第一章发动机性能.ppt

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1、第一章发动机性能,一、汽车发动机的发展,1.汽车发动机发展史的回顾,1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，第一次提出了燃料与空气混合的概念； 1799年提出点燃煤气等 1816年R.stirling发明了热空气发动机 1817年Rivaz开发了第一台大气压下的氢气发动机 1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动 活塞作功的设计； 1860年Lenoir发明第一台煤气发动机，人们开始意识到燃料在密闭室内燃烧。,1.汽车发动机发展史的回顾,1860年，奥拓研制了第一台四冲程煤气发动机。 1876年，德国发明家奥托，研制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力

2、)的四冲程内燃机。 1886年，戴姆勒.奔茨等人研制了汽油发动机。 1892年，狄塞尔发明了柴油发动机。 1897年，德国工程师狄塞尔首创的压缩点火式内燃机(柴油机)研制成功；1898年，柴油机首先用于固定式发电机组；1903年用作商船动力；1904年装于舰艇；1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成；1920年左右开始用于汽车和农业机械。 经过100多年的发展，汽油机和柴油机技术发生了巨大变化。集各门学科、高科技于一身，无论是自身性能还是与工作机械的匹配，都达到登峰造极的地步。重量大约减轻100倍，油耗下降5倍。,汽车发动机发展,1.汽车发动机发展史的回顾,汽车发动机发展,奥拓四冲程煤气

3、发动机汽车,本茨设计制造出装用汽油机的三轮汽车,1953年第一汽车制造厂在长春奠基，1956年7月13日，12辆国产“解放”牌汽车驶下总装线，开创了我国汽车工业的新纪元。 1989年确定了三大三小的格局。 1994年汽车工业被列为国家支柱产业。 1998年我国汽车产量超过160万辆，进入世界十强。 2003年成为世界第四大汽车生产国和第三大消费国。 2005年我国汽车产量达到570.7万辆，销售汽车575.82万辆。 2006年汽车保有量4985万辆。2008年我国汽车销量938.05万辆，保有量6467万辆。 我国摩托车工业，自1993年连续产量居世界第一. 截至2011年底，全国机动车保有

4、量为2.25亿辆，其中汽车1.06亿辆。,2.我国汽车发动机产业发展现状,我国发动机发展主要存在问题： 自主开发能力差， 核心技术主要是掌握在国外。 企业数量众多，规模小，重复投资引进。,汽车发动机发展,汽油机产量,上述十家企业共生产汽油机728.4204万台，占汽油机生产累计总量的55.51%。,2.我国汽车发动机产业发展现状,柴油机产量,十家企业共销售柴油机307.0745万台，占柴油机累计销售总量的81.82%。,2.我国汽车发动机产业发展现状,国际十佳,3.国内外十佳发动机,Ward年度十佳发动机奖项是由名为Wards Autoworld（沃德的汽车世界）这本杂志评选出来的。该杂志创刊

5、于1924年，在全世界范围内都颇具影响力。虽然有资格获得Ward十佳发动机的只有在北美市场发售的车型，但实际上能够赢得北美市场和Ward的认可就可以等同于赢得了全世 界的认可。,1、奥迪3.0L TFSI机械增压DOHC V-6,这款3.0LTFSI V6具有惊人的中低速扭矩，同时全铝构造更轻并具有更好的经济性。功率达到333hp/ 5500-7000rpm，扭矩达441Nm/ 2900-5300rpm。奥迪3.0TFSI发动机采用缸内直喷技术，机械增压装置完美地融合在90度的V6 发动机中，压缩比达10.5:1。 国内市场中的奥迪A6L、A8、Q7等车型中配 备。,国际十佳,3.国内外十佳发

6、动机,2、宝马 N20 涡轮增压 2.0L I-4,3、宝马3.0L N55 涡轮增压 I-6,120hp/ L，扭力约350Nm左右。 国内市场中目前只有进口版Z4配备了此款发动机。,产生300hp/ 5800rpm功率以及高达407Nm/ 1200-5000rpm最大扭矩，在目前中国市场的进口335i和国产535i车型上均可见到,国际十佳,3.国内外十佳发动机,4、福特EcoBoost 涡轮增压2.0L I-4,此款2.0LEcoBoost涡轮增压发动机相比以往福特推出的传统发动机，拥有巨大的技术进步，加装了当下流行的可变正时气门+缸内直喷+涡轮增压，以高效动力表现以及可观的燃油 经济性赢

