內燃機原理匯編

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1、內燃機原理匯編內燃機原理匯編第第2 2章章 內燃機的工作指標內燃機的工作指標動力性能指標動力性能指標l l功率、轉矩、轉速功率、轉矩、轉速經濟性能指標經濟性能指標l l燃料與潤滑油消耗率燃料與潤滑油消耗率運轉性能指標運轉性能指標l l冷起動性能、噪聲和排氣品質冷起動性能、噪聲和排氣品質耐久可靠性指標耐久可靠性指標l l大修或更換零件之間的最長運行大修或更換零件之間的最長運行時間與無故障長期工作能力時間與無故障長期工作能力l l燃料燃燒產生的熱量是通過氣缸燃料燃燒產生的熱量是通過氣缸內所進行的工作循環轉化為機械內所進行的工作循環轉化為機械能的,即氣缸中工質的燃燒壓力能的,即氣缸中工質的燃燒壓力作

2、用在活塞頂上,通過曲柄連桿作用在活塞頂上,通過曲柄連桿機構,在克服了內燃機內部各種機構,在克服了內燃機內部各種損耗后,對外做功。損耗后,對外做功。l l因此,要研究內燃機的動力性能因此,要研究內燃機的動力性能和經濟性能,應首先對內燃機一和經濟性能,應首先對內燃機一個工作循環中熱功轉換的質和量個工作循環中熱功轉換的質和量兩方面加以分析。兩方面加以分析。燃料的化學能工質的內能工質的機械能有效功燃燒熱力循環曲柄連桿機構指示性能指標機械效率第1頁/共37頁第2章內燃機的工作指標第1節示功圖與指示性能指標第2節有效性能指標第3節機械損失與機械效率第4節提高內燃機動力性能與經濟性能的途徑第2頁/共37頁第

3、1節示功圖與指示性能指標一、示功圖一、示功圖二、指示性能指標二、指示性能指標第3頁/共37頁一、示功圖pV示功圖或p示功圖l l利用不同型式的利用不同型式的示示功器功器或或內燃機數據內燃機數據采集系統采集系統來觀察或來觀察或記錄相對于不同活記錄相對于不同活塞位置或曲軸轉角塞位置或曲軸轉角時氣缸內工質壓力時氣缸內工質壓力的變化規律的變化規律l lp p V V圖或圖或p p 圖兩者圖兩者可以互相轉換??梢曰ハ噢D換。l l從示功圖可以觀察從示功圖可以觀察到內燃機工作循環到內燃機工作循環的不同階段(壓縮、的不同階段(壓縮、燃燒、膨脹)以及燃燒、膨脹)以及進氣、排氣行程中進氣、排氣行程中的壓力變化的壓

4、力變化l l通過數據處理,運通過數據處理,運用熱力學知識,將用熱力學知識,將它們與所積累的試它們與所積累的試驗數據進行分析比驗數據進行分析比較,可以對整個工較,可以對整個工作過程或工作過程作過程或工作過程的不同階段進展的的不同階段進展的完善程度做出正確完善程度做出正確判斷判斷進氣行程壓縮行程膨脹行程排氣行程下止點上止點下止點1803605407200曲軸轉角/()CA氣缸壓力p/MPaVcVaVsZZbacOp0pVa)VcVaVsZbacOp0pVb)第4頁/共37頁第5頁/共37頁第1節示功圖與指示性能指標一、示功圖一、示功圖二、指示性能指標二、指示性能指標第6頁/共37頁二、指示性能指標

5、內內燃燃機機的的指指示示性性能能指指標標是是指指以以工工質質對對活塞做功為基礎的指標?;钊龉榛A的指標。指指示示功功是是指指氣氣缸缸內內完完成成一一個個工工作作循循環環所得到的有用功所得到的有用功WWi i。l l指指示示功功的的大大小小可可以以由由p p V V圖圖中中閉閉合合曲線所占有的面積求得曲線所占有的面積求得(a)(a)四四沖沖程程非非增增壓壓發發動動機機 F Fi i=F F1 1F F2 2(b)(b)四沖程增壓發動機四沖程增壓發動機 F Fi i=F F1 1+F F2 2(c)(c)二二沖沖程程發發動動機機只只有有一一塊塊示示功功圖圖面積面積F Fi i,它表示了指示功的

6、大小,它表示了指示功的大小 F Fi i可可以以用用求求積積儀儀或或計計算算方方法法求求得得,然后用下式計算然后用下式計算WWi i(N(N mm或或J)J)值值(2(21)1)F Fi i為示功圖面積,為示功圖面積,cmcm2 2 a a為示功圖縱坐標比例尺,為示功圖縱坐標比例尺,Pa/cmPa/cm b b為示功圖橫坐標比例尺,為示功圖橫坐標比例尺,cmcm3 3/cm/cmOVp0b)F1F2p+OVc)F1p0p+OpVp0a)F1F2+-第7頁/共37頁二、指示性能指標平均指示壓力(用平均指示壓力(用p pmimi表示,下表示,下標標mm表示表示“平均平均mean”mean”的意思)

