第二章发动机的性能指标

1、第二章,发动机的性能指标,第一节,第二节,第三节,第四节,第五节,发动机的理论循环,四冲程发动机的实际循环,发动机的指示指标、有效指标和强化指标,发动机的热平衡,发动机技术的现状与发展,第一节,发动机的理论循环,发动机的,理论循环,:,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、,化学过程如可燃混合气的准备与燃烧过程等,进行简化处理，得到便于进行定量分析的循环，,称发动机的理想循环。,p1,一、三种基本理论循环,:,p1,p6,1,、研究理论循环的目的,: p1,1),确定循环热效率的理论极限,，以判断实际发,动机经济性和工作过程进

2、行的完善程度以及,改进潜力。,2),分析比较发动机,不同热力循环方式,的经济性,和动力性。,3),确定提高,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。,简化原则为,:,p1,1,假定工质为定比热容的,理想气体,；,理解！,2,不计吸气和排气过程,（工质的总质量保持不变）,，假,设工质是在,闭口系统,中作封闭循环；,3,压缩、膨胀过程简化为,绝热等熵过程,；,4,把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，简化为,等,容加热过程,或,等压加热过程,；,5,排气中的实际放热过程简化为,等容放热,过程；,6,忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为,可逆过程,，,即假

3、设循环过程为,可逆循环,。,3,、发动机的理论循环：,发动机理论循环的三种形式：,a),混合加热循环、,b),等容加热循环,c),等压加热循环,。,p,二、循环热效率和循环平均压力,一）、循环热效率,：,p2,p,4,理论循环是用循环热效率和循环平均压,力来评定。,1,、循环热效率,(,简称,热效率,),?,t,：,p2,评定循环,经济性,W,Q,1,?,Q,2,Q,2,?,t,?,?,?,1,?,Q,1,Q,1,Q,1,式中：,W,工质所做,循环功（,J,）,循环加热量（,J,）,工质在,循环中放出的热（,J,）,Q,1,Q,2,2,、三种基本理论循环的热效率公式,）混合加热循环的热效率,?

4、,p,?,0,?,1,?,t,?,1,?,k,?,1,?,(,?,p,?,1,),?,k,?,p,(,?,0,?,1,),?,c,1,k,）等容加热循环的热效率,?,t,?,1,?,1,?,c,k,?,1,?,0,?,1,k,）等压加热循环的热效率,?,0,?,1,?,t,?,1,?,k,?,1,?,?,c,k,(,?,0,?,1,),1,?,p,?,1,3,、三种基本理论循环热效率的分析,1,）混合加热循环热效率的分析,分析条件：,循环总加热量不变。,(,1,),?,c,?,?,t,?,(,2,),?,0,?,?,t,?,(,3,),?,p,?,?,t,?,2,）等容加热循环热效率的分析,(

5、,1,),?,c,?,?,t,?,）等压加热循环热效率的分析,(,1,),?,c,?,?,t,?,(,1,),?,?,?,t,?,(,2,),?,0,?,?,t,?,4,）,等熵指数对循环热效率的影响,、发动机实际工作条件对循环热效率提高,的,约束和限制,：,p34,从理论循环的分析可知，提高压缩比,c,和,压力升高比,p,对提高循环热效率,t,起着有利,的作用，但发动机实际工作条件,约束和限制,循环热效率提高。,1),3),零件的强度和可靠性的限制,燃烧方面的限制,发动机的压缩比和压力升高比见,p4,。,2),机械效率的限制,二）、循环平均压力：,p4,p,1,、,循环平均压力,t,：,p4

6、,W,p,t,?,V,s,式中：,W,评定循环,的动力性,(kPa),循环,所做的,功（,J,）,V,s,气缸工作容积（,L,）,2,、三种基本理论循环平均压力公式,1,）混合加热循环平均压力公式,）等容加热循环平均压力公式,p,de,p,t,?,?,(,?,P,?,1,),?,k,?,P,(,?,0,?,1,),?,t,?,c,?,1,k,?,1,p,de,p,t,?,?,(,?,P,?,1,),?,t,?,c,?,1,k,?,1,?,k,c,?,k,c,1,）混合加热循环平均压力公式,3,、等压加热循环平均压力公式,p,de,p,t,?,?,k,?,P,(,?,0,?,1,),?,t,?,

