第2章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與性能指標(biāo)

第二章發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)與評(píng)價(jià)指標(biāo)第一節(jié)四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)第二節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)第三節(jié)機(jī)械損失第一節(jié)四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)包括：進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣5個(gè)過程。實(shí)際循環(huán)較理想循環(huán)復(fù)雜雖然理想循環(huán)是在實(shí)際循環(huán)的基礎(chǔ)上簡化而來，但理想循環(huán)各過程并不能完全反映實(shí)際循環(huán)各過程的特點(diǎn)。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈完成一個(gè)工作循環(huán)，分進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個(gè)過程。示功圖：發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力p隨氣缸容積V或曲軸轉(zhuǎn)角φ變化的圖示。即發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖有p-V圖和p-φ?qǐng)D兩種。p－v與p－φ兩種示功圖四行程發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖

以p－v圖為例（為環(huán)境大氣壓力）進(jìn)氣過程（0-1線）：進(jìn)氣門開啟，隨著活塞下行，缸內(nèi)壓力降低，新鮮工質(zhì)進(jìn)入氣缸，即：一般進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力pa和溫度Ta的范圍是：汽油機(jī)：pa

=(0.8-0.9)p0

；Ta=340-380K

柴油機(jī)：pa=(0.85-0.95)p0；Ta=300-340K

增壓柴油機(jī)：pa=(0.9-1.0)pk；Ta=320-380K

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓力：pk=(1.3-2.0)p0壓縮過程（1-2線）：兩氣門關(guān)閉，隨著活塞上行，工質(zhì)被壓縮，缸內(nèi)壓力、溫度升高，即p，T。壓縮終了的壓力和溫度的大致范圍是：

pc（MPa）Tc

（K）

汽油機(jī)0.8-2.0600-750柴油機(jī)3.0-5.0750-1000

增壓柴油機(jī)5.0-8.0900-1100ε的大致范圍是：汽油機(jī)ε=7-10

柴油機(jī)ε=14-22

增壓柴油機(jī)ε=12-15燃燒過程（一）：

2-3-4線，可燃混合氣快速燃燒，缸內(nèi)壓力、溫度急劇升高，即p，T。燃燒的最高爆發(fā)壓力及最高溫度的大致范圍是；

pz（MPa）Tz（K）

汽油機(jī)3.0-8.02200-2800

柴油機(jī)4.5-9.01800-2200

增壓柴油機(jī)9.0-13.0燃燒過程(二)：發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的燃燒過程

膨脹過程（4-5線）：

工質(zhì)吸收燃料放出的熱量，推動(dòng)活塞下行，對(duì)外輸出功，缸內(nèi)壓力、溫度降低，即p，T。膨脹終了的壓力和溫度的大致范圍是：

pb（MPa）Tb（K）

汽油機(jī)0.3-0.61200-1500柴油機(jī)0.2-0.51000-1200排氣過程（5-0線）排氣門開啟，廢氣排出。排氣終了的壓力和溫度的范圍是：汽油機(jī)和柴油機(jī)：pr=(1.05-1.2)p0

廢氣渦輪增壓柴油機(jī)：pr=(0.75-1.0)pk

汽油機(jī)：Tb=900-1100K

柴油機(jī)：Tb=700-900K關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)

發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)加上各項(xiàng)損失后，即可分析發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)。1.工質(zhì)改變損失（1）工質(zhì)性質(zhì)理論上：理想氣體，雙原子氣體。實(shí)際中：燃燒前：燃料+空氣；燃燒后：燃燒產(chǎn)物。（2）比熱容理論上：定比熱容。實(shí)際中：溫度T

比熱容C。（3）高溫分解例：C+O2

CO+

熱量[+O2]CO2+熱量式中：CO為中間產(chǎn)物，CO2為最終產(chǎn)物。若遇高溫，則會(huì)發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，即高溫分解：CO2

