1、第一章第一章 發動機的性能發動機的性能Engine Performance第一節第一節 發動機理論循環發動機理論循環第二節第二節 四沖程發動機的實際循環四沖程發動機的實際循環第三節第三節 發動機的指示性能指標發動機的指示性能指標第四節第四節 發動機的有效性能指標發動機的有效性能指標第五節第五節 機械損失和機械效率機械損失和機械效率第六節第六節 熱平衡熱平衡作業題及復習題作業題及復習題第一節第一節 發動機理論循環發動機理論循環將非常復雜的實際工作過程加以抽象簡化，忽略一些次要影響因素，并對其中變化復雜、難于進行細致分析的物理、化學過程如可燃混合氣的準備與燃燒過程等進行簡化處理，得到便于進行定量分

2、析的循環，稱發動機的理想循環。p1一、三種基本理論循環一、三種基本理論循環: p1 p61、研究理論循環的目的、研究理論循環的目的: p11)確定循環熱效率的理論極限確定循環熱效率的理論極限，以判斷實際發，以判斷實際發動機經濟性和工作過程進行的完善程度以及動機經濟性和工作過程進行的完善程度以及改進潛力。改進潛力。2)分析比較發動機分析比較發動機不同熱力循環方式不同熱力循環方式的經濟性的經濟性和動力性。和動力性。3) 確定提高確定提高以理論以理論循環熱效率循環熱效率為代表的經濟性為代表的經濟性和和以以平均壓力平均壓力為代表的動力性為代表的動力性的基本途徑。的基本途徑。1 假定工質為定比熱容的理想

3、氣體理想氣體；2 不計吸氣和排氣過程，假設工質是在閉口系統閉口系統中作封閉循環；3 壓縮、膨脹過程簡化為絕熱等熵過程絕熱等熵過程；4 把燃燒過程看作是外界對工質的加熱過程，簡化為等等容加熱過程容加熱過程或或等壓加熱過程等壓加熱過程；5 排氣中的實際放熱過程簡化為等容放熱等容放熱過程；6 忽略過程損失，把循環的每一過程都假定為可逆過程可逆過程，即假設循環過程為可逆循環可逆循環。簡化原則為簡化原則為: : p1理解！3、發動機的理論循環：、發動機的理論循環： 發動機理論循環的三種形式：a) c)高速柴油機高速柴油機 汽油機汽油機 高增壓和低速大型柴油高增壓和低速大型柴油機機補充：補充： 熵的定義：

4、熵是一個狀態參數，其定義為：其中：dq表示1千克工質在可逆過程中自外界吸入的熱量。二、二、循環熱效率循環熱效率：p2p41、循環熱效率、循環熱效率(簡稱簡稱熱效率熱效率) ：p21212111QQQQQQWt式中：式中： 工質所做工質所做循環功（循環功（J） 循環加熱量（循環加熱量（J） 工質在工質在循環中放出的熱（循環中放出的熱（J）tW1Q2Q評定循環評定循環經濟性經濟性理論循環是用循環熱效率和循環平均壓理論循環是用循環熱效率和循環平均壓力來評定。力來評定。 ) 1() 1(111001ppkpkctk111kct) 1(111001kkkct 101p tc) 1 (t0)2(tp)3(

5、分析條件：分析條件：循環總加熱量不變。循環總加熱量不變。tc) 1 (t0)2(tc) 1 (t) 1 ( 從理論循環的分析可知，提高壓縮比從理論循環的分析可知，提高壓縮比c和和壓力升高比壓力升高比p對提高循環熱效率對提高循環熱效率t起著有利的起著有利的作用，但發動機實際工作條件作用，但發動機實際工作條件約束和限制約束和限制循循環熱效率提高。環熱效率提高。、發動機實際工作條件對循環熱效率提高的約束和限制約束和限制： p341)零件的強度和可靠性的限制零件的強度和可靠性的限制 2)機械效率的限制機械效率的限制3)燃燒方面的限制燃燒方面的限制 發動機的壓縮比和壓力升高比見發動機的壓縮比和壓力升高比

6、見p4。1、循環平均壓力循環平均壓力 ： p4stVWp tp評定循環的動力性(kPa)式中： 循環所做的功（J） 氣缸工作容積（L）WsV三、循環三、循環平均壓力平均壓力：p41）混合加熱循環平均壓力公式）混合加熱循環平均壓力公式tPPdeckctkkpp)1() 1(110）等容加熱循環平均壓力公式）等容加熱循環平均壓力公式1）混合加熱循環平均壓力公式）混合加熱循環平均壓力公式tPdeckctkpp) 1(11 混合加熱循環的平均壓力隨進氣終點壓力、壓縮比、壓力升高比、預脹比、絕熱指數和循環熱效率的增大而增大。p4dep：進氣終點的壓力 (kPa)tPdeckctkkpp) 1(110四、