7、的意思)是單位氣缸容積一個循環所做是單位氣缸容積一個循環所做的指示功的指示功(Pa)(Pa)(2(22)2)l l一般在標定工況下一般在標定工況下p pmimi值在下值在下列范圍內列范圍內 四沖程非增壓柴油機四沖程非增壓柴油機0.60.95MPa0.60.95MPa 四沖程增壓柴油機四沖程增壓柴油機0.852.6MPa0.852.6MPa 二沖程柴油機二沖程柴油機0.351.3MPa0.351.3MPa 四沖程摩托車用汽油機四沖程摩托車用汽油機0.91.43MPa0.91.43MPa 四沖程小客車用汽油機四沖程小客車用汽油機0.651.25MPa0.651.25MPa 四沖程載貨車用汽油機四沖

8、程載貨車用汽油機0.60.85MPa0.60.85MPa 二沖程小型風冷汽油機二沖程小型風冷汽油機0.40.85MPa0.40.85MPa內燃機單位時間內所作的指示功內燃機單位時間內所作的指示功稱為指示功率稱為指示功率P Pi i。l l平均指示壓力平均指示壓力p pmimi與指示功率的關與指示功率的關系:系:根據根據p pmimi的定義,每循環所作的的定義,每循環所作的指示功指示功(J)(J)為為WWi i=p pmimiV Vs s得得(2(23)3)為沖程數,四沖程為沖程數,四沖程=4=4;二沖程;二沖程=2=2。在實際應用時,一般采用在實際應用時,一般采用p pmimi(MPa)(MP

9、a),V Vs s(L)(L),n n(r/min)(r/min),P Pi i(kW)(kW)代入可得代入可得(2(24)4)第8頁/共37頁二、指示性能指標指示熱效率指示熱效率 it it是發動機實際循環是發動機實際循環指示功與所消耗的燃料熱量之比,指示功與所消耗的燃料熱量之比,即即(2(25)5)l lQQ1 1為得到指示功為得到指示功WWi i所消耗的熱量所消耗的熱量(J)(J)。對于一臺發動機,當測得其對于一臺發動機,當測得其l l指示功率指示功率P Pi i(kW)(kW)和和l l每小時燃油消耗量每小時燃油消耗量B B(kg/h)(kg/h)時,時,l l根據根據 it it的定

10、義,可得的定義,可得(2(26)6)3.6103.6103 3為為1kWh1kWh的熱當量,的熱當量,kJ/(kWh)kJ/(kWh);B B為每小時發動機的耗油量,為每小時發動機的耗油量,kg/hkg/h;HuHu為所用燃料的低熱值,為所用燃料的低熱值,kJ/kgkJ/kg。指示燃油消耗率指示燃油消耗率g/(kWh)g/(kWh)是指單是指單位指示功的耗油量,它通常以單位指示功的耗油量,它通常以單位指示千瓦小時的耗油量來表示位指示千瓦小時的耗油量來表示(2(27)7)l l表示實際循環的經濟性指標表示實際循環的經濟性指標 it it和和b bi i之間存在著以下關系之間存在著以下關系(2(2

11、8)8)l l一般一般 it it和和b bi i的統計范圍如下:的統計范圍如下:it it b bi i/g(kWh)/g(kWh)-1-1 四沖程柴油機四沖程柴油機0.410.480.410.48210175210175二沖程柴油機二沖程柴油機0.400.480.400.48218177218177四沖程汽油機四沖程汽油機0.250.400.250.40344218344218二沖程汽油機二沖程汽油機0.190.270.190.27435305435305第9頁/共37頁第2章內燃機的工作指標第1節示功圖與指示性能指標第2節有效性能指標第3節機械損失與機械效率第4節提高內燃機動力性能與經濟

12、性能的途徑第10頁/共37頁第2節有效性能指標一、機械效率和有效功率二、平均有效壓力和升功率三、平均有效壓力與內燃機工作參數之間的關系四、有效熱效率和有效燃油消耗率第11頁/共37頁一、機械效率和有效功率l l氣缸內工作循環發出的指示功率氣缸內工作循環發出的指示功率需扣除運動件的摩擦功率以及驅需扣除運動件的摩擦功率以及驅動附件所消耗的功率后才是曲軸動附件所消耗的功率后才是曲軸的有效輸出,所有這些消耗功率的有效輸出,所有這些消耗功率的總和稱為機械損失功率的總和稱為機械損失功率P Pmm,從,從而有效功率而有效功率(2(29)9)l l有效功率與指示功率之比稱為機有效功率與指示功率之比稱為機械效率

13、械效率(2(210)10)l l內燃機的有效功率內燃機的有效功率P Pe e(kW)(kW)可以利可以利用測功器和轉速計分別測出發動用測功器和轉速計分別測出發動機在某一工況下曲軸的輸出轉矩機在某一工況下曲軸的輸出轉矩T Ttqtq(Nm)(Nm)及在同一工況下的發動及在同一工況下的發動機轉速機轉速n n(r/min)(r/min),按下式求得,按下式求得(2(211)11)第12頁/共37頁第13頁/共37頁第2節有效性能指標一、機械效率和有效功率二、平均有效壓力和升功率三、平均有效壓力與內燃機工作參數之間的關系四、有效熱效率和有效燃油消耗率第14頁/共37頁二、平均有效壓力和升功率平均有效壓

