第一章发动机的性能

1、汽车发动机原理同学们好1. 1 发动机的理论循环发动机的理论循环 实际循环 1、进气过程: 01 2、压缩过程: 123、燃烧过程: 24 4、膨胀过程: 45 5、排气过程: 50实际循环简化实际循环简化1 1、5 50 01 1 5 51 1， 封闭循环封闭循环2 2、1 12 2和和4 45 5 绝绝 热过程热过程3 3、2 24 4 2 23 34 4， 加热过程加热过程 .1 发动机理论循环的基本假定发动机理论循环的基本假定1 1、假定工质为理想气体、假定工质为理想气体2 2、忽略进、排气过程，假定为封闭循环、忽略进、排气过程，假定为封闭循环3 3、压缩、膨胀过程简化

2、为绝热等熵过程、压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程4 4、燃烧过程简化为外界热源等定容或等压向工质加、燃烧过程简化为外界热源等定容或等压向工质加 热，工质放热为等容放热热，工质放热为等容放热5 5、整个循环过程为可逆过程、整个循环过程为可逆过程1 1、混合加热循环（萨巴德循环）混合加热循环（萨巴德循环）高速柴油机循环高速柴油机循环 燃烧过程为定容、定燃烧过程为定容、定压加热过程；压加热过程； .2 发动机的三种基本理论循环：发动机的三种基本理论循环：2 2、定容加热循环定容加热循环( (奥托循环）奥托循环）汽油机循环汽油机循环 燃烧过程为定容加热过程；燃烧过程为定容加热过程；3

3、3、定压加热循环（狄塞尔循环）定压加热循环（狄塞尔循环）高增压和低速高增压和低速大型柴油机循环大型柴油机循环 燃烧过程为定压加热燃烧过程为定压加热过程；过程； 1 1. .1 1. .3 3 基本发动机理论循环分析基本发动机理论循环分析 1 1、循环特征参数循环特征参数 caVV压缩比压缩比压力升高比压力升高比czpp预膨胀比预膨胀比/ZZVV后膨胀比后膨胀比ZbVV 2 2、热效率热效率1211QQQWt（1 1）对）对混合加热循环混合加热循环 1121QQQt利用循环特性参数，得利用循环特性参数，得 tkkk111111()()（2 2）定容加热循环）定容加热循环( )( )tk1111

4、tkkk111111()()（3 3）定压加热循环）定压加热循环( )( )tkkk11111()1 tkkk111111()() 3 3、热效率分析热效率分析（1 1） （其他参数不变）（其他参数不变）对三种循环，都是对三种循环，都是 时，时， t t 也也当当 = 20 = 20 左右时，左右时， 对对 t t 影响不大影响不大低速柴油机低速柴油机 = 16 = 162222高速柴油机高速柴油机 = 14 = 142020汽油机汽油机 = 8 = 81212 tkkk111111()()tk111tkkk11111()（2 2） （其他参数不变）（其他参数不变）不影响不影响 t t 。定容

5、加热循环，定容加热循环， 不出现不出现定压加热循环，定压加热循环， = 1= 1混合加热循环，混合加热循环， 时，时， t t 也也 tkkk111111()()（3 3） （其他参数不变）（其他参数不变）定容加热循环，定容加热循环， = 1 = 1 ，无影响。，无影响。对定压加热循环和混合加热循环对定压加热循环和混合加热循环 时，时， t t 4 4、循环平均压力循环平均压力定义：定义：stVWp 根据热力学理论，得到根据热力学理论，得到混合加热循环混合加热循环平均压力为平均压力为：taktmkkpp ) 1() 1(11aP压缩始点的压力压缩始点的压力(kPa)定容加热循环定容加热循环平均

6、压力平均压力taktvkpp)1(11定压加热循环定压加热循环平均压力平均压力taktpkkpp) 1(11（1 1）进气终了压力进气终了压力 pa 提高，提高， pt增加；增加； t t 提高，提高， pt 增加增加; ; 凡是使凡是使 t t 提高的因素，也都会增加提高的因素，也都会增加 pt。 （2 2） （其他参数不变）（其他参数不变）对三种循环，都是对三种循环，都是 时，时，pt 也也（3 3） （其他参数不变）（其他参数不变）定容加热循环定容加热循环混合加热循环混合加热循环时，时，pt 也也 定压加热循环，定压加热循环， = 1,= 1,不影响不影响 pt 。 （4 4） （其他参

