內(nèi)燃機原理課件

內(nèi)燃機的工作循環(huán)

2-1內(nèi)燃機理想循環(huán)在熱機中，確定工質(zhì)所經(jīng)歷的過程稱為循環(huán)。內(nèi)燃機的實際熱力循環(huán)是由進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣等多個過程所組成的，循環(huán)中工質(zhì)存在著質(zhì)和量的變化，整個過程是不可逆的。要確切地描述內(nèi)燃機中實際的熱力過程，在目前條件下還非常困難。為了了解內(nèi)燃機的①熱能利用的完善程度；②能量相互轉(zhuǎn)換的效率；③尋求提高熱量利用率的途徑。將內(nèi)燃機的實際循環(huán)進行若干簡化，提出一種假想循環(huán)，這種假想循環(huán)就稱為“理想循環(huán)”。

利用理想循環(huán)能夠清楚的比較說明影響內(nèi)燃機熱能利用完善程度的主要因素。理想循環(huán)的簡化假定：①工質(zhì)是一種理想的完全氣體，在整個循環(huán)中保持物理及化學性質(zhì)不變，其狀態(tài)參數(shù)的變化遵守氣體狀態(tài)方程pV=mRT

②不考慮實際存在的工質(zhì)更換以及漏氣損失，工質(zhì)數(shù)量保持不變，循環(huán)是在定量工質(zhì)下進行的。③把氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓縮和膨脹看成是完全理想的絕熱等熵過程，工質(zhì)與外界不進行熱交換，無摩擦、流動損失,工質(zhì)比熱容為常數(shù)。④用假想的定容或定壓加熱來代替實際的燃燒過程，用定容放熱代替實際排氣帶走的熱量。

圖2-1圖2-1（b）為等容循環(huán)（也稱奧托循環(huán)）a—c為絕熱壓縮；c—z為等容加入熱量Q1;z—b為絕熱膨脹；b—a為等容釋放熱量Q2。在壓縮、膨脹過程，工質(zhì)狀態(tài)用表示。根據(jù)加熱方式的不同,理想循環(huán)有三種形式可供分析選擇。壓縮過程的容積變化用壓縮比表示。

膨脹過程的容積變化用后膨脹比表示。定容加熱的壓力升高，以壓力升高比表示。

圖2（c）為等壓循環(huán)（也稱狄賽爾diesel循環(huán)）

a—c為絕熱壓縮；

c—z為定壓加入熱量Q1;

z—b為絕熱膨脹；

b—a為等容釋放熱量Q2。定壓加熱過程的容積變化用初膨脹比表示,其它同等容循環(huán)。

圖2（a）為混合循環(huán)

a→c為絕熱壓縮；

c→z為定容加入熱量Q'1;y→z為定壓加熱量Q''1;z→b為絕熱膨脹；

b→a為等容釋放熱量Q2。由熱力學知,混合循環(huán)熱效率為：

（2—1）

在定壓循環(huán)中,＝1，代入（2—1），則得定壓循環(huán)的熱效率公式為：（2—2）

在等容循環(huán)中，初膨脹比=1，代入（2—1）式則熱效率的公式為

（2—3）分析上式可知，（1）ε↑，則↑，但隨ε不斷增大，提高幅度逐漸降低。（2）↑，則混合循環(huán)中等容加熱量↑，↑。（3）↑，則負荷pt↑

，但下降，因此，按等壓循環(huán)的發(fā)動機，pt↑

，則下降。（4）k↑

，則↑，但在發(fā)動機中k變化不大。（5）當ε相同時：（6）當pz相同，Q1相同,ε不相同時，這是因pz不變時，等壓循環(huán)的ε最大，而等容循環(huán)的ε最小之故。ptvptvt,,,hhh>>2.2渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)在非增壓的內(nèi)燃機中，工質(zhì)只膨脹到b點，然后由b點等容放熱至a點，損失了排氣中的一部分熱能，如果工質(zhì)由Pz一直膨脹到Pa,即在b點后繼續(xù)膨脹至g點，如圖2－2所示，那么這種循環(huán)，比無渦輪增壓循環(huán)要來的完善，它在相同的加熱條件下，多獲得一部分功（b—g），使提高了。我們稱這種循環(huán)為繼續(xù)膨脹循環(huán)。這種繼續(xù)膨脹循環(huán)如在內(nèi)燃機氣缸中實現(xiàn)，將使氣缸加長，使發(fā)動機重量增加，通常是在發(fā)動機排氣管處加一渦輪，使廢氣在渦輪中繼續(xù)膨脹作功，渦輪再帶動一個壓氣機，將空氣壓縮后再進入氣缸中，提高進缸空氣量，這樣可提高Pt。對渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)而言，一般渦輪增壓內(nèi)燃機渦輪后的排氣壓力略高于大氣壓力，但壓力脈動的幅度不大，因此假定循環(huán)的放熱過程等壓，并假定氣體由氣缸流向渦輪，無流動損失與傳熱損失等。其它假定與非增壓時一樣。

渦輪增壓內(nèi)燃機從氣缸排出的廢氣繼續(xù)膨脹有兩種方式:脈沖渦輪增壓：從氣缸排出的廢氣沿絕熱膨脹線繼續(xù)膨脹，排氣管做成有利于使渦輪進口氣體壓力幅度達到最大，充分利用廢氣中的脈沖能量。但供給渦輪的能量變化大，渦輪效率較低,當<2.5時使用.定壓渦輪增壓：將各缸中排出的廢氣導(dǎo)入一根容積很大的排氣總管，使渦輪前的壓力保持恒定，這種方式的脈沖能量不能利用。但在渦輪中廢氣能量轉(zhuǎn)換是穩(wěn)定的，渦輪效率較高。當＞

