第1章-发动机工作循环和性能指标

1、第第1 1章章发动机工作循环和性能指标发动机工作循环和性能指标第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标学习目标学习目标 通过对本章的学习，通过对本章的学习，重点掌握重点掌握发动机的动力发动机的动力性能指标和经济性能指标的定义、相关指标性能指标和经济性能指标的定义、相关指标之间的关系以及影响发动机性能的主要因素；之间的关系以及影响发动机性能的主要因素； 明确并掌握明确并掌握发动机实际循环的机械损失及减发动机实际循环的机械损失及减少损失的基本途径；从少损失的基本途径；从了解了解发动机理论循环发动机理论循环入手，入手，熟悉熟悉发动机的实际工作循环以及提高发动机的实际工作循环以

2、及提高发动机热效率的途径。发动机热效率的途径。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标 发动机从燃料的化学能转换为有效输出功的过程，是决发动机从燃料的化学能转换为有效输出功的过程，是决定发动机动力性能、经济性能的关键所在，而定发动机动力性能、经济性能的关键所在，而循环热效循环热效率率是其核心环节，因为作为热力循环的热功转换是热能是其核心环节，因为作为热力循环的热功转换是热能动力机械最本质的体现。动力机械最本质的体现。 热力循环的分析热力循环的分析，是发动机原理最基本的内容。，是发动机原理最基本的内容。 本章介绍的热力循环两个层次不同的模型本章介绍的热力循环两个层次不同的

3、模型-理论循环理论循环模型和实际循环模型模型和实际循环模型体现了科学研究由本质因素扩展到体现了科学研究由本质因素扩展到一般因素、由简到繁的原则。一般因素、由简到繁的原则。 这些模型对发动机的发展起过很大的作用，直到现在，这些模型对发动机的发展起过很大的作用，直到现在，为了更好地改善发动机的各种性能，仍离不开对各种模为了更好地改善发动机的各种性能，仍离不开对各种模型的深入理解和掌握。型的深入理解和掌握。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标 本章着重探讨本章着重探讨动力性和经济性动力性和经济性这两个发动机这两个发动机最主要的性能指标。最主要的性能指标。 只有通过深入研究

4、发动机的工作过程，才能只有通过深入研究发动机的工作过程，才能找出影响性能指标的各种因素，并从中归纳找出影响性能指标的各种因素，并从中归纳出提高整机性能的一般规律。出提高整机性能的一般规律。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标1.1 1.1 发动机理论循环发动机理论循环汽车发动机的热力循环由一系列物理和化学汽车发动机的热力循环由一系列物理和化学变化的复杂过程所组成，要变化的复杂过程所组成，要确切确切地地描述描述在发在发动机中实际进行的热力过程是非常动机中实际进行的热力过程是非常困难困难的。的。为了解发动机热能利用的完善程度，能量相为了解发动机热能利用的完善程度，能量相

5、互转换的效率，寻求提高热量利用率的途径，互转换的效率，寻求提高热量利用率的途径，在理论上通常把发动机实际工作过程进行若在理论上通常把发动机实际工作过程进行若干简化，干简化，忽略一些次要的影响因素忽略一些次要的影响因素，假想为，假想为由几个基本的热力过程所组成的理论循环。由几个基本的热力过程所组成的理论循环。通过对通过对理论循环理论循环的分析，可以指出提高发动的分析，可以指出提高发动机动力性和经济性的方向。机动力性和经济性的方向。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标简化为理论循环采取的假定简化为理论循环采取的假定（1）工质是一种）工质是一种理想气体理想气体，在整个循环

6、中保，在整个循环中保持物理和化学性质不变，其状态参量的变化持物理和化学性质不变，其状态参量的变化完全遵守理想气体状态方程完全遵守理想气体状态方程 pV=mRT。（2）不考虑实际存在的工质更换及漏气损失，）不考虑实际存在的工质更换及漏气损失，工质是在闭口系统中做工质是在闭口系统中做封闭循环封闭循环。（3）工质在绝热压缩和绝热膨胀过程中工作，）工质在绝热压缩和绝热膨胀过程中工作，与外界与外界不进行热交换不进行热交换。（4）用）用定容放热和定容或定压加热来代替实定容放热和定容或定压加热来代替实际的换气和燃烧过程际的换气和燃烧过程。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标分析分

7、析汽油发动机汽油发动机混合气燃烧迅速，气缸内温度混合气燃烧迅速，气缸内温度和压力增长很快，可以认为其燃烧过程基本符和压力增长很快，可以认为其燃烧过程基本符合容积不变的条件，可简化为合容积不变的条件，可简化为定容加热循环定容加热循环。高增压和低速大型柴油发动机高增压和低速大型柴油发动机由于受燃烧由于受燃烧最高压力的限制，大部分燃料是在活塞运行到最高压力的限制，大部分燃料是在活塞运行到上止点以后燃烧，是在压力基本上一定的情况上止点以后燃烧，是在压力基本上一定的情况下进行，可简化为下进行，可简化为定压加热循环定压加热循环。高速柴油机高速柴油机介于两者之间，燃烧过程可认介于两者之间，燃烧过程可认为是先

