第2章 发动机的性能与性能指标

第二章发动机的实际循环与评价指标第一节四行程发动机的实际循环第二节发动机性能指标第三节机械损失第一节四行程发动机的实际循环包括：进气、压缩、燃烧、膨胀和排气5个过程。实际循环较理想循环复杂虽然理想循环是在实际循环的基础上简化而来，但理想循环各过程并不能完全反映实际循环各过程的特点。四冲程发动机曲轴旋转两圈完成一个工作循环，分进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程。示功图：发动机缸内压力p随气缸容积V或曲轴转角φ变化的图示。即发动机示功图有p-V图和p-φ图两种。p－v与p－φ两种示功图四行程发动机示功图

以p－v图为例（为环境大气压力）进气过程（0-1线）：进气门开启，随着活塞下行，缸内压力降低，新鲜工质进入气缸，即：一般进气终点的压力pa和温度Ta的范围是：汽油机：pa

=(0.8-0.9)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)pk；Ta=320-380K

汽车发动机增压压力：pk=(1.3-2.0)p0压缩过程（1-2线）：两气门关闭，随着活塞上行，工质被压缩，缸内压力、温度升高，即p，T。压缩终了的压力和温度的大致范围是：

pc（MPa）Tc

（K）

汽油机0.8-2.0600-750柴油机3.0-5.0750-1000

增压柴油机5.0-8.0900-1100ε的大致范围是：汽油机ε=7-10

柴油机ε=14-22

增压柴油机ε=12-15燃烧过程（一）：

2-3-4线，可燃混合气快速燃烧，缸内压力、温度急剧升高，即p，T。燃烧的最高爆发压力及最高温度的大致范围是；

pz（MPa）Tz（K）

汽油机3.0-8.02200-2800

柴油机4.5-9.01800-2200

增压柴油机9.0-13.0燃烧过程(二)：发动机实际的燃烧过程

膨胀过程（4-5线）：

工质吸收燃料放出的热量，推动活塞下行，对外输出功，缸内压力、温度降低，即p，T。膨胀终了的压力和温度的大致范围是：

pb（MPa）Tb（K）

汽油机0.3-0.61200-1500柴油机0.2-0.51000-1200排气过程（5-0线）排气门开启，废气排出。排气终了的压力和温度的范围是：汽油机和柴油机：pr=(1.05-1.2)p0

废气涡轮增压柴油机：pr=(0.75-1.0)pk

汽油机：Tb=900-1100K

柴油机：Tb=700-900K关于发动机实际循环

发动机理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际循环。1.工质改变损失（1）工质性质理论上：理想气体，双原子气体。实际中：燃烧前：燃料+空气；燃烧后：燃烧产物。（2）比热容理论上：定比热容。实际中：温度T

比热容C。（3）高温分解例：C+O2

CO+

热量[+O2]CO2+热量式中：CO为中间产物，CO2为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反应，即高温分解：CO2

CO+O2-热量这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。2、换气损失理论上：忽略进、排气过程。实际中：进、排气门提前开启，迟后关闭，且有流动阻力。换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失之中。3、传热、流动损失（1）传热损失理论上：压缩、膨胀过程为绝热过程。实际中：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。（2）流动损失理论上：闭口系统，没有气体流动损失。实际中：存在进、排气节流及沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。4、时间损失理论上：定容加热瞬间完成，定压加热速度与活塞运行速度密切配合。实际中：燃烧需要时间。5、补燃损失理论上：加热瞬间完成，膨胀过程无加热。实际中：虽然大部分（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有少部分燃料会拖到膨胀线上才燃烧，做功效果变差，热效率下降。6、工质泄漏损失理论上：闭口系统，无泄漏。实际中：活塞、气环不会100%严密密封，总会有少量气体窜到曲轴箱中，造成损失。第二节