2.5時,定壓的效率高于脈沖的效率，此時常采用定壓渦輪增壓方式。帶脈沖渦輪增壓的內(nèi)燃機理想循環(huán)如圖2－2所示。

a'—a為壓氣機中的絕熱壓縮；

a—c為氣缸中的絕熱壓縮過程

c—y為氣缸中的定容加熱過程;y—z為氣缸中的定壓加熱過程

圖2－2無中冷脈沖渦輪增圖

2—3帶中冷脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)

z—b為氣缸中的絕熱膨脹過程；

b—g為渦輪中的絕熱膨脹過程；

g—a‘為渦輪中的定壓放熱過程。也可將脈沖渦增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)視為內(nèi)燃機的理想循環(huán)acyzba和定容燃燒式燃氣輪機理想循環(huán)a‘a(chǎn)bga‘兩部分疊加。為了提高進氣密度，通常對增壓器后的進缸空氣冷卻，工作循環(huán)只是比無中冷的多了一個k—a等壓向冷卻器放熱過程。帶空氣冷卻的脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率的公式為（2－4）無空氣中冷的脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)熱效率只需將溫降比代入（2－4）即可得：

（2－4'）

定壓渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)如圖2－4所示，圖2－4定壓渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)帶空氣中冷定壓渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率公式為:

（2－5）當＝1，即變?yōu)闊o空氣中冷的定壓渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率公式：（2－5`）

2－3內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率如圖2－5所示，圖2－5渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)

據(jù)熱效率的定義，依圖，內(nèi)燃機理想循環(huán)的熱效率為：（2－6）式中利用絕熱循環(huán)、等容循環(huán)、等壓循環(huán)過程，確定Q2’和Q2’’

中的Tg、Ta’、Tk于是內(nèi)燃機理想循環(huán)的熱效率為：（2－7）式（2－7）是內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率的通用表達式。它包含了已討論過的各種循環(huán)方式。下面討論各循環(huán)方式的熱效率及其影響因素。（1）空氣冷卻的影響在其它條件相同的情況下，若采用空氣冷卻，（2－7）式中與有關(guān)的項為：

若不采用空氣冷卻，則＝1，上述相關(guān)項僅為－k，顯然有：采用空氣冷卻比無中冷循環(huán)的總效率低，但影響很小，例如：當增壓壓力為Pk=0.2MPa時，空氣冷卻后的溫降△T＝30K,而ηt只下降0.4％。在實際發(fā)動機中，對空氣進行冷卻，提高進缸空氣密度是提高內(nèi)燃機強化程度的有效措施，并對發(fā)動機的經(jīng)濟性有益處。實際的發(fā)動機帶中冷的比不帶中冷的油耗率要低。

（2）廢氣能量利用的影響在壓縮比和加熱量一定的情況下，廢氣能量的利用有三種情況：①當達到最大時，導(dǎo)致ηt達最大。此時代入（2－7）式得有空氣冷卻脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)的熱效率公式

這種循環(huán)因充分利用了廢氣能量，在渦輪中繼續(xù)膨脹作功，熱效率比定壓渦輪增壓的要高。②當＝1，即,為帶中冷得定壓渦輪增壓內(nèi)燃機得情況。將＝1代入式（2－7）中，得熱效率公式;

理論上，定壓渦輪的效率小于脈沖渦輪的效率。在實際發(fā)動機中，因脈沖渦輪的效率較之定壓渦輪的要低，因此，當πk<2.5時，常采用脈沖渦輪增壓，

πk>2.5時，一般采用定壓渦輪增壓。這一點在第七章中將會詳細描述。③當最小時，即πT＝1，而πk

>1時，這時相當于不利用廢氣能量帶中冷的機械增壓內(nèi)燃機循環(huán)。以πT＝1代入（2－7）中的熱效率公式為：（2－8）由（2－8）式可知，在一定下，當πk

上升，則下降，由此可得出，增壓壓力越高，經(jīng)濟性越低，機械增壓不宜采用較高的增壓比。

（3）若πk＝1，πT＝1，＝1，以ε

代替代入（2－7）式，即得到一般非增壓內(nèi)燃機混合循環(huán)熱效率的公式（2－1）。非增壓熱效率的影響因素及其比較前面已講授，這里不再重述。

2.4內(nèi)燃機實際循環(huán)

內(nèi)燃機實際循環(huán)有著許多不可避免的損失，它的熱效率和循環(huán)功比理論循環(huán)的要小，為了減少實際循環(huán)與理論循環(huán)在指標上的差距，有必要分析其原因。圖2－6四沖程內(nèi)燃機實際循環(huán)的p-V示功圖(1)工質(zhì)不同（理想循環(huán)為雙原子氣體；實際的為空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物）,①工質(zhì)成分變化柴油機中，燃燒前是新鮮空氣與上循環(huán)的殘留廢氣的混合物，燃燒后，工質(zhì)成分為燃燒產(chǎn)物。②工質(zhì)比熱變化a.理想循環(huán)工質(zhì)的比熱是不隨溫度變化的，實際工質(zhì)（空氣和燃氣的混合物）的比熱隨溫度上升而上升。b.理想的雙原子氣體（O2

，N2，空氣等）比熱比實際的多原子燃氣（CO2，H2O，SO2等）比熱小。如加熱量相同，實際循環(huán)能達到的最高溫度較理想循環(huán)的為低，小些。

③工質(zhì)高溫分解在1300k以上，燃燒產(chǎn)物發(fā)生高溫分解，分解會吸收熱量，使循環(huán)的最高燃燒溫度下降，

④工質(zhì)分子數(shù)發(fā)生變化→燃料燃燒后氣體的千摩值會增大，當工質(zhì)V、T相同時，P會增大，這有利于循環(huán)作功。以上四中變化，以②變化影響最大，其他影響較小。

(2)

換氣損失理想循環(huán)是閉式循環(huán)，無工質(zhì)更換，無流動損失。實際循環(huán)，工質(zhì)必須更換，有進、排氣過程。工質(zhì)在進入氣缸和排出氣缸時，以一定的速度流經(jīng)進、排氣管，進、排氣道和

進、排氣門，有流動損失。另外為使廢氣排除干凈，排氣門在下止點前打開；使P-V圖上的有用功面積減少b1—d1

。圖中b1b1’d1b1和d1rtatd1面積為換氣損失。圖2－6′

非增壓柴油機理論循環(huán)和實際循環(huán)p-V圖的比較

（3）渦流與節(jié)流損失活塞的高速運動使工質(zhì)在缸內(nèi)產(chǎn)生渦流，對分開式燃燒室，工質(zhì)流入流出副室時，會在通道中產(chǎn)生節(jié)流損失。使

