第三章 内燃机的工作指标与性能分析
3-1
内燃机的工作指标是指内燃机处于正常运行状态下, 描述
和表征内燃机性能和工作状态的一组参数 。
一, 标定性能的主要指标
标定工况, 是指内燃机在标准大气条件下, 其动力性能和
经济性能达到设计指标时所处的运行状态 。
标定性能指标是指在标定工况下表征内燃机工作性能的主
要指标,比如,
标定功率 ―― 标定工况下内燃机发出的功率 。
标定转速 ―― 标定工况下内燃机相应的曲轴转速 。
标定油耗率 ―― 标定工况下内燃机发出单位功率所消耗的
油量 。
比质量 ―― 单位标定功率下内燃机所具有的质量 。
比容积 ―― 单位标定功率下内燃机所具有的容积 。
比质量和比容积是用以评价、比较内燃机轻重、紧凑、设
计合理性的重要指标。
大修期 ―― 指从新机开始使用至第一次进行大修或二次大
修之间内燃机累计运行的时间 。 是表征内燃机可靠性与寿命的
重要指标 。
二, 驱动扭矩和驱动功率
用测功器可测出某一工况下内燃机输出的扭矩或驱动扭矩
Me（ 见图 3-1） 。
Me = Pb
图 3－ 1 测功器示意图
用转速仪可测出同一工况下内燃机的转速, 则内燃机输出
的有效功率或驱动功率为
Ne =2πnMe/103 / 60 (3-1)
三, 循环指示功率
图 3-2所示的是内燃机的 p-V曲线图 。 每缸每循环的指示功
Wi可沿封闭曲线进行积分获得,即
(3-2)
也就是图中封闭曲线围成的面积 。
对于二冲程机 (图 3-2(a)),单缸循环指示功 Wi就是阴影面积,
对于四冲程机, 单缸循环指示功 Wi就是,
图 3-2（ b） 阴影面积 A＋ C,即为压缩膨胀冲程传递给活塞的
功 。
图 3-2（ c） 阴影面积 (A+C)－ (B+C),即为四个冲程传递给活
塞的功 。
B＋ C为泵气损失 。 对非增压机, B＋ C为负功, 对增压机, B
＋ C为正功 。
?? p d VW i
图 3-2 p-V
(a)二冲程发动机； (b)四冲程发动机； c)部分负荷下四冲程汽油机
进气和排气行程 (泵气回路 )
Z
nWN i
i
2
1?
单缸指示功率为,
(3-3)
式中, Z—— 动作系数 (也称为活塞行程数 ),对于四冲程
机, Z=4；对于二冲程机, Z=2; 对于二冲程双动机, Z=1。
这个功率称为指示功率, 即缸内工质作用于活塞的功率,
与驱动功率的不同之处在于, 它包含了克服内燃机摩擦和带动
辅助机械所消耗的功率以及泵气功率 。
四, 道路功率
指车用内燃机为克服汽车轮胎滚动摩擦阻力和车辆气动阻
力所消耗的功率 。 道路功率的近似计算式为,
（ 3-4）
AAADaARr vvFfgmfN ??
??
?
? ?? 2
2
1 ?
式中, fR—— 滚动阻力系数, 凭经验确定 (0.012＜ fR ＜
0.015） 3;mA—— 车辆质量； g—— 重力加速度； 环境空气密
度； fD—— 气动阻力系数, 凭经验确定 (对于汽车,0.3＜ fD
≤0.5)3 ; fA— 车辆最大横截面积； vA—— 车辆速度 。
五, 平均指示压力
MPa, 即为单位气缸工作容积所作的指示
功, 代入式 (3-3),可得
MPa （ 3-6）
六, 油耗率 gi与效率
gi--表示内燃机每小时每单位指示功率所消耗的燃料量 。
g/kW?h （ 3-7）
a?
