發(fā)動機(jī)原理B-第一章發(fā)動機(jī)性能-2012

發(fā)動機(jī)原理武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院劉志恩2012年6月2023/2/5發(fā)動機(jī)原理2目錄緒論第一章發(fā)動機(jī)的性能第二章發(fā)動機(jī)的換氣過程第三章燃料與燃燒第四章汽油機(jī)混合氣的形成和燃燒第五章柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒第六章發(fā)動機(jī)的特性第九章排氣污染與控制2023/2/5發(fā)動機(jī)原理3第一章發(fā)動機(jī)的性能發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)用來表征發(fā)動機(jī)的性能特點(diǎn)，并作為評價各類發(fā)動機(jī)性能優(yōu)劣的依據(jù)。發(fā)動機(jī)的主要性能指標(biāo)有：動力性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)、可靠性指標(biāo)和耐久性指標(biāo)等。本書以發(fā)動機(jī)性能為研究對象，深入到發(fā)動機(jī)工作過程的各個階段，分析影響這些性能的各種因素，從中找出提高性能的一般規(guī)律。發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)與示功圖1.動力性能指標(biāo)功率(Power)，轉(zhuǎn)矩(Torque)，轉(zhuǎn)速(Revolution/Speed)平均有效壓力(BMEP)2.經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)燃油消耗率(Fuelconsumption)機(jī)油消耗率(Lubricantconsumption)3.環(huán)境性能指標(biāo)碳?xì)?HC),一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx),顆粒物(PM),二氧化碳(CO2)噪聲振動(NVH)4.使用性能指標(biāo)可靠性或耐久性(Robust,Reliability)維修方便(I/Mconvenience)，冷起動(Coldstart)。與發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)密切相關(guān)示功圖（四沖程）p-V圖IVCEVOEVCIVOTDC上止點(diǎn)BDC下止點(diǎn)ppzp0VsVcVpAds示功圖(IndicatorDiagram)

：發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力p隨氣缸容積V（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化曲線示功圖P-V圖?；钊现裹c(diǎn)TDC-TopDeadCenter;活塞下止點(diǎn)BDC-BottomDeadCenter；進(jìn)氣門開啟IVO-IntakeValveOpen;進(jìn)氣門關(guān)閉IVC-IntakeValveClose；排氣門開啟EVO-ExhaustValveOpen;排氣門關(guān)閉EVC-ExhaustValveClose；示功圖P-V圖上曲線所包圍的面積（積分）表示工質(zhì)完成一個熱力循環(huán)所做的功,它反應(yīng)了發(fā)動機(jī)做功的能力。發(fā)動機(jī)實(shí)際工作循環(huán)是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個過程所組成。實(shí)際工作循環(huán)非常復(fù)雜！工質(zhì)對活塞所作功及示功圖2023/2/5發(fā)動機(jī)原理6本章主要內(nèi)容發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)實(shí)際循環(huán)的評定－指示指標(biāo)發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性評定－有效指標(biāo)發(fā)動機(jī)的環(huán)境指標(biāo)發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失發(fā)動機(jī)的熱平衡2023/2/5發(fā)動機(jī)原理7第一節(jié)發(fā)動機(jī)理論循環(huán)定義：發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)是將非常復(fù)雜的實(shí)際工作的熱力循環(huán)過程加以抽象簡化，忽略一些因素，所得出的簡化循環(huán)。意義：通過對理論循環(huán)的研究，可以清楚地確定影響性能的某些重要因素，從而找到提高發(fā)動機(jī)性能的基本途徑。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理8

一、三種基本循環(huán)最簡單的理論循環(huán)——空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，其簡化條件為：

l）假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同2）假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)Q1Q2絕熱壓縮等容/等壓加熱絕熱膨脹等容放熱3）假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等熵過程4）假設(shè)燃燒是外界無數(shù)數(shù)個高溫?zé)嵩炊ㄈ莼蚨▔合蚬べ|(zhì)加熱。工質(zhì)放熱為定容放熱2023/2/5發(fā)動機(jī)原理9

根據(jù)加熱方式不同，發(fā)動機(jī)有三種基本空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，用P－V圖表示：定容加熱循環(huán)（汽油機(jī)，混合氣燃燒迅速）定壓加熱循環(huán)（高增壓和低速大型柴油機(jī)，受燃燒最高壓力的限制）混合加熱循環(huán)（高速柴油機(jī)）2023/2/5發(fā)動機(jī)原理10=常數(shù)多變過程基本熱力過程：2023/2/5發(fā)動機(jī)原理11