7、得评委们的青睐。 采用博格华纳的K03低惯量转子涡轮，在进、排气门可变正时的帮助下，发动机在1750rpm便可达到最大扭矩输出，提高了发动机在低转速时的动力表现。此发动机最大功率240马力，扭矩可达340Nm，可谓小排量大输出。国内所搭载此款发动机的车型包括福特蒙迪欧致胜、沃尔沃S80L以及 备受关注的路虎揽胜极光,国际十佳,3.国内外十佳发动机,5、马自达Skyactiv-G 2.0L I-4,这款成本不高但科技感十足的自然吸气4缸2.0LSkyactv发动机，国内被称为“创驰蓝天”技术，重点在于提升动力系统的效率和动力性能，此款发动机的亮点之一在于其高达14:1的超高压缩比例，虽然后期经过

8、调整有所降低，但仍然达到了13:1。能够采用如此高的压缩比，与发动机采用独特设计的燃烧室分不开。效率方面，与目前普通马自达2.0发动机相比提高了15% 以上。 这款发动机将主要用于马自达3 Skyactiv版本以及2013款CX-5中，目前还没有引入中国市场。,国际十佳,3.国内外十佳发动机,6、克莱斯勒Pentastar 3.6L DOHC V-6 该发动机结构简单、耐久度高、保养维护费用低等特点，可产出286马力的最大功率以及347Nm的最大扭矩，油耗9.4L/100km左右。JEEP吉普牧马人、大切诺基等车型均配备了此款发动机。,7、福特Coyote, 5.0L V-8 这款发动机只出现

9、在美版的福特野马Boss 302。功率444hp，使用了全新的顶置凸轮和铝制结构，以及双独立可变凸轮轴正时技术，发动机可以随时迅速控制节气门开闭程度，提升车辆的加速性能以及低转速动力输出。,8、通用别克涡轮增压2.0L I-4 此次获奖的通用别克2.0高功率涡轮增压直列四缸发动机，拥有270马力、400Nm的动力输出数据，动力水平直逼同平台的欧宝Insignia OPC搭载的2.8L V6涡轮增压发动机 ，而国内版均为虽然也使用同样代号的2.0涡轮增压发动机，但功率与海外版的270马力版本截然不同，国内的2.0发动机只有不 到230马力的最大功率 。,10、英菲尼迪VQ, 3.5L V-6 混

10、合动力 VQ混合动力发动机采用一台可以输出68马力（50千瓦）功率、270Nm的HM34电动机作为辅助，可输出超过360马力的动力，通过位于电动机前后两套离合器的开闭组合来控制动力的流向，电动机则身兼二职，既做驱动使用的电动机，又用来做发电机。车辆的百公里油耗约小于6L/100km新推出的发动机将主要配备于英菲尼迪M35h车型上，虽然目前还没有进入国内市场，但有消息称英菲尼迪将有望在今年内引进混合动力版本的车辆。,国际十佳,3.国内外十佳发动机,9、现代 GDi 1.6L I-4 韩系发动机近年来屡次获奖。此次上榜的是一台全新小排量GDi 1.6升 4缸发动机。这款发动机应用了缸内直喷技术，使

11、燃料燃烧更加充分，输出更加高效，同时有效降低油耗以及二氧化碳排放量。其最大功率约为101kW)/6300rpm和166Nm/4850rpm的最大扭矩。 此款发动机用于现代以及起亚的众多入门级车型，例如海外版现代雅绅特、飞思、起亚秀尔等。遗憾的是，也许是出于成本以及国内油品质量考虑，目前这款1.6升高效发动机没有被引进到国内市场中。,2012年12月11日，由汽车与运动主办 “中国心”2012年度十佳发动机，作为国内惟一的汽车发动机评选活动，受到各界关注,国内十佳,3.国内外十佳发动机,4.汽车发动机发展面临问题,石油缺乏： 根据英国石油公司世界能源统计评论的数据，截止2003年底，世界已探明石

