第一章發(fā)動機

第一章發(fā)動機的性能內(nèi)容：1.理論循環(huán)；2.實際循環(huán)；3.示功圖與指示性指標(biāo)；4.發(fā)動機有效性能指標(biāo)；5.機械損失與機械效率；6.提高汽車發(fā)動機動力性能與經(jīng)濟性能的途徑。

知識點：內(nèi)燃機的理論循環(huán)、實際循環(huán)及其差別，各種循環(huán)熱效率分析，循環(huán)參數(shù)對發(fā)動機性能的影響分析，實際循環(huán)的各種損失分析，示功圖表示方法與制取，指示指標(biāo)和有效指標(biāo)及機械損失概念及各指標(biāo)的計算方法.

難點：循環(huán)熱效率分析，循環(huán)參數(shù)對發(fā)動機性能的影響分析。各性能指標(biāo)的影響因素分析。在發(fā)動機中，確定工質(zhì)所經(jīng)歷的過程稱為循環(huán)。發(fā)動機的實際熱力循環(huán)是由進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣等多個過程所組成的.

實際循環(huán)向理想循環(huán)的簡化實際循環(huán)（以車用柴油機為例）1,進氣過程:0～12,壓縮過程:1～2

初期:工質(zhì)吸熱；后期:工質(zhì)放熱。3,燃燒過程:2～3～44,膨脹過程:4～5

初期:工質(zhì)放熱；后期:工質(zhì)吸熱。5,排氣過程:5～0第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)理論循環(huán)的簡化假定：①假定工質(zhì)物理和化學(xué)性能不變、比熱容為常數(shù)的理想氣體。②忽略進、排氣過程(作封閉循環(huán))。③壓縮、膨脹過程（復(fù)雜的多變過程）簡化為絕熱過程。④燃燒過程簡化為定容加熱過程或定壓加熱過程,排氣放熱簡化為定容放熱過程。⑤循環(huán)過程為可逆過程。一、三種基本循環(huán)將發(fā)動機的實際循環(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)”。第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)（一）混合加熱循環(huán)－車用柴油機的理想循環(huán)1,循環(huán)特征參數(shù)（1）壓縮比（2）壓力升高比（3）預(yù)脹比二、三種理想循環(huán)的分析:Q2Q1Q1第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)熵:是衡量工質(zhì)和外界是否發(fā)生熱交換的參數(shù)，符號為S，δq=Tds

3,分析（1）為定值

t

；

t

。

=1

t=const.（汽油機，定容加熱循環(huán)）（2）

t

；當(dāng)

=20左右時，

t

不大柴油機

=12～222,熱效率計算得:第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)（二）定容加熱循環(huán)（奧托OTTO循環(huán)）－汽油機的理想循環(huán)

所以:熱效率

2分析

t

；當(dāng)

=10達到左右時，再增加，對

t的增加影響不大,且汽油機容易爆燃，因此，汽油機

=6～10。1熱效率

因為:預(yù)脹比Q1`Q2第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)（三）定壓加熱循環(huán)（狄賽爾DIESEL循環(huán)）－船舶用大型低速柴油機的理想循環(huán)2,分析（1）

為定值

t

（2）為定值，k

t

1,熱效率

第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)

三、三種理想循環(huán)熱效率的比較1,初態(tài)1相同，壓縮比相同，加熱量q1相同第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)定容加熱混合加熱定壓加熱放熱量Q22，

初態(tài)1相同，最高壓力pmax，最高溫度Tmax相同，放熱量Q2相同。Q2第一節(jié)發(fā)動機理想循環(huán)第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)的p-V示功圖汽油機柴油機一、發(fā)動機實際循環(huán)的損失第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)（三）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。（一）工質(zhì)性質(zhì)理論上:理想氣體，雙原子氣體。實際上:燃燒前:燃料+空氣；燃燒后:燃燒產(chǎn)物。（二）比熱理論上:定比熱實際上:溫度T

比熱C

1、工質(zhì)改變產(chǎn)生的損失第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)2、傳熱、流動損失（一）傳熱損失理論上:壓縮、膨脹過程為絕熱過程。實際上:不是絕熱過程，大量熱量通過氣缸壁傳給冷卻水或空氣。傳熱損失是發(fā)動機中的最大損失，占總損失量的30%以上。因此，許多研究者致力于開發(fā)絕熱發(fā)動機。（二）流動損失理論上:閉口系統(tǒng)，沒有氣體流動損失。實際上:進、排氣節(jié)流沿程損失，缸內(nèi)進氣、擠壓、燃燒渦流損失。第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)3、換氣損失理論上:忽略進、排氣過程。實際上:進、排氣門提前開啟，遲后關(guān)閉。而且有流動阻力。