14、力平均有效壓力l l單位氣缸工作容積一個循環所做單位氣缸工作容積一個循環所做的有效功。的有效功。l l平均有效壓力是衡量發動機動力平均有效壓力是衡量發動機動力性能的一個很重要的參數。性能的一個很重要的參數。l lP Pe e(kW)(kW)和和p pmeme(MPa)(MPa)的關系式的關系式(2(212)12)(2(213)13)l l應用式應用式(2(211)11)和式和式(2(212)12)的恒的恒等關系,可得等關系,可得(2(214)14)l l求得求得(2(215)15)l l對于一定氣缸總工作容積(即對于一定氣缸總工作容積(即iViVs s)的發動機,平均有效壓力)的發動機,平均有

15、效壓力p pmeme值反映了發動機輸出轉矩值反映了發動機輸出轉矩T Ttqtq的大的大小小 T Ttqtq p pmeme第15頁/共37頁二、平均有效壓力和升功率升功率升功率P PL L(kW/L)(kW/L)的定義是在標定的定義是在標定工況下,發動機每升氣缸工作容工況下,發動機每升氣缸工作容積所發出的有效功率積所發出的有效功率(2(216)16)l l從式從式(2(212)12)可得可得(2(217)17)l l可見,升功率可見,升功率P PL L是從發動機有效是從發動機有效功率的角度對其氣缸工作容積的功率的角度對其氣缸工作容積的利用率作總的評價,它與利用率作總的評價,它與p pmeme和

16、和n n的乘積成正比。的乘積成正比。P PL L值越大,發動值越大,發動機的強化程度越高,發出一定有機的強化程度越高,發出一定有效功率的發動機尺寸越小。因而效功率的發動機尺寸越小。因而P PL L是評定一臺發動機整機動力性是評定一臺發動機整機動力性能和強化程度的重要指標之一。能和強化程度的重要指標之一。內燃機的內燃機的p pmeme和和P PL L值一般在下列值一般在下列范圍內:范圍內:p pmeme/MPa/MPaP PL L/(kWL-/(kWL-1)1)農用柴油機農用柴油機0.60.80.60.88.88.8 14.714.7 汽車用柴油機汽車用柴油機0.6510.6511111 25.

17、825.8 強化高速柴油機強化高速柴油機1 1 2.92.91515 4040 固定船用中速柴油機固定船用中速柴油機0.60.6 2.52.53.73.7 7.357.35 四沖程摩托車用汽油機四沖程摩托車用汽油機0.780.78 1.21.251.851.8 8888 四沖程小客車用汽油機四沖程小客車用汽油機0.650.65 1.21.24040 7070 四沖程載貨汽車用汽油機四沖程載貨汽車用汽油機0.60.6 0.70.72222 25.825.8 二沖程小型風冷汽油機二沖程小型風冷汽油機0.40.650.40.6518.418.4 73.573.5第16頁/共37頁第2節有效性能指標一

18、、機械效率和有效功率二、平均有效壓力和升功率三、平均有效壓力與內燃機工作參數之間的關系四、有效熱效率和有效燃油消耗率第17頁/共37頁三、平均有效壓力與內燃機工作參數之間的關系1.1.充量系數充量系數 c cl l定定義義1 1:若若把把每每循循環環吸吸入入氣氣缸缸的的空空氣氣量量換換算算成成進進氣氣管管狀狀態態(p ps s,T Ts s)的的體體積積V V1 1,其其值值一一般般要要比比活活塞塞排排量量V Vs s小小,兩兩者者的的比比值值定定義義為為充量系數充量系數 c c;l l定定義義2 2:每每循循環環吸吸入入氣氣缸缸的的空空氣氣量量mm1 1與與以以進進氣氣管管狀狀態態(p ps

19、 s,T Ts s)的的空空氣氣能能充充滿滿氣氣缸缸工工作作容容積積V Vs s的的質質量量mmshsh之之比比定定義義為為充充氣氣系系數數 c c。即。即l l充量系數充量系數 c c是表征實際換氣過程是表征實際換氣過程進行完善程度的一個極為重要的進行完善程度的一個極為重要的參數參數2.2.過量空氣系數過量空氣系數 a al l燃燒燃燒1kg1kg燃料的實際空氣量與理燃料的實際空氣量與理論空氣量之比稱為過量空氣系數論空氣量之比稱為過量空氣系數 a a,即,即(2(218)18)g gb b為每循環燃料供給量,為每循環燃料供給量,kgkg;l l0 0為為1kg1kg燃料完全燃燒所需的理論燃料

20、完全燃燒所需的理論空氣量??諝饬?。柴油柴油l l0 0=14.3kg=14.3kg空氣空氣/kg/kg燃料燃料 汽油汽油l l0 0=14.8kg=14.8kg空氣空氣/kg/kg燃料燃料 高速柴油機高速柴油機 a a=1.21.51.21.5 增壓柴油機增壓柴油機 a a=1.72.21.72.2 汽油機汽油機 a a=0.851.1=0.851.1l l非增壓的四沖程內燃機可由耗油非增壓的四沖程內燃機可由耗油量量B B及耗氣量及耗氣量A Aa a按下式求得按下式求得第18頁/共37頁三、平均有效壓力與內燃機工作參數之間的關系根根據據平平均均有有效效壓壓力力和和平平均均指指示示壓壓力的定義及

