發(fā)動機(jī)的性能第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容第一節(jié)發(fā)動機(jī)理論循環(huán)第二節(jié)四沖程發(fā)動機(jī)的實際循環(huán)第三節(jié)發(fā)動機(jī)的指示性能指標(biāo)第四節(jié)發(fā)動機(jī)的有效性能指標(biāo)第五節(jié)機(jī)械損失和機(jī)械效率第六節(jié)熱平衡作業(yè)題及復(fù)習(xí)題第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)發(fā)動機(jī)理論循環(huán)發(fā)動機(jī)的理論循環(huán):將非常復(fù)雜的實際工作過程加以抽象簡化，忽略一些次要影響因素，并對其中變化復(fù)雜、難于進(jìn)行細(xì)致分析的物理、化學(xué)過程〔如可燃混合氣的準(zhǔn)備與燃燒過程等〕進(jìn)行簡化處理，得到便于進(jìn)行定量分析的循環(huán)，稱發(fā)動機(jī)的理想循環(huán)。p1第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三一、三種基本理論循環(huán):p1～

p61、研究理論循環(huán)的目的:p11)確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷實際發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和工作過程進(jìn)行的完善程度以及改進(jìn)潛力。2)分析比較發(fā)動機(jī)不同熱力循環(huán)方式的經(jīng)濟(jì)性和動力性。3)確定提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟(jì)性和以平均壓力為代表的動力性的基本途徑。第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1假定工質(zhì)為定比熱容的理想氣體；2不計吸氣和排氣過程（工質(zhì)的總質(zhì)量保持不變），假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)；3壓縮、膨脹過程簡化為絕熱等熵過程；4把燃燒過程看作是外界對工質(zhì)的加熱過程，簡化為等容加熱過程或等壓加熱過程；5排氣中的實際放熱過程簡化為等容放熱過程；6忽略過程損失，把循環(huán)的每一過程都假定為可逆過程，即假設(shè)循環(huán)過程為可逆循環(huán)。簡化原則為:p1理解?。〉?頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3、發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)：發(fā)動機(jī)理論循環(huán)的三種形式：a)混合加熱循環(huán)b)等容加熱循環(huán)c)等壓加熱循環(huán)

高速柴油機(jī)汽油機(jī)高增壓和低速大型柴油機(jī)第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三補(bǔ)充：熵的定義：熵是一個狀態(tài)參數(shù)，其定義為：其中：dq表示1千克工質(zhì)在可逆過程中自外界吸入的熱量。第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三二、循環(huán)熱效率：p2～p41、循環(huán)熱效率(簡稱熱效率)：p2式中：工質(zhì)所做循環(huán)功（J）循環(huán)加熱量（J）工質(zhì)在循環(huán)中放出的熱（J）評定循環(huán)經(jīng)濟(jì)性理論循環(huán)是用循環(huán)熱效率和循環(huán)平均壓力來評定。第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三１）混合加熱循環(huán)的熱效率

2、三種基本理論循環(huán)的熱效率公式２）等容加熱循環(huán)的熱效率

３）等壓加熱循環(huán)的熱效率

第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3、三種基本理論循環(huán)熱效率的分析

1）混合加熱循環(huán)熱效率的分析

分析條件：循環(huán)總加熱量不變。第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三2）等容加熱循環(huán)熱效率的分析３）等壓加熱循環(huán)熱效率的分析4）等熵指數(shù)對循環(huán)熱效率的影響第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三從理論循環(huán)的分析可知，提高壓縮比εc和壓力升高比λp對提高循環(huán)熱效率ηt起著有利的作用，但發(fā)動機(jī)實際工作條件約束和限制循環(huán)熱效率提高。４、發(fā)動機(jī)實際工作條件對循環(huán)熱效率提高的約束和限制：p3~41)零件的強(qiáng)度和可靠性的限制

2)機(jī)械效率的限制3)燃燒方面的限制

發(fā)動機(jī)的壓縮比和壓力升高比見p4。第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1、循環(huán)平均壓力：p4評定循環(huán)的動力性(kPa)式中：循環(huán)所做的功（J）氣缸工作容積（L）三、循環(huán)平均壓力：p4第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1）混合加熱循環(huán)平均壓力公式2、三種基本理論循環(huán)平均壓力公式２）等容加熱循環(huán)平均壓力公式3）等壓加熱循環(huán)平均壓力公式第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3、等壓加熱循環(huán)平均壓力公式