8、定容加热后定压加热的组合，可简化为为是先定容加热后定压加热的组合，可简化为混合加热（定容加热和定压加热）循环混合加热（定容加热和定压加热）循环。前两种循环可认为是后一种循环的特例。前两种循环可认为是后一种循环的特例。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标理论循环的三种形式理论循环的三种形式a）定容循环；）定容循环； b）定压循环；）定压循环； c）混合循环）混合循环第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标理论循环示功图理论循环示功图第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标定容循环定容循环 将燃烧过程假想为在容积不变的情况

9、下对工将燃烧过程假想为在容积不变的情况下对工质加热的循环。工质从质加热的循环。工质从a点开始绝热压缩到点开始绝热压缩到c点，自点，自c点定容吸热到点定容吸热到z点，然后从点，然后从z点绝热膨点绝热膨胀到胀到b点，最后沿点，最后沿b-a线定容散热再回到线定容散热再回到a点，点，从而完成一个工作循环。从而完成一个工作循环。 在压缩过程中，工质容积的变化用压缩比在压缩过程中，工质容积的变化用压缩比表表示，压缩和膨胀过程工质状态的变化用示，压缩和膨胀过程工质状态的变化用pvk=C表示。工质以定容方式先沿表示。工质以定容方式先沿c-z线吸热线吸热Q1，再沿，再沿b-a线放热线放热Q2。第第1 1章章 发

10、动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标定容循环的参数计算定容循环的参数计算 压力升高比压力升高比 热效率热效率tv为：为：压缩比，压缩比， Va气缸总容积（气缸总容积（L）；）；Vc气缸压缩容积（气缸压缩容积（L）；）；VS气缸工作容积（气缸工作容积（L）；）；k 绝热指数，空气的绝热指数，空气的k=1.4。czpp111ktvccscaVVVVV第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标定压循环定压循环 与定容循环的不同之处仅在于加热过程是在与定容循环的不同之处仅在于加热过程是在定压条件下进行的，即工质以定压方式沿定压条件下进行的，即工质以定压方式沿c-z线吸热

11、线吸热Q1； 预膨胀比预膨胀比（表示（表示c-z容积的变化）容积的变化） 膨胀比膨胀比（表示（表示z-b膨胀过程的容积变化）膨胀过程的容积变化） 热效率：热效率：czVVzbVV）（11111kkkpt第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标混合循环混合循环在压缩行程后，先以定容方式沿在压缩行程后，先以定容方式沿c-z线加入线加入热量热量 ，使工质压力上升到，使工质压力上升到pZ，然后又以定压，然后又以定压方式沿方式沿z-z线加入热量，即为一个工作循环加线加入热量，即为一个工作循环加入的总热量。入的总热量。热效率：热效率：由上式可以看出：当由上式可以看出：当=1时，发动

12、机以定容时，发动机以定容循环方式工作；当循环方式工作；当=1时，发动机以定压循时，发动机以定压循环方式工作。环方式工作。) 1(11111kkktmczpp第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标分析分析 循环平均压力循环平均压力pt：单位气缸工作容积所做的：单位气缸工作容积所做的循环功，表示理论循环的做功能力。循环功，表示理论循环的做功能力。式中：式中：pa压缩始点压力（压缩始点压力（kPa）stVWptaktmkkpp1111）（）（第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标分析分析（1）增加增加，可提高，可提高t，但提高率将随但提高率将随值的

13、不值的不断增大而逐渐降低；断增大而逐渐降低；（2）绝热指数）绝热指数k越大，则越大，则t越高；越高；（3）增大）增大pa可提高可提高pt，但，但pa增大会导致增大会导致t降低；降低；（4）增大增大可提高可提高t；（5）和和的增长，将导致最高压力的增长，将导致最高压力pz急剧上升，急剧上升，由于受到发动机结构强度、燃烧条件和机械效由于受到发动机结构强度、燃烧条件和机械效率等方面的制约，率等方面的制约，和和的提高是有限度的的提高是有限度的。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标绝热指数绝热指数k k（2）绝热指数）绝热指数k越大，则越大，则t越高。越高。 气体成分：单原子

14、气体成分：单原子5/31.66，双原子，双原子7/5 1.4 空气绝热指数很近似双原子气体的绝热指数空气绝热指数很近似双原子气体的绝热指数 当与汽油成混合气时，当与汽油成混合气时，k值要下降，混合气越浓，值要下降，混合气越浓，K值越低。值越低。 柴油采用稀薄燃烧方式，混合气稀，故柴油采用稀薄燃烧方式，混合气稀，故k值略大，值略大，热效率较高。热效率较高。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标发动机的压缩比发动机的压缩比、压力升高比、压力升高比和和最高工作压力最高工作压力p pz z的大致范围的大致范围 汽油机：汽油机：=611 =24 pz=30008000kPa 柴

15、油机：柴油机：=1222 =1.32.2 pz=500014000kPa第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标1.21.2发动机实际工作循环发动机实际工作循环 四冲程发动机四冲程发动机曲轴旋转曲轴旋转二周完成一个实际工作二周完成一个实际工作循环循环； 而而实际工作循环则是由实际工作循环则是由进气、压缩、燃烧、膨进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程胀、排气五个过程所组所组成的，较之理论循环复成的，较之理论循环复杂得多。杂得多。 示功图上的封闭曲线表示功图上的封闭曲线表示实际工作循环中工质示实际工作循环中工质压力随容积变化的关系，压力随容积变化的关系，曲线所包围的面积就是