21、式力的定義及式(2(218)18)可得可得l l s s為進氣管狀態下空氣密度。式為進氣管狀態下空氣密度。式中單位均按國際單位制。中單位均按國際單位制。l l以以下列單位帶入得下列單位帶入得 Hu-kJ/kgHu-kJ/kg s s-kg/-kg/mm3 3 l l0 0-kg-kg空氣空氣/kg/kg燃料燃料P Pmeme-MPa-MPa(2(219)19)l l把把 s s=p ps s/RTRTs s和和 l l0 0=mma aL L0 0(mma a=28.928.9,為空氣的分子量)代入得,為空氣的分子量)代入得 p ps s為進氣管壓力為進氣管壓力(MPa)(MPa),T Ts

22、s為進氣為進氣管溫度管溫度(K)(K),空氣的氣體常數,空氣的氣體常數R R=287J/(kgK)287J/(kgK)。l l類似地,有類似地,有第19頁/共37頁第2節有效性能指標一、機械效率和有效功率二、平均有效壓力和升功率三、平均有效壓力與內燃機工作參數之間的關系四、有效熱效率和有效燃油消耗率第20頁/共37頁四、有效熱效率和有效燃油消耗率l l總總的的衡衡量量發發動動機機經經濟濟性性能能的的重重要要指指標標是是有有效效熱熱效效率率 etet和和有有效效燃燃油油消耗率消耗率b be e。有效熱效率有效熱效率l l實實際際循循環環的的有有效效功功與與為為得得到到此此有有效效功所消耗的熱量的

23、比值,即功所消耗的熱量的比值,即(2(223)23)l l以式以式(2(25)5)代入得代入得 etet=it it mml l由由此此可可見見,在在 etet中中已已經經考考慮慮到到實實際際發發動動機機工工作作時時的的一一切切損損失失了了。與上述與上述 it it一樣,可得一樣,可得(2(224)24)有效燃油消耗率有效燃油消耗率l l指指單單位位有有效效功功的的耗耗油油量量,通通常常用用每每有有效效kWhkWh功功所所消消耗耗的的燃燃料料g g數數b beeg/(kWh)g/(kWh)來表示,即來表示,即(2(225)25)l l由式由式(2(224)24),b be e又可表示為又可表示

24、為(2(226)26)標標定定工工況況下下的的b be e和和 etet值值一一般般在在以以下范圍:下范圍:b be e/g(kWh)/g(kWh)-1-1 etet 低速柴油機低速柴油機1902251902250.380.450.380.45 中速柴油機中速柴油機1952401952400.360.430.360.43 高速柴油機高速柴油機2152852152850.300.400.300.40 四沖程汽油機四沖程汽油機 2744102744100.300.200.300.20 二沖程汽油機二沖程汽油機 4105454105450.200.150.200.15第21頁/共37頁第2章內燃機的

25、工作指標第1節示功圖與指示性能指標第2節有效性能指標第3節機械損失與機械效率第4節提高內燃機動力性能與經濟性能的途徑第22頁/共37頁第第3 3節節 機械損失與機械效率機械損失與機械效率一、機械損失的組成部分二、機械損失的測定三、影響機械損失和機械效率的因素第23頁/共37頁l l在在評評定定發發動動機機機機械械損損失失時時,除除了了機機械械損損失失功功率率P Pmm和和機機械械效效率率 mm外外,也也可可應應用用單單位位氣氣缸缸工工作作容容積積的的比比參參數數平平均均機機械械損損失失壓壓力力p pmmmm。它它的的定定義義是是:發發動動機機單單位位氣氣缸缸工工作作容容積積一一個個循循環環所所

26、損損失失的的功功。它它可可以以用用來來衡衡量量機機械械損損失失的的大大小小,參參 照照 式式(2(2 13)13)可可 以以 寫寫 出出p pmmmm(MPa)(MPa)為為(2(227)27)(2(228)28)l l在在致致力力于于提提高高內內燃燃機機性性能能指指標標時時,應應盡盡可可能能減減少少機機械械損損失失,提提高高機機械械效效率率。若若不不注注意意這這點點,有有時時在在改改善善氣氣缸缸內內部部指指示示指指標標的的同同時時,卻卻不不自自覺覺地地增增加加了了機機械械損損失失,以以致不能獲得預期的改進效果。致不能獲得預期的改進效果。1.1.活塞與活塞環的摩擦損失活塞與活塞環的摩擦損失l

27、l是整個摩擦損失的主要部分。是整個摩擦損失的主要部分。l l是由于它的是由于它的 滑動面大、滑動面大、相對速度高、相對速度高、潤滑不充分等原因造成的。潤滑不充分等原因造成的。l l這種摩擦與這種摩擦與 活塞的長度活塞的長度 活塞間隙以及活塞間隙以及 活塞環的數目和環的張力等結構活塞環的數目和環的張力等結構因素有關。因素有關。l l在構造相同的情況下,它隨在構造相同的情況下,它隨 氣缸內壓力、氣缸內壓力、活塞速度以及活塞速度以及 潤滑油粘度的升高而增加。潤滑油粘度的升高而增加。一、機械損失的組成部分第24頁/共37頁一、機械損失的組成部分2.2.軸承與氣門機構的摩擦損失軸承與氣門機構的摩擦損失l