7、三種基本循環的比較：四、三種基本循環的比較：p4p6111ct) 1(111001ct) 1() 1(111001pppct 循環名循環名稱稱循環熱效率循環熱效率循環特點循環特點等容加等容加熱循環熱循環 加熱過程在等容條件下很快完成，加熱過程在等容條件下很快完成，熱效率僅與壓縮比有關熱效率僅與壓縮比有關等壓加等壓加熱循環熱循環 加熱過程在等壓條件下緩慢完成，加熱過程在等壓條件下緩慢完成，負荷的增加使得熱效率下降負荷的增加使得熱效率下降混合加混合加熱循環熱循環介于上述兩者之間介于上述兩者之間表表11 三種理論循環的比較三種理論循環的比較1、壓縮比及加熱量分別相同時比較、壓縮比及加熱量分別相同時比

8、較 p5c壓縮比壓縮比 相同相同加熱量加熱量 相同相同初態初態1 1相同相同tptmtv 等容加熱循環熱效率最高，而等壓加熱循環的等容加熱循環熱效率最高，而等壓加熱循環的均最低。欲提高混合加熱循環的熱效率均最低。欲提高混合加熱循環的熱效率 ，應增加混，應增加混合加熱循環的等容部分。合加熱循環的等容部分。1Q2 2、加熱量及、加熱量及循環的最高壓力分別相同循環的最高壓力分別相同時比較時比較加熱量加熱量 相同相同初態初態1 1相同相同循環的最高壓力相同循環的最高壓力相同tptmtv1QvmpTTT 對于高增壓柴油機，為了得到較高的熱效率，對于高增壓柴油機，為了得到較高的熱效率，宜按等壓加熱循環工作

9、。宜按等壓加熱循環工作。3、汽、柴油機負荷變化、汽、柴油機負荷變化(不同加熱量不同加熱量)時的對比：時的對比： 柴油機柴油機：由于噴霧壓燃后邊噴油邊燃燒,當負荷下降時負荷下降時，噴油時間縮短，但初期相當于等容燃燒的部分變化不大。這相當于p基本不變而 減小，則t提高提高。0汽油機汽油機：點火后傳播燃燒且無論負荷大小，火焰傳播距離不變。當負荷下降時當負荷下降時，燃燒速度降低，燃燒時間加長。這相當于p下降而 上升，則t降低降低。0第二節第二節 四沖程發動機的實際循環四沖程發動機的實際循環一、發動機的實一、發動機的實 際循環際循環1、進氣過程、進氣過程 圖圖a）2、壓縮過程、壓縮過程 圖圖b）3、燃燒

10、過程、燃燒過程 圖圖c）4、膨脹過程、膨脹過程 圖圖c）5、排氣過程、排氣過程 圖圖d）1、實際工質的影響、實際工質的影響 實際工質影響引起的損失：實際工質影響引起的損失：2、換氣損失、換氣損失 換氣損失：換氣損失：3、燃燒損失、燃燒損失 非瞬時燃燒損失非瞬時燃燒損失 和補燃損失：和補燃損失： 提前排氣損失：提前排氣損失：4、傳熱損失、傳熱損失 傳熱、流動傳熱、流動 損失：損失：5、缸內流動損失、缸內流動損失二、發動機實際循環與理論循環的比較二、發動機實際循環與理論循環的比較WbWrWkWzW圖圖112 發動機實際循環與理論循環的比較發動機實際循環與理論循環的比較a) 柴油機柴油機 b) 汽油

11、機汽油機 發動機的指示性能指標是指的指標，簡稱指示指標。 指示指標表征工質在汽缸內部經歷的循環的完善程度，以工質在汽缸內對活塞做功為基礎，評價由燃燒到熱功轉換工作循環評價由燃燒到熱功轉換工作循環進行的質量進行的質量。是從從示功圖示功圖測量計算得出測量計算得出的。 指示功指示功是指氣缸內完成一個工作循環所得到的有用功Wi。指示功的大小可以由pV圖中閉合曲線所占有的面積求得。610abFWii式中： Fi 示功圖面積，cm2；可以用求積儀或計算方法求得 a 示功圖縱坐標比例尺，Pacm； b 示功圖橫坐標比例尺，cm3cm。（J或Nm）21FFFi21FFFi 平均指示壓力平均指示壓力是指單位氣缸

