2、有效平均压力定义：单位气缸工作容积所作的有效功。pWeVmis=3、有效热效率ηe

定义：实际

循环有效功(J)与消耗的热量(J)之比值4、有效燃油消耗率be:

定义：单位有效功的耗油量(g/kw.h)B---小时耗油量kg/h★指示指标与有效指标的比较：1.以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示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“指示”与“有效”★指示：活塞得到的燃料燃烧对其做功，燃料燃烧不可能把所有热能转化成机械能，热能只是一部分转化成机械能，这部分机械能就是活塞得到功，取名“指示功”；反映“热功转换”过程的好坏。有效：活塞拥有的指示功经过发动机一整套传送过程，将功传递给飞轮，而在传递过程中，一部分要损失（如摩擦、附件），因此飞轮得到的功已经不再是活塞所拥有的指示功，而是指示功减去传递损失后剩余的功。飞轮对外做的功，是对外界有用的功，因而将飞轮所拥有的功取名“有效功”。反映“整机性能”，包含了燃烧过程和机械损失过程。燃料指示功有效功燃烧、热功转换机械传递指示效率机械效率

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1.3影响动力经济性指标的环节与因素追求：pWeVmis=高高从燃料到We转化传递过程中，什么因素决定其大小？一、油量多少；二、利用率（转化率）高低具体：（1）Hu

油质本身1.3.2

（2）gb

用量1.3.3

（3）η

总效率1.3.41.3影响动力经济性指标的环节与因素决定动力输出的两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：与燃料热值和混合气浓度直接相关，不是定值！提高功率的两大环节：

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“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1.3.2可燃混合气浓度与热值2)空燃比

(Air/Fuelratio,A/F)3)燃空比(Fuel/Airratio,F/A)可燃混合气浓度与热值燃空当量比(equivalentratio)

＝1/a，欧美国家常用

1.3.3混合气(进气)充量充量系数(容积效率)定义：每缸每循环实际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%)

大气密度(自然吸气机型)

增压后空气密度(增压机型)充量系数是决定发动机动力性好经济性和进气过程完善程度的重要评价指标，第四章细述。1.3.4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%曲轴输出功总指示功整机性能热功转化功率和油耗的表达式(课程总纲)燃烧效率(第二部分)循环热效率(第3章)机械效率(第3章)进气充量(第4章)混合气热值(第2章)本章总结：1、工质对活塞所作功及示功图动力过程功：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