02第二章内燃机的工作指标.docx
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02第二章内燃机的工作指标
第二章内燃机的工作指标
内燃机的工作指标很多，主要有动力性能指标（功率、转矩、转速）、经济性能指标（燃料与润滑油消耗率）、运转性能指标（冷起动性能、噪声和排气品质）和耐久可靠性指标（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）。
本章主要研究表征动力性能指标和经济性能指标的各种参数及其相互关系。
运转性能指标（如冷起动性能等）和耐久可靠性指标对内燃机来说有其不可忽视的重要性，它们将在本书的其他各章中分析讨论。
第一节示功图与指示性能指标
一、示功图
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。
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。
内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，为获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，通常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，所得的结果即为p—V示功图或p—φ示功图。
p—V图或p—φ图两者可以互相转换。
图2—1为四冲程内燃机的p—φ图，图2—2为四冲程内燃机实际循环p—V图。
在进排气过程组成的发动机换气过程示功图中，由于气缸压力低，需用放大的压力标尺记录出p—φ或p—V图（见第四章），也称为低压示功图。
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，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作出正确的判断。
因此，示功图是研究内燃机工作过程的重要试验数据。
二、指示性能指标
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。
1.指示功和平均指示压力指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi。
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，图2—3中示出了四冲程非增压和增压发动机以及二冲程发动机的示功图。
图2—3a中四冲程非增压发动机的指示功面积Fi是由相当于压缩、燃烧、膨胀行程中所得到的有用功面积Fl和相当于进气、排气行程中消耗的功的面积F2（即泵损失）相减而成，即Fl＝Fl－F2。
在四冲程增压发动机中（图2—3b），由于进气压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，因此，换气功的面积F2应与面积Fl叠加起来，即Fl＝F1＋F2。
在二冲程发动机中（图2—3c），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
（2—1）
式中，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。
指示功Wi反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除了和循环中热功转换的有效程度有关外，还和气缸容积的大小有关。
为了能更清楚地对不同工作容积发动机工作循环的热功转换有效程度作比较，引出了平均指示压力（用pmi表示）的概念。
所谓平均指示压力，是指单位气缸容积一个循环所做的指示功（Pa）
（2—2）
式中，Wi为发动机一个工作循环的指示功，J；Vs为发动机气缸工作容积，m3。
若Vs用L为单位，Wi用kJ为单位，则pmi（MPa）为
式（2—2）也可写成Wi＝pmi·Vs＝，其中，D和S分别为气缸直径和活塞行程，由此可以引出平均指示压力的第二个概念，即平均指示压力是一个假想的平均不变的压力，以这个压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程S所做的功，即为循环的指示功Wi。
平均指示压力是从实际循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数。
pmi越高，同样大小的气缸容积可以发出更大的指示功，气缸工作容积的利用程度越佳。
平均指示压力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。
一般内燃机在标定工况下的pmi值在下列范围内：
柴油机：
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
汽油机：
