第二章(发动机的性能指标)

做功过程
在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当 活塞接近上止点时，工质燃烧放出大量的热能。 高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运 动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了 用以维持发动机本身继续运转外的惯性能量外， 其余的能量用于对外做功。在右图上用曲线zb 表示。做功行程比压缩过程更复杂，除有热交 换和漏气损失外还有补燃。因此，做功行程也 是一个多变过程。
三种基本循环的比较
T 4’ 4 4’’ 5’’ 5’ 5
压缩比及加热量分别相同时比较
3
2 1
压缩比ε相同 加热量 Q1相同 初态1相同
tv tm tp
a b’ b b’’ s 等容加热循环热效率最高，而等压加热循环 的均最低。欲提高混合加热循环的热效率 ，应增 加混合加热循环的等容部分。
排气过程
当做功行程接近终了时，开始排起行 程，排气门开启，靠废气的压力进行自由 排气，活塞到达下止点后再向上止点运动 时，继续将废气强制排到大气中。活塞到 达上止点附近时，排气行程结束，如右图 曲线br。
实际循环各过程的特点
进气过程： 进气终了的压力和温度范围为： 汽油机 0.080~0.092（MPa） 340~380（K） 柴油机 0.080~0.095（MPa） 300~340（K） 压缩过程： 压缩终了的压力和温度范围为： 汽油机 0.8~2.0（MPa） 600~750（K） 柴油机 3.0~5.0（MPa） 750~1000（K） 燃烧过程： 由于柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力Pmax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Tmax反而比汽油机低。 燃烧的最高爆发压力Pmax及最高温度Tmax的范围为： 汽油机 3.0~8.0（MPa） 2200~2800（K） 柴油机 4.5~9.0（MPa） 1800~2200（K）
指示功和平均指示压力
Fi F1 F2 Fi F1 F2
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。
汽、柴油机负荷变化(不同加热量)时的对比
柴油机：由于喷雾压燃后边喷油边燃烧,当负荷下降时，喷油时间 缩短，但初期相当于等容燃烧的部分变化不大。这相当于λ基本不 0 变而 减小，则ηt提高。 汽油机：点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传播距离不变。当 负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧时间加长。这相当于λ下降而 上0 升，则ηt降低。
第一节 发动机的理论循环
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，忽略一 些次要影响因素，并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、化学过程 〔如可燃混合气的准备与燃烧过程等〕进行简化处理，得到便于进行定量分 析的循环，称发动机的理想循环。 其简化条件如下： 1 假定工质为定比热容的理想气体； 2 不计吸气和排气过程（工质的总质量保持不变），假设工质是在闭口系 统中作封闭循环；
理论循环与实际循环比较
1、实际工质的影响
2、换气损失
3、燃烧损失
4、传热损失
实际工质影响 理论循环中假设工质比热容是定 值，而实际气体比热容是随温度的升 高而上升，且燃烧后生产CO2、H2O 等多原子气体，这些气体的比热容又 大于空气，使循环的最高温度降低。 由于实际循环还存在泄漏，使工质数 量减少，这意味着同样的加热量，在 实际循环中所引起的压力和温度的升 高要比理论循环的低得多，其结果是 循环热效率低，循环所做的功减少， 如右图中Wk所示。
汽车发动机原理
第二章 发动机的性能指标
发动机的性能指标所包括内容主要有：动力性能指标、经济性能 指标及运转性能指标等。 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、生产 实际条件以及使用特点等多方面予以综合评定，并把各种性能有机结 合起来。 本章主要阐述发动机的动力性、经济性及运转性能指标，并通过 对它们的分析，从中找出影响因素及提高性能的一般规律。
在定容加热循环中，随着循环加 热量Q1的增加，λ值成正比加大。若保 持ε不变，则工质的膨胀比也不会变化， 这样，循环放热量Q2亦相应增加，而 Q2/Q1不变， ŋt亦不变。
4）预膨胀比ρ 在等压加热循环中，若ε保持不变，随着加热量Q1增加ρ值加大。 由定压加热循环热效率公式可知， ŋt下降。 在混合加热循环中，当循环总加热量Q1和ε保持不变，若ρ值增 大，意味着等压加热部分增大，同样ŋt下降。
2.循环平均压力pt pt(kPa)是单位气缸工作容积所做的循环功，用以评定发动 机的循环做功能力。 W pt Vs 式中 W——循环所作的功（J） Vs——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：
pa ptm [( 1) ( 1)]t 1 1
膨胀过程： 由于柴油机膨胀比大，转化为有用功的热量多，热效率高， 所以膨胀终点的温度和压力均比汽油机小。 膨胀终了的压力和温度范围为： 汽油机 0.3~0.6（MPa） 1200~1500（K） 柴油机 0.25~0.5（MPa） 800~1200（K） 排气过程： 排气温度是作为检查发动机工作状况的一个参数。因为排气 温度低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进 行得好。 排气终了的压力和温度范围为： 汽油机 0.105~0.125（MPa） 900~1100（K） 柴油机 0.103~0.108（MPa） 700~900（K）
