第一章發(fā)動機工作循環(huán)及性能指標

m.opal-gifts.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：panzhihao 類別：汽車構(gòu)造維修時間：2007-09-05

§1-2 發(fā)動機實際循環(huán)

發(fā)動機理想循環(huán)加上各項損失后，

即可分析發(fā)動機的實際循環(huán)。

一工質(zhì)改變損失

（一）工質(zhì)性質(zhì)

理論上: 理想氣體，雙原子氣體。

實際上: 燃燒前: 燃料+空氣；

燃燒后: 燃燒產(chǎn)物。

（二）比熱

理論上: 定比熱

實際上: 溫度T ® 比熱C

（三）高溫分解

例 C + O ® CO + 熱量 [+ O] ® CO2 + 熱量

其中 CO 為中間產(chǎn)物，CO2 為最終產(chǎn)物。若遇高溫，則會發(fā)生復分解反

應(yīng)，即高溫分解:

CO2 ® CO + O - 熱量

這部分熱量雖然在膨脹過程中還可能會釋放出來，但由于活塞已接近下止

點，做功效果變差，熱效率下降。

二傳熱、流動損失

（一）傳熱損失

理論上: 壓縮、膨脹過程為絕熱過程。

實際上: 大量熱量通過汽缸壁傳給冷卻水或空氣。

傳熱損失是發(fā)動機中的最大損失，占總損失量的30%以上。因此，許多研

究者致力于開發(fā)絕熱發(fā)動機。

（二）流動損失

理論上: 閉口系統(tǒng)，沒有氣體流動損失。

實際上: 進、排氣節(jié)流沿程損失，缸內(nèi)進氣、擠壓、燃燒渦流損失。

三換氣損失

理論上: 忽略進、排氣過程。

實際上: 進、排氣門提前開啟，遲后關(guān)閉。而且有流動阻力。

換氣損失中逆向循環(huán)所包圍的面積為泵氣損失。泵氣損失包含在換氣損失

之中。

四時間損失

理論上: 定容加熱瞬間完成，定壓加熱速度與活塞運行速度密切配合。

實際上: 燃燒需要時間。

五補燃損失

理論上: 加熱瞬間停止，膨脹過程無加熱。

實際上: 雖然大部分（80%以上）燃料在燃燒過程中燃燒掉，但仍有小部分燃

料會拖到膨脹線上才燃燒，做功效果變差，熱效率下降。

六泄漏損失

理論上: 閉口系統(tǒng)，無泄漏。

實際上: 活塞氣環(huán)不會100%嚴密密封，總會有些氣體竄到曲軸箱中，造

成損失。

§1-3 熱平衡

總熱量: QT = GT hu 分別轉(zhuǎn)化為

一有效功的熱量 QE

[ kJ/h ] （ 1 kw/h = kJ ）

只有這部分熱量做了功，是有用的，所以希望越大越好。一般

柴油機: 30～40% ；汽油機: 20～30%。

令

二傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量 QS

其中Gs－發(fā)動機冷卻介質(zhì)的每小時流量 [ kg/h ]

cs－冷卻介質(zhì)比熱 [ kJ/kg·℃ ]

t1 ，t2 －冷卻介質(zhì)的進、出口溫度 [℃]

三廢氣帶走的熱量Qr

其中Gr－燃料量 [ kg/h ]

Gk－空氣量 [ kg/h ]

cpr－廢氣比熱 [ kJ/kg·℃ ]

cp－空氣比熱 [ kJ/kg·℃ ]

t1 ，t2 －進、排氣溫度 [℃]

四燃料不完全燃燒的熱損失QB

其中hr－燃料效率

五其它熱量損失QL

發(fā)動機熱平衡方程式:

§1-4 指示指標

p-V圖 p-φ圖

發(fā)動機性能指標: 指示指標，有效指標

指示指標: 以工質(zhì)在汽缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)，評價工作循環(huán)的質(zhì)量。

有效指標: 以曲軸上得到的凈功率為基礎(chǔ)，評價整機性能。

示功圖: 發(fā)動機缸內(nèi)壓力p隨汽缸容積V （p-V圖）或曲軸轉(zhuǎn)角f （p-f圖）變化的圖示。

一指示功和平均指示壓力

（一）指示功

一個循環(huán)工質(zhì)對活塞所做的有用功。

應(yīng)該：非增壓：增壓：

因為: 不容易測量, 實際將歸到機械損失中考慮。

所以:

其中－橫、縱座標比例尺

指示功大，說明 ○汽缸工作容積大 ○熱功轉(zhuǎn)換有效程度大。為突出后

者，比較不同大小發(fā)動機的熱功轉(zhuǎn)換有效程度，引入平均有效壓力的概念。

（二）平均指示壓力

單位汽缸工作容積所做的指示功。

（假想?yún)?shù)）

其中－每缸工作容積。

686～981 [ kpa ]

