第一章发动机性能

发动机原理主讲：程勉宏《汽车发动机原理》以发动机性能为主要研究对象，把合理组织工作过程，提高整机性能作为主要内容，通过分析各工作过程中影响性能指标的诸多因素，从中找到提高汽车发动机性能指标的一般规律。本课程的任务是研究汽车发动机的工作过程及整机性能，掌握发动机实际工作过程的分析方法及性能指标与各工作过程的内在联系；了解影响整机性能的基本途径。发动机的基本构成两大机构曲柄连杆机构配气机构

五大系统进排气系统燃料供给系统润滑系统冷却系统起动系统点火系统（汽油机）骨架机体气缸套曲轴箱气缸盖油底壳

第1章发动机的性能§1.1绪论

§1.2发动机理论循环

§1.3四行程发动机的实际循环§1.4实际循环的评定－指示指标§1.6热平衡§1.5机械损失（1）动力性指标－功率、转矩、转速；（2）经济性指标－燃料与润滑油消耗率；（3）强化指标－升功率、活塞功率和强化系数；（4）运转性能指标－冷起动性能、噪声和排气品质；（5）耐久可靠性指标－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。经济性、动力性、可靠耐久性、使用维修性、排放噪声性以及加工工艺性等各个方面。§1.1绪论

一、发动机分类发动机也叫内燃机：按其不同的特点可分为多种类型1、使用的燃料：1）汽油机：用火花塞点燃，往复活塞式。ε=8-12。2）柴油机：柴油和空气混合气通过压燃自行着火的往复活塞式。3）天然气发动机NG4）液化石油气发动机LPG5）酒精发动机6）双燃料多燃料发动机2、点火方式：压燃式、点燃式3、工作循环：二冲程、四冲程4、活塞运动方式：往复式、旋转式5、冷却方式：冷却液、风冷6、气缸数量：单缸机、多缸机7、进气形式：非增压（自然吸气式）、增压8、混合气的形成：化油器式、缸内直喷、进气道喷射、分层给气式9、燃烧室形式：开式燃烧室、分隔式燃烧室10、气门形式与数量：二气门、多气门；顶置气门、侧置气门1.单缸机主要特点：体积小重量轻，结构简单，零部件少，应用于小型设备的动力。图为一台二冲程风冷发动机，升功率高于四冲程机，存在扫气损失，采用混合燃油，存在烧机油，且HC排放高，油耗高。二、典型内燃机结构2.多缸机

主要特点：转矩输出均匀，平衡好，体积较大，应用于车辆。分为直列和V性排列方式，常用3、4、6、V6、V8、V12缸等。排放与油耗好于二冲程机。图中所示为一台四冲程水冷直列三缸机发动机，采用化油汽供油，单顶置凸轮轴，通过摇臂驱动气门，齿型带传动。

图为直列四缸四冲程水冷发动机，化油器供油，顶置凸轮轴，齿型带传动、中间轴驱动分电器。AlfaRomeo1.9JTD16v在热机中，确定工质所经历的过程称为循环。发动机的实际热力循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成的，循环中工质存在着质和量的变化，整个过程是不可逆的。要确切地描述发动机中实际的热力过程，在目前条件下还非常困难。为了了解发动机的①热能利用的完善程度；②能量相互转换的效率；③寻求提高热量利用率的途径。将发动机的实际循环进行若干简化，提出一种假想循环，这种假想循环就称为“理论循环”。

§1.2发动机理论循环意义：通过对理论循环的研究，可以清楚地确定影响性能的某些重要因素，从而找到提高发动机性能的基本途径。理论循环的简化假定：①工质是一种理想的完全气体，在整个循环中保持物理及化学性质不变，其状态参数的变化遵守气体状态方程：②不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失，工质数量保持不变，循环是在定量工质下进行的。③把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的绝热等熵过程，工质与外界不进行热交换，无摩擦、流动损失,工质比热容为常数。④用假想的定容或定压加热来代替实际的燃烧过程，用定容放热代替实际排气带走的热量。

