内燃机原理 第2章讲解.ppt

内内 燃燃 机机 原原 理理 沈阳航空工业学院 动力与能源工程学院 徐让书 第2章 内燃机的工作指标内燃机的工作指标 Ê动力性能指标 t功率、转矩、转速 Ê经济性能指标 t燃料与润滑油消耗率 Ê运转性能指标 t冷起动性能、噪声和排气品质 Ê耐久可靠性指标 t大修或更换零件之间的最长运行时间 与无故障长期工作能力 t燃料燃烧产生的热量是通过气缸内所 进行的工作循环转化为机械能的，即气 缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上， 通过曲柄连杆机构，在克服了内燃机内 部各种损耗后，对外做功 t因此，要研究内燃机的动力性能和经 济性能，应首先对内燃机一个工作循环 中热功转换的质和量两方面加以分析 燃料的 化学能 工质的 内能 工质的 机械能 有效功 燃烧热力循环曲柄连杆机构 指示性能指标机械效率 第2章 内燃机的工作指标内燃机的工作指标 第第1 1节节 示功图与指示性能指标示功图与指示性能指标 第2节 有效性能指标 第3节 机械损失与机械效率 第4节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径 第第1 1节节 示功图与指示性能指标示功图与指示性能指标 ÊÊ一、示功图一、示功图 Ê二、指示性能指标 一、示功图 Êp–V示功图或p–φ示功图 t利用不同型式的示功器或内燃机数 据采集系统来观察或记录相对于不同 活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压 力的变化规律 tp–V图或p–φ图两者可以互相转换 。

t从示功图可以观察到内燃机工作循 环的不同阶段（压缩、燃烧、膨胀） 以及进气、排气行程中的压力变化 t通过数据处理，运用热力学知识， 将它们与所积累的试验数据进行分析 比较，可以对整个工作过程或工作过 程的不同阶段进展的完善程度做出正 确判断 进气行程压缩行程膨胀行程排气行程 下止点上止点下止点 1803605407200 曲轴转角φ/()CA 气缸压力p/MPa Vc Va Vs Z ’ Z b a c O p0 p V a ) Vc Va Vs Z b a c O p0 p V b ) 第第1 1节节 示功图与指示性能指标示功图与指示性能指标 Ê一、示功图 ÊÊ二、指示性能指标二、指示性能指标 二、指示性能指标 Ê内燃机的指示性能指标是指以工质对活 塞做功为基础的指标 Ê指示功是指气缸内完成一个工作循环所 得到的有用功Wi t指示功的大小可以由p–V图中闭合曲线 所占有的面积求得 §(a)四冲程非增压发动机 Fi = F1－F2 §(b)四冲程增压发动机 Fi = F1 + F2 §(c)二冲程发动机只有一块示功图面积Fi， 它表示了指示功的大小 §Fi可以用求积仪或计算方法求得，然后用 下式计算Wi(N·m或J)值 Ê(2－1) §Fi为示功图面积，cm2 §a为示功图纵坐标比例尺，Pa/cm §b为示功图横坐标比例尺，cm3/cm O V p0 b) F1 F2 p + + O V c ) F1 p0 p + O p V p0 a) F1 F2 + - 二、指示性能指标 Ê平均指示压力（用pmi表示，下标 m表示“平均[mean]”的意思）是 单位气缸容积一个循环所做的指 示功(Pa) Ê (2－2) t一般在标定工况下pmi值在下列范 围内 §四冲程非增压柴油机0.6~0.95MPa §四冲程增压柴油机0.85~2.6MPa §二冲程柴油机 0.35~1.3MPa §四冲程摩托车用汽油机0.9~1.43MPa §四冲程小客车用汽油机0.65~1.25MPa §四冲程载货车用汽油机0.6~0.85MPa §二冲程小型风冷汽油机0.4~0.85MPa Ê内燃机单位时间内所作的指示功称 为指示功率Pi。