784～1180 [ kpa ]

二指示功率

單位時間所做的指示功。

若: 缸數(shù)i，每缸工作容積V [ m ]，沖程數(shù) t，平均指示壓力 p [ p ]，

轉(zhuǎn)速 n [ r/min ]。則

[ w ]

[ kw ]

若: 每缸工作容積V [ L ]，平均指示壓力 p [ bar ]。則

[ kw ]

三指示比油耗和指示熱效率

（一）指示比油耗

單位指示功率的耗油量。

[ g/kw·h ]

－每小時耗油量 [ kg/h ]

（二）指示熱效率

－做指示功所消耗的熱量。

－燃料的低熱值。

0.43～0.50 =170～200 [ g/kw·h ]

0.25～0.40 =230～340 [ g/kw·h ]

§1-5 有效指標

一有效功率和機械損失功率

（一）有效功率

單位時間所做的有效功。

[ kw ]

其中－平均有效壓力。

（二）機械損失功率

發(fā)動機內(nèi)部損耗的功率。

機械損失包括: 發(fā)動機內(nèi)部摩擦損失；驅(qū)動附件損耗，如: 機油泵、燃油泵、

掃氣泵、冷卻水泵、風扇、配氣機構(gòu)；和泵氣損失等。

[ kw ]

其中－平均機械損失壓力。

二有效扭矩

功率輸出軸輸出的扭矩。

[ w ]

[ kw ]

三平均有效壓力

單位汽缸工作容積所做的有效功。

由于 [ kw ]

[ kw ]

所以

[ kpa ]

588～883 [ kpa ] 588～981 [ kpa ]

四升功率和比重量

（一）升功率

單位汽缸工作容積所發(fā)出的功率。

[ kw/l ]

（二）比重量

發(fā)動機凈重量G與所發(fā)出有效功率的比值。

[ kg/kw ]

， ¯ ® 發(fā)動機強化程度高。

11～26 [ kw/l ] 4～9 [ kg/kw ]

9～15 [ kw/l ] 5.5～16 [ kg/kw ]

22～55 [kw/l ] 1.35～4 [ kg/kw ]

可見，汽油機的強化程度要比柴油機的高。

五有效比油耗和有效熱效率

（一）有效比油耗

單位有效功率的耗油量。

[ g/kw·h ]

－每小時耗油量 [ kg/h ]

（二）有效熱效率

－做有效功所消耗的熱量。

0.30～0.40 =218～285 [ g/kw·h ]

0.20～0.30 =285～380 [ g/kw·h ]

由此可見，柴油機的熱效率比汽油機的高，經(jīng)濟性比汽油機好。

§1-6 機械損失

一機械效率

對于不同類型的發(fā)動機，絕對損失大的，其相對損失卻不一定也大。必須有

一個衡量標準，故引進機械效率的概念。

有效功率與指示功率的比值。

性能好，所以應(yīng)盡量提高。

0.7～0.85 0.7～0.9

二機械損失的測定

（一）倒拖法－只能在電力測功機上試驗

在壓縮比不很高的汽油機上得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)動機與電力測功機相連。起動發(fā)動機，冷卻水溫度、機油溫度達正常值。然后使發(fā)動機在給定工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。切斷發(fā)動機的供油（）。

將電力測功機轉(zhuǎn)換為電動機使用，在給定轉(zhuǎn)速下倒拖發(fā)動機，并維持冷卻水溫度和機油溫度不變。由于此時，因此從電力測功機上所測得的倒拖功率即為發(fā)動機在該工況下的機械損失功率。

（二）滅缸法－僅適用于多缸機

當發(fā)動機調(diào)整到以給定工況穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后，先測出整個發(fā)動機的有效功率。之后，在柴油機油門拉桿或齒條位置、或汽油機節(jié)氣門開度固定不動的情況下，停止向某一汽缸供油或點火。調(diào)整測功機，使發(fā)動機恢復到原來的轉(zhuǎn)速，重新測定有效功率（其余五個汽缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），兩者之差即為滅掉缸的指示功率。因為。逐次滅缸，則整臺發(fā)動機的指示功率為，其中x為總缸數(shù)。

