内燃机原理课件

内燃机的工作循环

2-1内燃机理想循环在热机中，确定工质所经历的过程称为循环。内燃机的实际热力循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成的，循环中工质存在着质和量的变化，整个过程是不可逆的。要确切地描述内燃机中实际的热力过程，在目前条件下还非常困难。为了了解内燃机的①热能利用的完善程度；②能量相互转换的效率；③寻求提高热量利用率的途径。将内燃机的实际循环进行若干简化，提出一种假想循环，这种假想循环就称为“理想循环”。

利用理想循环能够清楚的比较说明影响内燃机热能利用完善程度的主要因素。理想循环的简化假定：①工质是一种理想的完全气体，在整个循环中保持物理及化学性质不变，其状态参数的变化遵守气体状态方程pV=mRT

②不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失，工质数量保持不变，循环是在定量工质下进行的。③把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的绝热等熵过程，工质与外界不进行热交换，无摩擦、流动损失,工质比热容为常数。④用假想的定容或定压加热来代替实际的燃烧过程，用定容放热代替实际排气带走的热量。

图2-1图2-1（b）为等容循环（也称奥托循环）a—c为绝热压缩；c—z为等容加入热量Q1;z—b为绝热膨胀；b—a为等容释放热量Q2。在压缩、膨胀过程，工质状态用表示。根据加热方式的不同,理想循环有三种形式可供分析选择。压缩过程的容积变化用压缩比表示。

膨胀过程的容积变化用后膨胀比表示。定容加热的压力升高，以压力升高比表示。

图2（c）为等压循环（也称狄赛尔diesel循环）

a—c为绝热压缩；

c—z为定压加入热量Q1;

z—b为绝热膨胀；

b—a为等容释放热量Q2。定压加热过程的容积变化用初膨胀比表示,其它同等容循环。

图2（a）为混合循环

a→c为绝热压缩；

c→z为定容加入热量Q'1;y→z为定压加热量Q''1;z→b为绝热膨胀；

b→a为等容释放热量Q2。由热力学知,混合循环热效率为：

（2—1）

在定压循环中,＝1，代入（2—1），则得定压循环的热效率公式为：（2—2）

在等容循环中，初膨胀比=1，代入（2—1）式则热效率的公式为

（2—3）分析上式可知，（1）ε↑，则↑，但随ε不断增大，提高幅度逐渐降低。（2）↑，则混合循环中等容加热量↑，↑。（3）↑，则负荷pt↑

，但下降，因此，按等压循环的发动机，pt↑

，则下降。（4）k↑

，则↑，但在发动机中k变化不大。（5）当ε相同时：（6）当pz相同，Q1相同,ε不相同时，这是因pz不变时，等压循环的ε最大，而等容循环的ε最小之故。ptvptvt,,,hhh>>2.2涡轮增压内燃机的理想循环在非增压的内燃机中，工质只膨胀到b点，然后由b点等容放热至a点，损失了排气中的一部分热能，如果工质由Pz一直膨胀到Pa,即在b点后继续膨胀至g点，如图2－2所示，那么这种循环，比无涡轮增压循环要来的完善，它在相同的加热条件下，多获得一部分功（b—g），使提高了。我们称这种循环为继续膨胀循环。这种继续膨胀循环如在内燃机气缸中实现，将使气缸加长，使发动机重量增加，通常是在发动机排气管处加一涡轮，使废气在涡轮中继续膨胀作功，涡轮再带动一个压气机，将空气压缩后再进入气缸中，提高进缸空气量，这样可提高Pt。对涡轮增压内燃机理想循环而言，一般涡轮增压内燃机涡轮后的排气压力略高于大气压力，但压力脉动的幅度不大，因此假定循环的放热过程等压，并假定气体由气缸流向涡轮，无流动损失与传热损失等。其它假定与非增压时一样。

涡轮增压内燃机从气缸排出的废气继续膨胀有两种方式:脉冲涡轮增压：从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续膨胀，排气管做成有利于使涡轮进口气体压力幅度达到最大，充分利用废气中的脉冲能量。但供给涡轮的能量变化大，涡轮效率较低,当<2.5时使用.定压涡轮增压：将各缸中排出的废气导入一根容积很大的排气总管，使涡轮前的压力保持恒定，这种方式的脉冲能量不能利用。但在涡轮中废气能量转换是稳定的，涡轮效率较高。当＞

2.5时,定压的效率高于脉冲的效率，此时常采用定压涡轮增压方式。带脉冲涡轮增压的内燃机理想循环如图2－2所示。

a'—a为压气机中的绝热压缩；

a—c为气缸中的绝热压缩过程

c—y为气缸中的定容加热过程;y—z为气缸中的定压加热过程

图2－2无中冷脉冲涡轮增图

2—3带中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环压内燃机的理想循环

z—b为气缸中的绝热膨胀过程；

b—g为涡轮中的绝热膨胀过程；

g—a‘为涡轮中的定压放热过程。也可将脉冲涡增压内燃机的理想循环视为内燃机的理想循环acyzba和定容燃烧式燃气轮机理想循环a‘abga‘两部分叠加。为了提高进气密度，通常对增压器后的进缸空气冷却，工作循环只是比无中冷的多了一个k—a等压向冷却器放热过程。带空气冷却的脉冲涡轮增压内燃机理想循环热效率的公式为（2－4）无空气中冷的脉冲涡轮增压内燃机的理想循环热效率只需将温降比代入（2－4）即可得：