基本名词及定义

工作循环：完成一个热能转化为机械能的过程。

止点（死点）：活塞在气缸中的极限位置。上止点：活塞顶部离曲轴中心最远处。下止点：活塞顶部离曲轴中心最近处。

工作行程（）：上下止点间的距离。四行程发动机：活塞经四个行程完成一个工作循环的发动机二行程发动机：活塞经二个行程完成一个工作循环的发动机

曲柄半径：曲轴中心与连杆轴径中心之距

气缸余隙容积（燃烧室容积）：活塞在上止点时，活塞顶部以上的容积。

气缸工作容积（气缸排量）：活塞从上止点到下止点所走过的容积。

发动机排量：各缸排量之和。

气缸总容积：活塞在下止点时，活塞顶部以上的容积。

压缩比：气缸总容积与燃烧室容积之比。一般：汽油机6～10柴油机16～24

图1-1图1-1（b）为等容循环（也称奥托循环）a—c为绝热压缩；c—z为等容加入热量Q1;z—b为绝热膨胀；b—a为等容释放热量Q2。根据加热方式的不同,理想循环有三种形式一、

理论循环三种形式压缩过程的容积变化用压缩比：

膨胀过程的容积变化用后膨胀比：定容加热的压力升高，以压力升高比：

图（c）为等压循环（也称狄赛尔diesel循环）

a—c为绝热压缩；

c—z为定压加入热量Q1;z—b为绝热膨胀；

b—a为等容释放热量Q2。定压加热过程的容积变化用预膨胀比表示,其它同等容循环。

图（a）为混合循环

a→c为绝热压缩；

c→z为定容加入热量Q'1;y→z为定压加热量Q''1;z→b为绝热膨胀；

b→a为等容释放热量Q2。定容加热循环－汽油机

定压加热循环—高增压和低速大型柴油机混合加热循环——高速柴油机1、循环热效率定义Q2—工质在循环中放出的热量（J）意义：评定循环经济性二、理论循环评定指标定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J）之比2、循环热效率公式ε—压缩比，λ—压力升高比，ρ—预膨胀比，

；δ—后膨胀比，K—绝热指数。（1）按工程热力学公式，混合加热循环的热效率为：反映气缸容积反映供油规律压力升高比，在定容过程中代表了加热量大小）（3）定压加热循环（λ=1）热效率为：（2）定容加热循环（ρ=1）热效率为：当

不变当

不变3、循环热效率计算式分析（1）混合加热循环热效率1）当

、

不变2）当不变压缩比的影响压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。由热效率的公式：ε,提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度扩大了循环温差和膨胀比,ηt。当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比较大时，热效率随压缩比的增加增大较少。太大受到爆震限制由试验曲线看出:因素混合加热循环定容加热循环定压加热循环

理论循环热效率影响因素分析

5、循环平均压力pt

定义：单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力式中W——循环所做的功（J）Vs——气缸工作容积（L）

混合：定容：

定压：

pt是随压缩始点压力pa、压缩比ε、压力升高比λ、初膨胀比ρ、绝热指数K和热效率的增加而增加。6、三种理论循环的比较a)Q1，相同：∵等容加热速率快，Q2p>Q2m>Q2v∴tv

>tm>tpb)Q1，pz相同：∵不同，即p>m>vQ2v>Q2m>Q2p∴tp

>tm>tvc)Tz，pz相同：∵工质做功能力相同，Q2p=Q2m=Q2v∴tp

>tm>tv7、理论循环的重要指导意义（1）指出了改善内燃机动力、经济性能的基本原则：提高高温热源的平均温度，即提高加热过程中工质的平均温度。提高压缩比提高循环加热的等容度保证工质有较高的绝热指数K（2）提供了内燃机之间进行动力性、经济性比较的理论依据

