第2章 内燃机的工作指标

第二章内燃机的工作指标1内燃机的工作指标耐久可靠性指标动力性能指标经济性能指标运转性能指标指单位时间内做功能力的大小，反映能量转换中数量方面的大小。主要指标有：功率转矩转速指单位时间单位功率消耗燃料量多少，反映能量转换中质量的好坏。主要指标有：燃油消耗率热效率指内燃机的起动性、振动性和排放性等方面指标指大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力。反映设计，加工水平的高低。2主要内容

第一节示功图与指示性能指标第二节有效性能指标第三节机械损失与机械效率第四节排放指标第五节提高内燃机动力性和经济性的途径3第一节

示功图与指示性能指标一、示功图

二、指示性能指标4一、示功图1.定义是指气缸内压力随曲轴转角(或气缸容积)而变化的关系的图形。p—V示功图或p—φ示功图。2.研究原因

内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段(压缩、燃烧、膨胀)以及进气、排气行程中的压力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们与所积累的试验数据进行分析比较，可以对整个工作过程或工作过程的不同阶段进展的完善程度作出正确的判断。因此，示功图是研究内燃机工作过程的重要试验数据。

5p—φ示功图6p—V示功图压燃式点燃式7一、示功图3.示功图的转换p—V图与p—φ图是可以互相转换的。

p-V图p-φ图8由p—V图转换成p—φ图计算时一般5～10度为一点，在压缩终点和燃烧始点阶段要密一点，此处压力变化大、点太稀误差大。9二、指示性能指标

内燃机的整个工作进行中由两部分组成第一部分：完成能量的转换。第二部分：完成运动形式的转换。化学能热能机械功（即缸内燃料燃烧到缸内气体膨胀推动活塞做功）活塞往复运动曲轴旋转运动以工质在气缸内对活塞所做的功为基础的性能指标。指示性能指标i以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。有效性能指标e指示性能指标>有效性能指标用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程。用来评定发动机性能的好坏。意义：意义：10

（一）指示功Wi和平均指示压力pmi

是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。1.指示功为了便于分析规定：工质（气体）推动活塞做功定为作正功“＋”活塞推动工质（气体）做功定为作负功“－”进气过程膨胀过程压缩过程排气过程正功“＋”负功“－”正功“＋”负功“－”11指示功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12指示功非增压增压四冲程非增压发动机指示功面积四冲程增压发动机指示功面积压缩、燃烧、膨胀行程中所得到的有用功面积进气、排气行程中消耗的功的面积由于增压后进气的压力大于排气压力(泵气损失)13指示功二冲程二冲程发动机指示功面积只有一块示功图面积Fi，它表示了指示功的大小。

14指示功示功图面积，可以用求积仪或计算方法求得152.平均指示压力指示功反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除了和循环中热功转换的有效程度有关外，还和气缸容积的大小有关。为了能更清楚地对不同工作容积发动机工作循环的热功转换有效程度作比较，引出了平均指示压力的概念。发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。定义：当一定时，说明热量转换功多，气缸工作容积的利用程度平均指示压力是一个假想的平均不变的压力，以这个压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程S所做的功，即为循环的指示功Wi。16平均指示压力平均指示压力是从实际循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数。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。柴油机：四冲程非增压0.6～0.95MPa四冲程增压0.85～2.6MPa二冲程0.35～1.3MPa汽油机：四冲程摩托车用0.9～1.43MPa四冲程小客车用0.65～1.25MPa四冲程载货车用0.6～0.85MPa二冲程小型风冷0.4～0.85Mpa在标定工况下取值范围：17(二)指示功率

若一台内燃机的气缸数为i，每缸的工作容积为Vs（m3），平均指示压力为pmi

（N／m2），转速为n（r／s），根据pmi的定义，每循环气体所作的指示功（J）为:1.定义：内燃机单位时间内所作的指示功。2.公式推导：18

若一台内燃机的气缸数为i，每缸的工作容积为Vs（m3），平均指示压力为pmi

（N／m2），转速为n（r／s），根据pmi的定义，每循环气体所作的指示功（J）为:设每秒钟的做功次数为z具有i个气缸的发动机每秒所做的指示功率为：193.实际应用的公式对四冲程发动机对二冲程发动机20（三）指示热效率和指示燃油消耗率

1.指示热效率定义：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值。对于一台发动机，当测得其指示功率Pi(kW)和每小时燃油消耗量B(kg／h)时，燃料的热值为Hu(KJ/Kg)。根据定义，可得：Q1为得到指示功Wi所消耗的热量（J）。21（三）指示热效率和指示燃油消耗率

