第2章內燃機的工作指標

1、1第二章 內燃機的工作指標2內燃機的工作指標內燃機的工作指標指單位時間內做功能力的大小，反映能量指單位時間內做功能力的大小，反映能量轉換中轉換中數(shù)量方面的大小數(shù)量方面的大小。主要指標有：。主要指標有：ePtqTn功率功率轉矩轉矩轉速轉速指單位時間單位功率消耗燃料量多少，反指單位時間單位功率消耗燃料量多少，反映能量轉換中映能量轉換中質量的好壞質量的好壞。主要指標有：主要指標有：燃油消耗率燃油消耗率eb熱效率熱效率t指內燃機的起動性、振動性和排放性等方指內燃機的起動性、振動性和排放性等方面指標面指標指大修或更換零件之間的最長運行時間與無故障指大修或更換零件之間的最長運行時間與無故障長期工作能力。反

2、映設計，加工水平的高低。長期工作能力。反映設計，加工水平的高低。3主要內容主要內容 n第一節(jié)第一節(jié) 示功圖與指示性能指標示功圖與指示性能指標n第二節(jié)第二節(jié) 有效性能指標有效性能指標n第三節(jié)第三節(jié) 機械損失與機械效率機械損失與機械效率n第四節(jié)第四節(jié) 排放指標排放指標n第五節(jié)第五節(jié) 提高內燃機動力性和經(jīng)濟性的提高內燃機動力性和經(jīng)濟性的途徑途徑4第一節(jié)第一節(jié) 示功圖與指示性能指示功圖與指示性能指標標51.定義定義是指氣缸內壓力隨曲軸轉角是指氣缸內壓力隨曲軸轉角(或氣缸容積或氣缸容積)而變化而變化的關系的圖形。的關系的圖形。pV示功圖或示功圖或p示功圖。示功圖。2.研究原因研究原因 內燃機氣缸內部實際

3、進行的工作循環(huán)是非常復雜的，內燃機氣缸內部實際進行的工作循環(huán)是非常復雜的， 6p示功圖示功圖7pV示功圖示功圖壓燃式壓燃式點燃式點燃式83.pV圖與圖與p圖是可以互相轉換的。圖是可以互相轉換的。 p-V圖 p-圖 9,()xxx p V( )sV sxV()ccV s由由pV圖轉換成圖轉換成p圖圖,npVconst n為多變指數(shù)(,):xxnnnaxxaaxaxpVx p VVp Vp VppV在 圖壓縮線上任取一點 CS由結構得知：缸徑為D,行程為S,余隙為22()4()()4nCnCxaaCxCxDSSSSpppSSDSS(1 cos)(1 cos2)4xxxSR由曲柄連桿運動方程可得：x

4、xxxSVp由此：由計算時一般計算時一般510度為一點，在壓縮終點和燃燒始點階段要密一點，此處壓力變化度為一點，在壓縮終點和燃燒始點階段要密一點，此處壓力變化大、點太稀誤差大。大、點太稀誤差大。10內燃機的整個工作進行中由兩部分組成內燃機的整個工作進行中由兩部分組成第一部分：完成能量的轉換。第一部分：完成能量的轉換。第二部分：完成運動形式的轉換。第二部分：完成運動形式的轉換?；瘜W能化學能熱能熱能機械功機械功（即缸內燃料燃燒到缸內氣體膨脹推動活塞做功）（即缸內燃料燃燒到缸內氣體膨脹推動活塞做功）活塞往復運動活塞往復運動曲軸旋轉運動曲軸旋轉運動以工質在氣缸內對活塞所做的功為基礎的性能指標。以工質在

5、氣缸內對活塞所做的功為基礎的性能指標。以曲軸對外輸出的功為基礎的性能指標。以曲軸對外輸出的功為基礎的性能指標。用來評價實際工作循環(huán)的好壞，研究發(fā)動機的工作過程。用來評價實際工作循環(huán)的好壞，研究發(fā)動機的工作過程。用來評定發(fā)動機性能的好壞。用來評定發(fā)動機性能的好壞。意義：意義：意義：意義：11 （一）指示功Wi和平均指示壓力 iWpdV1213非增壓非增壓增壓增壓12iFFF12iFFF2F1FiFiF141F二沖程二沖程iF 156/10iiWF a b iF2:/aN mcm縱坐標比例：Pa/cm()N m3b:/cmcm橫坐標比例：363110mcm162.平均指示壓力平均指示壓力miipW