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
2.指示功率
内燃机单位时间内所作的指示功称为指示功率Pi。
若一台内燃机的气缸数为
i，每缸的工作容积为Vs（m3），平均指示压力为pmi（N／m2），转速为n（r／s），根据pmi的定义，每循环气体所作的指示功（J）为
具有i个气缸的发动机每秒所作的指示功率（W）为
（2—3）
式中，τ为冲程数，对四冲程内燃机：
τ＝4；对二冲程内燃机：
τ＝2。
在实际应用时，一般采用pmi（MPa），Vs（L），n（r／min），Pi（kW）代人可得
（2—4）
对四冲程发动机
对二冲程发动机
3.指示热效率和指示燃油消耗率
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的比值，即
（2—5）
式中，Ql为得到指示功Wi所消耗的热量（J）。
对于一台发动机，当测得其指示功率Pi（kW）和每小时燃油消耗量B（kg／h）时。
根据ηit的定义，可得
（2—6）
式中，3.6×l03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。
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
（2—7）
因此，表示实际循环的经济性指标ηit和bi之间存在着以下关系
（2—8）
若以柴油的低热值Hu＝41868kJ／kg代入式（2—8），则
一般内燃机的ηit和bi的统计范围如下：
ηitbi／[g／（kW·h）-1]
四冲程柴油机0.4l～0.48210～175
二冲程柴油机0.40～0.48218～177
四冲程汽油机0.25～0.40344～21R
二冲程汽油机0.19～0.27435～305
从统计范围可以看出：
柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。
第二节有效性能指标
一、机械效率和有效功率
上面所讨论的指示性能指标只能评定工作循环进行的好坏，发动机发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等附件所消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，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
（2—9）
有效功率与指示功率之比称为机械效率
（2—10）
内燃机的有效功率Pe（kW）可以利用各种型式的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及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求得
（2—11）
式中，Ttq为发动机输出转矩，N·m。
二、平均有效压力、有效功率和升功率
与平均指示压力相似，平均有效压力可看作是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程所做的功等于每循环所做的有效功。
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。
按照上述定义可以用如式（2—4）所表示的pmi和Pi之间的关系那样，列出Pe（kW）和pme（MPa）的关系式
（2—12）
（2—13）
应用式（2—11）和式（2—12）的恒等关系，可得
（2—14）
求得
（2—15）
因此，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
Ttq∝pme
也就是说，pme反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。
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
（2—16）
式中，Pe为发动机的标定功率，kW；i为气缸数；Vs为每气缸工作客积，L。
从式（2—12）可得
（2—17）
式中，pme为标定工况下的平均有效压力，MPa；n为标定转速，r／min。
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。
因此，不断提高pme和n的水平以获得更强化，更轻巧和紧凑的发动机，一直是内燃机工作者致力以求的奋斗目标，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。
目前内燃机的pme和PL值一般在下列范围内：
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
固定船用户速柴油机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
