第一章发动机的性能

五、排气过程
排气过程如图中的br曲线， 当膨胀过程接近终了时，排气 门打开，废气开始靠自身压力 自由排气，膨胀过程结束时， 活塞由下止点返回上止点移动， 将气缸内的废气排除。
排气过程中，由于排气系统有阻力，排气终了的压力pr 大于环境压力Pa，压力差Pr-Pa用来克服排气系统的阻力。排 气系统阻力愈大，排气终了的压力Pr愈大，残留在气缸中的 废气就众多。
第三节 发动机的指示性指标
以工质对活塞所作之功为计 算基准的指标称为指示性能指标， 简称指示指标。
指示指标直接反映由燃烧到 热功转换的工作循环进行的好坏， 因而在工作过程的分析研究中得 到广泛的应用。
指示指标主要有指示功、平 均指示压力、指示功率、指示热 效率和指示燃油消耗率。
一、指示功和平均指示压力
三、燃烧过程
燃烧过程如图中的cz曲 线，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，放热时越 靠近上止点．热效率越高。
四、膨胀过程
膨胀过程如图中的zb曲线， 此时，进、排气门均关闭， 高温、高压的工质推动活塞， 由上止点向下正点移动而膨 胀作功，气体的压力、温度 也随即迅速降低。
1）混合加热循环热效率为
t
1
1
k 1 c
(p
p 0k 1 1) kp (0
1)
2）等容加热循环热效率ρ0=1。
பைடு நூலகம்t
1
1
k 1 c
3）等压加热循环热效率λp=1。t
1
1
k 1 c
k 0
1
k (0 1)
三种循环热效率ηt的影响因素
(1)混合加热循环热效率η t的影响因素：由下式可知， 随着压缩比ε C的增大，η t提高。显然，提高了ε C就提高了 循环平均吸热温度，降低了循环平均放热温度，扩大了循环
从图中还可以看出，等容加热循环平均加热温度 最高，而等压加热循环平均加热温度最低，混合加热 循环则介于两 者之间。即
Tm1V>Tm1m>Tm1p 式中，Tm1V是等容加热循环平均加热温度Tm1m是混 合加热循环平均加热温度；Tm1p是等压加热循环平均加 热温度。
(2)三种循环具有相同加热量Q1时的对比
第二节 四冲程发动机的实际循环
发动机的冲程即为行程，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。
四行程发动机示功图
一、进气过程
进气过程如图中的ra曲 线，为了使发动机连续运转， 必须不断吸人新鲜工质，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。
2)机械效率的限制
发动机的机械效率ηm是与气缸中的最高循环压力pz密 切相关的，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不等。不加限制地提高εC以及λp ， 将引起ηm的下降。从有效指标上看．将导致由压缩比εC和 压力升高比λp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。
的指示功(J)；Vs为发动机气缸工作容积(m3)。 平均指示压力是从实际循环的角度评价发动机气缸工
作容积利用率高低的一个参数，pmi越高，同样大小的气缸 容积可以发出更大的指示功，气缸工作容积的利用程度越 佳。平均指示压力是衡量发动机实际循环动力性能的一个 很重要的指标。
二、指示功率
发动机单位时间内所作的指示功，称为指示功率Pi。假
2、换气损失
为了使循环重复进行，必须更换工 质，由此而消耗的功称为换气损失，如 图中Wr所示。其中，因工质流动时需 要克服进、排气系统阻力所消耗的功， 称为泵气损失，如图中曲线所包围的面 积。因排气门在下止点前提前开启而产 生的损失，如图中面积W所示。
3、燃烧损失
1)非瞬时燃烧损失和补燃损失。实 际循环中燃料燃烧需要一定的时间，所 以喷油或点火在上止点前，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，如图中Wz所示。
理论循环的限制因素
1)结构条件的限制
尽管从理论循环的分折可知，提高压缩比ε C和压力升 高比λ p对提高循环热效率η 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， 为此只好增加发动机的质量，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。
先假定三种循环具有相同的最高压力Pmax如 图所示，分别三种循环的T-S图，此时，加热终 了的状态点z1,z2和z3都在Pmax线上。由于等容、 等压线斜率的差别，压缩终了的温度将是 Tp>Tm>Tv，即等压循环压缩终了的温度最高，混 合循环次之，等容循环最低。在相同Q1的条件下, 与图T-S所示相反，从左到右依次是z3b3、z2b2和 z1b1，即放热量Q2v>Q2m>Q2p于是有η tp>η tm>η tV
加热量不变，压缩比不变时
等熵(绝热）指数K对循环效 率的影响如图所示。随着K值的 增大， η t将提高。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。
(2)等容加热循环热效率η t的影响因素，由公式可知， 随着压缩比ε C的增大，η t提高。
(3)等压加热循环热效率η t的影响因素由公式可知， 随着压缩比ε C的增大， η t提高。ρ 0对η t的影响，当 ρ 0值加大，随着加热量Q1的增加，若ε C保持不变，放出 的热量Q2增加， η t下降。
1）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图中封闭曲 线所占有的面积求得，图 1-14中示出了四冲程增压 和非增压发动机的示功图。
Wi

Fi ab 106
式中，Fi=F1-F2为示功图面积(cm2)；a为示功图 纵坐标比例尺(Pa/cm)；b为示功图横坐标比例尺
(
0
1)t
可见，Pt是随进气终点压力Pde，压缩比ε C，初始
膨胀比ρ0，等熵指数k和循环热效率η t的增加而增 加。
四、三种基本循环的比较
循环名称
循环热效率
循环特点
等容加 热循环
等压加 热循环
混合加 热循环
t