混合加熱循環(huán)的平均壓力隨進(jìn)氣終點(diǎn)壓力、壓縮比、壓力升高比、預(yù)脹比、絕熱指數(shù)和循環(huán)熱效率的增大而增大。p4：進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力(kPa)第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三四、三種基本循環(huán)的比較：p4～p6

循環(huán)名稱循環(huán)熱效率循環(huán)特點(diǎn)等容加熱循環(huán)

加熱過程在等容條件下很快完成，熱效率僅與壓縮比有關(guān)等壓加熱循環(huán)

加熱過程在等壓條件下緩慢完成，負(fù)荷的增加使得熱效率下降混合加熱循環(huán)介于上述兩者之間表1–1三種理論循環(huán)的比較第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三Ts4’5’4’’5’’abb’b’’412351、壓縮比及加熱量分別相同時比較p5壓縮比相同加熱量相同初態(tài)1相同等容加熱循環(huán)熱效率最高，而等壓加熱循環(huán)的均最低。欲提高混合加熱循環(huán)的熱效率，應(yīng)增加混合加熱循環(huán)的等容部分。第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三2、加熱量及循環(huán)的最高壓力分別相同時比較Ts加熱量相同初態(tài)1相同循環(huán)的最高壓力相同abb’b’’2’’4’’5’’54123Pmax2’4’5’對于高增壓柴油機(jī)，為了得到較高的熱效率，宜按等壓加熱循環(huán)工作。第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3、汽、柴油機(jī)負(fù)荷變化(不同加熱量)時的對比：柴油機(jī)：由于噴霧壓燃后邊噴油邊燃燒,當(dāng)負(fù)荷下降時，噴油時間縮短，但初期相當(dāng)于等容燃燒的部分變化不大。這相當(dāng)于λp基本不變而減小，則ηt提高。汽油機(jī)：點(diǎn)火后傳播燃燒且無論負(fù)荷大小，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x不變。當(dāng)負(fù)荷下降時，燃燒速度降低，燃燒時間加長。這相當(dāng)于λp下降而上升，則ηt降低。第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)四沖程發(fā)動機(jī)的實際循環(huán)一、發(fā)動機(jī)的實際循環(huán)1、進(jìn)氣過程圖a）2、壓縮過程圖b）3、燃燒過程圖c）4、膨脹過程圖c）5、排氣過程圖d）第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1、實際工質(zhì)的影響實際工質(zhì)影響引起的損失：2、換氣損失換氣損失：3、燃燒損失非瞬時燃燒損失和補(bǔ)燃損失：提前排氣損失：4、傳熱損失傳熱、流動損失：5、缸內(nèi)流動損失二、發(fā)動機(jī)實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較圖1–12發(fā)動機(jī)實際循環(huán)與理論循環(huán)的比較a)柴油機(jī)b)汽油機(jī)第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)發(fā)動機(jī)的指示性能指標(biāo)發(fā)動機(jī)的指示性能指標(biāo)是指以工質(zhì)對活塞做功為計算基礎(chǔ)的指標(biāo)，簡稱指示指標(biāo)。指示指標(biāo)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(jìn)行的質(zhì)量。是從示功圖測量計算得出的。第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三一、

指示功和平均指示壓力指示功是指氣缸內(nèi)完成一個工作循環(huán)所得到的有用功Wi。指示功的大小可以由p—V圖中閉合曲線所占有的面積求得。式中：Fi示功圖面積，cm2；可以用求積儀或計算方法求得a示功圖縱坐標(biāo)比例尺，Pa／cm；b示功圖橫坐標(biāo)比例尺，cm3／cm。（J或N·m）第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三平均指示壓力是指單位氣缸容積一個循環(huán)所作的指示功(Pa)。式中，Wi發(fā)動機(jī)一個工作循環(huán)的指示功，J；Vs發(fā)動機(jī)氣缸工作容積，m3。若Vs用L為單位，Wi用kJ為單位，則pmi(MPa)式中，D和S分別為氣缸直徑和活塞行程第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三平均指示壓力可以設(shè)想為一個恒定的壓力作用于活塞頂上，使活塞移動一個行程所作的功，即循環(huán)的指示功Wi。