評定理論循環(huán)的指標(biāo)：循環(huán)熱效率ηt定義：工質(zhì)所做循環(huán)功W（J）與循環(huán)加熱量Q1（J）之比意義：評定循環(huán)經(jīng)濟(jì)性循環(huán)平均壓力pt

定義：單位氣缸容積所做的循環(huán)功，用來評定循環(huán)的做功能力意義：評定循環(huán)動力性（做功能力）2023/2/5發(fā)動機(jī)原理12

二、循環(huán)熱效率ηt

（ThermalEfficiency）按工程熱力學(xué)公式，混合加熱循環(huán)熱效率為ε－壓縮比，ε=Va／Vc=(Vs+Vc)／Vc=1+Vs/Vc，其中，Va為氣缸總?cè)莘e，Vc為氣缸壓縮容積，Vs為氣缸工作容積；（汽油機(jī)7-10，柴油機(jī)14-22，增壓柴油機(jī)12-15）λ－壓力升高比，λ=pz/pc；ρ－初始膨脹比，ρ=Vz/Vz’；

k－絕熱指數(shù)，k=1.42023/2/5發(fā)動機(jī)原理13

定容加熱循環(huán)（ρ=1）熱效率為

定壓加熱循環(huán)（λ=1）熱效率為

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理14

影響循環(huán)熱效率ηt的因素l.壓縮比ε：提高ε，循環(huán)的ηt都提高。2.絕熱指數(shù)K：隨K值增大，ηt將提高。3.壓力升高比λ：定壓加熱循環(huán)λ=1；定容加熱循環(huán)λ不影響ηt；混合加熱循環(huán)隨

λ增大ηt將提高。

4.初始膨脹比ρ：定容加熱循環(huán)ρ=1；定壓加熱循環(huán)和混合加熱循環(huán)隨ρ增大ηt將下降。

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理15

三、循環(huán)平均壓力pt

pt（kPa）是單位氣缸容積所做的循環(huán)功，

用來評定循環(huán)的做功能力

按工程熱力學(xué)公式，混合加熱循環(huán)的平均壓力pa為進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力（kPa）（及a點(diǎn)壓力）2023/2/5發(fā)動機(jī)原理16

定容加熱循環(huán)（ρ=1）的平均壓力為定壓加熱循環(huán)（λ=1）的平均壓力為

可見，pt是隨壓縮始點(diǎn)壓力pa、壓縮比ε、壓力升高比λ、預(yù)膨脹比ρ、絕熱指數(shù)K和熱效率ηt的增加而增加。理論循環(huán)分析的指導(dǎo)意義（1）指出了改善發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性的基本原則和方向在允許的條件下，盡可能提高壓縮比ε；合理組織燃燒，提高循環(huán)加熱等容度（減少預(yù)膨脹比ρ和合理選擇燃燒始點(diǎn)）；保證工質(zhì)具有較高的絕熱指數(shù)k；（2）提供了發(fā)動機(jī)之間進(jìn)行動力性、經(jīng)濟(jì)性對比的理論依據(jù)同一機(jī)型不同加熱模式的對比，當(dāng)ε、k及Q1不變： 等容循環(huán)ηt>混合循環(huán)ηt>等壓循環(huán)ηt當(dāng)加熱量Q1和pmax不變時： 等壓循環(huán)ηt>混合循環(huán)ηt>等容循環(huán)ηt2023/2/5發(fā)動機(jī)原理18第二節(jié)

四沖程發(fā)動機(jī)的實(shí)際循環(huán)

發(fā)動機(jī)實(shí)際循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個過程所組成。實(shí)際循環(huán)通常用氣缸內(nèi)的工質(zhì)壓力p隨氣缸工作容積V（或曲軸轉(zhuǎn)角φ）而變化的圖形表示，即示功圖p－V圖，p－φ圖稱為展開示功圖?？梢酝ㄟ^發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)的方式來獲得示功圖p－V圖，p－φ圖。示功圖測取裝置電荷放大器 角標(biāo)器壓電傳感器p-?