(4)

傳熱損失理想循環(huán)時假設(shè)氣缸壁與工質(zhì)無熱交換，實際循環(huán)中，工質(zhì)與氣缸蓋，活塞頂，氣缸壁，進、排氣門有熱交換，使（5）

燃燒不及時，后燃及不完全燃燒損失①燃燒不及時理想循環(huán)假定定容加熱是瞬間完成的，實際循環(huán)時，燃燒需要一定時間。

a.噴油常提前：使著火在上止關(guān)前開始，增加了壓縮負功ct’

c1ctct’

。

b.燃燒速度有限，傳熱損失及在燃燒過程中活塞離開上止點的運動，使壓力增長ct

z1”

<cz’.初膨脹比減少，損失了cz1”z1。

②后燃當接近z1’點時，氧濃度降低，使燃燒速度下降，在膨脹線e點還在燃燒。這就是后燃現(xiàn)象。e點的位置取決于混合氣形成的完善程度，供油規(guī)律，過量空氣系數(shù)的大小及發(fā)動機的轉(zhuǎn)速等因素。一般好的情況下在上止點后40℃A～70℃A，也可能拖延到排氣門打開。后燃是在后膨脹比較小的情況下進行的，所以損失了z1z1’ez1,

。③不完全燃燒由于混合氣形成不良引起不完全燃燒，使燃料熱值未充分利用，使燃燒膨脹線下移,。

（6）

漏氣損失理想循環(huán)中工質(zhì)質(zhì)量不變。實際循環(huán)中，氣門，活塞環(huán)處有泄露，一般約為總量的0.2%。

上面已就實際循環(huán)與理論循環(huán)的差異做了一般性的比較，下面將繼續(xù)討論壓縮，膨脹過程，燃燒與換氣過程將在后面的章節(jié)詳細論述。

一.壓縮過程理想循環(huán)中，壓縮過程始于下止點，止于上止點，是一個等熵過程，在整個過程工質(zhì)數(shù)量與比熱無變化，與周壁無熱交換。實際循環(huán)中，壓縮過程始于下止點后一定角度（進氣門完全關(guān)閉，為使多進氣），結(jié)束于上止點前燃油著火時止（提前噴油，因為燃燒有一定滯后），存在失效行程，它是一個多變過程，有泄露，比熱有變化，與周壁有熱交換。（1）

壓縮過程的作用：①擴大了工作循環(huán)的溫度范圍②使循環(huán)的工質(zhì)得到更大的膨脹比，可對活塞多作功。

③提高了工質(zhì)的溫度壓力，為冷起動及著火創(chuàng)造了條件。

（2）

壓縮比壓縮比是一個描述工質(zhì)容積變化和壓縮程度的參數(shù)，定義為壓縮始點容積比上壓縮終點容積，即，對不同類型的

發(fā)動機有不同的要求。理論上，希望越大越好。實際上對有一定的限制。原因如下：①的上限

a.對點燃式內(nèi)燃機（如汽油機，煤氣機），在缸內(nèi)被壓縮的是空氣與燃料的混合物，上限受到可燃混合氣早燃或爆燃的限制。因此，上限取值應(yīng)考慮到燃料的性質(zhì)，傳熱條件及燃燒室結(jié)構(gòu)等因素。

b.對壓燃式發(fā)動機（如柴油機）,上限受到機械負荷Pc、Pz，噪聲、排放（溫度高,NOX上升；高溫下CO2分解形成CO）的限制。當上升到一定程度時，上升的程度明顯減少，太高反而得不償失。②的下限

a.

對點燃式內(nèi)燃機,在滿足上限的限制下,盡量使高些。

b.對壓燃式發(fā)動機（如柴油機），應(yīng)保證壓縮終點的溫度不低于燃料著火燃燒的自燃溫度。實際上為便于起動，比這一要求的溫度還應(yīng)高些。這是因為：提高燃燒柔和。

Tc

↑

改善冷起動性能,一般比自燃溫度高200-300k

一般分開式燃燒室的內(nèi)燃機以及小缸徑內(nèi)燃機均應(yīng)有較高的壓縮比?；推魇狡蜋C

6.5～11.0

煤氣機

6～10

非增壓柴油機

16～22（直噴式16～18，間噴式18～23）增壓柴油機

11～17

（3）多變壓縮指數(shù)實際循環(huán)中，壓縮過程是一個多變過程，其壓縮多變指數(shù)在整個壓縮過程中是變化的。

工質(zhì)受熱

，n1>k1，工質(zhì)放熱，n1<k1

在壓縮初期，工質(zhì)的溫度低于周圍表面的溫度，工質(zhì)從這些表面吸熱，此時，n1按大于絕熱指數(shù)k1變化。實際壓縮曲線ab比絕熱壓縮曲線an要陡。當繼續(xù)壓縮，工質(zhì)溫度與周壁溫度相等，這時無換熱，

,n1=k1。壓縮繼續(xù)進行，工質(zhì)溫度進一步增高，這時工質(zhì)向周壁傳遞熱量，，n1按小于絕熱指數(shù)k1變化，實際壓縮曲線ec比絕熱壓縮曲線em平坦。

m-e

絕熱壓縮

a-n絕熱壓縮

a-b-e-c

實際壓縮多變過程

圖2-7壓縮曲線圖

實際壓縮過程是一個按n1變化的多變過程，在實際循環(huán)近似計算時，采用變化的n1是困難的，可以用一個平均的n1來代之。只要計算使壓縮過程起點a和終點c的工質(zhì)狀態(tài)與實際過程相符即可。壓縮終點的狀態(tài)參數(shù)可由多變狀態(tài)方程確定：

MPa（2-9）

K（2-10）一般的范圍為1.32~1.39水冷汽油機 1.36～1.39風冷汽油機 1.39～1.42(因為Qw↓→n1↑)煤氣機 1.37～1.39非增壓柴油機 1.35～1.40(活塞冷卻)增壓柴油機 1.32～1.37(因為Ta↑

