第三章 内燃机的工作指标与性能
内燃机原理 各章重点内容
《内燃机原理》各章提纲及重点内容第一章绪论1、内燃机发展。
前期：1673~1680年荷兰物理学家柯.惠更斯(Christian Huygens)首先提出了真空活塞式火药燃烧的高温燃气在气缸中冷却后形成真空而带动活塞作功，在人类历史上第一次把燃气与活塞联系起来，实现了“内燃”1690年法国医生德.巴本(Deni Papin)，采用相当于真空原理用水蒸气作功质的活塞式发动机，成为近代蒸汽机的直接祖先。
1705~1711年英国人纽卡姆(New Comen)制成了矿井用直立气缸密封式活塞、缸|内水冷却的真空式蒸汽机，热效率不到1%。
| 1776年英国人瓦特(Watt) 改良了纽卡姆蒸汽机，发明了水汽分离冷凝器，大大完善了蒸汽机，热效率达3%，开始了蒸汽时代，掀起了第一次工业革命浪潮。
1794年英国人罗伯特.斯却里塔(RobertSteet)提出了燃用松节油或柏油的内燃机原理，首次提出燃料与空气混合的原理。
1799年法国化学家莱蓬(Lebon) 建议采用照明煤气作燃料并用电火花点火。
| 1820年英国人塞歇尔(W . Cecil) 用氢煤气作燃料,使内燃机以60+/ min转动起来。
1833年英国人莱特(WL. Weight)提出“爆发” 发动机，摆脱了真空发动机的影响，直接利用燃烧压力推动活塞作功。
1857年意大利恩.巴尔桑奇(Engenio Bersanti)和马特依西(Matteucci) 制成自由活塞发动机，第一次实现了爆发作功。
1860年法国人兰诺(Lenoir) 研制成功第一台实用的二冲程、无压缩、电火花点火的煤气机。
1862年法国工程师包.德.罗沙(Beau de Rochas)第一次提出了近代发动机等容燃烧的四冲程循环原理。
诞生：1876年Nikolaus August Otto发明了世界第一台四冲程煤气机。
1886年Benz和Daimlet按Otto的四冲程原理，造出第一台车用汽油机。
1886年Benz和Daimler将发明的汽油机用在车.上，发明了第一部汽车。
内燃机学周龙保第三版期末考试知识点整理教学文案
内燃机学周龙保(第三版)期末考试知识点整理．《内燃机学》第二章《内燃机的工作指标》名词解释：1.示功图：指发动机气缸内工质压力P随气缸容积V（或曲轴转角φ）而变化的曲线。
2.指示性能指标：指工质对活塞做工为基础的指标。
1)动力性能指标：a)指示功Wi：指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功（J）。
b)指示功率Pi：内燃机单位时间内所做的指示功称为指示功率。
c)平均指示压力Pmi：单位气缸容积所做的指示功(Pa)。
2)经济性能指标：a)指示热效率：发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。
b)指示燃油消耗率bi：单位指示功的耗油量。
【g/(kW*h)】3.有效性能指标：指曲轴输出的相关指标。
1)动力性能指标：a)有效功率Pe:发动机轴上所净输出的功率。
b)平均有效压力Pme：单位气缸工作容积所做的有效功。
c)升功率Pl：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。
d)有效扭矩：曲轴的输出转矩。
2)经济性能指标：a)有效热效率：b)有效燃油消耗率：4.充量系数φc（容积效率）：每缸每循环吸入缸内的新鲜空气量与按进气系统前状态计算而得的理论充气量之比。
(75%-90%)5.过量空气系数φa:燃烧单位质量燃料的实际空气量与理论空气量之比。
6.压缩比：气体容积与燃烧室容积之比。
7.燃油消耗率：发动机每输出1kW*h的有效功所消耗的燃油量。
8.平均机械损失压力Pmm：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。
有效功率与指示功率之比。
:机械效率9.简答题：1.什么是发动机的机械损失？它由哪些损失组成？答：发动机曲轴输出的功或功率小于其气缸内气体膨胀所做的功或功率，两者之差称为发动机的机械损失。
1)活塞与活塞环的摩擦损失。
2)轴承与气门机构的摩擦损失。
3)驱动附属机构的功率损失。
4)风阻损失。
5)驱动扫气泵及增压器的损失。
2.机械损失测定的四种方法？动图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法。
使用范围：1)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。
#内燃机原理内燃机的工作指标与性能
3、影响ηi的主要因素
从燃料燃烧可以释放出的热量和能够转换成指示功 的有效程度两方面分析：
（1）燃料热能释放的好坏 （2）热量损失的大小 （3）热能转换的有效程度
3.3内燃机的机械损失及机械效率
一、机械损失功率 二、机械损失功率的测定 三、影响机械损失功率及机械效率的因素
一、机械损失功率Nm
在内燃机工作过程中，不可避免地损失一部分功 或功率，这些功或功率的总和称为机械损失功或机械 损失功率。