4、燃燒不完全損失理論上:定容加熱瞬間完成，定壓加熱速度與活塞運行速度密切配合。實際上:燃燒需要時間,燃燒也不可能完全。第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)5、后燃損失理論上:加熱瞬間停止，膨脹過程無加熱。實際上:雖然大部分（80%以上）燃料在燃燒過程中燃燒掉，但仍有小部分燃料會拖到膨脹線上才燃燒，做功效果變差，熱效率下降。6、漏氣損失理論上:閉口系統(tǒng)，無泄漏。實際上:活塞、活塞環(huán)與氣缸不會100%密封，總會有些氣體竄到曲軸箱中，造成損失。第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)二、發(fā)動機的實際循環(huán)第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)

1、壓縮過程實際循環(huán)中，壓縮過程始于下止點后一定角度（進氣門延遲關(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，有泄漏，比熱有變化，與氣缸壁有熱交換。（1）

壓縮過程的作用：①增大了工作循環(huán)的溫度范圍，使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與壓縮終點容積的比。即，對不同類型的發(fā)動機有不同的要求。

理論上ε↑→ηt↑，希望ε越大越好。實際上對ε有一定的限制。

第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)原因如下：①ε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Pz，噪聲、排放（溫度高,NOX上升)；高溫下CO2分解形成CO

的限制。當(dāng)ε上升到一定程度時，ηt

上升的程度明顯減少,ε太高反而得不償失。

第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)

②ε的下限

a.對點燃式內(nèi)燃機,在滿足上限的限制下,盡量使ε

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ε→TC↑→τ↓(滯燃期)

燃燒柔和。TC：壓縮終點溫度

Tc↑改善冷起動性能,一般比自燃溫度高200-300k

ε的大致范圍：汽油機7～11柴油機14～22增壓柴油機12～17第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)（3）多變壓縮指數(shù)n1

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。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dQ＞0，n1按大于絕熱指數(shù)k1變化。當(dāng)繼續(xù)壓縮，工質(zhì)溫度與周壁溫度相等，這時無換熱，dQ=0,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。多變壓縮指數(shù)n1的變化第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)在近似計算實際循環(huán)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。n1稱為平均壓縮多變指數(shù)。實驗測定n1的大致范圍為：汽油機 1.36～1.38高速柴油機 1.38～1.40增壓柴油機 1.35～1.37第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)壓縮終點的壓力和溫度可用下式計算；一般的范圍為：Pc（MPa）Tc（K）汽油機0.8～2.0600～750柴油機3.0～5.0750～1000增壓柴油機5.0～8.0800～1100第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)2、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。燃燒的最高爆發(fā)壓力及最高溫度的大致范圍為：

Pz（MPa）Tz（K）汽油機3.0～8.02200～2800柴油機4.5～9.01800～2200增壓柴油機9.0～14.0第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)

3、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第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)

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)受熱量大于傳向缸壁散熱量,所以dQ>0工質(zhì)仍受熱,比zz1,少，所以n2<k2

。

b

z2z3

：后燃減少，分解產(chǎn)物的化合作用仍在進行，工質(zhì)接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)dQ<0，n2>k2

。第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)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：

Pb

、Tb的大致范圍：汽油機 pb=0.3～0.6MPa,Tb=1200～1500K非增壓柴油機pb=0.2～0.6MPa,Tb=1000～1200K

增壓柴油機 pb=0.6～1.0MPa,Tb=1000～1200K

n2的值一般如下：柴油機 n2=1.15～1.28

汽油機 n2=1.23～1.28

第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)4、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。第二節(jié)四沖程發(fā)動機實際循環(huán)第三節(jié)發(fā)動機的指示性能指標(biāo)發(fā)動機性能指標(biāo):指示指標(biāo)，有效指標(biāo)

指示指標(biāo):以工質(zhì)在氣缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)，評價工作循環(huán)的質(zhì)量。用平均指示壓力和平均指示功率評定循環(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)的經(jīng)濟性。

有效指標(biāo):以曲軸上得到的凈功率為基礎(chǔ)，評價整機性能。

示功圖:發(fā)動機缸內(nèi)壓力p隨氣缸容積V（p-V圖）或曲軸轉(zhuǎn)角（p-圖）變化的圖示。第三節(jié)發(fā)動機的指示性能指標(biāo)（一）指示功