→Qw↑→

n1↓

）(活塞冷卻)

由n1的大致范圍可知，實際壓縮過程與理想的壓縮過程還是很接近。

n1的大小主要取決于工質(zhì)與周壁熱交換的情況。因而主要受下列因素影響：

轉(zhuǎn)速熱交換時間tn↓→向氣缸壁的傳熱量Qw↓漏氣量↓→(2)負荷pt↑→pt↑→周壁溫度→工質(zhì)向周壁傳熱量Qw↓→(3)

氣缸尺寸↑→氣缸尺寸↑→面容比↓→工質(zhì)向周壁傳熱量Qw↓→(4)

分開式燃燒室的n1<直接噴射式燃燒室的n1因相對散熱表面積大，工質(zhì)熱損失多。(5)

冷卻強度↑→如：水冷比風冷的低(6)

↑→

因為傳熱量與漏氣量↑。(7)

進氣終了溫度Ta↑→工質(zhì)向周壁傳熱量Qw↑→

如：增壓機n1<非增壓機n1

二、燃燒過程

在理想循環(huán)中，燃燒是在等容與等壓下進行的，不存在損失。在實際循環(huán)中，由于燃燒需要進行一定的時間，需提前供油，燃燒速度也不均勻（有急燃、緩燃），且與活塞運動不同步。另外，存在缺氧和高溫分解，造成燃燒滯后（不及時），后燃，不完全燃燒。在圖上反映是圓弧線。

三、膨脹過程

1.

作用：膨脹過程是內(nèi)燃機的作功過程。一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。

2.

差異：在理想循環(huán)中，膨脹過程為絕熱等熵過程。在實際過程中是一個多變過程：①膨脹過程的前階段是以燃燒,緩燃和后燃為主的過程，后一階段才是以工質(zhì)膨脹為主的熱力過程。②膨脹過程中不僅放出熱量，也改變了工質(zhì)的成分和數(shù)量；還發(fā)生高溫分解產(chǎn)物的重新化合；工質(zhì)向周壁有傳熱，傳熱強度不斷變化；存在漏氣；比熱變化。

3.膨脹多變指數(shù)

n2

膨脹過程不是絕熱過程，多變指數(shù)n2是變值。在膨脹過程中，工質(zhì)受熱dQ>0，n2<k2

工質(zhì)放熱dQ<0，n2>k2

圖2-8柴油機膨脹過程曲線示意圖

zz1

：膨脹初期，后燃較多，過程接近等溫過程，n2≈1。

z1z2

：后燃及分解產(chǎn)物重新化合，工質(zhì)受熱量大于向缸壁散熱量，所以dQ>0工質(zhì)仍受熱，但比zz1,少，所以n2<k2

。

z2z3

：后燃減少，分解產(chǎn)物的化合作用仍在進行，工質(zhì)受熱量等于向缸壁散熱量

dQ=0，這時n2=k2

。

z3b

：后燃已消失，但高溫分解產(chǎn)物化合作用仍在進行，發(fā)出的熱量小于工質(zhì)向缸壁的傳熱量,工質(zhì)放熱dQ<0，n2>k2

。在膨脹過程的簡化計算中，與壓縮過程一樣，用一不變的n2來代替變化的n2

，并用不變的n2計算膨脹終點pb和Tb

，使之與實際相符。膨脹過程可用多變方程表示：（2-11）

（2-12）

Pb

、Tb的大致范圍：汽油機

pb=0.35～0.5MPa,Tb=1200～1500K非增壓柴油機

pb=0.25～0.6MPa,Tb=1000～1200K

增壓柴油機

pb=0.60～1.0MPa,Tb=1000～1200K

n2的值一般如下：

高速內(nèi)燃機 n2 =1.15～1.24非冷卻活塞柴油機 n2=1.20～1.28冷卻活塞柴油機 n2=1.25～1.30()汽油機 n2=1.22～1.28影響n2的因素：

(1)轉(zhuǎn)速當→膨脹過程時間

(2)燃燒速度后燃↓→燃燒階段的熱利用系數(shù)工質(zhì)受熱↓

(3)氣缸尺寸↑→當S/D一定，氣缸尺寸大→相對散熱表面積小，相對漏氣縫隙也小→工質(zhì)受熱↑→，,

(4)負荷

pe↓→n2↓

n一定，pe↓→

工質(zhì)平均溫度↓→→工質(zhì)受熱↑→

n2↓

.

四、換氣過程。

1.作用：更換工質(zhì)，使循環(huán)能不斷進行。

2.差異：理想循環(huán)是閉式循環(huán)，無工質(zhì)更換，無換氣過程。內(nèi)燃機實際循環(huán)必須排除上一循環(huán)的廢氣，進入新鮮空氣，才能使燃料混合燃燒，使循環(huán)得以進行下去。進氣時經(jīng)過進氣管和進氣道有阻力，非增壓機進入氣缸的空氣壓力低于大氣壓，為使排氣克服排氣道、排氣管阻力，排氣壓力必須大于大氣壓力才能排出，因此，排氣過程的壓力大于大氣壓力。進、排氣過程的曲線包容的封閉曲線表示作用于活塞上的負功，人們稱之為泵氣功。所以換氣過程有功的損失。

2-5內(nèi)燃機工作循環(huán)舉例在內(nèi)燃機中四沖程內(nèi)燃機要完成一個循環(huán)需四個沖程，二沖程內(nèi)燃機完成一個循環(huán)需要二個沖程。一.四沖程內(nèi)燃機的工作原理

圖2-10四沖程內(nèi)燃機工作循環(huán)（汽油機）（a）進氣行程(b）壓縮行程（c）膨脹行程（d）排氣行程

二.二沖程內(nèi)燃機的工作原理

圖2-11二沖程內(nèi)燃機的工作循環(huán)（汽油機）

三.示功圖把內(nèi)燃機在1個循環(huán)中氣缸工質(zhì)狀態(tài)的變化，表示為壓力與容積的關(guān)系圖（p-V圖）或壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖（圖）稱為示功圖。示功圖可用機械式彈簧示功器、壓電示功器或氣電示功器測錄出來。目前常用壓電示功器（燃燒分析儀）測錄圖，但可轉(zhuǎn)換成p-V圖。示功圖包含了許多反映內(nèi)燃機性能的信息和數(shù)據(jù)，是評價分析內(nèi)燃機性能的主要手段。圖2-12（a）是四沖程汽油機的示功圖，指示功是