16、曲线所包围的面积就是工质完成一个循环所做工质完成一个循环所做的有用功。的有用功。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标进气过程进气过程 图中图中r-a曲线反映出进气过程的曲线反映出进气过程的p-V 关系。关系。 在进气过程中，活塞由上止点向下止点移动，此时进气在进气过程中，活塞由上止点向下止点移动，此时进气门打开，排气门关闭。由于上一循环留在气缸压缩容积门打开，排气门关闭。由于上一循环留在气缸压缩容积中的残余废气膨胀，压力由排气终了时的压力中的残余废气膨胀，压力由排气终了时的压力pr降到压降到压力力pr，然后新鲜工质才被吸入气缸。为了更多地排除，然后新鲜工质才被吸入气

17、缸。为了更多地排除上一循环的废气和尽可能多地吸入新鲜工质，实际上排上一循环的废气和尽可能多地吸入新鲜工质，实际上排气门在下止点前就已被打开而进气门则在下止点后才被气门在下止点前就已被打开而进气门则在下止点后才被关闭。由于进气系统的阻力，进气终了时压力关闭。由于进气系统的阻力，进气终了时压力pa总是小总是小于大气压力于大气压力p0，其压力差，其压力差p0-pa用来克服进气系统的阻用来克服进气系统的阻力。力。 因为工质受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气因为工质受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终了的温度终了的温度Ta，也总是高于大气温度，也总是高于大气温度T0。第第1 1章章 发动机工

18、作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标进气终了的压力进气终了的压力p pa a和温度和温度T Ta a的大致范围的大致范围 汽油机汽油机pa=(0.750.90)p0 Ta=370400K 柴油机柴油机pa=(0.800.95)p0 Ta=310340K第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标压缩过程压缩过程 图图a-c曲线反映出压缩过程的曲线反映出压缩过程的p-V关系。关系。 在压缩过程中，活塞由下止点向上止点移动，在压缩过程中，活塞由下止点向上止点移动，此时进排气门均关闭，气缸内工质由于受到此时进排气门均关闭，气缸内工质由于受到压缩，其温度、压力均不断上升。压缩，

19、其温度、压力均不断上升。 压缩过程的作用是增大工作过程的温差，使压缩过程的作用是增大工作过程的温差，使最高温度提高，从而提高热效率；获得最大最高温度提高，从而提高热效率；获得最大限度的膨胀比，对活塞做更多的功；提高工限度的膨胀比，对活塞做更多的功；提高工质的温度和压力，为冷起动及着火燃烧创造质的温度和压力，为冷起动及着火燃烧创造条件。条件。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标压缩终了的压力压缩终了的压力p pc c和温度和温度T Tc c的大的大致范围致范围 汽油机汽油机pc=6001200kPa Tc=600700K 柴油机柴油机pc=35004500kPa Tc

20、=7501000K第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标燃烧过程燃烧过程 图中图中c-z曲线反映出燃烧过程的曲线反映出燃烧过程的p-V关系。关系。 燃烧过程中，活塞运行在上止点附近，此时燃烧过程中，活塞运行在上止点附近，此时进排气门均关闭。在实际循环中，由于燃烧进排气门均关闭。在实际循环中，由于燃烧需要一定的时间，燃烧速度也是不均匀的，需要一定的时间，燃烧速度也是不均匀的，所以在示功图上所以在示功图上c-z线不是一段直线而是以一线不是一段直线而是以一段圆弧线与压缩线和膨胀线圆滑相接。段圆弧线与压缩线和膨胀线圆滑相接。 燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热燃烧过程的作

21、用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度迅速升高。燃烧释能，使工质的压力、温度迅速升高。燃烧释放出的热量越多，放热时越接近上止点，热放出的热量越多，放热时越接近上止点，热效率也就越高。效率也就越高。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标燃烧过程燃烧过程 由于燃料燃烧不是瞬间完成的，因此在汽油机中，由于燃料燃烧不是瞬间完成的，因此在汽油机中，汽油与空气形成可燃混合气在上止点前就开始被电汽油与空气形成可燃混合气在上止点前就开始被电火花点燃，火焰迅速传播到整个燃烧室，工质的压火花点燃，火焰迅速传播到整个燃烧室，工质的压力和温度均急剧上升，整个过程接近于定容加热。力和

22、温度均急剧上升，整个过程接近于定容加热。 同理，柴油机应在上止点前就开始喷油，柴油与空同理，柴油机应在上止点前就开始喷油，柴油与空气混合后借助空气的热量自燃。开始时燃烧的速度气混合后借助空气的热量自燃。开始时燃烧的速度很快，而容积变化很小，工质的压力和温度剧增，很快，而容积变化很小，工质的压力和温度剧增，接近于定容加热。紧接着是边喷油边燃烧，随着活接近于定容加热。紧接着是边喷油边燃烧，随着活塞向下移动，气缸容积增大，故此时气缸内压力升塞向下移动，气缸容积增大，故此时气缸内压力升高不大，但温度继续上升，接近于定压加热。高不大，但温度继续上升，接近于定压加热。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指

