02第二章内燃机的工作指标.docx

1、02第二章内燃机的工作指标第二章 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 （功率、转矩、转速）、经济性能 指标（燃料与润滑油消耗率）、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（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力性能指标和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。第一节示功图与指示性能指标一、示功图燃料燃烧产生的热量是通过气缸内所进行的工作循环转化为机械能的，即气 缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上，通过曲

2、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。T上点 L止点 下止点 上辽点腔建和程1- 诽巧屋 , .LV J- in36Q ，初 720图21佃冲程内燃机的於一归图内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，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p V示功图或p 示功图。p V图或p 图两者可以互相转换。图2 1 为四冲程内燃机的p图，图2 2为四冲

3、程内燃机实际循环pV图。在进排气 过程组成的发动机换气过程示功图中，由于气缸压力低，需用放大的压力标尺记 录出p 或pV图（见第四章），也称为低压示功图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）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 程度作出正确的判断。因此，示功图是 研究内燃机工作过程的重要试验数据。 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的指标。1.指示功和平均指示压力指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。指示功的大小

4、可以由pV图中闭合曲线所占有的面积求得，图 2 3中示 出了四冲程非增压和增压发动机以及二冲程发动机的示功图。图2d发功机的护一厂图泊四抻稈非堵圧童动机 b） 13卸釋坤伍戡曲机 曰二冲稈叢菇机图23a中四冲程非增压发动机的指示功面积 Fi是由相当于压缩、燃烧、膨胀行程中所得到的有用功面积 Fi和相当于进气、排气行程中消耗的功的面积F2（即 泵损失）相减而成，即Fi= Fi F2。在四冲程增压发动机中（图2 3b），由于进气压 力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，因此，换气功的面积 F2应与面积Fi叠加起来，即Fi= F1 + F2。在二冲程发动机中（图2 3c），只有一块示功 图

5、面积Fi,它表示了指示功的大小。Fi可以用求积仪或计算方法求得，然后用下式计算 Wi （N m或J）值式中，Fi为示功图面积，cm2; a为示功图纵坐标比例尺，Pa/cm； b为示功图横 坐标比例尺，cm3/cm。Wi Pmi -指示功Wi反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除 了和循环中热功转换的有效程度有关外，还和气缸容积的大小有关。为了能更清 楚地对不同工作容积发动机工作循环的热功转换有效程度作比较，引出了平均指 示压力（用Pmi表示）的概念。所谓平均指示压力，是指单位气缸容积一个循环所做 的指示功（Pa）(22)PmiWiVs式中，Wi为发动机一个工作循环的指示功，

6、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 （MPa）为式（22）也可写成 Wi = pmi Vs=，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力的第二个概念，即平均指示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 S所做的功，即为循环的指示功Wi。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。pmi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。般内燃机在标定工况下的pmi值在下列

7、范围内:柴油机：四冲程非增压柴油机 0.60.95MPa四冲程增压柴油机 0.852.6MPa二冲程柴油机 0.351.3MPa汽油机：四冲程摩托车用汽油机 0.91.43 MPa四冲程小客车用汽油机 0.651.25MPa四冲程载货车用汽油机 0.60.85 MPa二冲程小型风冷汽油机 0.40.85 Mpa2.指示功率内燃机单位时间内所作的指示功称为指示功率 Pi。若一台内燃机的气缸数为i，每缸的工作容积为 V ( m3)，平均指示压力为pmi ( N/m2),转速为n( r/s), 根据pmi的定义，每循环气体所作的指示功(J)为Wi pmi Vs具有i个气缸的发动机每秒所作的指示功率(

8、W)为P 2pmi Vs -i (23)式中，T为冲程数，对四冲程内燃机：T= 4；对二冲程内燃机：T= 2。在实际应用时，一般采用 pmi (MPa)，Vs ( L)，n(r/min)，Pi (kW)代人可得3 6 iVs n1。沖2 1。6皿总60(24)PiPmi Vs n i30对四冲程发动机PPmi Vs n i120对二冲程发动机PiPmiVs n i603.指示热效率和指示燃油消耗率指示热效率nit是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值，即Wi(25)式中，Qi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(kg/

9、h)时。 根据n it的定义，可得式中，3.6X l03为1kW h的热当量，kJ/(kW h) ； B为每小时发动机的耗油量， kg/h； Hu为所用燃料的低热值，kJ/kg。指示燃油消耗率g/(kW h)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(27)因此，表示实际循环的经济性指标n it和bi之间存在着以下关系(28)3.6 106it Hubi若以柴油的低热值Hu = 41868 kJ/kg代入式(28)，贝Uit 86 bi一般内燃机的n it和bi的统计范围如下：n itbi/g / (kW h)-1四冲程柴油机0.41 0.48210175二冲程柴油机0.