W1是正功，W2是泵氣功，對非增壓機而言是負功。圖2-12（b）是二沖程汽油機（非增壓）的示功圖，二沖程機沒有單獨的進排氣行程，只有ac壓縮過程、cd燃燒過程、da膨脹（作功）過程和eab掃氣過程。指示功abcdea為正功。

圖2-12內(nèi)燃機示功圖內(nèi)燃機的工作指標與性能分析3-1內(nèi)燃機的工作指標內(nèi)燃機的工作指標是指內(nèi)燃機處于正常運行狀態(tài)下，描述和表征內(nèi)燃機性能和工作狀態(tài)的一組參數(shù)。一、標定性能的主要指標

標定工況，是指內(nèi)燃機在標準大氣條件下，其動力性能和經(jīng)濟性能達到設(shè)計指標時所處的運行狀態(tài)。標定性能指標是指在標定工況下表征內(nèi)燃機工作性能的主要指標,比如：標定功率――標定工況下內(nèi)燃機發(fā)出的功率。標定轉(zhuǎn)速――標定工況下內(nèi)燃機相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)速。標定油耗率――標定工況下內(nèi)燃機發(fā)出單位功率所消耗的油量。比質(zhì)量――單位標定功率下內(nèi)燃機所具有的質(zhì)量。比容積――單位標定功率下內(nèi)燃機所具有的容積。

比質(zhì)量和比容積是用以評價、比較內(nèi)燃機輕重、緊湊、設(shè)計合理性的重要指標。大修期――指從新機開始使用至第一次進行大修或二次大修之間內(nèi)燃機累計運行的時間。是表征內(nèi)燃機可靠性與壽命的重要指標。二、驅(qū)動扭矩和驅(qū)動功率

用測功器可測出某一工況下內(nèi)燃機輸出的扭矩或驅(qū)動扭矩Me（見圖3-1）。

Me=Pb

圖

3－1測功器示意圖

用轉(zhuǎn)速儀可測出同一工況下內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速，則內(nèi)燃機輸出的有效功率或驅(qū)動功率為

Ne=2πnMe/103/60

(3-1)三、循環(huán)指示功率

圖3-2所示的是內(nèi)燃機的p-V曲線圖。每缸每循環(huán)的指示功Wi可沿封閉曲線進行積分獲得,即

(3-2)也就是圖中封閉曲線圍成的面積。對于二沖程機(圖3-2(a)),單缸循環(huán)指示功Wi就是陰影面積，對于四沖程機，單缸循環(huán)指示功Wi就是：圖3-2（b）陰影面積A＋C,即為壓縮膨脹沖程傳遞給活塞的功。圖3-2（c）陰影面積(A+C)－(B+C)，即為四個沖程傳遞給活塞的功。B＋C為泵氣損失。對非增壓機，B＋C為負功，對增壓機，B＋C為正功。

圖3-2p-V曲線圖示例(a)二沖程發(fā)動機；

(b)四沖程發(fā)動機；

c)部分負荷下四沖程汽油機進氣和排氣行程(泵氣回路)

單缸指示功率為：

(3-3)

式中，Z——動作系數(shù)(也稱為活塞行程數(shù))，對于四沖程機，Z=4；對于二沖程機，Z=2;對于二沖程雙動機，Z=1。這個功率稱為指示功率，即缸內(nèi)工質(zhì)作用于活塞的功率，與驅(qū)動功率的不同之處在于，它包含了克服內(nèi)燃機摩擦和帶動輔助機械所消耗的功率以及泵氣功率。四、道路功率

指車用內(nèi)燃機為克服汽車輪胎滾動摩擦阻力和車輛氣動阻力所消耗的功率。道路功率的近似計算式為：

（3-4）

式中，fR——滾動阻力系數(shù)，憑經(jīng)驗確定(0.012＜fR

＜0.015）3;mA——車輛質(zhì)量；g——重力加速度；環(huán)境空氣密度；fD——氣動阻力系數(shù)，憑經(jīng)驗確定(對于汽車,0.3＜fD≤0.5)3;fA—車輛最大橫截面積；vA——車輛速度。五、平均指示壓力

MPa，即為單位氣缸工作容積所作的指示功，代入式(3-3)，可得

MPa（3-6）六、油耗率gi與效率

gi--表示內(nèi)燃機每小時每單位指示功率所消耗的燃料量。

g/kW?h

（3-7）

－每循環(huán)內(nèi)燃機所作的功與每循環(huán)供給的燃料燃燒所釋放能量之比（3-8）七、空燃比和燃空比

空燃比

A/F=(3-9)

燃空比

F/A=(3-10)mL

－每循環(huán)進入氣缸的空氣質(zhì)量，

mf－每循環(huán)噴入氣缸的燃料量。對于汽油機，A/F＝12～18，F(xiàn)/A=0.056～0.083，對于柴油機，A/F＝18～70，F(xiàn)/A=0.014～0.056。八、容積效率(充氣效率)

η

V

η

V定義為每循環(huán)空氣進入進氣系統(tǒng)的容積流量mL除以被活塞置換容積的速率。

或者表示為（3-11）九、比排放量

比排放量定義為單位時間、單位輸出功率內(nèi)燃機排出污染物的質(zhì)量流量，單位為mg/(kW·h)。十、增壓壓力PK與增壓比πk

PK:在環(huán)境狀態(tài)下，空氣經(jīng)壓氣機壓縮后壓氣機的出口壓力或進入氣缸前的壓力。

πk：在環(huán)境狀態(tài)下，空氣經(jīng)壓氣機壓縮后的出口壓力比上環(huán)境壓力。十一、機械效率

：內(nèi)燃機輸出的有效功率比上指示功率

（3-13）3-2內(nèi)燃機的指示參數(shù)內(nèi)燃機的指示參數(shù)是用以表征燃料燃燒釋放出來的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能完善程度的一組參數(shù)，只考慮了氣缸內(nèi)因燃燒不完全和傳熱等方面所引起的熱量損失，而沒有考慮各運動副間所存在的摩擦損失、泵氣損失和輔助機械損失等。內(nèi)燃機的指示參數(shù)主要包括內(nèi)燃機的平均指示壓力pi、指示功率Ni、指示效率ηi以及指示油耗率gi，下面主要討論這幾個參數(shù)。一、平均指示壓力pi和指示功率Ni

