第一章 发动机的性能
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1、循环特征参数
（1）压缩比 p3 （2）压力升高比 p2 （3）初始膨胀比 v4 v3
（一）混合加热循环
v1 v2
2、热效率
Q2v Q2 W Q1 Q2 t 1 1 Q1 Q1 Q1 Q1v Q1 p
计算得: （k是等熵指数）
1 t 1 k 1 ( 1) k ( 1)
c）膨胀（做功）过程
d）排气过程
一、进气过程
为了使发动机连续运转，必 须不断吸入新鲜工质，即是进 气过程。此时进气门开启，排 气门关闭，活塞由上止点向下 止点移动。首先是上一循环留 在气缸中的残余废气膨胀，压 力由排气终点的压力 pr 下降到 小于大气压力，然后新鲜空气 被吸入气缸。由于进气阻力， 进气终点压力 pde 一般小于环境 压力 pa ，压力差 pa pde 用来 克服进气系统阻力。因为气流 受到发动机高温零件及残余废 气的加热，进气终点的温度 Tde 总是高于大气温度 T 。
点火等不正常燃烧现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气 缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也 不利于燃烧的高效进行。
目前，柴油机的压缩比一般在12～22之间， 最高循环压力Pz＝7～14MPa，压力升高比在 1.3～2.2左右。汽油机的压缩比＝6～12， Pz＝3～8.5MPa， 在2.0～4.0左右。
1、热效率 因为: 初始膨胀比 所以: 热效率
v4 1 v3
t 1
1
k 1
2、分析 t ；当 = 10 左 右时， t 不大且汽油 机容易爆燃，因此，汽油机 = 6～10
(二)等容加热循环
（三）定压加热循环（狄赛尔DIESEL 循环） －船舶用大型低速柴油机的理想循环
三种发动机的理论循环： 1）等容加热循环－－早期低速汽油发动机（燃烧迅速，循环时间长） 2）等压加热循环－－高增压和低速大型柴油机（受燃烧最高压力限制，
燃料大部分在上止点后燃烧）
3）混合加热循环－－车用高速柴油机 对三种发动机的理论循环进行对比分析，有利于准确全面理解理 论循环及其影响因素的物理实质，发动机的理论循环分析传统上 就是这三种循环的对比分析，下图是这三种循环的P－V图：
第一章 发动机的性能
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 发动机理论循环 四冲程发动机的实际循环 发动机的指示性能指标 发动机的有效性能指标 机械损失与机械效率 热平衡
发动机的性能指标：主要有动力性能指标（功率、 转矩、转速）、经济性能指标（燃料及润滑油消 耗率）及运转性能指标（冷起动性能、噪声和排 气品质）等。 衡量一台发动机的质量主要是对以上性能指标进 行评定，但在评定时不仅要考虑性能指标，还要 把可靠性、耐久性、结构工艺性、使用维修性、 生产实际条件以及使用特点等多方面予以综合评 定。 本章主要阐述发动机的动力性能指标、经济性能 指标、及运转性能指标。通过深入到发动机工作 过程的各个阶段，对它们进行分析，从中找出影 响性能的因素及提高性能的一般规律。
300~340
Tde
汽油机
柴油机
0.080~0.092
0.080~0.095
二、压缩过程
压缩过程中进排气门 均关闭，活塞由下止点向 上止点移动，缸内工质受 到压缩，温度、压力不断 上升，工质受压缩的程度 用压缩比 c 表示。 压缩过程的作用是增 大做功过程的温差，获得 最大限度的膨胀比，提高 热功转换效率，同时也为 燃烧过程创造有利的条件。 在柴油机中，压缩后气体 的高温还是保证燃料着火 的必要条件。
通过对理论循环的研究，达到以下目的： 1）确定循环热效率的理论极限，以判断实际 发动机经济性能和工作过程进行的完善程度 以及改进的潜力； 2）有利于分析比较发动机不同热力循环方式 的经济性能和动力性能； 3）通过分析发动机理论循环的热效率和平均 压力，明确提高以理论循环热效率为代表的 经济性能和以平均压力为代表的动力性能的 基本途径。