2.指示燃油消耗率定义：单位指示功率消耗的燃料量。表示实际循环的经济性指标ηit和bi之间存在着以下关系：若以柴油的低热值Hu＝41868kJ／kg代入22

ηit

bi[g／(kW·h)]四冲程柴油机0.41～0.50210～170二冲程柴油机0.40～0.50215～170四冲程汽油机0.25～0.40340～215二冲程汽油机0.20～0.278430～300一般内燃机的ηit和bi的统计范围如下：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。23第二节有效性能指标一、机械效率和有效功率二、平均有效压力和升功率三、由吸入空气量计算平均有效压力四、有效热效率和有效燃油消耗率24一、机械效率和有效功率1.有效功率和机械效率上面所讨论的指示性能指标只能评定工作循环进行的好坏，发动机发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等附件所消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，所有这些消耗功率的总和称为机械损失功率Pm，有效功率:机械效率:为反映获得有效功率的程度引入机械效率25一、机械效率和有效功率2.有效功率的测量内燃机的有效功率Pe(kW)是指从曲轴端获得的有用功，可以利用各种型式的测功器测出。通过水力测功器或电力测功器作为负荷，由发动机带动，在额定转速下，当Ttq＝TR

，算出TR，即为Ttq。根据理论力学得知，旋转物体作的功，等于力矩与旋转角度的乘积。26二、平均有效压力和升功率与平均指示压力相似，可看作是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程所做的功等于每循环所做的有效功。平均有效压力是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。按照上述定义可以所表示的pmi和Pi之间的关系那样，列出Pe(kW)和pme(MPa)的关系式1.平均有效压力271.平均有效压力因此，对于一定气缸总工作容积(即iVs)的发动机，平均有效压力pme值反映了发动机输出转矩Ttq的大小:28二、平均有效压力和升功率2.升功率定义在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。升功率是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的利用率作总的评价。它与pme和n的乘积成正比。PL值越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断提高pme和n的水平以获得更强化，更轻巧和紧凑的发动机，一直是内燃机工作者致力以求的奋斗目标，因而PL是评定一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。

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pme/MPaPL/(kW.L-1)农用柴油机0.6～0.88.8～14.7汽车用柴油机0.65～111～25.8强化高速柴油机1～2.915～40固定船用户速柴油机0.6～2.53.7～7.35四冲程摩托车用汽油机0.78～1.251.8～88

四冲程小客车用汽油机0.65～1.240～70四冲程载货汽车用汽油机0.6～0.722～25.8四冲程小型风冷汽油机0.4～0.6518.4～73.5目前内燃机的pme和PL值一般在下列范围内：30三、由吸入空气量计算平均有效压力充量系数φc过量空气系数φa在推导前，先出两个重要定义：31三、由吸入空气量计算平均有效压力1、充量系数φc进气始点参数：进气终点参数：（沿程阻力，局部阻力影响）（工质受机温加热影响）根据：32三、由吸入空气量计算平均有效压力1、充量系数φc为表征换气过程中实际进入气缸空气量多少引入充量系数充量系数φc是表征实际换气过程进行完善程度的一个极为重要的参数。33三、由吸入空气量计算平均有效压力2、过量空气系数φa燃烧lkg燃料的实际空气量与理论空气量之比定义柴油l0≈14.3，汽油l0≈14.8。34三、由吸入空气量计算平均有效压力2、过量空气系数φa(理论混合气)(稀混合气)(浓混合气)是反映混合气浓度量35柴油机φa总是大于1，以保证喷入气缸的柴油能完全燃烧。柴油机在吸入气缸的空气量一定的情况下，φa小意味着可以气缸多喷油，吸入气缸的空气利用率高，发出的功率大。φa是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标，应力求减小φa，减小φa在小型高速柴油机中主要受燃烧完善程度的限制，在大型及增压柴油机中主要受热负荷的限制。柴油机在全负荷时φa的一般数值范围为：高速柴油机φa＝1.2～1.5增压柴油机φa＝1.7～2.236

在整个运行工况中，可以遇到φa＞1和φa≤1的各种情况，汽油机在全负荷时φa的一般数值范围为:

φa＝0.85～1.1除了运用φa这一参数来表示燃烧时空气量和燃料量之比外，还可以应用空气燃料比或燃料空气比1／α来表示，它们之间的关系为：汽油机37实际发动机的φa可由废气分析法求得。对于非增压的四冲程内燃机，也可由耗油量及耗气量按下求得Φa的测量Aa为发动机的空气消耗量，kg／h；B为燃油耗油量，kg／h；l0为化学计量空燃比。38三、由吸入空气量计算平均有效压力3.pme的推导与建立39三、由吸入空气量计算平均有效压力3.pme的推导与建立40建立了动力性指标和经济性指标等一系列参数之间的关系，为分析发动机性能提供了一个重要依据。3.pme的推导与建立41四、有效热效率和有效燃油消耗率衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率ηet和有效燃油消耗率be。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1.有效热效率42四、有效热效率和有效燃油消耗率2.有效燃油消耗率指单位有效功的耗油量，[g／(kW·h)]又可表示为:可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。43

be／[g/(kW·h)]ηet低速柴油机190～2250.38～0.45中速柴油机195～2400.36～0.43高速柴油机215～2850.30～0.40(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274～4100.30～0.20二冲程汽油机410～5450.20～0.15一般内燃机在标定工况下的be和ηet值大致在以下范围:44第三节机械损失与机械效率一、机械损失的评定指标二、机械损失的组成部分

三、机械损失的测定45一、机械损失的评定指标1、机械损失功率2、机械效率3、平均损失压力同平均指示压力、平均有效压力的定义相似，平均机械损失压力的定义是：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。在致力于提高内燃机性能指标时，应尽可能减少机械损失，提高机械效率。46二、机械损失的组成部分1.活塞与活塞环的摩擦损失(40%~65%)2.轴承与气门机构的摩擦损失(10%~15%)3.驱动附属机构的功率消耗(10%~20%)4.风阻损失5.驱动扫气泵及增压器的损失(10%~20%)471.活塞与活塞环的摩擦损失这部分损失占整个摩擦损失的主要部分。这是由于它的滑动面大、相对速度高、润滑不充分等原因造成的，这种摩擦与活塞的长度、活塞间隙以及活塞环的数目和环的张力等结构因素有关。此外，在构造相同的情况下，它随气缸内压力、活塞速度以及润滑油粘度的升高而增加。(40%~65%)482.轴承与气门机构的摩擦损失它包括所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等的摩擦损失。在这些轴承里，由于润滑充分，纯液力摩擦因数很低；随着轴承直径的增大和转速的提高，轴颈圆周速度的增大，这部分损失亦将增加，但它对气缸中压力的变化不太敏感。至于消耗在气门驱动机构上的损耗，在最大功率工况下所占比例是很微小的。(10%~15%)493.驱动附属机构的功率消耗这里所指的附属机构，主要是指为保证发功机工作所必不可少的部件总成，如冷却水泵总成(风冷发动机中则是冷却风扇)、机油泵、喷油泵、调速器等；而一些较次要的部件总成，如发电机、汽车制动用的空气压缩机、水箱风扇等，除非加以说明，一般不包括在内。这些附属机构消耗的功率随发动机的转速和润滑油粘度的增加而增大，但与气缸压力无关．它仅占机械损失中一小部分。(10%~20%)504.风阻损失连杆、曲轴等零件在曲轴箱内高速运动时，为克服油雾、空气阻力及曲轴箱通风等将消耗一部分功，但其数值是很微小的。51

5.驱动扫气泵及增压器的损失

在二冲程或机械增压发动机中，还要加上对进气进行压缩而带来的损失。52说明：1.活塞与活塞环的摩擦损失2.轴承与气门机构的摩擦损失3.驱动附属机构的功率消耗4.风阻损失5.增压器消耗的功率

发动机的内部摩擦损失注：上述5项中没有换气损失功率Pp，这是由于在计算Pi时，计算F1时，扣除了F2这块面积，因此就定义而言，Pf不包含在Pm项中，但在测量中要Pf和Pp分开是很难的。所以高速发动机中摩擦损失应为：53三、机械损失的测定1、示功图法2、倒拖法3、灭缸法4、油耗线法541.示功图法（1）运用各种示功器录取气缸的示功图算出Pi值（2）利用测功器和转速计测出有效功率Pe

值（3）算出Pm，ηm及pmm值试验方法551.示功图法注：示功图完全是建立在实验基础上的，试验结果的正确程度住往决定于示功图测录的正确程度，其中最大的误差来源于p—φ图或p—V图上活塞上止点位置不易正确地确定。此外，在多缸发动机中，各个气缸多少存在着—定的不均匀性，而在试验中往往只测录一个气缸的示功图用以代表其他各缸，这也会引起一定的误差，因此，示功图法一般示用于当上止点位置能得到精确校正时才能取得较满意的结果。562.倒拖法