圖示功圖（四沖程）p-V圖ITDC 0BDC 180

TDC360BDC540 E

ppzp0EEVO IVCIVO EVCp

pzp0VsVcVpAdsTDC-TopDeadCenterBDC-BottomDeadCenterIVO-IntakeValveOpenIVC-IntakeValveCloseEVO-ExhaustValveOpenEVC-ExhaustValveCloseTDC(上止點(diǎn))BDC(下止點(diǎn))

示功圖

IndicatorDiagram壓力圖/展開示功圖

TDC

?720°CA I

要求會識圖 和畫圖！w/ocombustion2023/2/5發(fā)動機(jī)原理21發(fā)動機(jī)的實(shí)際循環(huán)2023/2/5發(fā)動機(jī)原理22

過程示功圖

過程描述作用終點(diǎn)壓力P(MPa)（P0=0.1015MPa）終點(diǎn)溫度T(K)進(jìn)氣

r-a線

活塞下行，進(jìn)開排關(guān)吸入新鮮混合氣汽：0.075~0.08柴：0.08~0.09汽：340~380柴：300~340壓縮

a-c線

活塞上行，進(jìn)關(guān)排關(guān)增大工作過程溫差，提高熱功轉(zhuǎn)換效率，為燃燒創(chuàng)造條件

汽：0.8~2.0柴：3.0~5.0汽：600~750柴：750~1000燃燒

c-z線

上死點(diǎn)附近，進(jìn)關(guān)排關(guān)化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，工質(zhì)的壓力、溫度升高

汽：3.0~6.5柴：4.5~9.0汽：2200~2800柴：1800~2200膨脹

z-b線

活塞下行，進(jìn)關(guān)排關(guān)活塞主動對外做功，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，工質(zhì)的壓力、溫度下降

汽：0.3~0.6柴：0.2~0.5汽：1200~1500柴：1000~1200排氣b-r線

活塞上行，進(jìn)關(guān)排開排出廢氣汽：0.105~0.115柴：0.105~0.115汽：900~1200柴：700~9002023/2/5發(fā)動機(jī)原理23

柴油機(jī)因壓縮比高，燃燒的最高爆發(fā)壓力pZ很高，但因相對于燃油的空氣量大，所以最高燃燒溫度TZ值反而比汽油機(jī)低。所以各個過程的溫度均比汽油機(jī)低，唯獨(dú)壓縮過程終點(diǎn)時高于汽油機(jī)；壓縮比高，所以柴油機(jī)氣體膨脹比也大，轉(zhuǎn)化為有用功的熱量多，熱效率高，所以膨脹終了的溫度和壓力均比汽油機(jī)小。而其他過程的壓力均高于汽油機(jī)。

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理24第三節(jié)實(shí)際循環(huán)的評定—指示指標(biāo)指示指標(biāo)用來評定實(shí)際循環(huán)質(zhì)量的好壞，以工質(zhì)在氣缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)。循環(huán)的動力性（做功能力）平均指示壓力pmi（IndicatedMeanEffectivePressure）指示功率Pi（IndicatedPower）循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指示熱效率ηi

IndicatedEfficiency指示燃油消耗率biISFC2023/2/5發(fā)動機(jī)原理25

一、平均指示壓力pmi

（IndicatedMeanEffectivePressure）平均指示壓力pmi（MPa）是發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積Vs(L)一個循環(huán)所做的指示功Wi

(kJ)pmi是從實(shí)際循環(huán)的角度評價發(fā)動機(jī)氣缸工作容積利用率高低的一個參數(shù)。pmi（MPa）汽油機(jī)0.8-1.5柴油機(jī)0.7-1.1WpdV=ò功正負(fù)確定原則：◎壓力方向與活塞運(yùn)動方向一致，工質(zhì)對活塞作正功。◎壓力方向與活塞運(yùn)動方向相反，工質(zhì)對活塞作負(fù)功。IVCEVOEVCIVOTDC上止點(diǎn)BDC下止點(diǎn)ppzp0VsVcV示功圖(IndicatorDiagram)四沖程pAds工質(zhì)對活塞所作功循環(huán)功：動力過程功：壓縮與燃燒膨脹過程所作功之代數(shù)和。泵氣過程功：進(jìn)氣與排氣過程所作功之代數(shù)和。循環(huán)指示功＝動力過程功＋泵氣過程功(考慮泵氣損失)CompressionW<0PowerW>0IntakeW>0ExhaustW<02023/2/5發(fā)動機(jī)原理27

以一個假想的、大小不變的壓力作用在活塞上，使活塞移動一個行程，其所做的功等于循環(huán)功，則此假想的壓力即為平均指示壓力

pmi。平均指示壓力反映發(fā)動機(jī)作功能力的大小和強(qiáng)化程度。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理28

二、指示功率Pi

（IndicatedPower）發(fā)動機(jī)單位時間（1秒鐘）所做的指示功。應(yīng)用中，一般采用的單位平均指示壓力Pmi(MPa),工作容積VS(L),發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min),指示功率Pi(kW)2023/2/5發(fā)動機(jī)原理29