7、数不变）（其他参数不变）定容加热循环，定容加热循环， = 1,= 1,不影响不影响 pt 。 时，时， t t定压加热循环定压加热循环混合加热循环混合加热循环 ，所以所以，pt 是否增加，取决于是否增加，取决于综合结果综合结果，但但 从表面从表面看看 pt 5 5、三种基本循环的比较三种基本循环的比较（1 1）初态相同，压缩比）初态相同，压缩比 相同，加热量相同，加热量Q1相同相同ptmtvt,（2 2）初态相同，加热量）初态相同，加热量Q1相同，最高爆发压力相同相同，最高爆发压力相同 ptmtvt,1. 2 发动机的实际循环发动机的实际循环1 1. .2 2. .1 1 发动机实际循环的示功

8、图发动机实际循环的示功图四冲程四冲程非增压非增压发动机的实际循环发动机的实际循环示功图示功图1 1. .2 2. .2 2 发动机实际循环的过程发动机实际循环的过程四冲程四冲程增压增压发动机的实际循环发动机的实际循环示功图示功图1. 2. 3 发动机实际循环与理论循环的比较发动机实际循环与理论循环的比较 发动机实际循环与理论循环相比较，可发动机实际循环与理论循环相比较，可以发现，两者存在很大的差异。由于发动机以发现，两者存在很大的差异。由于发动机理论循环是在理想条件下得到的，因此，这理论循环是在理想条件下得到的，因此，这种种差异表明了实际循环的缺陷，可以说明燃差异表明了实际循环的缺陷，可以说明

9、燃料燃烧热量的损失，指示发动机工作过程改料燃烧热量的损失，指示发动机工作过程改进的方向。进的方向。1. 汽油机的实际循环汽油机的实际循环Wk 工质损失工质损失Wb 传热损失传热损失Wz 燃烧损失燃烧损失Wr 换气损失换气损失W 提前排气损失提前排气损失2. 柴油机的实际循环柴油机的实际循环Wk 工质损失工质损失Wb 传热损失传热损失Wz 燃烧损失燃烧损失Wr 换气损失换气损失W 提前排气损失提前排气损失 1.1.实际工质的影响实际工质的影响W Wk k 理论循环假定工质比热容是定值。燃烧后生成理论循环假定工质比热容是定值。燃烧后生成COCO2 2HH2 20 0等气体等气体. . 比热容增大比

10、热容增大, ,循环的最高温度降低循环的最高温度降低. .泄漏使工质数量减少泄漏使工质数量减少. . 2.2.换气损失换气损失WrWr 换气时消耗的功成为换气损失换气时消耗的功成为换气损失. .其中应工质流动是需其中应工质流动是需要克服进要克服进 排气系统阻力所消耗的功排气系统阻力所消耗的功, ,称为泵气损失称为泵气损失. .造成发动机实际循环与理论循环存在差异的原因：造成发动机实际循环与理论循环存在差异的原因：（1）提前排气提前排气；（2）强制排气强制排气；（3）强制进气强制进气即泵气损失即泵气损失 3.3.燃烧损失燃烧损失W WZ Z 1) 1)实际循环中燃料燃烧需要一定的时间实际循环中燃料

11、燃烧需要一定的时间, ,所以喷油或点所以喷油或点火在上止点前火在上止点前, ,并且燃烧还会延续到膨胀行程并且燃烧还会延续到膨胀行程. .由此形由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失成非瞬时燃烧损失和补燃损失. 2). 2)实际循环中会有部实际循环中会有部分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失分燃料由于缺氧产生不完全燃烧损失. . 3) 3)在高温下部分燃烧产物分解而吸热在高温下部分燃烧产物分解而吸热, ,即即 222222222OHOHOCOCO热热使循环的最高温度降低使循环的最高温度降低. 4 4 传热损失传热损失Wb 实际循环中实际循环中, ,气缸壁气缸壁( (包括气缸套包括气缸套 气缸盖气缸盖 活塞

