第二章_內(nèi)燃機(jī)的工作指標(biāo)

1、第二章內(nèi)燃機(jī)的工作指標(biāo)第一節(jié)示功圖與指示性能指標(biāo)第二節(jié)有效性能指標(biāo)第三節(jié)機(jī)械損失與機(jī)械效率第四節(jié)排 放 指 標(biāo)第五節(jié)提高內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能的途徑第一節(jié)示功圖與指示性能指標(biāo)一、示功圖二、指示性能指標(biāo)一、示功圖圖2-1四沖程內(nèi)燃機(jī)的p-圖一、示功圖圖2-2四沖程壓燃式和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)p-V圖二、指示性能指標(biāo)1.指示功和平均指示壓力2.指示功率3.指示熱效率和指示燃油消耗率1.指示功和平均指示壓力圖2-3發(fā)動(dòng)機(jī)的p-V圖a) 四沖程非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)b) 四沖程增壓發(fā)動(dòng)機(jī)c) 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)2.指示功率內(nèi)燃機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所作的指示功稱為指示功率Pi。3.指示熱效率和指示燃油消耗率指示熱效率是發(fā)動(dòng)機(jī)

2、實(shí)際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量的比值第二節(jié)有效性能指標(biāo)一、機(jī)械效率和有效功率二、平均有效壓力、有效功率和升功率三、由吸入空氣量計(jì)算平均有效壓力四、有效熱效率和有效燃油消耗率一、機(jī)械效率和有效功率上面所討論的指示性能指標(biāo)只能評(píng)定工作循環(huán)進(jìn)行的好壞，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的指示功率需扣除運(yùn)動(dòng)件的摩擦功率以及驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、機(jī)油泵、燃油泵、發(fā)電機(jī)等附件所消耗的功率后才能變?yōu)榍S的有效輸出，所有這些消耗功率的總和稱為機(jī)械損失功率Pm，從而有效功率為Pe=Pi-Pm有效功率與指示功率之比稱為機(jī)械效率二、平均有效壓力、有效功率和升功率與平均指示壓力相似，平均有效壓力可看做是一個(gè)假想的、平均不變的壓力作用在活塞頂上，使活塞

3、移動(dòng)一個(gè)行程所做的功等于每循環(huán)所做的有效功。平均有效壓力是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的一個(gè)重要參數(shù)。三、由吸入空氣量計(jì)算平均有效壓力1.充量系數(shù)?c2.過量空氣系數(shù)?a1.充量系數(shù)?c若把每循環(huán)吸入氣缸的空氣量換算成進(jìn)氣管狀態(tài)(ps，Ts)的體積V1，其值一般要比活塞排量Vs小，兩者的比值定義為充量系數(shù)2.過量空氣系數(shù)?a燃燒單位燃料的實(shí)際空氣量與理論空氣量之比稱為過量空氣系數(shù)?a四、有效熱效率和有效燃油消耗率衡量發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)是有效熱效率和有效燃油消耗率b。有效熱效率是實(shí)際循環(huán)的有效功與為得到此有效功所消耗的熱量的比值第三節(jié)機(jī)械損失與機(jī)械效率一、機(jī)械損失的組成部分二、機(jī)械損失的測(cè)定一、機(jī)械

4、損失的組成部分1.活塞與活塞環(huán)的摩擦損失2.軸承與氣門機(jī)構(gòu)的摩擦損失3.驅(qū)動(dòng)附屬機(jī)構(gòu)的功率損失4.風(fēng)阻損失5.驅(qū)動(dòng)掃氣泵及增壓器的損失1.活塞與活塞環(huán)的摩擦損失活塞與活塞環(huán)的摩擦損失占整個(gè)摩擦損失的主要部分。這是由于它的滑動(dòng)面積大、相對(duì)速度高、潤(rùn)滑不充分等原因造成的。這種摩擦與活塞的長(zhǎng)度、活塞間隙以及活塞環(huán)的數(shù)目和環(huán)的張力等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。此外，在構(gòu)造相同的情況下，它隨氣缸壓力、活塞速度以及潤(rùn)滑油粘度的升高而增加。2.軸承與氣門機(jī)構(gòu)的摩擦損失軸承與氣門機(jī)構(gòu)的摩擦損失包括所有主軸承、連桿軸承和凸輪軸軸承等的摩擦損失。在這些軸承里，由于潤(rùn)滑充分，純液力摩擦因數(shù)很低，不過隨著軸承直徑的增大和轉(zhuǎn)速的提高