23、标发动机工作循环与性能指标燃烧时最高压力燃烧时最高压力p pz z和最高温度和最高温度T Tz z的大致范围的大致范围 汽油机汽油机pz=29404900kPa Tz=20002800K 柴油机柴油机pz=58008830kpa Tz=18002200K可以看出，柴油机燃烧时最高压力较汽油机可以看出，柴油机燃烧时最高压力较汽油机高，但由于相对空气量大，所以其燃烧时最高，但由于相对空气量大，所以其燃烧时最高温度反比汽油机低。高温度反比汽油机低。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标膨胀过程膨胀过程 图中图中z-b曲线反映出膨胀过程的曲线反映出膨胀过程的p-V关系。关系。

24、 膨胀过程中，进、排气门关闭，高温高压的膨胀过程中，进、排气门关闭，高温高压的工质推动活塞由上止点向下止点移动，从而工质推动活塞由上止点向下止点移动，从而达到做功的目的，随后气缸内的压力和温度达到做功的目的，随后气缸内的压力和温度均迅速降低。均迅速降低。 膨胀过程除了有热交换和漏气损失外，还有膨胀过程除了有热交换和漏气损失外，还有补燃（即一些燃料着火后不能及时燃烧，在补燃（即一些燃料着火后不能及时燃烧，在膨胀过程中继续燃烧）等现象，所以该过程膨胀过程中继续燃烧）等现象，所以该过程为一个多变过程。为一个多变过程。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标膨胀终了的压力膨胀终

25、了的压力p pc c和温度和温度T Tc c的大致范围的大致范围 汽油机汽油机pb=294490kPa Tb=15001700K 柴油机柴油机pb=196392kPa Tb=10001400K第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标排气过程排气过程 图中图中b-r曲线反映出排气过程的曲线反映出排气过程的p-V关系。关系。 排气过程中，活塞由下止点向上止点移动，排气过程中，活塞由下止点向上止点移动，此时排气门开启，将气缸内的废气排除。此时排气门开启，将气缸内的废气排除。 由于排气系统有阻力，排气终了的压力由于排气系统有阻力，排气终了的压力pr大大于大气压力于大气压力p0，

26、其压力差，其压力差pr-p0用来克服排气用来克服排气系统的阻力。阻力越大，排气终了的压力系统的阻力。阻力越大，排气终了的压力pr越大。与进气过程中气门开闭时间类似，实越大。与进气过程中气门开闭时间类似，实际工作中排气门已先于其行程开始前被打开际工作中排气门已先于其行程开始前被打开，并延迟关闭。，并延迟关闭。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标排气终了时压力排气终了时压力p pr r和温度和温度T Tr r的大的大致范围致范围 汽油机汽油机pr =（1.051.2）p0 Tr =8501200K 柴油机柴油机pr =（1.031.15）p0 Tr =700900K第第

27、1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标从理论循环到实际循环热效率从理论循环到实际循环热效率t t下降的主要因素下降的主要因素1工质向外传热的损失工质向外传热的损失 实际压缩、燃烧和膨胀过程中，工质都会与周壁实际压缩、燃烧和膨胀过程中，工质都会与周壁进行热交换，而不是理想的绝热过程。由此引起进行热交换，而不是理想的绝热过程。由此引起的额外损失叫传热损失。的额外损失叫传热损失。 工质向外传热的部位有三个：活塞顶面、气缸盖工质向外传热的部位有三个：活塞顶面、气缸盖底面和缸套壁面。前二者传热面积不变，缸套壁底面和缸套壁面。前二者传热面积不变，缸套壁面则随活塞运行位置而变。在压缩过

28、程的中、后面则随活塞运行位置而变。在压缩过程的中、后期和燃烧膨胀的前期（向缸盖及活塞顶）、中、期和燃烧膨胀的前期（向缸盖及活塞顶）、中、后期（向缸套壁），传热渐高并达到最高值，从后期（向缸套壁），传热渐高并达到最高值，从而造成了相当的热量损失。而造成了相当的热量损失。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标2 2工质泄漏的损失工质泄漏的损失 工作过程中，工质通过活塞环及气缸壁之间工作过程中，工质通过活塞环及气缸壁之间的间隙向外泄漏是不可避免的，它造成了工的间隙向外泄漏是不可避免的，它造成了工质数量的减少。质数量的减少。 正常情况下虽然量不是很大，但在活塞环、正常情况下虽

29、然量不是很大，但在活塞环、气缸套磨损后以及低速工况的情形下，泄漏气缸套磨损后以及低速工况的情形下，泄漏会明显增加。会明显增加。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标3 3进、排气损失进、排气损失 为了循环的重复进行，必须更换工质，由此为了循环的重复进行，必须更换工质，由此而消耗的功称为换气损失。而消耗的功称为换气损失。 其中因工质流动，需要克服进、排气系统阻其中因工质流动，需要克服进、排气系统阻力，造成做功损失称为泵气损失，它在图中力，造成做功损失称为泵气损失，它在图中为闭合曲线为闭合曲线r-r-a-b-r所包围的面积。所包围的面积。 在这里面，排气损失所占比例比进气

