第03章 华科内燃机的工作指标和性能

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1、第三章 内燃机的工作指 标和性能分析 3-1 内燃机的工作指标 工作指标的定义 内燃机的工作指标是指内燃机处于正常运行状态下，描述 和表征内燃机性能和工作状态的一组参数。 工作指标的作用和意义 用这组参数或指标可以定性或定量地比较、分析内燃机的 工作性能，是评价内燃机性能高低的有效尺度。 一、标定性能的主要指标 标定工况的定义 标定工况是指内燃机在标准大气条件下，其动力性能和经 济性能达到设计指标时所处的运行状态。 标定性能指标的定义 标定性能指标是指在标定工况下表征内燃机工作性能的主 要指标，比如： a. 标定功率标定工况下，内燃机连续运行时允许发出的 最大功率。 b. 标定转速标定工况下，

2、发出标定功率时内燃机相应的 曲轴转速。 c. 标定油耗率标定工况下，在单位时间内，内燃机发出 单位标定功率所消耗的油量。 d. 比质量单位标定功率下内燃机所具有的质量。 e. 比容积单位标定功率下内燃机所具有的容积。 比质量和比容积是用以评价、比较内燃机轻重、紧凑、设 计合理性的重要指标。 f. 大修期指从新机开始使用至第一次进行大修或两次大 修之间内燃机累计运行的时间。是表征内燃机可靠性与寿 命的重要指标。 二、驱动扭矩和驱动功率 用测功器可测出某一工况下内燃机输出的扭矩或驱动扭矩 Me。 Me = Pb (Nm) 用转速仪可测出同一工况下内燃机的转速，则内燃机输出 的有效功率或驱动功率为：

3、 Ne = 2nMe/103 (kW) 图 31 测功器示意图 三、循环指示功率 根据内燃机的p-V曲线图，每缸每循环的指示功Wi可沿封 闭曲线进行积分获得，即 也就是图中封闭曲线围成的面积。 阴影面积AC，即为压缩、膨胀冲程传递给活塞的功。 阴影面积BC，即为进气、排气冲程传递给活塞的功。 阴影面积(AC)(BC)，即为四个冲程传递给活塞的功 。 B为泵气损失。对非增压机，B为负功，对增压机，B为正 功。 图3-2 p-V 曲线图示例 （a）二冲程发动机；（b）四冲程发动机； （c）部分负荷下四冲程汽油机进气和排气行程（泵气回路） 单缸功率与每循环指示功率的关系为： 式中，Z动作系数（也称为

4、活塞行程数），对于四冲程 机，Z=4；对于二冲程机，Z=2；对于二冲程双动机，Z=1 。 这个功率称为指示功率，即缸内工质作用于活塞的功率， 与驱动功率的不同之处在于，它包含了克服内燃机摩擦和 带动辅助机械所消耗的功率以及泵气功率。 四、道路功率 指车用内燃机为克服汽车轮胎滚动摩擦阻力和车辆气动阻 力所消耗的功率。道路功率的近似计算式为： 式中，fR滚动阻力系数，凭经验确定（0.012fR 0.015）；mA车辆质量；g重力加速度；a环境空 气密度；fD气动阻力系数，凭经验确定（对于汽车，0.3 fD0.5）；FA车辆最大横截面积；vA车辆速度。 五、平均指示压力 平均指示压力定义为单位气缸工

5、作容积所作的指示功。 平均指示压力表示的是内燃机作功能力的程度，而与内燃 机的尺寸和大小无关。 六、油耗率与效率 油耗率表示内燃机每单位时间每单位指示功率所消耗的燃 料量。 内燃机效率是指每循环内燃机所作的功与每循环供给的燃 料燃烧所释放能量之比。 七、空燃比和燃空比 空燃比 A/F = mL / mf 燃空比 F/A = mf / mL 其中：mL每循环进入气缸的空气质量， mf 每循环喷入气缸的燃料量。 对于汽油机，A/F 1218，F/A = 0.0560.083， 对于柴油机，A/F 1870，F/A = 0.0140.056。 八、容积效率（充气效率） 容积效率定义为每循环空气进入进

