發(fā)動機(jī)的實(shí)際循環(huán)與性能指標(biāo)課件

第二章發(fā)動機(jī)的實(shí)際循環(huán)與性能指標(biāo)

在第一章中，我們按照熱力學(xué)的觀點(diǎn)把發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)理想化、抽象化，分析影響理想循環(huán)的基本因素，找出提高效率及作功能力的途徑。本章將對發(fā)動機(jī)的實(shí)際循環(huán)進(jìn)行分析。在第一章中，我們按照熱力學(xué)的觀點(diǎn)把發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)理想化、抽象化，分析影響理想循環(huán)的基本因素，找出提高效率及作功能力的途徑。本章將對發(fā)動機(jī)的實(shí)際循環(huán)進(jìn)行分析。研究實(shí)際循環(huán)的目的，就是分析與理想循環(huán)的差異和引起各種損失的原因，以求不斷改善實(shí)際循環(huán)，縮小與理想循環(huán)的差距，促進(jìn)發(fā)動機(jī)的改進(jìn)與發(fā)展。發(fā)動機(jī)的工作性能，常用性能指標(biāo)來衡量。本課程是以動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放、振動、噪聲等性能為研究對象，深入到工作過程的各個(gè)階段，分析影響這些性能的各種因素，從中找出提高性能的一般規(guī)律。、一、實(shí)際循環(huán)進(jìn)行過程（一）示功圖氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力p隨氣缸工作容積v或曲軸轉(zhuǎn)角θ變化的圖形稱為示功圖。示功圖有兩種基本形式：以氣缸工作容積為獨(dú)立變量的稱為p—V示功圖；以曲軸轉(zhuǎn)角為獨(dú)立變量的稱為p—θ示功圖，也稱展開示功圖。如圖分別為p—V圖和p—θ圖。示功圖是研究實(shí)際循環(huán)的依據(jù)，一般由專門的儀器在發(fā)動機(jī)工作時(shí)直接測得。

（二）實(shí)際循環(huán)過程發(fā)動機(jī)在實(shí)際循環(huán)是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣等五個(gè)過程組成。通常用缸內(nèi)的氣體壓力p隨氣缸工作容積v而變化的圖形來表示工質(zhì)在氣缸中的實(shí)際工作情況，如圖所示為四行程發(fā)動機(jī)示功圖。（1）排氣終了時(shí)氣缸內(nèi)壓力p（r點(diǎn)）高于大氣壓p0，殘余廢氣膨脹，壓力由排氣終點(diǎn)的壓力pr降到壓力pr’（2）活塞下行，新鮮工質(zhì)被吸入氣缸。由于進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力，進(jìn)氣終了壓力pa一般小于大氣壓力p0，壓力差p0~pa用來克服進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力。由于新鮮工質(zhì)受到發(fā)動機(jī)高溫零件和殘余廢氣的加熱，進(jìn)氣終了的溫度Tca總高于大氣溫度T0。

一般進(jìn)氣終了的壓力Pca及溫度Tca大致范圍是：汽油機(jī)Pca=（0.8~0.90）p0Tca=340~380K柴油機(jī)Pca=（0.85~0.95）p0Tca=300~340K增壓柴油機(jī)Pca=（0.9~1.0）p0

Tca=320~380K工質(zhì)被壓縮的程度用壓縮比εc表示。

式中va—?dú)飧卓側(cè)莘e（氣缸最大容積）；vcc—燃燒室容積(氣缸余隙容積）;vs—?dú)飧坠ぷ魅莘e(活塞排量）；

壓縮比的大致范圍是：汽油機(jī)εc=7~10柴油機(jī)εc=14~22增壓柴油機(jī)εc=12~15

壓縮終了壓力pco及溫度Tco的大致范圍是：

pco（MPa）Tco（K）汽油機(jī)0.8~2.0600~750柴油機(jī)3.0~5.0750~1000增壓柴油機(jī)5.0~8.0900~1100

在使用中，實(shí)測的壓縮壓力值是發(fā)動機(jī)的動力性技術(shù)指標(biāo)。如因活塞環(huán)失效、氣缸磨損嚴(yán)重、氣門封閉不嚴(yán)等，使壓縮終了壓力降低，造成起動困難，功率下降，應(yīng)查明原因，及時(shí)檢修。3．燃燒過程燃燒過程的作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽构べ|(zhì)的壓力及溫度升高，為膨脹創(chuàng)造條件。燃燒過程放出的熱量越多,放熱時(shí)越接近上止點(diǎn)，則熱效率越高。

