第二章发动机的主要性能

除持续功率外，其他几种功率均具有间歇
性工作的特点，故常被称为间歇功率。对
间歇功率而言，内燃机在实际按标定功率
运转时，超出上述限定的时间并不意味着
内燃机将被损坏，但无疑将使内燃机的寿
命与可靠性受到影响。
三、发动机的速度特性
• 1.定义:指发动机在油量调节机构（节气门 开度或供油拉杆、齿条）位置保持不变时， 性能指标（ Pe、Ttq、be 、qmf等）随n的变 化规律，称为发动机的速度特性。 • 2.速度特性曲线的绘制方法:通过发动机 试验台架上测出的。测量时，油门位置不 变，调整测功器的负荷，转速发生变化， 待工况稳定后，依次记录不同转速下的Pe、 Ttq 、 be 、 qmf等数据。以n为横坐标，以Pe、 Ttq 、be 、 qmf等为纵坐标，绘制速度特性曲 线。
P
1.外特性曲线
• Ttq曲线：
• Pe曲线： • be曲线： • 当采用增 压后，动 力性和经 济性均改 善。
第二类工况，其特点是内燃 机的功率与转速接近于幂函 数关系，如图8—1中的曲线2 示的三次幂函数( Pe n 3 )。当 内燃机作为船用主机驱动螺 旋桨时，内燃机所发出的功 率必须与螺旋桨吸收的功率 相等，而吸收功率又取决于 螺旋桨转速的高低，且与转 速成幂函数关系，这样，内 燃机功率就呈现一种十分有 规律的变化。该类工况常被 称为螺旋桨工况或推进工况， 也属于线工况。
二、发动机的功率标定

内燃机的功率标定，是指制造企业根据内燃
机的用途、寿命、可靠性、维修与使用条件
等要求，人为地规定该产品在标准大气条件
下所输出的有效功率以及所对应的转速，即
标定功率与标定转速。世界各国对标定方法
的规定有所不同。按照国家标准GBll05——
87《内燃机台架性能试验方法》规定，我国 内燃机的功率可以分为四级：
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]
低速柴油机 190～225
ηet
0.38～0.45
中速柴油机
高速柴油机 四冲程汽油机 二冲程汽油机
195～240
215～285 274～410 410～545
0.36～0.43
0.30～0.40 0.30～0.20 0.20～0.15
• 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
• ηet =We/Q1 qmf（kg/h）,可得 • ηet =3.6x103 Pe/ qmfHu • 对一台发动机，当测得Pe和每小时燃油消耗量
五、有效燃油消耗率[g／(kW· h)]
一、发动机的工作范围
• 从动力性考虑，发动 机工作转速范围应在 最大功率转速和最大 扭矩转速之间。 • 从经济性考虑，发动 机工作转速范围应在 最大功率转速与最低 燃油消耗率转速之间。
1.发动机的工况分类
第—类工况，其特点是发动机 的功率变化时，转速几乎保持 不变。该工况又被称为固定式内 燃机工况。例如，发电用内燃机， 其负荷呈阶跃式突变，并没有一 定的规律、然而内燃机的转速必 须保持稳定，以保证输送电压和 频率的恒定，反映在工况图上就 是—条垂直线(图8—1中的曲线 1)，称为线工况。灌溉用内燃机， 除了起动和过渡工况外，在运行 过程中负荷与转速均保持不变， 称为点工况(图8—1中的A点)。

根据内燃机产品的使用特点，在内燃机的铭
牌上一般应标明上述四种功率的一或两种功
率及其对应的转速。同时，内燃机的最大供
油量限定在标定功率的位置上。对于同一种
发动机，用于不同场合时，可以有不同的标
定功率值，其中，15min功率最高，持续功率
最低。