（2－4'）

定压涡轮增压内燃机理想循环如图2－4所示，图2－4定压涡轮增压内燃机的理想循环带空气中冷定压涡轮增压内燃机理想循环热效率公式为:

（2－5）当＝1，即变为无空气中冷的定压涡轮增压内燃机理想循环热效率公式：（2－5`）

2－3内燃机理想循环热效率如图2－5所示，图2－5涡轮增压内燃机理想循环

据热效率的定义，依图，内燃机理想循环的热效率为：（2－6）式中利用绝热循环、等容循环、等压循环过程，确定Q2’和Q2’’

中的Tg、Ta’、Tk于是内燃机理想循环的热效率为：（2－7）式（2－7）是内燃机理想循环热效率的通用表达式。它包含了已讨论过的各种循环方式。下面讨论各循环方式的热效率及其影响因素。（1）空气冷却的影响在其它条件相同的情况下，若采用空气冷却，（2－7）式中与有关的项为：

若不采用空气冷却，则＝1，上述相关项仅为－k，显然有：采用空气冷却比无中冷循环的总效率低，但影响很小，例如：当增压压力为Pk=0.2MPa时，空气冷却后的温降△T＝30K,而ηt只下降0.4％。在实际发动机中，对空气进行冷却，提高进缸空气密度是提高内燃机强化程度的有效措施，并对发动机的经济性有益处。实际的发动机带中冷的比不带中冷的油耗率要低。

（2）废气能量利用的影响在压缩比和加热量一定的情况下，废气能量的利用有三种情况：①当达到最大时，导致ηt达最大。此时代入（2－7）式得有空气冷却脉冲涡轮增压内燃机理想循环的热效率公式

这种循环因充分利用了废气能量，在涡轮中继续膨胀作功，热效率比定压涡轮增压的要高。②当＝1，即,为带中冷得定压涡轮增压内燃机得情况。将＝1代入式（2－7）中，得热效率公式;

理论上，定压涡轮的效率小于脉冲涡轮的效率。在实际发动机中，因脉冲涡轮的效率较之定压涡轮的要低，因此，当πk<2.5时，常采用脉冲涡轮增压，

πk>2.5时，一般采用定压涡轮增压。这一点在第七章中将会详细描述。③当最小时，即πT＝1，而πk

>1时，这时相当于不利用废气能量带中冷的机械增压内燃机循环。以πT＝1代入（2－7）中的热效率公式为：（2－8）由（2－8）式可知，在一定下，当πk

上升，则下降，由此可得出，增压压力越高，经济性越低，机械增压不宜采用较高的增压比。

（3）若πk＝1，πT＝1，＝1，以ε

代替代入（2－7）式，即得到一般非增压内燃机混合循环热效率的公式（2－1）。非增压热效率的影响因素及其比较前面已讲授，这里不再重述。

2.4内燃机实际循环

内燃机实际循环有着许多不可避免的损失，它的热效率和循环功比理论循环的要小，为了减少实际循环与理论循环在指标上的差距，有必要分析其原因。图2－6四冲程内燃机实际循环的p-V示功图(1)工质不同（理想循环为双原子气体；实际的为空气和燃烧产物的混合物）,①工质成分变化柴油机中，燃烧前是新鲜空气与上循环的残留废气的混合物，燃烧后，工质成分为燃烧产物。②工质比热变化a.理想循环工质的比热是不随温度变化的，实际工质（空气和燃气的混合物）的比热随温度上升而上升。b.理想的双原子气体（O2

，N2，空气等）比热比实际的多原子燃气（CO2，H2O，SO2等）比热小。如加热量相同，实际循环能达到的最高温度较理想循环的为低，小些。

③工质高温分解在1300k以上，燃烧产物发生高温分解，分解会吸收热量，使循环的最高燃烧温度下降，

④工质分子数发生变化→燃料燃烧后气体的千摩值会增大，当工质V、T相同时，P会增大，这有利于循环作功。以上四中变化，以②变化影响最大，其他影响较小。

(2)

换气损失理想循环是闭式循环，无工质更换，无流动损失。实际循环，工质必须更换，有进、排气过程。工质在进入气缸和排出气缸时，以一定的速度流经进、排气管，进、排气道和

进、排气门，有流动损失。另外为使废气排除干净，排气门在下止点前打开；使P-V图上的有用功面积减少b1—d1

。图中b1b1’d1b1和d1rtatd1面积为换气损失。图2－6′

非增压柴油机理论循环和实际循环p-V图的比较

（3）涡流与节流损失活塞的高速运动使工质在缸内产生涡流，对分开式燃烧室，工质流入流出副室时，会在通道中产生节流损失。使

(4)