如果各缸負荷均勻，則僅測一個缸，即滅火一次即可，。這樣，整個發(fā)動機的機械損失功率為，機械效率為。

其它還有示功圖法，油耗線法等。

三影響機械效率的因素

(一) 轉(zhuǎn)速

其中－活塞平均運行速度。

與幾乎呈直線關(guān)系。與n似呈二次方關(guān)系。

n ® □ 慣性力 ® 活塞對缸壁的側(cè)壓力 ® 軸承負荷

□ 各摩擦副相對速度 ® 摩擦損失

□ 泵氣損失，驅(qū)動附件損耗

® ® ¯

若要提高轉(zhuǎn)速來強化發(fā)動機，則將成為主要障礙之一。

（二）負荷

發(fā)動機的負荷 □ 柴油機: 油門拉桿或齒條位置

□ 汽油機: 節(jié)氣門開度

轉(zhuǎn)速n一定，負荷¯ 時，發(fā)動機燃燒劇烈程度¯，平均指示壓力 ¯；而由于轉(zhuǎn)速不變，平均機械損失壓力基本保持不變。則，機械效率下降。

當發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)時，有效功率，指示功率全部用來克服機械損失功率。即，因此，。

由于車用柴油機普遍在高轉(zhuǎn)速、較低負荷下工作，機械效率下降嚴重。因此，機械效率對于車用柴油機尤為重要。

（三）潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度

潤滑油粘度影響潤滑效果

潤滑油溫度影響潤滑油粘度

冷卻水溫度影響潤滑油溫度

即冷卻水、潤滑油溫度通過潤滑油粘度間接影響潤滑效果。

1 潤滑油粘度（牌號） ¯；冷卻水溫度 ® 潤滑油溫度 ® 潤滑油粘度¯

® 潤滑效果 ® 摩擦¯ ® ¯ ®

2 潤滑油粘度（牌號） ¯¯；冷卻水溫度 ® 潤滑油溫度 ® 潤滑油粘度¯¯

油膜破裂趨勢 ® 摩擦 ® ® ¯¯

3 潤滑油中雜質(zhì) ® 摩擦 ® ® ¯

要求: 定期保養(yǎng)、清洗機油濾清器， 5000～10000公里換機油。

§1-7 燃燒熱化學

一燃料的完全燃燒

（一）理論空氣量

1 目的: 1 kg燃料完全燃燒所需要的空氣量

2 已知條件: 1 kg燃料中所含 kg 碳， kg 氫氣， kg氧氣

汽油: [ kg/kg ]， [ kg/kg ]， [ kg/kg ]

柴油: [ kg/kg ]， [ kgkg ]， [ kg/kg ]

3 化學反應(yīng)方程式

4 需要總的量

1 kmol 1 kmol 1 kmol 1 kmol kmol 1 kmol

1 kg kmol kmol 1 kg kmol kmol

kg kmol kmol kg kmol kmol

5 燃料中所含的量

[ kg ] = [ kmol ]

6 所需空氣中的量 = 總的量－燃料中所含的量

7 所需空氣量（目的）

（1） kmol

空氣中氧氣成分約占21%，所以

[ kmol/kg ]

（2） kg

空氣的折合分子量為28.95，即 1 kmol 空氣 = 28.95 kg 空氣，所以

[ kg/kg ]

（3）

1 kmol 空氣 = 22.4 空氣，所以

[ /kg ]

（二）過量空氣系數(shù)和空燃比

1 過量空氣系數(shù) a

表示混合氣的濃稀程度。a 大 ® 混合氣�。籥小 ® 混合氣濃

一般，柴油機: a > 1；汽油機: a £ 1。

2 空燃比 A/F

表示混合氣的濃稀程度。A/F 大 ® 混合氣��；A/F 小 ® 混合氣濃

（三）分子變更系數(shù)

1 理論分子變更系數(shù)

® 容積變化大 ® 膨脹做功好 ®

（1）完全燃燒:

（2）不完全燃燒:

2 實際分子變更系數(shù)

其中－1 kg 燃料燃燒后殘余廢氣的摩爾數(shù)。－殘余廢氣系數(shù)。

二燃料的不完全燃燒

（一） a £ 1－汽油機

1 假設(shè)燃料中的C 燃燒全部生成了和。其中是中間產(chǎn)物，即不完

全燃燒產(chǎn)物。是最終產(chǎn)物，即完全燃燒產(chǎn)物。

2 化學反應(yīng)方程式

3 需要總的量

kg kmol kmol kg kmol kmol

kg kmol kmol

4 燃料中所含的量

[ kg ] = [ kmol ]

5 空氣中的量 = 總的量－燃料中所含的量

所以

6 分析

（1）當時，a = 1，

（2）a¯ ®

（3）a¯ ® 使時

，C全部生成CO。此時的過量空氣系數(shù)稱為臨界a值。記為。

所以

（4）a¯¯ ®

此時理論上，析出炭粒。

一般柴油機的 0.6～0.72。

（二） a > 1－柴油機

混合氣混合不均勻，局部過濃或過稀，造成燃燒不完全。缸內(nèi)情況十分復雜。

三燃料和可燃混合氣的熱值

（一）燃料的熱值

1 kg 燃料完全燃燒所產(chǎn)生的熱量 [ kJ ]。

加入水的汽化潛熱的熱值－高熱值

不加入水的汽化潛熱的熱值－低熱值

發(fā)動機缸內(nèi)高溫，水只能以氣態(tài)存在，故應(yīng)取不加入水的汽化潛熱的熱值，

即低熱值。

汽油: 44100 [ kJ/kg ]；柴油: 42500 [ kJ/kg ]