平均指示壓力是衡量發(fā)動機(jī)實際循環(huán)動力性能的一個很重要的指標(biāo)。圖1–15指示功與平均指示壓力第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三二、指示功率：指示功率Pi

：發(fā)動機(jī)單位時間內(nèi)所作的指示功。若：一臺內(nèi)燃機(jī)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)第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三三、指示熱效率和指示燃油消耗率指示熱效率ηit：發(fā)動機(jī)實際循環(huán)指示功與所消耗燃料熱量的比值。式中，Q1得到指示功Wi所消耗的熱量(J)。對于一臺發(fā)動機(jī)，若測得其指示功率Pi(kW)、每小時燃油消耗量B(kg/h)，則：式中，3.6×l031kW·h的熱當(dāng)量，kJ/(kW·h)；B每小時發(fā)動機(jī)的耗油量，kg/h；Hu所用燃料的低熱值，kJ/kg。第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三指示燃油消耗率[g／(kW·h)]：指單位指示功的耗油量。通常以單位指示千瓦小時的耗油量來表示：表示實際循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)ηit和bi之間存在著以下關(guān)系：第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三一般內(nèi)燃機(jī)的ηit和bi的統(tǒng)計范圍如下：

ηitbi／[g／(kW·h)-1]四沖程柴油機(jī)0.4l～0.48210～175二沖程柴油機(jī)0.40～0.48218～177

四沖程汽油機(jī)0.25～0.40344～218二沖程汽油機(jī)0.19～0.27435～305從統(tǒng)計范圍可以看出：柴油機(jī)的指示熱效率高于汽油機(jī)，四沖程發(fā)動機(jī)的指示熱效率高于二沖程發(fā)動機(jī)。第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)發(fā)動機(jī)的有效性能指標(biāo)以曲軸輸出功為計算基礎(chǔ)的性能指標(biāo)，稱為有效性能指標(biāo)，簡稱有效指標(biāo)。有效指標(biāo)被用來直接評定發(fā)動機(jī)實際工作性能的優(yōu)劣。第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三一、發(fā)動機(jī)動力性指標(biāo)1、有效功和有效功率有效功：發(fā)動機(jī)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(jī)械損失功第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三有效功率式中：Pi指示功率Pm實際機(jī)械損失功率(kw)

機(jī)械損失:發(fā)動機(jī)內(nèi)部摩擦損失；驅(qū)動附件損耗；泵氣損失等。第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三2、有效轉(zhuǎn)矩發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，按以下公式求得:第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3、平均有效壓力：發(fā)動機(jī)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(jī)動力性能的一個很重要的參數(shù)。Ttq∝pmepme反映了發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積輸出轉(zhuǎn)矩的大小。第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三4、轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度（m／s）式中，S為活塞行程(m)n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三二、發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)衡量發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)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，即第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三有效燃油消耗率[g／(kW·h)]是指單位有效功所消耗的燃油量，用be表示：（g/kw·h）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。第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三一般內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)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(jī)190～2250.38～0.45中速柴油機(jī)195～2400.36～0.43高速柴油機(jī)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(jī))四沖程汽油機(jī)274～4100.30～0.20二沖程汽油機(jī)410～5450.20～0.15第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三三、發(fā)動機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)升功率：在標(biāo)定工況下(指標(biāo)定轉(zhuǎn)速、標(biāo)定功率)，發(fā)動機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。式中，pme為標(biāo)定工況下的平均有效壓力，MPa；n為標(biāo)定轉(zhuǎn)速，r／min。(kW／L)第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三比質(zhì)量：是發(fā)動機(jī)質(zhì)量與所給出的標(biāo)定功率之比:(kg／kW)汽車發(fā)動機(jī)要求質(zhì)量小、功率大，所以其升功率大、比質(zhì)量小。汽油機(jī)的強(qiáng)化程度要比柴油機(jī)的高.第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三強(qiáng)化系數(shù)平均有效壓力與活塞平均速度的乘積稱為強(qiáng)化系數(shù)。與活塞單位面積的功率成正比。其值愈大，發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷愈高。發(fā)動機(jī)的類型強(qiáng)化系數(shù)汽油機(jī)（8～17）MPa·m／s小型高速柴油機(jī)（6～ll）MPa·m／s重型汽車柴油機(jī)（9～15）MPa·m／s表1–16強(qiáng)化系數(shù)范圍第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)機(jī)械損失和機(jī)械效率

