内燃机学

第二章内燃机的工作指标内燃机的工作指标很多，主要有动力性能指标（功率、转矩、转速）、经济性能指标（燃料与润滑油消耗率）、运转性能指标（冷起动性能、噪声和排气品质）和耐久可靠性指标（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）。本章主要研究表征动力性能指标和经济性能指标的各种参数及其相互关系，对排放性能指标也作较详细介绍，其他运转性能指标和耐久可靠性指标对内燃机来说有其不可忽视的重要性，它们将在本书的其他各章中分析讨论。第一节示功图与指示性能指标一、示功图燃料燃烧产生的热量是通过气缸内所进行的工作循环转化为机械功的，即气缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上，通过曲柄连杆机构，在克服了内燃机内部各项损耗后，对外做功。因此，要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对内燃机的一个工作循环中热功转换的质和量两方面加以分析。内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，为获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，通常利用不同形式的示功器或内燃机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，所得的结果即为p-V示功图或p-ϕ示功图。p-V图或p-ϕ图两者可以互相转换。图2-1所示为四冲程内燃机的p-ϕ图，图2-2a和图2-2b分别为四冲程压燃式和点燃式内燃机的实际循环p-V图。由进排气过程组成的发动机换气过程示功图中，由于气缸压力低，需用放大的压力标尺记录出p-ϕ或p-V图（见第四章），也称为低压示功图。曲轴转角ϕ/（º）（CA）图2-1四冲程内燃机的p-ϕ图由示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段（压缩、燃烧、膨胀）以及进气、排气行程中的压力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们与所积累的试验数据进行分析比较，可以对整个过程或工作过程的不同阶段进展的完善程度作出判断。因此，示功图是研究内燃机工作过程的一个重要依据。图2-2四冲程压燃式和点燃式内燃机实际循环p-V图二、指示性能指标内燃机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为基础的指标。（一）指示功和平均指标压力指标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在积求得，图2-3所示为四冲程非增压和增压发动机以及二冲程发动机的示功图。图2-3发动机的p-V图a)四冲程非增压发动机b)四冲程增压发动机c)二冲程发动机如图2-3a所示为四冲程非增压发动机的指示功面积Fi，它是由于相当于压缩、燃烧、膨胀行程中所得到的有用功面积F1和相当于进气、排气行程中消耗的功的面积F2（即泵气损失）相减而成，即Fi=F1-F2。在四冲程增压发动机中（图2-3b），由于进行压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，因此，换气功的面积F2应与面积F1叠加起来，即Fi=F1+F2。在二冲程发动机中（图2-3c），只有一块示功图面积Fi，它表示了指示功的大小。Fi可用燃烧分析仪通过采集缸内示功图计算求得，然后用下式算出Wi（N·m或J）值。610abFWii=（2-1）式中，Fi为示功图面积（cm2）；为示功图纵坐标比例尺（Pa/cm）；b为示功图横坐标比例尺（cma3/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。为了能更清楚地对不同工作容积发动机工作循环的热力转换有效程度作比较，引出了平均指示压力（用表示）的概念。所谓平均指示压力（Pa），是指单位气缸容积一个循环所做的指示功，即mipsimiVWp=（2-2）式中，Wi为发动机一个工作循环指示功（J）；为发动机气缸工作容积（msV3）.若用L为单位，WsVi用kJ为单位，则（MPa）为mipsimiVWp=式（2-2）也可写成，其中D和S分别是为气缸直径和活塞行程由此可以引出平均指示压力的第二概念，即平均指示压力是一个假想的平均不变的压力，以这个压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个行程S所做的功，即为循环的指示功WSDpVpWmismii)4/(2π==i。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，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。mip一般内燃机在标定工况下的值在下列范围内：mip柴油机四冲程自然吸气柴油机0.6~0.95MPa四冲程增压柴油机0.85~2.6MPa二冲程柴油机0.5~1.3MPa汽油机四冲程摩托车用汽油机0.8~1.3MPa四冲程小客车用汽油机0.8~1.43MPa四冲程载货车用汽油机0.7~0.85MPa二冲程小型风冷汽油机0.4~0.7MPa（二）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。若一台内燃机的气缸数为i，每缸的工作容积为Vs(m3)，平均指标压力为（N/mmip2），转速为n(r/s)，根据mip的定义，第循环气体所作的指示功（J）为smiiVpW=具有个气缸的发动机每秒所作的指示功率（W）为iinVpPsmiiτ2=（2-3）式中，τ为冲程数，对四冲程内燃机：4=τ；对二冲程内燃机：2=τ。在实际应用时，一般采用（MPa）,Vmips(L),(r/min),(kW)代入可得niPτ601010210363niVpPsmii×=τ30niVpPsmii=（2-4）对四冲程发动机120niVpPsmii=对二冲程发动机60niVpPsmii=（三）指示热效效率和指示燃油消耗率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，即1QWiit=η（2-5）式中，itη为指示热效率；Q1为得到指示功Wi所消耗的热量（J）对于一台发动机，当测得其指示功率Pi(kW)和每小时燃油消耗量B（kg/h）时，根据itη的一义，可得uiitBHP3106.3×=η（2-6）式中，为所用燃料的低热值（kJ/kg）。