内燃机学课件第二章涂德浴

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1、第二章 内燃机的工作指标 内燃机的工作指标很多，主要有动力性能指标动力性能指标(功 率、转矩、转速)、经济性能指标经济性能指标(燃料与润滑油消耗 率)、运转性能指标运转性能指标(冷起动性能、噪声和排气品质)和 耐久可靠性指标耐久可靠性指标(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动力性能指标标和经济经济 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。 主要内容 o第一节 示功图与指示性能指标 o第二节 有效性能指标 o第三节 机械损失与机械效率 o第四

2、节 排放指标 o第五节 提高内燃机动力性和经济性的途径第一节 示功图与指示性能指标一、示功图一、示功图燃料燃烧产烧产 生的热热量是通过过气缸内所进进行的工作循环环 转转化为机械能机械能的，即气缸中工质的燃烧压力作用在活塞 顶上，通过曲柄连杆机构，在克服了内燃机内部各种损 耗后，对外做功。因此，要研究内燃机的动力性能和经 济性能，应首先对内燃机一个工作循环中热功转换的质 和量两方面加以分析。 为为获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，通常 利用不同型式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或 记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pV示功图或p示功图。p V图或p

3、图两者可以互相转换。 注：压力零线是大气压力；进气和排气需要用放大的压力标尺记 录，称低压示功图。仅仅记录压缩行程、燃烧膨胀行程的示功图，称高压示功图。压力零线是绝对零压力。示功图可信度至关重要从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段( ( 压缩、燃烧、膨胀压缩、燃烧、膨胀) )以及进气、排气行程中的压力以及进气、排气行程中的压力 变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们与变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们与 所积累的试验数据进行分析比较，可以对整个工作所积累的试验数据进行分析比较，可以对整个工作 过程或工作过程的不同阶段进展的完善程度作出

4、正过程或工作过程的不同阶段进展的完善程度作出正 确的判断。因此，确的判断。因此，示功图是研究内燃机工作过程的示功图是研究内燃机工作过程的 重要试验数据重要试验数据。 示功图的作用电荷放大器 数据采集仪 示波器压力传感器打印机 发动机角度传感器 说明：为了得到可信的示功图，一般连续采集30-100个工作循环进 行平均处理。示功图测录二、指示性能指标二、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以工质对活塞做功为基础的指标。（所以 要用到示功图） 实际循环评定指标：用平均指示压力和指示功率评定循环的动力性； 用指示热效率和指示燃料消耗率评定循环的经济性1. 指示功 指示功是指气缸

5、内完成一个工作循环所得到的有用功指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功WiWi。指示功的大。指示功的大 小可以由小可以由pVpV图中闭合曲线所占有的面积求得，图中闭合曲线所占有的面积求得，对于四冲程非增压发动机：Fi = F1 - F2式中：Fi指示功面积；F1有用功（顺时针封闭曲线）；F2消耗功（泵气功， 逆时针 封闭曲线）。对于四冲程增压发动机： Fi = F1 + F2( F2泵气功为正功)对于二冲程发动机：Fi = F1(没有F2面积)所以，指示功可以写成：Wi=Fiab=KFi其中：Fi可以用求积仪得到；a纵坐标比例尺；b横坐标比例尺；K比例系数。说明：指示功越大，表示发动机

6、对外作功能力越大；指示功与循环热功转换效率有关（效率高，指示功大）；指示功与气缸容积大小有关（大排量发动机指示功就大），为此，引入平均指示压 力概念。所谓平均指示压力所谓平均指示压力，是指单位气缸容积一个是指单位气缸容积一个 循环所做的指示功循环所做的指示功(Pa) (Pa) （物理意（物理意义义义义）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。 若Vs用 L为单位，Wi用kJ为单位，则pmi 为 MPa式(22)也可写成WipmiVs pmi(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平均指示压 力的

7、第二个概念力的第二个概念，（几何意义）即平均指示平均指示 压力是一个假想的平均不变的压力，以这个压力是一个假想的平均不变的压力，以这个 压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程S S所做的功，即为循环的指示功所做的功，即为循环的指示功WiWi。2 平均指示压力平均指示压力的意义 平均指示压力是从实际循环的角度评价发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动机气缸工作容积利用率高低的一个参数 。pmipmi越高，同样大小的气缸容积可以发出越高，同样大小的气缸容积可以发出 更大的指示功，气缸工作容积的利用程度更大的指示功，气缸工

8、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。环动力性能的一个很重要的指标。3、指示功率Pi （发动机整机）定义：发动机单位时间内所作的指示功。 即Pi = Wi / ti = pmiVs / ti 其中， ti为一个发动机工作循环所花费的时间。 SI表达式： 将Wi = i Wi， ti = /（2n）代入后，得 Pi =ipmiVs/（ /2n ）= 2pmiVs（n/ ）i 其中，Pi（W，J/s）；pmi（Pa，N/m2）；Vs（m3）；n（r/s） 为冲程数。 实用表达式： 将实用量纲 Pi（kW）；pmi（

9、MPa）；Vs（L）；n（r/min） 代入后，得Pi = pmi Vs in /（30 ） 对于四冲程发动机 Pi = pmi Vs i.n /（120） 对于二冲程发动机 Pi = pmi Vs i.n /（60）4 4 指示热效率指示热效率定义：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。

