《发动机性能》PPT课件

汽 车 拖 拉 机 发 动 机 原 理汽 车 学 院主 讲 人 ： 刘 金 山手 机 ： 13604439631qq信 箱 ： 第 一 章 内 燃 机 的 性 能Engine Performance 参 考 书1、 工 程 热 力 学 华 自 强 ， 张 忠 进 编 ， 北 京 高 等 教 育 出版 社 2、 工 程 热 力 学 /陈 贵 堂 ， 北 京 理 工 大 学 出 版 社3、 燃 料 及 燃 烧 /韩 昭 沧 ， 主 编 ， 冶 金 工 业 出 版 社4、 汽 车 构 造 /陈 家 瑞 ， 主 编 ， 机 械 工 业 出 版 社5、 内 燃 机 学 /周 龙 宝 ， 主 编 ， 机 械 工 业 出 版 社6 、 读 者 。 1.1 发 动 机 理 论 循 环 1.2 四 冲 程 发 动 机 的 实 际 循 环 1.3 发 动 机 的 指 示 性 能 指 标 1.4 发 动 机 的 有 效 性 能 指 标 1.5 机 械 损 失 和 机 械 效 率 1.6 热 平 衡作 业 题 及 复 习 题 第 一 章 内 燃 机 性 能 内 燃 机 性 能 指 标 很 多 ,主 要 有 ： 动 力 性 指 标 功 率 /Pe、 扭 矩 /Ttq、 转 速 /n； 经 济 性 指 标 热 效 率 、 燃 油 消 耗 率 be； 运 转 性 能 指 标 冷 启 动 性 、 噪 声 和 排 气 品 质 。 内 燃 机 是 通 过 工 作 循 环 连 续 不 断 进 行 工 作 的 ，工 作 循 环 进 行 的 好 坏 直 接 影 响 到 内 燃 机 的 各 项性 能 指 标 。 因 此 、 我 们 从 内 燃 机 的 循 环 开 始 引出 内 燃 机 的 各 项 性 能 指 标 。 1.1 发 动 机 理 论 循 环 内 燃 机 的 是 燃 料 的 热 能 转 变 为 机 械能 的 过 程 ， 由 等 5个过 程 所 组 成 。 在 这 些 过 程 中 ， 伴 随 着 各 种 复 杂 的， 同 时 ，等 引 起 的 一 系 列 不 可 逆 损 失 也 大 量 存 在 ,十 分 复 杂 。将 非 常 复 杂 的 实 际 工 作 过程 加 以 抽 象 简 化 ， 忽 略 一 些 次 要 影 响 因 素 ， 并 对其 中 变 化 复 杂 、 难 于 进 行 细 致 分 析 的 物 理 、 化 学过 程 进 行 简 化 处 理 ， 从 而 得 到 便 于 进 行 定 量 分 析的 假 想 循 环 或 简 化 循 环 . 研 究 理 论 循 环 的 目 的1)用 简 单 的 公 式 来 阐 明 内 燃 机 工 作 过 程 中 各 基 本 热 力 参数 间 的 关 系 ， 以 明 确 提 高 以 理 论 循 环 热 效 率 为 代 表 的经 济 性 和 以 平 均 压 力 为 代 表 的 动 力 性 的 基 本 途 径 。 寻 找 提 高 经 济 性 与 动 力 性 的 方 法 。2)确 定 循 环 热 效 率 的 理 论 极 限 ， 以 判 断 实 际 内 燃 机 经 济性 和 工 作 过 程 进 行 的 完 善 程 度 以 及 改 进 潜 力 。 设 定 评 判 标 准 。3)有 利 于 分 析 比 较 内 燃 机 不 同 热 力 循 环 方 式 的 经 济 性 和动 力 性 。 用 于 不 同 发 动 机 比 较 。 一 、 三 种 基 本 循 环 (定 容 、 定 压 、 混 合 ) 简 化 原 则 为 (五 个 假 定 条 件 ) : 封 闭 循 环 不 考 虑 更 换 工 质 的 各 项 损 失 ； 压 缩 和 膨 涨 过 程 绝 热 等 熵 不 考 虑 传 热 损 失 ； 理 想 工 质 (空 气 比 热 为 常 数 ) 不 考 虑 工 质 成 分 、 数量 变 化 的 影 响 。 以 热 源 向 工 质 加 热 ， 冷 原 从 工 质 吸 热 代 替 燃 烧 和排 气 不 考 虑 燃 烧 和 时 间 损 失 （ 及 时 性 ） ； 循 环 各 过 程 均 为 可 逆 过 程 （ 可 逆 ） 。 根 据 以 上 假 定 ， 按 照 加 热 方 式 的 不 同 ， 内 燃 机 可 以抽 象 出 以 下 三 种 (定 容 、 定 压 、 混 合 )基 本 循 环 。理 解 ！ ！ 1.定 容 加 热 循 环 (Otto cycle) 汽 油 机 混 合 气 燃 烧 迅速 （ 容 积 不 变 时 燃 烧就 以 结 束 ） 近 似 为 定容 加 热 循 环 。 r-a进 气 过 程 ; a-c绝 热 压 缩 过 程 ; c-z等 容 加 热 过 程 ; z-b绝 热 膨 胀 过 程 ; b-a等 容 放 热 过 程 。 c aP VQ1 Q2bzr 2.定 压 加 热 循 环 （ Diesel cycle） 高 增 压 和 低 速 大 型 柴 油 机 受最 高 燃 烧 压 力 Pzmax限 制 ,大部 分 燃 料 在 上 止 点 后 燃 烧（ 边 喷 边 烧 ） ,燃 烧 时 压 力变 化 不 显 著 近 似 为 定 压 加热 循 环 。 r-a进 气 过 程 a-c绝 热 压 缩 过 程 c-z等 压 加 热 过 程 z-b绝 热 膨 胀 过 程 b-a等 容 放 热 过 程 baP Vc zQ1 Q2rc a zb 3.混 合 加 热 循 环 （ Sabathe cycle） 高 速 柴 油 机 部 分 燃 料 在 上止 点 前 燃 烧 、 部 分 燃 料 在上 止 点 后 燃 烧 ， 近 似 为 混合 加 热 循 环 。 