1.平均指示壓力pi

以一個假想的數(shù)值不變的氣體壓力作用在活塞上，在一個膨脹行程內(nèi)所獲得的功與一個工作循環(huán)的指示功Wi相等，這個假想的壓力就稱為平均指示壓力pi。如圖3-3所示。

圖3-3求平均指示壓力pi的示意圖每循環(huán)每缸所作指示功為：

kJm3于是：

MPa（3-14）由式(3-14)可以看出，平均指示壓力就是內(nèi)燃機在一個工作循環(huán)中每單位氣缸工作容積(即活塞排量)，活塞所獲得的指示功，即。這樣，平均指示壓力pi就與氣缸的容積大小無關(guān)了。pi愈高，表示單位氣缸工作容積所作的指示功愈多，氣缸工作容積的利用率也愈高。同時，平均指示壓力pi也是衡量內(nèi)燃機實際作功能力大小的一個很重要的性能參數(shù)，也基本上表征了內(nèi)燃機的強化程度和工作循環(huán)各階段進行的完善程度。在各種類型內(nèi)燃機中，標定工況下的pi值一般為：非增壓汽油機pi=0.4～1.2MPa增壓汽油機pi=0.9～1.5MPa非增壓四沖程柴油機pi=0.75～1.2MPa增壓四沖程柴油機pi=1.2～3.0MPa非增壓二沖程柴油機pi=0.5～0.9Mpa增壓二沖程柴油機pi=1.0～2.2MPa煤氣機pi=0.6～1.4MPa

2.指示功率Ni

每單位時間內(nèi)作用于活塞上的指示功稱為內(nèi)燃機的指示功率Ni，即kW（3-15）式中：z為動作系數(shù)，四沖程機，z＝4；二沖程機，z＝2；二沖程雙動機，z＝1。雙動機活塞上方的氣缸工作容積為Vs

，下方容積應(yīng)減去活塞桿所占的容積，后者約為11～12％Vs，以11％Vs計算，則二沖程雙動機每個氣缸的平均工作容積為，

式（3-15）可寫為

kW（3-16）

為了分析pi、Ni與工作循環(huán)中各參數(shù)間的相互聯(lián)系，分析影響因素，下面建立數(shù)學表達式。計算整臺內(nèi)燃機每小時的耗油量可以用以下兩式計算:

kg/h

(3-17)kg/h(3-18)

g/kW.h

整機每小時空氣耗量

kg/h

ρs：進氣管狀態(tài)下空氣密度，kg/m3,kg空氣/kg燃料；

kg空氣/kg燃油（L'o，kmol空氣/kg燃料）。由（3-17）、（3-18）得：

(3-19)將gi，Ni，mL及L'代入上式，整理后得：

(3-20)將上式代入（3-15），化簡得：

kW(3-21)二.影響pi與Ni的因素

1.影響內(nèi)燃機平均指示壓力pi的因素:(1)增壓度pk

當α一定時，pk↑ps↑ρs↑pi↑，可見p增

>pi非對特定的發(fā)動機，因受熱負荷與機械負荷的限制，用提高pk來提高pi也有一個限度（2）過量空氣系數(shù)α,當每循環(huán)供油量不變時，pk↑

α↑AF↑。在α≤2以前，隨著α的增大，混合氣中的氧氣成分增加，可促進燃燒的改善，pi值也隨著α值的提高而有所提高。當2.6≥α＞2時，隨著α的提高，混合氣逐漸變得比較稀薄，pi的增加就變得很緩慢。到α＞2.6后，α↑燃燒速度↓后燃↑

ηi↓pi↓。（3）換氣質(zhì)量ηv內(nèi)燃機的換氣質(zhì)量愈好→

ηv↑→殘余廢氣愈少，氣缸中新鮮充量填充愈充足，→燃燒速度↑→熱利用系數(shù)ζz↑→ηi↑→pi↑。（4）油氣混合的完善程度

柴油機燃油空氣混合的完善程度愈高，完全燃燒所需的α↓→pi↑

。但α值也不能太小，太小使氣缸熱負荷↑，ge↑

。(5)燃燒完善的程度ηi燃燒完善→

→↑放熱持續(xù)期↓→等容度↑→熱利用系數(shù)ζz↑→ηi↑

→pi↑。2.影響Ni的因素由（3-15）式知，凡提高pi的途徑，均有利于提高Ni；另外，Vs↑，i↑Ni↑，減少z→Ni↑。

三、指示效率ηi及指示油耗率gi1.指示效率ηi每循環(huán)所做指示功的熱量比上循環(huán)供油量的熱量，即

（3-11）2.指示油耗率gi

內(nèi)燃機每小時發(fā)出1kW指示功率時所消耗的燃油量，即：

g/kW.h（3-12）或g/kW.h（3-12`）將（3-11）代入上式并整理得

g/kW.h（3-13）由（3-12`）可以清楚看出gi與ηi反比，ηi越高，gi越少，反之亦然。1.影響ηi和gi的因素

改寫（3-11）式得，上式右端給出了ηi與循環(huán)參數(shù)的關(guān)系。由上式知，

①

當功一定（piVs一定）循環(huán)供油量mfcyc↓→

ηi↑，這說明作同樣的功，耗了更少的燃料，熱量利用高→

ηi↑。②當mfcyc

一定，piVs↑→ηi↑，這說明消耗相同的燃料，做功多了，熱量利用高→ηi↑。熱量利用的好壞主要與燃料熱能釋放的好壞、熱量轉(zhuǎn)換成指示功的有效程度及熱損失相關(guān)。