在汽油機(jī)中，當(dāng)活塞壓縮到上止點(diǎn)前某一刻（圖2-3b中c′點(diǎn)）汽油與空氣形成的混合氣由電火花點(diǎn)燃，火焰迅速傳遍整個(gè)燃燒室，使工質(zhì)的壓力及溫度急劇上升，其壓力在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高值pmax(pz)。因此，接近定容加熱（如圖中cz段）。

在柴油機(jī)中，同樣應(yīng)在上止點(diǎn)前開始噴油（圖中c′點(diǎn)），柴油微粒迅速蒸發(fā)而與空氣混合，并借助于空氣的熱量而自燃。燃燒開始時(shí)，燃燒速度很快，而氣缸容積變化很小，工質(zhì)溫度，壓力劇增，所以接近定容加熱（圖a中cz′段）。隨后是邊噴油邊燃燒，燃燒速度慢，且隨著活塞下移氣缸容積增大，所以氣缸壓力升高不大，而溫度繼續(xù)上升，因此接近等壓加熱（圖中z′z段）。4．膨脹過程圖中zb線即為膨脹過程曲線。膨脹過程是燃燒后的高溫高壓氣體在氣缸內(nèi)膨脹，推動活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動而作功的過程。隨著氣缸容積增大，氣體的壓力、溫度迅速下降。

在膨脹過程中，與壓縮過程中情況相似，并非絕熱過程，不僅有散熱損失，漏氣損失，還有補(bǔ)燃和高溫?zé)岱纸?，因此?shí)際膨脹過程也是多變指數(shù)變化的多變過程。在膨脹開始時(shí)，由于存在繼續(xù)燃燒現(xiàn)象，稱為后燃，工質(zhì)被加熱，到某一瞬間，對工質(zhì)的加熱量與工質(zhì)向缸壁等的散熱量相等，隨后工質(zhì)向缸壁散熱。5．排氣過程排氣過程的作用是排出燃燒廢氣，為下一循環(huán)的進(jìn)氣作好準(zhǔn)備。圖中b′br線，即表示排氣過程。在膨脹過程末期，活塞接近下止點(diǎn)b′時(shí)排氣門開啟，廢氣高速排出。當(dāng)活塞由下向上移動時(shí)，缸內(nèi)廢氣繼續(xù)排出，直到排氣門關(guān)閉，排氣過程結(jié)束。由于排氣系統(tǒng)有阻力，排氣終了的壓力pr仍高于大氣壓po。壓力差pr—po用來克服排氣系統(tǒng)的阻力，阻力越大，排氣終了的壓力pr越大，殘留在缸內(nèi)的廢氣越多。

排氣終了的溫度常作為檢查發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)榕艢鉁囟鹊?，說明燃料燃燒后，轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃慷啵ぷ鬟^程進(jìn)行的好。如果發(fā)現(xiàn)排溫偏高，應(yīng)立即查明原因。（三）循環(huán)指示功在實(shí)際循環(huán)的p—V示功圖中，閉合曲線czb′bc′c所包圍的面積Ai，代表工質(zhì)對活塞做的功，故是正功。曲線rr′ar所包圍的面積A1稱為泵氣損失，對非增壓發(fā)動機(jī)是負(fù)功；為了試驗(yàn)測量的方便，常將泵氣損失計(jì)入機(jī)械損失中。則：Ai為實(shí)際循環(huán)有用功。二、實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)比較

通過上述實(shí)際循環(huán)的五個(gè)過程分析，可以看出發(fā)動機(jī)的實(shí)際循環(huán)與理想循環(huán)有很大差別。研究實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的差異，就可找出熱量損失所在。分析差異的原因，可探求提高熱量有效利用的途徑。

其差別由以下幾項(xiàng)損失引起。1．換氣損失（Wr）換氣損失：為更換工質(zhì)，而消耗的功，圖中的Wr所示。其中因工質(zhì)流動需要克服進(jìn)、排氣系統(tǒng)阻力所消耗的功稱為泵氣損失，即圖中曲線rab’r包圍的面積。和因排氣門在下止點(diǎn)前提前開啟而形成的損失稱為提前排氣損失，圖中面積W所示。3．實(shí)際工質(zhì)影響引起損失（Wk）理論循環(huán)中假定工質(zhì)的比熱為定值，而實(shí)際氣體的比熱是隨溫度的上升而增大的。并且在整個(gè)工作循環(huán)中存在泄漏，使工質(zhì)的數(shù)量減少。因此，使實(shí)際循環(huán)的指示熱效率ηit和指示功率pi要比理想循環(huán)小，其損失功為Wk。