CO+O2-熱量這部分熱量雖然在膨脹過程中還可能會(huì)釋放出來，但由于活塞已接近下止點(diǎn)，做功效果變差，熱效率下降。2、換氣損失理論上：忽略進(jìn)、排氣過程。實(shí)際中：進(jìn)、排氣門提前開啟，遲后關(guān)閉，且有流動(dòng)阻力。換氣損失中逆向循環(huán)所包圍的面積為泵氣損失。泵氣損失包含在換氣損失之中。3、傳熱、流動(dòng)損失（1）傳熱損失理論上：壓縮、膨脹過程為絕熱過程。實(shí)際中：大量熱量通過氣缸壁傳給冷卻水或空氣。傳熱損失是發(fā)動(dòng)機(jī)中的最大損失，占總損失量的30%以上。因此，許多研究者致力于開發(fā)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)。（2）流動(dòng)損失理論上：閉口系統(tǒng)，沒有氣體流動(dòng)損失。實(shí)際中：存在進(jìn)、排氣節(jié)流及沿程損失，缸內(nèi)進(jìn)氣、擠壓、燃燒渦流損失。4、時(shí)間損失理論上：定容加熱瞬間完成，定壓加熱速度與活塞運(yùn)行速度密切配合。實(shí)際中：燃燒需要時(shí)間。5、補(bǔ)燃損失理論上：加熱瞬間完成，膨脹過程無加熱。實(shí)際中：雖然大部分（80%以上）燃料在燃燒過程中燃燒掉，但仍有少部分燃料會(huì)拖到膨脹線上才燃燒，做功效果變差，熱效率下降。6、工質(zhì)泄漏損失理論上：閉口系統(tǒng)，無泄漏。實(shí)際中：活塞、氣環(huán)不會(huì)100%嚴(yán)密密封，總會(huì)有少量氣體竄到曲軸箱中，造成損失。第二節(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)有動(dòng)力性指標(biāo)（有效扭矩、有效功率等），經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（燃油消耗率、熱效率等），運(yùn)轉(zhuǎn)性能指標(biāo)（排氣品質(zhì)、噪聲和起動(dòng)性能等）。這些指標(biāo)用于評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等。發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)：指示指標(biāo)，有效指標(biāo)。指示指標(biāo)：以工質(zhì)在氣缸內(nèi)對(duì)活塞做功為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)工作循環(huán)的質(zhì)量。有效指標(biāo)：以曲軸上得到的凈功率為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)整機(jī)性能。一、指示指標(biāo)（以下標(biāo)i表示）

1、指示功Wi和平均指示壓力Pmi指示功Wi

：一個(gè)循環(huán)工質(zhì)對(duì)活塞所做的有用功。指示功Wi的大小非增壓：；增壓：。因?yàn)椋篎2不容易測(cè)量，實(shí)際將歸到機(jī)械損失中考慮。所以：。

式中：a、b為橫、縱座標(biāo)比例尺。指示功Wi大，說明：①氣缸工作容積大；②熱功轉(zhuǎn)換有效程度大。為便于比較不同大小發(fā)動(dòng)機(jī)熱功轉(zhuǎn)換的有效程度，引入平均有效壓力的概念。平均指示壓力pmi

平均指示壓力：單位氣缸工作容積所做的指示功。它是一個(gè)假想的動(dòng)力性參數(shù)：式中：Vh為每缸工作容積。平均指示壓力的圖示和范圍Pmi的一般范圍:柴油機(jī)[kPa]，汽油機(jī)kPa]。2、指示功率Pi（Ni）指示功率：單位時(shí)間所做的指示功。若：缸數(shù)i，每缸工作容積Vh[m3]，沖程數(shù)，平均指示壓力p[Pa]，轉(zhuǎn)速n[r/min]（[rpm]）。則：

[W]

[kW]

若：每缸工作容積Vh[L]，平均指示壓力p[bar]。則：

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

[g/kW·h]式中：B為每小時(shí)耗油量[kg/h]。4、指示熱效率?i

——發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)指示功與所消耗的熱量之比。即：式中：Wi為做指示功所消耗的熱量。

hu為燃料的低熱值。二、有效指標(biāo)（以下標(biāo)e表示）1、有效功率Pe（Ne）：

——從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上得到的凈功率稱為有效功率。發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率不可能完全向外輸出，自身存在機(jī)械損失。有效功率的大小為：