四冲程小型风冷汽油机0.4～0.6518.4～73.5
三、由吸入空气量计算平均有效压力
根据每循环吸入的空气量来计算平均有效压力，可以导出平均有效压力与—些热力学参数之间的关系，从而明确提高平均有效压力的技术措施。
在推导前，先给出两个重要定义。
1.充量系数Φc
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，即
式中，m1，M1，V1分别为实际进入气缸的新鲜空气的质量、千摩尔值、在进气管状态（ps，Ts）下所占有的体积；msh，Msh，Vs分别为在进气管状态下能充满气缸工作容积的空气质量、千摩尔值及气缸工作容积。
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（详见第三章）。
2.过量空气系数Φa
燃烧lkg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
（2—18）
式中，gb为每循环燃料供给量，kg；
lo为1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量，称为化学计量空燃比。
柴油lo≈14.3kg／kg，汽油lo≈14.8kg／kg。
对柴油机来说，Φa总是大于1，以保证喷入气缸的柴油能完全燃烧。
柴油机在吸入气缸的空气量一定的情况下，Φa小意味着可以向气缸多喷油，吸人气缸的空气利用率高，发出的功率大。
因此，Φa是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标，应力求减小Φa，减小Φa在小型高速柴油机中主要受燃烧完善程度的限制，在大型及增压柴油机中主要受热负荷的限制。
柴油机在全负荷时Φa的一般数值范围为：
高速柴油机Φa＝1.2～1.5
增压柴油机Φa＝1.7～2.2
对汽油机来说，在整个运行工况中，可以遇到Φa＞1和Φa≤1的各种情况（详见第五章），汽油机在全负荷时Φa的一般数值范围为
Φa＝0.85～1.1
除了运用Φa这一参数来表示燃烧时空气量和燃料量之比外，还可以应用空气燃料比或燃料空气比1／α来表示，它们之间的关系为
实际发动机的Φa可由废气分析法求得。
对于非增压的四冲程内燃机，也可由耗油量及耗气量按下求得
式中，Aa为每小时进入气缸的空气流量，kg／h；B为每小时耗油量，kg／h；lo为化学计量空燃比，kg／kg。
根据式（2～18）可得每循环供油量
式中，ρs为进气管状态下的空气密度。
而
其中
因而
式中，Hu、ρs的单位分别为J／kg、kg／m3；pme为Pa。
实用上，取Hu、ρs的单位分别为kJ／kg、kg／L，则pme（MPa）为
（2—19）
把
代人，ps为进气管压力（Pa），Ts为进气管温度（K），空气的气体常数R＝287J／（kg·K），得
（2—20）
若以ps（MPa）、Ts（K）、Hu（kJ／kg）、lo（kg／kg燃料）代入，则pme（MPa）为
（2—21）
若lo换用L。
（kmol／kg燃料），则lo＝maL。
，ma为空气的分子量，代入上式可得pme（MPa）
（2—22）
式（2—22）建立了动力性能指标和经济性能指标ηet等一系列参数之间的关系，在以后的各章中可以看到，它是分析发动机性能的一个重要依据。
四、有效热效率和有效燃油消耗率
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。
有效热效率是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
（2—23）
以式（2—5）代入得
由此可见，在ηet中已经考虑到实际发动机工作时的—切损失了。
与上述ηit一样，可得
（2—24）
当测得发动机有效功率和每小时耗油量B以后，可利用此式计算出ηet值。
有效燃油消耗率[g／（kW·h）]是指单位有效功的耗油量，通常用每有效kW·h所消耗的燃料g数be来表示，即
（2—25）
由式（2—24），be[g／（kW·h）]又可表示为
（2—26）
可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。
一般内燃机在标定工况下的be和ηet值大致在以下范围：
be／[g（kW·h）-1]ηet
低速柴油机190～2250.38～0.45
中速柴油机195～2400.36～0.43
高速柴油机215～2850.30～0.40
（其中较低的be值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机）
四冲程汽油机274～4100.30～0.20
二冲程汽油机410～5450.20～0.15
第三节机械损失与机械效率
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，同平均指示压力、平均有效压力的定义相似，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