一個循環(huán)工質(zhì)對活塞所做的有用功。第三節(jié)發(fā)動機的指示性能指標(biāo)P-φ圖第三節(jié)發(fā)動機的指示性能指標(biāo)

其中：a，b－橫、縱座標(biāo)比例尺指示功大，說明(1)氣缸工作容積大;(2)熱功轉(zhuǎn)換有效程度大。為突出后者，比較不同大小發(fā)動機的熱功轉(zhuǎn)換有效程度，引入平均有效壓力的概念。（二）平均指示壓力

單位氣缸工作容積所做的指示功。

（假想?yún)?shù)）－每缸工作容積。

0.7～1.1[MPa]0.8～1.5[MPa]

其中第三節(jié)發(fā)動機的指示性能指標(biāo)二指示功率Pi

單位時間所做的指示功。若:缸數(shù)i，每缸工作容積Vs（L）沖程數(shù)，平均指示壓力Pmi

[MPa]，轉(zhuǎn)速n[r/min]。則

[W]

[kW]四沖程=4,二沖程=2第三節(jié)發(fā)動機的指示性能指標(biāo)三指示比油耗和指示熱效率（一）指示比油耗bi單位指示功率的耗油量。

[g/kW·h]（二）指示熱效率

－燃料的低熱值(kJ/kg)。

0.4～0.50=170～205[g/kW·h]

0.3～0.40

=205～320[g/kW·h]－每小時耗油量[kg/h]第三節(jié)發(fā)動機的指示性能指標(biāo)-做指示功所消耗的熱量。1kW=3.6(MJ)一、發(fā)動機動力性能1、有效功率Pe:單位時間所做的有效功。

[kW]發(fā)動機的指示功率不能完全對外輸出，因為發(fā)動機內(nèi)部有損耗的功率，這部分損耗的功率被稱為機械損失功率。

機械損失功率包括:發(fā)動機內(nèi)部摩擦損失；驅(qū)動附件損耗，如:機油泵、燃油泵、掃氣泵、冷卻水泵、風(fēng)扇、配氣機構(gòu)和泵氣損失等。

其中－平均機械損失功率。第四節(jié)發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定所以發(fā)動機有效功率由試驗測得。第四節(jié)發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定2、有效扭矩

功率輸出軸輸出的扭矩

[kW]

[kW]—有效扭矩［N·m］

n—發(fā)動機轉(zhuǎn)速［r/min］第四節(jié)發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定3.平均有效壓力Pme

單位氣缸工作容積所做的有效功。

[kW]

[MPa]

0.7～1.3[MPa]

0.6～1.0[MPa]由于所以[MPa]-3第四節(jié)發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定4.轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度Cm提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，即增加單位時間的做功次數(shù)，可以提高發(fā)動機的功率，可使發(fā)動機體積小，重量輕，功率大。S—活塞行程（m）值的范圍：汽油機5000～800012～180.7～1.0柴油機2000～50009～150.7～1.2r/minm/s(m/s)第四節(jié)發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定二、發(fā)動機經(jīng)濟性能1.有效熱效率單位有效功率的耗油量。

[g/kW·h]－每小時耗油量[kg/h]-做有效功所消耗的熱量。0.30～0.45=190～285[g/kW·h]0.25～0.30=270～325[g/kW·h]。由此可見，柴油機的熱效率比汽油機的高，經(jīng)濟性比汽油機好。2.有效燃油消耗率-有效功第四節(jié)發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定三、發(fā)動機強化指標(biāo):升功率和比質(zhì)量-單位氣缸工作容積所發(fā)出的功率。它衡量發(fā)動機容積利用的程度。

[kW/l]提高的主要途徑是提高Pme和n。

me-發(fā)動機凈質(zhì)量與所發(fā)出有效功率的比值。它表征質(zhì)量利用的程度和結(jié)構(gòu)緊湊性。，

發(fā)動機強化程度高。所以

[kg/kW]該指標(biāo)越大越好該指標(biāo)越小越好第四節(jié)發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定18～302.5～9.030～701.1～4.0［kW/L］［kg/kW］汽油機柴油機第四節(jié)發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定可見，汽油機的強化程度要比柴油機的高，主要是汽油機的轉(zhuǎn)速比柴油機高。2.強化系數(shù)平均有效壓力Pme與活塞平均速度Cm的乘積稱為強化系數(shù)。它表征發(fā)動機的強化程度，其值越高，發(fā)動機熱負荷和機械負荷越高，需要先進的技術(shù)支持。汽油機柴油機大致范圍：8～17MPa.m/s