28、 l包括主軸承、連桿軸承和凸輪軸包括主軸承、連桿軸承和凸輪軸軸承等的摩擦損失。軸承等的摩擦損失。由于潤滑充分,純液力摩擦因數由于潤滑充分,純液力摩擦因數很低;很低;隨著軸承直徑的增大和轉速的提隨著軸承直徑的增大和轉速的提高,軸頸圓周速度的增大,這部高,軸頸圓周速度的增大,這部分損失亦將增加,分損失亦將增加,對氣缸中壓力的變化不太敏感。對氣缸中壓力的變化不太敏感。l l消耗在氣門驅動機構上的損耗,消耗在氣門驅動機構上的損耗,在最大功率工況下所占比例是很在最大功率工況下所占比例是很微小的。微小的。3.3.驅動附屬機構的功率消耗驅動附屬機構的功率消耗l l這這里里所所指指的的附附屬屬機機構構,主主要

29、要是是為為保保證證發發動動機機工工作作所所必必不不可可少少的的部部件總成,如件總成,如 冷冷卻卻水水泵泵(風風冷冷發發動動機機中中是是冷冷卻卻風風扇扇)、機機油油泵泵、噴噴油油泵泵、調調速速器等;器等;一一些些較較次次要要的的部部件件總總成成,如如發發電電機機、汽汽車車制制動動用用的的空空氣氣壓壓縮縮機機、水水箱箱風風扇扇等等,除除非非加加以以說說明明,一一般不包括在內。般不包括在內。l l這這些些附附屬屬機機構構消消耗耗的的功功率率隨隨發發動動機機的的轉轉速速和和潤潤滑滑油油粘粘度度的的增增加加而而增大,增大,l l但但與與氣氣缸缸壓壓力力無無關關,它它僅僅占占機機械械損失中一小部分。損失中

30、一小部分。4.4.流體摩擦損失流體摩擦損失l l連桿、曲軸等零件在曲軸箱內高連桿、曲軸等零件在曲軸箱內高速運動時,為克服油霧、空氣阻速運動時,為克服油霧、空氣阻力及曲軸箱通風等將消耗一部分力及曲軸箱通風等將消耗一部分功,但其數值是很微小的。功,但其數值是很微小的。5.5.驅動掃氣泵及增壓器的損失驅動掃氣泵及增壓器的損失l l在二沖程或機械增壓發動機中,在二沖程或機械增壓發動機中,對進氣進行壓縮而帶來的損失。對進氣進行壓縮而帶來的損失。第25頁/共37頁一、機械損失的組成部分l l1414項項損損失失之之和和視視作作發發動動機機的的內內部部摩摩擦擦損損失失,并并以以P Pf f表表示示其其損損耗

31、耗的的功功率率,掃掃氣氣泵泵或或增增壓壓器器所所消消耗耗的的功功率率為為P PB B,因因此此,發發動動機機的的機機械摩擦損失功率可表示為械摩擦損失功率可表示為P Pmm=P Pf f+P PB B(2(229)29)l l相相當當于于泵泵氣氣損損失失功功率率的的P Pp p已已經經在在計計算算P Pi i時時扣扣除除了了,而而在在測測定定中中,要要把把P Pf f和和P Pp p分分開開是是困困難難的的,所所以以用用以以下下兩兩個個公公式式表表示示高高速速發發動動機機中的摩擦損失中的摩擦損失P Pmm=P Pf f+P Pp p+P PB B(2(230)30)l l一般機械損失功率一般機械

32、損失功率P Pmm 的分配約為的分配約為(%)(%)活塞和活塞環的摩擦損失活塞和活塞環的摩擦損失45654565 整個活塞連桿曲軸機構的摩擦損整個活塞連桿曲軸機構的摩擦損失失60756075 氣門機構的驅動損失氣門機構的驅動損失 2323 附屬機構的驅動損失附屬機構的驅動損失10201020 泵氣損失泵氣損失102010202468100.200.160.120.080.040Vm/(ms-1)Pmm/MPa泵氣損失活塞與活塞環的摩擦損失氣門機構損失附屬機構驅動損失連桿軸承摩擦損失凸輪軸摩擦損失F一非增壓發動機機械損失各組成部分的分配情況第26頁/共37頁第第3 3節節 機械損失與機械效率機械

33、損失與機械效率一、機械損失的組成部分二、機械損失的測定三、影響機械損失和機械效率的因素第27頁/共37頁二、機械損失的測定1.1.示功圖法示功圖法l l錄錄取取示示功功圖圖,算算出出P Pi i;測測功功器器和和轉轉速速計計測測出出有有效效功功率率P Pe e,算算出出P Pmm、mm及及p pmm。l l是是在在真真實實的的試試驗驗工工況況下下進進行行的的,從從理理論論上上講講也也完完全全符符合合機機械械損損失失的定義。的定義。l l試試驗驗結結果果的的正正確確程程度度決決定定于于示示功功圖測錄的正確程度,圖測錄的正確程度,l l最最大大的的誤誤差差來來源源于于p p 圖圖或或p p V V

