第一章發動機工作循環及性能指標

www.guilinhy.com 來源：互聯網作者：panzhihao 類別：汽車構造維修時間：2007-09-05

§1-2 發動機實際循環

發動機理想循環加上各項損失后，

即可分析發動機的實際循環。

一工質改變損失

（一）工質性質

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 為中間產物，CO2 為最終產物。若遇高溫，則會發生復分解反

應，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

究者致力于開發絕熱發動機。

（二）流動損失

理論上: 閉口系統，沒有氣體流動損失。

實際上: 進、排氣節流沿程損失，缸內進氣、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，遲后關閉。而且有流動阻力。

換氣損失中逆向循環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，無泄漏。

實際上: 活塞氣環不會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

二傳遞給冷卻介質的熱量 QS

其中Gs－發動機冷卻介質的每小時流量 [ kg/h ]

cs－冷卻介質比熱 [ kJ/kg·℃ ]

t1 ，t2 －冷卻介質的進、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

發動機熱平衡方程式:

§1-4 指示指標

p-V圖 p-φ圖

發動機性能指標: 指示指標，有效指標

指示指標: 以工質在汽缸內對活塞做功為基礎，評價工作循環的質量。

有效指標: 以曲軸上得到的凈功率為基礎，評價整機性能。

示功圖: 發動機缸內壓力p隨汽缸容積V （p-V圖）或曲軸轉角f （p-f圖）變化的圖示。

一指示功和平均指示壓力

（一）指示功

一個循環工質對活塞所做的有用功。

應該：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 ○熱功轉換有效程度大。為突出后

者，比較不同大小發動機的熱功轉換有效程度，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。

（假想參數）

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i，每缸工作容積V [ m ]，沖程數 t，平均指示壓力 p [ p ]，

轉速 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

發動機內部損耗的功率。

機械損失包括: 發動機內部摩擦損失；驅動附件損耗，如: 機油泵、燃油泵、

掃氣泵、冷卻水泵、風扇、配氣機構；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出的功率。

[ kw/l ]

（二）比重量

發動機凈重量G與所發出有效功率的比值。

[ kg/kw ]

， ¯ ® 發動機強化程度高。

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用。

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

將電力測功機轉換為電動機使用，在給定轉速下倒拖發動機，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

當發動機調整到以給定工況穩定運轉后，先測出整個發動機的有效功率。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。調整測功機，使發動機恢復到原來的轉速，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，則整臺發動機的指示功率為，其中x為總缸數。

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) 轉速

其中－活塞平均運行速度。

與幾乎呈直線關系。與n似呈二次方關系。

n ® □ 慣性力 ® 活塞對缸壁的側壓力 ® 軸承負荷

□ 各摩擦副相對速度 ® 摩擦損失

□ 泵氣損失，驅動附件損耗

® ® ¯

若要提高轉速來強化發動機，則將成為主要障礙之一。

（二）負荷

發動機的負荷 □ 柴油機: 油門拉桿或齒條位置

□ 汽油機: 節氣門開度

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

當發動機怠速運轉時，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 ® 摩擦 ® ® ¯

要求: 定期保養、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）過量空氣系數和空燃比

1 過量空氣系數 a

表示混合氣的濃稀程度。a 大 ® 混合氣稀；a 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 ® 混合氣稀；A/F 小 ® 混合氣濃

（三）分子變更系數

1 理論分子變更系數

® 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

其中－1 kg 燃料燃燒后殘余廢氣的摩爾數。－殘余廢氣系數。

二燃料的不完全燃燒

（一） a £ 1－汽油機

1 假設燃料中的C 燃燒全部生成了和。其中是中間產物，即不完

全燃燒產物。是最終產物，即完全燃燒產物。

2 化學反應方程式

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

發動機缸內高溫，水只能以氣態存在，故應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。混合階段，為著火做準備。

2 階段－第一級反應

燃燒的實質是燃料的氧化反應，當反應速

度很快時，火焰就會出現。經過時間后，反

應加劇，出現冷火焰，缸內壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應生成醛類、過氧化物和一氧化碳等中間產物。要求混合氣較濃，a = 0.4～0.5。

3 階段－第二級反應

溫度、壓力升高較大，產生許多化學反應的活性中心，出現藍火焰。混合氣稀得多，a略小于1。

4 時間后－第三級反應

活性中心劇增，化學反應加速，熱積累劇烈，發生爆炸，出現熱火焰。混合氣更稀，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, 已經進行了一些化學反應。

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, 迅速反應出現熱火焰, 瞬間擴大到整個燃燒室內。所以, 汽油機著火過程：

壓縮混合氣 ® 點火（經短暫著火延遲期） ® 熱火焰

三燃燒方式

（一）同時爆炸燃燒

取某一部分為系統, 著火前后整個系統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, 則系統內實現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－火焰傳播。兩相系－混合氣相（未燃區），燃燒產物相（已燃區）。

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進行。火焰前鋒面前方的未燃區中是混合氣，火焰前鋒面后方的已燃區中為燃燒產物和一小部分在火焰前鋒面中沒有燃燒掉的燃料繼續燃燒。

（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性好, 油與空氣形成混合氣較快, 物理準備過程已經就緒, 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, 將燃燒產物拋在后面。