第二章發(fā)動機主要性能

第二章發(fā)動機的主要性能第一節(jié)發(fā)動機主要性能指標發(fā)動機的指示性能指標發(fā)動機的指示性能指標是指以工質(zhì)對活塞做功為計算基礎(chǔ)的指標，簡稱指示指標。指示指標表征工質(zhì)在汽缸內(nèi)部經(jīng)歷的循環(huán)的完善程度，以工質(zhì)在汽缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)，評價由燃燒到熱功轉(zhuǎn)換工作循環(huán)進行的質(zhì)量。是從示功圖測量計算得出的。、指示功率：指示功率Pi：發(fā)動機單位時間內(nèi)所作的指示功。若：一臺內(nèi)燃機的缸數(shù)i，每缸的工作容積Vs(L)，平均指示壓力為pmi(MPa)，轉(zhuǎn)速n(r/min)，沖程數(shù)。(kw)壓縮比定義：壓縮前氣缸中氣體的最大容積與壓縮后的最小容積之比稱為壓縮比。用ε表示。ε=Va/Vc現(xiàn)代化油器式發(fā)動機壓縮比一般為6～9(轎車有的達9～11)。上海桑塔納轎車汽油機壓縮比為8.2。壓縮比過大的不良后果返回發(fā)動機的有效性能指標以曲軸輸出功為計算基礎(chǔ)的性能指標，稱為有效性能指標，簡稱有效指標。有效指標被用來直接評定發(fā)動機實際工作性能的優(yōu)劣。一、發(fā)動機動力性指標1、有效功和有效功率有效功：發(fā)動機每循環(huán)曲軸輸出的單缸功量。式中：Wi循環(huán)凈指示功Wm循環(huán)實際機械損失功有效功率式中：Pi指示功率Pm實際機械損失功率(kw)

機械損失:發(fā)動機內(nèi)部摩擦損失；驅(qū)動附件損耗；泵氣損失等。2、有效轉(zhuǎn)矩發(fā)動機工作時由功率輸出軸輸出的轉(zhuǎn)矩稱為有效轉(zhuǎn)矩，可由測功器測得。(N·m)發(fā)動機的有效功率Pe(kW)可以利用各種型式的測功器和轉(zhuǎn)速計分別測出發(fā)動機在某一工況下曲軸的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq及在同一工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，按以下公式求得:3、平均有效壓力：發(fā)動機單位氣缸工作容積所輸出的有效功。與平均指示壓力相似；平均有效壓力是衡量發(fā)動機動力性能的一個很重要的參數(shù)。Ttq∝pmepme反映了發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出轉(zhuǎn)矩的大小。Pme=30τPe/Vhni（2-3）式中：Vh—發(fā)動機氣缸工作容積i—發(fā)動機氣缸數(shù)

τ—發(fā)動機行程數(shù)。四行程τ=4二行程τ=2應(yīng)用式（2-2）和（2-3）的恒等關(guān)系?？傻肨tq=318.3PmeVhi/τ(2-4)因此，對于一定氣缸總工作容積（即Vhi）的發(fā)動機，Pme反映了有效扭矩Ttq的大小。

四沖程發(fā)動機的簡單工作原理

四沖程汽油機的工作原理1、進氣行程2、壓縮行程3、作功行程4、排氣行程單缸四沖程汽油機的工作過程三、升功率Pl(發(fā)動機強化指標)升功率：在標定工況下(指標定轉(zhuǎn)速、標定功率)，發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率

Pl=Pe/iVh(2-5)由式（2-3）可得Pl=Pmen/30τ(2-6)升功率是評定發(fā)動機整機動力性和強化程度的重要指標之一，他從發(fā)動機有效功率的角度對氣缸工作容積的利用率做出總的評價。Pl值愈大，發(fā)動機強化程度愈高，發(fā)出一定有效功率的發(fā)動機尺寸愈小，由（2-6）知，Pl與Pme和n的乘積成正比，因此，不斷提高Pme和n以獲得更強化、更輕巧、更緊湊的發(fā)動機，一直是人們追求的目標。四、有效熱效率ηet（發(fā)動機經(jīng)濟性指標）衡量發(fā)動機經(jīng)濟性能的重要指標是有效熱效率ηet和有效燃油消耗率be。有效熱效率是實際循環(huán)的有效功與為得到此有效功所消耗的熱量的比值，即ηet