5、，軸頸圓周速度的增大，運(yùn)動(dòng)件慣性力增大，這部分損失也將增加，但它對(duì)氣缸中壓力的變化不太敏感。至于消耗在氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的損耗，在額定功率工況下所占比例是很微小的，在低速小負(fù)荷時(shí)，它的比例將增大。3.驅(qū)動(dòng)附屬機(jī)構(gòu)的功率損失所謂的附屬機(jī)構(gòu)，主要是指為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作所必不可少的部件或總成，如冷卻水泵總成(風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)中則是冷卻風(fēng)扇)、機(jī)油泵、噴油泵、調(diào)速器等；而一些不是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所必要的總成，如發(fā)電機(jī)、汽車制動(dòng)用的空氣壓縮機(jī)、真空助力泵等，除非加以說明，一般不包括在內(nèi)。有時(shí)散熱器、冷卻風(fēng)扇也不包括在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失之內(nèi)。這些附屬機(jī)構(gòu)消耗的功率隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油粘度的增加而增大，但與氣缸壓力無關(guān)，它

6、僅占機(jī)械損失中的一小部分。4.風(fēng)阻損失活塞、連桿、曲軸等零件在曲軸箱內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為克服油霧、空氣阻力及曲軸箱通風(fēng)等將消耗一部分功，但其數(shù)值是很微小的。5.驅(qū)動(dòng)掃氣泵及增壓器的損失在二沖程或機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，還要加上對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行壓縮而帶來的損失。上述諸損失中，可將前四項(xiàng)損失之和視作發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部摩擦損失，并以Pf表示其損耗的功率，掃氣泵或增壓器所消耗的功率為PB圖2-4自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)中機(jī)械損失各組成部分隨活塞平均速度的變化a泵氣損失b活塞與活塞環(huán)的摩擦損失c氣門機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)損失d附屬機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)損失e連桿軸承摩擦損失f凸輪軸承摩擦損失二、機(jī)械損失的測(cè)定1.示功圖法2.倒拖法3.滅缸法4.油耗線法圖2-5一

7、般發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失平均壓力p的范圍1.示功圖法運(yùn)用燃燒分析儀測(cè)錄氣缸的示功圖，從中算出指示功率Pi值，從測(cè)功器和轉(zhuǎn)速計(jì)讀數(shù)中測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率Pe值，從而可以算出Pm、pmm及m值。這種直接測(cè)定方法是在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)的工作情況下進(jìn)行的，從理論上講也完全符合機(jī)械損失的定義，但結(jié)果的正確程度往往取決于示功圖測(cè)錄的正確程度及p-圖或p-V圖上活塞上止點(diǎn)位置的標(biāo)定誤差，后者對(duì)示功圖及放熱率計(jì)算有很大影響。上止點(diǎn)誤差1(CA)，平均指示壓力的最大相對(duì)誤差可達(dá)7%8%，用示功圖來計(jì)算的放熱率的最大相對(duì)誤差可達(dá)6%7%。此外，在多缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，各個(gè)氣缸多少存在著一定的不均勻性，而在試驗(yàn)中往往只測(cè)錄一個(gè)氣缸的示功

8、圖用以代表其他各缸，這也會(huì)引起一定的誤差，因此，示功圖法一般用于當(dāng)上止點(diǎn)位置能得到精確標(biāo)定時(shí)才能取得較滿意的結(jié)果。2.倒拖法圖2-6發(fā)動(dòng)機(jī)在倒拖時(shí)的p-V圖3.滅缸法此法僅適用于自然吸氣式多缸柴油機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整到給定工況穩(wěn)定工作后，先測(cè)出其有效功率Pe，保持發(fā)動(dòng)機(jī)原循環(huán)供油量不變，停止向某一氣缸供油，并用減少制動(dòng)力矩的辦法迅速將轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原來的數(shù)值，并重新測(cè)定其有效功率P4.油耗線法第四節(jié)排 放 指 標(biāo)一、排放物的濃度二、質(zhì)量排放量三、比排放量四、排放率(或排放指數(shù))一、排放物的濃度內(nèi)燃機(jī)排放物的濃度，從廣義上來說，是指排放物在總排氣量中所占的比例。對(duì)于氣態(tài)排放物如CO、HC和NOx(NO、

9、NO2)來說，常用體積分?jǐn)?shù)來表示。一般內(nèi)燃機(jī)的氣態(tài)排放物都可作為理想氣體處理。為了數(shù)據(jù)的普遍性，氣體的體積要換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)(內(nèi)燃機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力為101.3kPa，水蒸氣分壓為1kPa，溫度為273K)?，F(xiàn)代測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)氣態(tài)排放物的儀器都是基于物理或化學(xué)原理，在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下用標(biāo)定氣進(jìn)行標(biāo)定的流程式儀器(詳見第八章)，測(cè)量結(jié)果用體積分?jǐn)?shù)表示。二、質(zhì)量排放量單位時(shí)間或按某排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)行一次測(cè)試，在試驗(yàn)期內(nèi)測(cè)出的污染物質(zhì)量，稱為質(zhì)量排放量，通常以g/h或g/測(cè)試(g/test)表示。安裝內(nèi)燃機(jī)的車輛按規(guī)定的工況組合(稱為測(cè)試循環(huán))行駛后折算到單位里程的排放量，稱為(單位)里程質(zhì)量排放量，