三、指示熱效率ηi和指示燃料消耗率bi

指示熱效率ηi是實(shí)際循環(huán)指示功(kJ)與所消耗的燃料熱量(kJ)之比值。指示燃料消耗率bi

（簡稱指示比油耗）是指單位指示功(kW)的耗油量(kg/h)，通常以每千瓦小時的耗油量表示。

[g／（kW·h）]

ηi

bi[g/(kW·h)]汽油機(jī)

0.3-0.4205-320柴油機(jī)

0.4-0.5170-205ηi、bi的大致范圍2023/2/5發(fā)動機(jī)原理30第四節(jié)

發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動力性的評定

—有效指標(biāo)發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動力性指標(biāo)是以曲軸對外輸出的功率為基礎(chǔ)，代表了發(fā)動機(jī)整機(jī)的性能，通常稱它們?yōu)橛行е笜?biāo)。有效指標(biāo)常用來直接評定發(fā)動機(jī)實(shí)際工作性能的優(yōu)劣，在生產(chǎn)實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理31兩類指標(biāo)的比較指示指標(biāo)（i－indicate）

以工質(zhì)在氣缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)，評定實(shí)際循環(huán)質(zhì)量的好壞。有效指標(biāo)（e－effective）

以曲軸對外輸出的功率為基礎(chǔ)，代表整機(jī)的性能。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理32

一、發(fā)動機(jī)動力性能1.有效功率Pe(kW)（EffectivePower）Pe=Pi-Pm

機(jī)械損失功率Pm

1)發(fā)動機(jī)內(nèi)部運(yùn)動零件的摩擦損失。比例最大

2)驅(qū)動附屬機(jī)構(gòu)的損失

3)泵氣損失，指進(jìn)排氣過程所消耗的功

發(fā)動機(jī)有效功率Pe由試驗(yàn)測得2.有效轉(zhuǎn)矩Ttq(N.m)發(fā)動機(jī)工作時，由功率輸出軸輸出的轉(zhuǎn)矩稱為有效轉(zhuǎn)矩Ttq

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理33

3.平均有效壓力pme平均有效壓力pme（MPa）是發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積輸出的有效功。

pme值大，說明單位氣缸工作容積對外輸出的功多，做功能力強(qiáng)。它是評定發(fā)動機(jī)動力性的重要指標(biāo)

pmi（MPa）pme

（MPa）汽油機(jī)0.8-1.50.7-1.3柴油機(jī)0.7-1.10.6-1.0不同發(fā)動機(jī)平均有效壓力pme范圍摩托車發(fā)動機(jī)（四沖程）賽車發(fā)動機(jī)（自然吸氣）

賽車發(fā)動機(jī)（渦輪增壓）轎車汽油機(jī)（自然吸氣）轎車汽油機(jī)（渦輪增壓）轎車柴油機(jī)（渦輪增壓）卡車柴油機(jī)（渦輪增壓）大型柴油機(jī)中型高速柴油機(jī)十字頭二沖程柴油機(jī)pme

[

bar]1216.656914.114201221.21123.51529.415251518.22023/2/5發(fā)動機(jī)原理35

4.轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度Cm

提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，即增加單位時間的做功次數(shù)，從而使發(fā)動機(jī)體積小、重量輕和功率大Cm大，則活塞組的熱負(fù)荷和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力均增大，磨損增大，壽命下降，Cm已成為表征發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度的參數(shù)。一般汽油機(jī)不超過18m/s，柴油機(jī)不超過13m/s為了提高轉(zhuǎn)速又不使Cm過大，由上式知，可以減小行程S（m），即對于高速發(fā)動機(jī)，在結(jié)構(gòu)上采用較小的行程缸徑比（S/D）值。當(dāng)S/D<1時，常稱為短行程

最大平均活塞速度vm2221.7279.519.812.314.78.113.17.8[m/s]7.0125.39.55.7摩托車發(fā)動機(jī)（四沖程）賽車發(fā)動機(jī)（自然吸氣）

賽車發(fā)動機(jī)（渦輪增壓）轎車汽油機(jī)（自然吸氣）轎車柴油機(jī)卡車柴油機(jī)（渦輪增壓）大型柴油機(jī)中速柴油機(jī)十字頭二沖程柴油機(jī)動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)end2023/2/5發(fā)動機(jī)原理37

二、發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能

1.有效熱效率ηet

ηe是發(fā)動機(jī)的有效功We（J）與所消耗燃料熱量Q1(J)之比值

2.有效燃料消耗率be

（BSFC）be[g/（kW·h）]是單位有效功的耗油量（簡稱耗油率），通常以每千瓦小時的耗油量表示

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理38ηt、ηi

、

ηe

、bi、be的大致范圍ηtηi

ηebi[g/(kW·h

)]be[g/(kW·h)]汽油機(jī)