34、圖圖上上止止點點位位置置不不易易正正確確地地確確定定。上止點位置須得到精確校正。上止點位置須得到精確校正。l l各各個個氣氣缸缸存存在在著著一一定定的的不不均均勻勻性性也會引起誤差。也會引起誤差。2.2.倒拖法倒拖法l l須具有電力測功器。試驗方法須具有電力測功器。試驗方法 發動機與電力測功器相連,發動機與電力測功器相連,當當發發動動機機以以給給定定工工況況穩穩定定運運行行,冷冷卻卻水水、機機油油溫溫度度到到正正常常值值時時,切斷發動機供油,切斷發動機供油,將將電電力力測測功功器器轉轉換換為為電電動動機機,以以給給定定轉轉速速倒倒拖拖發發動動機機,并并且且維維持持冷冷卻卻水水和和機機油油溫溫度

35、度不不變變,這這樣樣測測得得的的倒倒拖拖功功率率即即為為發發動動機機在在該該工工況下的機械損失功率。況下的機械損失功率。l l與實際運行情況相比,與實際運行情況相比,氣體壓力在膨脹行程中大幅度下氣體壓力在膨脹行程中大幅度下降,使活塞、連桿、曲軸的摩擦降,使活塞、連桿、曲軸的摩擦損失有所減少;損失有所減少;求出的摩擦功率中有求出的摩擦功率中有P Pp p項,且由項,且由于排氣過程中溫度低、密度大,于排氣過程中溫度低、密度大,使使P Pp p比實際還大;比實際還大;倒拖在膨脹、壓縮行程中,由于倒拖在膨脹、壓縮行程中,由于充量向氣缸壁的傳熱損失,以致充量向氣缸壁的傳熱損失,以致于于p p V V圖上

36、膨脹線和壓縮線不重圖上膨脹線和壓縮線不重合。而在測量該工況的有效功率合。而在測量該工況的有效功率時,這部分傳熱損失已被考慮。時,這部分傳熱損失已被考慮。綜合結果是:倒拖時所消耗的功綜合結果是:倒拖時所消耗的功率超過柴油機在給定工況工作時率超過柴油機在給定工況工作時的實際機械損失,的實際機械損失,對低壓縮比發動機,誤差大約為對低壓縮比發動機,誤差大約為5%5%,對高壓縮比發動機,誤差,對高壓縮比發動機,誤差有時可達有時可達(1520)%(1520)%。第28頁/共37頁二、機械損失的測定3.3.滅缸法滅缸法l l此法僅適用于多缸機。試驗方法:此法僅適用于多缸機。試驗方法:內內燃燃機機調調整整到到

37、給給定定工工況況穩穩定定工工作作,測出其有效功率測出其有效功率P Pe e,噴噴油油泵泵齒齒條條位位置置或或節節氣氣門門不不變變,停止向某一氣缸供油或點火,停止向某一氣缸供油或點火,減減少少制制動動力力矩矩,迅迅速速將將轉轉速速恢恢復復到到原原來來的的數數值值,并并重重新新測測定定其其有有效功率效功率P Pe e。l l如如果果滅滅缸缸后后其其他他各各缸缸的的工工作作情情況況和和發發動動機機機機械械損損失失沒沒有有變變化化,則則被被熄熄滅滅的的氣缸原來所發出的指示功率氣缸原來所發出的指示功率(P Pi i)x x為為(P Pi i)x x=(=(P Pe e P Pe e)x xl l依依次次

38、將將各各缸缸滅滅火火,最最后后可可以以從從各各缸缸指指示示功功率率的的總總和和求求得得整整臺臺發發動動機機的的指指示示功率功率P Pi iP Pi i=(=(P Pe e P Pe e)x xl l然后可以求出然后可以求出P Pmm和和 mm。4.4.油耗線法油耗線法 B BHuHu it it=3.610=3.6103 3(P Pe e+P Pmm)l l若若 it it和和機機械械損損失失功功率率P Pmm不不隨隨負負荷荷增增減減而而變變化化時時,當當柴柴油油機機空空轉轉,有有 B B0 0HuHu it it=3.610=3.6103 3P Pmml l機械效率可近似地用下式估算機械效率

39、可近似地用下式估算 B B取取待待測測定定機機械械效效率率的的轉轉速速下下負負荷荷特特性性曲曲線線中中直直線線段段某某一一負負荷荷的的數數值值,B B0 0為為同同轉轉速速下下空空轉轉時時的的數數值。值。第29頁/共37頁二、機械損失的測定在在以以上上所所介介紹紹的的幾幾種種測測定定機機械械效效率的方法中:率的方法中:l l倒倒拖拖法法只只能能用用于于配配有有電電力力測測功功器器的的情情況況,不不適適用用于于大大功功率率發發動動機機,較較適適用用于于測測定定壓壓縮縮比比不不高高的的汽汽油油機的機械損失。機的機械損失。l l渦渦 輪輪 增增 壓壓 柴柴 油油 機機(p pb b0.15MPa0.