6、24iimiSWWpVDSSV發(fā)動機單位氣缸工作容積每循環(huán)做的指示功。發(fā)動機單位氣缸工作容積每循環(huán)做的指示功。定義：定義：當當一定時，一定時，mip說明熱量轉換功多，氣缸工作容積的利用程度說明熱量轉換功多，氣缸工作容積的利用程度 17平均指示壓力平均指示壓力mip18( (二二) ) 指示功率指示功率 若一臺內燃機的氣缸數(shù)為若一臺內燃機的氣缸數(shù)為i，每缸的工作容積為，每缸的工作容積為Vs （m3），平均指示壓力為），平均指示壓力為pmi （Nm2），轉速），轉速為為n（rs），根據(jù)），根據(jù)pmi的定義，的定義，每循環(huán)每循環(huán)氣體所作的氣體所作的指示功（指示功（J）為）為:imisWpViP1.定

7、義：定義：內燃機單位時間內所作的指示功。內燃機單位時間內所作的指示功。2.公式推導：公式推導：19 若一臺內燃機的氣缸數(shù)為若一臺內燃機的氣缸數(shù)為i，每缸的工作容積為，每缸的工作容積為Vs （m3），），平均指示壓力為平均指示壓力為pmi （Nm2），轉速為），轉速為n（rs），根據(jù)），根據(jù)pmi的定義，每循環(huán)氣體所作的指示功（的定義，每循環(huán)氣體所作的指示功（J）為）為:2nZimisWpV設每秒鐘的做功次數(shù)為設每秒鐘的做功次數(shù)為z42為沖程數(shù)，對于四沖程內燃機：； 對于二沖程內燃機：。具有具有i個氣缸的發(fā)動機每秒所做的指示功率為：個氣缸的發(fā)動機每秒所做的指示功率為：22iimismisnnPW

8、 Z ipVipVi ()W203.實際應用的公式實際應用的公式22iimismisnnPW Z ipVipVi i()( ),n(r/min), P (kW) mispMPaV L在實際應用時，一般采用，代入可得363102 101060simiVnPpi30misip V niP對四沖程發(fā)動機對四沖程發(fā)動機對二沖程發(fā)動機對二沖程發(fā)動機120misip V niP 60misip V niP ()kW()kW21itBHuPiit3106 . 3 發(fā)動機實際循環(huán)指示功與所消耗燃料熱量的比值。發(fā)動機實際循環(huán)指示功與所消耗燃料熱量的比值。1iitWQ對于一臺發(fā)動機，當測得其指示功率對于一臺發(fā)動機

9、，當測得其指示功率Pi (kW)和每小時燃油和每小時燃油消耗量消耗量B(kgh)時，燃料的熱值為時，燃料的熱值為Hu(KJ/Kg)。根據(jù)定義，可得：Q1為得到指示功為得到指示功Wi所消耗的熱量（所消耗的熱量（J）。）。22310 /()iiBbgkw hPib33.6 10iitPBHu63.6 10itiub H 單位指示功率消耗的燃料量。單位指示功率消耗的燃料量。表示實際循環(huán)的經(jīng)濟性指標表示實際循環(huán)的經(jīng)濟性指標it和和bi之間存在著以下關系：之間存在著以下關系：itibuiHb若以柴油的低熱值若以柴油的低熱值Hu41868 kJkg代入代入86itib23四沖程柴油機四沖程柴油機 二沖程柴