12、油储量为11480亿桶，合计1570亿吨。从现有数据来看，如果石油消费保持现在的速度，世界石油储备还可以满足40年到50年之需。 我国石油资源总量较丰富。据2003年BP的统计，在世界103个产油国中我国石油可采资源总量和剩余可采储量分别居第11位和第10位。截至 2003年底，我国石油可采资源探明率为43，总体属于石油勘探中等成熟阶段。综合分析资源情况和勘探潜力，预计未来1520年内，我国石油储量仍处于高稳定增长期，年均新增石油可采储量在1.4亿1.8亿吨左右， 大体保持目前的储量增长水平。 从1993年起成为石油净进口国，我国进口石油的三分之一用于汽车消耗。国内石油产量基本维持在2亿吨左右

13、水平，每年进口量还在增加。2011年达到2.7亿吨，很快将突破3亿吨，预计2015年进口依存度达到60%以上。据预测将严重影响国家能源安全。,4.汽车发动机发展面临问题,我国的油价在世界范围内处于中游，但收入与油价比排名世界第四，而且我国的高速公路收费；随着排放标准的更加严格，运输成本会进一步提高。,排放 汽车排出的污染物质主要包括在气缸内燃烧后从排气管排出的废气，以及曲轴箱窜气、机油蒸气排放、燃料箱和化油器的蒸发排放等。有害物质包括CO、 CO2、NOX、HC、碳烟等。,噪声污染 噪声污染已经成为四大公害之一。而城市噪声污染主要来自城市交通噪声，其中汽车噪声占据很大部分。在我国城市噪声源中，

14、交通噪声占46.8%，社会生活噪声占28.9%，工业噪声占8.3%，施工噪声占5.1%，其它噪声占10.9%。而且，交通噪声所占比例有逐年上升的趋势。,4.汽车发动机发展面临问题,5.汽车动力装置发展预测,内燃机技术主要体现在以下几个方面 （1）缸内直喷电控汽油机性能的进一步改善 （2）使用共轨式高压电控直喷柴油机 （3）汽柴油品质的提高 （4）各种高效排放后处理装置的开发和使用,5.汽车动力装置发展预测,汽车发动机发展,二、 发动机的理论循环过程,1.对实际循环所作的假设条件 a) 假设工质是理想气体，整个循环工质组 成成分不变。 b) 闭口系统作封闭循环，不考虑换气损失。 c) 将压缩和膨

15、胀过程假定为绝热等熵过程。 d) 假设燃烧是外界无数个高温热源定容或 定压加热。 根据加热方式不同，发动机有三种基本空气 标准循环,即定容加热循环、定压加热循环和混 合加热循环。,a)定容加热循环 由于汽油机的均匀混合气为爆炸燃烧，燃烧速度 很快，而在上止点附近容积变化又较小，因此燃烧过 程相当于定容燃烧。,2. 三种理论循环,发动机的理论循环过程,示功图,温熵图,b)定压加热循环 低速柴油机燃油质量差，形成可燃混合气的速度 慢，不均匀混合气的扩散燃烧速度很慢。燃烧持续 时间长，接近定压加热。,2. 三种理论循环,发动机的理论循环过程,示功图,温熵图,c)混合加热循环 高速柴油机在燃烧初期，由

16、于部分混合气已与空气混合， 之后由于边喷油、边混合、边燃烧，燃烧速度受到制约，因此 燃烧过程兼有逐渐爆炸燃烧和扩散燃烧的特征，对应于气缸内 的容积变化情况，可以将燃烧过程简化为定容定压加热。,2. 三种理论循环,发动机的理论循环过程,示功图,温熵图,为压力升高比,为预膨胀比,3. 循环热效率,发动机的理论循环过程,示功图的制取,发动机示功图制取方法,上止点位置传感器,曲轴转角传感器,内置压力传感器的火花塞,示功图的制取,发动机缸压所需传感器,4. 热效率的影响因素,发动机的理论循环过程,1）压缩比 随着压缩比的增大，三种循环的效率都提高。压缩比的提高，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热