a.燃料熱能釋放的好壞它與混合氣形成的好壞相關(guān)，一般空氣足夠，油氣混合均勻，燃料中的熱能就能較好的釋放出來→

ηi↑

混合氣形成的好壞與燃油系統(tǒng)、燃燒室形狀、空氣渦流運動及足夠空氣相關(guān)。

b.熱能轉(zhuǎn)換的有效程度在內(nèi)燃機燃燒過程中，燃油熱能的釋放是按一定規(guī)律進行的，如果放熱持續(xù)期短、等容度高（在上止點附近放熱多），那么有效利用率就高，熱能轉(zhuǎn)變成機械能的有效程度就大，反之亦然。

c.熱量損失的大小熱量釋放與轉(zhuǎn)換的損失已包含在a、b中，這里主要是考慮冷卻介質(zhì)的傳熱損失，但在實際發(fā)動機中，Tw

＝75～85°

C較好，太低Qw↑→

ηi↓，太高→

ηi↓燃燒變壞→

Tr↑

→

ηi↓。

關(guān)于影響gi的因素，由ηi知，它們互為倒數(shù)，影響ηi的因素就是影響gi的因素，只是增加ηi

，gi則應(yīng)減少。

3-3內(nèi)燃機的機械損失及機械效率一、機械損失功率Nm

在內(nèi)燃機工作過程中，經(jīng)曲軸輸出的有效功率Ne總小于活塞所獲得的指示功率Ni，其差值為機械損失功率Nm，即

Ni－Ne＝Nm而有效功率比上指示功率即定義為機械效率，即

(3-14)現(xiàn)代內(nèi)燃機的機械效率一般在下列數(shù)值范圍之內(nèi)（見P45）：非增壓四沖程柴油機ηm=0.75～0.80增壓四沖程柴油機ηm=0.80～0.92非增壓二沖程柴油機ηm=0.70～0.80增壓二沖程柴油機ηm=0.75～0.90四沖程汽油機ηm=0.70～0.85煤氣機ηm=0.75～0.80

由上可知，增壓比非增壓的ηm高，因為增壓泵氣功為正。機械損失功率由下面幾部分組成：Nm＝Nmf＋Np＋Nk＋NauNmf：摩擦損失功率，Np：泵氣損失功率，pk>pr為正，pk<pr為負。Nk：機械增壓壓氣機或掃氣泵消耗的功率Nau：輔助機械損失功率（包含：燃油泵、機油泵、水泵、發(fā)電機等）。對應(yīng)于機械損失功率Nm引入平均機械損失壓力pm，在數(shù)值上它等于各部分機械損失壓力的總和。下面以一部小型高速柴油機機械損失分配的試驗數(shù)據(jù)為例，這部高速柴油機轉(zhuǎn)速為1600r/min,pe為0.82MPa，pi為0.986MPa，pm為0.17MPa，它的機械損失分配如下：活塞及活塞環(huán)摩擦損失為0.50pm；曲軸連桿軸承摩擦損失為0.24pm；泵氣損失為0.14pm；輔助機械損失為0.06pm；傳動機構(gòu)及其他損失為0.06pm。機械損失pm=0.17MPa，而pi=0.986MPa，故pm=0.172pi。

可見，活塞及活塞環(huán)與缸套的的摩擦損失最大，其次是曲柄連桿軸承的摩擦損失，泵氣損失第三，其它二項損失較少。二、機械損失功率的測定比較精確地測定機械損失功率的數(shù)值，尋求降低機械損失的途徑，對發(fā)展新的內(nèi)燃機或改進已有內(nèi)燃機都是十分重要的，目前常用的測量方法主要有倒拖法、滅缸法及油耗線法。這些方法都只能近似地求出Nm，各有其不足。1.

1.倒拖法用電力測功器測定。方法：①發(fā)動機在給定工況下穩(wěn)定運行，待T水和T油達正常后，測定Ne。②停機切斷發(fā)動機的供油，并立即將電力測功器轉(zhuǎn)換為電動機，以給定工況下的轉(zhuǎn)速倒拖發(fā)動機，保持T水、T油相同，這時電力測功器上的倒拖功率即為給定工況下發(fā)動機的Nm。③由Ne＋Nm＝Ni，得

或

此法最簡單、方便。但內(nèi)燃機在著火運轉(zhuǎn)和不著火倒拖的情況下，其摩擦損失功率和泵氣損失功率二者存在較大的差別：①

著火運轉(zhuǎn)時缸內(nèi)壓力較高，摩擦副表面受力大些，著火的Nmf>不著火的Nmf。②

著火運轉(zhuǎn)時，高溫、高壓的廢氣自排氣閥急速的派出，排氣背壓比非著火時低，泵氣損失小。非著火時，排出的是空氣，溫度低，比重大，排氣速度低，背壓高，泵氣損失比著火時大。③

拖動狀態(tài)下，壓縮膨脹過程中工質(zhì)傳熱損失不一樣，壓縮和膨脹線不重合，也增加了部分損失。

所以倒拖法測得的Nm比實際高(15～20)％，因此，在使用此法時，對于采用空氣旋流較低的直接噴射式燃燒系統(tǒng)的柴油機，可以從測得的pm中減去0.0137MPa，對于采用空氣旋流較高、壓縮比較高以及分隔式燃燒系統(tǒng)的柴油機，可以從測得的pm值中減去0.0343MPa，這樣得到的pm值比較接近實際數(shù)值。倒拖法在多缸高速小型內(nèi)燃機上是最常用的方法，特別是比較小的汽油機，用此法較準。2.滅缸法此法適用于多缸機，使用輪流停缸工作法。當內(nèi)燃機調(diào)整到給定工況下穩(wěn)定運行之后，用測功器測出其有效功率Ne，以柴油機為例，在固定噴油齒條位置不變（即每缸噴油量不變）的情況下，停止向一缸供油，柴油機轉(zhuǎn)速下降，然后迅速調(diào)整測功機負荷，使轉(zhuǎn)速復(fù)原，再測出斷這缸供油后柴油機的有效功率，Ne－之差即為斷油氣缸的指示功率，即(3-15)