4.傳熱、流動損失（Wb）在實(shí)際循環(huán)中，工質(zhì)與燃燒室壁、氣缸壁面之間，始終存在著熱交換，其壓縮與膨脹過程不是絕熱的，由此而產(chǎn)生的損失稱傳熱損失，如圖中Wb所示。

由上述討論可知，理想循環(huán)是把發(fā)動機(jī)的實(shí)際工作過程簡化成工質(zhì)的基本熱力過程組成的循環(huán)，是最簡單的空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)。而實(shí)際循環(huán)由于存在著各種損失，其中最重要的是傳熱損失和燃燒損失，因此實(shí)際循環(huán)的指示功比理想循環(huán)的指示功要小。實(shí)際循環(huán)的熱效率也小于理想循環(huán)的熱效率。

第二節(jié)發(fā)動機(jī)的指示指標(biāo)指示指標(biāo)是用來評定實(shí)際循環(huán)質(zhì)量的好壞，它以工質(zhì)在氣缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)，用平均指示壓力及指示功率評定循環(huán)的動力性——即做功能力。用循環(huán)熱效率及燃油消耗率評定循環(huán)經(jīng)濟(jì)性。、一、循環(huán)的指示功Wi和平均指示壓力pmi在氣缸內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)，工質(zhì)對活塞所做的功，稱為指示功，用Wi表示。其大小可由p—v圖中閉合曲線包圍的面積Ai求得。

用求積儀測出封閉曲線czb′bc′c所包圍的面積即為Ai，則發(fā)動機(jī)的指示功可由下式求出Wi=abAikJ式中Ai—示功圖中指示功面積（mm2）a—示功圖縱坐標(biāo)(kPa/mm)

指示功Wi雖然能表明發(fā)動機(jī)氣缸在一個(gè)工作循環(huán)中所獲得的有用功多少和循環(huán)中熱功轉(zhuǎn)換的有效程度，但由于和氣缸工作容積有關(guān)，對不同規(guī)格、不同型式的發(fā)動機(jī)，用指示功難以評價(jià)各類發(fā)動機(jī)工作循環(huán)進(jìn)行的好壞，為了便于評定不同發(fā)動機(jī)循環(huán)進(jìn)行的好壞，引入平均指示壓力的概念。

平均指示壓力pmi是指一個(gè)循環(huán)所作的指示功Wi與氣缸工作容積vs之比，即

它表示發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積的指示功。顯然，平均指示壓力pmi越大，表示發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)進(jìn)行的越好，氣缸工作容積利用程度越高。pmi值的一般范圍是：汽油機(jī)800~1500(kPa)柴油機(jī)700~1100(kPa)增壓柴油機(jī)1000~2500(kPa)二、指示功率Pi發(fā)動機(jī)單位時(shí)間所做的指示功，稱為發(fā)動機(jī)的指示功率，用Pi表示。設(shè)發(fā)動機(jī)的氣缸數(shù)為i，每缸工作容積為Vs（m3），轉(zhuǎn)速為n（r/min），平均指示壓力為pmi（kPa），則每缸、每循環(huán)工質(zhì)的指示功為：Wi=pmivskJ發(fā)動機(jī)指示功率（i個(gè)氣缸每秒所作的指示功）為：四行程發(fā)動機(jī)二行程發(fā)動機(jī)如果τ表示發(fā)動機(jī)沖程數(shù),（四沖程τ=4；二沖程τ=2）以上兩式可合并為下式：

三、指示燃油消耗率bi單位指示功所消耗的燃油量，稱為指示燃油消耗率，用bi表示，通常以每千瓦小時(shí)指示功的耗油量(克)表示。當(dāng)測得發(fā)動機(jī)的指示功率為Pi（kW），每小時(shí)耗油量為B（kg/h）時(shí)，則指示燃油消耗率：(g/kW?h)指示燃油消耗率是評定發(fā)動機(jī)實(shí)際循環(huán)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，bi越小，表示循環(huán)過程中作1千瓦﹒小時(shí)的功所消耗的燃油量越少，發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性越好。bi值的大致范圍是：柴油機(jī)170~205(g/kW?h)汽油機(jī)205~320(g/kW?h)四、指示熱效率ηit指示熱效率ηit是發(fā)動機(jī)實(shí)際循環(huán)的指示功與所消耗燃料熱量之比，即式中Q1——為得到指示功Wi所消耗燃料的熱量（kJ）。