30、损失大在这里面，排气损失所占比例比进气损失大。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标4 4提前燃烧损失及补燃损失提前燃烧损失及补燃损失 由于实际着火燃烧过程总要持续一段时间，所以燃由于实际着火燃烧过程总要持续一段时间，所以燃烧始点要略为提前，这样才能保证更接近上止点燃烧始点要略为提前，这样才能保证更接近上止点燃烧，从而获得较高的等容度，由此引起提前燃烧损烧，从而获得较高的等容度，由此引起提前燃烧损失。失。 同时，由于高温热分解等作用，压力不会陡然下降同时，由于高温热分解等作用，压力不会陡然下降，燃烧也要拖

31、延一段时间才能结束，该期间热功转，燃烧也要拖延一段时间才能结束，该期间热功转换的效率下降而形成补燃损失。换的效率下降而形成补燃损失。 上述损失的多少与始燃点的相位密切相关，汽油机上述损失的多少与始燃点的相位密切相关，汽油机通过调整点火提前角、柴油机则通过调整供油提前通过调整点火提前角、柴油机则通过调整供油提前角来控制这一位置，即选择适当的提前角参数来减角来控制这一位置，即选择适当的提前角参数来减少这个损失。少这个损失。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标5 5不完全燃烧损失不完全燃烧损失 燃料、空气混合不良，燃烧组织不善均会引起燃燃料、空气混合不良，燃烧组织不善均会

32、引起燃料热值不能完全释放，这些损失称为不完全燃烧料热值不能完全释放，这些损失称为不完全燃烧损失。损失。l实际工作循环的热效率实际工作循环的热效率t肯定较理论循环的热效肯定较理论循环的热效率要低。率要低。l近年来逐步普及的燃油喷射技术、计算机控制的近年来逐步普及的燃油喷射技术、计算机控制的电子点火技术以及发动机结构、材料的改进技术电子点火技术以及发动机结构、材料的改进技术等等，均可大大地提高热效率，从而极大地改善等等，均可大大地提高热效率，从而极大地改善发动机的动力性能和经济性能。发动机的动力性能和经济性能。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标1.31.3 指示指标指

33、示指标 指示指标：指示指标：以工质对活塞所做之功为计算基以工质对活塞所做之功为计算基准的指标准的指标。 指示指标不受动力输出过程中机械摩擦和附指示指标不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等各种外来因素的影响，件消耗等各种外来因素的影响，直接反映直接反映由由燃烧到燃烧到热功转换热功转换工作循环进行工作循环进行的好坏的好坏。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标指示功指示功 指示功：在气缸内完成一个循环工质对活塞指示功：在气缸内完成一个循环工质对活塞所做的有用功，用所做的有用功，用Wi表示。表示。 其大小可以由图中闭合曲线面积其大小可以由图中闭合曲线面积Ai减去减去A1

34、即即曲线曲线 所包围的面积减去曲线所包围的面积减去曲线 所包围的面积。为便于测量，将所包围的面积。为便于测量，将A1（泵气损失）归于机械损失中，因此指示（泵气损失）归于机械损失中，因此指示功就由面积功就由面积Ai来表示。来表示。bzcbb rbarr第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标W Wi i的计算的计算 Ai可用求积仪或计算方法得到，并通过下式可用求积仪或计算方法得到，并通过下式算出算出Wi真实值。真实值。式中：式中：Ai示功图面积（示功图面积（cm2）；）； a示功图纵坐标比例尺（示功图纵坐标比例尺（kPa/cm）；）； b示功图横坐标比例尺（示功图横坐标比

35、例尺（m3/cm）。）。baAWii第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标平均指示压力平均指示压力 为了比较不同大小、不同型式发动机的性能，需要排除为了比较不同大小、不同型式发动机的性能，需要排除气缸尺寸因素的影响，从而引入平均指示压力的概念。气缸尺寸因素的影响，从而引入平均指示压力的概念。 平均指示压力是发动机单位气缸工作容积所做的指示功平均指示压力是发动机单位气缸工作容积所做的指示功，用，用pi表示。表示。 pi是衡量实际循环动力性能的一个重要指标，它的大致是衡量实际循环动力性能的一个重要指标，它的大致范围是：范围是： 汽油机汽油机pi=7001300kPa 柴油

36、机柴油机pi=6501100kPa 车用增压柴油机车用增压柴油机pi=11001600kPasiiVWp 第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标指示功率指示功率 指示功率：发动机单位时间内所做的指示功，用指示功率：发动机单位时间内所做的指示功，用Pi表示。表示。 设一台发动机的气缸数为设一台发动机的气缸数为i，缸径为，缸径为D（cm），行程），行程为为S（cm），每缸工作容积为），每缸工作容积为Vs（L），转速为），转速为n（r/min），平均指示压力为），平均指示压力为pi（kPa），则每缸每循），则每缸每循环工质所做的指示功为：环工质所做的指示功为： （J） 发动