t平均指示压力pmi与指示功率的关系： §根据pmi的定义，每循环所作的指示功(J) 为 ÊWi = pmiVs Ê得 (2－3) §τ为冲程数，四冲程τ=4；二冲程τ=2 §在实际应用时，一般采用pmi(MPa)， Vs(L)，n(r/min)，Pi(kW)代入可得 Ê (2－4) 二、指示性能指标 Ê指示热效率ηit是发动机实际循环指 示功与所消耗的燃料热量之比，即 Ê (2－5) tQ1为得到指示功Wi所消耗的热量(J) Ê对于一台发动机，当测得其 t指示功率Pi(kW)和 t每小时燃油消耗量B(kg/h)时， t根据ηit的定义，可得 Ê (2－6) §3.6×103为1kW·h的热当量， kJ/(kW·h)； §B为每小时发动机的耗油量，kg/h； §Hu为所用燃料的低热值，kJ/kg Ê指示燃油消耗率[g/(kW·h)]是指 单位指示功的耗油量，它通常以单位 指示千瓦小时的耗油量来表示 Ê (2－7) t表示实际循环的经济性指标ηit和bi之 间存在着以下关系 Ê (2－8) t一般ηit和bi的统计范围如下： §ηit bi/[g(kW·h)-1] 四冲程柴油机0.41~0.48210~175 二冲程柴油机0.40~0.48218~177 四冲程汽油机0.25~0.40344~218 二冲程汽油机0.19~0.27435~305 第2章 内燃机的工作指标内燃机的工作指标 第1节 示功图与指示性能指标 第第2 2节节 有效性能指标有效性能指标 第3节 机械损失与机械效率 第4节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径 第第2 2节节 有效性能指标有效性能指标 一、机械效率和有效功率一、机械效率和有效功率 二、平均有效压力和升功率 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 四、有效热效率和有效燃油消耗率 一、机械效率和有效功率 t气缸内工作循环发出的指示功率需扣 除运动件的摩擦功率以及驱动附件所消 耗的功率后才是曲轴的有效输出，所有 这些消耗功率的总和称为机械损失功率 Pm，从而有效功率 Ê(2－9) t有效功率与指示功率之比称为机械效 率 Ê (2－10) t内燃机的有效功率Pe(kW)可以利用测 功器和转速计分别测出发动机在某一工 况下曲轴的输出转矩Ttq(N·m)及在同一 工况下的发动机转速n(r/min)，按下 式求得 Ê (2－11) 第第2 2节节 有效性能指标有效性能指标 一、机械效率和有效功率 二、平均有效压力和升功率二、平均有效压力和升功率 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 四、有效热效率和有效燃油消耗率 二、平均有效压力和升功率 Ê平均有效压力 t单位气缸工作容积一个循环所做的有 效功。

t平均有效压力是衡量发动机动力性能 的一个很重要的参数 tPe(kW)和pme(MPa)的关系式 Ê (2－12) Ê (2－13) t应用式(2－11)和式(2－12)的恒等 关系，可得 Ê (2－14) t求得 Ê (2－15) t对于一定气缸总工作容积（即iVs）的 发动机，平均有效压力pme值反映了发动 机输出转矩Ttq的大小 Ê Ttq ∝ pme 二、平均有效压力和升功率 Ê升功率PL(kW/L)的定义是在标定工 况下，发动机每升气缸工作容积所发 出的有效功率 Ê (2－16) t从式(2－12)可得 Ê (2－17) t可见，升功率PL是从发动机有效功率 的角度对其气缸工作容积的利用率作总 的评价，它与pme和n的乘积成正比PL 值越大，发动机的强化程度越高，发出 一定有效功率的发动机尺寸越小因而 PL是评定一台发动机整机动力性能和强 化程度的重要指标之一 §内燃机的pme和PL值一般在下列范围内： §pme/MPa PL/(kW·L-1) §农用柴油机 0.6~0.88.8~14.7 §汽车用柴油机 0.65~111~25.8 §强化高速柴油机 1~2.915~40 §固定船用中速柴油机 0.6~2.53.7~7.35 §四冲程摩托车用汽油机 0.78~1.251.8~88 §四冲程小客车用汽油机 0.65~1.240~70 §四冲程载货汽车用汽油机 0.6~0.722~25.8 §二冲程小型风冷汽油机 0.4~0.6518.4~73.5 第第2 2节节 有效性能指标有效性能指标 一、机械效率和有效功率 二、平均有效压力和升功率 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 四、有效热效率和有效燃油消耗率 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 Ê1.充量系数φc t定义1：若把每循环吸入气缸的空气量 换算成进气管状态（ps，Ts）的体积V1 ，其值一般要比活塞排量Vs小，两者的 比值定义为充量系数φc； t定义2：每循环吸入气缸的空气量m1与 以进气管状态（ps，Ts）的空气能充满 气缸工作容积Vs的质量msh之比定义为充 气系数φc 。