这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。这种方法在具有电力测功器的试验条件下方可进行。试验方法试验时，发动机与电力测功器相连(1)让发动机以给定工况下稳定运行，冷却水、机油温度到达正常数值。（2）切断对发动机的供油，将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发功机，并且维持冷却水和机油温度不变。572.倒拖法存在问题其次，由于排气过程中温度低、密度大，使换气损失功增大（排温低，排气容量大）；再次，由于没有燃烧，机温降低，在膨胀、压缩中，由于充量向气缸壁的传热损失增加，p一V图上膨胀线和压缩线不重合而处于它的下方，出现了负功面积。首先，气缸内不进行燃烧过程，作用在活塞上的气体压力在膨胀行程中大幅度下降，使活塞、连杆、曲轴的摩擦损失减少；58倒拖时所消耗的功率要超过柴油机在给定工况工作时的实际机械损失。2.倒拖法综合结果低压缩比发动机误差大约为5％高压缩比发动机误差有时可高达(15—20)％倒拖法测定汽油机机械损失593.灭缸法

（此法仅适用于多缸发动机）试验方法（1）当内燃机调整到给定工况稳定工作后，先测出其Pe

。（2）在喷油泵齿条位置或节气门不变的情况下，停止向某一气缸供油或点火。并用减少制动力矩的办法迅速将转速恢复到原来的数值，并重新测定其有效功率Pe，依次将各缸灭火。

（以四缸机为例）停第一缸后的功率为Pe（1)停第二缸后的功率为Pe（2)停第三缸后的功率为Pe（3)停第四缸后的功率为Pe（4)如何计算机械损失？603.灭缸法由于停缸前：而停一缸后：比较停缸前后的变化：同理：通式：613.灭缸法举例：南昌柴油机厂生产的4105柴油机，依次停一缸后，发动机所测得的功率为：求624.油耗线法理论依据：怠速工况：发动机处于最低稳定转速下运行，不对外做功。因此，怠速时：(消耗了B0kg/h燃油，获得了Pi的功，用于克服发动机的机械损失Pm)634.油耗线法理论依据：标定工况：设计时规定的Pe，n(消耗了Bkg/h燃油，对外做了Pe的功)怠速工况：644.油耗线法作发动机油耗线：柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验，求出发动机在给定转速下，每小时燃油消耗量与平均有效功率的关系曲线。注：

通常是在中等负荷下（即图中mn段）找准油耗线直线段，然后向两边延伸，比较准确。因高、低负荷时油耗线不成直线，误差大。654.油耗线法作发动机油耗线：柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验，求出发动机在给定转速下，每小时燃油消耗量与平均有效压力的关系曲线。这个方法虽然只是近似的方法，但只要在低负荷附近，燃油消耗量曲线为直线就相当可靠，即使没有电力测功器和示功器也能进行测定。但是，这种方法不适用于用节气门调节功率的汽油机。665.几种测量方法的适用范围倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而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。排气涡轮增压柴油机由于倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作，因而只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。(pb＜0.15MPa)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可取代。灭缸法只适用于多缸机67一般内燃机的机械效率大致在以下范围：

ηm非增压柴油机0.78～0.85增压柴油机0.80～0.92汽油机0.80～0.9068第四节排放指标一、排放物的浓度二、质量排放量三、比排放量四、排放率69一、排放物的浓度定义：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（CO、HC、NOx）来说，常用体积分数φ来表示一般内燃机的排放物都可以作为理想气体处理内燃机工程的标准的大气状态为总压力101.3kPa，水蒸气分压为1kPa，温度为273K固体排放物微粒用质量浓度表示，常用单位为mg/m370二、质量排放量单位时间后者按照某标准规定，进行一次测试，在试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/test表示按照内燃机的车辆规定的工况组合（称为测试循环）行使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/km71三、比排放量内燃机针对单机进行测试时，没单位功排出的污染物质量，常用g/(kW.h)表示，用以评价不同种类、排量的内燃机的排放特性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、污染物密度等数据进行计算计算比排放时，可以参阅有关国家标准执行72四、排放率排放率定义为燃烧单位质量的燃料所排放的污染物质量，常用g/kg表示排放率在研究各种燃烧排放源对大气环境影响时常用到，因为燃料消耗量和排放率可以方便的计算污染物总量，但对于内燃机来说。排放率随工况变化十分复杂，所以应用不多。73第五节提高内燃机动力性能与经济性能的途径首先分析影响单位气缸工作容积的输出功率，即升功率PL的各因素。动力性能经济性能74

1.提高进气密度（采用增压技术）通过压气机使