第一章发动机

第一章发动机的性能内容：1.理论循环；2.实际循环；3.示功图与指示性指标；4.发动机有效性能指标；5.机械损失与机械效率；6.提高汽车发动机动力性能与经济性能的途径。

知识点：内燃机的理论循环、实际循环及其差别，各种循环热效率分析，循环参数对发动机性能的影响分析，实际循环的各种损失分析，示功图表示方法与制取，指示指标和有效指标及机械损失概念及各指标的计算方法.

难点：循环热效率分析，循环参数对发动机性能的影响分析。各性能指标的影响因素分析。在发动机中，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.

实际循环向理想循环的简化实际循环（以车用柴油机为例）1,进气过程:0～12,压缩过程:1～2

初期:工质吸热；后期:工质放热。3,燃烧过程:2～3～44,膨胀过程:4～5

初期:工质放热；后期:工质吸热。5,排气过程:5～0第一节发动机理想循环第一节发动机理想循环第一节发动机理想循环理论循环的简化假定：①假定工质物理和化学性能不变、比热容为常数的理想气体。②忽略进、排气过程(作封闭循环)。③压缩、膨胀过程（复杂的多变过程）简化为绝热过程。④燃烧过程简化为定容加热过程或定压加热过程,排气放热简化为定容放热过程。⑤循环过程为可逆过程。一、三种基本循环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“理想循环”。第一节发动机理想循环（一）混合加热循环－车用柴油机的理想循环1,循环特征参数（1）压缩比（2）压力升高比（3）预胀比二、三种理想循环的分析:Q2Q1Q1第一节发动机理想循环熵:是衡量工质和外界是否发生热交换的参数，符号为S，δq=Tds

3,分析（1）为定值

t

；

t

。

=1

t=const.（汽油机，定容加热循环）（2）

t

；当

=20左右时，

t

不大柴油机

=12～222,热效率计算得:第一节发动机理想循环（二）定容加热循环（奥托OTTO循环）－汽油机的理想循环

所以:热效率

2分析

t

；当

=10达到左右时，再增加，对

t的增加影响不大,且汽油机容易爆燃，因此，汽油机

=6～10。1热效率

因为:预胀比Q1`Q2第一节发动机理想循环（三）定压加热循环（狄赛尔DIESEL循环）－船舶用大型低速柴油机的理想循环2,分析（1）

为定值

t

（2）为定值，k

t

1,热效率

第一节发动机理想循环

三、三种理想循环热效率的比较1,初态1相同，压缩比相同，加热量q1相同第一节发动机理想循环定容加热混合加热定压加热放热量Q22，

初态1相同，最高压力pmax，最高温度Tmax相同，放热量Q2相同。Q2第一节发动机理想循环第二节四冲程发动机实际循环四冲程发动机实际循环的p-V示功图汽油机柴油机一、发动机实际循环的损失第二节四冲程发动机实际循环（三）高温分解在1300k以上，燃烧产物发生高温分解，分解会吸收热量，使循环的最高燃烧温度下降。（一）工质性质理论上:理想气体，双原子气体。实际上:燃烧前:燃料+空气；燃烧后:燃烧产物。（二）比热理论上:定比热实际上:温度T

比热C

1、工质改变产生的损失第二节四冲程发动机实际循环2、传热、流动损失（一）传热损失理论上:压缩、膨胀过程为绝热过程。实际上:不是绝热过程，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。（二）流动损失理论上:闭口系统，没有气体流动损失。实际上:进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。第二节四冲程发动机实际循环3、换气损失理论上:忽略进、排气过程。实际上:进、排气门提前开启，迟后关闭。而且有流动阻力。

4、燃烧不完全损失理论上: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。实际上:燃烧需要时间,燃烧也不可能完全。第二节四冲程发动机实际循环5、后燃损失理论上:加热瞬间停止，膨胀过程无加热。实际上:虽然大部分（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小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、漏气损失理论上:闭口系统，无泄漏。实际上:活塞、活塞环与气缸不会100%密封，总会有些气体窜到曲轴箱中，造成损失。第二节四冲程发动机实际循环第二节四冲程发动机实际循环二、发动机的实际循环第二节四冲程发动机实际循环

1、压缩过程实际循环中，压缩过程始于下止点后一定角度（进气门延迟关闭，为使多进气），结束于上止点前燃油着火时止（提前喷油，因为燃烧有一定滞后），存在失效行程，它是一个多变过程，有泄漏，比热有变化，与气缸壁有热交换。（1）