返回
可见，指示功率与下列四个因素有关： （1）与一个循环内进入气缸的空气量iVsηvρs成正
比； （2）与燃烧时燃料热能利用的完善程度ηi成正比； （3）与单位时间内工作循环的重复频率成正比； （4）与过量空气系数成反比。
3、提高Ni的有效途径
提高指示功率Ni的有效途径: 提高增压度，增加进缸充量； 提高换气质量，减少废气残存量； 完善油气混合； 保证良好的燃烧过程。
说明：
（1）在有电力测功器的条件下，倒拖法是求Nm最迅 速、最简便的方法。
（2）适用于多缸高速小型内燃机的机械损失功率。
（3）不适用于大功率内燃机和涡轮增压内燃机。
（4）不能精确地测定pm或pi，数值比实际高出很多。
原因：内燃机在着火运转和不着火倒拖情况下，其 Nmf和Np二者存在较大差别。
（二）灭缸法（各缸轮流断油法）
摩擦损失功率－内燃机为克服运动部件之间的摩 擦而消耗的功率，约为指示功率Ni的10～15％。 注意：在机械损失中，摩擦损失所占的比例很大。
（1）活塞、活塞环与气缸套之间的摩擦损失功率， 约占全部摩擦损失功率的55～65％；
（2）主轴承、连杆轴承、凸轮轴轴承等的摩擦损失 功率，约占全部摩擦损失功率的35～45％。
内燃机的工作指标
内燃机的工作指标一、柴油机工作指标1、柴油机效率柴油机效率指柴油机在外加功率下所得到的有效输出功率占有功率的百分比，是考量判断柴油机机械效率状况的主要指标。
通常，在标准条件下，常见柴油机的效率范围可在34%~42% 。
2、柴油机比功率比功率，指柴油机在标准工况（100%满负荷运转）下的输出功率，单位时间内负荷变动情况下，柴油机为了保证输出功率的平稳、连续而所需的增加的内部机械耗能的百分数，一般比功率（在柴油机操作过程中，由于无负荷时的转速变化，比功率也会随之相应变化）。
3、柴油机的排放柴油机的排放指的是柴油机排放出的污染物，主要是二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）和悬浮颗粒物（PM10），这些污染物会造成气象环境污染，并影响人们的健康，因此柴油机的排放物一般要求符合国家环保法规，其中对污染物有对应的标准限值要求。
4、柴油机的缸压柴油机缸压是衡量柴油机机械效率和柴油机能量损耗的重要参数，反映了柴油机内燃瞬时过程。
缸压具有节能指示、压缩比汽缸损失校核等功用，也作为故障诊断的参考指标，一般要求缸压超过国家能耗标准的额定值。
5、柴油机热效率柴油机热效率是柴油机运行效果的重要指标，是衡量柴油机效率得到的比值。
一般热效率的范围在0.36～0.5之间，属于正常范围，只要热效率数值在这个范围之内，就可以比较满意。
二、内燃机工作指标1、内燃机机械效率内燃机的机械效率是指把输出的有效功率占总消耗能量的比例，是衡量内燃机运行性能的一个主要参数，目前实际现象中，内燃机的机械效率一般较低，只有20%～35%，而机械效率越低，能量消耗越大，机械效率高则节约能源，提高工作效率。
2、内燃机发动机比功率发动机比功率是指内燃机所需要进行回低转速等实现调节的有效输出功率。
高比功率可以使发动机的性能更加可靠和稳定，也是内燃机整体性能的重要指标，并且比功率越高，内燃机的可靠性也越高。
3、内燃机燃油消耗率燃油消耗率是指对比100公里行驶时所耗用柴油，这里说的柴油是指每公里路程所消耗的单位汽油即可换算为升数。
内燃机 复习小四版
第二章内燃机的性能指标一．指示性指标：内燃机的指示性指标是以工质对活塞做功为基础的性能指标。
1.指示功是指内燃机完成一个工作循环工质向活塞传递的有用功W i。
2.平均指示压力是指单位气缸容积一个循环所做的指示功。
P mi。
3.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。
4.指示热效率是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。
5.指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油量。
单位[g/(kW·h)]二．有效性指标：以曲轴对外做功为基础的性能指标为内燃机的有效性能指标。
（功率、转矩、平均有效压力、升功率、有效热效率和有效燃油消耗率）1.平均有效压力：与平均指示压力相似，平均有效压力（Pme）也可以看作是一个假象的、平均不变的压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个行程所做的功等于每循环所做的有效功。
2.升功率：升功率P L（kW/L）是指在额定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。
P L值越大，发动机的强化程度越高，发动机的动力性能就越好，或对应于一定功率的发动机的尺寸就可以越小。
三．机械效率与机械损失1.有效功率与指示功率之比称为机械效率。
内燃机中机械损失表现在以下3 个方面：①将新鲜充量吸入气缸和将燃气排出缸外所消耗的机械功（泵气损失功)；②克服各种摩擦所消耗的机械功；③驱动内燃机正常运转所必需的附件功耗。