实际循环有较多的损失，热效率较低，作功也较少，具体表现在以下五个方面：1）工质不同2）气体流动阻力3）传热损失4）燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失5）漏气损失8、实际循环存在的问题1）工质不同理想循环的工质，性质不变，比热容不变。实际循环的工质，燃烧前、燃烧过程中及燃烧后不同。成分和物质的量发生变化；比热容随温度升高而上升；高温分解使循环热效率下降。2）气体流动阻力理想循环是闭式循环，没有任何流动阻力损失。实际循环是开式循环，有一定的流动阻力损失。3）传热损失理想循环，无传热损失。在实际循环，存在传热损失。4）燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失理想循环，示功图上方呈方角形，无燃烧损失。实际循环，示功图上方呈圆弧形，存在燃烧不及时损失。在内燃机中，后燃延续上止点后才能结束。少量燃油来不及燃烧即随排气排出，引起不完全燃烧损失。5）漏气损失理想循环，无漏气损失。实际循环，活塞环与气缸壁之间常有微量工质漏出，存在漏气损失。一、四行程发动机示功图

§1.3四行程发动机的实际循环实际循环：1个循环4个行程5个过程：进气-压缩-燃烧-膨胀（做功）-排气，各过程都存在各种损失

示功图就是把发动机在1个循环中气缸工质状态的变化，表示为压力与容积的关系图（p-V图）或压力与曲轴转角的关系图（图）。示功图包含了许多反映内燃机性能的信息和数据，是评价分析内燃机性能的主要手段。下图（a）是四冲程汽油机的示功图，指示功是

W1是正功，W2是泵气功，对非增压机而言是负功。下图（b）是二冲程汽油机（非增压）的示功图，二冲程机没有单独的进排气行程，只有ac压缩过程、cd燃烧过程、da膨胀（作功）过程和eab扫气过程。指示功abcdea为正功。发动机示功图续1、进气过程（r-a线），此时进气门打开，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。二、四行程发动机的实际循环进气过程：换气，为气缸Q-W转换物质准备理想—无损失的可逆过程；纯空气，p=p0

实际—进气流动损失：

热交换：高温零件加热残余废气进气道、气缸壁、进排气门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)p0Ta=340-380K

柴油机pa=(0.85-0.95)p0

Ta=300-340K

增压柴油机pa=(0.9-1.0)pkTa=320-380K

汽车发动机增压压力pk=(1.3-2.0)p0

分析：为什么柴油机进气终了的压力比汽油机大，而温度比汽油机低？2、压缩过程(a-c线)，进排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比ε表示。压缩行程（过程）作用：燃烧前的准备——提高p和T；提高膨胀比——提高效率理想：纯空气，绝热过程：k=1.4;

实际：多变过程热交换/漏气，平均多变指数；原则：以平均n1计算结果终了状态相同，即压缩终了状态：压缩比ε是发动机的一个重要的结构参数。在汽油机中，为了提高热效率，希望增加压缩比，但受到汽油机不正常燃烧的限制。在柴油机中，为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及冷起动时可靠着火，必须使压缩终点有足够高的温度，要求较高的压缩比。ε的大致范围是：汽油机ε=7-12

柴油机ε=14-22

增压柴油机ε=12-15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5.0-8.0900-1100压缩过程的作用：增大工作过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利的条件。3、燃烧过程（c-z线）的作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度升高。放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。此时进排气门均关闭，活塞处在上止点前后。汽油机燃烧过程：汽油与空气形成的可燃混合气是在上止点前由电火花点火而燃烧（图c’点）；火焰迅速传播到整个燃烧室；工质的压力、温度剧烈上升，整个燃烧接近于定容加热。柴油机燃烧过程：在上止点前就开始喷油（图中的c’），柴油微粒迅速蒸发而与空气混合，并借助于压缩空气的热量而自燃，开始，燃烧速度很快，而气缸容积变化很小，所以工质的压力、温度剧增，接近于定容加热，如图中的c-z’段；接着，是一面喷油，一面燃烧，燃烧速度缓慢下来，且随着活塞向下止点移动，气缸容积增大，所以气缸压力升高不大，而温度继续上升。该过程接近于定压加热。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3.0-6.52200-2800柴油机4.5-9.01800-2200增压柴油机9.0-13.04、膨胀过程膨胀过程中，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而膨胀做功，气体的压力、温度迅速降低。膨胀做功行程=燃烧过程+膨胀过程作用：实现EQ1W的能量转换过程通过曲柄连杆机构膨胀过程比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有补燃（即一些燃料不能及时燃烧，在膨胀行程中继续燃烧）等现象。发动机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柴油机高，膨胀比大，热效率高，膨胀终了温度及压力都比汽油机小5、排气过程当膨胀过程结束时，排气门打开，活塞由下止点返回上止点移动，将气缸内的废气排除。排气过程（图中的b-r线）中，由于排气系统有阻力，排气终了的压力pr大于大气压力p0，压力差pr-p0用来克服排气系统的阻力。阻力愈大，排气终了的压力pr愈大，残留在气缸中的废气就愈多。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=900-1100

