第一章发动机的工作循环和性能指标解读
第一章 内燃机性能指标及实际循环热
k 1
2 分析 = 1 t = const. t ；当 = 10 左右时， t 不大 且汽油机容易爆燃，因此，汽油机 = 6～10
（三） 定压加热循环 （狄赛尔DIESEL 循环） －船舶用大型低速柴油机的理想循环
1 热效率 因为: 压力升高比
式中:
二、理想循环及其分析比较
（一）
混合加热循环
－车用柴油机的理想循环 1 循环特征参数 v1 （1） 压缩比
v2
（2） 压力升高比
p3 p2
v4 v3
（3） 预胀比
2
热效率
tm
w0 q2v q2 1 1 q1 q1 q1v q1 p
1 忽略进、排气过程 2 压缩、膨胀过程 （复杂的多 变过程） 简化为绝热过程 3 燃烧过程简化为定容加热过 程 （2～3） 和定压加热过程 （3～4） 4 排气放热简化为定容放热过 程 5 假定工质为定比热的理想气 体
（三）评定循环过程中质和量的指标
1．循环的热效率
w0 q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
式中： w0——mkg工质的循环净功（J） q1——mkg工质在循环中吸收的热量（J） q2——mkg工质在循环中放出的热量（J） 热效率可环平均压力pt
w0 pt （J/m3）或（N· 2） m Vh
Vh——气缸工作容积（m3） 循环平均压力表示单位气缸工作容积所作 的循环功，用来评定循环的动力性。
第三节 热平衡
定义：按照热能在有效功和各项损失方面的数量
分配来研究燃料中总热量的利用情况，称为内燃 机的热平衡。（通常有实验确定） 总热量: QT = GT hu（kJ/h） 式中： GT——每小时的油耗量(kg/h) hu——燃料低热值（kJ/kg)
柴油机工作循环和主要性能指标
柴油机的工作循环和主要性能指标柴油机是将燃油的化学能转变为热能并将热能转变为机械能的动力机械，而这种能量的转换是在柴油机的每一个工作循环中完成的。
因此，工作循环完成的情况将直接影响到能量转换的完善程度，而柴油机的主要性能指标则是表示工作循环完成情况的参数。
对工作循环及工作过程进行分析和研究，可以了解影响柴油机性能的主要因素，掌握提高其性能的基本途径和具体措施。
柴油机的工作循环一．柴油机的两种示功图研究柴油机汽缸内的工作过程，首先要用仪表测量出能正确反映汽缸内实际情况的实验数据。
最常见的是测量汽缸的压力。
因为容易测量且测得工质压力后，利用热力学的基本公式，还能求出工质温度、内能、计算焓、功和热量等热力参数，这样就可以去分析各循环了。
***表示奇怪内工质压力变化的图形称为示功图。
其中包括p-V示功图和p-∮示功图两种形式，现结合柴油机的实际情况加以说明。
1．p-V示功图：汽缸内的工质压力随汽缸容积变化的图形叫p-V示功图，又称压力-容积图，也可看做压力与活塞位置的函数关系。
该图上曲线保围的面积相当于工质在一个循环内对活塞作的功，因此，习惯上称为示功图。
2．p-∮示功图：汽缸内的工质压力随曲柄转角变化的图形叫p-∮示功图。
P-V示功图不适于研究燃烧过程，因为燃烧过程发生在上止点附近，此时活塞运动速度（相当于汽缸容积变化速率）很慢，难以从p-V图上看出这一区间内压力变化的特点。
瑞以曲柄转角为横坐标就清楚了，这等于把上止点附近的压力变化图形展开，故又称展开示功图，在柴油机的性能研究中得到广泛的应用。
二．柴油机的理想循环在柴油机中，为了连续实现燃料化学能——热能——机械能的转换，需不断重复由进气、压缩、膨胀、燃烧和排气五个过程的循环，其时间进行情况十分复杂。
为了能用热力学的基本理论和公式分析研究柴油机的循环，需将实际循环理想化和抽象化。
基于热力学基本理论建立起来的柴油机循环称为理想循环并对它作了如下几点假定：（1）工质为理想气体：其分子量与比热同纯空气在物理标准状态时的相同。
发动机工作循环及性能指标.pdf
（三）定压加热循环（狄赛尔 DIESEL 循环）
－船舶用大型低速柴油机的理想循环
1 热效率
因为: 压力升高比 λ = p3 = 1 p2
所以:
热效率
ηt
=
1
−
ε
1
k −1
⋅
