内燃机原理第三章4h

全和传热等方面所引起的热量损失，而没有考虑各运动副间所
存在的摩擦损失、泵气损失和辅助机械损失等。
内燃机的指示参数主要包括内燃机的平均指示压力pi、指示 功率Ni、指示效率ηi以及指示油耗率gi，下面主要讨论这几个参 数。
一、平均指示压力pi和指示功率Ni 1. 平均指示压力pi
以一个假想的数值不变的气体压力作用在活塞上，在一个
图3-2（b） 阴影面积A＋C,即为压缩膨胀冲程传递给活塞的
功。
图3-2（c） 阴影面积(A+C)－(B+C)，即为四个冲程传递给活
塞的功。
B＋C为泵气损失。对非增压机，B＋C为负功，对增压机，B
＋C为正功。
图 3-2 p-V (a)二冲程发动机； (b)四冲程发动机； c)部分负荷下四冲程汽油机
12(10.89)Vs 0.94V5s 式（3-15）可写为
N ip i 0 .9 3V 4 sn5 1 i 20 3.5 1 p iV sn i kW （3-16）
为了分析pi、Ni与工作循环中各参数间的相互联系，分析影响 因素，下面建立数学表达式。
计算整台内燃机每小时的耗油量可以用以下两式计算:
循环中每单位气缸工作容积(即活塞排量)，活塞所获得的指示 功 pi愈，高即，WV s表i 。示这单样位，气平缸均工指作示容压积力所p作i就的与指气示缸功的愈容多积，大气小缸无工关了作。 容积的利用率也愈高。同时，平均指示压力pi也是衡量内燃机 实际作功能力大小的一个很重要的性能参数，也基本上表征了
内燃机的强化程度和工作循环各阶段进行的完善程度。
热量利用的好坏主要与燃料热能释放的好坏、热量转换成 指示功的有效程度及热损失相关。
a.
它与混合气形成的好坏相关，一般空气足够，油气混合均匀， 燃料中的热能就能较好的释放出来→ η i ↑
混合气形成的好坏与燃油系统、燃烧室形状、空气涡流运动 及足够空气相关。
b. 热能转换的有效程度
dQ
在内燃机燃烧过程中，燃油热能的释放是按一定规律 d 进行 的，如果放热持续期短、等容度高（在上止点附近放热多），那 么有效利用率就高，热能转变成机械能的有效程度就大，反之亦 然。
非增压四冲程柴油机
ηm =0.75～0.80
增压四冲程柴油机
活塞置换容积的速率。
V

Байду номын сангаас
2m L
sVs n
或者表示为
V
mL mS
mL
sVs
（3-11）
九、比排放量
比排放量定义为单位时间、单位输出功率内燃机排出污染物 的质量流量，单位为mg/(kW·h)。
十、增压压力PK与增压比π k PK : 在环境状态下，空气经压气机压缩后压气机的出口压力
Ne =2πnMe/103 / 60 三、循环指示功率
(3-1)
图3-2所示的是内燃机的p-V曲线图。每缸每循环的指示功 Wi可沿封闭曲线进行积分获得,即
Wi pdV
(3-2)
也就是图中封闭曲线围成的面积。
对于二冲程机(图3-2(a)),单缸循环指示功Wi就是阴影面积， 对于四冲程机，单缸循环指示功Wi就是：
当2.6≥α＞2时，随着α的提高，混合气逐渐变得比较稀薄，pi的 增加就变得很缓慢。
到α＞2.6后，α↑ 燃 烧速度 （3）换气质量ηv
↓dx
d
后燃↑
ηi↓ pi↓。
内燃机的换气质量愈好→ ηv ↑→残余废气愈少，气缸中新鲜充量填 充愈充足， →燃烧速度 ↑ dd→x 热利用系数ζz↑ → ηi↑ → pi↑。 （4）油气混合的完善程度
标定功率――标定工况下内燃机发出的功率。 标定转速――标定工况下内燃机相应的曲轴转速。 标定油耗率――标定工况下内燃机发出单位功率所消耗的 油量。 比质量――单位标定功率下内燃机所具有的质量。 比容积――单位标定功率下内燃机所具有的容积。
比质量和比容积是用以评价、比较内燃机轻重、紧凑、设
计合理性的重要指标。
功，代pi入式Vwsi(3-130)，3 M可P得a ，即为单位气缸工作容积所作的指示
pi