17、温度，扩大循环温差，增大膨胀比，如图1-2所示。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。在 较低时，随着 的提高，效率增长很快；在 较大时，再增加 则效果较小。,4. 热效率的影响因素,发动机的理论循环过程,2）压力升高比 增大时，对于混合加热循环来说，若q1不变则q2减少；若q2不变则q1增大，都会使效率增大。 3）预膨胀比 在等压加热循环中，随着加热量q1的增加, 值加大。若 保持不变，因平均膨胀比减小，放出的热量q2增加，效率下降。 在混合加热循环中，当循环总加热量q1和 保持不变， 值增大，意味着等压加热部分增大，同样效率下降。,5.循环平均压力,发动机的理论循环过程,是单位

18、气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力,式中,循环所做的功（J） 气缸工作容积（L）,根据工程热力学公式，混合加热循环的平均压力为：,式中,压缩始点的压力（KPa）,定容加热循环的平均压力为：,定压加热循环的平均压力为：,发动机的理论循环过程,5.循环平均压力,三、 四冲程发动机的实际循环,四冲程发动机的实际工作过程是由连续的循环组成。,活塞在上止点前打开进气门，气缸内的残余废气膨胀，过了上止点后，气缸真空度不断吸入新鲜空气与燃料的混合气。,1.进气过程,四冲程发动机的实际循环,由于进气阻力，气流受高温零件及残余废气的加热，有如下关系,汽油机 柴油机 增压柴油机 增压压力,2.压缩过程,

19、四冲程发动机的实际循环,汽油机 n1=1.321.38 柴油机 n1=1.381.40 增压柴油机 n1=1.351.37,工质温度低，被加热，多变指数大于绝热指数，工质温度高，放热，多变指数小于绝热指数,汽油机 0.82.0 600750 柴油机 3.05. 0 7501000 增压柴油机 5.08.0 9001100,压缩比范围 汽油机： 710 柴油机： 1422 增压柴油机： 1215 压缩比很重要，常用测量压缩压力来检查，当气缸密封不良时，会出现压缩终点温度、压力下降，起动困难，功率减小等。,3.燃烧过程,四冲程发动机的实际循环,汽油机 3.06.5 22002800 柴油机 4.5

20、9. 0 18002200 增压柴油机 9.013.0,燃烧放出热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。,1,四冲程发动机的实际循环,4.膨胀过程,汽油机 n2=1.231.28 柴油机 n2=1.151.28,汽油机 0.30.6 12001500 柴油机 0.20. 5 10001200,工质温度低，被加热，多变指数大于绝热指数，工质温度高，放热，多变指数小于绝热指数.,四冲程发动机的实际循环,5.排气过程,由于排气系统阻力，排气终了的压力大于大气压力,汽油机和柴油机 废气涡轮增压柴油机 汽油机 柴油机,发动机实际工作循环由上述五个过程组成，由于存在各种损失与理论循环相比存在一定偏差。,

21、四、实际循环的评定指示指标,指示指标用来评定实际循环质量的好坏，它以工质在气缸内对活塞做功为基础。用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性做功能力；用循环热效率及燃料消耗率评定循环的经济性。,1.平均指示压力 一个实际循环工质对活塞所做的有用功称为指示功，单位气缸工作容积的指示功为平均指示压力。可根据测量示功图面积计算求得。 为了比较不同大小气缸的做功能力，需要排除尺寸的影响。,Pmi的一般范围是： 汽油机 0.81.5MPa 柴油机 0.71.1MPa 增压柴油机 12.5MPa,2.指示功率 发动机单位时间所做的指示功，称为指示功率Pi 。,行程数；i-气缸数,3.指示热效率和指示燃油消耗

22、率 指示热效率是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比。,指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油率。,四、实际循环的评定指示指标,五、发动机经济性和动力性的评价,发动机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了发动机整机的性能，通常称它们为有效指标。 1.发动机动力性能 1） 有效功率 Pi 发动机的指示功率并不能完全对外输出，功在发动机内部的传递过程中，不可避免有损失，这些损失包括： 1)发动机内部运动零件的摩擦损失； 2)驱动附属机构的损失； 3)泵气损失，指进排气过程所消耗的功。,2）有效扭矩 发动机工作时，由功率输出轴输出的扭矩称为有效扭矩Ttq。,式中：Ttq一有效扭矩(Nm)