1


1
k 1 c
加热过程在等容条件下 很快完成，循环热效率 仅与压缩比有关。
三、循环平均压力Pt
等容加热循环的平均压力ρ0=1
Pt


k c
c 1
Pde k 1
[(p
1)

kp (0
1)]
2）等容加热循环的平均压力ρ0=1
Pt


k c
c 1
Pde k 1
(
p
1)t
3）等压加热循环的平均压力λP=1
Pt



c
k c

1
Pde k 1
2)不完全燃烧损失。实际循环中会 有部分燃料、空气混合不良，部分燃料 由于缺氧产生不完全燃烧损失。
4、传热损失和流动损失
传热损失是实际循环中，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，造成 的损失。
热量的比值，即
it

Wi Qi
式中，Q1为得到指示功Wi所消耗的热量(J)。
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ε C表示。
压缩过程的作用是增大作功过程的温差，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。
温差，增大了膨胀比。
t
1

1


k c
1
(p
p0k 1 1) kp (0
1)
ρ0对热效率的影响: 当ρ0值增大，循环总加热
量Q1和压缩比保持不变，意味 着等压加热部分增大，等容加
热部分相应减少,此时ηt下降; λp对热效率的影响:
当λp增大，循环总加热量Q1 和压缩比保持不变时．此时ρ0 减小，Q2减小, ηt提高
t

1


1
k 1 c
0k 1 k(0 1)
加热过程在等压条件下 缓慢完成，负荷的增加 使得循环热效率下降
t
1
1
k 1 c
(p

p

k 0
1
1) kp (0
1)
介于上述两者之间
三种基本循环的比较
(1)同一机型不同加热模式的对比 此时ε c Q1不变，三种循环的T-S图如图。等容加热循环、 混合加热循环、等压加热循环三种循环在T-S 图上的曲线分别为acz1b1a、acz’2z2b2a、 acz3b3a,由于等容线的斜率比等压线的斜率大， 在相同Q1的情况下，在图中从左到右应依次为 z1b1、z2b2和z3b3。因此放热量Q2必然是等压加 热循环最大，等容加热循环最小。于是有 η tV>η tm>η tp。式中，η tV是等容加热循环热 效率；η tm是混合加热循环热效率；η tp是等压 加热循环热效率。这一结论实际上是要提高循 环加热“等容度”的理论基础。
(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、表面点火等不正常燃烧的现象。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ε C一般在12~22之间，最高循 环压力Pz＝7~14MPa，压力升高比λ p在1.3~2.2左右。汽油 机的压缩比ε C =6~12，pz=3~8.5MPa， λ p在2.0~4.0左右。
流动损失指压缩及燃烧、膨胀过 程中，由于缸内气流(涡流与湍流)所 形成的损失。体现为，在压缩过程中， 多消耗压缩功；燃烧膨胀过程中．一 部分能量用于克服气流阻力，使作用 于活塞上作功的压力减小。两者之和 如图中Wb所示
缸内流动损失一般不会太大。但人为设计的强涡流、湍 流工作的燃烧室，如柴油机涡流室与预燃室，对流动损失会 有较大影响。这一设计的目的是牺牲部分动力性能经济性能 来换取其他性能．加高速性，噪声、排放等性能的改善。直 喷式柴油机燃烧室有时也组织各种类型的较强气流来改善混 合气形成与燃烧，流动损失会因此而得到补偿。
(cm3／cm)。
指示功Wi反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的 有用功的数量，它除了和循环中热功转换的有效程度有关外， 还和气缸容积的大小有关。
2）平均指示压力
平均指示压力是指单位气缸工作容积一个循环所作的
指式示中功，。Pmi是平均指示压力pm(iPa)WV；si Wi为发动机一个工作循环
六、发动机实际循环与理论循环的比较
影响因素
1、实际工质的影响
理论循环中假设工质比热容是定 值，而实际气体比热是随温度上升而 增大的，且燃烧后生成co2、H20等气 体，这些多原子气体的比热容又大于 空气，这些原因导致循环的最高温度 降低。加之实际循环还存在泄漏，使 工质数量减少。实际工质影响引起的 损失如图中WK所示。这些影响使得 发动机实际循环热效率比理论循环低。
物理常数相同，整个循环中工质的物理性质及化学性质 不变，工质比热容为常数。 2) 假设工质是在闭口系统中作封闭循环。 3) 假设工质的压缩及膨胀是绝热等墒过程。 4) 假设燃烧是外界无数个高温热源等容或等压向工质加热。 5) 假设循环过程为可逆循环。
三种循环的P—V图
二、循环热效率ηt
按工程热力学公式，三种循环的热效率分别如下。
第一章 发动机的性能
发动机的性能指标
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) 运转性能指标(冷起动性能、噪声和排气品质) 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
第一节 发动机理论循环
一、三种基本循环 1、建立依据 1) 假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气
设一台发动机的气缸数为i，工作容积为VS(m3)，平均指示
压力为pmi（Pa)，转速为n(r／s)，则具有i个气缸的发动机
的指示功率pi为
pi

pmiVS ni
30
式中，τ 为冲程数，当为四冲程发动机时，τ ＝4；当为 二冲程发动机时，τ ＝2。
三、指示热效率和指示燃油消耗率
1) 指示热效率ηit是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料