内燃机的工作指标.ppt

1、第二章 内燃机的工作指标,2020年10月14日,主要学习内容,2.3机械损失与机械效率,2.1示功图与指示性能指标,2.2有效性能指标,2.5提高内燃机动力性与经济性的途径,2.4排放指标,动力性能指标(功率、转矩、转速)、 经济性能指标(燃料与润滑油消耗率)、 运转性能指标(冷起动性能、噪声和排气品质) 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)。 本章主要研究表征动力性能指标和经济性能指标的各种参数及其相互关系。运转性能指标(如冷起动性能等)和耐久可靠性指标对内燃机来说有其不可忽视的重要性，它们将在本书的其他各章中分析讨论。,内燃机的工作指标很多，主要有:,动

2、力性指标：,1.转矩Ttq 2.标定功率Pen 1)十五分钟功率 2）一小时功率 3）十二小时功率 4）持续功率 3.标定转速nn,经济性能指标：,1.燃油消耗率 be g/kwh 2.机油消耗率bo g/kwh bo=0.10.3，0.43 g/kwh 3.单位功率价格（比价格）价/kw,排放性指标：,1.污染物种类： 1）汽油机（CO、HC、NOX） 2）柴油机（CO、HC、NOX、PM） 2.排放标准限制,第一节示功图与指示性能指标,一、示功图 二、指示性能指标,一、示功图,定义：气缸内压力随工作容积或曲轴转角变化的坐标图，称为示功图。,利用不同形式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记

3、录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果即为p-V示功图或p-示功图。,内燃机缸内压力数据采集系统,示功图是研究内燃机工作过程的重要试验数据。,p-V示功图,p-V图或p-图两者可以互相转换。,示功图的作用： 1.最高燃烧压力 2.压力升高率 3.指示功 4.燃烧的始点、终点 5.反求放热规律,二、指示性能指标,内燃机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为基础的指标。 指示性能指标只考虑了气缸内因燃烧不完全和传热等方面所引起的热量损失，而没有考虑各运动副间所存在的摩擦损失、泵气损失和辅助机械损失等。 指示性能指标主要包括： 1.指示功Wi 2.平均指示压力pmi 3.指示

4、功率Pi 4.指示热效率i 5.指示燃油消耗率bi,1. 指示功,指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。 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，图2-3中示出了四冲程非增压和增压发动机以及二冲程发动机的示功图 。,图2-3a中四冲程非增压发动机的指示功面积Fi是由相当于压缩、燃烧、膨胀行程中所得到的有用功面积Fl和相当于进气、排气行程中消耗的功的面积F2(即泵气损失)相减而成，即FiFlF2。 在四冲程增压发动机中(图2-3b)，由于进气压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，因此，换气功的面积F2应与面积Fl叠加起来，即FiF1F2 。 在二冲程发动机

5、中(图2-3c)，只有一块示功图面积Fi，它表示了指示功的大小。,指示功的求得：,Fi可以用求积仪或计算方法求得，然后用下式计算Wi (Nm或J)值,Fi为示功图面积，cm2； a为示功图纵坐标比例尺，Pacm； b为示功图横坐标比例尺，cm3cm。,指示功Wi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，指示功表示热功转换的有效程度。 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(用pmi表示)的概念。,2.平均指示压力,平均指示压力不仅表示热功转换程度，还表示气缸容积的利用程

6、度。,平均指示压力，是指单位气缸容积一个循环所做的指示功(Pa),概念一,pmi=Wi/Vs,式中，Wi为发动机一个工作循环的指示功（J） Vs为发动机气缸工作容积（m3）,pmi=Wi/Vs,若Vs用L为单位， Wi用kJ为单位，则pmi为(MPa),WipmiVspmi(D2/4) S，其中，D和S分别为气缸直径和活塞行程，由此可以引出平均指示压力的第二个概念，即,平均指示压力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S所做的功，即为循环的指示功Wi。,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。 pmi越高，同样大小的气缸容积可以发出更大

7、的指示功，气缸工作容积的利用程度越佳。,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。,指示功与平均指示压力的关系,一般内燃机在标定工况下的pmi值在下列范围内： 柴油机： 四冲程非增压柴油机 0.60.95MPa 四冲程增压柴油机 0.852.6MPa 二冲程柴油机 0.351.3MPa 汽油机： 四冲程摩托车用汽油机 0.91.43 MPa 四冲程小客车用汽油机 0.651.25MPa 四冲程载货车用汽油机 0.60.85 MPa 二冲程小型风冷汽油机 0.40.85 Mpa,3. 指示功率,内燃机单位时间内所作的指示功称为指示功率Pi。 若一台内燃机的气缸数为i，每缸的工