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mg
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310
2
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ZNp
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i
i
－每循环内燃机所作的功与每循环供给的燃料燃烧所释
放能量之比
（ 3-8）
七, 空燃比和燃空比
空燃比 A/F= (3-9)
燃空比 F/A= (3-10)
mL －每循环进入气缸的 空气质量,
mf －每循环喷入气缸的燃料量 。
对于汽油机, A/F＝ 12～ 18,F/A= 0.056～ 0.083,
对于柴油机, A/F＝ 18～ 70,F/A= 0.014～ 0.056。
八, 容积效率 (充气效率 ) η V
η V定义为每循环空气进入进气系统的容积流量 mL除以被
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L
m
m
L
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m
活塞置换容积的速率。
或者表示为 （ 3-11）
九, 比排放量
比排放量定义为单位时间, 单位输出功率内燃机排出污染物的
质量流量, 单位为 mg/(kW·h)。
十, 增压压力 PK与增压比 π k
PK,在环境状态下, 空气经压气机压缩后压气机的出口压力或
进入气缸前的压力 。
π k：在环境状态下, 空气经压气机压缩后的出口压力比上环
境压力 。
十一, 机械效率
,内燃机输出的有效功率比上指示功率
m?
m?
ss
L
S
L
V V
m
m
m
?? ??nVm
ss
L
V ??
?2?
（ 3-13）
3-2 内燃机的指示参数
内燃机的指示参数是用以表征燃料燃烧释放出来的热能转变
为机械能完善程度的一组参数, 只考虑了气缸内因燃烧不完全
和传热等方面所引起的热量损失, 而没有考虑各运动副间所存
在的摩擦损失, 泵气损失和辅助机械损失等 。
内燃机的指示参数主要包括内燃机的平均指示压力 pi,指示
功率 Ni,指示效率 ηi以及指示油耗率 gi,下面主要讨论这几个参
数 。
一, 平均指示压力 pi和指示功率 Ni
1,平均指示压力 pi
以一个假想的数值不变的气体压力作用在活塞上, 在一个
膨胀行程内所获得的功与一个工作循环的指示功 Wi相等, 这个
假想的压力就称为平均指示压力 pi。 如图 3-3所示 。
i
m
me
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i
e
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N
NN
N
N
N ??
??? 1?
图 3-3 求平均指示压力 pi的示意图
每循环每缸所作指示功为,
kJ
m3 于是,
MPa （ 3-14）
由式 (3-14)可以看出, 平均指示压力就是内燃机在一个工作
循环中每单位气缸工作容积 (即活塞排量 ),活塞所获得的指示
功, 即 。 这样, 平均指示压力 pi就与气缸的容积大小无关了 。
pi愈高, 表示单位气缸工作容积所作的指示功愈多, 气缸工作
容积的利用率也愈高 。 同时, 平均指示压力 pi也是衡量内燃机
实际作功能力大小的一个很重要的性能参数, 也基本上表征了
310?? sii VpW
SDV s 24??
310 ???
s
i
i V
Wp
s
iVW
内燃机的强化程度和工作循环各阶段进行的完善程度。
在各种类型内燃机中, 标定工况下的 pi
非增压汽油机 pi=0.4～ 1.2MPa
增压汽油机 pi=0.9～ 1.5 MPa
非增压四冲程柴油机 pi=0.75～ 1.2 MPa
增压四冲程柴油机 pi=1.2～ 3.0 MPa
非增压二冲程柴油机 pi=0.5～ 0.9 Mpa
增压二冲程柴油机 pi=1.0～ 2.2 MPa
煤气机 pi =0.6～ 1.4 MPa
2,指示功率 Ni
每单位时间内作用于活塞上的指示功称为内燃机的指示功
率 Ni,即
kW （ 3-15）
式中,z为动作系数, 四冲程机, z＝ 4；二冲程机, z＝ 2；二冲
程双动机, z＝ 1。
双动机活塞上方的气缸工作容积为 Vs, 下方容积应减去活
塞杆所占的容积, 后者约为 11～ 12％ Vs,以 11％ Vs计算, 则二冲
程双动机每个气缸的平均工作容积为,
式 （ 3-15） 可写为
kW （ 3-16）
ss VV 945.0)89.01(2
1 ??