10、油機二沖程柴油機 四沖程汽油機四沖程汽油機 二沖程汽油機二沖程汽油機 一般內燃機的一般內燃機的it和和bi的統(tǒng)計范圍如下：的統(tǒng)計范圍如下：從統(tǒng)計范圍可以看出：從統(tǒng)計范圍可以看出：柴油機柴油機的指示熱效率的指示熱效率高高于于汽油機汽油機，四沖程四沖程發(fā)動機的指示熱效率發(fā)動機的指示熱效率高于高于二二沖程沖程發(fā)動機。發(fā)動機。2425一、機械效率和有效功率一、機械效率和有效功率eimPPPimePP一定時，則，說明摩擦力小，加工和裝配精度高。emiPP26一、機械效率和有效功率一、機械效率和有效功率160( /min)( / ),6060nn rr snn*則轉一轉所需的時間為：t*2()606030

11、9550tqtqtqtqeeTTTnTnWPkwtnn .tqTN m式中，為發(fā)動機轉矩，27二、平均有效壓力和升功率二、平均有效壓力和升功率mep30misip V niP3030meseemesp V niPPpV ni28955030tqmeseT np V niP30mesep V niP,tqmemeTpp發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出反映了轉矩的大小318.3mestqp V iT29二、平均有效壓力和升功率二、平均有效壓力和升功率LP30emeLsPp nPiV在標定工況下，發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。在標定工況下，發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。是是作總作總的評

12、價。它與的評價。它與pme和和n的乘積成正比。的乘積成正比。PL值越大，發(fā)動機的值越大，發(fā)動機的強化程度強化程度越高越高，發(fā)出一定有效功率的發(fā)動機尺寸越小。因此，不斷提高，發(fā)出一定有效功率的發(fā)動機尺寸越小。因此，不斷提高pme和和n的水平以獲得更強化，更輕巧和緊湊的發(fā)動機，一直是內燃機工作的水平以獲得更強化，更輕巧和緊湊的發(fā)動機，一直是內燃機工作者致力以求的奮斗目標，因而者致力以求的奮斗目標，因而PL是評定一臺發(fā)動機是評定一臺發(fā)動機的重要指標之一。的重要指標之一。 30 農用柴油機 汽車用柴油機 強化高速柴油機 固定船用戶速柴油機 四沖程摩托車用汽油機 四沖程小客車用汽油機 四沖程載貨汽車用汽

13、油機 四沖程小型風冷汽油機 目前內燃機的pme和PL值一般在下列范圍內：3111eeetmeetmeSSWWQppVQV充量系數(shù)充量系數(shù)c過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)a11mepQQ求，先要求，同吸入的空氣量和燃料量有關。32,mssshpT m1,maapT m,mssshpT m1,maapT m1、充量系數(shù)、充量系數(shù)c進氣始點參數(shù)：進氣始點參數(shù)：進氣終點參數(shù)：進氣終點參數(shù)：msmapp（沿程阻力，局部阻力影響）（沿程阻力，局部阻力影響）saTT（工質受機溫加熱影響）（工質受機溫加熱影響）根據(jù)：根據(jù)：pVmRT1shpVmmmRT1shmm： 實 際 進 入 氣 缸 的 新 鮮 空 氣 的 質

14、 量 。： 在 進 氣 管 狀 態(tài) 下 能 充 滿 氣 缸 工 作 容 積 的 空 氣 質 量331、充量系數(shù)、充量系數(shù)cpVmRT1shmm1,smV111將換算到進氣口狀態(tài)時，體積為V 則V也減少來了，則V111cshshsmMVmMV111,msmssshsssp Vp VmmVVRTRT 。342、過量空氣系數(shù)、過量空氣系數(shù)a0all:1/lkgkgkg燃料完全燃燒需要的實際空氣量（空氣燃料)0:1/lkgkgkg燃料完全燃燒需要的理論空氣量（空氣燃料)100babbglmglgl反映燃料和空氣混合時的濃度量bg kg假設每循環(huán)中消耗的燃料量為10bamgl柴油l014.3，汽油l01

15、4.8 。352、過量空氣系數(shù)、過量空氣系數(shù)a10abmgl01,all01,all01,all(理論混合氣理論混合氣)(稀混合氣稀混合氣)(濃混合氣濃混合氣)是反映混合氣濃度量是反映混合氣濃度量a36，以保證噴入氣缸的柴油能完全燃燒。柴油機在吸入氣缸的空氣量一定的情況下，。a是反映混合氣形成和燃燒完善程度及整機性能的一個指標，。柴油機在全負荷時柴油機在全負荷時a的一般數(shù)值范圍為：的一般數(shù)值范圍為：高速柴油機高速柴油機 a1.21.5增壓柴油機增壓柴油機 a 1.72.237 在整個運行工況中，可以遇到在整個運行工況中，可以遇到a1和和a1的各種情的各種情況，汽油機在全負荷時況，汽油機在全負荷