（2—27）
（2—28）
式中，Pm为机械损失功率（kW）；Vs为工作容积（L）；n为转速（r／min）。
在致力于提高内燃机性能指标时，应尽可能减少机械损失，提高机械效率。
若不注意这点，有时在改善气缸内部指示指标的同时，却不自觉地增加了机械损失，以致不能获得预期的改进效果。
一、机械损失的组成部分
1.活塞与活塞环的摩擦损失
这部分损失占整个摩擦损失的主要部分。
这是由于它的滑动面大、相对速度高、润滑不充分等原因造成的，这种摩擦与活塞的长度、活塞间隙以及活塞环的数目和环的张力等结构因素有关。
此外，在构造相同的情况下，它随气缸内压力、活塞速度以及润滑油粘度的升高而增加。
2.轴承与气门机构的摩擦损失
它包括所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等的摩擦损失。
在这些轴承里，由于润滑充分，纯液力摩擦因数很低；随着轴承直径的增大和转速的提高，轴颈圆周速度的增大，这部分损失亦将增加，但它对气缸中压力的变化不太敏感。
至于消耗在气门驱动机构上的损耗，在最大功率工况下所占比例是很微小的。
3.驱动附属机构的功率消耗
这里所指的附属机构，主要是指为保证发功机工作所必不可少的部件总成，如冷却水泵总成（风冷发动机中则是冷却风扇）、机油泵、喷油泵、调速器等；而一些较次要的部件总成，如发电机、汽车制动用的空气压缩机、水箱风扇等，除非加以说明，一般不包括在内。
这些附属机构消耗的功率随发动机的转速和润滑油粘度的增加而增大，但与气缸压力无关．它仅占机械损失中一小部分。
4.流体摩擦损失
连杆、曲轴等零件在曲轴箱内高速运动时，为克服油雾、空气阻力及曲轴箱通风等将消耗一部分功，但其数值是很微小的。
5.驱动扫气泵及增压器的损失
在二冲程或机械增压发动机中，还要加上对进气进行压缩而带来的损失。
上述诸损失中，可将1～4项损失之和视作发动机的内部摩接损失，并以Pf表示其损耗的功率，扫气泵或增压器所消耗的功率为PB，因此，发动机的机械摩擦损失功率可表示为
（2—29）
在公式Pm＝Pi—Pe中，相当于泵气损失功率的Pp已经在计算Pi时扣除了，因此就定义而言，这部分功率没有包括在Pm项中的必要，但是在测定中要把Pf和Pp分开是很困难的，所以往住用以下两个公式表示高速发动机中的摩擦损失
（2—30）
或
（2—31）
图2—4以平均压力表示了一非增压发动机机械损失各组成部分的分配情况，可见其中活塞和活塞环的摩擦损失所占的比例最大。
据统计，一般发动机中机械损失功率
的分配大致为：
活塞和活塞环的摩擦损失（45～65）％
整个活塞连杆曲轴机构中的摩擦损失（60～75）％
气门机构的驱动损失（2～3）％
附属机构的驱动损失（10～20）％
泵气损失（10～20）％
图2—5表示了一般发动机pmm的范围。
二、机械损失的测定
机械损失的测定方法有好几种，但要借以获得较精确的数值还是困难的，有待于不断改进。
1.示功图法
运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算出Pi值，从测功器和转速计读数中测出发动机的有效功率，从而可以算出Pm，ηm及pmm值，这种直接测定方法是在真实的试验工况下进行的，从理论上讲也完全符合机械损失的定义，但试验结果的正确程度住往决定于示功图测录的正确程度，其中最大的误差来源于p一φ图或p一V图上活塞上止点位置不易正确地确定。
此外，在多缸发动机中，各个气缸多少存在着—定的不均匀性，而在试验中往往只测录一个气缸的示功图用以代表其他各缸，这也会引起一定的误差，因此，示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正时才能取得较满意的结果。
2.倒拖法
这种方法在具有电力测功器的试验条件下方可进行。
试验时，发动机与电力测功器相连，当发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油温度到达正常数值时，切断对发动机的供油，将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发功机，并且维持冷却水和机油温度不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。
与实际运行情况相比，首先，气缸内不进行燃烧过程，作用在活塞上的气体压力在膨张行程中大幅度下降，使活塞、连杆、曲轴的摩擦损失有所减少；其次，按这种方法求出的摩擦功率中含有不应该有的Pp这一项，且由于排气过程中温度低、密度大，使Pp比实际的还大；再次，倒拖在膨胀、压缩行程中，由了充量向气缸壁的传热损失，以致于p一V图上膨胀线和压缩线不重合而处于它的下方，出现了图2—6上所示的负功面积。
实际上，在测量该工况的有效功率时，这部分传热损失已被考虑在内。
这三种因素的综合结果是：