12、环活塞环 气气门门 喷油器等喷油器等) )和工质的热交换和工质的热交换, ,造成损失造成损失. . 5 5 缸内流动损失损失缸内流动损失损失1. 3 发动机的指示性能指标发动机的指示性能指标1 1. .3 3. .1 1 指示功和平均指示压力指示功和平均指示压力一、指示功一、指示功W iW i = (F1 F2 ) ab/10-6二、平均指示压力二、平均指示压力pmi 表示发动机单位气缸表示发动机单位气缸 工工作容积的指示功作容积的指示功 于是指示功于是指示功W i (KJ) 可以表示为可以表示为 力学意义力学意义：可以把可以把平均指示压力看作是一平均指示压力看作是一个作用在活塞上的压力，个作

13、用在活塞上的压力，这个压力使活塞移动一这个压力使活塞移动一个行程，所做的功即为个行程，所做的功即为指示功。指示功。指示功率指示功率P i: 发动机单位时间内所做的指示功发动机单位时间内所做的指示功30260niVpinWPsmiii四冲程发动机四冲程发动机120niVpPsmii二冲程发动机二冲程发动机60niVpPsmii1.3.2 指示功率指示功率P i)/ KgKJHu燃料的低热值（1 1. .3 3. .3 3 指示热效率和指示燃油消耗率指示热效率和指示燃油消耗率一、指示热效率一、指示热效率 ：实际循环指示功实际循环指示功(kJ)与所消耗与所消耗的燃料热量的燃料热量(kJ)之比。之比。

14、1QWiitBHPiit6106 . 3)/k)hgBkWPi每小时耗油量（率（试验测得发动机指示功it)hkW/(g)/K)指示比油耗每小时耗油量（率（试验测得发动机指示功ibhgBKWPi二者有关系式二者有关系式二、指示燃油消耗率二、指示燃油消耗率 b i:单位指示功的耗油量。单位指示功的耗油量。310iiPBb6106 . 31Hbii)/ KgKJHu燃料的低热值（miePPP4 发动机有效性能指标发动机有效性能指标1. 4. 1 发动机动力性能指标发动机动力性能指标1. 有效功和有效功率有效功和有效功率 发动机曲轴传递的功率称为有效功率发动机曲轴传递的功率称为有效功率 P Pe e（

15、KWKW），它是工质所做指示功率，扣除各种损失后的功率。它是工质所做指示功率，扣除各种损失后的功率。 有效功率通过试验测量得到。有效功率通过试验测量得到。mieWWW2. 有效扭矩有效扭矩 T Ttqtq(N.m)(N.m) 发动机曲轴输出的扭矩称为发动机曲轴输出的扭矩称为有效扭矩有效扭矩 T Ttq tq 。 有效扭矩也可通过试验测量得到。有效扭矩也可通过试验测量得到。 有效扭矩与有效功率的关系有效扭矩与有效功率的关系320.1047106010009550tqtqetqn TTnPTn3. 平均有效压力平均有效压力 pme 发动机单位气缸工作容积所做有效功即发动机单位气缸工作容积所做有效功

16、即平平均有效压力均有效压力 pme（MPa)。30meSepVi nP 3303.1410tqemessTPPi Vni V4. 转速转速 n n 和活塞平均速度和活塞平均速度 Cm 发动机转速高，单位时间作功次数多，可发动机转速高，单位时间作功次数多，可在不增加发动机的体积和质量条件下，提高发在不增加发动机的体积和质量条件下，提高发动机的功率。动机的功率。 发动机的转速主要取决于气缸内的燃烧速发动机的转速主要取决于气缸内的燃烧速度，不能任意提高。度，不能任意提高。30SnCmCmCm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损加剧，寿命下

17、降。一般汽油机不超过增大，磨损加剧，寿命下降。一般汽油机不超过18M/S18M/S，柴油机不超过，柴油机不超过13m/s13m/s。为提高转速又不使为提高转速又不使CmCm过大，可以减小行程过大，可以减小行程S S，即对于，即对于高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比(S/D)(S/D)值。值。当当S/D1S/D1时，常称为短行程。时，常称为短行程。1. 4. 2 发动机经济性能指发动机经济性能指标标1. 有效热效率有效热效率 et 发动机所做有效功发动机所做有效功 W We e 与所消耗燃料热量与所消耗燃料热量Q Q1 1的比值即的比值即有效热效率有