2.内燃机中各部分的机械损失情况：（1）缸套与活塞及环组的摩擦损失；轴承与气门机构的摩擦损失；风阻损失；驱动附件的功率消耗；驱动扫气泵及增压器的损失；泵气损失。
3.提高内燃机动力性与经济性的途径：（1）采用增压技术；（2）合理组织燃烧过程；（3）改善换气过程；（4）提高发动机的转速；（5）提高内燃机的机械效率；（6）采用二冲程提高升功率。
4.若把内燃机每缸每循环吸人气缸的空气量换算成进气管状态(PsTs)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，用符号Φc表示。
3内燃机学第三章(1-2节)工作循环
Tc / Ta c k 1 ; Tz ' / Ta c k 1 ; Tz / Ta 0 c k 1
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代入上式，可得：
t mCv pt Ta{( c k 1 c k 1 ) k ( 0 c k 1 c k 1 )} Vs t mCv Ta c k 1{( 1) k ( 0 1)} Vs
k 1 k 1 k 1
k 1
0 c
Tb / Ta Tz / Ta Tb / Tz 0 c Tb / Tz 0 c 0 c 1 k 1 ( ) 0k c / 0
(vz / vb )
k 1
其中， c为绝热压缩过程的压缩比； 为绝热压缩和绝热膨胀过程的绝热指数； p为等容加热过程的压力升高比； o为等压加热过程的容积增加比（预胀比）； =vb/vz为绝热膨胀过程的容积增加比（后胀比）- = c/ o 6 将各温度表达式代入循环热效率t，可得：
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•机械效率限制 机械效率与缸内最大压力有密切关系，因为， Pmax决定了活塞 连杆机构的质量、其惯性力和主要承压面积大小等。 大幅度提高压缩比和压力升高比，必然会带来机械效率的下降， 从而使由于、提高所获得的循环效率与平均压力的收益，得而复 失。这一点对于柴油机来说，是一个很明显的问题。 国外柴油机最新发展的一个趋势，通过降低压缩比来提高柴油 机整机的经济性，其出发点就是减少摩擦损失。 •燃烧过程限制 若压缩比定得过大，压缩终点的压力和温度就会上升过多，对 于汽油机：容易产生爆震燃烧、表面点火等不正常现象；对于柴油 机：压缩终点时的气缸容积就会变得很小，给燃烧室设计带来困难， 甚至不利于高效率燃烧，造成得不偿失的后果。 •排放方面限制-冒烟、HC、CO、以及NOx等。 由于上述各种限制，目前发动机的参数范围如下： 柴油机 =12-22 =1.3-2.2 pmax=7-14 MPa 18 汽油机 7-12 2.0-4.0 3-8.5
内燃机的工作指标
内燃机的工作指标
内燃机是人类工业化进程中非常重要的一项技术，它被广泛应用于船舶、汽车、摩托车等运输和动力设备，也被用于产业领域的发电、农业机械等领域。
内燃机的发动机效率、热效率以及平衡机构的运行性能都是衡量内燃机性能的重要指标。
发动机效率是内燃机工作的主要指标之一，它指的是发动机在一段时间内把燃料的能量转化为机械能的能量的比率。
发动机效率一般是指单程式内燃机的发动机效率，在实际工作状态下，发动机效率受外界影响较大，因此，必须采取合理的参数调整、维护保养措施，才能使其达到理想性能。
热效率是内燃机的另一个重要指标，它表示燃料转化为机械能的能量的比率，它比发动机效率高一些，因为热效率还包括发动机排气出口处所散发的废热能。
热效率随着燃烧室压力和温度的变化而变化，一般情况下，当压力越高，温度越高，热效率越高，但这般情况也有限度，当发动机工作温度、压力超过一定范围时，就会出现热效率降低的情况。
内燃机的平衡机构是调节发动机工作性能的关键，它一般由活塞、连接杆、飞轮以及齿轮等部件组成，它的正确运行是内燃机稳定工作的重要保证，如果平衡机构不正常，发动机的效率和功率将大幅度降低，对整个发动机的使用寿命和可靠性也会造成负面影响。
以上就是内燃机的三大工作指标，它们都有着不同的检测和操作规程，为了保证发动机的正常工作，我们需要通过观察及定期的检查
维护来确保它们的正常运行，从而保证整个发动机的可靠性和可持续性。
第三章内燃机的主要技术指标
4）升功率
PL
Pe p n We me Vs i 30 Vs i t
PL pme n
汽油机习惯上用升功率 PL 表示其强化程度 现代汽油机 PL≥50kW/L 如：Santana2000 PL=74kW/1.8L Passat1.8 PL=91kW/1.8L Passat1.8T PL=110kW/1.8L 柴油机习惯上用平均有效压力 pme 表示其强化 程度，pme=0.6~3.0 MPa 柴油机 pme 较高， 但转速相对较低， PL 不如 故 汽油机高 平均有效压力、升功率，各发动机能类比，是 衡量发动机动力性和强化程度的一个很重要 的参数。
①增加快速加载烟度测试（ELR）。 ②适用于额定功率不大于85kW的柴油机。 ③适用于单缸工作容积小于0.7L、额定转速大于3000r/min 的柴油机。 ④ 对于燃气发动机或安装了先进的排气后处理装置的柴油机