p 基本不，0 t
p ，0 t
第二节 四冲程发动机的实际循环
发动机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过 程。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排 气五个过程组成的，较之理论循环复杂得多。
压缩 进气 大气压力线 大气压力线
a）进气过程
b）压缩过程
做功
排气 大气压力线 大气压力线
膨胀过程及多变指数变化过程
做功
大气压力线
c）膨胀（做功）过程
膨胀终点的压力（MPa）和温度（K）的计算公式及范 围如下：
第一节 发动机理论循环
一、三种基本循环
发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以 抽象简化，忽略次要因素后建立的循环模式。 为建立理论循环研究，必须对发动机的实际过程进行必要的 几点简化假设： 1）工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理 常数相同，整个循环中的工质的物理性质及化学性质不变， 工质比热容为常数； 2）工质是在闭口系统中做封闭循环，忽略进、排气过程； 3）工质压缩、膨胀过程 （复杂的多变过程） 简化为绝热 等熵过程； 4）燃烧是外界无数个高温热源等容或等压向工质加热，工 质放热为等容放热； 5）循环过程为可逆过程。
压缩开始时，新鲜功质的温度小
k ；随 于缸壁温度，多变指数 n1 着工质温度上升，某一瞬间与缸壁温 k ；此后，由于工质温 n1 度相等， 度高于缸壁 ，向缸壁传热， 。 k n1 在实际的近似计算中，常用一个不变 的、平均的多变指数n1来代替n1’ （ n1称为平均压缩多变指数），只要 以这个指数n1计算而得的多变过程，其 始点a和终点c的工质状态与实际压缩 过程的初、终状态相符即可。 压缩过程及多变压缩指数变化过程
试验测定 n1的范围见下表：
n1的范围 发动机类型 汽油机 高速柴油机 1.32-1.38 1.38-1.40 增压柴油机 1.35-1.37 发动机的类型 n1的范围
压缩终了的压力
pco
和温度 T 可用下式计算： co
n1 c
Tco Tde
表1-2
pco pde
n1 1 c
压缩终了压力和温度
压缩 进气 大气压力线 大气压力线
a）进气过程
b）压缩过程
做功
排气 大气压力线 大气压力线
c）膨胀（做功）过程
d）排气过程
在理论循环中，假设压缩过程是绝热的。实际 上，发动机的压缩过程是一个复杂的多变过程。工 程热力学中，凡满足
pv 常数
n
的过程，通称为多变过程。n值为0、1、k和±∞时， 分别是等压、等温、等熵和等容过程。
二、循环热效率t
t 是工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J） 之比，用以评定循环经济性。
Q2 W Q1 Q2 t 1 Q1 Q1 Q1
式中t 是循环热效率，w是工质所做循环功（J）， Q1循环加热量（J）， Q2是工质在循环中放出的热 量（J）。
（一） 混合加热循环 －车用高速柴油机的理想循环
相关的，因为Pz值决定了曲柄连杆机构的质量、惯性力以及主要承压面积的 大小等。不加限制地提高、，将引起m的下降。从有效指标上看，将导致 由压缩比、压力升高比提高而带来的收益得而复失。这一点，对于本来压 缩比已经很高的柴油机来说更为明显。
3）燃烧方面的限制：若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面
三、循环平均压力
循环平均压力Pt（kPa）是指单位气缸容积所做的 循环功，用它来评定气缸工作容积的做功能力。
Baidu Nhomakorabea
W P t Vs
式中W是指循环所做的功（J），Vs是气缸工作 容积（L）。根据工程热力学公式，混合加热循环 的平均压力为：
Pde Pt . [(p 1) k p ( 0 1)]t c 1 k 1