7、c,?,1,k,?,1,p,de,：进气终点的压力,(kPa),?,k,c,混合加热循环的平均压力随,进气终点,压力、,压缩比、压力升高比、预胀比、绝热指数和,循环热效率的增大而增大。,p4,三、三种基本循环的比较,表,1,1,三种理论循环的比较,循环名称,等容加,热循环,等压加,热循环,循环热效率,循环特点,加热过程在等容条件下很,快完成，热效率仅与压缩,比有关,?,t,?,1,?,1,1,?,c,?,?,1,?,0,?,1,?,t,?,1,?,?,?,1,?,c,?,(,?,0,?,1,),?,t,?,1,?,1,?,?,加热过程在等压条件下缓,慢完成，负荷的增加使得,热效率下降,混合加,

8、热循环,?,c,?,?,1,介于上述两者之间,?,p,?,0,?,1,(,?,p,?,1,),?,?,p,(,?,0,?,1,),1,、压缩比及加热量分别相同时比较,p5,T,4,4,3,4,压缩比,?,c,相同,5,Q,1,加热量,相同,初态,1,相同,2,1,5,5,a,b,b,b,s,?,tv,?,?,tm,?,?,tp,等容加热循环热效率最高，而等压加热循环的,均最低。欲提高混合加热循环的热效率,，应增加混,合加热循环的等容部分。,2,、加热量及循环的最高压力分别相同时比较,T,加热量,Q,1,相同,4,2,2,2,1,3,4,4,P,max,初态,1,相同,循环的最高压力相同,5,5

9、,5,T,p,?,T,m,?,T,v,?,tv,?,?,tm,?,?,tp,a,b,b,b,s,对于高增压柴油机，为了得到较高的热效率，,宜按等压加热循环工作。,3,、汽、柴油机负荷变化,(,不同加热量,),时的对比：,?,柴油机,：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当,负荷下降时,，喷油时间缩短，但初期相当,于等容燃烧的部分变化不大。这相当于,p,基,本不变而,?,减小，则,t,提高,。,0,?,汽油机,：点火后传播燃烧且无论负荷大小，,火焰传播距离不变。,当负荷下降时,，,燃烧速,度降低，燃烧时间加长。这相当于,p,下降而,?,0,上升，则,t,降低,。,第二节,四冲程发动机的实际循环,一、发动

10、机的实际循环,?,发动机的实际循环：,连续不断的把热能,转换为机械功的循环。,?,四冲程发动机的实际循环是由,进气、压,缩、燃烧、膨胀和排气,5,个过程组成。,通,常用汽缸内工质的压力,p,随汽缸容积,V,（,或曲轴转角,）而变化的,图形,来表示汽,缸内工质的实际工作情况。,发动机的,实际循环,1,、进气过程,2,、压缩过程,3,、燃烧过程,4,、膨胀过程,5,、排气过程,图,a,）,图,b,）,图,c,）,图,c,）,图,d,）,p,-,V,图和,p,-,图,结论,：,进气,、,压缩,、,燃烧,、,膨胀,、,排气,结论：进气,进气过程进行的好坏用实际进入汽缸的,新鲜工质的数量评价。,?,由,

11、pV,=,mRT,可以看出：汽缸容积一定时，,提高进气终了压力、降低进气终了温度,可增加进气量。进气量的增加意味着循,环加热量的增加，在循环热效率一定时,，可增加循环净功，从而提高发动机动,力性。,?,结论：压缩,发动机的实际压缩过程，是一个复杂的,热力过程,(,吸热,-,绝热,-,放热,),。总体来说,，缸内气体的放热量大于其吸热量。,?,实际工作中，常测量压缩终了的压力。,压缩终了的压力过低，说明汽缸密封不,良，其主要原因一般是气门密封不良、,活塞和汽缸磨损严重等。,?,结论：燃烧,汽油机及燃气发动机的燃烧接近,定容加,热过程。,?,柴油机燃烧接近,混合加热过程,（同时存,在定容加热和定压

