发动机动力经济性能指标

TDC 180
BDC 360
TDC 540
BDC

720 °CA
示功图测取装置
电荷放大器
压电传感器
角标器
工质对活塞所作功
ds
A
循环功： W = pdV
功正负确定原则： ◎压力方向与活塞运动方向一致，工质对活塞作正 功。 ◎压力方向与活塞运动方向相反，工质对活塞作负 功。 BDC下止点
Compression W<0 Power W>0 Exhaust W<0 Intake W>0
p
p
TDC上止点
pz
示功图 (Indicator Diagram)
动力过程功：压缩与燃烧膨胀过程所作功之代数和。
四冲程
IVO p0 EVC Vc Vs
EVO
泵气过程功：进气与排气过程所作功之代数和。
V 总指示功＝动力过程功＋理论泵气功(不考虑泵气损失)
IVC
净指示功＝动力过程功＋泵气过程功(考虑泵气损失)
活塞平均速度：
（发动机强化指标之一）
vm = 2 s n
1 s n vm = 单位： m/s 30 m r/min
主要影响：

惯性力引起的机械应力
2 M ~ vm

注意： 摩擦（磨损）
发动机转速与活塞速度 不完全是一个概念！
平均活塞速度越高，也 说明发动机强化度越高
绪论
一、发动机的分类
1、按所用燃料分 汽油机、柴油机、天然气（CNG、LNG）、液 化石油气（LPG）、酒精（甲醇、乙醇）、氢等 2、按缸内着火方式分 压燃式（柴）、点燃式（汽） 3、按冲程数分 四冲程、二冲程 4、按活塞运动方式分 往复活塞式、旋转活塞式
5、按气缸冷却方式分 液体冷却（水冷）、空气冷却（风冷） 6、按气缸数目分 单缸、多缸（2、3、4、5、6、8） 7、按转速分 低速（n＜300rpm）、中速（ 300rpm ＜ n＜ 1000rpm）、高速（ 1000rpm ＜ n） 8、按增压程度分 增压比πb：空气经过一个专用的压气机（增压器） 压缩后的压力Pk与压缩前的压力P0之比。 非增压（自然吸气式）、低增压（πb＜1.8）、 中增压（ 1.8 ＜ πb＜2.5）、高增压（ 2.5 ＜ πb ＜3.6）、超高增压（3.6 ＜ πb）
BDC(下止点) p pz
p pz
TDC(上止点)
示功图
Indicator Diagram
IVO EVO
压力图/ 展开示功图
BDC 180 I TDC 360
要求会识图 和画图！
w/o combustion
TDC V
p0 E 0
BDC
TDC