车用 — 常用15分钟, 1小时或12小时功率中的
两种作为铭牌功率。
• 发动机工作时由功率输出轴输出的转矩称 为有效转矩，可由测功器测得。 (N· m)
发动机的有效功率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:
Pe
Ttp n 9550
3、平均有效压力：
• • • • 发动机单位气缸工作容积所输出的有效功。 与平均指示压力相 似； pmeVs ni Ttp n 平均有效压力是衡 P e 量发动机动力性能 30 9550 的一个很重要的参数。
第二章发动机的主要性能
第一节发动机主要性能指标
发动机的指示性能指标
发动机的指示性能指标是指以工质对 活塞做功为计算基础的指标，简称指示指 标。
指示指标表征工质在汽缸内部经历的循 环的完善程度，以工质在汽缸内对活塞做功 为基础，评价由燃烧到热功转换工作循环 进行的质量。是从示功图测量计算得出的。
、指示功率：
1、有效功和有效功率 • 有效功：发动机每循环曲轴输出的单缸功量 We 。
We Wi Wm
式中： Wi
循环净指示功 循环实际机械损失功
Wm
• 有效功率
式中： Pi
Pe Pi Pm
指示功率 实际机械损失功率
( kw )
Pm
机械损失: 发动机内部摩擦损失；
驱动附件损耗； 泵气损失等。
2、有效转矩
Pm=Pi-Pe • 式中 Pi—发动机的指示功率 • Pe--发动机的有效功率 • 为表示各种不同发动机的指示功率转变为 有效功率的程度，引入了机械效率的概念。 • 机械效率ηm是有效功率与指示功率之比 •
ηm= Pe/ Pi=1-Pm/ Pi
功率越少，发动机性能越好。
• Ηm值越接近1， Pe越近于Pi说明机械损失
• 是指单位有效功所消耗的燃油量，用be表 示（是衡量发动机经济性能的重要指标） • be=qmf/Pex103 [g／(kW· h) (2-9) • 由式（2-8）be又可表示为 • be=3.6x106/ ηet Hu • 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。
(1)15min功率
这一功率为内燃机允许连续运转15min的 最大有效功率，适用于需要较大功率储备或 瞬时需要发出最大功率的轿车、中小型载货 汽车、军用车辆、快艇等用途的内燃机。
(2)1h功率