倒拖时所消耗的功率要超过柴油机在给定工况工作时的实际机械损失，在低压缩比发动机中，误差大约为5％，在高压缩比发动机中，误差有时可高达（15—20）％，因而此方法在测定汽油机机械损失时得到较广泛的应用。
3.火缸法
此法仅适用于多缸发动机。
当内燃机调整到给定工况稳定工作后，先测出其有效功率之后在喷油泵齿条位置或节气门不变的情况下，停止向某一气缸供油或点火。
并用减少制动力矩的办法迅速将转速恢复到原来的数值，并重新测定其有效功率Pe这样，如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率（Pi）x为
（2—32）
依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率的总和中求得整台发功机的指示功率Pi
（2—33）
然后可以求出Pm和ηm。
采用这种方法时，只要停止一缸的燃烧不致引起进、排气系统的异常变化，如排气管结构不致因一个气缸灭火而引起足以破坏其他气缸换气规律和充量系数的排气压力波的情况下就会相当准确，其误差在5％以下。
对于汽油机，由于进气情况的改变，往往得不到正确的结果。
4.油耗线法
由公式（2—6）可导出
（2—34）
当柴油机空转（无负荷），ηit不随负荷增减而变化时
两式相除，得
（2—35）
式小，Pme为平均有效压力。
图2—7为柴油机在转速不变的情况下进行负荷特性试验（详见第八章），求出发动机在给定转速下，每小时燃油消耗量与平均有效压力的关系曲线。
如果把燃油消耗量曲线延长并求出其与横坐标轴的交点，就可以求得pmm值。
这个方法虽然只是近似的方法，但只要在低负荷附近，燃油消耗量曲线为直线就相当可靠，即使没有电力测功器和示功器也能进行测定。
但是，这种方法不适用于用节气门调节功率的汽油机。
当测得其pmm值后，其机械效率可近似地用下式估算
式中，B可取某一常用工况的数值。
在以上所介绍的几种测定机械效率的方法中，倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。
对于排气涡轮增压柴油机（pb＜0.15MPa），由于倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作，因而只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。
对于排气涡轮中增压、高增压的柴油机（pb≥0.15MPa），除示功图外，尚无其他适用的方法可取代。
一般内燃机的机械效率大致在以下范围：
ηm
非增压柴油机0.78～0.85
增压柴油机0.80～0.92
汽油机0.80～0.90
第四节提高内燃机动力性能与经济性能的途径
为阐明改善内燃机工作过程的组织来提高其动力性能和经济性能的各种措施，首先分析影响单位气缸工作容积的输出功率，即升功率PL的各因素。
由式（2—17）和式（2—19）
（2—36）
式中各量的单位同式（2—17）和式（2—19）。
对于内燃机，燃料的
之比值变化不大，故可写成
（2—37）
此外，作为衡量发动机经济性能的重要指标be，可由式（2—26）求得
（2—38）
式（2—37）和式（2—38）概括而又明确地指出了提高发动机动力性能指标和经济性能指标的基本途径。
1.采用增压技术
从式（2—37）可以看到，在保持过量空气系数Φa等参数不变的情况下，增加吸进空气的密度ρs可以使发动机功率按比例增长，这就需要在内燃机上装置增压器，使空气进入气缸前进行预压缩。
目前，在柴油机上广泛采用排气涡轮增压器，尤其是当采用高增压后，可以促使柴油机的Pme和PL成倍增长。
与此同时，它还是改善柴油机的经济性、降低比质量、降低废气有害排放、降低排烟、节约原材料的一项最有效的技术措施。
由于采用增压，柴油机的Pme值已超过3MPa，单位功率质量可降低到2kg／kW以下。
汽油机由于受爆燃限制，压缩行程终了时的压力和温度不宜过高，这就限制了增压压力不宜过高。
增压后，一般功率的提高也仅在30％一40％之间。
内燃机的增压技术还可以用来恢复在高原使用的内燃机的功率，因为随海拔高度的增加，进气密度下降，燃烧恶化，装备增压发动机的汽车，其动力性与经济性可以得到明显改善。
2.合理组织燃烧过程，提高循环指示效率ηit
提高指示效率ηit不仅改善了内燃机的动力性能，同时也改善其经济性能，因此，需要从研究内燃机理论循环和实际循环人手，深入分析在整个热功转换过程中，各种热力损失的大小及其分布，掌握各种因素对热力损失的影响程度，从而寻找减少这些损失的技术措施。
而其中最重要的一个方面就是对内燃机燃烧过程的改进。
随着柴油机的不断强化，增压程度和转速的不断提高，都要求燃烧过程能够高效率进行，要求对柴油机的混合气形成、燃烧以及供油系统方面进行深入的工作。
对于汽油机，由于向较高压缩比和高转速方向发展，促使爆燃燃烧、表面点火等不正常燃烧倾向加强；由于环境保护要求，对内燃机噪声、排放的限制越来越严格。
为了改
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