16、時a的一般數(shù)值范圍為的一般數(shù)值范圍為: a0.851.11/空氣質量流量空燃比燃料質量流量燃料質量流量燃空比空氣質量流量38n實際發(fā)動機的a可由廢氣分析法求得。對于非增壓的四沖程內燃機，也可由耗油量及耗氣量按下求得0aaABla的測量的測量Aa為發(fā)動機的空氣消耗量，為發(fā)動機的空氣消耗量，kgh；B為燃油耗油量，為燃油耗油量，kgh；l0為化學計量空燃比。為化學計量空燃比。391000()()cshcssbaaamVmglll過量空氣系數(shù)的定義充氣效率的定義s其中：為進氣管狀態(tài)下的空氣密度。3. pme的推導與建立的推導與建立1etmesQpV而0cssubuaVHg Hl1其中， Q0cets

17、umeaHpl 3/PausmeHJ kgkg mp其中，、 的單位分別為、；為。403. pme的推導與建立的推導與建立0cetsumeaHpl L()usHMPame實用上，取出、 的單位為kJ/kg、kg/ ,則p為：3/PausmeHJ kgkg mp其中，、 的單位分別為、；為。ssspRTss把代入，p 為進氣管壓力（Pa），T為進氣管溫度（K）,空氣的氣體常數(shù)R=287J/(kg.K)，得：0287cetusasH pl Tmep()( )(/)()ssumep MPaT KH kg kgpMPa若以、燃料 代入，則為03.485cetusmeasH ppl T41000000(

18、/)3.48528.90.121aamecetusascusmeetaslL kmol kglm LmpHpLTHppLTme若 換用燃料 ，則，為空氣的分子量，代入上式可得 （MPa） p建立了動力性指標和經(jīng)濟性指標等一系列參數(shù)之間的建立了動力性指標和經(jīng)濟性指標等一系列參數(shù)之間的關系，為分析發(fā)動機性能提供了一個重要依據(jù)。關系，為分析發(fā)動機性能提供了一個重要依據(jù)。3. pme的推導與建立的推導與建立42n衡量發(fā)動機經(jīng)濟性能經(jīng)濟性能的重要指標是和。et1eetWQ111,eimietitWWWQQQ而etitm 33.6 10iitPBHu33.6 10eetuPBH同理4363.6 10eet

19、ubH310eeBbPeb指單位有效功的耗油量，指單位有效功的耗油量，g(kWh)又可表示為又可表示為:33.6 10eetuPBH可見，有效燃油消耗率與有效可見，有效燃油消耗率與有效熱效率成反比，知道其中一值熱效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。后，可求出另一值。63.6 10eitmubHeb itmuH 高44 beg /(kWh) et低速柴油機低速柴油機 190225 0.380.45中速柴油機中速柴油機 195240 0.360.43高速柴油機高速柴油機 215285 0.300.40(其中較低的其中較低的be值屬排氣渦輪增壓的四沖程、二沖程柴油值屬排氣渦輪增壓的四沖程、二沖

20、程柴油機機)四沖程汽油機四沖程汽油機 274410 0.300.20二沖程汽油機二沖程汽油機 410545 0.200.15一般內燃機在標定工況下的一般內燃機在標定工況下的be和和et值大致在以下范圍值大致在以下范圍:45第三節(jié)第三節(jié) 機械損失與機械效率機械損失與機械效率46mPmiePPPm1eimmmiiiPPPPPPPmmp30misip V niP30mmsmp V niP30mmmsPpV ni47484950515253說明：mfBPPPPPfPBP 發(fā)動機的內部摩擦損失發(fā)動機的內部摩擦損失注：上述注：上述5項中沒有換氣損失功率項中沒有換氣損失功率Pp，這是由于在計算，這是由于在計