压缩过程的作用：①增大了工作循环的温度范围，使②使循环的工质得到更大的膨胀比，可对活塞多作功。③提高了工质的温度、压力，为冷起动及着火创造了条件。

（2）压缩比压缩比是一个描述工质容积变化和压缩程度的参数，定义为压缩始点容积与压缩终点容积的比。即，对不同类型的发动机有不同的要求。

理论上ε↑→ηt↑，希望ε越大越好。实际上对ε有一定的限制。

第二节四冲程发动机实际循环原因如下：①ε的上限

a.对点燃式内燃机（如汽油机，煤气机），在缸内被压缩的是空气与燃料的混合物，上限受到可燃混合气早燃或爆燃的限制。因此，上限取值应考虑到燃料的性质，传热条件及燃烧室结构等因素。

b.对压燃式发动机（如柴油机）,上限受到机械负荷Pz，噪声、排放（温度高,NOX上升)；高温下CO2分解形成CO

的限制。当ε上升到一定程度时，ηt

上升的程度明显减少,ε太高反而得不偿失。

第二节四冲程发动机实际循环

②ε的下限

a.对点燃式内燃机,在满足上限的限制下,尽量使ε

高些。

b.对压燃式发动机（如柴油机），应保证压缩终点的温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。实际上为便于起动，比这一要求的温度还应高些。这是因为：提高ε→TC↑→τ↓(滞燃期)

燃烧柔和。TC：压缩终点温度

Tc↑改善冷起动性能,一般比自燃温度高200-300k

ε的大致范围：汽油机7～11柴油机14～22增压柴油机12～17第二节四冲程发动机实际循环（3）多变压缩指数n1

实际循环中，压缩过程是一个多变过程，其压缩多变指数在整个压缩过程中是变化的。在压缩初期，工质的温度低于周围表面的温度，工质从这些表面吸热，此时dQ＞0，n1按大于绝热指数k1变化。当继续压缩，工质温度与周壁温度相等，这时无换热，dQ=0,n1=k1。压缩继续进行，工质温度进一步增高，这时工质向周壁传递热量，，n1按小于绝热指数k1变化。多变压缩指数n1的变化第二节四冲程发动机实际循环在近似计算实际循环时，采用变化的n1是困难的，可以用一个平均的n1来代之。只要计算使压缩过程起点a和终点c的工质状态与实际过程相符即可。n1称为平均压缩多变指数。实验测定n1的大致范围为：汽油机 1.36～1.38高速柴油机 1.38～1.40增压柴油机 1.35～1.37第二节四冲程发动机实际循环压缩终点的压力和温度可用下式计算；一般的范围为：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5.0～8.0800～1100第二节四冲程发动机实际循环2、燃烧过程

在理想循环中，燃烧是在等容与等压下进行的，不存在损失。在实际循环中，由于燃烧需要进行一定的时间，需提前供油，燃烧速度也不均匀（有急燃、缓燃），且与活塞运动不同步。另外，存在缺氧和高温分解，造成燃烧滞后（不及时），后燃，不完全燃烧。在图上反映是圆弧线。燃烧的最高爆发压力及最高温度的大致范围为：

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9.0～14.0第二节四冲程发动机实际循环

3、膨胀过程

1)作用：膨胀过程是内燃机的作功过程。一部分热能转变为机械能。

2)差异：在理想循环中，膨胀过程为绝热等熵过程。在实际过程中是一个多变过程：①膨胀过程的前阶段是以燃烧,缓燃和后燃为主的过程，后一阶段才是以工质膨胀为主的热力过程。②膨胀过程中不仅放出热量，也改变了工质的成分和数量；还发生高温分解产物的重新化合；工质向周壁有传热，传热强度不断变化；存在漏气；比热变化。

