内燃机循环及性能评价指标

η i 、 bi的大致范围
η 汽油机
i
bi[g／（kW· h ）] 205-320
0.3-0.4
柴油机
0.4-0.5
170-205
第四节 内燃机有效性能指标

内燃机经济性和动力性指标是以曲轴对 外输出的功率为基础，代表了内燃机整 机的性能，通常称它们为有效指标。
两类指标的比较

指示指标（i）
以工质在气缸内对活塞做功为基础，评 定实际循环质量的好坏。

循环平均压力pt



循环热效率η
W Q1 Q2 Q2 t 1 Q1 Q1 Q1
t

按工程热力学公式，混合加热循环热效率为
tm 1

1

K 1

1 K 1
1
K

ε 一压缩比，ε =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； （汽油机7-10，柴油机14-22，增压柴油机12-15） λ 一压力升高比，λ =pz/pc； ρ 一预膨胀比， ρ =Vz/Vz’=ε /δ ； δ —后膨胀比，δ =Vb/Vz； K一绝热指数
ptV pa ( 1) t 1 K 1
K

定压加热循环（λ =1）的平均压力为
pa ptP K ( 1) t 1 K 1

K

可见，pt是随压缩始点压力pa、压缩比ε 、 压力升高比λ 、预膨胀比ρ 、绝热指数K和 热效率η t的增加而增加。
卡诺循环：P-V图；T-S图 卡诺循环组成： 1、绝热压缩过程（a-c） 2、等温加热过程（c-z） 3、绝热膨胀做功过程（z-b） 4、等温放热过程（b-a）

热效率（卡诺效率）见式2-1a

二、三种理论循环
等容加热循环 等压加热循环 混合加热循环 见13页图2-3

W Q1 Q2 Q2 t 1 Q1 Q1 Q1
pme值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功 多，做功能力强。它是评定发动机动力性的重要 指标
pmi（MPa） 汽油机 柴油机 0.8-1.5 0.7-1.1
pme （MPa） 0.7-1.3 0.6-1.0

3.升功率PL

升功率PL（kW／L）是发动机每升工作容积 所发出的有效功率。它用来衡量发动机容 积利用的程度。
三、排放指标（欧洲排放体系）
标准名称 欧洲1 欧洲2 生效时间 1992.07 1996.01 2000.01① 欧洲3 CO /g.km-1 2.72 2.20 2.30 HC /g.km-1 － － 0.20 NOX /g.km-1 － － 0.15 NOX+HC /g.km-1 0.97 0.50 － ECE+EUDC 测试规范

机械损失所消耗的功率占指示功率的 10%-30%。降低机械损失，特别是摩擦 损失，使实际循环得到的功尽可能转变 成对外输出的有效功，是提高发动机性 能重要的一个方面。
指示指标用来评定实际循环质量的好坏， 以工质在气缸内对活塞做功为基础。 1、实际循环的动力性（做功能力）指标


平均指示压力pmi 指示功率Pi 指示热效率η i 指示燃料消耗率bi
2、实际循环的经济性指标


平均指示压力pmi

平均指示压力pmi（MPa）是发动机单位气缸 工作容积的指示功

指示功率Pi

发动机单位时间所做的指示功。
p m iVs in n 2 Pi Wi i 60 30

指示热效率η i和指示燃料消耗率bi

指示热效率η i是实际循环指示功与所消耗的 燃料热量之比值 。
Wi i Q1

指示燃料消耗率bi （简称指示比油耗）是指 单位指示功的耗油量，通常以每千瓦小时的 耗油量表示。 [g／（kW· h）] B bi 103 Pi

发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有 效转矩Ttq
Pe Ttq
2nTtq
60 1000 9550