21、算Pi時，時，計算計算F1時，扣除了時，扣除了F2這塊面積，因此就定義而言，這塊面積，因此就定義而言，Pf不包含不包含在在Pm項中，但在測量中要項中，但在測量中要Pf和和Pp分開是很難的。所以高速發(fā)分開是很難的。所以高速發(fā)動機中摩擦損失應為：動機中摩擦損失應為：mfBPPP5455miePPP emiPP30mmmsPpV ni56575859倒拖時倒拖時所消耗的功率要所消耗的功率要超過超過柴油機在給定工況工作時的實際機柴油機在給定工況工作時的實際機械損失。械損失。綜合結果綜合結果低壓縮比發(fā)動機低壓縮比發(fā)動機誤差大約為誤差大約為5高壓縮比發(fā)動機高壓縮比發(fā)動機誤差有時可高達誤差有時可高達(152

22、0)測定測定汽油機汽油機機械損失機械損失603. 滅缸法滅缸法 （ （613. 滅缸法滅缸法1()iieexxPPP(1)(2)(3)(4)4()ieeeeePPPPPPeimPPP(1)(1)(1)eimPPP(1),mmmnPPP 一定，則不變 則(1)(1)(1)(1)(1)1eimeeiiiPPPPPPPP2(2)ieePPP3(3)ieePPP4(4)ieePPPemiPP623. 滅缸法滅缸法m1500 /min,48eenrPPS(1)(2)(3)(4)33.3,34.8,34.8,33.6e ie ie ie iPPS PPS PPS PPS480.86555.5emiPP(1

23、)(2)(3)(4)1()4()4 48(33.334.834.833.6)55.5iieexeeeeexPPPPPPPP634. 油耗線法理論依據(jù)：理論依據(jù)：怠速工況：怠速工況：發(fā)動機處于發(fā)動機處于最低穩(wěn)定轉速最低穩(wěn)定轉速下運行，下運行，不對外做功不對外做功。因此，因此，怠速怠速時：時：0,0,emimPPP(消耗了消耗了B0kg/h燃油，獲得了燃油，獲得了Pi的功，用于克服發(fā)的功，用于克服發(fā)動機的機械損失動機的機械損失Pm)644. 油耗線法33.6 10iituPBH333.6 103.6 10 ()uitiemBHPPP3303.6 103.6 10uitimB HPP理論依據(jù)：理論依

24、據(jù)：標定工況：標定工況：設計時規(guī)定的設計時規(guī)定的Pe，n(消耗了消耗了Bkg/h燃油，對外做了燃油，對外做了Pe的功的功)怠速工況：怠速工況：0,0,emimPPPit若不隨負荷增減而變化時，0PBBemmemmmmmPppPp654. 油耗線法0PBBemmPPBeP作發(fā)動機油耗線：作發(fā)動機油耗線：柴油機在轉速不變的情況下進柴油機在轉速不變的情況下進行負荷特性試驗，求出發(fā)動機行負荷特性試驗，求出發(fā)動機在給定轉速下，每小時燃油消在給定轉速下，每小時燃油消耗量與平均有效功率的關系曲耗量與平均有效功率的關系曲線。線。注：注： 通常是在中等負荷下（即通常是在中等負荷下（即圖中圖中mn段）找準油耗線直

25、線段，段）找準油耗線直線段，然后向兩邊延伸，比較準確。然后向兩邊延伸，比較準確。因高、低負荷時油耗線不成直因高、低負荷時油耗線不成直線，誤差大。線，誤差大。mn0BB00PP-PB11PPPBeimmmiiemPP 664. 油耗線法0PBBemmemmmmmPppPp作發(fā)動機油耗線：作發(fā)動機油耗線：柴油機在轉速不變的情況下進柴油機在轉速不變的情況下進行負荷特性試驗，求出發(fā)動機行負荷特性試驗，求出發(fā)動機在給定轉速下，每小時燃油消在給定轉速下，每小時燃油消耗量與耗量與平均有效壓力平均有效壓力的關系曲的關系曲線。線。011memmmmemmmemmppBppppB 這個方法雖然只是近似的方法，但只