ρk k (ρ
− −
1 1)
―6―
《发动机原理》
2 分析 （1） ε 为定值 ρ↑ → ηt ↓ （2） ρ为定值 ε↑ → ηt ↑
§1-4 指示指标
qr
=
QR QE
四 燃料不完全燃烧的热损失 QB
QB = QT (1 − η r )
其中ηr－燃料效率
qb
=
QB QT
五 其它热量损失 QL QL = QT − (QE + QS + QR + QB )
ql = qt − (qe + qs + qr + qb )
发动机热平衡方程式:
qe + qs + qr + qb + ql = 1
cs－冷却介质比热 [ kJ/kg·℃ ]
t1 ，t2 －冷却介质的进、出口温度 [℃]
三 废气带走的热量 QR
QR = (Gr + Gk ) (cpr t2 − cp t1 )
其中 Gr－燃料量 [ kg/h ] Gk－空气量 [ kg/h ] cpr－废气比热 [ kJ/kg·℃ ] cp－空气比热 [ kJ/kg·℃ ] t1 ，t2 －进、排气温度 [℃]
―7―
《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
CO2 → CO + O - 热量 这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止 点，做功效果变差，热效率下降。 二 传热、流动损失 （一） 传热损失 理论上: 压缩、膨胀过程为绝热过程。 实际上: 大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。 传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的 30%以上。因此，许多研 究者致力于开发绝热发动机。 （二） 流动损失 理论上: 闭口系统，没有气体流动损失。 实际上: 进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。 三 换气损失 理论上: 忽略进、排气过程。 实际上: 进、排气门提前开启，迟后关闭。而且有流动阻力。 换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失 之中。 四 时间损失 理论上: 定容加热瞬间完成，定压加热速度与活塞运行速度密切配合。 实际上: 燃烧需要时间。 五 补燃损失 理论上: 加热瞬间停止，膨胀过程无加热。 实际上: 虽然大部分（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部 分燃
第一章 发动机的性能(二)
1
第一章
发动机的性能
第三节 发动机的指示性能指标 指示指标:以工质对活塞所作之功为计算 指示指标 以工质对活塞所作之功为计算 基准的指标。 基准的指标。 作用:直接反映由燃烧到热功转换的工作 作用 直接反映由燃烧到热功转换的工作 循环进行的好坏。 循环进行的好坏。
2
从示功图可观察到发动机工作循环的不同阶段（压缩、 示功图可观察到发动机工作循环的不同阶段（压缩、 可观察到发动机工作循环的不同阶段 燃烧、膨胀）以及进气、排气行程中的压力变化。 燃烧、膨胀）以及进气、排气行程中的压力变化。
6
2、平均指示压力Pmi 、平均指示压力
是指单位气缸容积一个循环所作的指示功。 是指单位气缸容积一个循环所作的指示功。
式中，Pmi是平均指示压力（Pa）； i为发动 ）；W 式中， 是平均指示压力（ ）； 机一个工作循环的指示功（ ）； 为发动机气缸 ）；V 机一个工作循环的指示功（J）； s为发动机气缸 工作容积（ ）。 也经常用L为单位 为单位， 工作容积（m³）。 Vs也经常用 为单位，Wi用kJ 为单位， 单位为MPa。 为单位，则Pmi单位为 。
13
3、指示燃油消耗率bi 、 是指单位指示功的耗油量。 是指单位指示功的耗油量。 通常以单位指示千瓦小时的耗油量［ ／（ ／（kw·h）］ 通常以单位指示千瓦小时的耗油量［g／（ ）］ 来表示。 来表示。
4、表示实际循环的经济性能指标ηit 与bi之间关系 、表示实际循环的经济性能指标η