2) 分析比较发动机不同热力循环方式下的经济性和动力性。
3) 确定提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压力为代 表的动力性的基本途径
三种基本理论循环
发动机有三种基本理论循环，即定容加热循环、定压加热循环和 混合加热循环。发动机的循环常用示功图来说明。
发动机理论循环的三种形式：a)混合加热循环、b)等容加热循环
第二节 四冲程发动机的实际循环
发动机的实际循环 1、进气过程 2、压缩过程 3、燃烧过程 4、膨胀过程 5、排气过程
例如：汽油机5600转/分， 那么一个行程历时 多少秒？
进气行程
进气过程中，进气门开启，排气门关闭， 活塞从上止点向下止点运动，在气缸内形成 真空，新鲜工质被吸入气缸。由于进气系统 的阻力，进气终了时气缸内压力小于大气压 力，约为0.075~0.09MPa。因为流进气缸内 的工质受到气缸壁、活塞顶等高温机件及上 一次循环残余废气的余热，所以进气终了温 度也升高到370~400K。在右图中进气行程 用曲线ra表示。
tm 1
式中
1
1
1 ( 1) ( 1)
——发动机的压缩比， =Va/Vc=(Vs+Vc)/Vc=1+Vs/Vc,其中， Va为气缸总容积，Vc为气缸压缩容积，Vs为气缸工作容积； ——预膨胀比， =Vz/Vc ——压力升高比， =pz/pc ——等熵指数
通过以上分析表面。在实际循环诸多损失中，工质 影响造成的损失是人们无法改变的。其余各项损失中以 气缸壁传热损失和燃烧损失所占比重为大。
第三节 发动机的指示指标、有效指标和强化指标
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。
3 压缩、膨胀过程简化为绝热等熵过程；
4 把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，从而简化为等容加热过程或 等压加热过程；
5 排气中的实际放热过程简化为等容放热过程； 6 忽略过程损失，把循环的每一过程都假定为可逆过程，即假设循环过程 为可逆循环。
研究理论循环的目的: 1) 确定循环热效率的理论极限，从而判断实际发动机经济性和工 作过程进行的完善程度以及改进潜力。
2）压缩比ε对三种理论循环的影响
汽油机压缩比范围为7~10，柴油机压缩比范围为 14~22。
3）压力升高比λ 在混合加热循环中，当循环总加热量Q1和ε不变时，λ增大，则 ρ减小。如下图中z—b变到z’—b’，相应的Q2减少，ŋt提高。
但是λ、ε增加会造成最高温度Tz和最高压力Pz的急剧上升，因 而受到材料耐热性和强度的限制。

定容加热循环（ =1）热效率为：
tv 1
1
1
定压加热循环（ =1）热效率为：
1 tp 1 1 ( 1)
1
从热效率的计算式中可以发现，影响热效率的因素有：
ŋt=f（ k、 ε、 λ 、ρ） 1）绝热指数k的影响 从下图可知，随着绝热指数k值的增加，ŋ t增加。K值取决于工质的性质， 双原子气体k=1.4，多原子气体k=1.33。
压缩行程
为使吸入气缸内的工质能迅速燃烧， 以产生较大压力，使发动机做功，必须在 做功行程之前将工质压缩，此即为压缩行 程。在这个行程中，进、排气门均关闭， 活塞由下止点向上止点运动。在右图中压 缩行程用曲线ac表示。压缩过程是一个 复杂的多变过程，其间有热交换和漏气损 失。
燃烧过程
这个过程，活塞位于上止点前后，进、排气门均关 闭。燃烧过程的作用是将燃料的化学能转化为热能，使 工质的温度和压力升高。燃烧越靠近上止点，放出热量 越多，热效率越高。 汽油机的燃烧过程接近定容加热过程，原因是汽油 机的可燃混合气是在火花塞点火之前已基本形成，火花 塞在上止点前点火，火焰迅速传播到整个燃烧室，工质 的温度、压力迅速上升。 柴油机的燃烧过程接近混合加热循环，喷油器在上 止点前喷油，燃油微粒迅速与空气混合，并借助于空气 的热量而自燃。开始时，燃烧速度很快，工质温度、压 力剧增，接近定容加热过程；后来，一面喷油，一面燃 烧，燃烧速度逐渐缓慢，又因活塞下移，气缸容积加大， 压力升高不大，而温度继续上升，燃烧接近定压加热。 注意：无论是汽油机还是柴油机，燃烧都不是瞬时 完成的！
换气损失 燃烧废气的排出和新鲜空气的吸 入是使循环重复进行所必不可少的， 由此而消耗的功称为换气损失。由于 进、排气系统中的流动阻力而产生的 损失右图中Wr所示。换气过程中因排 气门在下止点前必要的提前开启而产 生的损失，称为提前排气损失，如右 图中面积W
燃烧损失 1）实际循环中燃烧非瞬时完成，所 以喷油或点火在上止点之前，并且燃烧 还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬时 燃烧损失和补燃损失，如右图中WZ 2）实际循环中会有部分燃料由于缺 氧产生不完全燃烧损失。 3）在高温下部分燃烧产物分解而吸 热，即 2CO2+热量 2CO+O2 2H2O+热量 2H2+O2 使循环的最高温度下降，由此产生燃烧 损失。
百度文库
传热损失 理论循环假定气缸壁和工质之间无热 交换。但实际循环中，气缸壁（包括气缸 套、气缸盖、活塞、活塞环、气门、喷油 器等）和工质间自始至终存在着热交换， 使压缩、膨胀线均脱离理论循环的绝热压 缩、膨胀线，由此造成损失如右图中Wb 所示。 根据实际统计，通过气缸壁各部分向 外散发的热量损失所引起的发动机功率和 热效率下降约占理论混合循环发出的功率 和热效率的10%。
c)等压加热循环。
柴油机混合加热理想循环和定压加热理想循环
理论循环是用循环热效率和循环平均压力来衡量和评定的。 1.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 的经济性。
t
Q W Q1 Q2 1 2 Q1 Q1 Q1
式中 Q2——循环放热量（J） 根据工程热力学公式，混合加热循环热效率为：
式中 pa——进气终了压力（kPa） 对定容加热循环（ =1），其循环平均压力 pa ptV ( 1)t 1 1 对定压加热循环（ =1），其循环平均压力
pa ptp ( 1)t 1 1
可见，pt是随压缩始点压力、压缩比、压力升高比、预膨 胀比、等熵指数和热效率的增加而增加的。