传热损失理想循环时假设气缸壁与工质无热交换，实际循环中，工质与气缸盖，活塞顶，气缸壁，进、排气门有热交换，使（5）

燃烧不及时，后燃及不完全燃烧损失①燃烧不及时理想循环假定定容加热是瞬间完成的，实际循环时，燃烧需要一定时间。

a.喷油常提前：使着火在上止关前开始，增加了压缩负功ct’

c1ctct’

。

b.燃烧速度有限，传热损失及在燃烧过程中活塞离开上止点的运动，使压力增长ct

z1”

<cz’.初膨胀比减少，损失了cz1”z1。

②后燃当接近z1’点时，氧浓度降低，使燃烧速度下降，在膨胀线e点还在燃烧。这就是后燃现象。e点的位置取决于混合气形成的完善程度，供油规律，过量空气系数的大小及发动机的转速等因素。一般好的情况下在上止点后40℃A～70℃A，也可能拖延到排气门打开。后燃是在后膨胀比较小的情况下进行的，所以损失了z1z1’ez1,

。③不完全燃烧由于混合气形成不良引起不完全燃烧，使燃料热值未充分利用，使燃烧膨胀线下移,。

（6）

漏气损失理想循环中工质质量不变。实际循环中，气门，活塞环处有泄露，一般约为总量的0.2%。

上面已就实际循环与理论循环的差异做了一般性的比较，下面将继续讨论压缩，膨胀过程，燃烧与换气过程将在后面的章节详细论述。

一.压缩过程理想循环中，压缩过程始于下止点，止于上止点，是一个等熵过程，在整个过程工质数量与比热无变化，与周壁无热交换。实际循环中，压缩过程始于下止点后一定角度（进气门完全关闭，为使多进气），结束于上止点前燃油着火时止（提前喷油，因为燃烧有一定滞后），存在失效行程，它是一个多变过程，有泄露，比热有变化，与周壁有热交换。（1）

压缩过程的作用：①扩大了工作循环的温度范围②使循环的工质得到更大的膨胀比，可对活塞多作功。

③提高了工质的温度压力，为冷起动及着火创造了条件。

（2）

压缩比压缩比是一个描述工质容积变化和压缩程度的参数，定义为压缩始点容积比上压缩终点容积，即，对不同类型的

发动机有不同的要求。理论上，希望越大越好。实际上对有一定的限制。原因如下：①的上限

a.对点燃式内燃机（如汽油机，煤气机），在缸内被压缩的是空气与燃料的混合物，上限受到可燃混合气早燃或爆燃的限制。因此，上限取值应考虑到燃料的性质，传热条件及燃烧室结构等因素。

b.对压燃式发动机（如柴油机）,上限受到机械负荷Pc、Pz，噪声、排放（温度高,NOX上升；高温下CO2分解形成CO）的限制。当上升到一定程度时，上升的程度明显减少，太高反而得不偿失。②的下限

a.

对点燃式内燃机,在满足上限的限制下,尽量使高些。

b.对压燃式发动机（如柴油机），应保证压缩终点的温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。实际上为便于起动，比这一要求的温度还应高些。这是因为：提高燃烧柔和。

Tc

↑

改善冷起动性能,一般比自燃温度高200-300k

一般分开式燃烧室的内燃机以及小缸径内燃机均应有较高的压缩比。化油器式汽油机

6.5～11.0

煤气机

6～10

非增压柴油机

16～22（直喷式16～18，间喷式18～23）增压柴油机

11～17

（3）多变压缩指数实际循环中，压缩过程是一个多变过程，其压缩多变指数在整个压缩过程中是变化的。

工质受热

，n1>k1，工质放热，n1<k1

在压缩初期，工质的温度低于周围表面的温度，工质从这些表面吸热，此时，n1按大于绝热指数k1变化。实际压缩曲线ab比绝热压缩曲线an要陡。当继续压缩，工质温度与周壁温度相等，这时无换热，

,n1=k1。压缩继续进行，工质温度进一步增高，这时工质向周壁传递热量，，n1按小于绝热指数k1变化，实际压缩曲线ec比绝热压缩曲线em平坦。

m-e

绝热压缩

a-n绝热压缩

a-b-e-c

实际压缩多变过程

图2-7压缩曲线图

实际压缩过程是一个按n1变化的多变过程，在实际循环近似计算时，采用变化的n1是困难的，可以用一个平均的n1来代之。只要计算使压缩过程起点a和终点c的工质状态与实际过程相符即可。压缩终点的状态参数可由多变状态方程确定：

MPa（2-9）

K（2-10）一般的范围为1.32~1.39水冷汽油机 1.36～1.39风冷汽油机 1.39～1.42(因为Qw↓→n1↑)煤气机 1.37～1.39非增压柴油机 1.35～1.40(活塞冷却)增压柴油机 1.32～1.37(因为Ta↑

→Qw↑→

n1↓

）(活塞冷却)

由n1的大致范围可知，实际压缩过程与理想的压缩过程还是很接近。

n1的大小主要取决于工质与周壁热交换的情况。因而主要受下列因素影响：

转速热交换时间tn↓→向气缸壁的传热量Qw↓漏气量↓→(2)负荷pt↑→pt↑→周壁温度→工质向周壁传热量Qw↓→(3)