14
第四节 发动机的有效性能指标
PL是从发动机有效功率的角度对其气缸工作容积 的利用率作总的评价。 的利用率作总的评价。 pme↑、 n ↑ → PL ↑ →强化↑、轻巧↑ 、紧凑↑ 。 强化↑ 轻巧↑ 紧凑↑ PL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。 重要指标之一。
内燃机原理复习重点(前四章)
第一章 内燃机工作循环与性能指标内燃机的实际工作循环：由进气、压缩、燃烧—膨胀、排气四个过程组成，它是周期性地将燃料燃烧所产生的热能转变为机械能的往复过程。
基本原理：内燃机通过进气过程向气缸内吸入新鲜空气或空气与燃料的混合气，通过活塞的压缩行程，将新鲜充量的温度、压力提高到一个合适的水平，然后燃料以点燃或压燃的方式开始燃烧释放出热能，气缸内气体工质被加热，温度和压力得到进一步提升，同时膨胀推动活塞做功实现由热能到机械能的转变，最后通过排气过程排除已燃废气。
理论循环提出的假设：（1）以空气作为循环工质，视其为理想气体，物理及化学性质保持不变，工质比热容为常数；（2）循环工质的总质量保持不变（3）将燃烧过程简化为等容或等压的加热过程，将排气过程简化为等容放热过程；（4）将工质的压缩和膨胀过程看成等熵过程，工质与外界不进行热交换。
三种形式的理论循环：（1）定容加热循环，如汽油机（2）定压加热循环，如高增压和低速大型柴油机（3）混合加热循环，如高速柴油机理论循环的评价指标：（1）循环热效率t η：工质所做循环功W 与循环加热量1Q 之比，用来评价循环的经济性，即 12t 11Q Q W Q Q η-== 影响t η的因素有：①压缩比ε（随着ε增大，三种循环的热效率都提高，提高压缩比可以提高循环平均加热温度，降低循环平均放热温度）；②绝热指数k （随着k 值增大，t η将提 高）；③压力升高比λ（定压加热循环与定容循环的t η均与λ无关，对于混合加热循环，当1Q 与ε不变时，λ增大则ρ减小，膨胀过程增加，2Q 减少，t η提高）；④预胀比ρ（ρ值 增加，t η下降）（2）循环平均压力t p ：单位气缸工作容积所做的循环功，用来评价循环的做功能力，即 t ()SW p kPa V = 对于定压和定容加热循环，循环平均压力t p 随压缩起点压力a p 、压缩比ε、压力升高比λ 预胀比ρ、绝热指数K 和热效率t η的增加而增加；对于混合加热循环，若1Q 不变，增加ρ 就是减少λ，t η下降，t p 也降低继续膨胀循环：（1）脉冲涡轮增压（2）定压涡轮增压四行程内燃机的实际循环：（1）进气过程：进气压力终点a p 一般小于环境大气压力0p ，压力差用于克服进气阻力，进气终点的温度a T 高于环境大气温度0T（2）压缩过程：复杂多变过程，压缩终了的压力1n c a p p ε=，温度11n c a T T ε-=，其中，多 变指数1n 主要受工质与缸壁的热交换及工质泄露情况的影响，当转速提高时，热交换时间 缩短，缸壁的传热和气缸泄漏气量减少，1n 会增大，当负荷增加时，气缸壁温度升高，传 热量减少，1n 增大，而当漏气量增加或缸壁温度降低时，1n 减小。
第1章内燃机性能指标及实际循环热计算绪论 (2)解读
汽油机：点火后传播燃烧且无论负荷大小，火焰传 播距离不变。当负荷下降时，燃烧速度降低，燃烧
时间加长。这相当于λ下降而 上升，则ηt降低。
发动机工作循环
第二节内燃机的实际循环
1、进气过程 图a） 2、压缩过程 图b） 3、燃烧过程 图c） 4、膨胀过程 图c） 5、排气过程 图d）
发动机工作循环
每缸每循环所做的指示功：Wi
piVh
pi
D2
4
S 103
性能指标及热计算
指示功率为：
Pi
Wi
n 60
发动机工作循环
多变指数和平均多变压缩指数： 实际计算中n1取代n1’ ，试验测定n1大致范围是：
压缩终点的压力和温度的数值范围：
发动机工作循环
（3）燃烧过程 作用：将燃料的化学能转变为热能，使工质温度 、压力升高，为膨胀创造条件 汽油机：在上止点点燃，容积变化小，燃烧快， 温度压力上升快，接近等容燃烧。 柴油机：燃烧开始接近等容燃烧，随后燃烧速率 放慢，气缸容积增大，压力升高减缓，接近等压 燃烧