=We/Q1對一臺發(fā)動機，當測得Pe和每小時燃油消耗量qmf（kg/h）,可得ηet=3.6x103Pe/qmfHu五、有效燃油消耗率[g／(kW·h)]是指單位有效功所消耗的燃油量，用be表示（是衡量發(fā)動機經(jīng)濟性能的重要指標）be=qmf/Pex103

[g／(kW·h)(2-9)由式（2-8）be又可表示為be=3.6x106/ηetHu可見，有效燃油消耗率與有效熱效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。一般內(nèi)燃機在標定工況下的be和ηet值大致在以下范圍：be／[g(kW·h)-1]ηet低速柴油機190～2250.38～0.45中速柴油機195～2400.36～0.43高速柴油機215～2850.30～0.40(其中較低的be值屬排氣渦輪增壓的四沖程、二沖程柴油機)四沖程汽油機274～4100.30～0.20二沖程汽油機410～5450.20～0.15機械效率：發(fā)動機的有效功率與指示功率之比。機械效率是指曲軸輸出的有效功（或功率）與指示功（或功率）的比值，用符號ηm表示。根據(jù)機械效率、有效熱效率和指示熱效率的定義式，可得三者之間的關(guān)系:由有效燃油消耗率和有效熱效率的關(guān)系式可得:機械效率機械損失的組成：摩擦損失、驅(qū)動附件損失、泵氣損失。機械損失的測定(倒拖法)：將發(fā)動機與電力測功機相連，電力測功機測定的倒拖功率即機械損失功率。六、機械損失的組成及測定

1、活塞與活塞環(huán)的摩擦損失：這一部分損失是整個摩擦損失的主要部分。由于它們的滑動面積大、相對速度高和潤滑不充分等造成。2、軸承與氣門機構(gòu)的摩擦損失：他包括所有主軸承、連桿軸承和凸輪軸軸承等。由于潤滑充分。這部分損失對氣缸壓力的變化不太敏感。3、驅(qū)動附屬機構(gòu)的損失：主要指為保證發(fā)動機工作所必不可少的部件總成。如冷卻水泵、機油泵、噴油泵和調(diào)速器。4、泵氣損失：排氣過程中，由于進氣系統(tǒng)的阻力所消耗的一部分功。在實際測定時常將泵氣損失與其他損失一起測得。泵氣損失將隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而增加。一般發(fā)動機中機械損失的分配活塞與活塞環(huán)的摩擦損失：（45-60）%連桿和曲軸軸承的摩擦損失（15-20）%附屬機構(gòu)的驅(qū)動損失：（10-20）%氣門機構(gòu)的驅(qū)動損失（2-3）%（二）機械損失的評定機械損失的大小可以用機械損失功率PmPm=Pi-Pe式中Pi—發(fā)動機的指示功率Pe--發(fā)動機的有效功率為表示各種不同發(fā)動機的指示功率轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Чβ实某潭龋肓藱C械效率的概念。機械效率ηm是有效功率與指示功率之比

ηm=Pe/Pi=1-Pm/PiΗm值越接近1，Pe越近于Pi說明機械損失功率越少，發(fā)動機性能越好。第二節(jié)發(fā)動機的特性發(fā)動機的工作狀況是不斷變化的。當發(fā)動機工況（負荷和轉(zhuǎn)速）發(fā)生變化時，其相應(yīng)的各項參數(shù)和指標也要發(fā)生變化。發(fā)動機主要性能指標隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速或負荷的變化的關(guān)系，稱為發(fā)動機特性。發(fā)動機特性以圖線形式表示的，稱為發(fā)動機特性曲線。發(fā)動機特性：（1）性能特性：負荷特性、速度特性、萬有特性、調(diào)速特性（2）調(diào)整特性：供油提前角、點火提前角、混合氣調(diào)整特性一、發(fā)動機的工作范圍從動力性考慮，發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)在最大功率轉(zhuǎn)速和最大扭矩轉(zhuǎn)速之間。從經(jīng)濟性考慮，發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)在最大功率轉(zhuǎn)速與最低燃油消耗率轉(zhuǎn)速之間。1.發(fā)動機的工況分類第—類工況，其特點是發(fā)動機的功率變化時，轉(zhuǎn)速幾乎保持不變。該工況又被稱為固定式內(nèi)燃機工況。例如，發(fā)電用內(nèi)燃機，其負荷呈階躍式突變，并沒有一定的規(guī)律、然而內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速必須保持穩(wěn)定，以保證輸送電壓和頻率的恒定，反映在工況圖上就是—條垂直線(圖8—1中的曲線1)，稱為線工況。灌溉用內(nèi)燃機，除了起動和過渡工況外，在運行過程中負荷與轉(zhuǎn)速均保持不變，稱為點工況(圖8—1中的A點)。第二類工況，其特點是內(nèi)燃機的功率與轉(zhuǎn)速接近于冪函數(shù)關(guān)系，如圖8—1中的曲線2示的三次冪函數(shù)()。當內(nèi)燃機作為船用主機驅(qū)動螺旋槳時，內(nèi)燃機所發(fā)出的功率必須與螺旋槳吸收的功率相等，而吸收功率又取決于螺旋槳轉(zhuǎn)速的高低，且與轉(zhuǎn)速成冪函數(shù)關(guān)系，這樣，內(nèi)燃機功率就呈現(xiàn)一種十分有規(guī)律的變化。該類工況常被稱為螺旋槳工況或推進工況，也屬于線工況。