8、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:,(2-4),(2-3),4. 指示热效率和指示燃油消耗率,指示热效率it定义：发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值，即： it=Wi/Q1 Q1为得到指示功Wi所消耗的热量（J）。 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(kgh)时。根据it的定义，可得： 式中，3.6l03为1kWh的热当量，kJ(kWh)； B为每小时发动机的耗油量，kgh； Hu为所用燃料的低热值，kJkg。,指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油量，它通常以单

9、位指示千瓦小时的耗油量g/(kWh)来表示： bi=(B/Pi)103 因此，表示实际循环的经济性指标it和bi之间存在着以下关系： it =（3.6106）/（Hubi）,一般内燃机的it和bi的统计范围如下： it bi g/(kWh) 四冲程柴油机 0.410.50 210170 二冲程柴油机 0.400.50 215170 四冲程汽油机 0.250.40 340215 二冲程汽油机 0.200.278 430300 结论：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。,指示性能指标之间的关系,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、有

10、效功率和升功率 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,一、机械效率和有效功率,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，从而有效功率是指既考虑热损失，也考虑机械损失的指标 Pe=Pi-Pm 有效功率与指示功率之比称为机械效率： m=Pe/Pi,内燃机机械效率大致范围,内燃机的有效功率Pe(kW)可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩Ttq及在同一工况下的发动

11、机转速，按以下公式求得:,二、平均有效压力、有效功率和升功率,与平均指示压力相似，平均有效压力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,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: Ttqpme pme 反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小,(2-12),(2-13),(2-14),(2-15),升功率,升功率PL(kW

12、L)的定义是在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率： PL=Pe/(iVs) 式中，Pe为发动机的标定功率（kW）；i为气缸数；Vs为每气缸工容积（L）。,式中，pme为标定工况下的平均有效压力（MPa）； n为标定转速（rmin）,升功率PL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。,发动机的 PL

13、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,倒拖工况与实际运行情况相比有差别: 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，作用在活塞、连杆、曲轴的摩擦损失有所减少。 其次，按这种方法求出的摩擦功率中含有不应该有的Pp这一项，且由于排气过程中温度低、密度大，使Pp比实际的还大。 再次，倒拖在膨胀、压缩行程中，由于充量向气缸壁的传热损失，以至于P-V图上膨胀线和压缩线不重合而处于它的下方，出现了如图所示的负功面积，而实际上，在测量该工况下的有效功率时，这部分传热损失已被考虑在内。,这三咱因素的综合结果是：倒拖时所消耗的功率要超

14、过发动机在给定工况工作时的实际机械损失，在低压缩比发动机中，误差大约为5%，在高压缩比发动机中，误差有时可高达15%20%，因而此方法在测定汽油机机械损失时得到较广泛的应用。,3. 灭缸法,此法仅适用于多缸发动机。方法： 当内燃机调整到给定工况稳定工作后，先测出其有效功率Pe。 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。 这样，如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率(Pi)x为 依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率的总和中求得整台发功机的指示功率

15、Pi 然后可以求出Pm和m。 采用这种方法时，只要停止一缸的燃烧不致引起进、排气系统的异常变化，如排气管结构不致因一个气缸灭火而引起足以破坏其他气缸换气规律和充量系数的排气压力波的情况下就会相当准确，其误差在5以下。 不能用于废气涡轮增压发动机 对于汽油机，由于进气情况的改变，往往得不到正确的结果。,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,4. 油耗线法,B0为发动机空转时的燃油消耗量 B为欲取的工况的小时燃油消耗量,误差：基于it不变，误差较小。 设备：一般 适应性：不适用于节气门调节功率的汽油机,图2-7为柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验(详见第

16、九章)，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。如果把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的交点，就可以求得pmm值。,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。当测得其pmm值后，其机械效率可近似地用下式估算式中，,B0为发动机空转时的燃油消耗量 B为欲取的工况的小时燃油消耗量,图2-7 用油耗线法求柴油机的pmm值,在以上所介绍的几种测定机械效率的方法中， 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

17、高的汽油机的机械损失。 对于排气涡轮增压柴油机(pb0.15M Pa），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。 对于排气涡轮中增压、高增压的柴油机(pb0.15MPa)，除示功图外，尚无其他适用的方法可取代。 一般内燃机的机械效率大致在以下范围： m 非增压柴油机 0.780.85 增压柴油机 0.800.92 汽油机 0.800.90,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,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，常用体积分数来表示

18、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/m3,二、质量排放量,单位时间或按照某标准规定，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/km,三、比排放量,内燃机针对单机进行测试时，每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

19、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,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。,第五节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径,为阐明改善内燃机工作过程的组织来提高其动力性能和经济性能的各种措施，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。,(2-37),(2-38),1. 采用增压技术,从式(237)可以看到，在保持过量空气系数