如果從第一缸起，順序?qū)⒏鞲讛嘤停蟪龈鞲椎闹甘竟β?，它的總和就是柴油機的整機指示功率Ni，即（3-16）滅缸法與倒拖法有相同之處，誤差原因一樣，但滅缸法一次只滅一缸，倒拖法則整機全滅缸，因此，滅缸法比倒拖法精確度高些。倒拖法、滅缸法因使排氣壓力脈沖發(fā)生變化，改變排氣能量，所以對排氣渦輪增壓柴油機不適用。3.油耗線法此法適用于各種內(nèi)燃機。方法：測定給定轉(zhuǎn)速下的負荷特性。負荷特性測定：在給定轉(zhuǎn)速（n不變）下，通過調(diào)整油門保持n，改變負荷，測定不同功率與油耗。在坐標紙上畫出以每單位時間的整機油耗量mf（kg/h）為縱坐標，以有效功率（或pe）為橫坐標畫出油耗曲線，這一油耗線在低負荷接近空載時是直線，順著直線部分向縱坐標方向作延伸線，并與橫坐標線的零點左方相交，如圖3－4所示。從坐標零點到這一交點的長度(用橫坐標上Ne或pe相同的比例計算)，即近似地代表機械損失功率Nm（或機械損失平均有效壓力pm）。但是，并不是所有柴油機的油耗線都是完全直線，這是產(chǎn)生誤差的原因。

用油耗線法測量機械損失功率是基于這樣一種假定：就是內(nèi)燃機的機械損失功率Nm（或機械損失壓力pm）以及指示熱效率ηi是只隨轉(zhuǎn)速n的變化而與負荷變化無關(guān)的。圖3-416V240/275ZL型柴油機用油耗線法測量機械損失功率圖三、

影響機械損失功率及機械效率的因素1.

增壓↑→ηi↑（一般）①

廢氣渦輪增壓：當pk↑→Ni↑（含泵氣功為正因素）→pz↑，采用降低等措施后可使pz增加幅度<Ni增加幅度→Nm↓→↑。機械增壓：Ni的增減視壓比的高低，由泵氣功與壓氣機耗功之和而定。一般低增壓的↑，高增壓的↓。

增壓后→

若發(fā)動機n不變，上述幾項影響，Nm與非增壓大體相當，但因Ni↑,渦輪增壓與低壓比機械增壓的↑.2.轉(zhuǎn)速n及活塞平均速度Cm

3.負荷與增壓類似，一般n不變，負荷↑不會有多大變化，但4.

潤滑油溫度Toil與冷卻水溫度Tw

但

所以，Toil

、Tw

一般確定在一定范圍，如85oC左右。

5.氣缸尺寸及數(shù)目

當Cm、pz不變，D↑，S

↑

3-4內(nèi)燃機的有效參數(shù)內(nèi)燃機的有效參數(shù)包括平均有效壓力pe、有效功率Ne、有效效率ηe及有效油耗率ge。它們與指示參數(shù)的不同之處就是除指示參數(shù)考慮的熱力損失外，還考慮了機械損失，它們的關(guān)系為：

Ne=Ni-Nm=Niηm

ge=gi/ηm

前面討論了影響指示參數(shù)的因素，影響有效參數(shù)的因素除包括指示參數(shù)外，還應(yīng)加上影響機械效率的因素。這些前面都討論了。3-5內(nèi)燃機的強化指標與強化分析一、內(nèi)燃機的強化指標——升功率NeL和活塞功率Nek

單位氣缸工作容積(1L)內(nèi)燃機所具有的標定功率稱為內(nèi)燃機的升功率NeL。

(3-46)由上式知，發(fā)動機的升功率取決于pe、n與m。

單位活塞總面積(1m2)上內(nèi)燃機所具有的標定功率稱為活塞功率Nek。（3-47）把活塞平均速度Cm（）代入上式，得稱為強化系數(shù)，也被用作發(fā)動機承載或強化的指標。為分析影響發(fā)動機升功率的各種因素，將（3－37）代入（3－46）和（3－47）得

kW/L(3-53)kW/m2（3-54）二、按升功率強化內(nèi)燃機的分析

從式(3－53)可知，提高升功率NeL取決于下列因素：內(nèi)燃機的動作系數(shù)z，發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，乘積ηvρs（表示壓縮始點缸中新鮮空氣的數(shù)量），機械效率，比值(表示燃燒過程進行的質(zhì)量)。

1.采用二沖程循環(huán)

2.提高n

但

近年來為了提高發(fā)動機的經(jīng)濟性和可靠性，常降低轉(zhuǎn)速，采用增壓辦法。3.提高③

4.

減少α，提高ηi

組織好油氣混合，就能更完全及時燃燒，使

5.增大壓縮比ε以提高ηi

①

②化油器式發(fā)動機壓縮比

③

對化油器式發(fā)動機，隨,啟動變得困難，且必須提高燃燒的辛烷值，這些決定了在目前將ε控制在12以下，為保證非爆震燃燒，對這類增壓機不僅不能增加ε，反而要減小ε。④

柴油機，ε是保證可靠起動及零件所能承受的機械負荷這兩個條件為出發(fā)點來選定的。ε太高，對非增壓機，不僅不會提高Nel，還會因Nm上升→Nel↓,對增壓機，增大增壓壓力pk,還需降低ε，使pk與ε協(xié)調(diào)，這樣才能使NeL提高.6.在化油器式內(nèi)燃機中改用燃油直接噴射三、采用增壓強化內(nèi)燃機的分析增壓是最有效的提高NeL的措施，但增壓后需考慮以下幾個因素：1.

增壓壓力pk與機械負荷pz2.熱負荷與降低熱負荷的措施隨著，與機械應(yīng)力增大的同時，因單位工作容積放熱量增加，使氣缸蓋、氣門、氣缸，特別是活塞的溫度梯度增大，熱應(yīng)力也增大；這對內(nèi)燃機的工作是不利的。因此，pz與熱應(yīng)力是限制