r-a进 气 过 程 a-c绝 热 压 缩 过 程 c-z等 容 加 热 过 程 z-z 等 压 加 热 过 程 z -b绝 热 膨 胀 过 程 b-a等 容 放 热 过 程 Q1 bZc aP V Q1z Q2r 二 、 理 论 循 环 的 评 定1.经 济 性 用 循 环 热 效 率 t评 定 ： 循 环 功 Wt (J)和 循环 加 热 量 Q1(J)之 比 。 （ 1卡 =4.1840焦 耳 ， 即 1千 卡 热量 同 427千 克 .米 的 功 相 当 ） 式 中 ： Wt -工 质 所 做 循 环 功 （ J） Q 1-循 环 加 热 量 (J); Q2-工 质 传 给 冷 源 的 热 量 (J). 121 211 1 QQQQQQWtt 评 定 循 环经 济 性 根 据 热 力 学 公 式 混 合 加 热 循 环 的 热 效 率 ： 压 缩 比 ： Va： 汽 缸 总 容 积 ； Vs ： 工 作 容 积 ； Vc： 汽 缸 压 缩 容 积 。 预 膨 胀 比 ： 11 111 1 Ktm VcVsVcVcVsVcVa 1 ZZ VV 压 升 比 绝 热 指 数 预 膨 比 =1时 定 容 加 热 循 环 ， 压 升 比 =1时 定 压 加 热 循 环 ， 111 tv 1111 1 tp czPP 表 示 定 容燃 烧 情 况绝 热 比比 热 比 vpcck 其 数 值 随 气 体 的种 类 和 温 度 而 变 2.影 响 t的 因 素 .压 缩 比 ： t 。 平 均 吸 热 温 度 ； 平 均 放 热 温 度 ； 循 环 温 差 。 如 图 1-2所 示 。 0 sT 221 4 4 T3331mT mT1 2mTmT2图 1-2 从 图 1-3中 可 知 当 ： 18时 ， 随 着 t 但 效 果 已 不 大 。 .绝 热 指 数 k， 取 决 于 工 质 的 性 质 ，双 原 子 气 体 max=1.4。 t , 工 质 原 子 数 ； 混 合 气 浓 度 。 .压 力 升 高 比 ： a、 在 定 容 加 热 循 环 当 ： 一 定 时 ， Q1 Q2顺 变 Q2/ Q1不 变 t亦 不 变 。 b、 混 合 加 热 循 环 ：当 （ 、 Q1） 一 定 时 ， Q2 t 。但 是 ( ) （ ） ，因 而 零 件 的 热 负 荷 和 机 械 负 荷 都 受零 件 耐 温 和 强 度 限 制 不 能 太 高 。 .预 膨 胀 比 ： a、 在 定 压 加 热 循 环 中 当 一 定 时 ， Q1 t 因 为 后 加 入 热 量 膨 胀 不 充 分 ，排 给 冷 源 热 量 Q2 。 b、 在 定 压 加 热 循 环 中 当（ 、 Q1） 一 定 时 ， t 。 3、 动 力 性 循 环 平 均 压 力 pt： 单 位 汽 缸 工 作 容 积 所 做 的 循环 功 。 根 据 热 力 学 公 式 (J/m3) MPa ： 混 合 加 热 循 环 ： Pa压 缩 始 点 的 压 力 KPa 定 容 加 热 循 环 =1 tmaktm kkpp 1111 stt VWp tvatv KPP )1(*1*1 定 压 加 热 循 环 =1 由 上 述 公 式 可 知 ， 循 环 热 效 率 和 循 环 平 均 压 力 只 和 五 个 参 数 有 关 。 （ ） t 。 tpatp KKPP 1*1*1 ap, ap, 三 、 三 种 基 本 循 环 比 较 当 初 态 相 同（ 、 Q1） 一 定 时 ， Q2 t 。 tv tm tp 当 加 热 量 (Q1 pz)相同 时 , t 。 tp tm tvP VP V 活 塞 式 内 燃 机 各 种 理 想 循 环 的 热 力 学 比 较比 较 的 前 提 ：1） 初 态 相 同2） 吸 热 量 、 压 缩 比 、 最 高 温 度 及 最 高 压力 相 同利 用 T s图 进 行 比 较 最 为 简 便 一 、 压 缩 比 相 同 、 吸 热 量 相 同 时 的 比 较T0 s 554 44 33 3221 5 mVT ,2 mmT ,2 mpT ,2 mpT ,1 mmT ,1 mVT ,1 12341： 定 容 吸 热122341： 混 合 吸 热12341： 定 压 吸 热 tptmtV 吸 热 量 相 同 ，放 热 量 不 同 二 、 循 环 最 高 压 力 和 最 高 温 度 相 同 时 的 比 较12341： 定 容 吸 热123 341： 混 合 吸 热12 341： 定 压 吸 热放 热 量 相 同 ，吸 热 量 不 同 tVtmtp 思 考 题1、 何 谓 理 论 循 环 热 效 率 t ？ 并 以 循 环 加 热 量 Q1， 放热 量 Q2写 出 表 达 式 。2、 什 么 是 循 环 平 均 压 力 Pt？3、 什 么 是 压 缩 比 ？4、 内 燃 机 有 哪 三 种 基 本 空 气 标 准 循 环 ， 高 增 压 和 低 速大 型 柴 油 简 化 为 何 种 基 本 循 环 ， 为 什 么 ？5、 当 压 缩 比 和 Q1相 同 时 ， 用 T S图 比 较 定 容 加 热 循环 和 定 压 加 热 循 环 热 效 率 的 大 小 。6、 在 混 合 加 热 循 环 中 ， 当 Q1和 不 变 时 ， 压 力 升 高比 增 加 循 环 热 效 率 如 何 变 化 ， 用 T-S图 说 明 。 课外作业t 1.2 四 行 程 发 动 机 的 实 际 循 环 在 上 一 节 中 ， 我 们 按 照 热 力 学 的 观 点 把 发 动 机 的 热 力 循 环理 想 化 、 抽 象 化 ， 分 析 影 响 理 想 循 环 的 基 本 因 素 ， 找 出 提高 效 率 及 作 功 能 力 的 途 径 。 