发动机原理第四次授课讲义.docx
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发动机原理第四次授课讲义
发动机原理第四次授课讲义
发动机的指示指标
一、循环的指示功Wi和平均指示压力pmi
在气缸内完成一个工作循环。
工质对活塞所作的功，称为指示功，用Wi表示。
其大小可由p—v图中闭合曲线包围的面积Ai求得。
在图2-5（b）的实际循环示功图中，将泵气损失计入发动机的机械损失，用求积仪测出封闭曲线czbb'c'c所包围的面积即为Ai，则发动机的指示功可由下式求出:
（kJ） （2-7）
式中:
Ai—示功图中指示功面积,mm2;
a—示功图纵坐标比例尺,kPa/mm;
b—示功图横坐标比例尺,mm3/mm。
指示功Wi虽然能表明发动机气缸在一个工作循环中所获有用功的多少，和循环中热功转换的有效程度，但由于和气缸工作容积有关，对不同规格、不同形式的发动机，用指示功难以评价各类发动机工作循环进行的好坏，为了便于评定不同发动机循环进行的好坏，引入平均指示压力的概念。
平均指示压力pmi是指一个循环所作的指示功Wi与气缸工作容积vs之比，即
pmi=Wi/vs （kPa） （2-8）
它表示发动机单位气缸工作容积的指示功。
显然，平均指示压力Pmi越大，表示发动机的工作循环进行的越好，气缸工作容积利用程度越高。
设活塞顶面积为A（m2），活塞行程为s（m），由式（2-8）可求的指示功为：
Wi=pmivs=pmiAs （kJ） （2-9）
因此，平均指示压力pmi可以设想为一个恒定的压力作用在活塞顶上，推动活塞移动一个行程所作的功等于循环的指示功，如图2-6所示。
pmi值的一般范围是：
柴油机 686～981（kPa）
汽油机 784～1180（kPa）
二、指示功率
发动机在单位时间内所做的全部的指示功，称为发动机的指示功率，用Pi表示。
设一台发动机的气缸数位为i，每缸工作容积为vs，转速为n（r/min），平均指示压力为pmi（kPa），则每缸、每循环工质的指示功为：
（kJ）
发动机指示功率（i个气缸每秒所做的指示功）为：
四行程发动机
（kJ） （2-10）
二行程发动机
（kW） （2-11）
如果τ表示发动机冲程数，（四冲程τ=4；二冲程τ=2），以上两式可合并为下式：
（kW） （2-12）
如气缸工作容积vs以升为单位时，则指示功率可表示为下式：
（kW） （2-13）
三、指示燃油消耗率
单位指示功所消耗的燃油量，称为指示燃油消耗率，用bi表示通常以每千瓦小时指示功的耗油量表示。
当测量的发动机的指示功率为pi（kW），每小时耗油量为B（kg/h）时，则指示燃油消耗率：
（g/kW·h） （2-14）
指示燃油消耗率是评定发动机实际循环的经济指标，bi越小，表示循环过程中作1千瓦/小时的功所消耗的燃油量很小，发动机的经济性很好。
bi值的大致范围是：
柴油机170～200（g/KW·h）
汽油机230～340（g/KW·h）
四、指示热效率
指示热效率ηit是发动机实际循环的指示功与所消耗燃料的热量之比，即
ηit=Wi/Q1 （2-15）
式中：
Q1—为得到指示功Wi（kJ）所消耗燃料的热量，kJ；
根据热功当量可知：
1kW·h的功消耗的热量为biHu*10-3（kJ）,Hu为燃料低热值（kJ/kg）,（请参考第四章），则指示热效率为：
ηit=3600/（biHu*10-3）=3.6*106/（biHu）
（2-16）
ηit值的一般范围是:
柴油机0.43～0.50;汽油机0.25～0.40。
2.3发动机的有效指标
以发动机曲轴输出功率为基础的性能指标称为发动机的有效指标。
可用来评价整个发动机性能的好坏，它比指示指标更有实用价值。
其中评价动力性的有效指标包括：
有效功率、有效扭矩、平均有效压力；评价经济性的有效指标包括燃油消耗率和有效热效率。
一、有效功率Pe和机械损失功率Pm
发动机曲轴输出的功率称为有效功率，可由发动机台架实测的数据计算出来。
发动机的指示功率在内部传递过程中，不可避免的损失在从活塞到曲轴输出端的传递过程中，所损失的功率称为机械损失功率。
发动机的有效功率Pe即为指示功率Pi与机械损失功率Pm之差。
即
（kW） （2-17）
二、有效扭矩
发动机曲轴输出的扭矩称为有效扭矩，用Ttq表示。
它与有效功率pe、发动机转速n之间为下列关系：
（kW） （2-18）
（Nm） （2-19）
三、平均有效压力
发动机单位气缸工作容积（升）所输出的有效功称为平均有效压力。
用pme表示。