0.54-0.580.3-0.40.25-0.3205-320270-325柴油機(jī)

0.64-0.670.4-0.50.3-0.45170-205190-2852023/2/5發(fā)動機(jī)原理39

三、發(fā)動機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)

1.升功率PL和比質(zhì)量me

升功率PL（kW／L）是發(fā)動機(jī)每升工作容積所發(fā)出的有效功率。它用來衡量發(fā)動機(jī)容積利用的程度。比質(zhì)量me（kg／kW）是發(fā)動機(jī)的干質(zhì)量m與所給出的有效功率之比Pe。它表征質(zhì)量利用程度和結(jié)構(gòu)緊湊性。2.強(qiáng)化系數(shù)pmeCm

其值愈大，發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷愈高。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理40升功率PL、比質(zhì)量me和強(qiáng)化系數(shù)pmeCm的大致范圍

PL（kW／L）

me（kg／kW）

pmeCm

（MPa·m／s）汽油機(jī)

30-701.1-4.08-17汽車柴油機(jī)

18-302.5-9.06-112023/2/5發(fā)動機(jī)原理41計(jì)算：某汽油機(jī)在3000r/min時測得其轉(zhuǎn)矩為55N.m，在該工況下燃燒50mL的汽油需要的時間是25.7s，試計(jì)算有效功率Pe（kW）、每小時耗油量B（kg/h）和比油耗be（g/kW.h）。汽油的密度為0.73g/mL。

解：Pe=n×Ttq/9550=3000×55/9550=17.28(kW)

B=ρV/t=0.73×50×10-3×3600

/25.7=5.11(kg/h)be=B×1000/Pe=5.11×1000/17.28=295.72(g/kW.h)例子2023/2/5發(fā)動機(jī)原理42環(huán)境指標(biāo)主要指發(fā)動機(jī)排氣指標(biāo)和噪聲水平。一、排放性能指標(biāo)對汽油機(jī)來說主要是廢氣中的一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?HC)含量；對柴油機(jī)來說主要是廢氣中的氮氧化物(NOx)和顆粒(PM)含量。氣體污染物的濃度常量單位（容積％）：CO2,汽油機(jī)CO排放濃度微量單位（容積PPM）：HC，NOx，柴油機(jī)CO污染物質(zhì)量排放量（g/km,g/h,g試驗(yàn)等）比排放（g/(Kw.h)）排放指數(shù)（g/kg）：廢氣中所含的有害排放物的量顆粒排放物（mg/m3,ug/m3）第五節(jié)

發(fā)動機(jī)的環(huán)境指標(biāo)

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理43

二、噪聲性能指標(biāo)噪聲是指對人的健康造成不良影響及對學(xué)習(xí)、工作和休息等正?；顒影l(fā)生干擾的聲音。由于汽車是城市中的主要噪聲源之一，而發(fā)動機(jī)又是汽車的主要噪聲源，因此控制發(fā)動機(jī)的噪聲就顯得十分重要。我國的汽車車內(nèi)噪聲標(biāo)準(zhǔn)(GB/T18697—2002)中規(guī)定，轎車的車內(nèi)噪聲不得大于79dB(A)。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理44噪聲指標(biāo)聲壓級，聲強(qiáng)級，聲功率級（dB）常用于發(fā)動機(jī)整機(jī)和零部件的噪聲計(jì)量和生源識別。A計(jì)權(quán)聲級（dB（A））模擬人耳對聲音的感覺，常用于汽車整車的噪聲測量。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理45第六節(jié)

機(jī)械損失

發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失消耗了一部分指示功率，使得對外輸出的有效功率減少，這部分功率稱為機(jī)械損失功率Pm（Mechanicallosspower）。機(jī)械損失所消耗的功率占指示功率的10%-30%。降低機(jī)械損失，特別是摩擦損失，使實(shí)際循環(huán)得到的功盡可能轉(zhuǎn)變成對外輸出的有效功，是提高發(fā)動機(jī)性能重要的一個方面。

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理46機(jī)械損失分配情況

機(jī)械損失名稱占Pm的百分比（%）

占Pi的百分比（%）

摩擦損失其中活塞及活塞環(huán)連桿、曲軸軸承配氣機(jī)構(gòu)62-7545-6015-202-3

8-20

驅(qū)動各種附件損失其中水泵風(fēng)扇機(jī)油泵

電器設(shè)備

10-202-36-81-21-2

1-5帶動機(jī)械增壓器損失

6-10

泵氣損失

10-20

2-4

總功率損失

10010-302023/2/5發(fā)動機(jī)原理47

一、機(jī)械效率ηm

平均機(jī)械損失壓力Pmm:發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積一個循環(huán)所損失的功率，衡量機(jī)械損失的大小。機(jī)械效率ηm是有效功率和指示功率的比