23、；n一发动机转速(r/min)。,3）平均有效压力 pme 平均有效压力Pme(MPa)，是发动机单位气缸工作容积输出的有效功。它与有效功率(kw)之间的关系是：,Pme的般范围是： 汽油机 0.71.3 MPa 柴油机 0.61.0 MFa 增压柴油机 0.92.2 MPa,1.发动机动力性能,发动机经济性和动力性的评价,4) 转速和活塞平均速度 提高发动机转速，即增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大。,式中 活塞行程(m)。,转速 增加，活塞平均速度 也增加， 与 的关系为,1.发动机动力性能,发动机经济性和动力性的评价,1） 有效热效率 是发动机的有效功We与所消耗

24、燃料热量Q1之比。,2） 有效燃料消耗率 be,式中：B每小时的耗油量(kg/h)；Pe有效功率(kW)。,1升0.2642加仑 1公里0.621英里,英里/加仑235.21/（L/100km),2.发动机经济性指标,是单位有效功的耗油量。,发动机经济性和动力性的评价,1） 升功率和比质量 升功率PL(kW/L)是发动机每升工作容积所发出的有效功率。 比质量me(kg/kW)是发动机的干质量与所给出的标定功率之比。它表征质量利用程度和结构紧凑性。,发动机经济性和动力性的评价,3.发动机强化指标,2） 强化系数 平均有效压力Pme与活塞平均速度Cm的乘积称为强化系数。它与活塞单位面积的功率成正比

25、。其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。由于发动机的发展趋势是强化程度不断提高，所以PmeCm值增大，也是技术进步的个标志。 PmeCm的大致范围是： 汽油机 817MPams 小型高速柴油机 611MPams 重型汽车柴油机 915MPam5,发动机经济性和动力性的评价,3.发动机强化指标,六、发动机的环境指标,发动机的环境指标主要指排气品质和噪声。 发动机的排放物中含有对人类有害的有毒物质，对大气污染，从而形成公害。其排出的有害物分为下述两类。 1.排放 1）有害气体 目前主要限制一氧化碳(CO)、各种碳氢化合物(HC)及氮氧化合物(NOx)三种危害最大的气体排放量。 2）排气微粒 指排

26、气中除水以外的、单个颗粒大于0.002微米的任何液体或固体微粒。其中，以碳为主要成分的固体颗粒形成碳烟，是排气微粒最主要的成分。,2. 噪声 噪声会刺激神经，使人心情烦燥、反应迟钝、甚至产生耳聋、高血压和神经系统疾病。汽车是城市的主要噪声源之一。发动机又是汽车的主要噪声源，故必须给予控制。如我国噪声标准中规定，轿车加速噪声不得大于74dB。,六、发动机的环境指标,由道路所激发的车体结构的振动； 轮台触地所激起的空气振动； 车体穿过大气所产生的湍流； 发动机的振动和排气、进气； 传动系统中的相互运动所激发的振动； 制动器与轮圈的摩擦； 空调风机等。,发动机的机械损失消耗了一部分指示功率，而使对外

27、输出的有效功率减少。不同类型发动机各部分机械损失所占百分比差别很大，下表给出机械损失分配的大致情况。,七、机械损失,机械损失的大小可以用机械损失功率Pm(kW)和平均机械损失压力Pmm(MPa)单位气缸工作容积的机械损失功来表示。它们和有效指标的关系是 同样，为了比较各种不同内燃机机械损失所占比例的大小，引入机械效率的概念。 机械效率是有效功率和指示功率的比。,1.机械效率,机械损失,机械损失功率是通过对实际发动机试验来测定。常用的测试方法有倒拖法、灭缸法和油耗线法。 1）倒拖法 发动机与平衡式电力测功器相连。首先让发动机在给定的工况下稳定运转，当冷却水和机油温度到达正常值时，立即切断供油(柴