它与有效功率之间的关系为：
四行程发动机（τ=4）
二行程发动机（τ=2）
由式（2-20）得：
（2-23）
将式（2-18）代入上式得：
（2-24）
对于某特定发动机其行程数τ、单缸工作容积vs（升）、缸数i均为定值，故对气缸工作容积总和（vsi）一定的发动机而言，平均有效压力pme与有效扭矩 Ttq成正比。
pme值越大，对外输出的功越多，扭矩越大。
所以平均有效压力是发动机重要的动力性能指标。
可用发动机台架试验测得外特性上标定工况的有效功率或有效扭矩代入式（2-23）或（2-24）均可求出平均有效压力值。
pme值的一般范围是：
汽油机 588～1170 （kPa）
柴油机 588～980 （kPa）
四、升功率和比质量
升功率PL的定义是：
在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。
即发动机的标定功率PeB与总工作容积ivs之比。
（kW/L） （2-25）
式中:
PeB—发动机的标定功率，kW；
i—气缸数；
vs—每个气缸的工作容积，L。
也可从式（2-20）得出：
（kW/L）
可见PL的大小与平均有效压力pme和转速的乘积成正比。
提高PL的主要措施是提高平均有效压力和发动机转速。
PL值的大致范围：
汽油机 22～51.5（KW/L）
柴油机 11～26（KW/L）
比质量Ge是发动机净重G与标定功率PeB之比。
即
（kg/kW） （2-26）
Ge值的范围是：
汽油机 1.5～4（kg/kW）
柴油机 4～9（kg/kW）
升功率及比质量是从发动机有效功率的角速度衡量气缸工作容积和发动机质量利用的有效程度以及结构紧凑性，都是重要的动力性指标。
由于汽车发动机要求质量小，功率大，所以希望发动机的升功率大，比质量小。
五、燃油消耗率和有效热效率
单位有效功（1kW·h）的燃油消耗量（克），称为发动机的燃油消耗率，也称为耗油率，用b表示。
如测的发动机在某一工况下稳定运转时的燃油消耗量B（kg/h）和有效功率Pe（kW），则燃油消耗率为：
（g/kW·h） （2-27）
燃油消耗率是评定发动机经济性的重要指标。
b越小，表示发动机经济性越好。
有效热效率是指发动机实际循环的有效功We（kJ）与为得到次有效功所消耗的燃油的热量Q1（kJ）之比，即
（2-28）
完成1kW·h的有效功相当于3600kJ的热量，如消耗的燃油为b,完全燃烧时所放出的热量为bHu*10-3,则有效热效率为：
（2-29）
有效热效率为ηet是表示燃油发出的热量转变为有效功的程度，也是评定发动机经济性的指标。
式（2-29）还可改写成下列形式
则
（2-30）
式中:
K3—为比例常数。
b及ηet的大致范围是：
ηet b（g/kW·h）
柴油机 0.3～0.4 215～285
汽油机 0.21～0.32 270～325
表2-2所列为一些国产发动机的性能指标。
表2-2一些国产发动机的性能指标
参数
型号
缸径×行程（mm）
总工作容积（L）
压缩比ε
标定功率/转速（Kw/r/min）
485Q
85×100
2.27
20
38.6×3000
×16130（JN1162）
130×150
11.95
16
154/3000
6135Q-1a（JN62A）
135×140
12
17
162/2100
6120Q
120×140
9.5
17
117.2/2000
6150
150×160
17
17
200/2000
8V120F
120×140
12.65
16.5
132-147/2000
EQ6100-1
100×115
5.42
7
99/3000
EQD6102-1
102×115
5.638
17
88/2800
SH-680Q
80×74
6×0.372
7.7
66/4300
SH-490Q
90×90
4×0.572
7
55/4000
CA6102（解放141）
101.6×114.3
5.56
7.4
99/3000
BJ-149
92×92
4×0.613
6.6
55/3750
CA-72
100×99
V8×0.707
8.5
161.5/4000
TJ485Q
85×80
4×0.454
8.5
70/5400
NJ-70
82×110
6×0.58
6.2
51.5/2800
参数
型号
最大扭矩/转速（Nm/r/min）
最低油耗率（g/kW·h）
升功率（kW/L）
比质量（kg/kW）
485Q
14.2/2000
238
17
5.55
×16130（JN1162）
785/3000
222