10、4 0 0.48218177四冲程汽油机0.25 0.4034421R二冲程汽油机0.19 0.27435305从统计范围可以看出：柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机第二节有效性能指标一、机械效率和有效功率上面所讨论的指示性能指标只能评定工作循环进行的好坏，发动机发出的指 示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等附 件所消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，所有这些消耗功率的总和称为机械 损失功率Pm，从而有效功率Pe Pi Fm(29)有效功率与指示功率之比称为机械效率(210)内燃机的有效功率Pe(kW)可以利用各种型式的测功器

11、和转速计分别测出发动 机在某一工况下曲轴的输出转矩 Ttq及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求 得(211)Pe10 39550式中，Ttq为发动机输出转矩，N m。二、平均有效压力、有效功率和升功率与平均指示压力相似，平均有效压力可看作是一个假想的、平均不变的压力作 用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程所做的功等于每循环所做的有效功。平均有 效压力是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。按照上述定义可以用如式(24)所表示的pmi和Pi之间的关系那样，列出 Pe (kW)和pme(MPa)的关系式应用式(211)和式(212)的恒等关系，可得因此，对于一定气缸总工作容积(即iVs)的发动机，

12、平均有效压力pme值反映了 发动机输出转矩Ttq的大小TtqX pme也就是说，pme反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。升功率PL(kW/ L)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PlPme n30(217)式中，Pe为发动机的标定功率，kW； i为气缸数；Vs为每气缸工作客积，L 从式(212)可得式中，pme为标定工况下的平均有效压力，MPa； n为标定转速，r/min。可见，升功率Pl是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的利用率作总 的评价。它与pme和n的乘积成正比。Pl值越大，发动机的强化程度越高，发出一 定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断

13、提高 pme和n的水平以获得更强化，更 轻巧和紧凑的发动机，一直是内燃机工作者致力以求的奋斗目标，因而 Pl是评定一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。目前内燃机的pme和Pl值一般在下列范围内：农用柴油机 汽车用柴油机 强化高速柴油机Pme/MPa PL/(kW L 1)0.6 0.8 8.8 14.70.65 1 1125.81 2.9 15 40固定船用户速柴油机0.6 2.53.7 7.35四冲程摩托车用汽油机0.78 1.251.8 88四冲程小客车用汽油机0.65 1.240 70四冲程载货汽车用汽油机0.6 0.722 25.8四冲程小型风冷汽油机0.4 0.6518.

14、4 73.5三、由吸入空气量计算平均有效压力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，从而明确提高平均有效压力的技术措施。在推导前，先给 出两个重要定义。1.充量系数Oc若把每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状态 （Ps, Ts）的体积Vi,其值一般要比活塞排量Vs小，两者的比值定义为充量系数 Oc,即m1 M1 V1msh M sh Vs式中，m1, M1, V1分别为实际进入气缸的新鲜空气的质量、千摩尔值、在进 气管状态（ps, Ts）下所占有的体积；msh, Msh, Vs分别为在进气管状态下能充满 气缸工作容积的空气质量、千摩尔值及气缸

15、工作容积。充量系数Oc是表征实际换气过程进行完善程度的一个极为重要的参数（详见 第三章）。2. 过量空气系数Oam1gb 1 o燃烧Ikg燃料的实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数 Oa,即(218)式中，gb为每循环燃料供给量，kg；Io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 Io-14.3kg/kg,汽油 Io14.8 kg/kg。对柴油机来说，Oa总是大于1 ,以保证喷入气缸的柴油能完全燃烧。柴油机 在吸入气缸的空气量一定的情况下， Oa小意味着可以向气缸多喷油，吸人气缸的空气利用率高，发出的功率大。因此， Oa是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个

16、指标，应力求减小Oa,减小Oa在小型高速柴油机中主要受燃烧完善 程度的限制，在大型及增压柴油机中主要受热负荷的限制。柴油机在全负荷时 Oa的一般数值范围为：高速柴油机 1.21.5增压柴油机 1.72.2对汽油机来说，在整个运行工况中，可以遇到 Oa 1和Oa365英发踰机的轨鱸捉炎鬥 压力P讪的范謝两式相除，得式小，Pme为平均有效压力。图27为柴油机在转速不变的情况下进行 负荷特性试验(详见第八章)，求出发动机在给定 转速下，每小时燃油消耗量与平均有效压力的关 系曲线。如果把燃油消耗量曲线延长并求出其与 横坐标轴的交点，就可以求得 pmm值。这个方法 虽然只是近似的方法，但只要在低负荷附近，燃 油消耗量曲线为直线就相当可靠，即使没有电力 测功器和示功器也能进行测定。但是，这种方法 不适用于用节气门调节功率的汽油机。当测得其 pmm值后，其机械效率 可近似地用下式估算PmePme pmmPmmpme pmmBoB2-7用油耳握植求奄和梆的傅式中，B可取某一常用工况的数值。在以上所介绍的几种测定机械效率的方法中，倒拖法只能用于配有电力