6、气系统的容积流量mL除 以被活塞置换容积的速率。 或者表示为 九、比排放量 比排放量定义为单位时间、单位输出功率内燃机排出污染 物的质量流量，单位为mg/(kWh)。 内燃机排气的有毒物质排放浓度，常用该物质所占容积的 百万分之几（ppm）或者百分之几（%）来量度。 十、增压压力pk与增压比k pk：在环境状态下，空气经压气机压缩后压气机的出口压 力或进入气缸前的压力。 k：在环境状态下，空气经压气机压缩后压气机出口压力 与环境压力之比。 十一、机械效率 机械效率是指内燃机输出的有效功率与指示功率之比。 3-2内燃机的指示参数 内燃机的指示参数是用以表征燃料燃烧释放出来的热能转 变为机械能完善

7、程度的一组参数，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。 由于指示参数主要是从实测示功图计算得到的，所以有时 将指示参数又称为示功参数。 内燃机的指示参数主要包括内燃机的平均指示压力pi、指 示功率Ni、指示效率i以及指示油耗率gi。 一、平均指示压力pi 图3-3 求平均指示压力pi的示意图 平均指示压力的定义 以一个假想的数值不变的气 体压力作用在活塞上，在一 个膨胀行程内所获得的功与 一个工作循环的指示功Wi相 等，这个假想的压力就称为 平均指示压力pi。 平均指示压力的表达式 可以看出，平均指示压力就是

8、内燃机在一个工作循环中每 单位气缸工作容积（即活塞排量），活塞所获得的指示功 ，即Wi / Vs。这样，平均指示压力pi就与气缸的容积大小 无关了，成为衡量内燃机气缸工作容积Vs利用率高低的一 个参数。 pi愈高，表示单位气缸工作容积所作的指示功愈多，气缸 工作容积的利用率也愈高。同时，平均指示压力pi也是衡 量内燃机实际作功能力大小的一个很重要的性能参数，也 基本上表征了内燃机的强化程度和工作循环各阶段进行的 完善程度。 在各种类型内燃机中，标定工况下的pi值一般为： 非增压汽油机 pi = 0.41.2 MPa 增压汽油机 pi = 0.91.5 MPa 非增压四冲程柴油机 pi = 0.

9、751.2 MPa 增压四冲程柴油机 pi = 1.23.0 MPa 非增压二冲程柴油机 pi = 0.50.9 MPa 增压二冲程柴油机 pi = 1.02.2 MPa 煤气机 pi = 0.61.4 MPa 内燃机平均指示压力pi的影响因素 1. 增压度pk 当一定时，pkpsspi，可见pi增pi非。对特定的 发动机，因受热负荷与机械负荷的限制，用提高pk来提高 pi也有一个限度。 2. 过量空气系数 当每循环供油量不变时，pkA/F a. 在2以前，随着的增大，混合气中的氧气成分增加，可 促进燃烧的改善，pi值也随着值的提高而有所提高。 b. 当2.62时，随着的提高，混合气逐渐变得比

10、较稀薄 ，pi的增加就变得很缓慢。 c. 到2.6后，燃烧速度后燃ipi 3. 换气质量v 内燃机的换气质量愈好v残余废气愈少，气缸中新 鲜充量填充愈充足燃烧速度热利用系数zipi 。 4. 油气混合的完善程度 柴油机燃油空气混合完善程度愈高，完全燃烧所需的 pi。但值也不能太小，太小使气缸热负荷，ge。 5. 燃烧完善的程度i 燃烧完善燃烧速度放热持续期等容度热利用 系数zipi。 二、指示功率Ni 指示功率的定义 每单位时间内作用于活塞上的指示功称为内燃机的指示功 率Ni，即： 从上式可见，加大pi、Vs、n、i皆可达到提高内燃机指示 功率Ni的目的。 为了分析pi、Ni与工作循环中各参数