37、机的指示功率（每秒所做的指示功）为：发动机的指示功率（每秒所做的指示功）为： （kW）式中：式中： 行程数（四冲程 =4，二冲程 =2）。）。32104SDpVpWisii31030260inVpinWPsiii第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标指示燃油消耗率指示燃油消耗率 指示燃油消耗率：指单位指示功的耗油量，指示燃油消耗率：指单位指示功的耗油量，也就是发动机每小时发出也就是发动机每小时发出1kW指示功率时所指示功率时所消耗的燃油量，用消耗的燃油量，用gi表示。表示。 当实验测得发动机的指示功率为当实验测得发动机的指示功率为Pi(kW)及每及每小时耗油量为小时耗

38、油量为mh(kg/h)时，指示油耗率时，指示油耗率gi为：为： (g/kWh)310ihiPmg第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标指示热效率指示热效率 指示热效率：指实际循环指示功与所消耗的指示热效率：指实际循环指示功与所消耗的燃油热量的比值，用燃油热量的比值，用i表示。表示。式中：式中：Q得到指示功得到指示功Wi所消耗的燃油热量所消耗的燃油热量（J）。）。式中：式中： hn(kJ/kg)为燃料低热值。为燃料低热值。QiiW6106 . 3niihg第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标g gi i、 i i的范围与相互关系范围与相互关系

39、 gi、i 是评定发动机实际循环经济性能的重是评定发动机实际循环经济性能的重要指标，它们的大致范围是要指标，它们的大致范围是：汽油机汽油机 gi =205320i =0.250.40柴油机柴油机 gi =170200i =0.430.50 由由i计算式可以看出指示油耗率与指示热效计算式可以看出指示油耗率与指示热效率之间的关系：率之间的关系：gi高则高则i小，反之小，反之gi低则低则i大。大。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标1.4 1.4 有效指标有效指标 有效指标有效指标：以：以曲轴输出功曲轴输出功为计算基准的指标为计算基准的指标称为有效性能指标。称为有效性能指

40、标。 有效指标有效指标代表着发动机整机性能代表着发动机整机性能，被用来直，被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣，因而在接评定发动机实际工作性能的优劣，因而在生产实践中获得广泛的应用。生产实践中获得广泛的应用。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标有效功率和机械损失功率有效功率和机械损失功率 有效功率：从发动机功率输出轴上得到的有效功率：从发动机功率输出轴上得到的净净功率功率，用，用Pe表示。表示。 指示功率指示功率Pi并不能完全对外输出。功在发动机内并不能完全对外输出。功在发动机内部的传递过程中不可避免地存在损失，这些损失部的传递过程中不可避免地存在损失，这些损失主

41、要有发动机内部运动件的摩擦损失、驱动附属主要有发动机内部运动件的摩擦损失、驱动附属设备的损失及泵气损失。设备的损失及泵气损失。 机械损失功率：这些损失的总和所消耗的功率，机械损失功率：这些损失的总和所消耗的功率，用用Pm表示。表示。 Pe=Pi-Pm (kW) 发动机的有效功率发动机的有效功率Pe，可利用测功器和转速计进，可利用测功器和转速计进行测量计算而定。行测量计算而定。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标有效转矩有效转矩 有效转矩：发动机工作时，由功率输出轴输有效转矩：发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩出的转矩，用，用Te表示。表示。 Te与有效功率与有效功

42、率Pe的关系为：的关系为： （kW） 或或 式中：式中：Te有效转矩（有效转矩（Nm）；）； n发动机转速（发动机转速（r/min）。）。260 10009550eeenTT nP）（mNnPTee 9550第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标平均有效压力平均有效压力 平均有效压力：发动机单位气缸工作容积输平均有效压力：发动机单位气缸工作容积输出的有效功，用出的有效功，用pe表示。平均有效压力表示。平均有效压力pe与与有效功率有效功率Pe的关系为：的关系为： (kW) (kPa) 且有：且有： (kPa) 对总气缸工作容积（对总气缸工作容积（VSi）一定的发动机来）

43、一定的发动机来说，说，pe正比于正比于Te，pe值大，则对外输出的功值大，则对外输出的功多，转矩大。多，转矩大。31030inVpPsee31030inVPpseeiVTiVTpsesee14. 3301047. 0第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标平均有效压力平均有效压力p pe e值的大致范围值的大致范围 汽油机汽油机pe=6501100kPa 柴油机柴油机pe=600950 kPa 车用增压柴油机车用增压柴油机pe=9001300kPa第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标有效燃油消耗率有效燃油消耗率 有效燃油消耗率：指单位有效功的

44、耗油量，有效燃油消耗率：指单位有效功的耗油量，也就是发动机每有效千瓦小时的耗油量，用也就是发动机每有效千瓦小时的耗油量，用ge表示。表示。 当实验测得发动机的有效功率为当实验测得发动机的有效功率为Pe（kW）及）及每小时耗油量为每小时耗油量为mh（kg/h）时，有效油耗率）时，有效油耗率ge为：为： (g/kWh)310ehePmg第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标有效热效率有效热效率 有效热效率：指实际循环有效功（有效热效率：指实际循环有效功（We）与所）与所消耗的燃油热量的比值，用消耗的燃油热量的比值，用e表示。与前述表示。与前述的的i推导方式相同推导方式相同