气缸尺寸↑→气缸尺寸↑→面容比↓→工质向周壁传热量Qw↓→(4)

分开式燃烧室的n1<直接喷射式燃烧室的n1因相对散热表面积大，工质热损失多。(5)

冷却强度↑→如：水冷比风冷的低(6)

↑→

因为传热量与漏气量↑。(7)

进气终了温度Ta↑→工质向周壁传热量Qw↑→

如：增压机n1<非增压机n1

二、燃烧过程

在理想循环中，燃烧是在等容与等压下进行的，不存在损失。在实际循环中，由于燃烧需要进行一定的时间，需提前供油，燃烧速度也不均匀（有急燃、缓燃），且与活塞运动不同步。另外，存在缺氧和高温分解，造成燃烧滞后（不及时），后燃，不完全燃烧。在图上反映是圆弧线。

三、膨胀过程

1.

作用：膨胀过程是内燃机的作功过程。一部分热能转变为机械能。

2.

差异：在理想循环中，膨胀过程为绝热等熵过程。在实际过程中是一个多变过程：①膨胀过程的前阶段是以燃烧,缓燃和后燃为主的过程，后一阶段才是以工质膨胀为主的热力过程。②膨胀过程中不仅放出热量，也改变了工质的成分和数量；还发生高温分解产物的重新化合；工质向周壁有传热，传热强度不断变化；存在漏气；比热变化。

3.膨胀多变指数

n2

膨胀过程不是绝热过程，多变指数n2是变值。在膨胀过程中，工质受热dQ>0，n2<k2

工质放热dQ<0，n2>k2

图2-8柴油机膨胀过程曲线示意图

zz1

：膨胀初期，后燃较多，过程接近等温过程，n2≈1。

z1z2

：后燃及分解产物重新化合，工质受热量大于向缸壁散热量，所以dQ>0工质仍受热，但比zz1,少，所以n2<k2

。

z2z3

：后燃减少，分解产物的化合作用仍在进行，工质受热量等于向缸壁散热量

dQ=0，这时n2=k2

。

z3b

：后燃已消失，但高温分解产物化合作用仍在进行，发出的热量小于工质向缸壁的传热量,工质放热dQ<0，n2>k2

。在膨胀过程的简化计算中，与压缩过程一样，用一不变的n2来代替变化的n2

，并用不变的n2计算膨胀终点pb和Tb

，使之与实际相符。膨胀过程可用多变方程表示：（2-11）

（2-12）

Pb

、Tb的大致范围：汽油机

pb=0.35～0.5MPa,Tb=1200～1500K非增压柴油机

pb=0.25～0.6MPa,Tb=1000～1200K

增压柴油机

pb=0.60～1.0MPa,Tb=1000～1200K

n2的值一般如下：

高速内燃机 n2 =1.15～1.24非冷却活塞柴油机 n2=1.20～1.28冷却活塞柴油机 n2=1.25～1.30()汽油机 n2=1.22～1.28影响n2的因素：

(1)转速当→膨胀过程时间

(2)燃烧速度后燃↓→燃烧阶段的热利用系数工质受热↓

(3)气缸尺寸↑→当S/D一定，气缸尺寸大→相对散热表面积小，相对漏气缝隙也小→工质受热↑→，,

(4)负荷

pe↓→n2↓

n一定，pe↓→

工质平均温度↓→→工质受热↑→

n2↓

.

四、换气过程。

1.作用：更换工质，使循环能不断进行。

2.差异：理想循环是闭式循环，无工质更换，无换气过程。内燃机实际循环必须排除上一循环的废气，进入新鲜空气，才能使燃料混合燃烧，使循环得以进行下去。进气时经过进气管和进气道有阻力，非增压机进入气缸的空气压力低于大气压，为使排气克服排气道、排气管阻力，排气压力必须大于大气压力才能排出，因此，排气过程的压力大于大气压力。进、排气过程的曲线包容的封闭曲线表示作用于活塞上的负功，人们称之为泵气功。所以换气过程有功的损失。

2-5内燃机工作循环举例在内燃机中四冲程内燃机要完成一个循环需四个冲程，二冲程内燃机完成一个循环需要二个冲程。一.四冲程内燃机的工作原理

图2-10四冲程内燃机工作循环（汽油机）（a）进气行程(b）压缩行程（c）膨胀行程（d）排气行程

二.二冲程内燃机的工作原理

图2-11二冲程内燃机的工作循环（汽油机）

三.示功图把内燃机在1个循环中气缸工质状态的变化，表示为压力与容积的关系图（p-V图）或压力与曲轴转角的关系图（图）称为示功图。示功图可用机械式弹簧示功器、压电示功器或气电示功器测录出来。目前常用压电示功器（燃烧分析仪）测录图，但可转换成p-V图。示功图包含了许多反映内燃机性能的信息和数据，是评价分析内燃机性能的主要手段。图2-12（a）是四冲程汽油机的示功图，指示功是