本 节 将 对 发 动 机 的 实 际 循 环 进行 分 析 。 研 究 实 际 循 环 的 目 的 ， 就 是 分 析 与 理 想 循 环 的 差 异 和 引 起各 种 损 失 的 原 因 ， 以 求 不 断 改 善 实 际 循 环 ， 缩 小 与 理 想 循环 的 差 距 ， 促 进 发 动 机 的 改 进 与 发 展 。 发 动 机 的 工 作 性 能 ， 常 用 性 能 指 标 来 衡 量 。 本 课 程 是 以 动 力 性 、 经 济 性 、 排 放 、 振 动 、 噪 声 等 性 能 为研 究 对 象 ， 深 入 到 工 作 过 程 的 各 个 阶 段 ， 分 析 影 响 这 些 性能 的 各 种 因 素 ， 从 中 找 出 提 高 性 能 的 一 般 规 律 。 实 际 循 环 通 常 用 气 缸 内 工 质 的 压 力 随 气 缸 容 积 （ 或 曲 轴 转角 ） 的 变 化 图 形 PV图 或 P 图 来 表 示 ， 称 为 示 功 图 。 -工 质 对 活 塞 做 的 功 ； 正 功 。 -泵 气 损 失 ； 增 压 机 ： 正 功 ； 非 增 压 机 ： 负 功 。 四 行 程 内 燃 机 实 际 循 环 由 5个 工 作 过 程 组 成 ， 即 ， 进 气 、 压缩 、 燃 烧 、 膨 胀 和 排 气 。czbbbi rrabr 1 一 、 进 气 过 程 （ r a） 作 用 ： 吸 入 新 鲜 工 质 ， 为 加 入 Q1作 准 备 ； 特 点 ： PaT , T=Ta -T 缸 内 残 余 废 气 加 热 (高 温 机 件 加 热 ;汽 油 机 进 气 预 热 )。 问 题 ： 功 的 损 耗 ； 充 气 量 的 降 低 。 prp0? 进 气 终 了 的 压 力 Pa及 温 度 Ta大 致 范 围 是 ： 汽 油 机 : Pa=（ 0.8 0.90） P0 Ta=340 380K 柴 油 机 : Pa=（ 0.85 0.95） P0 Ta=300 340K 增 压 柴 油 机 : Pa=（ 0.9 1.0） P0 Ta=320 380 K 二 、 压 缩 过 程 （ a c） 作 用 ： 增 大 工 作 过 程 的 温 差 ； 增 大 膨 胀 比 ， 提 高 热 功 转 换 效率 ； 为 燃 烧 过 程 创 造 有 利 的 条 件 ； 柴 油 机 ， 压 缩 高 温 是 保 证燃 料 着 火 的 必 要 条 件 。 压 缩 比 ： 特 点 ： 多 变 过 程 。 开 始 T璧 T工 质 ， 工 质 吸 热 ， n 1K； 某 一 瞬 间 T璧 =T工 质 ， n 1=K； 后 期 ， 由 于 T璧 T工 质 ， n 1K。 但 在 实 际 的 近 似 计 算 中 ， 常 用 一 个不 变 的 、 平 均 的 多 变 指 数 则 来 取 而 代 之 n 1 。 气 缸 压 缩 容 积 气 缸 总 容 积caca vvvv 汽 油 机 : n1=1.32 1.38；n1的 范 围 ： 高 速 柴 油 机 :n1=1.38 1.40； 增 压 柴 油 机 :n1=1.35 1.37。 影 响 n1的 主 要 因 素 ： 当 转 速 (向 缸 壁 的 传 热 量 及 气 缸 泄 漏 量 ) n1 ； 当 负 荷 气 缸 温 度 及 相 对 的 传 热 量 和 泄 漏 量 n1 ； 当 泄 漏 量 或 气 缸 温 度 时 n1 。 压 缩 终 了 的 参 数 Pc (MPa) Tc (K) 汽 油 机 : 0.8 2.0 600 750 柴 油 机 : 3.0 5.0 750 1000 增 压 柴 油 机 : 5.0 8.0 900 1100 汽油机的压缩温度，压力低于柴油机，这是为什么呢？ 发 动 机 的 压 缩 比 是 气 缸 的 总 容 积 与 气 缸 压 缩 容 积 之 比 ，即 ： 在 汽 油 机 中 ， 为 了 提 高 热 效 率 ， 希 望 增 加 压 缩 比 ， 但受 到 爆 震 燃 烧 的 限 制 ， 一 般 为 7 10。 在 柴 油 机 中 ， 为 保 证 喷 入 气 缸 的 燃 料 能 及 时 自 燃 以 及冷 起 动 时 可 靠 着 火 ， 必 须 使 压 缩 终 了 有 足 够 的 温 度 ，需 要 较 高 的 压 缩 比 ， 一 般 为 14 22。何 谓 发 动 机 的 压 缩 比 ？ 简 要 说 明 汽 油和 柴 油 机 如 何 选 择 压 缩 机 。 气 缸 压 缩 容 积 气 缸 总 容 积caca vvvv 三 、 燃 烧 过 程 （ c z z ） 作 用 ： 将 燃 料 的 化 学 能 转 变 为 热 能 ， 使 工 质 的 压 力 、 温 度 升 高 。 放 出 的 热 量 越 多 ， 放 热 时 越 靠 近 上 止 点 ， 热 效 率 越 高 。 要 求 ： 燃 烧 完 全 、 及 时 。 参 数 ： Pz(MPa) Tz (K) 汽 油 机 : 3.0 6.5 2200 2800 柴 油 机 : 4.5 9.0 1800 2200 增 压 柴 油 机 :9.0 8.0 900 1100汽油机的最高燃烧温度大于柴油机，这是为什么呢？压力呢？ 四 、 膨 胀 过 程 （ z b） 作 用 ： 热 向 功 转 换 。 特 点 ： 多 变 过 程 ， 比 压 缩 过 程 更 为 复 杂 ， 除 有 热 交 换 和 漏气 损 失 外 ， 还 有 补 燃 等 现 象 。 膨 胀 初 期 ,T璧 T工 质 由 于 补 燃 工 质 被 加 热 ； 某 一 瞬 间 T璧 =T工 质 ,此 后 T璧 P0, P= Pr-P0 用 来 克 服 排 气 系 统 有 阻 力 ， 排 气 终 了 的压 力 Pr愈 大 ， 说 明 残 留 在 气 缸 中 的 废 气 就 愈 多 。 