10、定义：是指单位指示功的耗油量，它通常以 单位指示千瓦小时的耗油量来表示： bi=(B/Pi)bi=(B/Pi)10103 3 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： itit =（3.63.610106 6）/ /（HHu ub bi i）若以柴油的低热值Hu41868 kJkg代 入 itit 86/b86/bi i5 5 指示燃油消耗率指示燃油消耗率 g(kWh)第二节 有效性能指标评价基础：以曲轴输出轴对外作有效机械功为基础。 （扣除所有运动件摩擦和附件消耗的功） 评价指标：动力性能-有效功率、平均有效压力、升功率；经济性能-有效热效率、有效燃料消耗率。 一、机械

11、效率和有效功率设发动机所有运动件摩擦功率和附件消耗的功率总和为 Pm，称为 机械损失功率， 则 Pe = Pi - Pm 称为发动机有效功率。（其中Pi为指示功率） 机械效率定义： m = Pe / Pi 其中，指示功率Pi可以通过示功图计算得出； 有效功率Pe可以通过测功器实测发动机转矩Ttq和n转速计算出 ，即 Pe = Ttq(2n/60)10-3 = nTtq / 9550 （kW） 其中，Ttq(N.m); n(r/min)二、平均有效压力pme（Pa， N/m2)1、定义（物理意义）：-与pmi类似 单位气缸容积一个循环所作的有效功 即pme = We / Vs 2、几何意义：-与

12、pmi类似 循环有效功We = pmeVs = （pmeD2/4）S 该式表明，平均有效压力pme可以视作一个假想不变的平均压力作用在活塞 顶上，使活塞移动一个冲程所作的功等于发动机每循环所作的有效功。 说明： pme越大，气缸工作容积利用程度越好，机械损失小； pme是衡量发 动机动力性的重要指标，一般柴油机高于汽油机。 3、pme表达式：-与pmi类似 由Pe = pme Vs n i /（30 ）-实用量纲 改写即得pme = 30 Pe / Vs n i 利用Pe恒等式， Pe = Ttq n / 9550 = pme Vs i n / 30 可以得到Ttq = 318.3pmeVs

13、i / 对于已知发动机（总排量 i Vs 已知），Teq pme 即发动机平均有效压力pme反映了单位汽缸工作容积输出转矩Teq的大小三、升功率PL（kW/L）定义：在标定工况下，发动机每升气缸工作容积发出的有效功率。即PL= Pe / i Vspme代以Pe，写成PL= pme n / 30 pme n可见，升功率是对气缸工作容积利用率所作的总评价，它与pme，n乘积成正比，是评价整机动力性和强化程度的重要指标之一。升功率一般汽油机高于柴油机，强化程度越高，发动机结构越紧凑。四、由吸入空气量计算平均有效压力四、由吸入空气量计算平均有效压力目的：目的：根据每循环吸入的空气量来计算平均有效压力，

14、可以导出平均根据每循环吸入的空气量来计算平均有效压力，可以导出平均 有效压力与一些热力学参数之间的关系，从而来有效压力与一些热力学参数之间的关系，从而来明确提高平均有效明确提高平均有效 压力的技术措施压力的技术措施。1） 充量系数c 定义：c = m1 / msh = M1 / Msh = V1 / Vs（kg） （kmol）（m3） 其中， m1、M1、V1是实际进入气缸的新鲜空气的质量、干摩尔数、以及相对 进气管状态（ps，Ts）下所占体积；msh 、Msh、Vs是在进气管状态下能充满气 缸工作容积的空气质量、干摩尔数、以及气缸工作容积。c表明实际换气过程 完善程度，其高低反映发动机进气系

15、统流动阻力、排气系统流动阻力、高温零 件对新鲜充量加热等方面性能的好坏。1、两个重要的无量纲系数2）过量空气系数a燃烧燃烧lkglkg燃料的实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数燃料的实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数a a， 即 式中，gb为每循环燃料供给量，kg； lo为1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量，称为化学计量空燃比。柴 油l014.3kgkg，汽油l014.8 kgkg。过量空气系数a a是衡量混合气形成、燃烧完善程度、整机性能的一 个指标。一般柴油机总大于1；汽油机0.85-1.1。 a a小，空气利用率就高，功率增加，但容易燃烧不完善，及热负荷高。有时，用空燃比（ ）或燃空比（ 1 1 ）表示。实际发动机的a可由废气分析法求得。对于非增压 的四冲程内燃机，也可由耗油量及耗气量按下求得 式中，Aa为每小时进入气缸的空气流量，kgh；B 为每小时耗油量，kgh；l0为化学计量空燃比， kgkg 2、 pme热力学参数表达式的推导与建立第三节 机械损失与机械效率oo一、机械损失的组成部分一、机械损失的组成部分 oo二、机械损失的测定方法二、机械损失的测定方法一、机械损失的组成部分及影响因素一、机械损失的组成部分及影响因素1. 1. 活塞与活塞环的摩擦损失活塞与活塞环的摩擦损失 2. 2. 轴承与气门机构的摩擦损失轴