W1是正功，W2是泵气功，对非增压机而言是负功。图2-12（b）是二冲程汽油机（非增压）的示功图，二冲程机没有单独的进排气行程，只有ac压缩过程、cd燃烧过程、da膨胀（作功）过程和eab扫气过程。指示功abcdea为正功。

图2-12内燃机示功图内燃机的工作指标与性能分析3-1内燃机的工作指标内燃机的工作指标是指内燃机处于正常运行状态下，描述和表征内燃机性能和工作状态的一组参数。一、标定性能的主要指标

标定工况，是指内燃机在标准大气条件下，其动力性能和经济性能达到设计指标时所处的运行状态。标定性能指标是指在标定工况下表征内燃机工作性能的主要指标,比如：标定功率――标定工况下内燃机发出的功率。标定转速――标定工况下内燃机相应的曲轴转速。标定油耗率――标定工况下内燃机发出单位功率所消耗的油量。比质量――单位标定功率下内燃机所具有的质量。比容积――单位标定功率下内燃机所具有的容积。

比质量和比容积是用以评价、比较内燃机轻重、紧凑、设计合理性的重要指标。大修期――指从新机开始使用至第一次进行大修或二次大修之间内燃机累计运行的时间。是表征内燃机可靠性与寿命的重要指标。二、驱动扭矩和驱动功率

用测功器可测出某一工况下内燃机输出的扭矩或驱动扭矩Me（见图3-1）。

Me=Pb

图

3－1测功器示意图

用转速仪可测出同一工况下内燃机的转速，则内燃机输出的有效功率或驱动功率为

Ne=2πnMe/103/60

(3-1)三、循环指示功率

图3-2所示的是内燃机的p-V曲线图。每缸每循环的指示功Wi可沿封闭曲线进行积分获得,即

(3-2)也就是图中封闭曲线围成的面积。对于二冲程机(图3-2(a)),单缸循环指示功Wi就是阴影面积，对于四冲程机，单缸循环指示功Wi就是：图3-2（b）阴影面积A＋C,即为压缩膨胀冲程传递给活塞的功。图3-2（c）阴影面积(A+C)－(B+C)，即为四个冲程传递给活塞的功。B＋C为泵气损失。对非增压机，B＋C为负功，对增压机，B＋C为正功。

图3-2p-V曲线图示例(a)二冲程发动机；

(b)四冲程发动机；

c)部分负荷下四冲程汽油机进气和排气行程(泵气回路)

单缸指示功率为：

(3-3)

式中，Z——动作系数(也称为活塞行程数)，对于四冲程机，Z=4；对于二冲程机，Z=2;对于二冲程双动机，Z=1。这个功率称为指示功率，即缸内工质作用于活塞的功率，与驱动功率的不同之处在于，它包含了克服内燃机摩擦和带动辅助机械所消耗的功率以及泵气功率。四、道路功率

指车用内燃机为克服汽车轮胎滚动摩擦阻力和车辆气动阻力所消耗的功率。道路功率的近似计算式为：

（3-4）

式中，fR——滚动阻力系数，凭经验确定(0.012＜fR

＜0.015）3;mA——车辆质量；g——重力加速度；环境空气密度；fD——气动阻力系数，凭经验确定(对于汽车,0.3＜fD≤0.5)3;fA—车辆最大横截面积；vA——车辆速度。五、平均指示压力

MPa，即为单位气缸工作容积所作的指示功，代入式(3-3)，可得

MPa（3-6）六、油耗率gi与效率

gi--表示内燃机每小时每单位指示功率所消耗的燃料量。

g/kW•h

（3-7）

－每循环内燃机所作的功与每循环供给的燃料燃烧所释放能量之比（3-8）七、空燃比和燃空比

空燃比

A/F=(3-9)

燃空比

F/A=(3-10)mL

－每循环进入气缸的空气质量，

mf－每循环喷入气缸的燃料量。对于汽油机，A/F＝12～18，F/A=0.056～0.083，对于柴油机，A/F＝18～70，F/A=0.014～0.056。八、容积效率(充气效率)

η

V

η

V定义为每循环空气进入进气系统的容积流量mL除以被活塞置换容积的速率。

或者表示为（3-11）九、比排放量

比排放量定义为单位时间、单位输出功率内燃机排出污染物的质量流量，单位为mg/(kW·h)。十、增压压力PK与增压比πk

PK:在环境状态下，空气经压气机压缩后压气机的出口压力或进入气缸前的压力。

πk：在环境状态下，空气经压气机压缩后的出口压力比上环境压力。十一、机械效率

：内燃机输出的有效功率比上指示功率

（3-13）3-2内燃机的指示参数内燃机的指示参数是用以表征燃料燃烧释放出来的热能转变为机械能完善程度的一组参数，只考虑了气缸内因燃烧不完全和传热等方面所引起的热量损失，而没有考虑各运动副间所存在的摩擦损失、泵气损失和辅助机械损失等。内燃机的指示参数主要包括内燃机的平均指示压力pi、指示功率Ni、指示效率ηi以及指示油耗率gi，下面主要讨论这几个参数。一、平均指示压力pi和指示功率Ni