12、加热）。,?,燃烧过程放出的热量越多，放热时越靠,近上止点，则热效率越高。,?,在实际燃烧过程中，不仅有散热损失、,不完全燃烧损失，而且还存在非瞬时燃,烧损失。,?,燃烧过程,结论：膨胀,发动机的实际膨胀过程与压缩过程很相,似，也是一个复杂的热力过程（吸热量,大于放热量、吸热量等于放热量、吸热,量小于放热量）。总体来说，缸内气体,的吸热量大于放热量。,?,膨胀过程不仅有散热损失和漏气损失，,还有补燃损失。,?,膨胀过程终了,b,点的压力和温度越低，说,明气体膨胀和热量利用越充分。,?,结论：排气,?,由于排出的废气具有一定的压力和较高,的温度，故存在排气损失。,?,由于排气系统有阻力，使排气终

13、了的压,力略高于大气压力。,?,实际工作中，也常用排气温度作为检查,发动机工作状态的技术指标，排气终了,温度偏高，说明发动机工作不良，热功,转换效率低。,六、理论循环与实际循环比较,1,、实际工质的影响,2,、换气损失,换气损失：,W,r,实际工质影响引起的损失：,W,k,3,、燃烧损失,非瞬时燃烧损失,和补燃损失：,W,z,提前排气损失：,W,4,、传热损失,传热、流动,损失：,W,b,图,1,12,发动机实际循环与理论循环的比较,a),柴油机,b),汽油机,5,、缸内流动损失,第三节,发动机的指示指标、有效指标和强化指标,一、发动机的指示指标,发动机的指示性能指标是指,以工质对,活塞做功为

14、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。,一）、,指示功和平均指示压力,?,指示功,是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用,功,W,i,。指示功的大小可以由,p,V,图中闭合曲线所占,有的面积求得。,F,i,?,F,1,?,F,2,F,i,?,F,1,?,F,2,F,i,ab,W,i,?,6,10,式中,：,F,i,（,J,或,N,m,）,示功图面积，,cm,2,；,可以用求积仪或计算方法求得,a,示功图纵坐标比例尺，,Pa,cm,；,

15、b,示功图横坐标比例尺，,cm,3,cm,。,?,平均指示压力,是指单位气缸容积,一个循环所作的指示功,(Pa),。,式中,，,W,i,V,s,W,i,p,mi,?,V,s,发动机一个工作循环的指示功，,J,；,3,发动机气缸工作容积，,m,。,若,V,s,用,L,为单位，,W,i,用,kJ,为单位，则,p,mi,(MPa),W,i,?,p,mi,V,s,?,p,mi,?,D,S,4,2,式中,，,D,和,S,分别为气缸直径和活塞行程,平均指示压力,可以,设想为一个恒定的压力,作用于活塞顶上，使活,塞移动一个行程所作的,功，即循环的指示功,W,i,。,图,1,15,指示功与平均指示压力,平均指

16、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。,二）,、指示功率：,?,指示功率,P,i,：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,p,mi,(MPa ),，转速,n(r/min),，冲程数,?,。,p,mi,V,s,i,n,P,i,?,30,?,(kw ),三）、指示热效率和指示燃油消耗率,W,i,?,指示热效率,it,：,发动机实际循环指,?,it,?,示功与所消耗燃料热量的比值。,Q,1,式中,，,Q,1,得到指示功,W,i,所消耗的热量,( J),。,对于一台发动机，若测,得其指示功率,Pi (kW),