第三類工況，其特點是功率與轉(zhuǎn)速都在很大范圍內(nèi)變化，它們之間沒有特定的關(guān)系。汽車及其他陸地運輸用內(nèi)燃機，都居于這種工況。此時，內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速決定于行駛速度、可以從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速一直變到最高轉(zhuǎn)速；負荷取決于行駛阻力，在同一轉(zhuǎn)速下，可以從零變到全負荷。內(nèi)燃機可能的工作區(qū)域就是該種類型內(nèi)燃機的實際工作區(qū)域，相應(yīng)的上況區(qū)域稱為面工況。二、發(fā)動機的功率標定內(nèi)燃機的功率標定，是指制造企業(yè)根據(jù)內(nèi)燃機的用途、壽命、可靠性、維修與使用條件等要求，人為地規(guī)定該產(chǎn)品在標準大氣條件下所輸出的有效功率以及所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即標定功率與標定轉(zhuǎn)速。世界各國對標定方法的規(guī)定有所不同。按照國家標準GBll05——87《內(nèi)燃機臺架性能試驗方法》規(guī)定，我國內(nèi)燃機的功率可以分為四級：(1)15min功率

這一功率為內(nèi)燃機允許連續(xù)運轉(zhuǎn)15min的最大有效功率，適用于需要較大功率儲備或瞬時需要發(fā)出最大功率的轎車、中小型載貨汽車、軍用車輛、快艇等用途的內(nèi)燃機。(2)1h功率這一功率為內(nèi)燃機允許連續(xù)運轉(zhuǎn)1h的最大有效功率，適用于需要一定功率儲備以克服突增負荷的工程機械、船舶主機、大型載貨汽車和機車等用途的內(nèi)燃機。

(3)12h功率這一功率為內(nèi)燃機允許連續(xù)運轉(zhuǎn)12h的最大有效功率，適用于需要在12h內(nèi)連續(xù)運轉(zhuǎn)而又需要充分發(fā)揮功率的拖拉機、移動式發(fā)電機組、鐵道牽引等用途的內(nèi)燃機。

(4)持續(xù)功率這一功率為內(nèi)燃機允許長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的最大有效功率，適用于需要長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的固定動力、排灌、電站、船舶等用途的內(nèi)燃機。

根據(jù)內(nèi)燃機產(chǎn)品的使用特點，在內(nèi)燃機的銘牌上一般應(yīng)標明上述四種功率的一或兩種功率及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。同時，內(nèi)燃機的最大供油量限定在標定功率的位置上。對于同一種發(fā)動機，用于不同場合時，可以有不同的標定功率值，其中，15min功率最高，持續(xù)功率最低。車用—常用15分鐘,1小時或12小時功率中的兩種作為銘牌功率。除持續(xù)功率外，其他幾種功率均具有間歇性工作的特點，故常被稱為間歇功率。對間歇功率而言，內(nèi)燃機在實際按標定功率運轉(zhuǎn)時，超出上述限定的時間并不意味著內(nèi)燃機將被損壞，但無疑將使內(nèi)燃機的壽命與可靠性受到影響。三、發(fā)動機的速度特性1.定義:指發(fā)動機在油量調(diào)節(jié)機構(gòu)（節(jié)氣門開度或供油拉桿、齒條）位置保持不變時，性能指標（Pe、Ttq、be

、qmf等）隨n的變化規(guī)律，稱為發(fā)動機的速度特性。

2.速度特性曲線的繪制方法:通過發(fā)動機試驗臺架上測出的。測量時，油門位置不變，調(diào)整測功器的負荷，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，待工況穩(wěn)定后，依次記錄不同轉(zhuǎn)速下的Pe、Ttq