柴油机Tb=700-900§1.4实际循环的评定两类指标的比较指示指标（i）以工质在气缸内对活塞做功为基础，评定实际循环质量的好坏。评价实际循环的做功能力和经济性。有效指标（e）以曲轴对外输出的功率为基础，代表整机的性能。1、平均指示压力pmi

Wi：一个实际循环工质对活塞所做的有用功，称为指示功（kJ）Vs：气缸工作容积（L）

一、实际循环的做功能力和经济性-指示指标平均指示压力pmi意义：以一个假想的、大小不变的压力作用在活塞上，使活塞移动一个行程，其所做的功等于循环功，则此假想的压力即为平均指示压力pmipmi的物理意义是单位气缸工作容积的指示功,是衡量实际循环动力性能的一个重要指标。 汽油机0.8-1.5

MPa

柴油机0.7-1.1

MPa

增压柴油机1.0-2.5

MPa意义：比较不同气缸的做功能力；评价Vs的利用程度指示功率：发动机单位时间所做的指示功其中，:1个循环所需时间（s）

n:发动机转速r/min;

i:气缸数

：冲程数，四冲程机=4

二冲程机=22、指示功率Pi（Ni）pmi

、Pi是做功能力评价指标——动力性指标3、指示热效率ŋi指示热效率ŋi：实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值指示热效率ŋi

的范围 汽油机0.3-0.4 柴油机0.4-0.5与循环热效率ŋt

的比较

4、指示比油耗bi（gi）指示燃料消耗率（简称指示比油耗）是指单位指示功的耗油量单位【g/(kW•h)】汽油机205-320柴油机170-205bi、ηi是评定发动机实际循环经济性的重要指标。二、发动机经济性和动力性－有效指标发动机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了发动机的整机性能，通常称它们为有效指标。发动机的指示功率Pi并不能完全对外输出功在发动机内部的传递过程中，不可避免有损失Pm（机械损失功率）

，这些损失包括：

‧运动零件的摩擦损失.如活塞、活塞环对缸壁的摩擦，曲柄连杆机构轴承的摩擦，气阀机构的摩擦等。(最大)(1)有效功率Pe

Pe=Pi–Pm(kW)Pm－机械损失功率

Pe

－有效功率，可由试验测得‧驱动附属机构的损失.如驱动水泵、机油泵、喷油泵、风扇、电动机等。

‧泵气损失.进排气过程所消耗的功1、动力性指标（2）有效转矩Ttq（Me）由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Ttq(N.m)。它与有效功率Pe（kW）之间的关系是：

或一般，汽油机：柴油机：增压柴油机：（3）平均有效压力pme

发动机单位气缸工作容积输出的有效功。与有效功率Pe

之间的关系是：pme值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强提高n，可增加发动机单位时间做功次数，Pe

Cm，活塞热负荷，惯性力，磨损，寿命；为限制Cm,可

SS/D。S/D<1时为短行程。但S/D，燃烧室高，影响混合气形成和燃烧。（4）转速n和活塞平均速度CmS：活塞行程一般汽油机不超过18m/s，柴油机不超过13m/s。一般汽油机：n=3600~8000r/min；