内燃机排放—欧洲指标 排放标准 欧Ⅰ 欧Ⅱ 欧Ⅲ 欧Ⅳ 欧Ⅴ 执行年份 1992 1996 2000 2005 2008 NOx(g/kW· h) 9 7 5 3.5 2 PM(g/kW· h) 0.4/0.61 0.15 0.1 0.02 0.02
We=（2n/60）× Ttq
Pe=（n/30）× Ttq ×10 Ttq 为有效扭矩。
N· m/s
kW
有效功率可以利用测功器测定，水力测功器可先测出有 效扭矩Ttq ，再用上式计算出有效功率。
各种用途内燃机的运转特点
3.1.2 标定功率 内燃机出厂时铭牌上写明厂方标定的有效功率。 ① 15分钟功率：内燃机允许连续运转15分钟的最大有效功 率。汽车爬坡功率和军用车辆及快艇的追击功率。 ② 1小时功率：内燃机允许连续运转一小时的最大有效功率 。船用主机，工程机械和机动车的最大使用功率。 ③ 12小时功率：内燃机允许连续运转12小时的最大有效功 率。可作为工程机械，机车和拖拉机正常使用功率。 ④ 持续功率：内燃机允许长期运转的最大有效功率。 可作为长期连续运转的远洋船舶，发电站，和农林排灌内 燃机的持续使用功率。
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§3－2 内燃机的指示参数
指示参数是以工质在气缸内对活塞做功为基 础的性能指标，用来评定工作循环进行的好坏。
包括：平均指示压力pi、指示功率Ni 指示热效率ηi、指示油耗率gi
注意： 只考虑了热量损失，并未考虑摩擦损失。
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一、平均指示压力pi
1、定义 2、分析 3、标定工况下的Pi值 4、影响Pi的主要因素
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二、示功图
通常利用示功器或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，所得结果即为p－φ 示功图或p－v 示功图。
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三、指示功
指示功－内燃机完成一个工作循环所得到的 有用功Wi。
说明：
指示功反映了内燃机在一个工作循环中所获 得的有用功的数量，与热功转换的有效程度和气 缸容积大小有关。
piVsni 102(kW)3 15
3Z
式中，Z－动作系数（冲程数）；
对于四冲程内燃机，Z＝4；
对于二冲程内燃机，Z＝2。
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2、影响Ni的主要因素
建立指示功率与工作循环各参数间的数学关 系式：
Ni
1 30
Vsi Z
Hu
L'0
vi sn(kW)(3
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式中，Hu－燃料的低热值，KJ；
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4、影响pi的主要因素
（1）增压度 （2）过量空气系数
（3）换气质量
（4）油气混合的完善程度 （5）燃烧完善的程度
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二、指示功率Ni
1、定义 2、影响Ni的主要因素 3、提高Ni的有效途径
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1、定义
指示功率－内燃机单位时间作用于活塞上的 指示功，即
Ni
103 piVsni 60Z / 2
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 §3－2内燃机的指示参数 §3－3内燃机的机械损失及机械效率 §3－4内燃机的有效参数 §3－5内燃机的强化指标与强化分析 §3－6内燃机的热平衡 §3－7内燃机的热计算
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§3－1内燃机的工作指标
内燃机的工作指标是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 一组参数或指标，可以定性或定量地比较、分 析内燃机的工作性能，是评价内燃机性能高低 的有效尺度。
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1、指示热效率ηi
指示热效率ηi－内燃机一个工作循环的指示 功与所消耗的燃料热量之比，即
i
Wi Q1
Wi m H fcyc u
0.287 L0Ts pi Huv ps
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内燃机的主要工作指标： （1）动力性指标－功率、转矩、转速；
（2）经济性指标－燃料与润滑油消耗率；
（3）强化指标－升功率、活塞功率和强化系数；