即 Ê t充量系数φc是表征实际换气过程进行 完善程度的一个极为重要的参数 Ê2.过量空气系数φa t燃烧1kg燃料的实际空气量与理论空 气量之比称为过量空气系数φa，即 Ê (2－18) §gb为每循环燃料供给量，kg；l0为1kg燃 料完全燃烧所需的理论空气量 §柴油l0 = 14.3kg空气/kg燃料 §汽油l0 = 14.8kg空气/kg燃料 §高速柴油机φa = 1.2~1.5 §增压柴油机φa = 1.7~2.2 §汽油机φa = 0.85~1.1 t非增压的四冲程内燃机可由耗油量B及 耗气量Aa按下式求得 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 Ê根据平均有效压力和平均指示压力 的定义及式(2－18)可得 Ê Ê Ê t ρs为进气管状态下空气密度式中单 位均按国际单位制 t以下列单位带入得 §Hu--kJ/kgρs--kg/m3 §l0--kg空气/kg燃料Pme--MPa Ê (2－19) t把ρs=ps/RTs和 l0 = maL0（ma = 28.9，为空气的分子量）代入得 Ê §ps为进气管压力(MPa)，Ts为进气管温度 (K)，空气的气体常数R = 287J/(kg·K)。

t类似地，有 第第2 2节节 有效性能指标有效性能指标 一、机械效率和有效功率 二、平均有效压力和升功率 三、平均有效压力与内燃机工作参数之间的关系 四、有效热效率和有效燃油消耗率四、有效热效率和有效燃油消耗率 四、有效热效率和有效燃油消耗率 t总的衡量发动机经济性能的重要指标 是有效热效率ηet和有效燃油消耗率be Ê有效热效率 t实际循环的有效功与为得到此有效功所 消耗的热量的比值，即 Ê (2－23) t以式(2－5)代入得 Ê ηet = ηitηm t由此可见，在ηet中已经考虑到实际发 动机工作时的一切损失了与上述ηit一 样，可得 Ê (2－24) Ê有效燃油消耗率 t指单位有效功的耗油量，通常用每有 效kW·h功所消耗的燃料g数be [g/(kW·h)]来表示，即 Ê (2－25) t由式(2－24)，be又可表示为 Ê (2－26) §标定工况下的be和ηet值一般在以下范围： § be/[g(kW·h)-1] ηet §低速柴油机190~225 0.38~0.45 §中速柴油机195~240 0.36~0.43 §高速柴油机215~285 0.30~0.40 §四冲程汽油机 274~410 0.30~0.20 §二冲程汽油机 410~545 0.20~0.15 第2章 内燃机的工作指标内燃机的工作指标 第1节 示功图与指示性能指标 第2节 有效性能指标 第第3 3节节 机械损失与机械效率机械损失与机械效率 第4节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径 第第3 3节节 机械损失与机械效率机械损失与机械效率 一、机械损失的组成部分一、机械损失的组成部分 二、机械损失的测定 三、影响机械损失和机械效率的因素 t在评定发动机机械损失时，除了机械 损失功率Pm和机械效率ηm外，也可应用 单位气缸工作容积的比参数——平均机械 损失压力pmm。

它的定义是：发动机单位 气缸工作容积一个循环所损失的功它 可以用来衡量机械损失的大小，参照式 (2－13)可以写出pmm(MPa)为 Ê (2－27) Ê (2－28) t在致力于提高内燃机性能指标。