18、效热效率 et。1eetWQ33.6 10eetPBH2. 有效燃料消耗率有效燃料消耗率 b be e （有效比油耗）（有效比油耗） 发动机在发动机在1 1小时所发出小时所发出单位有效功率单位有效功率时所时所消消耗燃料耗燃料质量质量Q1的比值即的比值即有效燃料消耗率有效燃料消耗率 b be e g/(KW.h)。1000eeBbP6106 . 31Hbee二者有关系式二者有关系式1. 4. 3 发动机强化性能指标发动机强化性能指标1. 升功率升功率 PL 单位单位(升）气缸工作容积所发出的有效功升）气缸工作容积所发出的有效功率即率即升功率升功率 PL。3030emesmeLssPpV i np

19、nPV iV i 升功率升功率衡量发动机容积利用程度衡量发动机容积利用程度2. 比质量比质量 me 发动机单位有效功率所占用的发动机干质发动机单位有效功率所占用的发动机干质量即量即比质量比质量 me 。eemmP比质量表征比质量表征质量利用程度和结构紧凑性质量利用程度和结构紧凑性3. 强化系数强化系数 pmeCm 平均有效压力平均有效压力 pme 与活塞平均速度与活塞平均速度 Cm 的乘的乘积称为积称为强化系数强化系数 pmeCm 强化系数反映发动机的机械负荷和热负强化系数反映发动机的机械负荷和热负荷的强度。荷的强度。 技术进步的一个标志。技术进步的一个标志。(/ )MPa m s1. 5 发

20、动机的机械损失发动机的机械损失发动机的发动机的机械损失：机械损失： 发动机曲轴输出的功或功率小于其气缸内发动机曲轴输出的功或功率小于其气缸内气体膨胀所作出的功或功率，两者之差称为发气体膨胀所作出的功或功率，两者之差称为发动机的动机的机械损失机械损失。 机械损失包括摩擦损失、泵气损失和驱动机械损失包括摩擦损失、泵气损失和驱动附件消耗的功或功率。附件消耗的功或功率。发动机机械损失的构成发动机机械损失的构成机械损失类型机械损失类型占指示功率比例占指示功率比例 % %占有效功率比例占有效功率比例 % %占机械损失功率比占机械损失功率比例例 % %摩擦损失摩擦损失 8 20 8 20 9 29 9 29

21、 62 75 62 75附件驱动损失附件驱动损失 1 5 1 5 1 7 1 7 10 20 10 20泵气损失泵气损失 2 4 2 4 2 6 2 6 10 20 10 20总机械损失总机械损失 10 30 10 30 11 43 11 43 100 100 由此可见，发动机机械损失由此可见，发动机机械损失最主要构成部最主要构成部分是摩擦损失分是摩擦损失。而在摩擦损失中，。而在摩擦损失中，活塞、活塞活塞、活塞环与气缸壁面的摩擦以及曲柄连杆机构的摩擦环与气缸壁面的摩擦以及曲柄连杆机构的摩擦几乎构成全部的摩擦损失。几乎构成全部的摩擦损失。 活塞、活塞环与气缸壁面的摩擦占摩擦损活塞、活塞环与气缸壁

22、面的摩擦占摩擦损失的失的70%70%，曲柄连杆机构的摩擦占摩擦损失的，曲柄连杆机构的摩擦占摩擦损失的25%25%，两者之和达到，两者之和达到95% 95% 。1. 5. 1 发动机的机械损失发动机的机械损失1. 机械损失功机械损失功2. 机械损失功率机械损失功率3. 平均机械损失压力平均机械损失压力4. 三者关系三者关系1. 5. 2 机械效率机械效率机械效率机械效率: : 有效功率与指示功率的比值称为有效功率与指示功率的比值称为机械效率机械效率。1. 5. 3 发动机机械效率的测定发动机机械效率的测定 机械效率只能通过实际发动机的试验来机械效率只能通过实际发动机的试验来测定。简便易行的测试方