好坏，是从示功图测量计算得出的。
动力性指标：指示功、指示功率、平均指示压力。 经济性指标：指示热效率、指示燃油消耗率
发动机性能指标：动力性能指标（功率、转矩、转 速），经济性能指标（燃料和润滑油的消耗）， 运转性能指标（冷起动性能、噪声、排气品质）
性能指标及热计算
一、 指示功和平均指示压力 指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用
排气温度常用作检查发动机工作状态的技术指 标。其值偏高，说明热功转换效率低工作过程不 良，及时检修。
发动机工作循环
三、引起实际循环热损失 的因素
1、工质的影响
第一章 发动机热力循环及性能指标
（3）假设工质的压缩与膨胀过程均为绝热过程，不考虑缸壁 的传热、漏气等热损失和补燃损失。
（4）假设工质的燃烧过程为对工质进行的定容或定压加热过 程，排出的废气带走热量用定容放热过程代替。
ηtm
1
1 ε K 1
λρK 1 ( λ 1) Kλ( ρ - 1)
式中
ρ
λ
ε 发动机的压缩比 ε Va /Vc (Vh Vc )/Vc
预膨胀比 后膨胀比 压力升高比
K 绝热指数
ρ Vz /Vz' ε/δ
δ Vb /Vz
λ pz /pc
P3 (P3 V 3 T3)
Q1P 4
(P4 V 4 T4)
(λ 1)
ηtp
1
1 ε K1
ρK 1 K (ρ 1)
2、循环平均压力 pt
单位气缸工作容积所做的循环功，用以评定发动机
的循环做功能力。
W pt Vh
1）混合加热循环的平均压力为
ptm
εK ε 1
pa λ 1
K 1
Kλρ 1ηt
式中 pa 进气终了压力（KPa）
2）定容加热循环（ ρ 1 ），循环平均压力
（5）假设循环过程为可逆过程，不考虑实际循环中存在的摩
2．发动机理论循环的评定指标
发动机的性能主要决定于两方面： （1）由燃烧一定量的燃料能够得到尽可能多的功； （2）由一定的气缸工作容积能够得到尽可能多的功。 发动机的理论循环是用循环热效率和循环平均压力来衡量和评定的。理论循环 热力分析的重点是研究循环热效率。
2.1 循环热效率：工质所做循环净功与循环加热量之比，说明每循环工质对热量的利用
现代汽车发动机原理第1章发动机实际循环与性能指标
❖ 在发动机理论循环讨论中的简化假定是：
❖ 工质为理想气体，在整个循环中保持物理及化 学性质不变，其状态参量的变化完全遵守气体 状态方程 。
❖ 缸内系统为闭口系统，不考虑实际存在的工 质更换以及漏气损失，工质数量保持不变，循 环是在定量工质下进行的。
❖ 把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的 绝热等熵过程，工质与外界不进行热交换；工 质比热容为常数。
❖ ⑶ 和的增长，将伴随着最高循环压力pz 的急剧上升；
❖ ⑷ 增大 ，pt可以提高 ，但由于等压部分加热量增加了，而这
部分热量是在膨胀比逐渐降低的情况下加入的，因而 t亦随之而
降低了；
现代汽车发动机原理第1章发动机
实际循环与性能指标
❖ ⑸ 绝热指数k愈大，则 t 愈高。
1.2 发动机燃烧热化学 1.2.1 燃烧所必需的空气量 1．1千克燃料完全燃烧所需的理论空气量
❖ 用假想的定容或现代定汽车压发动加机原理热第1和章发动定机 容放热来代替实 际的燃烧和换气过实程际循环。与性能指标
❖ 发动机的理论循环有三种形式，分别是等容 加热循环、等压加热循环和等容等压(混合)加 热循环。示功图如下图所示。
a﹞等容加热循环
b﹞等压加热循环 c﹞混合加热循环
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
❖ 式中：W ——循环所做的功（J）； V s ——气缸工作容积（L）。
混合加热循环的循环平均压力为：
p tm k1kp a1[( 1 )k( 1 )]tm
等容加热循环的循环平均压力为：
ptVk1现k代p 汽a1 实车际发(循动 环机1与原)性理tV 能第指1章标发动机
❖ 等压加热循环的循环平均压力为：
V aV c(V s V c)V c