1.平均指示压力pi

以一个假想的数值不变的气体压力作用在活塞上，在一个膨胀行程内所获得的功与一个工作循环的指示功Wi相等，这个假想的压力就称为平均指示压力pi。如图3-3所示。

图3-3求平均指示压力pi的示意图每循环每缸所作指示功为：

kJm3于是：

MPa（3-14）由式(3-14)可以看出，平均指示压力就是内燃机在一个工作循环中每单位气缸工作容积(即活塞排量)，活塞所获得的指示功，即。这样，平均指示压力pi就与气缸的容积大小无关了。pi愈高，表示单位气缸工作容积所作的指示功愈多，气缸工作容积的利用率也愈高。同时，平均指示压力pi也是衡量内燃机实际作功能力大小的一个很重要的性能参数，也基本上表征了内燃机的强化程度和工作循环各阶段进行的完善程度。在各种类型内燃机中，标定工况下的pi值一般为：非增压汽油机pi=0.4～1.2MPa增压汽油机pi=0.9～1.5MPa非增压四冲程柴油机pi=0.75～1.2MPa增压四冲程柴油机pi=1.2～3.0MPa非增压二冲程柴油机pi=0.5～0.9Mpa增压二冲程柴油机pi=1.0～2.2MPa煤气机pi=0.6～1.4MPa

2.指示功率Ni

每单位时间内作用于活塞上的指示功称为内燃机的指示功率Ni，即kW（3-15）式中：z为动作系数，四冲程机，z＝4；二冲程机，z＝2；二冲程双动机，z＝1。双动机活塞上方的气缸工作容积为Vs

，下方容积应减去活塞杆所占的容积，后者约为11～12％Vs，以11％Vs计算，则二冲程双动机每个气缸的平均工作容积为，

式（3-15）可写为

kW（3-16）

为了分析pi、Ni与工作循环中各参数间的相互联系，分析影响因素，下面建立数学表达式。计算整台内燃机每小时的耗油量可以用以下两式计算:

kg/h

(3-17)kg/h(3-18)

g/kW.h

整机每小时空气耗量

kg/h

ρs：进气管状态下空气密度，kg/m3,kg空气/kg燃料；

kg空气/kg燃油（L'o，kmol空气/kg燃料）。由（3-17）、（3-18）得：

(3-19)将gi，Ni，mL及L'代入上式，整理后得：

(3-20)将上式代入（3-15），化简得：

kW(3-21)二.影响pi与Ni的因素

1.影响内燃机平均指示压力pi的因素:(1)增压度pk

当α一定时，pk↑ps↑ρs↑pi↑，可见p增

>pi非对特定的发动机，因受热负荷与机械负荷的限制，用提高pk来提高pi也有一个限度（2）过量空气系数α,当每循环供油量不变时，pk↑

α↑AF↑。在α≤2以前，随着α的增大，混合气中的氧气成分增加，可促进燃烧的改善，pi值也随着α值的提高而有所提高。当2.6≥α＞2时，随着α的提高，混合气逐渐变得比较稀薄，pi的增加就变得很缓慢。到α＞2.6后，α↑燃烧速度↓后燃↑

ηi↓pi↓。（3）换气质量ηv内燃机的换气质量愈好→

ηv↑→残余废气愈少，气缸中新鲜充量填充愈充足，→燃烧速度↑→热利用系数ζz↑→ηi↑→pi↑。（4）油气混合的完善程度

柴油机燃油空气混合的完善程度愈高，完全燃烧所需的α↓→pi↑

。但α值也不能太小，太小使气缸热负荷↑，ge↑

。(5)燃烧完善的程度ηi燃烧完善→

→↑放热持续期↓→等容度↑→热利用系数ζz↑→ηi↑

→pi↑。2.影响Ni的因素由（3-15）式知，凡提高pi的途径，均有利于提高Ni；另外，Vs↑，i↑Ni↑，减少z→Ni↑。

三、指示效率ηi及指示油耗率gi1.指示效率ηi每循环所做指示功的热量比上循环供油量的热量，即

（3-11）2.指示油耗率gi

内燃机每小时发出1kW指示功率时所消耗的燃油量，即：

g/kW.h（3-12）或g/kW.h（3-12`）将（3-11）代入上式并整理得

g/kW.h（3-13）由（3-12`）可以清楚看出gi与ηi反比，ηi越高，gi越少，反之亦然。1.影响ηi和gi的因素

改写（3-11）式得，上式右端给出了ηi与循环参数的关系。由上式知，

①

当功一定（piVs一定）循环供油量mfcyc↓→

ηi↑，这说明作同样的功，耗了更少的燃料，热量利用高→

ηi↑。②当mfcyc

一定，piVs↑→ηi↑，这说明消耗相同的燃料，做功多了，热量利用高→ηi↑。热量利用的好坏主要与燃料热能释放的好坏、热量转换成指示功的有效程度及热损失相关。

a.燃料热能释放的好坏它与混合气形成的好坏相关，一般空气足够，油气混合均匀，燃料中的热能就能较好的释放出来→

ηi↑

混合气形成的好坏与燃油系统、燃烧室形状、空气涡流运动及足够空气相关。

b.热能转换的有效程度在内燃机燃烧过程中，燃油热能的释放是按一定规律进行的，如果放热持续期短、等容度高（在上止点附近放热多），那么有效利用率就高，热能转变成机械能的有效程度就大，反之亦然。