柴油机：n=2000~5000r/min；增压柴油机：

n=1500~4000r/min；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

2、经济性指标有效热效率ŋe

的范围 汽油机0.25-0.3 柴油机0.3-0.45与指示热效率ŋi

、循环热效率ŋt的比较（1）有效热效率ŋe有效热效率ŋe：有效功与所消耗燃料热量之比值（2）有效燃油消耗率be(ge)有效燃料消耗率（简称比油耗）是指单位有效功的耗油量单位【g/(kW•h)】 汽油机270－325（205-320） 柴油机190－285（170-205）与指示燃料消耗率的比较 单位时间、单位有效功率所消耗的燃料量单位气缸工作容积输出的额定功率。评价气缸工作容积的利用效率。定义式称pmen为发动机强化指标；发展趋势：高功率（强化）、更轻巧、更紧凑型发动机但n的提高受活塞平均速度的限制。（1）升功率PL：3、发动机强化指标（2）比质量me

（kg／kW）（表征发动机质量利用程度和结构紧凑性）（3）强化系数pme

•

Cm

（MPa•m/s）

PL

mepmeCm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9-155.5-169-154、环境指标：气态污染物：指排气污染物中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、二氧化碳CO2等。颗粒物(微粒,PM)：指按规定的试验方法，在最高温度为325K(52℃)的稀释排气中，由过滤器收集到的排气成分。（1）排放指标：指发动机在Q1W过程中，因燃烧而排出的环境污染物的限制指标。2）蒸发物：汽油机燃油系统蒸发的HC化合物。1）尾气排放物有害排放物：尾气排放物、蒸发物、噪声。各国法规限制标准发展趋势：3）噪声噪声会刺激神经，使人心情烦燥、反应迟钝、甚至产生耳聋、高血压和神经系统疾病。汽车是城市的主要噪声源之一，发动机又是汽车的主要噪声源，故必须给予控制。一、机械效率ŋm有效功率和指示功率的比:pmm：平均机械损失压力联系两类指标的纽带汽油机：0.7~0.9柴油机：0.7~0.85§1.5机械损失意义：评价发动机内部动力传递效率机械损失的分配情况机械损失名称占Pm的百分比（%）占Pi的百分比（%）摩擦损失62-758-20驱动各种附件损失10-201-5带动机械增压器损失6-10泵气损失10-202-4总功率损失10-30二、机械损失的影响因素气缸直径和行程摩擦损失转速负荷润滑油品质和冷却水温度1、气缸直径和行程根据试验，机械损失功率与缸径、行程的大致关系为D—气缸直径；S—活塞行程；Dm—曲轴的平均直径；K—与气缸数和转速有关的常数。当发动机工作容积增加，即加大缸径或行程时，机械损失功率增加，但因气缸的面积与容积之比值（A／V）减小，相对摩擦面积减少，故相对的机械损失少，机械效率提高。当气缸工作容积一定，而行程、缸径比（S／D）减小时，则因活塞平均速度Cm值和A／V值均有所下降，所以机械效率提高。2、摩擦损失在机械损失中，摩擦损失所占比例最大，达70%左右，故降低摩擦损失一直是极为关注的问题。活塞组件是发动机中主要的摩擦源，产生摩擦的部件是：活塞环、活塞裙部和活塞销。曲轴组件曲轴摩擦源于轴颈与轴承（包括主轴颈、连杆轴颈或平衡轴颈）及其密封装置。配气机构：减小配气机构运动件质量，降低弹簧负荷，在摇臂与凸轮接触面处加入滚动轴承等，都是减少配气机构摩擦损失的有效措施。气缸套内壁、轴颈、轴承等各摩擦表面的加工精度、零件材料及热处理等，对摩擦损失也有较大影响。3、转速n（或活塞平均速度Cm）发动机转速上升（Cm随之加大），致使：1）各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加。2）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加。3）泵气损失加大。4）驱动附件消耗的功多。n上升，机械损失功率增加，机械效率下降。在用提高转速的手段来强化发动机动力性能时，ηm的降低成为重要障碍之一。4、负荷随负荷减小，机械