40、15MPa),由由于于倒倒拖拖法法和和滅滅缸缸法法破破壞壞了了增增壓壓系系統統的的正正常常工工作作,因因而而只只能能用用示示功功圖圖法法、油油耗耗線線法法來來測測定定機機械械損損失失。排排氣氣渦渦輪輪中中、高高 增增 壓壓 的的 柴柴 油油 機機(p pb b0.15MPa0.15MPa),除除示示功功圖圖外外,尚尚無無其他適用的方法可取代。其他適用的方法可取代。l l一般機械效率大致在以下范圍:一般機械效率大致在以下范圍:非增壓柴油機非增壓柴油機0.780.850.780.85 增壓柴油機增壓柴油機0.800.920.800.92 汽油機汽油機0.800.900.800.90-0.28B/(

41、kgh-1)-0.1400.14 0.28 0.42 0.56 0.70 0.8404540302010pme/MPapmmB0B第30頁/共37頁第第3 3節節 機械損失與機械效率機械損失與機械效率一、機械損失的組成部分二、機械損失的測定三、影響機械損失和機械效率的因素第31頁/共37頁三、影響機械損失和機械效率的因素l l影影響響機機械械損損失失和和機機械械效效率率的的因因素素有結構因素和運轉因素。有結構因素和運轉因素。l l在在發發動動機機結結構構設設計計一一定定的的情情況況下下,發發動動機機運運轉轉因因素素對對機機械械損損失失和和機機械效率的影響如下。械效率的影響如下。1.1.循環過程

42、中氣缸內壓力循環過程中氣缸內壓力l l爆爆發發壓壓力力p pz z的的大大小小反反映映了了循循環環過過程中氣缸內壓力水平的高低。程中氣缸內壓力水平的高低。l l氣氣缸缸壓壓力力越越高高,摩摩擦擦面面上上的的壓壓力力越大,特別使使活塞環背壓增加,越大,特別使使活塞環背壓增加,l l要要求求將將運運動動件件的的尺尺寸寸和和質質量量設設計計得越大,得越大,l l使使得得摩摩擦擦損損失失越越大大,機機械械效效率率越越低。低。2.2.轉速或活塞平均速度轉速或活塞平均速度v vmml l轉轉速速n n或或活活塞塞平平均均速速度度v vmm提提高高使使慣慣性性力力上上升升,活活塞塞的的側側壓壓力力和和軸軸承

43、負荷增加,承負荷增加,l l泵泵損損失失和和附附屬屬機機構構的的損損失失也也隨隨轉轉速速的的提提高高而而增增加加,使使機機械械損損失失增增加和機械效率降低。加和機械效率降低。l l由由于于慣慣性性力力在在每每一一個個沖沖程程都都有有影影響響,在在高高的的活活塞塞平平均均速速度度v vmm的的情情況況下下,慣慣性性力力引引起起的的摩摩擦擦損損失失要要比氣缸壓力所引起的要大得多。比氣缸壓力所引起的要大得多。3.3.負荷負荷l l當當發發動動機機的的負負荷荷增增大大時時,其其氣氣缸缸內內的的壓壓力力以以小小得得多多的的變變化化幅幅度度增增大大,因因而而機機械械損損失失以以小小于于有有效效功功率率 變

44、變 化化 幅幅 度度 的的 幅幅 度度 增增 加加,由由 mm=1-=1-P Pmm/P Pi i可可知知,機機械械效效率率隨隨著著負荷的增大而提高。負荷的增大而提高。4.4.潤滑油的粘度和發動機的溫度潤滑油的粘度和發動機的溫度5.5.大氣狀態大氣狀態第32頁/共37頁第2章內燃機的工作指標第1節示功圖與指示性能指標第2節有效性能指標第3節機械損失與機械效率第4節提高內燃機動力性能與經濟性能的途徑第33頁/共37頁第第4 4節節 提高內燃機動力性能與經濟性能的途徑提高內燃機動力性能與經濟性能的途徑影響升功率影響升功率P PL L的各因素可表示為的各因素可表示為衡衡量量發發動動機機經經濟濟性性能

45、能的的重重要要指指標標b be e可表示為可表示為l l以上二式概括而又明確地指出了以上二式概括而又明確地指出了提高發動機動力性能指標和經濟提高發動機動力性能指標和經濟性能指標的基本途徑。性能指標的基本途徑。1.1.采用增壓技術采用增壓技術l l在在保保持持過過量量空空氣氣系系數數 a a等等參參數數不不變變的的情情況況下下,增增加加吸吸進進空空氣氣的的密密度度 s s可可以以使使發發動動機機功功率率按按比比例例增增長。長。l l在在柴柴油油機機上上廣廣泛泛采采用用排排氣氣渦渦輪輪增增壓壓器器,尤尤其其是是當當采采用用高高增增壓壓后后,可可以以促促使使柴柴油油機機的的p pmeme和和P PL

46、 L成成倍倍增長。增長。l l還還是是改改善善柴柴油油機機的的經經濟濟性性、降降低低比比質質量量、降降低低廢廢氣氣有有害害排排放放、降降低低排排煙煙、節節約約原原材材料料的的一一項項最最有有效的技術措施。效的技術措施。l l汽汽油油機機由由于于受受爆爆燃燃限限制制,壓壓縮縮行行程程終終了了時時的的壓壓力力和和溫溫度度不不宜宜過過高高,這這就就限限制制了了增增壓壓壓壓力力不不宜宜過過高高。增增壓壓后后,一一般般功功率率的的提提高高也也僅僅在在30%40%30%40%之間。之間。l l增增壓壓技技術術還還可可以以用用來來恢恢復復在在高高原原使用的內燃機的功率。使用的內燃機的功率。第34頁/共37頁