機(jī)械效率ηm的大致范圍是：汽油機(jī)0.7-0.9柴油機(jī)0.7-0.85

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理48

二、機(jī)械損失的測定1.示功圖法特點(diǎn)：適用于各種汽油機(jī)、柴油機(jī)、增壓發(fā)動機(jī)等試驗(yàn)方法：理論上是完全符合機(jī)械損失的定義的運(yùn)用燃燒分析儀器測錄汽缸的示功圖，得到Pi值;從測功機(jī)和轉(zhuǎn)速計(jì)測出Pe，可以算出機(jī)械損失Pm。Pm=Pi-Pe實(shí)際結(jié)果的正確程度取決于示功圖測量的正確程度。即：活塞上止點(diǎn)的位置的準(zhǔn)確確定；各缸工作的均勻性。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理492023/2/5發(fā)動機(jī)原理502.倒拖法特點(diǎn)：需使用帶倒拖能力的電力測功器，主要用于汽油機(jī)試驗(yàn)過程：發(fā)動機(jī)與電力測功機(jī)相連，并穩(wěn)定運(yùn)行；切斷對發(fā)動機(jī)的供油，由測功機(jī)繼續(xù)帶動發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并維持轉(zhuǎn)速、水溫、油溫不變；測功機(jī)所消耗的功率即為發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失功率。試驗(yàn)測得的功率要超過發(fā)動機(jī)在給定工況下工作時所消耗的機(jī)械損失功率。對低壓縮比發(fā)動機(jī)比較精確。我國汽車發(fā)動機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，應(yīng)優(yōu)先采用此法測量汽油機(jī)機(jī)械損失功率2023/2/5發(fā)動機(jī)原理51

3.滅缸法特點(diǎn)：僅適用于多缸非增壓柴油機(jī)試驗(yàn)過程：發(fā)動機(jī)在給定工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，測量有效功率Pe維持噴油泵齒條位置不變，停止向一缸供油；減少制動力拒，使發(fā)動機(jī)恢復(fù)到原有轉(zhuǎn)速，測量此時的有效功率Pe1則停止供油一缸的指示功率為Pi1=Pe-Pe1則整臺發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失功率為：Pm=(i-1)Pe-(Pe1+Pe2+…)精度保證：要求停止一缸的燃燒不致于引起進(jìn)、排氣系統(tǒng)的異常變化。因此，不能用于廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)及單缸機(jī)、汽油機(jī)。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理524.油耗線法（負(fù)荷特性法）

特點(diǎn)：適用于非增壓或低增壓柴油機(jī)，不適用于汽油機(jī)原理：假設(shè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變時，Pmm和ηit都不隨負(fù)荷的增減而變化。試驗(yàn)方法：保證發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變，測量每小時耗油量B隨負(fù)荷Pme變化的關(guān)系，如圖。在曲線中找出接近直線的線段，并順此線段作延長線，直至與橫坐標(biāo)相交，則交點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的長度即為該機(jī)的平均機(jī)械損失壓力pmm的數(shù)值1）汽油機(jī)多用倒拖法，不適合用滅缸法（滅缸不安全）和油耗線法（不成直線）2）自然吸氣柴油機(jī)適合滅缸法、油耗線法，小型柴油機(jī)可以用倒拖法3）廢氣渦輪增壓柴油機(jī)無法使用倒拖法和滅缸法，低增壓可以用油耗線法。機(jī)械損失的測定方法總結(jié)2023/2/5發(fā)動機(jī)原理54

三、影響機(jī)械損失的因素1.氣缸直徑及行程

根據(jù)試驗(yàn)，機(jī)械損失功率與缸徑、行程的大致關(guān)系為發(fā)動機(jī)工作容積增加，即加大缸徑或行程時，機(jī)械損失功率Pm增加，但機(jī)械效率ηm提高。當(dāng)氣缸工作容積一定，而行程/缸徑比（S／D）減小時，機(jī)械損失功率Pm減少，機(jī)械效率ηm提高。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理55