排 气 温 度 Tr低 ，说 明 燃 料 燃 烧 后 ， 转 变 为 有 用 功 的 热 量 多 ， 工 作 过 程 进 行 得 好 。排 气 终 了 的 温 度 常 作 为 检 查 发 动 机 工 作 状 态 的 技 术 指 标 。 因 为 排气 温 度 低 ， 说 明 燃 料 燃 烧 后 ， 转 变 为 有 用 功 的 热 量 多 ， 工 作 过 程进 行 的 好 。 如 果 发 现 排 温 偏 高 ， 应 立 即 查 明 原 因 。 参 数 范 围 ： 排 气 终 了 的 压 力 （ MPa） 、 温 度 （ K） 是 ： 汽 油 机 和 柴 油 机 Pr=（ 1.05 1.2） P K 废 气 涡 轮 增 压 柴 油 机 Pr=（ 0.75 1.0） P0 汽 油 机 Tr=900 1100 柴 油 机 Tr=700 900 实 际 循 环 与 理 想 循 环 的 主 要 差 别 :1、 实 际 工 质 的 损 失 : a.性 质 :理 论 上 : 理 想 气 体 。 实 际 上 : 燃 烧 前 : 燃 料 +空 气 ； 燃 烧 后 : 燃 烧 产 物 。 b.比 热 :理 论 上 : 定 比 热 实 际 上 : 温 度 T 比 热 C c.数 量 ： 理 论 上 : 不 变 实 际 上 : 泄 漏 减 少 循 环最 高温 度降 低 kW kW v例 如 ， 对 于 压 缩 比 为 18、 过 量 空 气 系 数 为 1.5、 最 高 压 力 为8MPa的 混 合 循 环 ， 其 理 论 热 效 率 大 致 为 0.60； 当 考 虑 到 工 质 的实 际 物 性 时 ， 其 热 效 率 将 降 低 到 0.51。 2、 换 气 损 失 : 定 义 ： 由 于 更 换 工 质 而 消 耗 的 功 。 理 论 上 : 忽 略 进 、 排 气 过 程 。 实 际 上 : 进 、 排 气 门 提 前 开 启 ， 迟 后 关 闭 。 而 且 有 流 动 阻 力 。rW泵 气 损 失 ： rrab 换 气 损 失 W a.非 瞬 时 燃 烧 损 失 和 补 燃 损 失 理 论 上 : 定 容 加 热 瞬 间 完 成 ， 膨 胀 过 程 无 加 热 。 实 际 上 : 燃 烧 需 要 时 间 ， 且 会 拖 到 膨 胀 过 程 。 b.不 完 全 燃 烧 损 失 理 论 上 : 燃 料 完 全 燃 烧 ； 实 际 上 : 燃 料 燃 烧 不 完 全 。 c.燃 烧 放 热 时 间 延 长 。3、 燃 烧 损 失 ：rW 4、 传 热 损 失 ： 理 论 上 : 压 缩 、 膨 胀 过 程 为 绝 热 过 程 。 实 际 上 : 大 量 热 量 通 过 气 缸 壁 传 给 冷 却 水 或 空 气 。 传 热 损 失 是 发 动 机 中 的 最 大 损 失 ， 占 总 损 失 量 的30%以 上 。 因 此 ， 许 多 研 究 者 致 力 于 开 发 绝 热 发 动 机 。 实 际 循 环 循 环 功 比 理 想 循 环 的 功 少 ， 热效 率 比 理 想 循 环 低 。5、 缸 内 流 动 损 失 理 论 上 : 没 有 气 体 流 动 损 失 。 实 际 上 : 缸 内 进 气 、 挤 压 、 燃 烧 涡 流 损 失 。bW 小 结 综 上 所 述 与 理 论 循 环 相 比 ， 实 际 循 环 存 在 很 多 损 失 更 换 工 质 的 损 失 泵 气 损 失 Wr 实 际 工 质 的 损 失 Wk实 际 气 体 比 热 随 温 度 上 升 而 增 大 ， 多 原子 气 体 K值 小 ,使 循 环 最 高 压 力 、 温 度 降 低 且 存 在 泄 露 等 因素 。 时 间 损 失 Wz（ 燃 烧 损 失 ） 由 于 燃 烧 需 要 时 间 并 且 要 提 前 点火 和 喷 油 ， 由 此 形 成 非 瞬 时 燃 烧 损 失 。 传 热 损 失 Wb， 实 际 循 环 中 工 质 缸 壁 之 间 始 终 存 在 着 热 交 换 。使 压 缩 、 膨 胀 线 均 脱 离 理 论 循 环 的 压 缩 膨 胀 线 ， 造 成 损 失 。所 以 、 实 际 循 环 的 热 效 率 一 定 要 比 理 论 循 环 底 。 1.3 实 际 循 环 的 评 定 指 示 指 标 内 燃 机 的 指 示 性 能 指 标 是 指的 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 。 用 平 均 指 示 压 力 Pmi及指 示 功 率 Pi评 定 循 环 的 动 力 性 即 做 功 能 力 。用 循 环 热 效 率 及 燃 料 消 耗 率 评 定 循 环 的 经 济 性 。 示 功 图 : 发 动 机 缸 内 压 力 p随 汽 缸 容 积 V（ p-V图 ， 可用 电 子 示 波 器 直 接 从 发 动 机 上 测 出 ） 或 曲 轴 转 角 （ p-图 ，多 由 气 电 式 测 功 器 或 示 波 器 测 定 ） 变 化 的 图 示 。 一 、 循 环 指 示 功 Wi与 平 均 指 示 压 力 Pmi1.循 环 指 示 功 Wi（ kJ） ： 一 个 实 际 循 环 工 质 对 活 塞 所 做 的 有用 功 称 为 循 环 指 示 功 ， 循 环 指 示 功 的 真 实 值 可 根 据 实 测 示 功 图 面 积 计 算 求 得 ： Wi （ Ai Al） ab = Pmi Vs= 式 中 A i Al 示 功 图 面 积 ； a 示 功 图 纵 坐 标 比 例 尺 ； b 示 功 图 横 坐 标 比 例 尺 ； D-气 缸 直 径 ； S 活 塞 行 程 。 