6～11MPa.m/s第四節(jié)發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的評定一、機械效率

對于不同類型的發(fā)動機，絕對損失大的，其相對損失卻不一定也大。必須有一個衡量標(biāo)準，故引進機械效率的概念。是有效功率與指示功率的比值。

值愈接近1，即Pe愈接近Pi，說明機械損失功的比例小，性能好。第五節(jié)機械損失與機械效率第五節(jié)機械損失與機械效率活塞、活塞環(huán)與氣缸的摩擦損失45%~65%整個活塞連桿曲軸機構(gòu)摩擦損失

60%~70%驅(qū)動氣門機構(gòu)功耗2%~3%驅(qū)動附件機構(gòu)的功率消耗10%~20%5.泵氣損失

10%~20%機械損失的構(gòu)成第五節(jié)機械損失與機械效率1.示功圖法

儀器測錄發(fā)動機氣缸內(nèi)的壓力示功圖，從中計算Pi值

測量發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，計算發(fā)動機的有效功率Pe

計算機械損失功率

Pm=Pi-Pe計算機械效率誤差：活塞上止點、多缸不均勻性設(shè)備：發(fā)動機試驗設(shè)備、示功圖測量設(shè)備等適應(yīng)性：任何發(fā)動機二、機械損失的測定第五節(jié)機械損失與機械效率2.倒拖法

發(fā)動機與電力測功機相連。起動發(fā)動機，發(fā)動機運行至正常試驗狀態(tài)。然后切斷發(fā)動機的供油。將電力測功機轉(zhuǎn)換為電動機使用，在給定轉(zhuǎn)速下倒拖發(fā)動機，并維持冷卻水溫度和機油溫度不變。

測量給定轉(zhuǎn)速發(fā)動機的倒拖功率：即機械損失功率誤差：缸內(nèi)壓力下降，摩擦損失減少；包含了泵氣損失；傳熱損失。實際結(jié)果偏高。設(shè)備：電力測功器適應(yīng)性：低壓縮比汽油機第五節(jié)機械損失與機械效率3.滅缸法誤差：同倒拖，但誤差較倒拖小。設(shè)備：多缸機，測功機適應(yīng)性：非增壓柴油機

當(dāng)發(fā)動機調(diào)整到給定工況穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后，先測出整個發(fā)動機的有效功率。之后，在柴油機油門拉桿或齒條位置、或汽油機節(jié)氣門開度固定不動的情況下，停止向某一氣缸供油或點火。調(diào)整測功機，減小負荷，使發(fā)動機恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速，重新測定有效功率（其余缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），兩者之差即為滅掉缸的指示功率。計算第五節(jié)機械損失與機械效率4.油耗線法

中低負荷下的負荷特性試驗，基本原理：轉(zhuǎn)速不變，機械損失功率不隨負荷增減而變化。作圖（燃油流量與負荷的關(guān)系）直線外延至橫坐標(biāo)，交點值即為平均機械損失功率或壓力用油耗線法求pmm

值第五節(jié)機械損失與機械效率誤差：基于ηt不變，誤差較小。設(shè)備要求：一般適應(yīng)性：不適用于節(jié)氣門調(diào)節(jié)的汽油機。

用油耗線法求pmm

值第五節(jié)機械損失與機械效率5.測量方法比較

倒拖法只能用于配有電力測功器的情況，不適用于大功率發(fā)動機，而較適用于測定壓縮比不高的汽油機的機械損失。對于非增壓或廢氣渦輪增壓柴油機(pb<0.15MPa)，只能用示功圖法、油耗線法來測定機械損失。對于排氣渦輪中增壓、高增壓的柴油機(pb≥0.15MPa)，除示功圖外，尚無其他適用的方法。對于4沖程發(fā)動機，除示功圖法外，其他測量方法尚無法排除泵氣功。第五節(jié)機械損失與機械效率三、影響機械效率的因素－

1.摩擦損失（1）活塞組件（2）曲軸組件（3）配氣機構(gòu)第五節(jié)機械損失與機械效率Pm與cm幾乎呈直線關(guān)系。ηm與n似呈二次方關(guān)系。

n

●慣性力

活塞對缸壁的側(cè)壓力

軸承負荷

●

各摩擦副相對速度

摩擦損失

●泵氣損失，驅(qū)動附件損耗機械損失功率增加機械效率下降

若要提高轉(zhuǎn)速來提高功率，提高動力性，則機械效率ηm將成為主要障礙之一。2.轉(zhuǎn)速n（或活塞平均速度Cm