17、、每小,时燃油消耗量,B(kg/h),，则：,式中,，,3.6,l0,3,3,.,6,?,10,P,i,?,it,?,BHu,3,1kW,h,的热当量，,kJ/(kW,h),；,B,每小时发动机的耗油量，,kg/h,；,Hu,所用燃料的低热值，,kJ/kg,。,?,指示燃油消耗率,g,(kW,h),：指单位指示功,的耗油量。通常以单位指示千瓦小时的耗油,量来表示：,1000,B,b,i,?,P,i,表示实际循环的经济性指标,it,和,b,i,之间存在,着以下关系：,3,.,6,?,10,?,i,t,?,b,i,H,u,6,一般内燃机的,it,和,b,i,的统计范围如下：,it,四冲程柴油机,二

18、冲程柴油机,四冲程汽油机,二冲程汽油机,b,i,g,(kW,h),-1,0.4l,0.48 210,175,0.40,0.48 218,177,0.25,0.40 344,218,0.19,0.27 435,305,从统计范围可以看出：柴油机的指示热效率,高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二,冲程发动机。,二、发动机的有效指标,?,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,W,e,。,W,e,?,

19、W,i,?,W,m,式中：,W,i,循环净指示功,W,m,循环实际机械损失功,?,有效功率,P,e,?,P,i,?,P,m,实际机械损失功率,( kw ),式中：,P,i,指示功率,P,m,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,P,e,(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,T,tq,及在,同一工况下的发动机转速，按,以下公式求得,:,P,e,?,T,tp,n,9550,3,、平均有效压力：,?,发动机

20、单位气缸工作容积所输出的有效功,。,?,与平均指示压力相,?,似；,p,me,V,s,ni,T,tp,n,P,?,e,?,?,平均有效压力,是衡,30,?,9550,量发动机动力性能,的一个很重要的参数。,T,tq,p,me,p,me,反映了发动机单位气缸,工作容积输出转矩的大小。,4,、转速,n,和活塞平均速度,C,m,Sn,C,m,?,30,式中,，,S,为活塞行程,(m),n,为发动机转速,(r/min),（,m,s,）,三、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。,P,e,P,L,?,i,V,s,p,me,n,

21、P,L,?,30,?,(kW,L),式中，,p,me,为标定工况下的平均有效压力，,MPa,；,n,为标定转速，,r,min,。,比质量：,是发动机质量与所给出的标定,功率之比,:,m,m,e,?,P,e,(kg,kW),汽车发动机要求质量小、功率大，所以,其升功率大、比质量小。汽油机的强化程度,要比柴油机的高,.,?,强化系数,p,me,C,m,平均有效压力与活塞平均速度的乘积称为,强化系数。,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。,表,1,16,强化系数范围,发动机的类型,强化系数,p,me,C,m,汽油机,小型高速柴油机,重型汽车柴油机,（,8,17,）,

22、MPa,m,s,（,6,ll,）,MPa,m,s,（,9,15,）,MPa,m,s,四、发动机的其他指标,?,衡量发动机经济性能的重要指标是,有效热,效率,et,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,W,e,?,et,?,Q,1,3,.,6,?,10,P,e,?,et,?,BH,u,3,?,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：,B,3,b,e,?,?,10,P,e,（,g/kw,h,）,3.6,?,10,b,e,?,?,et,H,u,6,可见，有效燃油消,耗率与有效热效率成反,比

23、，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,et,值大致在以下范围：,be,g (kW,h)-,1 ,et,低速柴油机,中速柴油机,高速柴油机,190,225 0.38,0.45,195,240 0.36,0.43,215,285 0.30,0.40,(,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,二冲程汽油机,274,410 0.30,0.20,410,545 0.20,0.15,?,排放性能,:,有害气体、颗粒（指发动机排出,的除水以外任何液态和固态微粒）。,?,噪声,：我国噪声标准中规定轿车噪声不得大,于,84dB,。,?,冷起