根據(jù)熱功當(dāng)量可知，1kW?h的指示功相當(dāng)于3600(kJ)的熱量，即1kW?h=3.6×103(kJ)。而完成1kW?h的功需要消耗的熱量為biHu/1000（kJ），Hu為燃料低熱值（kJ/kg），即不計(jì)汽化潛熱時(shí)，1kg燃油完全燃燒所放出的熱量。燃油中含有氫，燃燒后生成水。生成的水為液態(tài)，熱值中包含了水的汽化潛熱，為高熱值。生成的水為氣態(tài)，則熱值中不包含水的汽化潛熱，為低熱值Hu。則指示熱效率為：

ηit值的一般范圍是：汽油機(jī)0.30~0.40柴油機(jī)0.43~0.50

第三節(jié)發(fā)動機(jī)的有效指標(biāo)以發(fā)動機(jī)曲軸輸出功率為基礎(chǔ)的性能指標(biāo)稱為發(fā)動機(jī)的有效指標(biāo)?？捎脕碓u價(jià)整個(gè)發(fā)動機(jī)性能的好壞，它比指示指標(biāo)更有實(shí)用價(jià)值。其中評價(jià)動力性的有效指標(biāo)包括有效功率、有效扭距、平均有效壓力；評價(jià)經(jīng)濟(jì)性的有效指標(biāo)包括燃油消耗率和有效熱效率。評價(jià)強(qiáng)化程度的有升功率、比質(zhì)量和強(qiáng)化系數(shù)。一、發(fā)動機(jī)動力性能1．有效功率Pe發(fā)動機(jī)曲軸輸出的功率稱為有效功率，可由發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)計(jì)算出來。發(fā)動機(jī)的有效功率Pe即為指示功率Pi與機(jī)械損失功率Pm之差。即Pe=Pi—Pm(kW)

2．有效扭矩Ttq發(fā)動機(jī)曲軸輸出的扭矩稱為有效扭矩，用Ttq表示。它與有效功率Pe、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n之間為下列關(guān)系：

3．平均有效壓力pme發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積（升）所輸出的有效功稱為平均有效壓力。它與有效功率之間的關(guān)系為：

pme值的一般范圍是：汽油機(jī)700~1300(kPa)柴油機(jī)600~1000(kPa)增壓柴油機(jī)900~2200(kPa)4．轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度Cm提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，既增加單位時(shí)間的做功次數(shù)，從而使發(fā)動機(jī)體積小、重量輕和功率大。轉(zhuǎn)速n增加，活塞平均速度Cm也增加，n與Cm（m/s）的關(guān)系為

式中S——活塞行程（m）。

Cm大，則活塞組的熱負(fù)荷和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力均增大，磨損加劇，壽命下降，Cm已成為表征發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度的參數(shù)。一般汽油機(jī)不超過18m/s，柴油機(jī)不超過13m/s。為提高轉(zhuǎn)速又不使Cm過大，可以減小行程S，即對于高速發(fā)動機(jī)，在結(jié)構(gòu)上采用較小的行程缸徑比（S/D）值。但S/D值小也會造成燃燒室高度減小，其表面積與容積的比A/V值增大，混合氣形成條件變差，不利于燃燒。當(dāng)S/D<1時(shí)，常稱為短行程。二、發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能1.

有效燃油消耗率b單位有效功（1kW?h）的燃油消耗量（克），稱為發(fā)動機(jī)的燃油消耗率，也稱為耗油率。燃油消耗率是評定發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。b越小，表示發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性越好。