11、间的相互联系，建立 下面数学表达式。 计算整台内燃机每小时的耗油量可以用以下两式计算： 其中，燃油消耗率： 整机每小时空气耗量： 式中：s：进气管状态下空气密度，kg/m3； ，kg空气/kg燃料 ，kg空气/kg燃油（L0，kmol空气/kg燃料） 由上面两式可得： 整理化简后可得： 影响Ni的因素 由上式知，凡提高pi的途径，均有利于提高Ni。另外，Vs ，iNi，减少ZNi。 三、指示效率i及指示油耗率gi 1. 指示效率i 指示效率是评价内燃机工作循环的一个经济性参数，也是 衡量气缸内燃料燃烧应释放出的热能有效转化为指示功的 程度的一个尺度。根据指示效率的定义，可得： 2. 指示油耗率

12、gi 内燃机每小时发出1kW指示功率时所消耗的燃油量，即： 或者 整理后可得： 由上式可以清楚看出gi与i反比，i越高，gi越少，反之亦 然。 影响i和gi的因素 热量利用的好坏主要与燃料热能释放的好坏、热量转换成 指示功的有效程度及热损失相关。 1. 燃料热能释放的好坏 它与混合气形成的好坏相关，一般空气足够，油气混合均 匀，燃料中的热能就能较好的释放出来i 混合气形成的好坏与燃油系统、燃烧室形状、空气涡流运 动及足够空气相关。 2. 热能转换的有效程度 在内燃机燃烧过程中，燃油热能的释放是按一定规律进行 的，如果放热持续期短、等容度高（在上止点附近放热多 ），那么有效利用率就高，热能转变成

13、机械能的有效程度 就大，反之亦然。 c. 热量损失的大小 热量释放与转换的损失已包含在a、b中，这里主要是考虑 冷却介质的传热损失，但在实际发动机中，Tw75 85C较好，太低Qwi；太高燃烧变坏 Tri 。 关于影响gi的因素，由i知，它们互为倒数，影响i的因素 就是影响gi的因素，只是增加i ，gi则应减少。 3-3 内燃机的机械损失及机械效率 一、机械损失功率Nm 在内燃机工作过程中，经曲轴输出的有效功率Ne总小于活 塞所获得的指示功率Ni，其差值为机械损失功率Nm，即： 而有效功率与指示功率之比即定义为机械效率，即： 现代内燃机的机械效率一般在下列数值范围之内： 非增压四冲程柴油机 m

14、 = 0.750.80 增压四冲程柴油机 m = 0.800.92 非增压二冲程柴油机 m = 0.700.80 增压二冲程柴油机 m = 0.750.90 四冲程汽油机 m = 0.700.85 煤气机 m = 0.750.80 由上可知，增压比非增压的m高，因为增压泵气功为正。 机械损失功率的组成 以柴油机为例，机械损失功率主要由下面几部分组成： NmNmfNpNkNau 其中： Nmf：摩擦损失功率； Np： 泵气损失功率，pkpr为正，pk不着火的Nmf。 b. 着火运转时，高温、高压的废气自排气阀急速的排出，排 气背压比非着火时低，泵气损失小。非着火时，排出的是 空气，温度低，比重大

15、，排气速度低，背压高，泵气损失 比着火时大。 c. 拖动状态下，压缩及膨胀过程中工质传热损失不一样，压 缩和膨胀线不重合，也增加了部分损失。 倒拖法存在的问题 a. 倒拖法测得的Nm比实际高(1520)，因此，在使用此法 时，对于采用空气旋流较低的直接喷射式燃烧系统的柴油 机，可以从测得的pm中减去0.0137MPa，对于采用空气旋 流较高、压缩比较高以及分隔式燃烧系统的柴油机，可以 从测得的pm值中减去0.0343MPa，这样得到的pm值比较 接近实际数值。 b. 倒拖法在多缸高速小型内燃机上是最常用的方法，特别是 比较小的汽油机，用此法较准。 2. 灭缸法 此法适用于多缸机，使用轮流停缸工作法。 当内燃机调整到给定工况下稳定运行之后，用测功器测出 其有效功率Ne，以柴油机为例，在固定喷油齿条位置不变 （即每缸喷油量不变）的情况下，停止向一缸供油，柴油 机转速下降，然后迅速调整测功机负荷，使转速复原，再 测出断这缸供油后柴油机的有效功率Ne，NeNe之差即 为断油气缸的指示功率，即： 如果从第一缸起，顺序将各缸断油，