NiZ 103 2Vsn
MPa （3-6）
六、油耗率gi与效率 i gi-- 表 示 内 燃 机 每 小 时 每 单 位 指 示 功 率 所 消 耗 的 燃 料 量 。
gi
mi Ni
103
或进入气缸前的压力。 π k ：在环境状态下，空气经压气机压缩后的出口压力比上环
境压力。
十一、机械效率 m
m ：内燃机输出的有效功率比上指示功率
mN Nei NeN eNm1N Nm i
3-2 内燃机的指示参数
（3-13）
内燃机的指示参数是用以表征燃料燃烧释放出来的热能转
变为机械能完善程度的一组参数，只考虑了气缸内因燃烧不完
c. 热量损失的大小
热量释放与转换的损失已包含在a、b中，这里主要是考虑冷 却介质的传热损失，但在实际发动机中，Tw ＝75～85° C较好，太 低Qw↑ → η i ↓，太高→ η i ↓燃烧变坏→ Tr ↑ → η i ↓。
关于影响gi的因素，由η
i知，它们互为倒数，影响η
的因
i
素就是影响gi的因素，只是增加η i ，gi则应减少。
mfh giNi kg/h
(3-17)
mfh mL /L kg/h
(3-18)
gi

3600103
i Hu
整机每小时空气耗量
g/kW.h
mL
60Vs
ni z
s
v
kg/h
2
ρs：进气管状态下空气密度，kg/m3,
L Lkog`空气/kg燃料；
由（L`o3-127）8.9、5Lok（g空3-气1/8k）g燃得油：（L'o，kmol空气/kg燃料）。
2. 指示油耗率gi
内燃机每小时发出1kW指示功率时所消耗的燃油量，即：
gi

m5 Ni
103
g/kW.h （3-12）
或
gi

3600103
i Hu
g/kW.h （3-12`）
将（3-11）代入上式并整理得
gi
1.254107 vps LoTspi
g/kW.h （3-13）
由（3-12`）可以清楚看出gi与ηi反比，ηi越高，gi越少，反之亦 然。
giN i m LL m L L `o
(3-19)
将gi，Ni，mL及L'代入上式，整理后得：
pi i vsH L`ou103
(3-20)
将上式代入（3-15），化简得：
Ni 310H L`ouVsznii vs
kW
(3-21)
二. 影响pi与Ni的因素
进气和排气行程(泵气回路)
单缸指示功率为：
Ni
W in 1
Z 2
(3-3)
式中，Z——动作系数(也称为活塞行程数)，对于四冲程
机，Z=4；对于二冲程机，Z=2; 对于二冲程双动机，Z=1。
这个功率称为指示功率，即缸内工质作用于活塞的功率， 与驱动功率的不同之处在于，它包含了克服内燃机摩擦和带动 辅助机械所消耗的功率以及泵气功率。
g/kW•h （3-7）
i
－每循环内燃机所作的功与每循环供给的燃料燃烧所释
放能量之比
Z
i
mf
Wi Z 2nHu
Ni 2n Z
mf 2nHu
Ni mf Hu
七、空燃比和燃空比
（3-8）
空燃比 燃空比
mL A/F= m f
mf F/A= m L
(3-9) (3-10)
mL －每循环进入气缸的空气质量， mf －每循环喷入气缸的燃料量。 对于汽油机， A/F＝12～18， F/A= 0.056～0.083， 对于柴油机， A/F＝18～70， F/A= 0.014～0.056。 八、容积效率(充气效率) η V η V定义为每循环空气进入进气系统的容积流量mL除以被
柴油机燃油空气混合的完善程度愈高，完全燃烧所需的α ↓ → pi ↑ 。但α值也不能太小，太小使气缸热负荷↑ ，ge ↑ 。
(5) 燃烧完善的程度ηi
燃烧完善→ →ηi ↑ → pi↑。
dx d
→
↑放热持续期↓
→等容度↑
→热利用系数ζz↑
2. 影响Ni的因素
由（3-15）式知，凡提高pi的途径，均有利于提高Ni；另 外，Vs↑，i↑ Ni↑，减少z → Ni↑。
四、道路功率
指车用内燃机为克服汽车轮胎滚动摩擦阻力和车辆气动阻 力所消耗的功率。道路功率的近似计算式为：
Nr fRm Ag1 2afDFAvA 2vA
（3-4）
式中，fR——滚动阻力系数，凭经验确定(0.012＜ fR ＜ 0.015）3;mA——车辆质量；g——重力加速度； a 环境空气密 度；fD——气动阻力系数，凭经验确定(对于汽车,0.3＜ fD ≤0.5)3 ; fA—车辆最大横截面积；vA——车辆速度。 五、平均指示压力
三、指示效率ηi及指示油耗率gi 1.指示效率 ηi 每循环所做指示功的热量比上循环供油量的热量，即
i