（4）运转性能指标－冷起动性能、噪声和排气 品质；
（5）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。
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（4）与过量空气系数成反比。
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3、提高Ni的有效途径
提高指示功率Ni的有效途径: 提高增压度，增加进缸充量； 提高换气质量，减少废气残存量； 完善油气混合； 保证良好的燃烧过程。
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三、指示热效率ηi与指示油耗率gi
1、指示热效率ηi 2、指示油耗率gi 3、影响ηi的主要因素
如：pi Wi 利用率
（3）在标定功率及转速下，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。
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3、标定工况下的pi值
类型 非增压汽油机 增压汽油机 非增压四冲程柴油机 增压四冲程柴油机 非增压二冲程柴油机 增压二冲程柴油机
煤气机
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Pi（MPa） 0.4～1.2 0.9～1.5 0.75～1.2 1.2～3.0 0.5～0.9 1.0～2.2 0.6～1.4
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1、定义
平均指示压力就是内燃机在一个工作循环中 单位气缸工作容积，活塞所获得的指示功，即
pi
Wi Vs
103(MPa)3 14
式中，Wi－指示功，KJ； Vs－气缸工作容积，m3。
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2、分析
（1）一个假想的数值不变的气体压力；
（2）与气缸容积大小无关，是衡量气缸工作容 积利用率高低的一个参数；
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计算方法：
每缸每循环的指示功Wi可沿p－v图中封闭 曲线进行积分获得，即
Wi pdv
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（1）对于四冲程非增压内燃机，指示功面积Fi＝F1－F2； （2）对于四冲程增压内燃机，指示功面积Fi＝F1＋F2； （3）对于二冲程内燃机，面积Fi就表示指示功；
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在求得Fi后，可根据下式计算指示功：
WiBiblioteka Fiab 106(J)
式中，Fi－示功图面积，cm2； a－示功图纵坐标比例尺，Pa/cm； b－示功图横坐标比例尺，cm3/cm；
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四、空燃比和过量空气系数
A
/
F
空气质量 燃油质量
燃烧1kg燃料所实际供给的空气 质量
完全燃烧1kg燃料所需要的理论空气 质量
L0′－燃烧1kg燃料所需要的理论空气量，kg；
ηv－充气效率；
ηi－指示效率；
ρs－外界状态下空气密度，kg/m3。
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可见，指示功率与下列四个因素有关：
（1）与一个循环内进入气缸的空气量iVsηvρs成 正比；
（2）与燃烧时燃料热能利用的完善程度ηi成正 比；
（3）与单位时间内工作循环的重复频率成正比；
标定油耗率－在标定工况下，发出标定功 率时内燃机所具有的有效油耗率。
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比质量和比容积－在单位标定功率下内燃机 所具有的质量和容积，是用来评价、比较内燃机 轻重、紧凑、设计合理性的重要指标。
大修期－从新机到进行第一次大修或者两次 大修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。
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一、内燃机标定性能的主要指标
标定性能指标－在标定工况下表征内燃机工 作性能的主要指标，是介绍内燃机及其性能的主 要参数。
标定工况－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。
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标定功率－在标定工况下，内燃机连续运 行时允许发出的最大功率。
标定转速－在标定工况下，发出标定功率 时内燃机相应的曲轴转速。