10、常用單位為g/km。三、比排放量?jī)?nèi)燃機(jī)針對(duì)單機(jī)進(jìn)行排放測(cè)量時(shí)，每單位功排出的污染物質(zhì)量，常用比排放量g/(kWh)表示，用以評(píng)價(jià)不同種類、排量的內(nèi)燃機(jī)的排放性能。比排放量與內(nèi)燃機(jī)的燃料消耗率類似，也可稱為污染物排放率，比排放量可以根據(jù)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)功率、排氣流量、污染物濃度、污染物密度等數(shù)據(jù)計(jì)算。四、排放率(或排放指數(shù))排放率定義為燃燒單位質(zhì)量的燃料所排放的污染物質(zhì)量，理論上是個(gè)量綱一的量，實(shí)踐中為方便起見其單位常用g/kg表示。排放率在研究各種燃燒排放源對(duì)大氣環(huán)境影響時(shí)常用到，因?yàn)楦鶕?jù)燃料消耗量和排放率可以方便地計(jì)算污染物總量，但對(duì)內(nèi)燃機(jī)而言，排放率隨工況變化十分復(fù)雜，所以應(yīng)用不多。第五節(jié)提高

11、內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能的途徑一、采用增壓技術(shù)二、合理組織燃燒過程，提高循環(huán)指示效率it三、改善換氣過程，提高氣缸的充量系數(shù)?c四、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速五、提高內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率六、采用二沖程提高升功率一、采用增壓技術(shù)在保持過量空氣系數(shù)?a等參數(shù)不變的情況下，增加吸進(jìn)空氣的密度s可以使發(fā)動(dòng)機(jī)功率按比例增長(zhǎng)。這就需要在內(nèi)燃機(jī)上裝置增壓器，使空氣進(jìn)入氣缸前進(jìn)行預(yù)壓縮。目前，在柴油機(jī)上廣泛采用排氣渦輪增壓器，尤其當(dāng)采用高增壓后，可以促使柴油機(jī)的pme和PL成倍增長(zhǎng)。與此同時(shí)，它還是改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、降低比質(zhì)量、降低廢氣有害排放、降低排煙、節(jié)約原材料的一項(xiàng)最有效的技術(shù)措施。由于采用增壓，柴油機(jī)的pme值已

12、超過3MPa，單位功率質(zhì)量可降低到2kg/kW以下。汽油機(jī)由于受爆燃限制，壓縮行程終了時(shí)的壓力和溫度不宜過高，這就限制了增壓壓力。增壓后，一般功率的提高也僅在30%40%之間。內(nèi)燃機(jī)的增壓技術(shù)還可以用來恢復(fù)在高原使用的內(nèi)燃機(jī)的功率，因?yàn)殡S海拔高度的增加，進(jìn)氣密度下降，燃燒惡化，裝備增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車，其高原動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能可以得到明顯改善。二、合理組織燃燒過程，提高循環(huán)指示效率it提高指示效率不僅改善了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能，同時(shí)也改善其經(jīng)濟(jì)性能，因此，需要從研究?jī)?nèi)燃機(jī)工作循環(huán)入手，深入分析在整個(gè)熱功轉(zhuǎn)換過程中，各種熱力損失的大小及其分布，掌握各種因素對(duì)熱力損失的影響程度，從而尋找減少這些損失的技術(shù)

13、措施，而其中最重要的一個(gè)方面就是對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的改進(jìn)。三、改善換氣過程，提高氣缸的充量系數(shù)?c同樣大小的氣缸容積，在相同的進(jìn)氣狀態(tài)下若能吸入更多的新鮮空氣，則可容許噴入更多的燃料，在同樣的燃燒條件下可以獲得更多的有用功。改善換氣過程，不僅可以提高?c，而且可以減少換氣損失。為此，必須對(duì)換氣過程進(jìn)行深入研究，分析產(chǎn)生損失的原因，然后從改善配氣機(jī)構(gòu)、凸輪廓線、管道流體動(dòng)力性能以及采用多氣門、可變氣門正時(shí)(VVT)與升程及可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度(VIM)等方面著手進(jìn)行研究。關(guān)于這方面的詳細(xì)討論見本書第四章。四、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加轉(zhuǎn)速可以增加單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)氣缸做功的次數(shù)，因而可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出：與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的比質(zhì)量也隨之降低。因此，它是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和減小質(zhì)量、尺寸的一個(gè)有效措施。當(dāng)前，小型柴油機(jī)(D=7090mm)的最高轉(zhuǎn)速已達(dá)5000r/min，但一般在30004000r/min左右，活塞平均速度vm約在1113m/s之間；車用汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在40007000r/min，某些小型風(fēng)冷汽油機(jī)轉(zhuǎn)速可高達(dá)800010000r/min，它們的vm值在1820m/s左右。五、提高內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率提高機(jī)械效率可以提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，這方面主要靠合理選定各種