32 104 SDmi 2.平 均 指 示 压 力 Pmi（ MPa） ： 发 动 机 单 位 气 缸 工 作 容积 一 个 循 环 所 做 的 指 示 功 也 可 以 假 想 一 个 、 大 小 不 变 的 压力 Pmi作 用 在 活 塞 上 ， 使 活 塞 移 动 一 个行 程 ， 其 所 做 的 功 等 于 循 环 功 ， 则 此假 想 的 压 力 即 为 平 均 指 示 压 力 。simi vwp 平 均 指 示 压 力 是 衡 量发 动 机 实 际 循 环 动 力 性 能的 一 个 很 重 要 的 指 标 。 一 般 内 燃 机 在 标 定 工 况 下 的 值 在 下 列 范 围 内 ： 四 冲 程 非 增 压 柴 油 机 0.6 0.95MPa 四 冲 程 增 压 柴 油 机 0.85 2.6MPa 二 冲 程 柴 油 机 0.35 1.3MPa： 四 冲 程 摩 托 车 用 汽 油 机 0.9 1.43 MPa 四 冲 程 小 客 车 用 汽 油 机 0.65 1.25MPa 四 冲 程 载 货 车 用 汽 油 机 0.6 0.85 MPa 二 冲 程 小 型 风 冷 汽 油 机 0.4 0.85 Mpamip 二 、 指 示 功 率 Pi 发 动 机 单 位 时 间 所 做 的 指 示 功 ， 称 为 发动 机 的 指 示 功 率 ， 用 P i表 示 。 P i （ Kw）i 发 动 机 的 气 缸 数 ；n 发 动 机 转 速 (r/min） ； 行 程 数 。 四 行 程 =4； 二 行 程 =2。 30 .260 niVpinW Smii 三 、 指 示 燃 料 消 耗 率 bi和 指 示 热 效 率 i 1、 指 示 燃 料 消 耗 率 bi（ 简 称 指 示 比 油 耗 ） ： 单 位 指 示 功 的耗 油 量 通 常 以 每 千 瓦 小 时 的 耗 油 量 表 示 g/（ kw.h） 。 B 每 小 燃 油 消 耗 量 kg/h2、 指 示 热 效 率 i 实 际 循 环 指 示 功 Wi与 所 消 耗 的 燃 料 热 量 Qi之 比 。310 iib iii QW 按 热 功 当 量 得 ， 1kw.h=3.6 103kJ， 而 1kw.h的功 需 要 消 耗 的 热 量 是 （ bi/1000） kJ， h 为 燃料 的 低 热 值 kJ kg。 范 围 ： i bi g/（ kw.h） 汽 油 机 0.3 0.4 205 320 柴 油 机 0.4 0.5 170 205 hbii 6106.3 若 ， 柴 油 的 低 热 值 hu 41868 kJ kg，则 ， 1.4 发 动 机 经 济 性 和 动 力 性 的 评 定 有 效 指 标 发 动 机 经 济 性 和 动 力 性 指 标 是 以 曲 轴 对 外 输 出 的 功 率为 基 础 ， 代 表 了 发 动 机 整 机 的 性 能 ， 通 常 称 它 们 为 有效 指 标 。一 、 动 力 性 能 指 标1.有 效 功 率 Pe： 曲 轴 对 外 输 出 的 功 率 ， 称 为 有 效 功 率 ，指 示 功 率 Pi不 能 完 全 对 外 输 出 ， 存 在 机 械 损 失 功 率 Pm: 1） 运 动 件 的 摩 擦 损 失 ， 60 75%Pm 2） 驱 动 附 机 的 损 失 ， 10 20%Pm 3） 泵 气 损 失 ， 10 20%Pm 发 动 机 有 效 功 率 Pe由 试 验 测 得 ： 3101047.09550. nnPmPiPe tqtq 2 有 效 扭 矩 Ttq： 轴 输 出 的 扭 矩 。 可 由 测 功 器 测 得 。 Nm3 平 均 有 效 压 力 Pme(MPa） ： 单 位 气 缸 工 作 容 积 输 出 的 有 效功 ,即 。 netq 9550 mN.seme VWp 30 . niV smee VsiTtqViVsni PePme stq .14.31030.1047.0.30 3 Ttq pme : pme 反映 了 发 动 机 单 位 气缸 工 作 容 积 输 出 转矩 的 大 小 。 Pme值 大 ， 说 明 单 位 气 缸 工 作 容 积 对 外 输 出 的 功 多 ， 做 功能 力 强 。 是 评 定 发 动 机 动 力 性 的 重 要 指 标 。 范 围 ： 汽 油 机 0.7 1.3 MPa 柴 油 机 0.6 1.0 MPa 增 压 柴 油 机 0.9 2.2 MPa 4 转 速 n和 活 塞 平 均 速 度 Cm n 单 位 时 间 的 做 功 次 数 Pe ， 但 活 塞 平 均 速 度 惯 性 力 磨 损 加 剧 ； 寿 命 下 降 。 30.nSC m Cm为 表 征 发 动 机 强 化 程 度 的 参 数 。 一 般 汽 油 机 18m/s， 柴 油 机 13m/s。 为 了 提 高 转 速 又 不 使 Cm过 大 ， 可 减 小 行 程 S， 一 般 用 行 程缸 径 比 （ S/D） 表 示 。 但 S/D值 小 也 会 造 成 燃 烧 室 高 度 减 小 ，其 表 面 积 与 容 积 的 比 A/V值 增 大 ， 不 利 于 燃 烧 。 当 S/D1时 ， 常 称 为 短 行 程 。 范 围 ： n（ r/min） Cm（ m/s） S/D 客 车 汽 油 机 5000 8000 12 18 0.7 1.0 载 货 车 汽 油 机 3600 4500 10 15 0.8 1.2 汽 车 柴 油 机 2000 5000 9 15 0.75 1.2 增 压 柴 油 机 1500 4000 8 12 0.9 1.3 二 、 发 动 机 经 济 性 能 指 标1 有 效 热 效 率 e： 有 效 功 We（ J） 与 所 消 耗 燃 料 热 量 Ql之 比 值 。 