c.热量损失的大小热量释放与转换的损失已包含在a、b中，这里主要是考虑冷却介质的传热损失，但在实际发动机中，Tw

＝75～85°

C较好，太低Qw↑→

ηi↓，太高→

ηi↓燃烧变坏→

Tr↑

→

ηi↓。

关于影响gi的因素，由ηi知，它们互为倒数，影响ηi的因素就是影响gi的因素，只是增加ηi

，gi则应减少。

3-3内燃机的机械损失及机械效率一、机械损失功率Nm

在内燃机工作过程中，经曲轴输出的有效功率Ne总小于活塞所获得的指示功率Ni，其差值为机械损失功率Nm，即

Ni－Ne＝Nm而有效功率比上指示功率即定义为机械效率，即

(3-14)现代内燃机的机械效率一般在下列数值范围之内（见P45）：非增压四冲程柴油机ηm=0.75～0.80增压四冲程柴油机ηm=0.80～0.92非增压二冲程柴油机ηm=0.70～0.80增压二冲程柴油机ηm=0.75～0.90四冲程汽油机ηm=0.70～0.85煤气机ηm=0.75～0.80

由上可知，增压比非增压的ηm高，因为增压泵气功为正。机械损失功率由下面几部分组成：Nm＝Nmf＋Np＋Nk＋NauNmf：摩擦损失功率，Np：泵气损失功率，pk>pr为正，pk<pr为负。Nk：机械增压压气机或扫气泵消耗的功率Nau：辅助机械损失功率（包含：燃油泵、机油泵、水泵、发电机等）。对应于机械损失功率Nm引入平均机械损失压力pm，在数值上它等于各部分机械损失压力的总和。下面以一部小型高速柴油机机械损失分配的试验数据为例，这部高速柴油机转速为1600r/min,pe为0.82MPa，pi为0.986MPa，pm为0.17MPa，它的机械损失分配如下：活塞及活塞环摩擦损失为0.50pm；曲轴连杆轴承摩擦损失为0.24pm；泵气损失为0.14pm；辅助机械损失为0.06pm；传动机构及其他损失为0.06pm。机械损失pm=0.17MPa，而pi=0.986MPa，故pm=0.172pi。

可见，活塞及活塞环与缸套的的摩擦损失最大，其次是曲柄连杆轴承的摩擦损失，泵气损失第三，其它二项损失较少。二、机械损失功率的测定比较精确地测定机械损失功率的数值，寻求降低机械损失的途径，对发展新的内燃机或改进已有内燃机都是十分重要的，目前常用的测量方法主要有倒拖法、灭缸法及油耗线法。这些方法都只能近似地求出Nm，各有其不足。1.

1.倒拖法用电力测功器测定。方法：①发动机在给定工况下稳定运行，待T水和T油达正常后，测定Ne。②停机切断发动机的供油，并立即将电力测功器转换为电动机，以给定工况下的转速倒拖发动机，保持T水、T油相同，这时电力测功器上的倒拖功率即为给定工况下发动机的Nm。③由Ne＋Nm＝Ni，得

或

此法最简单、方便。但内燃机在着火运转和不着火倒拖的情况下，其摩擦损失功率和泵气损失功率二者存在较大的差别：①

着火运转时缸内压力较高，摩擦副表面受力大些，着火的Nmf>不着火的Nmf。②

着火运转时，高温、高压的废气自排气阀急速的派出，排气背压比非着火时低，泵气损失小。非着火时，排出的是空气，温度低，比重大，排气速度低，背压高，泵气损失比着火时大。③

拖动状态下，压缩膨胀过程中工质传热损失不一样，压缩和膨胀线不重合，也增加了部分损失。

所以倒拖法测得的Nm比实际高(15～20)％，因此，在使用此法时，对于采用空气旋流较低的直接喷射式燃烧系统的柴油机，可以从测得的pm中减去0.0137MPa，对于采用空气旋流较高、压缩比较高以及分隔式燃烧系统的柴油机，可以从测得的pm值中减去0.0343MPa，这样得到的pm值比较接近实际数值。倒拖法在多缸高速小型内燃机上是最常用的方法，特别是比较小的汽油机，用此法较准。2.灭缸法此法适用于多缸机，使用轮流停缸工作法。当内燃机调整到给定工况下稳定运行之后，用测功器测出其有效功率Ne，以柴油机为例，在固定喷油齿条位置不变（即每缸喷油量不变）的情况下，停止向一缸供油，柴油机转速下降，然后迅速调整测功机负荷，使转速复原，再测出断这缸供油后柴油机的有效功率，Ne－之差即为断油气缸的指示功率，即(3-15)