3).膨胀多变指数n2

膨胀过程不是绝热过程，多变指数n2是变值。在膨胀过程中，工质受热dQ>0，n2<k2

工质放热dQ<0，n2>k2第二节四冲程发动机实际循环

柴油机膨胀过程曲线示意图

zz1:膨胀初期，后燃较多,过程接近等温过程，n2≈1。

z1z2

：后燃及分解产物重新化合,工质受热量大于传向缸壁散热量,所以dQ>0工质仍受热,比zz1,少，所以n2<k2

。

b

z2z3

：后燃减少，分解产物的化合作用仍在进行，工质接受热量等于向缸壁散热量dQ=0，这时n2=k2

。

z3b：后燃已消失，但高温分解产物化合作用仍在进行，发出的热量小于工质向缸壁的传热量,工质dQ<0，n2>k2

。第二节四冲程发动机实际循环在膨胀过程的简化计算中，与压缩过程一样，用一不变的n2来代替变化的n2

，并用不变的n2计算膨胀终点pb和Tb

，使之与实际相符。膨胀过程可用多变方程表示：

Pb

、Tb的大致范围：汽油机 pb=0.3～0.6MPa,Tb=1200～1500K非增压柴油机pb=0.2～0.6MPa,Tb=1000～1200K

增压柴油机 pb=0.6～1.0MPa,Tb=1000～1200K

n2的值一般如下：柴油机 n2=1.15～1.28

汽油机 n2=1.23～1.28

第二节四冲程发动机实际循环4、换气过程。

1).作用：更换工质，使循环能不断进行。

2).差异：理想循环是闭式循环，无工质更换，无换气过程。内燃机实际循环必须排除上一循环的废气，进入新鲜空气，才能使燃料混合燃烧，使循环得以进行下去。进气时经过进气管和进气道有阻力，非增压机进入气缸的空气压力低于大气压，为使排气克服排气道、排气管阻力，排气压力必须大于大气压力才能排出，因此，排气过程的压力大于大气压力。进、排气过程的曲线包容的封闭曲线表示作用于活塞上的负功，人们称之为泵气功。所以换气过程有功的损失。第二节四冲程发动机实际循环第三节发动机的指示性能指标发动机性能指标: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。用平均指示压力和平均指示功率评定循环的动力性----即做功能力,用循环热效率及燃油消耗率评定循环的经济性。

有效指标:以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。

示功图:发动机缸内压力p随气缸容积V（p-V图）或曲轴转角（p-图）变化的图示。第三节发动机的指示性能指标（一）指示功

一个循环工质对活塞所做的有用功。第三节发动机的指示性能指标P-φ图第三节发动机的指示性能指标

其中：a，b－横、纵座标比例尺指示功大，说明(1)气缸工作容积大;(2)热功转换有效程度大。为突出后者，比较不同大小发动机的热功转换有效程度，引入平均有效压力的概念。（二）平均指示压力

单位气缸工作容积所做的指示功。

（假想参数）－每缸工作容积。

0.7～1.1[MPa]0.8～1.5[MPa]

其中第三节发动机的指示性能指标二指示功率Pi

单位时间所做的指示功。若:缸数i，每缸工作容积Vs（L）冲程数，平均指示压力Pmi

[MPa]，转速n[r/min]。则

[W]

[kW]四冲程=4,二冲程=2第三节发动机的指示性能指标三指示比油耗和指示热效率（一）指示比油耗bi单位指示功率的耗油量。

[g/kW·h]（二）指示热效率

－燃料的低热值(kJ/kg)。

0.4～0.50=170～205[g/kW·h]

0.3～0.40

=205～320[g/kW·h]－每小时耗油量[kg/h]第三节发动机的指示性能指标-做指示功所消耗的热量。1kW=3.6(MJ)一、发动机动力性能1、有效功率Pe:单位时间所做的有效功。

[kW]发动机的指示功率不能完全对外输出，因为发动机内部有损耗的功率，这部分损耗的功率被称为机械损失功率。

机械损失功率包括:发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗，如:机油泵、燃油泵、扫气泵、冷却水泵、风扇、配气机构和泵气损失等。

其中－平均机械损失功率。第四节发动机经济性和动力性的评定所以发动机有效功率由试验测得。第四节发动机经济性和动力性的评定2、有效扭矩

功率输出轴输出的扭矩

[kW]

[kW]—有效扭矩［N·m］

n—发动机转速［r/min］第四节发动机经济性和动力性的评定3.平均有效压力Pme

单位气缸工作容积所做的有效功。

[kW]

[MPa]

0.7～1.3[MPa]

0.6～1.0[MPa]由于所以[MPa]-3第四节发动机经济性和动力性的评定4.转速n和活塞平均速度Cm提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，可以提高发动机的功率，可使发动机体积小，重量轻，功率大。S—活塞行程（m）值的范围：汽油机5000～800012～180.7～1.0柴油机2000～50009～150.7～1.2r/minm/s(m/s)第四节发动机经济性和动力性的评定二、发动机经济性能1.有效热效率单位有效功率的耗油量。