45、6106 . 3neehg第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标分析分析 ge和和e两项指标可以比较不同发动机或不同两项指标可以比较不同发动机或不同工况的经济性，其中工况的经济性，其中ge更能直接说明发动机更能直接说明发动机燃油消耗的情况，更有实际意义。燃油消耗的情况，更有实际意义。 ge、e的大致范围是：的大致范围是：汽油机：汽油机：ge =280360（g/kWh）e=0.20.3柴油机：柴油机：ge =220290（g/kWh）e=0.30.4车用增压柴油机：车用增压柴油机：ge=190230（g/kWh） e=0.40.45第第1 1章章 发动机工作循环与性能

46、指标发动机工作循环与性能指标发动机强化程度发动机强化程度1转速和活塞平均速度转速和活塞平均速度 车用发动机（特别是小客车类的发动机）在车用发动机（特别是小客车类的发动机）在性能设计上一般都考虑采取一种强化措施，性能设计上一般都考虑采取一种强化措施，即提高发动机的额定转速。这意味着发动机即提高发动机的额定转速。这意味着发动机将经常处在较高的工作转速下运转，也意味将经常处在较高的工作转速下运转，也意味着单位时间内做功的次数增多。着单位时间内做功的次数增多。 这样，在气缸尺寸相同的情况下发出的功率这样，在气缸尺寸相同的情况下发出的功率增大，或者是在发出相同功率的情况下发动增大，或者是在发出相同功率的

47、情况下发动机体积和质量减小。机体积和质量减小。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标 转速增加，活塞的平均速度也增加。活塞平均速转速增加，活塞的平均速度也增加。活塞平均速度用度用Cm表示，它和转速的关系为：表示，它和转速的关系为： (m/s)式中：式中：S活塞行程（活塞行程（m）。）。 当然，当然，Cm增大，活塞组的热负荷和曲柄连杆机构增大，活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力也同时增大，将导致磨损加剧，寿命下的惯性力也同时增大，将导致磨损加剧，寿命下降。降。 一般活塞平均速度一般活塞平均速度Cm的大致范围是：的大致范围是：小客车汽油机小客车汽油机1215（m/s）载

48、货车汽油机载货车汽油机1013（m/s）柴油机柴油机812.5（m/s）30nSCm第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标2 2升功率升功率 发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功率，用率，用PL表示。表示。 (kW/L) 可以看出：提高可以看出：提高PL的措施是提高的措施是提高pe和和n。 PL可用来评价发动机的承载能力、热负荷和机械可用来评价发动机的承载能力、热负荷和机械负荷的应力水平以及发动机工作容积（排量）的负荷的应力水平以及发动机工作容积（排量）的利用程度，进一步提高升功率是发动机发展方向利用程度，进一步提高升功

49、率是发动机发展方向的研究课题之一。的研究课题之一。 PL的大致范围是：的大致范围是：汽油机汽油机2050（kW/L）柴油机柴油机1830（kW/L）3310301030nPiVinVPiVPPesseseL第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标3. 3. 比质量比质量 发动机的净质量与它所发出的有效功率的比发动机的净质量与它所发出的有效功率的比值称为比质量，用值称为比质量，用me表示。表示。 （kg/kW）式中：式中：m发动机的净质量（发动机的净质量（kg）。）。 me表示发动机质量的利用程度和结构的紧凑表示发动机质量的利用程度和结构的紧凑性，它的大致范围是：性，它的

50、大致范围是：汽油机汽油机1.54.0（kg/kW）柴油机柴油机3.58.5（kg/kW）eePmm 第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标1.5 1.5 机械损失与机械效率机械损失与机械效率 机械损失的组成机械损失的组成：机械摩擦损失机械摩擦损失：发动机内部运动件的机械摩：发动机内部运动件的机械摩擦、搅油及空气动力损失。擦、搅油及空气动力损失。辅助设备（附件）驱动功率的消耗辅助设备（附件）驱动功率的消耗泵气损失泵气损失第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标1 1机械摩擦损失机械摩擦损失（1）活塞组件的摩擦）活塞组件的摩擦 主要由活塞环面、活塞

51、裙面及活塞销三部分主要由活塞环面、活塞裙面及活塞销三部分的摩擦损失组成。的摩擦损失组成。 活塞环的环面受环的自身张力以及环背面气活塞环的环面受环的自身张力以及环背面气体压力的作用而紧压在缸壁上，与缸壁形成体压力的作用而紧压在缸壁上，与缸壁形成滑动摩擦，而且在活塞运行至上止点附近时滑动摩擦，而且在活塞运行至上止点附近时由于处于边界润滑状态，摩擦尤甚。由于处于边界润滑状态，摩擦尤甚。 活塞裙面在缸内运动中摩擦损失也较大，但活塞裙面在缸内运动中摩擦损失也较大，但由于其润滑相对比环面充分，与缸壁接触面由于其润滑相对比环面充分，与缸壁接触面上的单位面积压力也相对较小。上的单位面积压力也相对较小。第第1