12、容積是指單位氣缸容積一個循環所作的指示功一個循環所作的指示功(Pa) 。simiVWp式中， Wi 發動機一個工作循環的指示功，J； Vs 發動機氣缸工作容積，m3。 若Vs用L為單位，Wi用kJ為單位，則pmi (MPa) 42SDpVpWmismii式中， D和S分別為氣缸直徑和活塞行程 平均指示壓力平均指示壓力可以設想為一個恒定的壓力作用于活塞頂上，使活塞移動一個行程所作的功，即循環的指示功Wi 。 平均指示壓力平均指示壓力是衡量發動機實際循環動力性能的一個很重要的指標。圖圖115 指示功與平均指示壓力指示功與平均指示壓力 二二 、指示功率：指示功率： 指示功率指示功率Pi ：發動機單位

13、時間內所作的指示功。30n iVpPsmii若：一臺內燃機的缸數i，每缸的工作容積Vs (L) ，平均指示壓力為pmi (MPa ) ，轉速n(r/min)，沖程數。(kw )三、指示熱效率和指示燃油消耗率三、指示熱效率和指示燃油消耗率發動機實際循環指示功與所消耗燃料熱量的比值。1QWiit式中， Q1 得到指示功Wi所消耗的熱量( J) 。 對于一臺發動機，若測得其指示功率Pi (kW)、每小時燃油消耗量B(kg/h) ，則：BHuPiit3106 . 3式中，3.6l03 1kWh的熱當量，kJ/(kWh)； B 每小時發動機的耗油量，kg/h； Hu 所用燃料的低熱值，kJ/kg。 指示

14、燃油消耗率指示燃油消耗率g(kWh)：指單位指示功的耗油量。通常以單位指示千瓦小時的耗油量來表示：iiPBb1000 表示實際循環的經濟性指標it和bi之間存在著以下關系：uit iHb6106 . 3一般內燃機的it和bi的統計范圍如下： it big(kWh) -1四沖程柴油機 0.4l0.48 210175二沖程柴油機 0.400.48 218177 四沖程汽油機 0.250.40 344218二沖程汽油機 0.190.27 435305 從統計范圍可以看出：柴油機的指示熱效率高于汽油機，四沖程發動機的指示熱效率高于二沖程發動機。第四節第四節 發動機的有效性能指標發動機的有效性能指標以曲

15、軸輸出功為計算基礎以曲軸輸出功為計算基礎的性能指標，稱為有效性能指標，有效性能指標，簡稱有效指標。有效指標。 有效指標被用來有效指標被用來直接評定發動機實際直接評定發動機實際工作性能工作性能的優劣。的優劣。一、發動機動力性指標一、發動機動力性指標1、有效功和有效功率、有效功和有效功率 有效功有效功：發動機每循環曲軸輸出的單缸功量 。eWmieWWW式中： Wi 循環凈指示功 Wm 循環實際機械損失功 有效功率有效功率miePPP式中：式中： Pi 指示功率指示功率 Pm 實際機械損失功率實際機械損失功率( kw ) 機械損失機械損失: 發動機內部摩擦損失；發動機內部摩擦損失； 驅動附件損耗；驅

16、動附件損耗； 泵氣損失等。泵氣損失等。2、有效轉矩、有效轉矩 發動機工作時由功率輸出軸輸出的轉矩稱發動機工作時由功率輸出軸輸出的轉矩稱為有效轉矩，可由測功器測得。為有效轉矩，可由測功器測得。 (Nm) 發動機的有效功率發動機的有效功率Pe(kW)可以利用各種型式的測功器和可以利用各種型式的測功器和轉速計分別測出發動機在某一轉速計分別測出發動機在某一工況下曲軸的輸出轉矩工況下曲軸的輸出轉矩Ttq及在及在同一工況下的發動機轉速，按同一工況下的發動機轉速，按以下公式求得以下公式求得:9550nTPtpe3、平均有效壓力：、平均有效壓力： 發動機單位氣缸工作容積所輸出的有效功。 與平均指示壓力相 似；

17、是衡 量發動機動力性能 的一個很重要的參數。30niVpPsmee9550nTtp Ttqpme pme 反映了發動機單位氣缸反映了發動機單位氣缸工作容積輸出轉矩的大小。工作容積輸出轉矩的大小。4、轉速n和活塞平均速度30SnCmmC（m s）式中式中， S為活塞行程為活塞行程(m) n為發動機轉速為發動機轉速(r/min) 二、發動機經濟性指標二、發動機經濟性指標 衡量發動機經濟性能的重要指標是和。，即1QWeetueetBHP3106 . 3 有效燃油消耗率有效燃油消耗率g(kWh)是指單位有是指單位有效功所消耗的燃油量，用效功所消耗的燃油量，用be表示：表示： （ g/kwh ） 310