Ttqn
0.1047 Ttqn 10 3

2. 平均有效压力pme

平均有效压力pme（MPa）是发动机单位气缸工 作容积输出的有效功
pme

30Pe iVs n

二、发动机经济性能

1. 有效热效率η

η e是发动机的有效功We（J）与所消耗燃料热量 Q1之比值
e
We e Q1

2. 有效燃料消耗率be

be[g/（kW· h）]是单位有效功的耗油量（简称耗 油率），通常以每千瓦小时的耗油量表示
B be 1000 Pe
η t 、η i 、 η
活塞下行， r-a线 吸入新鲜混合气 进开排关 增大工作过程温 活塞上行， 差，提高热功转 a-c线 进关排关 换效率，为燃烧 创造条件
压缩
汽：0.6~2.0 柴：3.0~5.0
汽：3.0~6.5 柴：4.5~9.0 汽：0.3~0.6
汽：600~750
柴：750~1000
汽：2200~2800 柴：1800~2200 汽：1200~1500 柴：1000~1200 汽：900~1200 柴：700~900

有效指标（e）
以曲轴对外输出的功率为基础，代表整 机的性能。

一、发动机动力性能

1. 有效功率Pe

Pe=Pi-Pm 机械损失功率Pm

1)发动机内部运动零件的摩擦损失。比例最大 2)驱动附属机构的损失 3)泵气损失，指进排气过程所消耗的功

发动机有效功率Pe由试验测得

有效转矩Ttq
Pe pmeVs in pme n PL Vs i 30Vs i 30

转速n和活塞平均速度Cm

提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数， 从而使发动机体积小、重量轻和功率大
Sn Cm 30


Cm大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯 性力均增大，磨损增大，寿命下降，Cm已成为 表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过 18m/s，柴油机不超过13m/s 为了提高转速又不使Cm过大，由上式知，可以 减小行程S，即对于高速发动机，在结构上采用 较小的行程缸径比（S/D）值。当S/D<1时，常 称为短行程
tm 1
1

K 1

1 K 1
1
K

定容加热循环（ρ =1）热效率为
tV 1
1

1
K 1

定压加热循环（λ =1）热效率为
tP 1

K 1


K
1
K ( 1)

影响η t的因素

l. 压缩比ε

提高ε，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放 热温度，扩大循环温差，增大膨胀比 ，三种循环的 η t都提高。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比 变化的情况。
内燃机循环及性能评价指标
本章主要内容


内燃机的理论循环和实际循环 评定内燃机的性能评价指标 内燃机的热平衡
第一节 概述

内燃机热功转换及能量传递过程示意图 从燃料和空气进入气缸混合燃烧到对外 输出做工需经过三个环节： 1、混合气的形成并导入气缸的过程； 2、燃烧放热过程； 3、能量的传递过程。


2. 绝热指数K：随K值增大， η t将提高。 3. 压力升高比λ ：定压加热循环λ =1，定容加 热循环λ 不影响η t，混合加热循环随 λ 增大η t 将提高。 4. 预膨胀比ρ ：定容加热循环ρ =1，定压加热 循环和混合加热循环随ρ 增大η t将下降。
四、理论循环的比较
1、循环总加热量和压缩比相同时 定容加热循环热效率＞混合加热循环热效 率＞定压加热循环热效率 2、缸内最高压力受限制时 定压加热循环热效率＞混合加热循环热效 率＞定容加热循环热效率
pmi Wi Vs
Wi p mi Vs p mi

D 2
4
S 103
pmi是衡量实际循环动力性能的一个重要指 标 pmi（MPa） 汽油机 柴油机 0.8-1.5 0.7-1.1
以一个假想的、大 小不变的压力作用 在活塞上，使活塞 移动一个行程，其 所做的功等于循环 功，则此假想的压 力即为平均指示压 力 pmi
后。欧3（2000年）改为启动后即取样。