52、1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标1 1机械摩擦损失机械摩擦损失（2）轴承摩擦）轴承摩擦 主要包括曲轴主轴承、凸轮轴轴承、连杆轴主要包括曲轴主轴承、凸轮轴轴承、连杆轴承与各自对应的轴颈之间以及前后主轴承密承与各自对应的轴颈之间以及前后主轴承密封装置的摩擦。封装置的摩擦。 其数值受缸内压力影响较小，主要取决于润其数值受缸内压力影响较小，主要取决于润滑条件、轴颈直径、转速和材质。滑条件、轴颈直径、转速和材质。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标1 1机械摩擦损失机械摩擦损失（3）气门机构摩擦）气门机构摩擦 主要包括凸轮与挺柱、摇臂与气门杆、摇臂主要

53、包括凸轮与挺柱、摇臂与气门杆、摇臂轴承等部位的摩擦。其中凸轮与挺柱、摇臂轴承等部位的摩擦。其中凸轮与挺柱、摇臂与气门杆等处的接触面由于载荷高、面积小与气门杆等处的接触面由于载荷高、面积小，摩擦损失较大。，摩擦损失较大。 另外，该损失随转速有较大变化，尤以低速另外，该损失随转速有较大变化，尤以低速时为甚。时为甚。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标1 1机械摩擦损失机械摩擦损失（4）其它损失）其它损失 主要包括齿轮、链轮、皮带轮传动损失，连主要包括齿轮、链轮、皮带轮传动损失，连杆大头搅机油的损失以及曲轴箱内空气压缩杆大头搅机油的损失以及曲轴箱内空气压缩、通风和各机件运

54、动的空气动力损失等。、通风和各机件运动的空气动力损失等。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标2 2辅助设备（附件）驱动功率的消耗辅助设备（附件）驱动功率的消耗 主要指发动机运转时必不可少的辅助机构，主要指发动机运转时必不可少的辅助机构，如水泵、风扇、机油泵、喷油泵、调速器、如水泵、风扇、机油泵、喷油泵、调速器、点火装置等所需的驱动功率。这些附件消耗点火装置等所需的驱动功率。这些附件消耗的功率主要随转速及润滑油粘度的上升而加的功率主要随转速及润滑油粘度的上升而加大，与负荷关系较小。大，与负荷关系较小。 近年来汽车大多增加了空调机、动力转向器近年来汽车大多增加了空调机、

55、动力转向器等多种装置和设备，从而加大了附属机械功等多种装置和设备，从而加大了附属机械功率的消耗。率的消耗。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标3 3泵气损失泵气损失 进、排气两个过程中由于工质流动时节流和进、排气两个过程中由于工质流动时节流和摩擦等因素造成的能量损失。摩擦等因素造成的能量损失。l机件（如曲柄连杆机构和配气机构）的摩擦机件（如曲柄连杆机构和配气机构）的摩擦损失占有最大的份额，其次为驱动附件设备损失占有最大的份额，其次为驱动附件设备的功率损失，再次为泵气损失。的功率损失，再次为泵气损失。l柴油机机械损失所占比例一般均较汽油机大柴油机机械损失所占比例一般均

56、较汽油机大。第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标机械损失分配情况机械损失分配情况机械损失名称占Pm百分比占Pi百分比摩擦损失其中 活塞及活塞环 连杆、曲轴轴环 配气机构627545601520 23820驱动各种附件损失其中 水泵 风扇 机油泵 电器设备 带动机械增压器损失10202368121261015 泵气损失102024 总功率损失1030第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标机械损失的测定方法机械损失的测定方法倒拖法倒拖法灭缸法灭缸法示功图法示功图法第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标发动机的机械效率发

57、动机的机械效率 机械效率：有效功率与指示功率的比值，机械效率：有效功率与指示功率的比值，用用m表示，即表示，即 机械效率是衡量发动机机械损失的重要指机械效率是衡量发动机机械损失的重要指标，研究机械损失的目的是为了寻求提高标，研究机械损失的目的是为了寻求提高机械效率的有效途径。机械效率的有效途径。 一般机械效率的大致范围是：一般机械效率的大致范围是：汽油机汽油机m=0.70.9柴油机柴油机m=0.750.8511eimmmmiiiiPPPPpPPPp 第第1 1章章 发动机工作循环与性能指标发动机工作循环与性能指标影响机械效率的主要因素影响机械效率的主要因素1转速（活塞平均速度）的影响转速（活塞

58、平均速度）的影响机械效率机械效率m随发动机转速随发动机转速n或活塞平均速度或活塞平均速度Cm的上升而下降，的上升而下降，这是因为当负荷不变而转速上升时：这是因为当负荷不变而转速上升时：（1）各摩擦副由于相对速度增加而导致摩擦阻力加大；）各摩擦副由于相对速度增加而导致摩擦阻力加大；（2）曲柄连杆机构等运动件的惯性力增大，活塞的侧压力和轴承）曲柄连杆机构等运动件的惯性力增大，活塞的侧压力和轴承负荷上升而导致摩擦阻力加大；负荷上升而导致摩擦阻力加大；（3）泵气损失、驱动附件消耗的功随之增加，所以机械效率下降）泵气损失、驱动附件消耗的功随之增加，所以机械效率下降。上述各项因素都使上述各项因素都使m随随n的上升而呈下降趋势。以提高转速为手的上升而呈下降趋势。以提高转速为手段来强化发动机输出功率时，段来强