、be

、qmf等數(shù)據(jù)。以n為橫坐標，以Pe、Ttq

、be

、qmf等為縱坐標，繪制速度特性曲線。3.分類:全負荷速度特性（即外特性）和部分負荷速度特性。（一）、汽油機的速度特性定義：在節(jié)氣門開度不變時，其Pe、Ttq

、be等隨n的變化規(guī)律，稱為汽油機的速度特性。1.外特性：節(jié)氣門在最大開度時所測得的速度特性。2.部分速度特性：節(jié)氣門在部分開度時所測得的速度特性。1.外特性曲線Ttq曲線：Pe曲線：be曲線：當采用增壓后，動力性和經(jīng)濟性均改善。汽油機的外特性如圖2-2.他表示出在不同轉(zhuǎn)速下汽油機所能發(fā)出的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率，代表發(fā)動機所能達到的最高性能。一般銘片上標明的功率、轉(zhuǎn)矩以及相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速都是外特性最為重要。點火提前角和供油系統(tǒng)要調(diào)到最佳狀態(tài)，油溫、水溫正常。Ttq曲線根據(jù)Ttq

=k2ηiηmηv/φat分析。Ⅰ.φat可視為常數(shù)：Ⅱ.ηi：Ⅲ.ηm：Ⅳ.ηv：結(jié)論：在低轉(zhuǎn)速時，Ttq隨n提高而增加；某一轉(zhuǎn)速Me達到最大值；在高轉(zhuǎn)速時，Ttq隨n的提高而迅速下降。Pe曲線根據(jù)Pe=Ttq

n

/9550分析：結(jié)論：當n由低逐漸升高時，由于Ttq和n同時增加，Pe很快增加;在達到最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速nM后，隨著轉(zhuǎn)速提高，由于Ttq的下降，使Pe上升緩慢；在某一轉(zhuǎn)速nP時，Ttq.n達最大值；再增加n，由于Ttq下降超過n上升的影響，使Pe下降。be曲線結(jié)論：be在某一中間轉(zhuǎn)速(ng)時最低，而在轉(zhuǎn)速高于及低于ng時均使be增加。2、部分速度特性由于固定節(jié)氣門開度位置的不同可以有無限多個可形成外特性曲線上下的一組曲線鏃，凡低于外特性的任何工況都可以在某一部分特性曲線上找到。通常情況下取90%、75%、50%、25%等有代表性的節(jié)氣門開度來制取，圖2-3為25Y-6100Q型車用發(fā)動機二、柴油機的速度特性1.定義：在油量調(diào)節(jié)機構(gòu)（拉桿、齒條）位置不變時，其Pe、Ttq、be等隨n的變化規(guī)律，稱為柴油機的速度特性。2.分類：1）外特性：當油量調(diào)節(jié)機構(gòu)限定在標定循環(huán)供油量位置時所測得的速度特性。2）部分速度特性：當油量調(diào)節(jié)機構(gòu)限定在小于標定循環(huán)供油量的各個位置時所測得的速度特性。3.噴油泵的速度特性及校正:外特性曲線Me曲線：Pe曲線：ge曲線：轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)與適應(yīng)系數(shù)Ttq曲線Ttq曲線：根據(jù)分析。Ⅰ.△g

：Ⅱ.ηm

：Ⅲ.ηi

：結(jié)論:在轉(zhuǎn)速較低時，Ttq隨n升高逐漸增加；在某一轉(zhuǎn)速時Me達到最大；在轉(zhuǎn)速較高時，n提高而Ttq逐漸下降（平坦）。Pe曲線由于Ttq曲線變化平坦，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，功率Pe幾乎與轉(zhuǎn)速n成正比增加。柴油機的最高轉(zhuǎn)速由調(diào)速器控制。當轉(zhuǎn)速超過某一值時，熱效率急劇下降；有效功率下降，并冒黑煙。車用柴油機的標定功率受冒煙界限的限制。與汽油機類似，也是一凹形曲線，曲線比較平坦，最低油耗率比汽油機低20%~30%。be曲線四、發(fā)動機的負荷特性負荷特性:發(fā)動機在轉(zhuǎn)速n一定時，燃油經(jīng)濟性指標及其他參數(shù)隨負荷的變化規(guī)律。一、汽油機的負荷特性二、柴油機的負荷特性結(jié)論：負荷特性曲線的特點geGT負荷調(diào)節(jié)為量調(diào)節(jié)，負荷特性又稱節(jié)流特性。1.定義：汽油機轉(zhuǎn)速保持不變(通過改變節(jié)氣門開度來適應(yīng)外界負荷的變化)時，每小時燃油消耗量qmf和燃油消耗率be隨Pe（或Ttq、pe）的變化規(guī)律，稱汽油機負荷特性。2.負荷特性曲線分析：1）qmf曲線:2）be曲線:一、汽油機的負荷特性與柴油機不同的是，在測取汽油機的負荷特性時，油量是通過改變節(jié)氣門的開度來調(diào)整的，這樣相應(yīng)地改變了進入氣缸的混合氣數(shù)量，而混合氣的濃度變化不大，故稱為“量調(diào)節(jié)”。左圖是汽油機的負荷特性。初看起來，汽油機的負荷特性與柴油機負荷特性似乎沒什么區(qū)別。