pco
汽油机 柴油机 0.8～2.0 3.0～5.0
/MPa
Tco
600～750 750～1000
/K
增压柴油机
5.0～8.0
900～1100
三、燃烧过程
燃烧过程中进、排气门均关闭，活塞处在上止点前后。 燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、 温度升高。燃烧放出的热量越多，放热越靠近上止点，热效率 越高。柴油机压缩比高，燃烧的最高爆发压力很高，但因柴油 机的过量空气系数相对于汽油机大，所以柴油机的最高燃烧温 度值反而比汽油机低。
a
压缩 进气 大气压力线 大气压力线
a）进气过程
b）压缩过程
做功
排气 大气压力线 大气压力线
c）膨胀（做功）过程
d）排气过程
进气过程中进气终点的压力 pde 和温度Tde 的范 围表：
表1-1 进气过程中进气终点的压力和温度的范围表
发动机类型 进气终点的压力 /Mpa 进气终点的温度 /K
pde
340~380
升高比对提高循环热效率t 有利，但这将导致最高循环压力Pz的急剧升高， 从而对承载零件的强度要求更高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动 机的使用可靠性，为此只好提高发动机的质量，结果造成发动机体积与制造 成本的增加。因此，在实际设计时，对上述参数的选择必须根据具体情况权 衡利弊而定；
2）机械效率的限制：发动机的机械效率m是与气缸中的最高压力Pz密切
k c
（3）
可见，Pt是随着进气终点压力Pde、压缩 比 、初始膨胀比p 、等熵指数k和循环热 效率 t 的增加而增加。
c
0
四、三种理想循环热效率的比较
1、初态1相同，压缩比相同，加热量Q1相同，则 放热温度有：
Tv Tm Tp
则：
Q v放 Qm放 Qp放
t ,v t ,m t , p
表1－3 燃烧的最高爆发压力
发动机类型
p max最高温度Tmax
Tmax
2200～2800
1800～2200 /K
p max
3.8～8.0
4.5～14.5
/MPa
汽油机
柴油机
四、膨胀过程
进、排气门均关闭，高温、高压的 工质推动活塞，由上止点向下止点移动 而膨胀作功，气体的压力、温度也随即 迅速降低。 膨胀初期，由于补燃，工质被加 热， n ；膨胀某一时刻，对工质 2 k 的加热量等于向缸壁的传热 量， n ；此后，工质向缸壁放 2 k 热， n 。 2 k 如同压缩过程，在实际的近似计算 中，常用一个不变的、平均的多变指数 n2来代替n2’ 。
2 、初态1相同，最高压力、加热量Q1相同，放热 温度有：
Tv Tm Tp
Qv放 Qm放 Qp放
则:
t ,v t ,m t , p
三种理想循环热效率的比较图：
线
3、汽油机、柴油机负荷变化（即加热量Q1不同 时）： 柴油机：是喷雾压燃后边喷油边燃烧，负荷下降 时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部 分变化不大，有 汽油机：是点火后火焰传播燃烧。无论负荷大小， 火焰传播距离都不改变。负荷减小时残余废气系 数增加，燃烧速度降低，燃烧时间加长，有
上式中Pde是进气终了的压力（kPa）。
0
k c
（1）
取p ＝1，得等容加热循环的平均压力为： k c P de P . ( p 1) t t c 1 k 1 取 ＝1，得等压加热循环的平均压力为
p
（2）
P de P . k ( 0 1)t t c 1 k 1
p3 1、热效率 1 p2 因为: 压力升高比
1 t 1 k 1 k ( 1)
1
k
所以: 热效率
2、分析 （1） 为定值时， 平均 膨胀比减小，放热量Q2 t （2） 为定值时， t
(三)等压加热循环
从理论循环可知，在用于指导实践时必须考虑到发 动机实际工作条件的约束和限制： 1）结构条件的限制：尽管从理论循环的分析可知，提高压缩比和压力
1
k
3、分析 （1） 为定值 t ； t 。 = 1 t = const. （汽油机，定容加热循环） （2） t ；当 = 20 左右时， t不大 柴油机 = 12～22