发动机性能指标发动机的主要性能指标有动力性指标（有效扭矩、有效功率等），经济性指标（燃油消耗率、热效率等），运转性能指标（排气品质、噪声和起动性能等）。这些指标用于评价发动机的动力性、经济性等。发动机性能指标：指示指标，有效指标。指示指标：以工质在气缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。有效指标：以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。一、指示指标（以下标i表示）

1、指示功Wi和平均指示压力Pmi指示功Wi

：一个循环工质对活塞所做的有用功。指示功Wi的大小非增压：；增压：。因为：F2不容易测量，实际将归到机械损失中考虑。所以：。

式中：a、b为横、纵座标比例尺。指示功Wi大，说明：①气缸工作容积大；②热功转换有效程度大。为便于比较不同大小发动机热功转换的有效程度，引入平均有效压力的概念。平均指示压力pmi

平均指示压力：单位气缸工作容积所做的指示功。它是一个假想的动力性参数：式中：Vh为每缸工作容积。平均指示压力的图示和范围Pmi的一般范围:柴油机[kPa]，汽油机kPa]。2、指示功率Pi（Ni）指示功率：单位时间所做的指示功。若：缸数i，每缸工作容积Vh[m3]，冲程数，平均指示压力p[Pa]，转速n[r/min]（[rpm]）。则：

[W]

[kW]

若：每缸工作容积Vh[L]，平均指示压力p[bar]。则：

[kW]3、指示燃油消耗率bi（gi）指示燃油消耗率：单位指示功率的耗油量，也称指示比油耗。

[g/kW·h]式中：B为每小时耗油量[kg/h]。4、指示热效率ŋi

——发动机实际循环指示功与所消耗的热量之比。即：式中：Wi为做指示功所消耗的热量。

hu为燃料的低热值。二、有效指标（以下标e表示）1、有效功率Pe（Ne）：

——从发动机输出轴上得到的净功率称为有效功率。发动机的指示功率不可能完全向外输出，自身存在机械损失。有效功率的大小为：

Pe=Pi-Pm式中：Pm——机械损失功率。发动机的有效功率由试验测得。

2、有效扭矩Ttq（Me）有效扭矩：功率输出轴输出的扭矩。

[kW][kW]3、平均有效压力pme

——发动机单位气缸工作容积所做的有效功。该指标从发动机实际输出功的角度评价气缸工作容积的利用率。

[kPa]四冲程发动机功率

[kW]二冲程发动机功率[kW]4、转速n和活塞平均速度Cm提高发动机转速（n），即增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大。活塞平均速度Cm：Cm与曲柄连杆机构的惯性力、磨损、寿命相关。一般汽油机不超过18m/s，柴油机不超过13m/s。

n、Cm、S/D值的大致范围是：

n（r/min）Cm（m/s）S/D小客车汽油机5000-800012-180.7-1.0载货车汽油机3600-450010-150.8-1.2汽车柴油机2000-50009-150.75-1.2增压柴油机1500-40008-120.9-1.3

5、有效燃油消耗率be（ge）

——单位有效功率的耗油量，也称有效比油耗或有效耗油量。

[g/kW·h]式中：B为每小时耗油量[kg/h]。6、有效热效率

——发动机实际循环有效功与所消耗的热量之比。即：或，[g/kW·h]。

，[g/kW·h]。

由此可见，柴油机的热效率比汽油机高，经济性比汽油机好。三、发动机强化指标1、升功率

——单位气缸工作容积所发出的有效功率。

[kW/L]升功率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。2、比质量

——发动机的质量m与所给出的标定功率的比值。[kg/kW]Pl，me

发动机强化程度增加。实际中，汽油机的强化程度要比柴油机高。

强化系数pme

•Cm

（MPa•m/s）强化系数与活塞单位面积发出的功率成正比，其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。

PL

me

pmeCm汽油机30-701.1-4.08-17汽车柴油机18-302.5-9.06-11拖拉机柴油机9-155.5-169-15四、环境指标排放性能：一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、微粒（PM）；噪声第三节