一、機(jī)械效率平均機(jī)械損失壓力pmm

發(fā)動機(jī)單位氣缸工作容積一個循環(huán)所損失的功。式中，Pm為機(jī)械損失功率(kW)；Vs為工作容積(L)；n為轉(zhuǎn)速(r／min)；i為氣缸數(shù)目。第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三機(jī)械效率：發(fā)動機(jī)的有效功率與指示功率之比。第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三機(jī)械效率的影響因素第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三二、機(jī)械損失的測定1、示功圖法2、倒拖法3、滅缸法4、油耗線法第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1、示功圖法:運(yùn)用各種示功器錄取氣缸的示功圖，從中算出Pi值，從測功器和轉(zhuǎn)速計讀數(shù)中測出發(fā)動機(jī)的有效功率Pe，從而可以算出Pm，ηm及pmm值。示功圖法一般用于當(dāng)上止點(diǎn)位置能得到精確校正時才能取得較滿意的結(jié)果。試驗結(jié)果的正確程度決定于示功圖測錄的正確程度：a.最大的誤差來源于p—φ圖或p—V圖上活塞上止點(diǎn)位置不易正確地確定；b.各個氣缸的不均勻性。第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三2、倒拖法－只能在電力測功機(jī)上試驗試驗時，發(fā)動機(jī)與電力測功器相連，當(dāng)發(fā)動機(jī)以給定工況穩(wěn)定運(yùn)行，冷卻水、機(jī)油溫度到達(dá)正常數(shù)值時，切斷對發(fā)動機(jī)的油，同時將電力測功器轉(zhuǎn)換為電動機(jī)，以給定轉(zhuǎn)速倒拖發(fā)動機(jī)，并且維持冷卻水和機(jī)油溫度不變，這樣測得的倒拖功率即為發(fā)動機(jī)在該工況下的機(jī)械損失功率。第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3.滅缸法（熄火法、斷缸法）——僅適用于多缸機(jī)當(dāng)發(fā)動機(jī)調(diào)整到以給定工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，先測出整個發(fā)動機(jī)的有效功率。之后，在柴油機(jī)油門拉桿或齒條位置、或汽油機(jī)節(jié)氣門開度固定不動的情況下，停止向某一汽缸供油或點(diǎn)火。調(diào)整測功機(jī)，使發(fā)動機(jī)恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速，重新測定有效功率（其余五個汽缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），兩者之差即為滅掉缸的指示功率。逐次滅缸，則整臺發(fā)動機(jī)的指示功率為，各缸相加。第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三如果滅缸后其他各缸的工作情況和發(fā)動機(jī)機(jī)械損失沒有變化，則被熄滅的氣缸原來所發(fā)出的指示功率(Pi)x：依次將各缸滅火，最后可以從各缸指示功率的總和中求得整臺發(fā)功機(jī)的指示功率Pi：第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三4.油耗線法第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速不變的情況下進(jìn)行負(fù)荷特性試驗，求出發(fā)動機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下，每小時燃油消耗量與平均有效壓力的關(guān)系曲線。

把燃油消耗量曲線延長并求出其與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)，就可以求得pmm值。當(dāng)測得其pmm值后，其機(jī)械效率可近似地用下式估算式中，B可取某一常用工況的數(shù)值。圖1–17用油耗線法求值示意圖第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三一般內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率大致在以下范圍：ηm非增壓柴油機(jī)0.78～0.85增壓柴油機(jī)0.80～0.92汽油機(jī)0.80～0.90第52頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三第六節(jié)熱平衡熱平衡表示熱量的分配情況。按照熱能表現(xiàn)為有效功和各種損失的數(shù)量分配來研究燃料中總熱量的利用情況。燃料的總熱量大體按以下六部分，由試驗確定：第53頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三一、發(fā)動機(jī)所耗燃油的熱量[kJ/h]：二、轉(zhuǎn)換為有用功的熱量三、傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量第54頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三