28、油机)或停止点火(汽油机)，同时将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发动机，并尽可能维持冷却水和机油温度不变。电力测功器所测得的倒拖功率，即为发动机在该工况下的机械损失功率。 这种方法的缺点是必须使用平衡式电力测功器，而且由于缸内压力、温度与实际不符，测量结果往往偏大。我国汽车发动机试验标准中规定，应优先采用此法测量机械损失功率。,机械损失,2.机械损失的测定,机械损失,发动机台架试验,发动机的各项性能指标包括功率、油耗等通常是在发动机试验台上完成的。试验台由测功器及台架、辅助系统、测试仪器组成。,发动机试验台架简图,1冷却水箱2空气流量计3稳压筒4量油装置5燃油箱6测功器7转速表8消声器

29、9垫层10基础11底板12高压气瓶13示功器14混合水箱,机械损失,测功器,测功器是用来吸收试验发动机发出的功，改变其负荷及转速，模拟实际使用的各种工况，同时测定发动机的输出转矩，发动机转速可测得，功率则由下式求得：,式中：Ttq一有效扭矩(Nm)；n一发动机转速(r/min),常用的测功器有水力测功器、电涡流测功器和平衡式直流电力测功器三种。,1转子轴 2外壳 3无接触密封 4进水孔 5定子 6转子 7进水管 8进水环室 9分隔室 10联轴节11转速传感器 12排水室 13固定轴承 14回水孔 15隔板 16浮动活塞阀 17活塞座 18控制阀 19伺服电机 20 排水孔,DYNABAR水力测

30、功器机构图,DYNABAR水力测功器功率范围图,a为最大功率线（满水线） b为最大转矩线（转子强度） c为额定功率线（进出孔截面） d为最大转速线（轴承及润滑） e为空载特性线（出水阀全开） abcdea所围面积表示测功器可以吸收功率范围,水力测功器 优点：价格低、结构简单、可靠、体积小； 缺点：精度低、操控复杂。,电涡流测功器,是利用涡电流效应将发动机的机械能转变为电能，继而变为热能的过程。 调整励磁电流，可调整吸收功率的大小。,1铁壳 2励磁线圈 3涡流环 4转子,电涡流测功器,电涡流测功器连接图,电涡流测功器控制柜,优点：操作简便、结构紧凑、精度较高、运转平稳 缺点：成本较高，不能反拖，

31、能量不能回收,平衡式电力测功器,1-转子 2、6-滚动轴承 3、5-滑动轴承 4-定子外壳 7-基座,由平衡电机、测力机构、负载电阻、励磁机组、交流机组和操纵台组成。,优点：可回收电能、反拖发动机，工作灵敏、测量精度高； 缺点：结构复杂、价格昂贵。,质量法测量燃油消耗量 1-油箱 2-开关 3-滤油器 4-三通阀 5-油杯 6-天平,发动机油耗的测量,发动机台架上主要使用油耗仪来测量油耗，主要是基于两种方法：质量法和容积法。,容积法测量燃油消耗量,1-油箱 2-开关 3-滤油器 4-三通阀 5-量瓶,容积法测量燃油消耗量,发动机油耗的测量,2) 灭缸法 灭缸法仅适用于多缸发动机。首先将发动机调

32、整到给定工况稳定工作，测定其有效功率Pe ，然后停止向一个气缸(例如第一缸)供油，并调整测功器，使内燃机恢复到原来的转速，再测定发动机的有效功率Pe(i)由于有一个气缸不工作，第二次测得的有效功率比第一次测得的小，两者之差即为停油气缸的指示功率。 此法的测量误差，对于柴油机，在较好情况下可以达到5%；但对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果。同样，它也不能用于废气涡轮增压发动机及单缸机。,机械损失,2.机械损失的测定,机械损失,2.机械损失的测定,3） 油耗线法 又称负荷特性法，保证发动机转速不变，逐渐改变柴油机供油齿条的位置，测出每小时耗油量B随负荷Pme变化的关系，绘制成如

33、图的曲线。此方法的基础是，假设转速不变时Pmm和指示热效率都不随负荷增减而变 化。 柴油机工作接近这个假设，故此法适用于柴油机，但不适用于汽油机。,机械损失,3.影响机械损失的因素,1） 气缸直径及行程 根据试验，机械损失功率与缸径、行程的大致关系为 式中：D-气缸直径；S-活塞行程；Dm-曲轴的平均直径；K-与气缸数和转速有关的常数。 可见，当发动机工作容积增加，即加大缸径或行程时，机械损失功率增加、但因气缸的面积与容积之比值(A/V)减少，相对摩擦面积减少，故相对的机械损失少，机械效率提高。 当气缸工作容积一定，而行程、缸径比(S/D)减小时，则因活塞平均速度Cm值和A/V值均有所下降，所