2 有 效 燃 料 消 耗 率 be:单 位 有 效 功 的 耗 油 量 （ 简 称 耗 油 率 ） 。 g/（ kw.h） 式 中 B 每 小 时 的 耗 油 量 （ kg h） ； Pe 有 效 功 率 （ kw） 。 范 围 ： e beg/（ kw.h） 汽 油 机 0.25 0.3 270 325 柴 油 机 0.3 0.45 190 285 61 106.3 hbQW eee 1000 ee PBb 可 见 ， e与 be成 反 比 ， 知道 其 中 一 值 后 ，可 求 出 另 一 值 。 例 题 ： 已 知 某 四 缸 四 冲 程 汽 油 机 气 缸 直 径81.0mm， 活 塞 行 程 86.4mm， 以 标 定 转速 n=3000r/min运 转 ， 功 率 为 72kW， 现测 得 运 转 34S共 消 耗 200g燃 油 ， 求 此 时的 有 效 转 矩 、 升 功 率 、 燃 油 消 耗 率 、 有效 热 效 率 ？ （ 汽 油 低 热 值 hu=44000kJ/kg） 解 ： (1)有 效 转 矩 ：(2)升 功 率因 为 ：所 以 ： )(2.22930007295509550 mNn PeTtq LKWViPP seL /45.40445.04 72 L445.0104.86)281(V 62s (3)因 为 ：所 以 燃 油 消 耗 率 ：(4)有 效 热 效 率 : )/(118.2941072 47.2117610 33 hkWgPBb ee h/g47.21176h/g360034200B 2782.044000118.294 106.3106.3 66 uee hb 三 、 发 动 机 强 化 指 标 1 升 功 率 和 比 质 量 me 升 功 率 PL （ kW L） 是 发 动 机 每 升 工 作 容 积 所 发 出 的 有 效功 率 。 可 见 ， 提 高 PL的 主 要 措 施 是 提 高 Pme和 n。 衡 量 发 动 机 容 积 利 用 的 程 度 。 比 质 量 me（ kg kw） 是 发 动 机 的 干 质 量 m与 所 给 出 的 标 定功 率 之 比 。 它 表 征 质 量 利 用 程 度 和 结 构 紧 凑 性 。 范 围 ： PL（ kW L） me（ kg kw） 汽 油 机 30 70 1.1 4.0 汽 车 柴 油 机 18 30 2.5 9.0 拖 拉 机 柴 油 机 9 15 5.5 16iVSeL . ee mm 2 强 化 系 数 Pme Cm 平 均 有 效 压 力 Pme与 活 塞 平 均 速 度 Cm的 乘 积 称 为 强化 系 数 。 它 与 活 塞 单 位 面 积 的 功 率 成 正 比 。 其 值愈 大 ， 发 动 机 的 热 负 荷 和 机 械 负 荷 愈 高 。 强 化 系 数 大 致 范 围 ： 汽 油 机 8 17 Mpa.m/s 小 型 高 速 柴 油 机 6 11 Mpa.m/s 重 型 汽 车 柴 油 机 9 15 Mpa.m/s 1.5 发 动 机 的 环 境 指 标 发 动 机 的 环 境 指 标 主 要 指 排 气 品 质 和 噪 声 。一 、 排 放 性 能 其 排 出 的 有 害 物 分 为 下 述 两 类 。1 排 出 有 害 气 体 :CO、 HC、 NOx。2 排 气 微 粒 ： 颗 粒 大 于 0.002 m的 任 何 液 体 或 固 体 微 粒 。以 碳 为 主 。二 、 噪 声噪 声 会 刺 激 神 经 ， 使 人 心 情 烦 燥 、 反 应 迟 钝 、 甚 至 产 生 耳聋 、 高 血 压 和 神 经 系 统 疾 病 。 汽 车 是 城 市 的 主 要 噪 声 源 之一 ； 发 动 机 又 是 汽 车 的 主 实 噪 声 源 一 ， 故 必 须 给 予 控 制 。如 我 国 噪 声 标 准 中 规 定 ， 轿 车 噪 声 不 得 大 于 84dB。 内 燃 机 排 放 物 的 浓 度 ,从 广 义 上 讲 ,是 指 排 放 物 在 总排 气 量 中 所 占 的 比 例 .对 于 气 态 排 放 物 如 CO,HC和 (NO, )来 说 ,常 用 体 积 分 数 来 表 示 ,一 般 内 燃 机的 气 态 排 放 物 都 可 作 为 理 想 气 体 处 理 .为 了 数 据 的 普遍 性 ,气 体 的 体 积 要 换 算 到 标 准 大 气 状 态 (内 燃 机 工 程标 准 的 大 气 状 态 为 总 压 力 101.3kPa,水 蒸 气 分 压 为 1kPa,温 度 273k). 内 燃 机 固 体 排 放 物 如 柴 油 机 的 微 粒 等 用 质 量 浓 度 表示 ,常 用 单 位 为 ,对 于 排 放 物 中 的 特 殊 微 量 物 质 ,单 位 为 . 3/mg m xNO2NO 3/g m 单 位 时 间 或 按 某 排 放 标 准 规 定 ,进 行 一 次 测 试 ,在 实验 期 内 测 出 的 污 染 物 质 量 ,称 为 质 量 排 放 量 ,通 常 以 g/h或 g/测 试 (g/test)表 示 . 安 装 内 燃 机 的 车 辆 按 规 定 的 工 况 组 合 (称 为 测 试 循 环 )行 驶 后 折 算 到 单 位 里 程 的 排 放 量 ,称 为 (单 位 )里 程 质 量排 放 量 ,常 用 单 位 为 g/km. 