23、法有：测定。简便易行的测试方法有： （1 1）示功图法）示功图法 （2 2） 倒拖法倒拖法 （3 3） 灭缸法灭缸法 （4 4） 油耗线法油耗线法1、示功图法示功图法 精确的机械效率测试方法是示功图法，精确的机械效率测试方法是示功图法， 在确定的工况下，通过测量出所有气缸在确定的工况下，通过测量出所有气缸的大量示功图，加以统计平均处理，得出发的大量示功图，加以统计平均处理，得出发动机实际循环的平均示功图，并通过计算，动机实际循环的平均示功图，并通过计算，获得发动机平均指示功率获得发动机平均指示功率Pi ，与此时测出，与此时测出的有效功率的有效功率Pe 之差即为机械损失功率之差即为机械损失功率P

24、m。：适用于所有机型。：适用于所有机型。2. 倒拖法倒拖法 从电力测功机上所测得的倒拖功率从电力测功机上所测得的倒拖功率Ptest即即为发动机在该工况下的机械损失功率。为发动机在该工况下的机械损失功率。 适用范围：适用范围： 具有平衡式电力测功机的汽油机。具有平衡式电力测功机的汽油机。 国标规定优先采用倒拖法。国标规定优先采用倒拖法。2. 灭缸法灭缸法 先确定发动机的有效功率，然后使发先确定发动机的有效功率，然后使发动机各个气缸轮流停止工作，并保持转速动机各个气缸轮流停止工作，并保持转速始终不变，测量各缸停止工作时所对应的始终不变，测量各缸停止工作时所对应的有效功率。这样可测出发动机的指示功率

25、，有效功率。这样可测出发动机的指示功率，也就确定了机械损失功率也就确定了机械损失功率。 若第若第 j 缸停止工作，则没有停缸测出的缸停止工作，则没有停缸测出的有效功率有效功率Pe与此时测出的有效功率与此时测出的有效功率Pe ,j之差即之差即为第为第 j 缸的指示功率缸的指示功率Pi , j故故由于由于所以所以适用范围：仅适用于多缸非增压的柴油机；适用范围：仅适用于多缸非增压的柴油机； 4. 油耗线法油耗线法 保持发动机转速不变，改变发动机负荷，保持发动机转速不变，改变发动机负荷，同时调节发动机油门，并测出每小时耗油量同时调节发动机油门，并测出每小时耗油量 B，绘制出绘制出 B pme 关系，即

26、下图关系，即下图。 B pme 关系曲线的靠近坐标原点部分近似为直关系曲线的靠近坐标原点部分近似为直线，将这部分曲线按直线延伸，直至与横坐标相交，线，将这部分曲线按直线延伸，直至与横坐标相交，则交点则交点 Q 的横坐标即为平均机械损失压力的横坐标即为平均机械损失压力 pmm。 这也提供了又一种求平均机械损失压力这也提供了又一种求平均机械损失压力 pmm的方的方法。图中，如果认为油耗曲线中从法。图中，如果认为油耗曲线中从 A 点到点到 B 点为直线，点为直线，则则 ACQ 和和 BOQ 构成两相似三角形。于是构成两相似三角形。于是 从中得到从中得到适用范围：适用于非增压或低增压的柴油机。适用范围

27、：适用于非增压或低增压的柴油机。1. 6 发动机的热平衡发动机的热平衡)./kgKJHBHQT燃料低热值（ 在发动机中在发动机中, ,热量是有燃料燃烧而产生热量是有燃料燃烧而产生, ,若测得发动若测得发动机每小时的耗油量机每小时的耗油量B(kg/h),B(kg/h),设燃料完全燃烧设燃料完全燃烧, ,则每小时则每小时所放出的热量为所放出的热量为: :发动机的热平衡即发动机的热平衡即燃料热量的分配燃料热量的分配。燃料燃料 有有 传传 废废 燃烧燃烧 其他其他 效效 热热 气气 热量热量 功功 量量 热热 损失损失 损失损失燃料量燃料量 实实 可可 可可 可可 不可不可 估估 估估 估估 热值热值 测测 算算 算算 算算 估算估算热平衡常以燃料总热的百分数表示热平衡常以燃料总热的百分数表示, ,即即%,100%,%,%,%,%,lbrseTLlTBbTRrTSsTEeqqqqqQQqQQ