20、a等参数不变的情况下，增加吸进空气的密度s可以使发动机功率按比例增长，这就需要在内燃机上装置增压器，使空气进入气缸前进行预压缩。目前，在柴油机上广泛采用排气涡轮增压器，尤其是当采用高增压后，可以促使柴油机的pme和PL成倍增长。与此同时，它还是改善柴油机的经济性、降低比质量、降低废气有害排放、降低排烟、节约原材料的一项最有效的技术措施。由于采用增压，柴油机的pme值已超过3 MPa，单位功率质量可降低到2kgkW以下。 汽油机由于受爆燃限制，压缩行程终了时的压力和温度不宜过高，这就限制了增压压力不宜过高。增压后，一般功率的提高也仅在3040之间。 内燃机的增压技术还可以用来恢复在高原使用的内燃

21、机的功率，因为随海拔高度的增加，进气密度下降，燃烧恶化，装备增压发动机的汽车，其动力性与经济性可以得到明显改善。,2. 合理组织燃烧过程，提高循环指示效率it,提高指示效率it不仅改善了内燃机的动力性能，同时也改善其经济性能，因此，需要从研究内燃机理论循环和实际循环入手，深入分析在整个热功转换过程中，各种热力损失的大小及其分布，掌握各种因素对热力损失的影响程度，从而寻找减少这些损失的技术措施。而其中最重要的一个方面就是对内燃机燃烧过程的改进。 随着柴油机的不断强化，增压程度和转速的不断提高，都要求燃烧过程能够高效率进行，要求对柴油机的混合气形成、燃烧以及供油系统方面进行深入的工作。 对于汽油机

22、，由于向较高压缩比和高转速方向发展，促使爆燃燃烧、表面点火等不正常燃烧倾向加强；由于环境保护要求，对内燃机噪声、排放的限制越来越严格。为了改善汽油机的排放品质和经济性，要求应用电控汽油喷射、应用稀燃、速燃、层燃等技术及发展汽油机缸内直接喷射等，这些都对汽油机的混合气形成和燃烧提出厂许多新课题。 合理组织内燃机燃烧过程一直是内燃机工作过程研究的核心问题之一，关于这方向的讨论见本书第五、六、七章。,3. 改善换气过程，提高气缸的充量系数c,同样大小的气缸容积，在相同的进气状态下若能吸人更多的新鲜空气，则可容许喷入更多的燃料，在同样的燃烧条件下可以获得更多的有用功。改善换气过程，不仅可以提高c，而且

23、可以减少换气损失。为此，必须对换气过程进行深入研究，分析产生损失的原因，然后从改善配气机构、凸轮廓线及管道流体动力性能等方面着手进行研究。关于这方面的详细讨论见本书第四章。,4. 提高发动机的转速,增加转速可以增加单位时间内每个气缸做功的次数，因而可提高发功机的功率输出；与此同时，发动机的比质量也随之降低。 因此，它是提高发动机功率和减小质量、尺寸的一个有效措施。 当前，小型柴油机(D7090mm)的最高转速已达5000rmin，仅一般在3000 rmin左右，活塞平均速度vm约在1113ms之间；车用汽油机的转速一般在40007000rmin，某些小型风冷汽油机转速可高达800010000r

24、min，它们的vm值在1820ms左右。 但,5. 提高内燃机的机械效率,提高机械效率可以提高内燃机的动力性能和经济性能，这方面主要靠合理选定各种热力和结构参数，靠结构、工艺上采取措施减少其摩擦损失及驱动水泵、油泵等附属机构所消耗的功率以及改善发动机的润滑、冷却来实现。,6. 采用二冲程提高升功率,理论上，采用二冲程相对于四冲程可以提高升功率一倍，但由于二冲程在组织热力过程和结构设计上的特殊问题，在相同工作容积和转速下，Pme往往达不到四冲程的水平，升功率只能提高50一60，与此同时还得采用一些较复杂的结构；否则，若仍保持简单的结构，其升功率不易超过四冲程，而燃油消耗率却显著上升。 目前，在大

25、型低速船用柴油机和小型风冷汽油机(2.0kW以下)中二冲程占绝对优势外，在其他的领域中，四冲程在机型数量上还是占绝大多数，但是，近年来国外不少公司又在大力进行车用二冲程发动机的研究。在美国，高速车用柴油机采用四排气门、直流换气高压喷射、直喷燃烧室，已成为另一种提高车用柴油机升功率的技术措施。澳大利亚的Orbit公司采用夹气喷射技术.关于这方面的讨论见本书第四章。,Orbit夹气喷射系统方案,夹气喷嘴结构,湍流型燃烧室,1、it 、 et 、 bi 、be的大致范围,补充 发动机的热平衡,2、汽油机与柴油机热量分配的差异,说明： 1）汽油机t低于柴油机t的主要原因是压缩比小所造成，所以提高压缩比一直是提高汽油机热效率的主要方向，但受到不正常燃烧的限制 ； 2）实际工质比热容变化引起的损失，占有较大比例。汽油机因相