内 燃 机 针 对 单 机 进 行 排 放 测 量 时 ,每 单 位 功 排 出的 污 染 物 质 量 ,常 用 g/(kwh)表 示 ,用 以 评 价 不 同 种类 ,排 量 的 内 燃 机 的 排 放 性 能 . 比 排 放 量 与 内 燃 机 的 燃 料 消 耗 率 类 似 ,也 可 称 为污 染 排 放 率 ,比 排 放 量 可 以 根 据 测 得 的 发 动 机 功 率 ,排 气 流 量 ,污 染 物 浓 度 ,污 染 物 密 度 等 数 据 计 算 . 排 放 率 定 义 为 燃 烧 单 位 质 量 的 燃 料 所 排 放 的 污染 物 质 量 , 理 论 上 是 个 量 纲 一 的 量 ,实 践 中 为 方 便起 见 常 用 g/kg表 示 . 目 前 排 放 指 标 中 用 得 较 多 的 是 单 位 里 程 质 量 排放 量 (g/km,轻 型 车 排 放 法 规 )和 比 排 放 量 g/(kwh),重 型 车 排 放 法 规 . 1.6 机 械 损 失 与 机 械 效 率一 、 机 械 损 失 的 组 成 及 机 械 效 率 m （ 1） 机 械 损 失 功 率 Pm（ kw） ： 说 明 机 械 损 失 的 大 小 可 以 用机 械 损 失 功 率 Pm （ kw） 和 平 均 机 械 损 失 压 力 。pmm（ MPa） 单 位 气 缸 工 作 容 积 的 机 械 损 失 功 来 表 示 。机 械 损 失 功 率 Pm包 括 ： 活 塞 及 活 塞 环1.摩 擦 损 失 : 连 杆 、 曲 轴 轴 承 6275%。 配 气 机 构 水 泵 风 扇 2.驱 动 附 件 损 失 : 机 油 泵 1020% 电 器 设 备3.泵 气 损 失 : 1020% （ 2） 机 械 效 率 m： 有 效 功 率 Pe和 指 示 功 率 Pi的 比 。 机 械 效 率 m的 大 致 范 围 是 ： 汽 油 机 0.7 0.9 柴 油 机 0.7 0.85 eim 30 . niVp smmmemimm ppp mimmimmimeiem ppPPppPP 11 W-700电 涡 流 测 功 器 二 、 机 械 损 失 的 测 定 机 械 损 失 功 率 是 通 过 对 实 际 发 动 机 试 验 来 测 定 。 常 用 的测 试 方 法 有 倒 拖 法 、 灭 缸 法 和 油 耗 线 法 。 1 倒 拖 法 发 动 机 与 平 衡 式 电 力 测 功 器 相 连 。 在 稳 定 工 况 ， 当 冷 却水 和 机 油 温 度 到 达 正 常 值 时 ， 立 即 切 断 供 油 （ 柴 油 机 ） 或停 止 点 火 （ 汽 油 机 ） ， 同 时 将 电 力 测 功 器 转 换 为 电 动 机 ， 倒拖 发 动 机 ， 并 尽 可 能 维 持 冷 却 水 和 机 油 温 度 不 变 。 电 力 测 功器 所 测 得 的 倒 拖 功 率 ， 即 为 机 械 损 失 功 率 。缺 点 ： 必 须 使 用 平 衡 式 电 力 测 功 器 ； 没 有 燃 烧 ， 压 力 底 摩 擦 损 失 小 ； 由 传 热 、 压 缩 线 和 膨 胀 不 重 合 负 功 ； 由 于 强 制 排 引 起 泵 气 损 失 增 加 。对 于 柴 油 机 由 于 大 ， 误 差 大 可 达 1520%对 于 汽 油 机 =67， 误 差 在 5%左 右 。 2、 灭 缸 法 此 法 仅 适 用 于 多 缸 发 动 机 。 首 先 将 发 动 机 调 整 到 给 定 工况 稳 定 工 作 ， 测 定 其 有 效 功 率 Pe； 然 后 停 止 向 一 个 气 缸 （ 例如 第 一 缸 ） 供 油 ， 并 调 整 测 功 器 ， 使 内 燃 机 恢 复 到 原 来 的 转速 ， 再 测 定 发 动 机 的 有 效 功 率 Pe(1) 。 两 者 之 差 即 为 停 油 气缸 的 指 示 功 率 。 同 法 ， 依 次 使 各 缸 熄 火 ， 即 可 测 得 对 应 的 有效 功 率 Pe(2) 、 Pe(3) 。 于 是 可 得 各 缸 的 指 示 功 率 为 ： ， . 将 上 列 各 式 相 加 得 整 机 指 示 功 率 为 ： 11 eei 22 eei 2121 eeeiii i 式 中 i气 缸 数 。因 此 ， 整 机 的 机 械 损 失 功 率 ： 此 法 的 测 量 误 差 ， 对 于 柴 油 机 ， 在 较 好 情 况 下 可 以 达 到5 ； 但 对 汽 油 机 ， 由 于 停 缸 会 使 进 气 情 况 改 变 ， 往 往 得 不到 正 确 结 果 。 同 样 ， 它 也 不 能 用 于 废 气 涡 轮 增 压 发 动 机 及 单缸 机 。3 油 耗 线 法 （ 又 称 负 荷 特 性 法 ） 当 n不 变 时 ， 在 中 小 负 荷 ， 柴 油 机 的 耗 油 量 与 指 示 功 率 几乎 成 正 比 关 系 。 而 且 Pm和 i不 随 负 荷 变 化 。 eim 211 eeem i 某 一 负 荷 ： 空 转 时 ： 两 式 相 除 ： 即 油 耗 线 延 长 交 横 坐 标 相交 于 F则 即 为 机 械 损 失功 率 。 柴 油 机 工 作 接 近 这 个 假设 ， 故 此 法 适 用 于 柴 油 机 ，但 不 适 用 于 汽 油 机 。 meih 3106.3 mih 3106.3 mm mmmem me p pp FO 4. 