uH指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油量，通常用单位千瓦小时指示功的耗油量克数[g/(kW·h)]来表示。310iiPBb=（2-7）因此，表示实际循环的经济性指标itη和bi之间存在着以下关系，即iuitbH6106.3×=η（2-8）一般内燃机的itη和bi的统计范围如下：itη1)(/−⋅hkWgbi四冲程柴油机0.41~0.50170~210二冲程柴油机0.40~0.50170~215四冲程柴油机0.25~0.40215~340二冲程柴油机0.20~0.28300~430从统计范围可以看出：柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。第二节有效性能指标一、机械效率和有效功率上面所讨论的指示性能指标只能评定工作循环进行的好坏，发动机发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动风扇、机油泵、燃油泵、发电机等附件年消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，所有这些消耗功率的总和称为机械损失功率，从而有效功率为mPmiePPP−=（2-9）有效功率与指示功率之比机械效率，即iemPP=η（2-10）内燃机的有效功率eP（kW）可以利用各种形式的测力器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩及在同一工况下的发动机转速n,按以下公式求得tqT9550106023nTnTPtqtqe=×=−π（2-11）式中，为发动机输出转矩（N·m）tqT二、平均有效压力、有效功率和升功率与平均指示压力相似，平均有效压力可看作是一个假想的、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。平均有效压力是衡量发动机动性能的一个重要参数。按照上述定义，可以用式（2-4）所表示的Pi和Pmi之间的关系，写出Pe(kW)和Pme（MPa）的关系式，即τ30niVPPseme=（2-12）niVPPsemeτ30=（2-13）应用式（2-11）和式（2-12）的恒等关系，可得τiVpTsmetq3.318=（2-14）因此，对于一定气缸总工作容积（即）的发动机，平均有效压力PsiVme值反映了发动机输出转矩的大小，即tqTemtqpT∞也就是说，反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。mep升功率PL（kW/L）的定义是在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。seLiVPP=（2-15）式中，Pe为发动机的标定功率（kW）；i为气缸数；VS为气缸工作容积（L）。从式（2-12）可得τ30npPmeL=（2-16）式中，为标定工况下的平均有效压力（MPa）;n为标定转速（r/min）。mep可见，升功率PL是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积的利用率作出的总评价，它与和n的乘积成正比。PmepL值越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断提高和n的水平以获得更强化、更轻巧和紧凑的发动机，一直是内燃机工作者致力以求的奋斗目标，因而PmepL是评定一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。目前内燃机的和PmepL值一般在下列范围内：Pme/MPaPL/kW·L-1农用柴油机0.5~0.78~15汽车用柴油机0.7~120~45强化高速柴油机1~2.920~45固定船用中速柴油机0.6~2.54~8四冲程摩托车用汽油机0.78~1.250~70四冲程小客车用汽油机0.65~1.2540~65四冲程载货汽车用汽油机0.6~0.725~50二冲程小型风冷汽油机0.4~0.6520~75我国2002年生产的部分内燃机产品的性能参数见表2-1，表2-2列出了国外生产的2003年被评为世界十大最佳车用发动机的性能参数与结构特点。三、由吸入空气量计算平均有效压力根据每循环吸入的空气量计算平均有效压力，可以导出平均有效压力与一些热力学参数之间的关系，从而明确提高平均有效压力的技术措施。在推导前，先给出两个重要定义。（一）充量系数cφ。若把每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状态（）的体积VssTp,1，其值一般要比活塞排量Vs小，两者的比值定义为充量系数cφ，即sshshcVVnnmm111===φ式中，、、分别为实际进入气缸的新鲜空气的质量、物质的量（mol）、在进气管状态（）下所占有的体积；、、分别在进气管状下能充满气缸工作容积的空气质量、物质的量及气缸工作容积。1m1n1VssTp,shmshnsV充量系数cφ是表征实际换气过程进行完善程度的一个极为重要的参数（详见第四章）。（二）过量空气系数aφ燃烧1kg燃料的实际空气量与理论空气之比称为过量空气系数aφ，即01lgmba=φ（2-17）式中，为每循环燃料供给量（kg）；为单位质量燃料完全燃烧所需的理论空气质量，称为化学计量空燃比。柴油bg0l8.14,3.1400≈≈ll汽油。对柴油机来说，aφ总是大于1，以保证喷入气缸的柴油机能完全燃烧。柴油机在吸入气缸的空气量一定的情况下，aφ小意味着可以向气缸多喷油，吸入气缸的空气的利用率高，发出的功率大。因此，aφ是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标，应力求减小aφ。减小aφ在小型高速柴油机中主要受燃烧完善程度的限制，在大型及增压柴油机中主要受热负荷的限制。柴油机在全负荷时aφ的一般数值范围为：高速柴油机aφ=1.2~1.5增压柴油机aφ=1.7~2.2表2-1我国2002年生产的部分内燃机产品的性能参数表发动机形式制造商冲程τ缸数i缸径D/mm行程S/mm有效功率PE/kW转速n/r·min-1Pme/MPa升功率PL/kW·L-1单缸柴油机风冷单缸柴油机单缸柴油机风冷单缸柴油机单缸柴油机单缸柴油机单缸柴油机单缸柴油机单缸柴油机单缸柴油机多缸柴油机丹阳丹柴动力有限公司武进五菱柴油机有限公司常柴金坛柴油机有限公司安徽全柴动力股份有限公司常柴股份有限公司安徽全柴动力股份公司常柴股份有限公司武进五菱柴油机有限公司云南金马柴油机总厂山东华源莱动内燃机有限责任有限公司扬州柴油机有限责任公司444444444441111111111460707075809510010011085936070758090801151151151159