12.89
6.04
6135Q-1a（JN62A）
785/1200-1400
217
13.9
7.10
6120Q
606/1350
238
12.35
7.64
6150
1050/1500
238
12.1
6.30
8V120F
735-785/1400
-
-
-
EQ6100-1
353/1200-1400
306
18.3
-
EQD6102-1
343/1500-1800
230
15.6
5.68
SH-680Q
147/3500
306
29.6
-
SH-490Q
157/2400
312
24.1
-
CA6102（解放141）
372/1200-1400
306
17.8
-
BJ-149
171/2250
326
22.6
-
CA-72
412/2900
306
28.6
-
TJ485Q
142/3600
-
38.4
-
NJ-70
201/1600
332
22.6
-
2.4机械损失与机械效率
一、机械损失
在发动机工作过程中，有一部分指示功消耗于自身的各种损失之中，损失的这部分功统称为机械损失。
主要包括：
1.发动机内部运动件的摩擦损失。
如活塞和活塞环与缸壁的摩擦：
各轴承与轴颈之间的摩擦；气门传动机构的摩擦；油封处的摩擦等。
这部分损失所占比例最大，约占总机械损失的60%～75%
2．驱动附属机构的损失。
如驱动配气机构、冷却水泵、风扇、机油泵、点火装置或喷油泵等的损失。
约占总机械损失的10%～20%
3．泵气损失。
约占总机械损失的10%～20%
由于机械损失而消耗的功率称为机械损失功率，用Pm表示，由（2-17）得
（kW） （2-31）
二、机械效率
曲轴输出的有效功与指示功率之比，称为机械效率，用ηm表示，即
（2-32）
由式（2-28）得：
ηm=ηet/ηi
ηm可用来比较各种不同发动机的机械损失大小。
ηm值越高，说明机械损失越小，发动机的性能越好。
所以，为了提高发动机的性能，应尽量减少机械损失，提高机械效率
四、影响机械效率的主要因素
1.发动机转速
发动机转速提高后，致使：
（1）各摩擦表面间的相对运动速度加大，摩擦损失增加。
（2）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增加，摩擦损失增加。
（3）泵气损失加大。
（4）驱动附件的机械损失增加。
所以，转速提高后机械损失功率增加，使机械效率下降。
根据实测统计资料，机械损失功率与转速平方近似成正比。
因此随转速升高机械效率下降较快。
ηm与n的关系如图2-7所示。
图2-7Pm、ηm与n的关系
2.发动机负荷
当发动机转速一定，负荷减小时，汽油机中是相应减小油门开度（即减少混合气量），柴油机中是将喷油泵齿条位置向减小供油量方向移动，因此，气缸内指示功率将减小，但机械损失功率Pm变化不大，因为P的大小主要取决于摩擦副的相对运动速度和惯性力大小，故使机械效率下降。
根据公式ηm=1—Pm/Pi可知，怠速时，负荷为零，有效功率Pe=0，指示功率全部用来克服机械损失功率，即Pi=Pm，故ηm=0。
负荷由小变大时，指示功率迅速上升，而机械损失功率上升缓慢所以机械效率提高，但在大负荷时机械效率上升缓慢，如图2-8所示。
图2-8Pi、Pm、ηm与负荷的关系
3.润滑油品质
在机械损失中，摩擦损失占的比例最大，达70%左右，而润滑油的粘度对摩擦损失的大小有重要影响。
润滑油的粘度即稠稀程度，它表示了流体分子之间内摩擦力的大小。
粘度大，内摩擦力大，流动性差，使摩擦损失增大，但粘度大承载能力强，易于保持液体润滑状态。
反之，粘度小，流动性好，消耗的摩擦功少，但承载能力差，油膜易于破裂而失去润滑作用。
润滑油的粘度主要与润滑油品种和温度有关。
图2-9表示机械损失功率与润滑油的温度的变化关系。
图2-9Pm与润滑油温度Tv的关系
由图可知，在某一温度时Pm值最小。
当油温偏低时因其粘度增大使机械损失功率Pm增加。
当油温偏高时，因其粘度降低，油膜不能支撑表面上的压力而破裂，油从间隙中被挤出，出现半干摩擦状态，引起摩擦损失增加，导致机械效率下降，严重时会引起发动机破坏。
所以发动机在冷天起动时，为改善其性能，起动前应摇车和对机油适当加温。
选用润滑油粘度的基本原则是：
根据发动机的性能和使用条件，在保证可靠润滑的条件下，尽量选用粘度小的润滑油，以减少摩擦损失，提高机械效率。
一般说来，当发动机强化程度高，轴承负荷大时，要选用粘度较大的润滑油；当转速高，配合间隙小时，需要润滑油流动性好，宜选用粘度较小的润滑油。