示 功 图 法 仪 器 测 录 发 动 机 气 缸 内 的 压 力 示 功 图 ， 从 中 计 算 Pi值 测 量 发 动 机 转 矩 和 转 速 ， 计 算 发 动 机 的 有 效 功 率 Pe 计 算 Pm = Pi - Pe， 计 算 机 械 效 率误 差 ： 活 塞 上 止 点 、 多 缸 不 均 匀 性 设 备 ： 发 动 机 试 验 设 备 、 示 功 图 测 量 设 备 等适 应 性 ： 任 何 发 动 机 5. 测 量 方 法 比 较 Comparison 倒 拖 法 只 能 用 于 配 有 电 力 测 功 器 的 情 况 ， 不 适 用于 大 功 率 发 动 机 ， 而 较 适 用 于 测 定 压 缩 比 不 高 的汽 油 机 的 机 械 损 失 。 对 于 非 增 压 或 排 气 涡 轮 增 压 柴 油 机( pb0.15MPa)， 只 能 用 示 功 图 法 、 油 耗 线 法 来测 定 机 械 损 失 。 对 于 排 气 涡 轮 中 增 压 、 高 增 压 的 柴 油 机(pb 0.15MPa)， 除 示 功 图 外 ， 尚 无 其 他 适 用 的方 法 。 对 于 4冲 程 发 动 机 ， 除 示 功 图 法 外 ， 其 他 测 量 方法 尚 无 法 排 除 泵 气 功 。 三 、 影 响 机 械 损 失 的 因 素1 转 速 n（ 或 活 塞 平 均 速 度 Cm） 发 动 机 转 速 上 升 （ Cm随 之 加 大 ） ， 致 使 ： 1） 各 摩 擦 副 间 相 对 速 度 增 加 ， 摩 擦 损 失 增 加 。 2） 曲 柄 连 杆 机 构 的 惯 性 力 加 大 ， 活 塞 侧 压 力 和 轴 承 负荷 均 增 高 ， 摩 擦 损 失 增 加 。 3） 泵 气 损 失 加 大 。 4） 驱 动 附 件 消 耗 的 功 多 。因 此 ， 。2 摩 擦 损 失 在 机 械 损 失 中 ， 摩 擦 损 失 所 占比 例 最 大 ， 达 70 左 右 。 men 主 要 的 摩 擦 源 ：（ l） 活 塞 组 件 ： 减 少 措 施 ： 减 少 活 塞 环 数 目 ； 减 薄 活 塞 环 厚 度 ； 减 少 活 塞裙 部 的 接 触 面 积 ； 在 裙 部 涂 固 体 润 滑 膜 等 。（ 2） 曲 轴 组 件 ： 轴 颈 与 轴 承 及 其 密 封 装 置 。 一 般 润 滑 动 阻 力与 轴 颈 的 直 径 和 宽 度 的 立 方 成 正 比 。 减 少 措 施 ： 减 少 运 动 件 的 惯 性 质 量 ， 如 减 小 活 塞 、 活 塞销 、 连 杆 的 质 量 ， 可 降 低 轴 承 负 荷 并 可 使 轴 承 宽 度 和 轴 径 减小 。（ 3） 配 气 机 构 ： 减 少 措 施 ： 减 小 配 气 机 构 运 动 件 质 量 ， 降 低 弹 簧 负 荷 ， 在摇 臂 与 凸 轮 接 触 面 处 加 入 滚 动 轴 承 等 。（ 4） 另 外 ， 气 缸 套 内 壁 、 轴 颈 、 轴 承 等 各 摩 擦 表 面 的 加 工 精度 ， 零 件 材 料 及 热 处 理 等 ， 对 摩 擦 损 失 也 有 较 大 影 响 。 3 润 滑 油 品 质 和 冷 却 水 温 度（ 1） 机 油 粘 度 （ 摩 擦 损 失 、 承 载 能 力 ） 保 持 液 体 油 膜 。 机 油 粘 度 （ 摩 擦 损 失 、 承 载 能 力 ） 油 膜 易 破 干 摩 擦 损 失 选 用 机 油 粘 度 的 基 本 原 则 是 : 尽 量 选 用 粘 度 较 小 的 。 一 般 说 来 ： 当 发 动 机 强 化 程 度 高 ， 轴 承 负 荷 大 时 ， 要 选 用 粘 度 较 大 的用 油 ; 当 转 速 高 , 配 合 间 隙 小 时 , 需 要 用 油 流 动 性 好 , 宜 选用 粘 度 较 小 的 用 油 ； 旧 机 器 ， 轴 承 间 隙 较 大 ， 应 选 用 粘 度 较 大 的 用 油 。（ 2） 冷 却 水 温 直 接 影 响 机 油 温 度 ， 油 温 和 水 温 应 保 持 在8095 范 围 内 。 4 负 荷 的 影 响 柴 油 机 a泵 气 损 失 基 本 不 变 ；n不 变 ： b驱 动 附 件 损 失 基 本 不 变 ； c摩 擦 损 失 基 本 不 变 。 当 负 荷 Pi,Pm不 变 ， 空 转 时 汽 油 机 量 调 节 、 负 荷 油 门 开 大 泵 气 损 失 PZ 摩 擦 损 失 Pm基 本 不 变 空 转 时 00, mm e imm 1mp 0m 1、 平 均 有 效 压 力 Pme 2、 有 效 热 效 率 e3、 有 效 燃 料 消 耗 率 be 4、 升 功 率 PL5、 比 质 量 me 6、 机 械 效 率 m 。7 内 燃 机 机 械 损 失 包 括 哪 几 部 分 ？ 各 占 比 例 如 何 ？ 常 用 哪 些 方 法测 量 ？8 简 述 用 灭 缸 法 测 量 发 动 机 机 械 损 失 的 方 法 和 原 理 。9 简 述 用 油 耗 线 外 延 法 测 量 柴 油 机 机 械 损 失 的 方 法 及 原 理 。10 画 出 机 械 效 率 随 负 荷 变 化 关 系 的 曲 线 ？ 并 分 析 其 历 程 。11 画 出 机 械 效 率 随 转 速 变 化 关 系 的 曲 线 ， 并 分 析 其 历 程 。12 .已 知 ： 某 汽 油 机 的 气 缸 数 目 6， 冲 程 数 4， 气 缸 直 径 100mm， 冲程 115mm， 转 速 3000r/min， 有 效 功 率 100kW， 每 小 时 耗 油 量37kg/h， 燃 料 低 热 值 44100kJ/kg。 求 ： 平 均 有 效 压 力 ， 有 效 扭矩 ， 有 效 燃 料 消 耗 率 ， 有 效 热 效 率 ， 升 功 率 。 思 考 题 Thank you