24、动性能：,指发动机在低温条件下起动的,可靠性，它直接影响发动机的燃料经济性、,使用寿命和驾驶员的劳动强度等。我国标准,规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机,在,10,、柴油机在,5,以下的气温条件,下，接通起动机，,15 s,内发动机应能顺利起,动。,排气品质,(,),排出有害气体,目前有害气体排放主要是指氮氧化,合物,(,),、各种碳氢化合物,(,),及一氧化碳,(,),这三种危害最大的气体排放量。,(2),排气颗粒,排气颗粒指排气中除水以外任何液态和固,态微粒，目前除美国外，其他国家均只限制炭烟的排放,量。,五、典型车用发动机技术参数,表,-,典型车用发动机技术参数,第四节,发动机的热平

25、衡,?,热平衡表示热量的分配情况。,?,按照热能表现为有效功和各种损失的数量分配,来研究燃料中总热量的利用情况。,?,燃料的总热量大体按以下六部分，由试验确定,：,一、发动机所耗燃油的热量,Q,T, kJ/h ,：,Q,T,?,BH,?,二、转换为有用功的热量,Q,E,Q,E,?,3,.,6,?,10,P,e,三、传递给冷却介质的热量,Q,s,3,Q,S,?,G,s,c,s,(,t,2,?,t,1,),四、废气带走的热量,Q,R,Q,R,?,(,B,?,G,K,)(,c,pr,t,2,?,c,pk,t,1,),Q,B,五、燃料不完全燃烧热损失,：,Q,B,?,Q,T,(,1,?,?,r,),Q

26、,六、其它热量损失,L,Q,L,?,Q,T,?,(,Q,E,?,Q,S,?,Q,R,?,Q,B,),图,1,18,发动机的热平衡图,a,从残余废气和排气中回收的热量,b,由气缸壁传给进气的热量,c,排出废气传给冷却水的热量,d,在,摩擦中传给冷却水的部分热量,e,从排气系统辐射的热量,f,从冷却水和水套壁辐射的热量,g,从曲轴箱壁和其它不冷却部分辐射的热量,热平衡中各项数值范围,型,式,q,e,25,30,30,40,35,45,q,s,12,27,15,35,10,25,q,r,30,50,25,45,25,40,q,b,O,45,O,5,0,5,q,l,3,10,2,5,2,5,汽油机,柴

27、油机,增压柴油机,在燃料的总热量中，仅有,25,40,的热量转变为有效功，,其余,60,75,都损失掉了。其中，主要由废气带走，其次传,给冷却水，在某些汽油机中不完全燃烧损失的热量所占比例也,不小。,冷却水带走的热量占总热量的,10,35,，其中一部分是,排气道中废气传给冷却水的热，一部分是由摩擦产生的热，真,正由燃烧、膨胀过程散出的热大约占冷却损失的,15 %,。,废气带走的热量占总热量的,25,50,。废气涡轮增压是,回收这部分热量的一种方式，由表可见，其有效热效率最高。,第五节,发动机技术的现状与发展,一、性能的强化和可靠性,目前汽车发动机的压缩比和发动机的转速都有所提高。就,压缩比而言

28、，,20,世纪,70,年代由于抗爆燃料和电子控制喷射技,术的广泛采用，,使汽油机的抗爆性能有很大改善，而压缩比,普遍由,.,上升到,.,，同时转速不断向高速化发,展。,在结构上，二气门的传统结构正逐渐被三气门、四气门,结构所代替，五气门的发动机已在德国正式投入生产，顶置,凸轮轴和电控技术的采用使内燃机高速化成为可能。,我国目,前车用发动机的压缩比大体在,.,范围，且大部分在,8,以,下；载重车在,7,左右，且强化程度还有待提高。,二、排放低污染化,现在西方发达国家限制汽车尾气排放,的法规越来越严格，人们的环保意识越,来越强，这就对汽车的生产提出了更高,的要求。如果汽车在排污方面不能达到,排放指标的要求，产品就难以占领市场。,三、结构,V,型化,目前国际上的发展趋势是四缸以上的发动机逐渐用“”,型取代“直列式”。,我国近几年引进的几种小轿车的发动机,都是直列式，然而这些车型,(,桑塔纳、奥迪、捷达、高尔夫,等,)