18、eeBbP63.6 10eetubH 可見，有效燃油消可見，有效燃油消耗率與有效熱效率成反耗率與有效熱效率成反比，知道其中一值后，比，知道其中一值后，可求出另一值。可求出另一值。一般內燃機在標定工況下的一般內燃機在標定工況下的be和和et值大致在以下范圍：值大致在以下范圍： beg (kWh)-1 et低速柴油機低速柴油機 190225 0.380.45中速柴油機中速柴油機 195240 0.360.43高速柴油機高速柴油機 215285 0.300.40(其中較低的其中較低的be值屬排氣渦輪增壓的四沖程、二沖程柴油機值屬排氣渦輪增壓的四沖程、二沖程柴油機)四沖程汽油機四沖程汽油機 27441

19、0 0.300.20二沖程汽油機二沖程汽油機 410545 0.200.15三、發動機強化指標三、發動機強化指標 升功率：升功率：在標定工況下在標定工況下(指標定轉速、標定功率指標定轉速、標定功率)，發動機每升氣缸工作容積所發出的有效功率。發動機每升氣缸工作容積所發出的有效功率。30meLp nP式中，式中，pme為標定工況下的平均有效壓力，為標定工況下的平均有效壓力，MPa； n為標定轉速，為標定轉速，rmin。(kWL)seLV iPP 比質量：比質量：是發動機質量與所給出的標定是發動機質量與所給出的標定功率之比功率之比:eePmm (kgkW) 汽車發動機要求質量小、功率大，所以汽車發動

20、機要求質量小、功率大，所以其升功率大、比質量小。其升功率大、比質量小。汽油機的強化程度汽油機的強化程度要比柴油機的高要比柴油機的高. . 強化系數強化系數mmeCp平均有效壓力與活塞平均速度的乘積稱為平均有效壓力與活塞平均速度的乘積稱為強化系數。強化系數。與活塞單位面積的功率成正比。其值愈與活塞單位面積的功率成正比。其值愈大，發動機的熱負荷和機械負荷愈高。大，發動機的熱負荷和機械負荷愈高。 mmeCp發動機的類型發動機的類型強化系數強化系數汽油機汽油機 （817）MPams小型高速柴油機小型高速柴油機（6ll）MPams重型汽車柴油機重型汽車柴油機（915）MPams表表116 強化系數范圍強

21、化系數范圍 第五節第五節 機械損失和機械效率機械損失和機械效率一、機械效率一、機械效率 平均機械損失壓力平均機械損失壓力pmm 發動機單位氣缸工作容積一個循環所損失的發動機單位氣缸工作容積一個循環所損失的功。功。inVPpsmmm30式中， Pm為機械損失功率(kW)； Vs為工作容積(L)； n為轉速(rmin)； i為氣缸數目。 機械效率：機械效率： 發動機的有效功率與指示功率之比。發動機的有效功率與指示功率之比。iemPPmimmimmimemppPPpp11mitet機械效率的影響因素機械效率的影響因素二、機械損失的測定二、機械損失的測定1、示功圖法、示功圖法2、倒拖法、倒拖法3、滅缸

22、法、滅缸法4、油耗線法、油耗線法1、示功圖法、示功圖法:運用各種示功器錄取氣缸的示功圖，從中算出運用各種示功器錄取氣缸的示功圖，從中算出Pi值，值， 從測功器和轉速計讀數中測出發動機的有效功率從測功器和轉速計讀數中測出發動機的有效功率Pe，從而可以算出從而可以算出Pm，m及及pmm值。值。示功圖法一般用于當上止點位置能得到精確校正時示功圖法一般用于當上止點位置能得到精確校正時才能取得較滿意的結果。才能取得較滿意的結果。決定于示功圖測錄的正確程度：決定于示功圖測錄的正確程度： a.最大的誤差來源于最大的誤差來源于p圖或圖或pV圖上圖上； b.2、倒拖法只能在電力測功機上試驗 試驗時，發動機與試驗

23、時，發動機與電力測功器電力測功器相連，當相連，當發動機以給定工況穩定運行，冷卻水、機油發動機以給定工況穩定運行，冷卻水、機油溫度到達正常數值時，切斷對發動機的油，溫度到達正常數值時，切斷對發動機的油，同時將電力測功器轉換為電動機，以給定轉同時將電力測功器轉換為電動機，以給定轉速倒拖發動機，并且維持冷卻水和機油溫度速倒拖發動機，并且維持冷卻水和機油溫度不變，這樣測得的倒拖功率即為發動機在該不變，這樣測得的倒拖功率即為發動機在該工況下的機械損失功率。工況下的機械損失功率。3. 滅缸法滅缸法（熄火法、斷缸法（熄火法、斷缸法）僅適用于多缸機多缸機 當發動機調整到以給定工況穩定運轉后，先測出整個發動機的