34、以机械效率提高。,机械损失,2）摩擦损失,3.影响机械损失的因素,在机械损失中，摩擦损失所占比例最大，达70左右，故降低摩擦损失一直是人们极为关注的问题。 (1)活塞组件 活塞组件是发动机中主要的摩擦源，产生摩擦的部件是：活塞环、活塞裙部和活塞销。影响摩擦损失的主要因素是活塞环的结构与组合，活塞裙部的几何形状，缸套的温度及配合间隙等。在高速车用汽油机中，为减少摩擦损失采取的措施有：减少活塞环数目，如由三道环(二气一油)减至二道环(一气一油)，甚至出现一道环；减薄活塞环厚度，目前已有23mm厚的气环，减少活塞裙部的接触面积，如裙部加装凸起物，制成骨架式结构，在裙部涂固体润滑膜等。,非油溶性：二硫

35、化钼、石墨； 油溶性：二油酸亚磷酸脂、 十八烷胺、硼酸脂类、 与低粘度优质润滑油混合物,机械损失,3.影响机械损失的因素,(2)曲轴组件 曲轴摩擦源于轴颈与轴承(包括主轴颈、连杆轴颈或平衡轴颈)及其密封装置。一般润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比，因此主要措施为减少运动件的惯性质量，如减小活塞、活塞销、连杆的质量，可降低轴承负荷并可使轴承宽度和轴径减小。 (3)配气机构 气门机构在发动机整个工作范围均承受高负荷。在较低转速下，作用于气门上的负荷主要由弹簧力引起；在较高转速时，零件质量引起的惯性力占主导地位。与其它机构不同的是，配气机构在低转速区是处于临界润滑状态，故其低速时摩擦损失所占比

36、例会明显增加。减小配气机构运动件质量(如气门导杆直径已有减至23mm)，降低弹簧负荷，在摇臂与凸轮接触面处加入滚动轴承等，都是减少配气机构摩擦损失的有效措施，另外，气缸套内壁、轴颈、轴承等各摩擦表面的加工精度，零件材料及热处理 等，对摩擦损失也有较大影响。,机械损失,3.影响机械损失的因素,3）转速n(或活塞平均速度Cm),发动机转速上升(Cm随之加大)，致使： 1)各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加。 2)曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加。 3)泵气损失加大。 4)驱动附件消耗的功多。 n上升，机械损失功率增加，机械效率下降。根据实测统计资料，一般平均机械

37、损失压力Pmm。大致与转速n成直线关系。机械效率随转速变比的大致关系:随转速上升，摩擦损失所占比例明显加大，且在转速大致相同的情况下，柴油机摩擦损失大于汽油机，这是因柴油机压缩比高、气缸压力高、运动部件质量大所引起。由于转速对机械损失有如此重要的影响，以致在用提高转速的手段来强化发动机动力性能时，效率的降低成为重要障碍之一。,1,当发动机转速一定而负荷减小时(在汽油机中是减少混合气量，在柴油机中是减小供油量)，平均指示压力Pmi随之下降，而平均机械损失压力Pmm变化很小，因为Pmm的大小主要决定于摩擦别的相对速度相惯性力大小。 根据式知，随负荷减小，机械效率下降，直到空转时，有效功率Pe=0，

38、指示功率Pi全部用来克服机械损失功率，即PiPm，故效率为零。图给出Pmi 、Pme、 Pmm 、效率随负荷变化的关系。,机械损失,3.影响机械损失的因素,4）负荷,1,机械损失,3.影响机械损失的因素,5) 润滑油品质和冷却水温度,在机械损失中，摩擦损失占的比例最大，达70左右，而润滑油(常称全损耗系统用油)的粘度对摩擦损失的大小有重要影响。 润滑油的品质影响到运动副的摩擦损失，选用润滑油就是选择合适的粘度，粘度大，承载能力强，易于保持润滑状态，但流动性差，摩擦损失增加。应选择合适的粘度。 冷却介质的温度实际上影响润滑油的温度，继而影响粘度，温度太高或太低都不适合。,八、热平衡,热平衡表示热