经过长期使用，轴承间隙较大，应选用较高粘度的润滑油。
4.冷却水温度
冷却水温度直接影响润滑油的温度，进而影响润滑油的粘度和机械损失的大小。
冷却水的温度低时，润滑油的温度低，粘度大，摩擦损失增加，机械效率下降。
如果冷却水温度过高，会使润滑油粘度小，也使机械损失增加，机械效率下降，如图所示，实践证明，发动机的运行中冷却水温保持在80～95℃范围内，可减少机械损失，提高机械效率，通常发动冷却水温达到正常后，才允许发动机带负荷运转。
图2-10Pm与冷却水温度Tw的关系
5.发动机的技术状况
长期使用的发动机，技术状况差，对机械效率影响很大。
活塞环与缸套磨损后，间隙增大，漏气增多，指示功率下降；尤其是汽油机漏气还会稀释润滑油，使润滑条件变差，气缸磨损加快。
轴与轴承之间的磨损，使机油泄露增加，油压下降，运动件工作表面的润滑不良；水道中水垢增多，使气缸工作表面温度升高，破坏油膜。
这些都会使机械效率下降，因此发动机在使用中，要定期检查保养，出现故障应及时修复，确保机油、燃油、空气的滤清效果，以减少摩擦损失，提高机械效率。
发动机的热平衡
供发动机的燃料完全燃烧放出的热量，在发动机中经过一系列的复杂过程，只有20%～45%转变为有效功，而其余的热量将随着废气和冷却水等从发动机中排出，发动机的热平衡就是表示燃料燃烧发出的热量中在有效功和各种损失之间的分配情况，具体分配情况大致和下：
一、供给发动机的燃料燃烧发出的热量Q1
若发动机每小时耗油量为B（kg/h）时，则燃料完全燃烧每小时所放出的热量为：
Q1=BHu（kJ/h）
式中：
Hu—燃料低热值，kJ/kg。
二、转化为有效功的热量Qe
因为
1kW·h=3.6×103 （kJ）
所以
Qe=3.6×103PekJ/h （kJ/h）
式中：
Pe—发动机的有效功率，kW。
显然，Qe值越大，转变为有效功的热量越多，发动机的热效率越高，一般Qe/Q1值为：
汽油机 20%～30%
柴油机 30%～40%
三、传给冷却介质的热量Qs
Qs包括工质向缸壁及燃烧室散出的热量、废气在排气管道内散失的热量、摩擦发热所散失的热量、从润滑油散失的热量等。
汽油机Qs/Q1值为25%～30%，柴油机Qs/Q1为20%～25%，柴油机因压缩比高，燃气能充分膨胀，所以该比值相对下降。
四、废气带走的热量Qr
废气排出时，温度仍然很高，将带走相当大一部分未曾利用的热量。
汽油机Qr/Q1值为40%～50%。
柴油机为35%～40%，柴油机的燃气膨胀充分，排气温度比汽油机低，所以该值比较小。
五、其他热量损失QL
Q1中除上述三项热量损失外，都属于其他热量损失。
如燃油不完全燃烧的热损失和未计及的热损失等。
这部分热量损失对汽油机和柴油机来讲大体相同，其QL/Q1值均为5%左右。
发动机的热平衡可用热平衡方式来表示，即
Q1=Qe+Qs+Qr+QL（kJ/h） （2-33）
在热平衡方程式中，没有单独考虑机械损失消耗的热量，这是因为摩擦损失消耗的热量大部分被冷却介质和润滑油带走，所以机械损失热量分别含在Qs及QL中。
发动机的热平衡可由试验测定。
在发动机试验台上，用示功器可测出发动机在某一工况稳定运转时的每小时耗油B及有效功率，便可计算出Q1及Qe，其他热量损失可用估算或相应的公式求得。
在研究发动机的工作过程中，为了估计发动机热平衡内各组成部分得相对值，以便对不同发动机进行比较，常用百分比来表示热平衡方程式得各项，即用Q1除式（2-33）中各项，并以百分数表示可得下式：
ge+gs+gr+gL=100% （2-34）
发动机热平衡方程式各组成部分得相对值，即使同一台发动机也并非定值，而是随着发动机的转速及负荷等情况的变化而改变。
在全负荷下，发动机热平衡方程式各组成部分的大致数值如表2-3所列。
表2-3 发动机的热平衡
热平衡方程式各项组成100%
汽油机%
柴油机%
转变为有效功的热量ge
25～30
30～40
废气带走的热量gr
30～50
25～45
冷却介质带走的热量gs
12～27
15～35
其他热量损失gL
2～10
2～10
发动机热平衡可用热流图（图2-11）来表示。
从图中可清楚地看出热量在发动机中的转变和传递情况，图中Qi表示转变为指示功的热量。
a）从残余废气和排气中回收的热量；
b）由气缸壁传给进气的热量；
c）排出的废气传给冷却水的热量；
d）在摩擦热中传给冷却水的部分；
e）从排气系统辐射的热量；
f）从冷却系和水套壁辐射的热量；
g）从曲轴箱壁和其他不冷却
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