（二）等容加热循环（奥托OTTO循环） － 汽油机的理想循环
（1）压缩比 p3 （2）压力升高比 p2 （3）初始膨胀比 v4 v3
（一）混合加热循环
v1 v2
2、热效率
Q2v Q2 W Q1 Q2 t 1 1 Q1 Q1 Q1 Q1v Q1 p
计算得: （k是等熵指数）
1 t 1 k 1 ( 1) k ( 1)
c）膨胀（做功）过程
d）排气过程
一、进气过程
为了使发动机连续运转，必 须不断吸入新鲜工质，即是进 气过程。此时进气门开启，排 气门关闭，活塞由上止点向下 止点移动。首先是上一循环留 在气缸中的残余废气膨胀，压 力由排气终点的压力 pr 下降到 小于大气压力，然后新鲜空气 被吸入气缸。由于进气阻力， 进气终点压力 pde 一般小于环境 压力 pa ，压力差 pa pde 用来 克服进气系统阻力。因为气流 受到发动机高温零件及残余废 气的加热，进气终点的温度 Tde 总是高于大气温度 T 。
点火等不正常燃烧现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气 缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也 不利于燃烧的高效进行。
目前，柴油机的压缩比一般在12～22之间， 最高循环压力Pz＝7～14MPa，压力升高比在 1.3～2.2左右。汽油机的压缩比＝6～12， Pz＝3～8.5MPa， 在2.0～4.0左右。
1、热效率 因为: 初始膨胀比 所以: 热效率
v4 1 v3
t 1
1
k 1
2、分析 t ；当 = 10 左 右时， t 不大且汽油 机容易爆燃，因此，汽油机 = 6～10
(二)等容加热循环
（三）定压加热循环（狄赛尔DIESEL 循环） －船舶用大型低速柴油机的理想循环
三种发动机的理论循环： 1）等容加热循环－－早期低速汽油发动机（燃烧迅速，循环时间长） 2）等压加热循环－－高增压和低速大型柴油机（受燃烧最高压力限制，
燃料大部分在上止点后燃烧）
3）混合加热循环－－车用高速柴油机 对三种发动机的理论循环进行对比分析，有利于准确全面理解理 论循环及其影响因素的物理实质，发动机的理论循环分析传统上 就是这三种循环的对比分析，下图是这三种循环的P－V图：
第一章 发动机的性能
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 发动机理论循环 四冲程发动机的实际循环 发动机的指示性能指标 发动机的有效性能指标 机械损失与机械效率 热平衡
发动机的性能指标：主要有动力性能指标（功率、 转矩、转速）、经济性能指标（燃料及润滑油消 耗率）及运转性能指标（冷起动性能、噪声和排 气品质）等。 衡量一台发动机的质量主要是对以上性能指标进 行评定，但在评定时不仅要考虑性能指标，还要 把可靠性、耐久性、结构工艺性、使用维修性、 生产实际条件以及使用特点等多方面予以综合评 定。 本章主要阐述发动机的动力性能指标、经济性能 指标、及运转性能指标。通过深入到发动机工作 过程的各个阶段，对它们进行分析，从中找出影 响性能的因素及提高性能的一般规律。
300~340
Tde
汽油机
柴油机
0.080~0.092
0.080~0.095
二、压缩过程
压缩过程中进排气门 均关闭，活塞由下止点向 上止点移动，缸内工质受 到压缩，温度、压力不断 上升，工质受压缩的程度 用压缩比 c 表示。 压缩过程的作用是增 大做功过程的温差，获得 最大限度的膨胀比，提高 热功转换效率，同时也为 燃烧过程创造有利的条件。 在柴油机中，压缩后气体 的高温还是保证燃料着火 的必要条件。
通过对理论循环的研究，达到以下目的： 1）确定循环热效率的理论极限，以判断实际 发动机经济性能和工作过程进行的完善程度 以及改进的潜力； 2）有利于分析比较发动机不同热力循环方式 的经济性能和动力性能； 3）通过分析发动机理论循环的热效率和平均 压力，明确提高以理论循环热效率为代表的 经济性能和以平均压力为代表的动力性能的 基本途径。