如果从第一缸起，顺序将各缸断油，求出各缸的指示功率，它的总和就是柴油机的整机指示功率Ni，即（3-16）灭缸法与倒拖法有相同之处，误差原因一样，但灭缸法一次只灭一缸，倒拖法则整机全灭缸，因此，灭缸法比倒拖法精确度高些。倒拖法、灭缸法因使排气压力脉冲发生变化，改变排气能量，所以对排气涡轮增压柴油机不适用。3.油耗线法此法适用于各种内燃机。方法：测定给定转速下的负荷特性。负荷特性测定：在给定转速（n不变）下，通过调整油门保持n，改变负荷，测定不同功率与油耗。在坐标纸上画出以每单位时间的整机油耗量mf（kg/h）为纵坐标，以有效功率（或pe）为横坐标画出油耗曲线，这一油耗线在低负荷接近空载时是直线，顺着直线部分向纵坐标方向作延伸线，并与横坐标线的零点左方相交，如图3－4所示。从坐标零点到这一交点的长度(用横坐标上Ne或pe相同的比例计算)，即近似地代表机械损失功率Nm（或机械损失平均有效压力pm）。但是，并不是所有柴油机的油耗线都是完全直线，这是产生误差的原因。

用油耗线法测量机械损失功率是基于这样一种假定：就是内燃机的机械损失功率Nm（或机械损失压力pm）以及指示热效率ηi是只随转速n的变化而与负荷变化无关的。图3-416V240/275ZL型柴油机用油耗线法测量机械损失功率图三、

影响机械损失功率及机械效率的因素1.

增压↑→ηi↑（一般）①

废气涡轮增压：当pk↑→Ni↑（含泵气功为正因素）→pz↑，采用降低等措施后可使pz增加幅度<Ni增加幅度→Nm↓→↑。机械增压：Ni的增减视压比的高低，由泵气功与压气机耗功之和而定。一般低增压的↑，高增压的↓。

增压后→

若发动机n不变，上述几项影响，Nm与非增压大体相当，但因Ni↑,涡轮增压与低压比机械增压的↑.2.转速n及活塞平均速度Cm

3.负荷与增压类似，一般n不变，负荷↑不会有多大变化，但4.

润滑油温度Toil与冷却水温度Tw

但

所以，Toil

、Tw

一般确定在一定范围，如85ºC左右。

5.气缸尺寸及数目

当Cm、pz不变，D↑，S

↑

3-4内燃机的有效参数内燃机的有效参数包括平均有效压力pe、有效功率Ne、有效效率ηe及有效油耗率ge。它们与指示参数的不同之处就是除指示参数考虑的热力损失外，还考虑了机械损失，它们的关系为：

Ne=Ni-Nm=Niηm

ge=gi/ηm

前面讨论了影响指示参数的因素，影响有效参数的因素除包括指示参数外，还应加上影响机械效率的因素。这些前面都讨论了。3-5内燃机的强化指标与强化分析一、内燃机的强化指标——升功率NeL和活塞功率Nek

单位气缸工作容积(1L)内燃机所具有的标定功率称为内燃机的升功率NeL。

(3-46)由上式知，发动机的升功率取决于pe、n与m。

单位活塞总面积(1m2)上内燃机所具有的标定功率称为活塞功率Nek。（3-47）把活塞平均速度Cm（）代入上式，得称为强化系数，也被用作发动机承载或强化的指标。为分析影响发动机升功率的各种因素，将（3－37）代入（3－46）和（3－47）得

kW/L(3-53)kW/m2（3-54）二、按升功率强化内燃机的分析

从式(3－53)可知，提高升功率NeL取决于下列因素：内燃机的动作系数z，发动机转速n，乘积ηvρs（表示压缩始点缸中新鲜空气的数量），机械效率，比值(表示燃烧过程进行的质量)。

1.采用二冲程循环

2.提高n

但

近年来为了提高发动机的经济性和可靠性，常降低转速，采用增压办法。3.提高③

4.

减少α，提高ηi

组织好油气混合，就能更完全及时燃烧，使

5.增大压缩比ε以提高ηi

①

②化油器式发动机压缩比

③

对化油器式发动机，随,启动变得困难，且必须提高燃烧的辛烷值，这些决定了在目前将ε控制在12以下，为保证非爆震燃烧，对这类增压机不仅不能增加ε，反而要减小ε。④

柴油机，ε是保证可靠起动及零件所能承受的机械负荷这两个条件为出发点来选定的。ε太高，对非增压机，不仅不会提高Nel，还会因Nm上升→Nel↓,对增压机，增大增压压力pk,还需降低ε，使pk与ε协调，这样才能使NeL提高.6.在化油器式内燃机中改用燃油直接喷射三、采用增压强化内燃机的分析增压是最有效的提高NeL的措施，但增压后需考虑以下几个因素：1.

增压压力pk与机械负荷pz2.热负荷与降低热负荷的措施随着，与机械应力增大的同时，因单位工作容积放热量增加，使气缸盖、气门、气缸，特别是活塞的温度梯度增大，热应力也增大；这对内燃机的工作是不利的。因此，pz与热应力是限制