39、量分配情况。只有了解热量损失所在，才能进一步去减少它或设法利用它。热平衡通常是由试验确定。,发动机实际循环与理论循环的比较,汽油机,柴油机,上图给出四行程非增压发动机示功图与理论循环的比较。其差别由以下几项损失引起。 1）实际工质的影响 理论循环中假设工质比热容是定值，而实际气体比热是随温度上升而增大的，且燃烧后生成CO2、 H20等气体，这些多原于气体的比热容又大于空气，因之循环的最高温度降低。加之实际循环还存在泄漏，使工质数量减少。因此，由于实际工质的影响，实际循环效率和Pi小于理论循环的效率和Pi。,热平衡,1.实际循环热平衡,2）换气损失 为了使循环重复进行，必须更换工质，由此而消耗的

40、功称为换气损失，如图中Wr所示。其中，因工质流动时需要克服进、排气系统阻力所消耗的功，称为泵气损失，如a图中曲线rabr所包围的面积。因排气门在下止点前提前开启而产生的损失，如图中面积W所示。,3）燃烧损失,（1）实际循环中燃料燃烧需要一定的时间，所以喷油或点火在上止点前，并且燃烧还会延续到膨胀行程由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失，如图中Wz所示。 （2）实际循环中会有部分燃料出于缺氧产生不完全燃烧损失。 （3）在高温下部分燃烧产物分解而吸热，即 使循环的最高温度下降。,热平衡,1.实际循环热平衡,4） 传热损失,实际循环中，气缸壁(包括气缸套、气缸盖、活塞、活塞环、气门、喷油器等)和工质间自

41、始至终存在着热交换，使压缩、膨胀线均脱离理论循环的绝热压缩、膨胀线，造成损失，如图中Wb所示。,八、热平衡,热平衡表示热量分配情况。只有了解热量损失所在，才能进一步去减少它或设法利用它。热平衡通常是由试验确定。,发动机实际循环与理论循环的比较,汽油机,柴油机,2.发动机的热平衡,热平衡,2.发动机的热平衡,发动机热平衡是热量表现为有效功及各项损失的分配情况。发动机热平衡通常按下列方法由试验确定。 1) 发动机所消耗的燃油可产生的热量QT(kJ/h) 在发动机中，热量是由燃料燃烧而产生，若测得发动机每小时的耗油量B(kgh)，设燃料完全燃烧，则每小时所放出的热量Qr为,2) 转化为有用功的热量Q

42、E(kJ/h),若测得发动机有效功率Pe，1kWh=3.6103kJ 则：Qe=3.6103Pe,热平衡,2.发动机的热平衡,这部分热量中包括：实际循环中工质与缸壁的传热损失；废气通过排气道时，传给冷却介质的热量；活塞与缸壁摩擦产生又传给冷却介质的热量以及润滑油传给冷却介质的热量等。 Qs=Gscs(t2-t1) 式中： Gs-通过发动机冷却介质每小时的流量(kg/h)； cs-冷却介质的比热容kJ/(kg)； t1、t2-冷却介质的入口和出口温度()。,3）传给冷却水、缸壁的热量QS(kJ/h),4）废气带走的热量QR(kJ/h),QR=(B+Gk)(cprt2-cpkt1) 式中： B、Gk-每小时消耗的燃料量和空气量(kg/h)； cpr、cpk-废气和空气的定压比热容kJ/(kg)； t2-靠近排气门处的废气温度()； t1-进气管入口处工质的温度()。,5) 不完全燃烧的损失热量QB(kJ/h),在汽油机中，因采用空气不足的浓混合气，在柴油机中，因空气和燃料混合不均，均可产生不完全燃烧。近似计算为,6) 其它热量损失QL(kJ/h),它包括所有未计及的损失。由于不能分别给予它们准确的估计，所以一般只根据下式确定其总值 QL=QT-(QE+Qs+QR+QB),热平衡,2.发动机的热平衡,