2．有效熱效率ηet有效熱效率是指發(fā)動機(jī)實(shí)際循環(huán)的有效功We(kJ)與為得到此有效功所消耗的燃油的熱量Q1(kJ)之比，即

b及ηet的大致范圍是：ηetb(g/kW?h)汽油機(jī)0.25~0.3270~325柴油機(jī)0.3~0.45190~285三、發(fā)動機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)1．升功率PL和比質(zhì)量me升功率PL的定義是：在標(biāo)定工況下，發(fā)動機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。即發(fā)動機(jī)的標(biāo)定功率PeB與總工作容積ivs之比。式中PeB——發(fā)動機(jī)的標(biāo)定功率（kW）；i——?dú)飧讛?shù)；vs——每個(gè)氣缸的工作容積（L）?？梢奝L的大小與平均有效壓力pme和轉(zhuǎn)速的乘積成正比，提高PL的主要措施是提高平均有效壓力和發(fā)動機(jī)的機(jī)轉(zhuǎn)速。它用來衡量發(fā)動機(jī)容積利用的程度。汽車發(fā)動機(jī)發(fā)展的方向之一是繼續(xù)提高升功率。PL值的大致范圍：汽油機(jī)30~70(kW/L)汽車柴油機(jī)18~30(kW/L)比質(zhì)量me是發(fā)動機(jī)干質(zhì)量m與標(biāo)定功率PeB之比。它表征質(zhì)量利用程度和結(jié)構(gòu)緊湊性汽油機(jī)1.1~4(kg/kW)汽車柴油機(jī)2.5~9.0(kg/kW)2．強(qiáng)化系數(shù)pmeCm平均有效壓力pm與活塞平均速度eCm的乘積稱為強(qiáng)化系數(shù)。它與活塞單位面積的功率成正比。其值越大，發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷越高。由于發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢是強(qiáng)化程度不斷提高，所以pmeCm值增大，也是技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)標(biāo)志。pmeCm的大致范圍是：汽油機(jī)8~17MPa·m./s小型高速柴油機(jī)6~11MPa·m/.s重型汽車柴油機(jī)9~15MPa·m/.s

第四節(jié)發(fā)動機(jī)的環(huán)境指標(biāo)發(fā)動機(jī)的環(huán)境指標(biāo)主要指排氣品質(zhì)和噪聲。

一、排放性能1．排出有害氣體目前主要限制一氧化碳（CO）、各種碳?xì)浠衔铮℉C）及氮氧化合物（NOx）三種危害最大的氣體排放量。2．排氣微粒它指排氣中除水以外的任何液態(tài)或固體微粒。其中，以碳為主要成分的固體顆粒形成碳煙，是排氣微粒最主要的成分，目前我國只規(guī)定碳煙限值。二、噪聲噪聲會刺激神經(jīng)，使人心情煩躁、反應(yīng)遲鈍、甚至產(chǎn)生耳聾、高血壓和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，汽車是城市的主要噪聲源之一，發(fā)動機(jī)又是汽車的主要噪聲源，故必須給予控制。如我國噪聲標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，轎車噪聲不得大于84dB。

第五節(jié)機(jī)械損失與機(jī)械效率

一、機(jī)械損失

1．

發(fā)動機(jī)內(nèi)部運(yùn)動件的摩擦損失。如活塞和活塞環(huán)與缸壁的摩擦：各個(gè)軸承與軸頸之間的摩擦；氣門傳動機(jī)構(gòu)的摩擦；油封處的摩擦等。這部分損失所占比例最大，約占總機(jī)械損失的60%~75%。2．驅(qū)動附屬機(jī)構(gòu)的損失。如驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)、冷卻水泵、風(fēng)扇、機(jī)油泵、點(diǎn)火裝置或噴油泵等的損失。約占總機(jī)械損失的10%~20%。3

.

泵氣損失。約占總機(jī)械損失的10%~20%。由于機(jī)械損失而消耗的功率稱為機(jī)械損失功率，用Pm表示，可得：Pm=Pi—Pe(kW)

3．

二、機(jī)械效率曲軸輸出的有效功率與指示功率之比，稱為機(jī)械效率，用ηm表示，即

式中pmm——平均機(jī)械損失壓力（kPa）。

三、機(jī)械損失的測定機(jī)械損失功率可通過發(fā)動機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)測定，常用的實(shí)驗(yàn)方法有倒拖法和滅缸法，柴油機(jī)還可用油耗線法。1.倒拖法2.滅缸法

四、影響機(jī)械效率的主要因素1．發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高后，致使：（1）各摩擦表面間的相對運(yùn)動速度加大，摩擦損失增加。（2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力加大，活塞側(cè)壓力和軸承負(fù)荷均增加，摩擦損失增加。（3）泵氣損失加大。（4）驅(qū)動附件的機(jī)械損失增加。所以，轉(zhuǎn)速提高后機(jī)械損失功率增加，使機(jī)械效率下降。根據(jù)實(shí)測統(tǒng)計(jì)資料，機(jī)械損失功率與轉(zhuǎn)速平方近似成正比。因此隨轉(zhuǎn)速升高機(jī)械效率下降較快。

2．發(fā)動機(jī)負(fù)荷當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一定，負(fù)荷減小時(shí)，汽油