（二）可燃混合氣的熱值

[ kJ/kmol ]

§1-8 發(fā)動機混合氣的著火和燃燒方式 p

一混合氣的著火

（一）柴油機－低溫多級自燃

1 階段－混合階段

在壓縮過程終了時，燃料噴入汽缸內(nèi)形成

可燃混合氣。燃料遇到溫度較高的空氣，開始

氧化，但速度緩慢，示功圖上的壓縮線沒有明

顯的變化�；旌想A段，為著火做準備。

2 階段－第一級反應(yīng)

燃燒的實質(zhì)是燃料的氧化反應(yīng)，當反應(yīng)速

度很快時，火焰就會出現(xiàn)。經(jīng)過時間后，反

應(yīng)加劇，出現(xiàn)冷火焰，缸內(nèi)壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應(yīng)生成醛類、過氧化物和一氧化碳等中間產(chǎn)物。要求混合氣較濃，a = 0.4～0.5。

3 階段－第二級反應(yīng)

溫度、壓力升高較大，產(chǎn)生許多化學反應(yīng)的活性中心，出現(xiàn)藍火焰�；旌蠚庀〉枚�，a略小于1。

4 時間后－第三級反應(yīng)

活性中心劇增，化學反應(yīng)加速，熱積累劇烈，發(fā)生爆炸，出現(xiàn)熱火焰�；旌蠚飧�，a » 1。

－著火延遲期

（二）汽油機－高溫單級點燃

1 壓縮的是燃料與空氣的混合氣體, 在此過程中, 已經(jīng)進行了一些化學反應(yīng)。

2 火花點火, 局部溫度高達20000℃以上, 該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基, 迅速反應(yīng)出現(xiàn)熱火焰, 瞬間擴大到整個燃燒室內(nèi)。所以, 汽油機著火過程：

壓縮混合氣 ® 點火（經(jīng)短暫著火延遲期） ® 熱火焰

三燃燒方式

（一）同時爆炸燃燒

取某一部分為系統(tǒng), 著火前后整個系統(tǒng)各個部分的相完全均勻一致。即相只隨 t（時間）座標變化, 而不隨 x （位移）座標變化, 為單相系, 均勻系。

柴油機上, 由于混合氣分配不是十分均勻, 總有某一部分混合氣最先著火（一般在噴油嘴附近）, 取這一部分為系統(tǒng), 則系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)的就是同時爆炸燃燒。

汽油機上, 由于火焰有傳播速度（雖然很快, 但相對同時爆炸燃燒卻很小）, 傳播逐次進行, 故顯然不是同時爆炸燃燒。但火花塞間隙處的少量混合氣在電火花作用下, 可實現(xiàn)同時爆炸燃燒，從而形成火焰中心。

（二）逐漸爆炸燃燒

汽油機－火焰?zhèn)鞑�。兩相系－混合氣�?（未燃區(qū)），燃燒產(chǎn)物相（已燃區(qū)）。

加熱從火花塞開始，緊靠火花塞的那一部分混合氣首先被加熱, 使氧化或活性中心增多, 發(fā)生燃燒。燃燒又加熱下一層……, 一層一層傳播。燃燒主要在火焰前鋒面內(nèi)進行。火焰前鋒面前方的未燃區(qū)中是混合氣，火焰前鋒面后方的已燃區(qū)中為燃燒產(chǎn)物和一小部分在火焰前鋒面中沒有燃燒掉的燃料繼續(xù)燃燒。

（三）擴散燃燒

柴油機的燃燒方式, 三相－燃料相, 空氣相, 燃燒產(chǎn)物相。

柴油燃點比汽油低, 但在日常生活中汽油卻比柴油易燃, 原因就在于汽油的揮發(fā)性好, 油與空氣形成混合氣較快, 物理準備過程已經(jīng)就緒, 一點即燃。柴油機中燃燒的快慢卻主要取決于物理準備過程進行的快慢。油滴遇熱蒸發(fā)形成燃料蒸汽, 然后才能燃燒, 并非油滴與空氣接觸就可燃燒。為防止燃燒產(chǎn)物將油滴與空氣隔開, 將組織空氣相對于油滴的氣流運動, 將燃燒產(chǎn)物拋在后面。