Pe=Pi-Pm式中：Pm——機(jī)械損失功率。發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率由試驗(yàn)測(cè)得。

2、有效扭矩Ttq（Me）有效扭矩：功率輸出軸輸出的扭矩。

[kW][kW]3、平均有效壓力pme

——發(fā)動(dòng)機(jī)單位氣缸工作容積所做的有效功。該指標(biāo)從發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功的角度評(píng)價(jià)氣缸工作容積的利用率。

[kPa]四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)功率

[kW]二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)功率[kW]4、轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度Cm提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（n），即增加單位時(shí)間的做功次數(shù)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、重量輕和功率大?；钊骄俣菴m：Cm與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力、磨損、壽命相關(guān)。一般汽油機(jī)不超過18m/s，柴油機(jī)不超過13m/s。

n、Cm、S/D值的大致范圍是：

n（r/min）Cm（m/s）S/D小客車汽油機(jī)5000-800012-180.7-1.0載貨車汽油機(jī)3600-450010-150.8-1.2汽車柴油機(jī)2000-50009-150.75-1.2增壓柴油機(jī)1500-40008-120.9-1.3

5、有效燃油消耗率be（ge）

——單位有效功率的耗油量，也稱有效比油耗或有效耗油量。

[g/kW·h]式中：B為每小時(shí)耗油量[kg/h]。6、有效熱效率

——發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)有效功與所消耗的熱量之比。即：或，[g/kW·h]。

，[g/kW·h]。

由此可見，柴油機(jī)的熱效率比汽油機(jī)高，經(jīng)濟(jì)性比汽油機(jī)好。三、發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)1、升功率

——單位氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。

[kW/L]升功率PL值越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度越高，發(fā)出一定有效功率的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸越小。2、比質(zhì)量

——發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量m與所給出的標(biāo)定功率的比值。[kg/kW]Pl，me

發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度增加。實(shí)際中，汽油機(jī)的強(qiáng)化程度要比柴油機(jī)高。

強(qiáng)化系數(shù)pme

?Cm

（MPa?m/s）強(qiáng)化系數(shù)與活塞單位面積發(fā)出的功率成正比，其值愈大，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷愈高。

PL

me

pmeCm汽油機(jī)30-701.1-4.08-17汽車柴油機(jī)18-302.5-9.06-11拖拉機(jī)柴油機(jī)9-155.5-169-15四、環(huán)境指標(biāo)排放性能：一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOx）、微粒（PM）；噪聲第三節(jié)

機(jī)械損失一、機(jī)械損失性能指標(biāo)1.機(jī)械損失組成①發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)零件摩擦損失：占機(jī)械損失的60-70%；如：活塞與氣缸壁之間的摩擦，曲柄連桿機(jī)構(gòu)軸承處的摩擦，配氣機(jī)構(gòu)之間的摩擦等；②驅(qū)動(dòng)附件損失，占機(jī)械損失的10-20%；如：驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)、水泵、機(jī)油泵、燃油泵、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)向助力泵等；。③泵氣損失，占機(jī)械損失的10-20%，是指進(jìn)排氣過程所消耗的功等。2.機(jī)械損失功率和機(jī)械損失壓力與pmi和pme類似，機(jī)械損失功率Pm為：

[kW]pmm與pmi和pme之間的關(guān)系為：

pmm=pmi-pme3.機(jī)械效率概念：機(jī)械效率是有效功率與指示功率的比值。用于比較各種不同發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失大小。值越高，說明機(jī)械損失越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能越好。

有效熱效率與指示熱效率、機(jī)械熱效率之間的關(guān)系：機(jī)械效率的大?。悍窃鰤翰裼蜋C(jī)：0.78-0.85；增壓柴油機(jī)：0.80-0.92；汽油機(jī)：0.80-0.90。二、機(jī)械損失的測(cè)定1.滅缸法（——適用于多缸）