540 E 720 °CA I
p0
EVC
Vc Vs
IVC
p-V 图
本章主要内容
工质对活塞所作功及示功图
动力经济性指标 影响动力经济性指标的环节与因素
示功图（四冲程）
ds A
示功图(Indicator Diagram) ： 发动机气缸内工质压力p随气缸容积V （或曲轴转角）的变化曲线。
TDC-Top Dead Center; BDC-Bottom Dead Center IVO-Intake Valve Open; IVC-Intake Valve Close EVO-Exhaust Valve Open; EVC-Exhaust Valve Close
与燃料热值和混合 气浓度直接相关
影响动力经济性指标的环 节和因素
可燃混合气浓度与热值
油/气混合比（浓度）是影响发动机性能的重要参数： 1） 过量空气系数 a（Excess air ratio/Relative air-fuel ratio）
9、按气缸排列方式分 立式、卧式、直列式、V型、W型 对置气缸或对置活塞式 H型、王字型、X型、星型
10、按混合气形成方式分 进气管或进气道喷射（0.2~0.35MPa）、缸内直 接喷射（3.0~12MPa）、分层充量、化油器式 11、按燃烧室设计分 开式燃烧室（浴盆形、楔形、半球形、碗形、ω 形 分隔式燃烧室（涡流室、预燃室）
Pe = η et G m H um (kW)
提高功率的三大环节：
可燃混合气或燃料的能量密度 “量”的环节 混合气热值Hum或燃料热值Hu 单位时间实际吸入内燃机的可燃混合气总量Gm或燃料总量B 可燃混合气能量或燃料能量转换为有效输出功的多少 “质”的环节 工作过程各环节效率或总效率et
12、按进、排气门凸轮轴设计和布置
分
二气门、三气门、四气门（多气门）
顶置（上置）或侧置（下置）气门 顶置或侧置凸轮轴 13、按用途分 农用、船用、汽车用、工程机械用、
拖拉机用、发电用、内燃机车用
三、发动机总体构造
1、汽油机
两大机构：曲柄连杆机构、配气机构 五大系：燃料供给系、点火系、冷却系、润
热负荷
充气效率 噪声
最大平均活塞速度
vm 摩托车发动机（四冲程） 赛车发动机（涡轮增压） 赛车发动机（自然吸气） 轿车汽油机（自然吸气） 轿车柴油机 卡车柴油机（涡轮增压） 大型柴油机 中速柴油机 9.5 12.3 8.1 7.0 5.3 5.7 [m/s] 22 21.7 27 19.8 14.7 13.1 12 9.5 7.8
◎ 用于产品开发、生产和使用当中
只有与作功有关的指标，才有“有效”与“指示”之分。其 余，如转速、每小时耗油量等，则无此区别。
动力性能指标
平均指示压力（IMEP）
Indicated Mean Effective Pressure 定义：单位气缸工作容积所作的循环指示功。 循环指示功可以认为是一个假想不变的压力 pmi作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作的 功。 平均指示压力反映发动机作功能力的大小（单 位体积作功量大小 J/m3）和强化程度。
功率密度评价指标
比功率 PL—单位发动机排量发出的功率（评价气缸容积利用程度和紧凑性） （升功率） P = P / V （kW/L)
L e s
比质量 me—单位有效功率所占发动机质量（评价轻量化和紧凑性） me= m / Pe （kg/kW）
比容积 Ve—单位有效功率所占发动机的体积（评价紧凑性） Ve= V / Pe （m3/kW）
pmi =
Wi Vs
注意：这里的压力事实上就 是物理上所说的压强，N/m2
pmi . Vs pdV = Wi
[p ] 1 bar = 10
mi
5
N Nm kJ = 105 3 = 0,1 3 2 m m dm
不同发动机平均有效压力pme范围
pme 摩托车发动机（四冲程） 赛车发动机（自然吸气） 赛车发动机（涡轮增压） 轿车汽油机（自然吸气） 轿车汽油机（涡轮增压） 轿车柴油机（涡轮增压） 卡车柴油机（涡轮增压） 大型柴油机 中型高速柴油机 十字头二冲程柴油机 9 14 12 11 [ bar] 12 16.6 56 14.1 20 21.2 23.5
十字头二冲程柴油机
动力经济性指标end
决定动力输出的三大环节
设单位时间内加入整机的燃料总量为B (kg/s)，燃料的低热值为 Hu(kJ/kg)，燃料能量转换的总效率为ηet，则有效功率Pe可表示为：
Pe = η et B H u (kW)
设单位时间进入发动机的混合气总量为Gm(kg/s)，混合气的低热值 为Hum (kJ/kg)，则有效功率Pe也可表示为：
指示效率：
Indicated efficiency
P i η = it BH u
B 1 b = = i P η H i it u
be = =
1 1000 3600
kg
0.35 42800 kJ
= g
1000
g
0.35 42800 kWs = 240 g kWh
指示油耗：
ISFC
0.35 42800 kWh
滑系、起动系 2、柴油机 两大机构：曲柄连杆机构、配气机构 四大系：燃料供给系、冷却系、润滑系、 起动系
绪论end
第一章
动力经济性能指标与影响因素
性能：动力性、经济性、可靠耐久性、排放、
振动、噪声、使用维修性、加工工艺性等 以性能为研究对象，深入到工作过程的各个 阶段，分析影响这些性能的各种因素，从中 找出提高性能的一般规律
百度文库
15
15 15
29.4
25 18.2
动力性指标之间的关系
功率：
Pe = Ttq ω = Ttq 2 n = ( 2in/ τ ) p me Vs
角速度（Angular velocity）
转矩（Torque）
转矩： 平均有效压力：
E.g. 单缸四冲程发动机
Ttq =
i πτ
p me Vs
p me
经济性指标
有效效率：
Effective efficiency
Pe η = et BH u
Low heat value低热值 (kJ/kg) Fuel mass flow 燃油流量 (kg/s)
有效油耗：
BSFC
B 1 b = = e P η H e et u
E.g. 求油耗：
η et = 0.35 ; H u = 42800 kJ kg
发动机性能指标
1. 动力性能指标 功率(Power), 转矩(Torque), 转速(Revolution/Speed), 平均有效压力(BMEP) 2. 经济性能指标
燃油消耗率(Fuel consumption), 机油消耗率(Lubricant consumption)
3. 环保性能指标 碳氢(HC), 一氧化碳(CO), 氮氧化物(NOx), 颗粒物(PM), 二氧化碳(CO2)
噪声振动(NVH)
4. 使用性能指标 可靠性或耐久性(Robust, reliability), 维修方便(I/M convenience), 冷起动 (Cold start),
动力经济性指标
指示指标与有效指标
1）以工质对活塞作功为计算基准的指标称为指示指标 ◎ 基于示功图算出，直接反映燃烧和热力循环组织的好坏 ◎ 用于理论分析和科研 2）以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效指标 ◎ 由试验测出，直接反映产品最终性能
强化系数pme vm —其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。
升功率PL、比质量me和强化系数pmeCm的大致范围 PL me pmeCm （kW／L） （kg／kW）（MPa· m／s ） 汽油机 汽车柴油机 30-70 18-30 1.1-4.0 2.5-9.0 8-17 6-11
发动机转速与活塞平均速度
p
p
pz
TDC上止点
BDC下止点
p pz
示功图
TDC
压力图/ 展开示功 图
EVO BDC 180 I p- 图 TDC 360 p0 0
w/o combustion TDC BDC
IVO p0 EVC Vc Vs
工质对活塞所作功及示功 图

540 E
V
IVC p-V 图
E
720 °CA I
示功图（四冲程）
ds
A
p
TDC - Top Dead Center BDC - Bottom Dead Center IVO - Intake Valve Open IVC - Intake Valve Close EVO - Exhaust Valve Open EVC - Exhaust Valve Close
πτ i
3
T
tq
~ p me

p me =

T tq Vs
对于某一发动机，转矩和平均有 效压力都反映负荷（率）的大小
Vs = 2 dm = 2 升
n = 5000 r/min , Ttq = 126 N m
p me = πτ 126 Nm 4π 126 Nm = 3 3 3 1 2 dm 1 2 10 m N kJ = 792 000 2 = 7.92 bar = 0.792 = 0.792MPa 3 m dm
p-图
示功图（二冲程汽油机）
IPO-Intake Port Open IPC-Intake Port Close EPO-Exhaust Port Open EPC-Exhaust Port Close
TDC p pz BDC
p pz
EPO IPO p0 Vc Vs EPC IPC V
BDC p0 0
技术培训内容
（一）
绪论 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
动力经济性能指标与影响因素 燃料与工质 循环分析与能量平衡 换气过程与循环充量 燃烧的基础知识 汽油机燃烧过程及混合气的形成 柴油机燃烧过程及混合气的形成 燃烧与有害物的生成与排放