这一功率为内燃机允许连续运转1h的最大有
效功率，适用于需要一定功率储备以克服突 增负荷的工程机械、船舶主机、大型载货汽 车和机车等用途的内燃机。
统的阻力所消耗的一部分功。在实际测定时
• 常将泵气损失与其他损失一起测得。泵气 损失将随发动机转速的升高而增加。 • 一般发动机中机械损失的分配 • 活塞与活塞环的摩擦损失：（45-60）% • 连杆和曲轴轴承的摩擦损失（15-20）% • 附属机构的驱动损失：（10-20）% • 气门机构的驱动损失（2-3）% • （二）机械损失的评定 • 机械损失的大小可以用机械损失功率Pm
第三类工况，其特点是功率 与转速都在很大范围内变化， 它们之间没有特定的关系。 汽车及其他陆地运输用内燃 机，都居于这种工况。此时， 内燃机的转速决定于行驶速 度、可以从最低稳定转速一 直变到最高转速；负荷取决 于行驶阻力，在同一转速下， 可以从零变到全负荷。内燃 机可能的工作区域就是该种 类型内燃机的实际工作区域， 相应的上况区域称为面工况。
We Pe Pi Pm Pm m 1 Wi Pi Pi Pi
根据机械效率、有效热效率和指示热效率的
定义式，可得三者之间的关系 :
由有效燃油消耗率和有效热效率的关系式可
We Wi m e i m Q1 Q1
得: 3.6 106 e im ge H u
K3 3.6 10 ge i m H u i m
6
六、机械损失的组成及测定
• 机械损失的组成：摩擦损失、驱动附件损失、 泵气损失。 • 机械损失的测定 ( 倒拖法 ) ：将发动机与电 力测功机相连，电力测功机测定的倒拖功率 即机械损失功率。
Pe Pe m Pi Pe Pm
1、活塞与活塞环的摩擦损失 ：这一部分损失是整
• 个摩擦损失的主要部分。由于它们的滑动 面积大、相对速度高和润滑不充分等造成。 • 2、轴承与气门机构的摩擦损失：他包括 所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等。 由于润滑充分。这部分损失对气缸压力的 变化不太敏感。 • 3、驱动附属机构的损失：主要指为保证 发动机工作所必不可少的部件总成。如冷 却水泵、机油泵、喷油泵和调速器。 • 4、泵气损失：排气过程中，由于进气系
3.分类:全负荷速度特性（即外特性）和部 • 分负荷速度特性。 • （一）、汽油机的速度特性
定义：在节气门开度不变时，其 e、
的速度特性。 • 1.外特性：节气门在最大开度时所测 得的速度特性。 • 2.部分速度特性：节气门在部分开度 时所测得的速度特性。
Ttq 、be等随n的变化规律，称为汽油机
ε= Va/Vc
现代化油器式发动机压缩 比一般为6～9(轿车有的达9～ 11)。上海桑塔纳轿车汽油机 压缩比为8.2。
压缩比过大的不良后果
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发动机的有效性能指标
• 以曲轴输出功为计算基础的性能指标，
称为有效性能指标，简称有效指标。
• 有效指标被用来直接评定发动机实际
工作性能的优劣。
一、发动机动力性指标
Ttq∝pme pme 反映了发动机单位气缸 工作容积输出转矩的大小。
Pme=30τPe/Vhni
（2-3）
• 式中：Vh—发动机气缸工作容积 • i—发动机气缸数 • τ—发动机行程数。四行程τ=4 • 二行程τ=2 • 应用式（2-2）和（2-3）的恒等关系。可得 • Ttq=318.3PmeVhi/τ (2-4) • 因此，对于一定气缸总工作容积（即Vhi） • 的发动机，Pme 反映了有效扭矩 Ttq的大小。
第二节发动机的特性
• 发动机的工作状况是不断变化的。当发动 机工况（负荷和转速）发生变化时，其相应 的各项参数和指标也要发生变化。发动机主 要性能指标随发动机转速或负荷的变化的关 系，称为发动机特性。发动机特性以图线形 式表示的，称为发动机特性曲线。 • 发动机特性：（1）性能特性：负荷特性、 • 速度特性、万有特性、调速特性 • （2）调整特性：供油提前角、点火提前 角、混合气调整特性
• 指示功率Pi ：发动机单位时间内所作的指示功。
若：一台内燃机的缸数i，每缸的工作容积Vs (L) ，平 均指示压力为pmi (MPa ) ，转速n(r/min)，冲程数。
pmi Vs in Pi 30
(kw )
压缩比
定义：压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积 之比称为压缩比。用ε表示。
(3)12h功率

这一功率为内燃机允许连续运转12h的最大有
效功率，适用于需要在12h内连续运转而又需
要充分发挥功率的拖拉机、移动式发电机组、
铁道牵引等用途的内燃机。
(4)持续功率

这一功率为内燃机允许长期连续运转的最大 有效功率，适用于需要长期连续运转的固定
动力、排灌、电站、船舶等用途的内燃机。
(其中较低的be值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机)
• 机械效率：
发动机的有效功率与指示功率之比。
Pe m Pi
pme Pm pmm m 1 1 pmi Pi pmi
et itm
机械效率 机械效率是指曲轴输出的有效功（或功率） 与指示功（或功率）的比值，用符号ηm表示 。
四冲程发动机的简单工作原理
四冲程汽油机的工作原理
1、进气行程 2、压缩行程 3、作功行程 4、排气行程
单缸四冲程汽油机的工作过程
三、升功率Pl(发动机强化指标)
• 升功率：在标定工况下(指标定转速、标定 功率)，发动机每升气缸工作容积所发出的 有效功率 • Pl=Pe/iVh (2-5) • 由式（2-3）可得 • Pl=Pmen/30τ (2-6) • 升功率是评定发动机整机动力性和强化
程度的重要指标之一，他从发动机有效功率的
• 角度对气缸工作容积的利用率做出总的评 价。Pl值愈大，发动机强化程度愈高，发出 一定有效功率的发动机尺寸愈小，由（2-6） • 知， Pl与Pme和n的乘积成正比，因此，不 断提高Pme和n以获得更强化、更轻巧、更 紧凑的发动机，一直是人们追求的目标。
四、有效热效率ηet （发动机经济性指ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）