26、要在低負荷附近，燃油消耗量曲線為直線就這個方法雖然只是近似的方法，但只要在低負荷附近，燃油消耗量曲線為直線就相當可靠，即使沒有電力測功器和示功器也能進行測定。但是，這種方法相當可靠，即使沒有電力測功器和示功器也能進行測定。但是，這種方法不適用不適用于用節(jié)氣門調節(jié)功率的汽油機。于用節(jié)氣門調節(jié)功率的汽油機。675. 幾種測量方法的適用范圍幾種測量方法的適用范圍只能用于配有的情況，因而不適用于大功率發(fā)動機，而較。由于由于倒拖法和滅缸法倒拖法和滅缸法破壞了增壓系統(tǒng)的正常工作，因而只能用破壞了增壓系統(tǒng)的正常工作，因而只能用來測定機械損失。來測定機械損失。(pb0.15M Pa)(pb0.15MPa)除除

27、外，尚無其他適用的方法可取代外，尚無其他適用的方法可取代。滅缸法滅缸法只適用于只適用于多缸機多缸機68一般內燃機的機械效率大致在以下范圍： m非增壓柴油機 0.780.85增壓柴油機 0.800.92汽油機 0.800.9069第四節(jié) 排放指標n一、排放物的濃度一、排放物的濃度n二、質量排放量二、質量排放量n三、比排放量三、比排放量n四、排放率四、排放率70n定義：從廣義上講，是指排放物在總排氣量中所占的比例n對于氣態(tài)排放物（CO、HC、NOx）來說，常用體積分數(shù)來表示n一般內燃機的排放物都可以作為理想氣體處理n內燃機工程的標準的大氣狀態(tài)為總壓力101.3kPa，水蒸氣分壓為1kPa，溫度為2

28、73Kn固體排放物微粒用質量濃度表示，常用單位為mg/m371二、二、排放量排放量n單位時間后者按照某標準規(guī)定，進行一次測試，在試驗期內測出的污染物質量，稱為質量排放量，通常以g/h或g/test表示n按照內燃機的車輛規(guī)定的工況組合（稱為測試循環(huán)）行使后折算到單位里程的排放量，稱為（單位）里程質量排放量，常用單位為g/km72n內燃機針對單機進行測試時，沒單位功排出的污染物質量，常用g/(kW.h)表示，用以評價不同種類、排量的內燃機的排放特性n比排放量可以根據(jù)測得的發(fā)動機功率、排氣流量、污染物濃度、污染物密度等數(shù)據(jù)進行計算n計算比排放時，可以參閱有關國家標準執(zhí)行73n排放率定義為燃燒單位質量

29、的燃料所排放的污染物質量，常用g/kg表示n排放率在研究各種燃燒排放源對大氣環(huán)境影響時常用到，因為燃料消耗量和排放率可以方便的計算污染物總量，但對于內燃機來說。排放率隨工況變化十分復雜，所以應用不多。74第五節(jié)第五節(jié) 提高內燃機動力性能與經(jīng)濟提高內燃機動力性能與經(jīng)濟性能的途徑性能的途徑401P303 10meituLcmsap nHnl 0uHl變化不大1PitLcmsaKn 首先分析影響單位氣缸工作容積的輸出功率，即升功率PL的各因素。動力性能動力性能經(jīng)濟性能經(jīng)濟性能62eitmuitK3.6 10bHm 可以進行提高發(fā)動機動力性和改善經(jīng)濟性的途徑分析。0cetsumeaHpl 75 1PitLcmsaKn 62eitmuitK3.6 10bHm 1. 提高進氣密度提高進氣密度（采用（采用增壓技術增壓技術）s通過壓氣機使空氣進入氣缸前進行預壓縮，提高進氣口壓力，從而提通過壓氣機使空氣進入氣缸前進行預壓縮，提高進氣口壓力，從而提高進氣密度。高進氣密度。1sLmP76 目前，在在上廣泛采用排氣渦輪增壓器上廣泛采用排氣渦輪增壓器，尤其是當采用高增壓后，可以促使柴油機的。 由于受限制，壓縮行程終了時的壓力和溫