内燃机原理内燃机的工作指标与性能

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。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。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。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。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。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。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曲轴转角或活塞位置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。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。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pdvWi（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；后，可根据下式计算指示功：)(106JabFWii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。四、空燃比和过量空气系数量量燃油质空气质/FA质量燃料所需要的理论空气完全燃烧质量燃料所实际供给的空气燃烧kgkg11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。一、平均指示压力pi1、定义2、分析3、标定工况下的pi值4、影响pi的主要因素、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143)(103MPaVWpsii式中，Wi－指示功，kJ；Vs－气缸工作容积，m3。、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；如：piWi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。、标定工况下的pi值类型pi（MPa）非增压汽油机0.4～1.2增压汽油机0.9～1.5非增压四冲程柴油机0.75～1.2增压四冲程柴油机1.2～3.0非增压二冲程柴油机0.5～0.9增压二冲程柴油机1.0～2.2煤气机0.6～1.4、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）燃烧完善的程度二、指示功率Ni1、定义2、影响Ni的主要因素3、提高Ni的有效途径、定义指示功率－内燃机单位时间作用于活塞上的指示功，即153)(1032/601023kWZniVpZniVpNsisii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。返回、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：)213)((301'0kWnLHZiVNsivusi式中，Hu－燃料的低热值，kJ；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。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。、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。三、指示热效率ηi与指示油耗率gi1、指示热效率ηi2、指示油耗率gi3、影响ηi的主要因素、指示热效率ηi指示热效率－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)243(287.001svuisufcyciiipHpTLHmWQW式中，Q1－得到指示功Wi所消耗的热量；mfcyc－每一工作循环向气缸内喷入的燃油量；L0－燃烧1kg燃料所需要的理论空气量，kmol；Ts－进气温度；ps－进气压力。返回说明：（1）评价工作循环的经济性参数；（2）衡量热能转换成指示功有效程度的一个尺度。、指示油耗率gi指示油耗率－内燃机每小时发出1kW指示功率时所消耗的燃料量，即)253))(/((103600)253))(/((1033bhkWgHgahkWgNmguiiifi返回将式（3-24）代入（3-25b），可得指示油耗率计算式：)263))(/((10254.1103600073hkWgpTLpHgissvuii返回说明：（1）ηi高则gi小，反之，ηi低则gi大；（2）可由实测示功图求出Ni，并测出每小时的耗油量mf，由式（3-25a）求出gi，再由式（3-25b）求出ηi。)253))(/((103600)253))(/((1033bhkWgHgahkWgNmguiiifi、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。克服机械摩擦、流体阻力驱动辅助设备机械效率－内燃机提供的有效功率与指示功率之比，即)273(1imimiiemNNNNNNN说明：1）衡量内燃机机械损失的重要指标；2）研究机械损失，寻求提高机械效率的途径；3）现代内燃机的机械效率P45。（一）摩擦损失功率Nmf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％。采取措施减少摩擦损失是提高内燃机有效功率的重要途径：降低最高爆发压力；提高加工精度；减轻重量；降低活塞平均速度；保证良好润滑性能等。（二）泵气损失功率Np泵气功－四冲程内燃机在进气行程和排气行程中，气体对活塞做功的代数和。泵气损失功率－非增压四冲程内燃机在换气过程中消耗的功率。说明：在增压四冲程内燃机中，泵气功率是正值，应从机械损失功率中除去。在二冲程内燃机中，没有单独的进排气行程，所以泵气功率为零。习惯将泵气损失功率作为机械损失功率的一部分加以考虑。（三）辅助机械损失功率Nau辅助机械损失功率－内燃机曲轴驱动冷却水泵、风扇、机油泵、燃油泵等而消耗的功率。说明：（1）机油泵和冷却水泵消耗的功率较大；（2）二冲程柴油机的扫气泵和机械增压内燃机的压气机也消耗相当数量的驱动功率；（3）辅助机械损失功率随转速的增加而增加。（四）流体的摩擦损失功率Nk流体的摩擦损失功率－连杆、曲轴在曲轴箱内高速运转时，克服油雾阻力和曲轴箱通风等而消耗的功率。（五）平均机械损失压力pm平均机械损失压力－表示内燃机单位气缸工作容积在一个循环中损失的功，即)(10303kPainVZNpsmm二、机械损失功率的测定目前，常用的测量方法主要有倒拖法、灭缸法、油耗线和示功图法。这些方法只能近似地求出其数值，并各有其局限性与不足之处。(一)倒拖法（1）内燃机与电力测功器连接，（2）在给定工况下稳定运行，（3）先测定Ne，求出pe。（4）切断供油，以原转速倒拖内燃机空转，（5）倒拖功率，即为机械损失功率Nm，（6）求出pm，（7）根据pe+pm=pi，求出pi值。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）首先，测定在给定况下内燃机的有效功率Ne。)283('xeexiNNN如此，各缸依次顺序断油，求出各缸的指示功率，其总和就是整机的指示功率Ni，即)293(1'xixeeiNNN然后，停止向某一气缸供油或点火，测量这缸停止工作后的有效功率Ne′，即说明：（1）造成倒拖法测量误差的原因，在灭缸法中同样存在；（2）灭缸法不适用于排气涡轮增压内燃机；（3）灭缸法不适用于单缸机。（三）油耗线法（负荷特性法）根据内燃机负荷特性试验所取得的数据，绘出每单位时间的整机油耗量与有效功率或平均有效压力的关系曲线。从坐标零点到交点的长度，即近似地代表Nm或pm。说明：（1）油耗线不完全是直线是油耗线法的弱点；（2）油耗线法对单缸、多缸、增压、非增压内燃机都适用。