47、提高內燃機動力性能與經濟性能的途徑2.2.合理組織燃燒過程,提高循環合理組織燃燒過程,提高循環指示效率指示效率 it it;提高空氣利用率,;提高空氣利用率,降低全負荷時柴油機過量空氣系降低全負荷時柴油機過量空氣系數數 a al l提高指示效率提高指示效率 it it不僅改善了內燃不僅改善了內燃機的動力性能,同時也改善其經機的動力性能,同時也改善其經濟性能濟性能l l需要從研究內燃機理論循環和實需要從研究內燃機理論循環和實際循環入手,深入分析在整個熱際循環入手,深入分析在整個熱功轉換過程中,各種熱力損失的功轉換過程中,各種熱力損失的大小及其分布,掌握各種因素對大小及其分布,掌握各種因素對熱力損

48、失的影響程度,從而尋找熱力損失的影響程度,從而尋找減少這些損失的技術措施,其中減少這些損失的技術措施,其中最重要的一個方面就是對內燃機最重要的一個方面就是對內燃機燃燒過程的改進。燃燒過程的改進。l l柴油機柴油機 增壓程度和轉速的不斷提高,都增壓程度和轉速的不斷提高,都要求燃燒過程能夠高效率進行,要求燃燒過程能夠高效率進行,要求對柴油機的混合氣形成、燃要求對柴油機的混合氣形成、燃燒以及供油系統方面深入研究。燒以及供油系統方面深入研究。l l汽油機汽油機 向較高壓縮比和高轉速發展,促向較高壓縮比和高轉速發展,促使爆燃燃燒等不正常燃燒傾向加使爆燃燃燒等不正常燃燒傾向加強;強;對內燃機噪聲、排放限制

49、越來越對內燃機噪聲、排放限制越來越嚴。嚴。為了改善排放品質和經濟性,要為了改善排放品質和經濟性,要求應用電控汽油噴射、稀燃、速求應用電控汽油噴射、稀燃、速燃、層燃等技術及發展缸內直接燃、層燃等技術及發展缸內直接噴射等,對混合氣形成和燃燒提噴射等,對混合氣形成和燃燒提出了許多新課題。出了許多新課題。3.3.改善換氣過程,提高氣缸的充量改善換氣過程,提高氣缸的充量系數系數 c cl l在相同進氣狀態下若能吸入更多在相同進氣狀態下若能吸入更多新鮮空氣,則可容許噴入更多的新鮮空氣,則可容許噴入更多的燃料,在同樣燃燒條件下獲得更燃料,在同樣燃燒條件下獲得更多有用功。多有用功。l l不僅提高不僅提高 c

50、c,而且可減少換氣損,而且可減少換氣損失。失。l l必須深入研究換氣過程,分析產必須深入研究換氣過程,分析產生損失的原因,然后從改善配氣生損失的原因,然后從改善配氣機構、凸輪廓線及管道流體動力機構、凸輪廓線及管道流體動力性能等方面研究。性能等方面研究。第35頁/共37頁提高內燃機動力性能與經濟性能的途徑4.4.提高發動機的轉速提高發動機的轉速l l增加轉速可以增加單位時間內做增加轉速可以增加單位時間內做功次數,因而可提高發動機功率功次數,因而可提高發動機功率輸出;輸出;l l同時,發動機的比質量也隨之降同時,發動機的比質量也隨之降低。低。l l轉速的增長不同程度上受燃燒惡轉速的增長不同程度上受

51、燃燒惡化、充量系數化、充量系數 c c和機械效率和機械效率 mm急急劇降低,零件使用壽命和可靠性劇降低,零件使用壽命和可靠性降低以及發動機振動、噪聲加劇降低以及發動機振動、噪聲加劇等限制。等限制。5.5.提高內燃機的機械效率提高內燃機的機械效率l l提高機械效率可以提高內燃機的提高機械效率可以提高內燃機的動力性能和經濟性能,動力性能和經濟性能,l l這方面主要靠這方面主要靠 合理選定各種熱力和結構參數,合理選定各種熱力和結構參數,結構、工藝采取措施減少其摩擦結構、工藝采取措施減少其摩擦損失及驅動水泵、油泵等附屬機損失及驅動水泵、油泵等附屬機構所消耗的功率,構所消耗的功率,改善發動機的潤滑、冷卻

52、來實現。改善發動機的潤滑、冷卻來實現。6.6.采用二沖程提高升功率采用二沖程提高升功率l l理論上,采用二沖程相對于四沖理論上,采用二沖程相對于四沖程可以提高升功率一倍,程可以提高升功率一倍,l l實際上,在相同工作容積和轉速實際上,在相同工作容積和轉速下,升功率只能提高下,升功率只能提高50%60%50%60%,l l若仍保持簡單結構,其升功率不若仍保持簡單結構,其升功率不易超過四沖程,而燃油消耗率顯易超過四沖程,而燃油消耗率顯著上升。著上升。l l大型低速船用柴油機和小型風冷大型低速船用柴油機和小型風冷汽油機(汽油機(2 2k kWW以下)中二沖程占以下)中二沖程占絕對優勢,絕對優勢,l l在其他的領域中,四沖程在機型在其他的領域中,四沖程在機型數量上還是占絕大多數,數量上還是占絕大多數,第36頁/共37頁

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