Wi m H fcyc u
i
W i Rs T L op i 120 0 .28 L o T 7 sp i
m fcH yuc H uvp s 150
H uvp s
（3-11）
1.影响η i和gi的因素 改写（3-11）式得，
i
C1
piVs g

C2
pi
v
ps Ts
上式右端给出了η
与循环参数的关系。由上式知，
i
① 当功一定（piVs一定）循环供油量 mfcyc ↓ → η i ↑，这 说明作同样的功，耗了更少的燃料，热量利用高→ η i ↑。
②当 mfcyc 一定，piVs↑ → ηi ↑，这说明消耗相同的燃料， 做功多了，热量利用高 →ηi ↑。
1.影响内燃机平均指示压力pi的因素: (1)增压度pk
当α一定时，pk↑ ps↑ ρ s↑ pi↑ ，可见p增 >pi非 对特定的发动机，因受热负荷与机械负荷的限制，用提高pk来提高 pi也有一个限度 （2）过量空气系数α , 当每循环供油量不变时，pk↑ α ↑ AF↑。
在α≤2以前，随着α的增大，混合气中的氧气成分增加，可促进燃 烧的改善，pi值也随着α值的提高而有所提高。
大修期――指从新机开始使用至第一次进行大修或二次大
修之间内燃机累计运行的时间。是表征内燃机可靠性与寿命的
重要指标。
二、驱动扭矩和驱动功率
用测功器可测出某一工况下内燃机输出的扭矩或驱动扭矩
Me（见图3-1）。
Me = Pb
图 3－1 测功器示意图
用转速仪可测出同一工况下内燃机的转速，则内燃机输出
的有效功率或驱动功率为
膨胀行程内所获得的功与一个工作循环的指示功Wi相等，这个 假想的压力就称为平均指示压力pi。如图3-3所示。
图3-3 求平均指示压力pi的示意图
每循环每缸所作指示功为：
Wi piVs 103kJ
Vs

4
D2S
m3
于是：
由式(3-14)可pi以看WV出si ，1平0均3 M指P示a 压力就是内（燃3-机14在）一个工作
在各种类型内燃机中，标定工况下的pi
非增压汽油机
pi=0.4～1.2MPa
增压汽油机
pi=0.9～1.5 MPa
非增压四冲程柴油机 pi=0.75～1.2 MPa
增压四冲程柴油机 pi=1.2～3.0 MPa
非增压二冲程柴油机 pi=0.5～0.9 Mpa
增压二冲程柴油机 pi=1.0～2.2 MPa
煤气机
pi =0.6～1.4 MPa
2. 指示功率Ni
每单位时间内作用于活塞上的指示功称为内燃机的指示功
率Ni，即
Ni
103 piVsni 60 z
piVsn 3z
i102
kW
2
（3-15）
式中：z为动作系数，四冲程机，z＝4；二冲程机，z＝2；二冲
程双动机，z＝1。
双动机活塞上方的气缸工作容积为Vs ，下方容积应减去活 塞杆所占的容积，后者约为11～12％Vs，以11％Vs计算，则二冲 程双动机每个气缸的平均工作容积为，
3-3 内燃机的机械损失及机械效率
一、机械损失功率Nm 在内燃机工作过程中，经曲轴输出的有效功率Ne总小于活塞
所获得的指示功率Ni，其差值为机械损失功率Nm，即 Ni－Ne＝Nm
而有效功率比上指示功率即定义为机械效率，即
mN Nei NiN iNm1N Nm i
(3-14)
现代内燃机的机械效率一般在下列数值范围之内（见P45）
第三章 内燃机的工作指标与性能分析
3-1 内燃机的工作指标是指内燃机处于正常运行状态下，描述
和表征内燃机性能和工作状态的一组参数。 一、标定性能的主要指标
标定工况，是指内燃机在标准大气条件下，其动力性能和 经济性能达到设计指标时所处的运行状态。
标定性能指标是指在标定工况下表征内燃机工作性能的主 要指标,比如：