p 基本不，0 t
p ，0 t
第二节 四冲程发动机的实际循环
发动机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过 程。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排 气五个过程组成的，较之理论循环复杂得多。
压缩 进气 大气压力线 大气压力线
a）进气过程
b）压缩过程
做功
排气 大气压力线 大气压力线
膨胀过程及多变指数变化过程
做功
大气压力线
c）膨胀（做功）过程
膨胀终点的压力（MPa）和温度（K）的计算公式及范 围如下：
第一节 发动机理论循环
一、三种基本循环
发动机的理论循环是将非常复杂的实际工作过程加以 抽象简化，忽略次要因素后建立的循环模式。 为建立理论循环研究，必须对发动机的实际过程进行必要的 几点简化假设： 1）工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理 常数相同，整个循环中的工质的物理性质及化学性质不变， 工质比热容为常数； 2）工质是在闭口系统中做封闭循环，忽略进、排气过程； 3）工质压缩、膨胀过程 （复杂的多变过程） 简化为绝热 等熵过程； 4）燃烧是外界无数个高温热源等容或等压向工质加热，工 质放热为等容放热； 5）循环过程为可逆过程。
压缩开始时，新鲜功质的温度小
k ；随 于缸壁温度，多变指数 n1 着工质温度上升，某一瞬间与缸壁温 k ；此后，由于工质温 n1 度相等， 度高于缸壁 ，向缸壁传热， 。 k n1 在实际的近似计算中，常用一个不变 的、平均的多变指数n1来代替n1’ （ n1称为平均压缩多变指数），只要 以这个指数n1计算而得的多变过程，其 始点a和终点c的工质状态与实际压缩 过程的初、终状态相符即可。 压缩过程及多变压缩指数变化过程
试验测定 n1的范围见下表：
n1的范围 发动机类型 汽油机 高速柴油机 1.32-1.38 1.38-1.40 增压柴油机 1.35-1.37 发动机的类型 n1的范围
压缩终了的压力
pco
和温度 T 可用下式计算： co
n1 c
Tco Tde
表1-2
pco pde
n1 1 c
压缩终了压力和温度
压缩 进气 大气压力线 大气压力线
a）进气过程
b）压缩过程
做功
排气 大气压力线 大气压力线
c）膨胀（做功）过程
d）排气过程
在理论循环中，假设压缩过程是绝热的。实际 上，发动机的压缩过程是一个复杂的多变过程。工 程热力学中，凡满足
pv 常数
n
的过程，通称为多变过程。n值为0、1、k和±∞时， 分别是等压、等温、等熵和等容过程。
二、循环热效率t
t 是工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J） 之比，用以评定循环经济性。
Q2 W Q1 Q2 t 1 Q1 Q1 Q1
式中t 是循环热效率，w是工质所做循环功（J）， Q1循环加热量（J）， Q2是工质在循环中放出的热 量（J）。
（一） 混合加热循环 －车用高速柴油机的理想循环
相关的，因为Pz值决定了曲柄连杆机构的质量、惯性力以及主要承压面积的 大小等。不加限制地提高、，将引起m的下降。从有效指标上看，将导致 由压缩比、压力升高比提高而带来的收益得而复失。这一点，对于本来压 缩比已经很高的柴油机来说更为明显。
3）燃烧方面的限制：若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面
三、循环平均压力
循环平均压力Pt（kPa）是指单位气缸容积所做的 循环功，用它来评定气缸工作容积的做功能力。
Baidu Nhomakorabea
W P t Vs
式中W是指循环所做的功（J），Vs是气缸工作 容积（L）。根据工程热力学公式，混合加热循环 的平均压力为：
Pde Pt . [(p 1) k p ( 0 1)]t c 1 k 1
pco
汽油机 柴油机 0.8～2.0 3.0～5.0