机械损失一、机械损失性能指标1.机械损失组成①发动机内部运动零件摩擦损失：占机械损失的60-70%；如：活塞与气缸壁之间的摩擦，曲柄连杆机构轴承处的摩擦，配气机构之间的摩擦等；②驱动附件损失，占机械损失的10-20%；如：驱动配气机构、水泵、机油泵、燃油泵、风扇、转向助力泵等；。③泵气损失，占机械损失的10-20%，是指进排气过程所消耗的功等。2.机械损失功率和机械损失压力与pmi和pme类似，机械损失功率Pm为：

[kW]pmm与pmi和pme之间的关系为：

pmm=pmi-pme3.机械效率概念：机械效率是有效功率与指示功率的比值。用于比较各种不同发动机的机械损失大小。值越高，说明机械损失越小，发动机的性能越好。

有效热效率与指示热效率、机械热效率之间的关系：机械效率的大小：非增压柴油机：0.78-0.85；增压柴油机：0.80-0.92；汽油机：0.80-0.90。二、机械损失的测定1.灭缸法（——适用于多缸）

1)将发动机调整到给定工况稳定工作，测出Pe；2)停止第一缸的供油或点火，调整测功器，使发动机恢复原转速，测出Pe1。可得第一缸的指示功率Pi1=Pe－Pe1。3)

依次使各缸熄火，可得Pe2,Pe3……

则Pi2=Pe－Pe2Pi3=Pe－Pe3

……

整机的指示功率Pi=Pi1+Pi2+Pi3+……Pm可求。2.倒拖法

——在具有倒拖能力的电力测功器的试验台上方可进行。在压缩比不很高的汽油机上得到广泛应用。1)发动机与测功机相连；2)使发动机以给定的工况稳定运行，当水温和油温达到正常时，切断供油或停止点火，同时将电力测功机转换为电动机，以给定转速倒拖发动机；3)测定电力测功机的倒拖功率，该倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。3.示工图法三、影响机械损失的因素1.转速分析：其中：Cm为活塞平均运行速度。机械损失压力pm与Cm几乎呈直线关系；机械损失功率与n似呈二次方关系。n惯性力活塞对缸壁的侧压力轴承负荷；各摩擦副相对速度摩擦损失；泵气损失，驱动附件损耗。pm。若要提高转速来强化发动机，则将成为主要障碍之一。2、负荷发动机的负荷—

柴油机：油门拉杆或齿条位置；汽油机：节气门开度。n一定，负荷时，发动机燃烧剧烈程度，平均指示压力；而由于转速不变，平均机械损失压力基本保持不变。则机械效率下降。当发动机怠速运转时，有效功率、指示功率全部用来克服机械损失功率，即因此，=0。当车用发动机在高转速、较低负荷下工作时，机械效率会严重下降。因此，车用发动机应在适当转速、较高负荷下工作。3、润滑油品质和冷却水温度润滑油选用原则：在保证可靠润滑的前提下，尽量选用低粘度润滑油。粘度大，流动性差，摩擦损失增加；粘度小，流动性好，承载能力差，油膜易破裂。润滑油粘度影响润滑效果，润滑油温度影响润滑油粘度，冷却水温度影响润滑油温度，即冷却水、润滑油温度通过润滑油粘度间接影响润滑效果。冷却水温度影响机油的粘度。使用中降低机械损失要做到：无机械故障，控制好转速、水温，保持机油清洁等。要求：定期保养、清洗机油滤清器，5000～10000公里更换机油。水冷发动机的冷却水温应保持在80-95℃水温过高、过低对发动机工作都不利。水温过高，发动机易过热，润滑油粘度下降；水温过低，散热损失增加，不易保证可靠润滑。四、实际循环的热平衡实际工质影响换气损失燃烧损失传热损失

热量分配的大致情况：

名称汽油机柴油机理论循环热效率ηt

0.54-0.580.64-0.67指示热效率ηi

0.30-0.400.40-0.45各种损失使热效率下降：工质比热容变化0.10-0.120.09-0.10燃烧不完全及热分解0.08-0.100.06-0.09