[g/kW·h]－每小时耗油量[kg/h]-做有效功所消耗的热量。0.30～0.45=190～285[g/kW·h]0.25～0.30=270～325[g/kW·h]。由此可见，柴油机的热效率比汽油机的高，经济性比汽油机好。2.有效燃油消耗率-有效功第四节发动机经济性和动力性的评定三、发动机强化指标:升功率和比质量-单位气缸工作容积所发出的功率。它衡量发动机容积利用的程度。

[kW/l]提高的主要途径是提高Pme和n。

me-发动机净质量与所发出有效功率的比值。它表征质量利用的程度和结构紧凑性。，

发动机强化程度高。所以

[kg/kW]该指标越大越好该指标越小越好第四节发动机经济性和动力性的评定18～302.5～9.030～701.1～4.0［kW/L］［kg/kW］汽油机柴油机第四节发动机经济性和动力性的评定可见，汽油机的强化程度要比柴油机的高，主要是汽油机的转速比柴油机高。2.强化系数平均有效压力Pme与活塞平均速度Cm的乘积称为强化系数。它表征发动机的强化程度，其值越高，发动机热负荷和机械负荷越高，需要先进的技术支持。汽油机柴油机大致范围：8～17MPa.m/s

6～11MPa.m/s第四节发动机经济性和动力性的评定一、机械效率

对于不同类型的发动机，绝对损失大的，其相对损失却不一定也大。必须有一个衡量标准，故引进机械效率的概念。是有效功率与指示功率的比值。

值愈接近1，即Pe愈接近Pi，说明机械损失功的比例小，性能好。第五节机械损失与机械效率第五节机械损失与机械效率活塞、活塞环与气缸的摩擦损失45%~65%整个活塞连杆曲轴机构摩擦损失

60%~70%驱动气门机构功耗2%~3%驱动附件机构的功率消耗10%~20%5.泵气损失

10%~20%机械损失的构成第五节机械损失与机械效率1.示功图法

仪器测录发动机气缸内的压力示功图，从中计算Pi值

测量发动机转矩和转速，计算发动机的有效功率Pe

计算机械损失功率

Pm=Pi-Pe计算机械效率误差：活塞上止点、多缸不均匀性设备：发动机试验设备、示功图测量设备等适应性：任何发动机二、机械损失的测定第五节机械损失与机械效率2.倒拖法

发动机与电力测功机相连。起动发动机，发动机运行至正常试验状态。然后切断发动机的供油。将电力测功机转换为电动机使用，在给定转速下倒拖发动机，并维持冷却水温度和机油温度不变。

测量给定转速发动机的倒拖功率：即机械损失功率误差：缸内压力下降，摩擦损失减少；包含了泵气损失；传热损失。实际结果偏高。设备：电力测功器适应性：低压缩比汽油机第五节机械损失与机械效率3.灭缸法误差：同倒拖，但误差较倒拖小。设备：多缸机，测功机适应性：非增压柴油机

当发动机调整到给定工况稳定运转后，先测出整个发动机的有效功率。之后，在柴油机油门拉杆或齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下，停止向某一气缸供油或点火。调整测功机，减小负荷，使发动机恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率。计算第五节机械损失与机械效率4.油耗线法

中低负荷下的负荷特性试验，基本原理：转速不变，机械损失功率不随负荷增减而变化。作图（燃油流量与负荷的关系）直线外延至横坐标，交点值即为平均机械损失功率或压力用油耗线法求pmm

值第五节机械损失与机械效率误差：基于ηt不变，误差较小。设备要求：一般适应性：不适用于节气门调节的汽油机。

用油耗线法求pmm

值第五节机械损失与机械效率5.测量方法比较

倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，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。对于非增压或废气涡轮增压柴油机(pb<0.15MPa)，只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。对于排气涡轮中增压、高增压的柴油机(pb≥0.15MPa)，除示功图外，尚无其他适用的方法。对于4冲程发动机，除示功图法外，其他测量方法尚无法排除泵气功。第五节机械损失与机械效率三、影响机械效率的因素－

1.摩擦损失（1）活塞组件（2）曲轴组件（3）配气机构第五节机械损失与机械效率Pm与cm几乎呈直线关系。ηm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，驱动附件损耗机械损失功率增加机械效率下降

若要提高转速来提高功率，提高动力性，则机械效率ηm将成为主要障碍之一。2.转速n（或活塞平均速度Cm