1)將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整到給定工況穩(wěn)定工作，測(cè)出Pe；2)停止第一缸的供油或點(diǎn)火，調(diào)整測(cè)功器，使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)原轉(zhuǎn)速，測(cè)出Pe1?？傻玫谝桓椎闹甘竟β蔖i1=Pe－Pe1。3)

依次使各缸熄火，可得Pe2,Pe3……

則Pi2=Pe－Pe2Pi3=Pe－Pe3

……

整機(jī)的指示功率Pi=Pi1+Pi2+Pi3+……Pm可求。2.倒拖法

——在具有倒拖能力的電力測(cè)功器的試驗(yàn)臺(tái)上方可進(jìn)行。在壓縮比不很高的汽油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。1)發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)相連；2)使發(fā)動(dòng)機(jī)以給定的工況穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)水溫和油溫達(dá)到正常時(shí)，切斷供油或停止點(diǎn)火，同時(shí)將電力測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)，以給定轉(zhuǎn)速倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)；3)測(cè)定電力測(cè)功機(jī)的倒拖功率，該倒拖功率即為發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況下的機(jī)械損失功率。3.示工圖法三、影響機(jī)械損失的因素1.轉(zhuǎn)速分析：其中：Cm為活塞平均運(yùn)行速度。機(jī)械損失壓力pm與Cm幾乎呈直線關(guān)系；機(jī)械損失功率與n似呈二次方關(guān)系。n慣性力活塞對(duì)缸壁的側(cè)壓力軸承負(fù)荷；各摩擦副相對(duì)速度摩擦損失；泵氣損失，驅(qū)動(dòng)附件損耗。pm。若要提高轉(zhuǎn)速來強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，則將成為主要障礙之一。2、負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷—

柴油機(jī)：油門拉桿或齒條位置；汽油機(jī)：節(jié)氣門開度。n一定，負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒劇烈程度，平均指示壓力；而由于轉(zhuǎn)速不變，平均機(jī)械損失壓力基本保持不變。則機(jī)械效率下降。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有效功率、指示功率全部用來克服機(jī)械損失功率，即因此，=0。當(dāng)車用發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速、較低負(fù)荷下工作時(shí)，機(jī)械效率會(huì)嚴(yán)重下降。因此，車用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在適當(dāng)轉(zhuǎn)速、較高負(fù)荷下工作。3、潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度潤滑油選用原則：在保證可靠潤滑的前提下，盡量選用低粘度潤滑油。粘度大，流動(dòng)性差，摩擦損失增加；粘度小，流動(dòng)性好，承載能力差，油膜易破裂。潤滑油粘度影響潤滑效果，潤滑油溫度影響潤滑油粘度，冷卻水溫度影響潤滑油溫度，即冷卻水、潤滑油溫度通過潤滑油粘度間接影響潤滑效果。冷卻水溫度影響機(jī)油的粘度。使用中降低機(jī)械損失要做到：無機(jī)械故障，控制好轉(zhuǎn)速、水溫，保持機(jī)油清潔等。要求：定期保養(yǎng)、清洗機(jī)油濾清器，5000～10000公里更換機(jī)油。水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫應(yīng)保持在80-95℃水溫過高、過低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作都不利。水溫過高，發(fā)動(dòng)機(jī)易過熱，潤滑油粘度下降；水溫過低，散熱損失增加，不易保證可靠潤滑。四、實(shí)際循環(huán)的熱平衡實(shí)際工質(zhì)影響換氣損失燃燒損失傳熱損失

熱量分配的大致情況：

名稱汽油機(jī)柴油機(jī)理論循環(huán)熱效率ηt

0.54-0.580.64-0.67指示熱效率ηi

0.30-0.400.40-0.45各種損失使熱效率下降：工質(zhì)比熱容變化0.10-0.120.09-0.10燃燒不完全及熱分解0.08-0.100.06-0.09