有效燃油消耗率be隨負荷的變化取決于ηit和ηm的變化⑴指示熱效率:隨負荷的增加而先緩慢增加，然后略有下降。⑵機械效率：隨負荷的增加而增加。當發(fā)動機空轉(zhuǎn)時，機械效率ηm為零，這樣燃油消耗率be為無窮大。隨節(jié)氣門開度的增加，指示熱效率和機械效率均上升，故燃油消耗率急劇下降，在大負荷需要濃混合氣，不完全燃燒加劇，指示熱效率下降，燃油消耗率上升。1.有效燃油消耗率be曲線2.燃油消耗量qmf曲線轉(zhuǎn)速一定時，汽油機燃油消耗量qmf曲線的變化主要決定于節(jié)氣門開度（決定充量系數(shù)）和混合氣成分（過量空氣系數(shù)）。隨負荷增加，節(jié)氣門開度的增加，汽油機充量系數(shù)增大，進入氣缸的混合氣量增多；過量空氣系數(shù)先緩慢上升（混合氣變?。?，然后緩慢下降（混合氣變濃），但總體變化不是很大。所以，qmf一直上升；全負荷時，混合氣濃度變大，由于燃燒惡化，

qmf上升得更快。qmf曲線由qmf

=k4ηvn/φat知：在轉(zhuǎn)速一定時，qmf主要取決于節(jié)氣門開度和混合氣濃度。結(jié)論：be曲線由be=k3/ηiηm

，qmf隨負荷的變化取決于ηi和ηm隨負荷的變化。如圖6-13。ηi曲線：中小負荷時，ηi隨著負荷增加而上升；大負荷時，ηi隨著負荷增加而下降。ηm曲線：由可知：當n一定，中小負荷時，隨負荷增加，ηm迅速增加。大負荷時，隨負荷增加，ηm

緩慢增加。怠速時，指示功率完全用于自身消耗（Pi=Pm

），ηm=0。結(jié)論：怠速時，be=∞，隨負荷增加，be迅速下降；當be

出現(xiàn)最小值后，隨負荷增加，be開始緩慢上升。gemin提高汽油機燃油經(jīng)濟性的方法（1）由于發(fā)動機負荷率較低時的油耗率be較高，故正確選擇發(fā)動機的原則：在滿足動力性要求的條件下，盡量選小功率發(fā)動機，使其經(jīng)常處于負荷較高的狀態(tài)下工作，以利于提高燃油經(jīng)濟性。（2）發(fā)動機后備功率較大情況下，合理拖帶掛車或半掛車。（3）合理利用加速—滑行的駕駛方法來降低油耗。原理是：將汽車加速行駛，較大負荷下工作，利用慣性滑行。二、柴油機的負荷特性1.定義：柴油機轉(zhuǎn)速保持不變(通過移動供油拉桿或齒條位置來適應(yīng)外界負荷的變化)時，每小時燃油消耗量qmf和燃油消耗率be隨Pe（或Ttq、pe）的變化規(guī)律，稱柴油機負荷特性。負荷調(diào)節(jié)為質(zhì)調(diào)節(jié)。2.負荷特性曲線分析：1）qmf曲線:2）be曲線:一、柴油機負荷特性

1.定義:柴油機轉(zhuǎn)速一定，改變每循環(huán)供油量，每小時耗油量B、有效燃料消耗率be隨負荷（Pe、Ttq或Pme）而變化的關(guān)系。2.柴油機負荷調(diào)節(jié)方法稱為“質(zhì)調(diào)節(jié)”。柴油機負荷特性曲線分析（一）耗油率曲線根據(jù)公式柴油機耗油率be隨負荷的變化取決于ηit和ηm