2.摩擦損失

（1）活塞組件

產(chǎn)生摩擦的部件：活塞環(huán)、活塞裙部和活塞銷主要影響因素：活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)與組合、活塞裙部的幾何形狀，缸套的溫度及配合間隙等采取的措施：減少活塞環(huán)數(shù)目，減薄活塞環(huán)厚度，減少活塞裙部的接觸面積，在裙部涂固體潤滑膜等（2）曲軸組件

產(chǎn)生摩擦的部件：軸頸與軸承、密封裝置主要影響因素：潤滑動阻力與軸頸的直徑和寬度的立方成正比采取的措施：減少運(yùn)動件的慣性質(zhì)量，降低軸承負(fù)荷并使軸承寬度和軸徑減小2023/2/5發(fā)動機(jī)原理56

（3）配氣機(jī)構(gòu)

產(chǎn)生摩擦的部件：氣門與氣門導(dǎo)管、搖臂與凸輪主要影響因素：低轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷主要由彈簧力引起；高轉(zhuǎn)速時，負(fù)荷主要由慣性力引起采取的措施：減少運(yùn)動件的慣性質(zhì)量，良好的凸輪型線3.轉(zhuǎn)速n（或活塞平均速度Cm）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升（Cm隨之加大），致使：

各摩擦副間相對速度增加，摩擦損失增加

泵氣損失加大

驅(qū)動附件消耗的功多

因此，n上升，機(jī)械損失功率增加，機(jī)械效率ηm下降

提高轉(zhuǎn)速強(qiáng)化發(fā)動機(jī)的動力性能與ηm的降低相互矛盾2023/2/5發(fā)動機(jī)原理572023/2/5發(fā)動機(jī)原理582023/2/5發(fā)動機(jī)原理59

4.負(fù)荷：隨著負(fù)荷的減少，Pmi減少，Pmm幾乎不變，ηm下降。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理60

5.潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度

（1）潤滑油：其粘度對摩擦損失的大小有重要的影響。

潤滑油粘度：即稠稀程度，表示了流體分子之間內(nèi)摩擦力的大小。粘度大，內(nèi)摩擦力大，流動性差，使摩擦損失增加，但承載能力強(qiáng)，易于保持液體潤滑狀態(tài)潤滑油粘度主要受油的品種和溫度的影響選用原則；在保證發(fā)動機(jī)正常工作時有可靠潤滑條件的前提下，盡量選用粘度較小的潤滑油，以減少摩擦損失，改善起動性能

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理61

（2）冷卻水溫度：直接影響燃燒過程和傳熱損失在發(fā)動機(jī)使用過程中，應(yīng)嚴(yán)格保持一定的油溫和水溫，即限制在一定熱力狀態(tài)下工作。提高水溫，對性能有益，但受水的沸點(diǎn)限制，一般水冷發(fā)動機(jī)，水溫多在80～95℃范圍

一般使用50%摻比的乙二醇冷卻液，沸點(diǎn)108℃，冰點(diǎn)-36℃。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理62第七節(jié)

熱平衡

一、

實(shí)際循環(huán)熱平衡

1、實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)（空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)）的差異

理論循環(huán)（四個假設(shè)）實(shí)際循環(huán)差異假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同（比熱容是定值）實(shí)際氣體比熱容隨溫度上升而增大，因此循環(huán)的最高溫度降低，且存在泄漏使工質(zhì)數(shù)量減少

Wk

假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)

為使循環(huán)重復(fù)進(jìn)行，必須更換工質(zhì)，換氣損失（泵氣損失+提前排氣損失W）Wr假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等熵過程

氣缸壁和工質(zhì)間始終存在著熱交換，使壓縮、膨脹線均脫離理論循環(huán)的絕熱壓縮、膨脹線Wb

假設(shè)燃燒是外界無數(shù)數(shù)個高溫?zé)嵩炊ㄈ莼蚨▔合蚬べ|(zhì)加熱。工質(zhì)放熱為定容放熱

（1）燃燒需要一定的時間，所以噴油或點(diǎn)火在上止點(diǎn)前，并且燃燒還會延續(xù)到膨脹行程，由此形成非瞬時燃燒損失和補(bǔ)燃損失（2）部分燃料由于缺氧產(chǎn)生不完全燃燒損失（3）在高溫下部分燃燒產(chǎn)物分解而吸熱使循環(huán)的最高溫度下降Wz2023/2/5發(fā)動機(jī)原理632023/2/5發(fā)動機(jī)原理64ηt、ηi

、

ηe

、bi、be的大致范圍ηtηi

ηebi[g/(kW·h

)]be[g/(kW·h)]汽油機(jī)

0.54-0.580.3-0.40.25-0.3205-320270-325柴油機(jī)