/MPa
Tco
600～750 750～1000
/K
增压柴油机
5.0～8.0
900～1100
三、燃烧过程
燃烧过程中进、排气门均关闭，活塞处在上止点前后。 燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、 温度升高。燃烧放出的热量越多，放热越靠近上止点，热效率 越高。柴油机压缩比高，燃烧的最高爆发压力很高，但因柴油 机的过量空气系数相对于汽油机大，所以柴油机的最高燃烧温 度值反而比汽油机低。
a
压缩 进气 大气压力线 大气压力线
a）进气过程
b）压缩过程
做功
排气 大气压力线 大气压力线
c）膨胀（做功）过程
d）排气过程
进气过程中进气终点的压力 pde 和温度Tde 的范 围表：
表1-1 进气过程中进气终点的压力和温度的范围表
发动机类型 进气终点的压力 /Mpa 进气终点的温度 /K
pde
340~380
升高比对提高循环热效率t 有利，但这将导致最高循环压力Pz的急剧升高， 从而对承载零件的强度要求更高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动 机的使用可靠性，为此只好提高发动机的质量，结果造成发动机体积与制造 成本的增加。因此，在实际设计时，对上述参数的选择必须根据具体情况权 衡利弊而定；
2）机械效率的限制：发动机的机械效率m是与气缸中的最高压力Pz密切
k c
（3）
可见，Pt是随着进气终点压力Pde、压缩 比 、初始膨胀比p 、等熵指数k和循环热 效率 t 的增加而增加。
c
0
四、三种理想循环热效率的比较
1、初态1相同，压缩比相同，加热量Q1相同，则 放热温度有：
Tv Tm Tp
则：
Q v放 Qm放 Qp放
t ,v t ,m t , p
表1－3 燃烧的最高爆发压力
发动机类型
p max最高温度Tmax
Tmax
2200～2800
1800～2200 /K
p max
3.8～8.0
4.5～14.5
/MPa
汽油机
柴油机
四、膨胀过程
进、排气门均关闭，高温、高压的 工质推动活塞，由上止点向下止点移动 而膨胀作功，气体的压力、温度也随即 迅速降低。 膨胀初期，由于补燃，工质被加 热， n ；膨胀某一时刻，对工质 2 k 的加热量等于向缸壁的传热 量， n ；此后，工质向缸壁放 2 k 热， n 。 2 k 如同压缩过程，在实际的近似计算 中，常用一个不变的、平均的多变指数 n2来代替n2’ 。
2 、初态1相同，最高压力、加热量Q1相同，放热 温度有：
Tv Tm Tp
Qv放 Qm放 Qp放
则:
t ,v t ,m t , p
三种理想循环热效率的比较图：
线
3、汽油机、柴油机负荷变化（即加热量Q1不同 时）： 柴油机：是喷雾压燃后边喷油边燃烧，负荷下降 时，喷油时间缩短，但初期相当于等容燃烧的部 分变化不大，有 汽油机：是点火后火焰传播燃烧。无论负荷大小， 火焰传播距离都不改变。负荷减小时残余废气系 数增加，燃烧速度降低，燃烧时间加长，有
上式中Pde是进气终了的压力（kPa）。
0
k c
（1）
取p ＝1，得等容加热循环的平均压力为： k c P de P . ( p 1) t t c 1 k 1 取 ＝1，得等压加热循环的平均压力为
p
（2）
P de P . k ( 0 1)t t c 1 k 1
p3 1、热效率 1 p2 因为: 压力升高比
1 t 1 k 1 k ( 1)
1
k
所以: 热效率
2、分析 （1） 为定值时， 平均 膨胀比减小，放热量Q2 t （2） 为定值时， t
(三)等压加热循环
从理论循环可知，在用于指导实践时必须考虑到发 动机实际工作条件的约束和限制： 1）结构条件的限制：尽管从理论循环的分析可知，提高压缩比和压力
1
k
3、分析 （1） 为定值 t ； t 。 = 1 t = const. （汽油机，定容加热循环） （2） t ；当 = 20 左右时， t不大 柴油机 = 12～22
（二）等容加热循环（奥托OTTO循环） － 汽油机的理想循环