噪声（属于环境指标）



按产生机理分：流体噪声、机械噪声、电磁 噪声、燃烧噪声 危害：刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝 交通运输噪声是现代城市的主要噪声源，约 占城市噪声的75%，而其中发动机又是汽车 的主要噪声源。包含流体噪声、机械噪声和 燃烧噪声。
第五节 机械损失
e
、 bi 、be的大致范围
bi be [g/(kW· h )] [g/(kW· h)] 205-320 170-205 270-325 190-285
η
t
η
i
η
e
汽油机 0.54-0.58 0.3-0.4 0.25-0.3 柴油机 0.64-0.67 0.4-0.5 0.3-0.45
升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围 PL me pmeCm m／s ） （kW／L） （kg／kW） （MPa· 汽油机 汽车柴油机 30-70 18-30 1.1-4.0 2.5-9.0 8-17 6-11
总热量—机械功—指示功（循环功）—有效功
第二节 内燃机的理论循环
定义：内燃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 些因素，所得出的简化循环。 意义：通过对理论循环的研究，可以清楚 地确定影响内燃机性能的某些重要因 素，从而找到提高内燃机性能的基本 途径。
一、卡诺循环与内燃机的动力循环
燃烧
c-z线
上死点附 化学能转变为热 近，进关 能，工质的压力、 温度升高 排关
Baidu Nhomakorabea
膨胀
活塞主动对外做 活塞下行， 功，热能转变为 z-b线 进关排关 机械能，工质的 压力、温度下降 活塞上行， b-r线 进关排开 排出废气
柴：0.2~0.5
汽：0.105~0.115 柴：0.105~0.115
排气
二、 实际循环的评价指标


循环平均压力pt

W pt Vs

pt（kPa）是单位气缸容积所做的循环功， 用来评定循环的做功能力 按工程热力学公式，混合加热循环的平均压 力（推导过程见教材14页）
pa ptm [( 1) K ( 1)] t 1 K 1

K

定容加热循环（ρ =1）的平均压力为
2000.01②
2005.01① 欧洲4 2005.01②

2.30
2.30 2.30
0.12
0.10 0.10
0.15
0.08 0.08
－
－ －
修改 试验规范
①表示欧盟委员会建议；②表示欧盟议会建议。


第一部分（ECE），试验时需运行4个循环，总时间为13min。每循环持 续时间为195s，总里程为4.052km，每循环里程为1.013km，平均车速 为18.7km／h（不包括怠速时为27.01km／h）最高车速为 50km／h，怠 速时间占31％。 第二部分为附加的市区行驶工况（EUDC），总时间为1220s，试验里程 为11.007km，平均速度为32.5km／h（不包括怠速时为42.6km／h）， 最高车速为120k／h，怠速时间占26.2％。取样开始时刻为试验开始40s

根据加热方式不同，发动机有三种基本理论 循环：


等容加热循环（汽油机，混合气燃烧迅速） 定压加热循环（高增压和低速大型柴油机，受燃 烧最高压力的限制 ） 混合加热循环 （高速柴油机 ）
三、理论循环的评价

循环热效率η

t

定义：工质所做循环功W（J）与循环加热量Q1（J） 之比 意义：评定循环经济性 定义：单位气缸容积所做的循环功， 用来评定循环的 做功能力 意义：评定循环动力性（做功能力）
第三节 内燃机实际循环及其评价指标
一、实际循环 实际循环通常用气缸内的工质压力p随气 缸工作容积V（或曲轴转角φ ）而变化的 图形表示，即示功图p－V图，p－φ 图称 为展开示功图。p－V图上曲线所包围的 面积（积分）表示工质完成一个实际循 环所做的有用功。 发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、 膨胀和排气五个过程（四个行程）所组 成。
1、进气行程
进气流损失； 进气道、汽缸壁、进气门等加热作用
2、压缩行程
作用略
3、做功行程
包括燃烧过程和膨胀过程
4、排气行程
排气流动损失
过程 进气
示功图 过程描述
作用
终点压力P(MPa) 终点温度T(K) （P0=0.1015MPa） 汽：0.075~0.08 柴：0.08~0.09 汽：370~400 柴：300~340