0.64-0.670.4-0.50.3-0.45170-205190-2852023/2/5發(fā)動機(jī)原理65

2、汽油機(jī)與柴油機(jī)熱量分配的差異名稱汽油機(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)比熱容變化燃燒不完全及熱分解傳熱損失提前排氣

0.10-0.120.08-0.100.03-0.050.01

0.09-0.100.06-0.090.04-0.010.01

2023/2/5發(fā)動機(jī)原理66

說明：1）汽油機(jī)ηt低于柴油機(jī)ηt的主要原因是壓縮比ε小所造成，所以提高壓縮比一直是提高汽油機(jī)熱效率的主要方向，但受到不正常燃燒的限制；2）實(shí)際工質(zhì)比熱容變化引起的損失，占有較大比例。汽油機(jī)因相對的空氣量少，混合氣較濃，缸內(nèi)燃燒溫度較高，故此項(xiàng)損失較柴油機(jī)大；所以應(yīng)用稀混合氣是汽油機(jī)減少損失的途徑之一。

3）對于柴油機(jī)，不完全燃燒主要是混合氣形成及燃燒組織不完善引起，故燃油噴射、氣流運(yùn)動與燃燒室形狀間的良好配合是柴油機(jī)應(yīng)改善之處。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理67

二、

發(fā)動機(jī)熱平衡

指熱量表現(xiàn)為有效功及各項(xiàng)損失的分配情況。QT

=QE+QS+QR+QB+QL

說明：

主要由廢氣帶走（QR），其次傳給冷卻水（QS）；在某些汽油機(jī)中不完全燃燒損失的熱量（QB）所占比例較大；

回收QR一直是人們極為關(guān)注的問題，如廢氣渦輪增壓；QT發(fā)動機(jī)所耗燃油的熱量

QE轉(zhuǎn)化為有效功的熱量QS傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量QR廢氣帶走的熱量QB燃料不完全燃燒熱損失QL其它熱量損失汽油機(jī)

25-3012-2730-500-453-10柴油機(jī)

30-4015-3525-450-52-5增壓柴油機(jī)

35-4510-2525-400-52-52023/2/5發(fā)動機(jī)原理68QEQLQSQRQT2023/2/5發(fā)動機(jī)原理69習(xí)題二有一臺6135Q－1柴油機(jī)，D/S＝135/140，在2200r／min時，發(fā)動機(jī)發(fā)出的有效功率為154kW。be＝217g／(kW·h)。輕柴油的燃料低熱值Hu為42500kJ/kg。1)求發(fā)動機(jī)的平均有效壓力pme、有效扭矩Ttq、和有效熱效率ηet。

2)當(dāng)機(jī)械效率ηm＝0.75時，試求bi、ηit、Pi和Pm的值。2023/2/5發(fā)動機(jī)原理70解：柴油機(jī)為6缸，缸徑D＝135mm，活塞行程S＝140mm，則平均有效壓力（MPa）：有效扭矩（N·m）

：有效熱效率：指示熱效率：指示燃油消耗率（g/kW·h）

：指示功率（kW）：機(jī)械損失功率（kW）：2023/2/5發(fā)動機(jī)原理71第一章復(fù)習(xí)題1、三種理論循環(huán)（圖形、對應(yīng)近似機(jī)種）；2、循環(huán)熱效率（定義、影響因素）；3、四行程發(fā)動機(jī)的實(shí)際循環(huán)（示功圖、循環(huán)過程、ε和PZ的范圍）；4、指示指標(biāo)與有效指標(biāo)（兩類指標(biāo)的運(yùn)算、聯(lián)系）；5、機(jī)械效率的定義；6、機(jī)械損失的影響因素和測定方法；7、熱平衡中熱量分配情況；第一章總結(jié)1.動力性能指標(biāo)功率(Power)，轉(zhuǎn)矩(Torque)，轉(zhuǎn)速(Revolution/Speed)平均有效壓力(BMEP)2.經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)燃油消耗率(Fuelconsumption)機(jī)油消耗率(Lubricantconsumption)3.環(huán)境性能指標(biāo)碳?xì)?HC),一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx),顆粒物(PM),二氧化碳(CO2)噪聲振動(NVH)4.使用性能指標(biāo)可靠性或耐久性(Robust,Reliability)維修方便(I/Mconvenience)，冷起動(Coldstart)。發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)指示指標(biāo)與有效指標(biāo)1）以工質(zhì)對活塞作功為計(jì)算基準(zhǔn)的指標(biāo)稱為指示指標(biāo)

◎基于示功圖算出，直接反映燃燒和熱力循環(huán)組織的好壞