第三章 内燃机的工作指标与性能分析 3-1 内燃机的工作指标 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 一、标定性能的主要指标 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 标定性能指标是指在标定工况下表征内燃机工作性能的主 要指标,比如： 标定功率――标定工况下内燃机发出的功率 标定转速――标定工况下内燃机相应的曲轴转速 标定油耗率――标定工况下内燃机发出单位功率所消耗的 油量 比质量――单位标定功率下内燃机所具有的质量 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 大修期――指从新机开始使用至第一次进行大修或二次大 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（见图3-1） Me = Pb 图 3－1 测功器示意图 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 Ne =2πnMe/103 / 60 (3-1) 三、循环指示功率 图3-2所示的是内燃机的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 (3-2) 也就是图中封闭曲线围成的面积 对于二冲程机(图3-2(a)),单缸循环指示功Wi就是阴影面积， 对于四冲程机，单缸循环指示功Wi就是： 图3-2（b） 阴影面积A＋C,即为压缩膨胀冲程传递给活塞的 功 图3-2（c） 阴影面积(A+C)－(B+C)，即为四个冲程传递给活 塞的功 B＋C为泵气损失对非增压机，B＋C为负功，对增压机，B ＋C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) 单缸指示功率为： (3-3) 式中，Z——动作系数(也称为活塞行程数)，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： （3-4） 式中，fR——滚动阻力系数，凭经验确定(0.012＜ fR ＜ 0.015）3;mA——车辆质量；g——重力加速度； 环境空气密 度；fD——气动阻力系数，凭经验确定(对于汽车,0.3＜ fD ≤0.5)3 ; fA—车辆最大横截面积；vA——车辆速度。
五、平均指示压力 MPa ，即为单位气缸工作容积所作的指示 功，代入式(3-3)，可得 MPa （3-6） 六、油耗率gi与效率 gi--表示内燃机每小时每单位指示功率所消耗的燃料量 g/kW•h （3-7） －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 （3-8） 七、空燃比和燃空比 空燃比 A/F= (3-9) 燃空比 F/A= (3-10) 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＝12～18， F/A= 0.056～0.083， 对于柴油机， A/F＝18～70， F/A= 0.014～0.056 八、容积效率(充气效率) η V η V定义为每循环空气进入进气系统的容积流量mL除以被 活塞置换容积的速率 或者表示为 （3-11） 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/(kW·h) 十、增压压力PK与增压比πk 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。
πk：在环境状态下，空气经压气机压缩后的出口压力比上环 境压力 十一、机械效率 ：内燃机输出的有效功率比上指示功率 （3-13） 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 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ηi以及指示油耗率gi，下面主要讨论这几个参 数 一、平均指示压力pi和指示功率Ni 1. 平均指示压力pi 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如图3-3所示 图3-3 求平均指示压力pi的示意图 每循环每缸所作指示功为： kJ m3 于是： MPa （3-14） 由式(3-14)可以看出，平均指示压力就是内燃机在一个工作 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 。
这样，平均指示压力pi就与气缸的容积大小无关了 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=0.4～1.2MPa 增压汽油机 pi=0.9～1.5 MPa 非增压四冲程柴油机 pi=0.75～1.2 MPa 增压四冲程柴油机 pi=1.2～3.0 MPa 非增压二冲程柴油机 pi=0.5～0.9 Mpa 增压二冲程柴油机 pi=1.0～2.2 MPa 煤气机 pi =0.6～1.4 MPa 2. 指示功率Ni 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 kW （3-15） 式中：z为动作系数，四冲程机，z＝4；二冲程机，z＝2；二冲 程双动机，z＝1 双动机活塞上方的气缸工作容积为Vs ，下方容积应减去活 塞杆所占的容积，后者约为11～12％Vs，以11％Vs计算，则二 冲程双动机每个气缸的平均工作容积为， 式（3-15）可写为 kW （3-16） 为了分析pi、Ni与工作循环中各参数间的相互联系，分析影 响因素，下面建立数学表达式。
计算整台内燃机每小时的耗油量可以用以下两式计算: kg/h (3-17) kg/h (3-18) g/kW.h 整机每小时空气耗量 kg/h ρs：进气管状态下空气密度，kg/m3, kg空气/kg燃料； kg空气/kg燃油 （L'o，kmol空气/kg燃料） 由（3-17）、（3-18）得： (3-19) 将gi，Ni，mL及L'代入上式，整理后得： (3-20) 将上式代入（3-15），化简得： kW (3-21) 二. 影响pi与Ni的因素 1.影响内燃机平均指示压力pi的因素: (1)增压度pk 当α一定时，pk↑ ps↑ ρs↑ pi↑，可见p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α , 当每循环供油量不变时，pk↑ α↑ AF↑ 在α≤2以前，随着α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α值的提高而有所提高。
当2.6≥α＞2时，随着α的提高，混合气逐渐变得比较稀薄，pi的 增加就变得很缓慢 到α＞2.6后，α↑ 燃烧速度 ↓ 后燃↑ ηi↓ pi↓ （3）换气质量ηv 内燃机的换气质量愈好→ ηv ↑→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ζz↑ → ηi↑ → pi↑ （4）油气混合的完善程度 柴油机燃油空气混合的完善程度愈高，完全燃烧所需的α ↓ → pi ↑ 但α值也不能太小，太小使气缸热负荷↑ ，ge ↑ (5) 燃烧完善的程度ηi 燃烧完善→ → ↑放热持续期↓ →等容度↑ →热利用系数ζz↑ →ηi ↑ → pi↑ 2. 影响Ni的因素 由（3-15）式知，凡提高pi的途径，均有利于提高Ni；另 外，Vs↑，i↑ Ni↑，减少z → Ni↑ 三、指示效率ηi及指示油耗率gi 1.指示效率 ηi 每循环所做指示功的热量比上循环供油量的热量，即 （3-11） 2. 指示油耗率gi 内燃机每小时发出1kW指示功率时所消耗的燃油量，即： g/kW.h （3-12） 或 g/kW.h （3-12`） 将（3-11）代入上式并整理得 g/kW.h （3-13） 由（3-12`）可以清楚看出gi与ηi反比，ηi越高，gi越少，反之亦 然。
1.影响ηi和gi的因素 改写（3-11）式得， 上式右端给出了ηi与循环参数的关系由上式知， ① 当功一定（piVs一定）循环供油量 mfcyc ↓ → ηi ↑，这 说明作同样的功，耗了更少的燃料，热量利用高→ ηi ↑ ②当 mfcyc 一定，piVs↑ → ηi ↑，这说明消耗相同的燃料 ，做功多了，热量利用高 →ηi ↑ 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 a. 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→ ηi ↑ 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 b. 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，Tw ＝75～85° C较好，太 低Qw↑ → ηi ↓，太高→ ηi ↓燃烧变坏→ Tr ↑ → ηi ↓。
关于影响gi的因素，由ηi知，它们互为倒数，影响ηi的因 素就是影响gi的因素，只是增加ηi ，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 Ni－Ne＝Nm 而有效功率比上指示功率即定义为机械效率，即 (3-14) 现代内燃机的机械效率一般在下列数值范围之内（见P45）： 非增压四冲程柴油机 ηm =0.75～0.80 增压四冲程柴油机 ηm =0.80～0.92 非增压二冲程柴油机 ηm =0.70～0.80 增压二冲程柴油机 ηm =0.75～0.90 四冲程汽油机 ηm =0.70～0.85 煤气机 ηm =0.75～0.80 由上可知，增压比非增压的ηm高，因为增压泵气功为正 机械损失功率由下面几部分组成： Nm＝N。