24、有效功率。之后，在柴油機油門拉桿或齒條位置、或汽油機節氣門開度固定不動的情況下，停止向某一汽缸供油或點火。調整測功機，使發動機恢復到原來的轉速，重新測定有效功率（其余五個汽缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），兩者之差即為滅掉缸的指示功率。逐次滅缸，則整臺發動機的指示功率為，各缸相加。 如果滅缸后其他各缸的工作情況和發動機如果滅缸后其他各缸的工作情況和發動機機械損失沒有變化，則被熄滅的氣缸原來機械損失沒有變化，則被熄滅的氣缸原來所發出的指示功率所發出的指示功率(Pi)x：( )()ixeexPPP依次將各缸滅火，最后可以從各缸指示功依次將各缸滅火，最后可以從各缸指示功率的總和中求得整臺發功機的

25、指示功率率的總和中求得整臺發功機的指示功率Pi：1()iieexxPPP4. 油耗線法油耗線法333003.6 103.6 10 ()3.6 10PBBuitiemituitmemmemmmmmBHPPPB HPPppPp該方法理論基礎 當柴油機空轉（無負荷），若不隨負荷增減而變化時，兩式相除，得： 柴油機在轉速不變的情柴油機在轉速不變的情況下進行負荷特性試驗，求況下進行負荷特性試驗，求出發動機在給定轉速下，每出發動機在給定轉速下，每小時燃油消耗量與平均有效小時燃油消耗量與平均有效壓力的關系曲線。壓力的關系曲線。 把燃油消耗量曲線延長并求出其與橫坐標軸的把燃油消耗量曲線延長并求出其與橫坐標軸的

26、交點，就可以求得交點，就可以求得pmm值。值。 當測得其當測得其pmm值后，其機械效率可近似地用下值后，其機械效率可近似地用下式估算式中，式估算式中，011memmmmemmmemmppBppppB B可取某一常用工況的數值。可取某一常用工況的數值。圖圖117 用油耗線法求用油耗線法求 值示意圖值示意圖 mmp一般內燃機的機械效率大致在以下范圍：一般內燃機的機械效率大致在以下范圍： m非增壓柴油機非增壓柴油機 0.780.85增壓柴油機增壓柴油機 0.800.92汽油機汽油機 0.800.90第六節第六節 熱平衡熱平衡 熱平衡表示熱量的分配情況。熱平衡表示熱量的分配情況。 按照熱能表現為有效功

27、和各種損失的數量分配按照熱能表現為有效功和各種損失的數量分配來研究燃料中總熱量的利用情況。來研究燃料中總熱量的利用情況。 燃料的總熱量大體按以下六部分，由試驗確定：燃料的總熱量大體按以下六部分，由試驗確定：一、發動機所耗燃油的熱量一、發動機所耗燃油的熱量 kJ/h kJ/h ：TQBHQT二、轉換為有用功的熱量二、轉換為有用功的熱量EQeEPQ3106 . 3三、傳遞給冷卻介質的熱量sQ)(12ttcGQssS四、廢氣帶走的熱量四、廢氣帶走的熱量RQ)(12tctcGBQpkprKR五、燃料不完全燃燒熱損失五、燃料不完全燃燒熱損失 ：BQ)1 (rTBQQ六、其它熱量損失六、其它熱量損失LQ)

28、(BRSETLQQQQQQ圖圖118 118 發動機的熱平衡圖發動機的熱平衡圖aa從殘余廢氣和排氣中回收的熱量從殘余廢氣和排氣中回收的熱量 bb由氣缸壁傳給進氣的熱量由氣缸壁傳給進氣的熱量 cc排出廢氣傳給冷卻水的熱量排出廢氣傳給冷卻水的熱量 dd在摩擦中傳給冷卻水的部分熱量在摩擦中傳給冷卻水的部分熱量 ee從排氣系統輻射的熱量從排氣系統輻射的熱量 ff從冷卻水和水套壁輻射的熱量從冷卻水和水套壁輻射的熱量 gg從曲軸箱壁和其它不冷卻部分輻射的熱量從曲軸箱壁和其它不冷卻部分輻射的熱量在燃料的總熱量中，僅有在燃料的總熱量中，僅有2540的熱量轉變為有效功，的熱量轉變為有效功，其余其余6075都損失掉了。其中，主要由廢氣帶走，其次傳都損失掉了。其