2
3
10
3
2
60
10
z
niVp
z
niVpN sisi
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isi
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niVpN 5.3110
3
9 4 5.0 2 ????
为了分析 pi,Ni与工作循环中各参数间的相互联系, 分析影
响因素, 下面建立数学表达式 。
计算整台内燃机每小时的耗油量可以用以下两式计算,
kg/h (3-17)
kg/h (3-18)
g/kW.h
整机每小时空气耗量
kg/h
iifh Ngm ?
Lmm Lfh /?
ui
i Hg ?
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3103 6 0 0
2
60
z
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ρs：进气管状态下空气密度, kg/m3,kg空气 /kg燃料 ；
kg空气 /kg燃油 （ L'o,kmol空气 /kg燃料 ） 。
由 （ 3-17）, （ 3-18） 得,
(3-19)
将 gi,Ni,mL及 L'代入上式, 整理后得,
(3-20)
将上式代入 （ 3-15）, 化简得,
kW (3-21)
二, 影响 pi与 Ni的因素
1.影响内燃机平均指示压力 pi的因素,
(1)增压度 pk
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3
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1
oo LL 95.28` ?
`oLLii LmLmNg ????
当 α一定时,pk↑ ps↑ ρs↑ pi↑，可见 p增 >pi非
对特定的发动机，因受热负荷与机械负荷的限制，用提高 pk来提高
pi也有一个限度
（ 2）过量空气系数 α,当每循环供油量不变时,pk↑ α ↑ AF↑ 。
在 α≤2以前, 随着 α的增大, 混合气中的氧气成分增加, 可促进燃
烧的改善, pi值也随着 α值的提高而有所提高 。
当 2.6≥α＞ 2时, 随着 α的提高, 混合气逐渐变得比较稀薄, pi的
增加就变得很缓慢 。
到 α＞ 2.6后, α↑ 燃烧速度 ↓ 后燃 ↑ ηi↓ pi↓。
（ 3） 换气质量 ηv
内燃机的换气质量愈好 → ηv ↑→ 残余废气愈少, 气缸中新鲜充量填
充愈充足, → 燃烧速度 ↑ → 热利用系数 ζz↑ → ηi↑ → pi↑。
（ 4） 油气混合的完善程度
?d
dx
?
?
?
?d
dx ??
? ? ?
柴油机燃油空气混合的完善程度愈高，完全燃烧所需的 α ↓
→ pi ↑ 。但 α值也不能太小，太小使气缸热负荷 ↑, ge ↑ 。
(5) 燃烧完善的程度 ηi
燃烧完善 → → ↑放热持续期 ↓ → 等容度 ↑ → 热利用系数 ζz↑
→ ηi ↑ → pi↑。
2,影响 Ni的因素
由 （ 3-15） 式知, 凡提高 pi的途径, 均有利于提高 Ni；另
外, Vs↑,i↑ Ni↑,减少 z → Ni↑。
三, 指示效率 ηi及指示油耗率 gi
1.指示效率 ηi
每循环所做指示功的热量比上循环供油量的热量, 即
?d
dx
uf
i
i Hm
W
cyc
??
（ 3-11）
2,指示油耗率 gi
内燃机每小时发出 1kW指示功率时所消耗的燃 油 量，即,
g/kW.h （ 3-12）
或 g/kW.h （ 3-12`）
将（ 3-11）代入上式并整理得
g/kW.h （ 3-13）
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10
5
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由 （ 3-12`） 可以清楚看出 gi与 ηi反比, ηi越高, gi越少, 反之亦
然 。
1.影响 η i和 gi的因素
改写 （ 3-11） 式得,
上式右端给出了 η i与循环参数的关系 。 由上式知,
① 当功一定 （ piVs一定 ） 循环供油量 mfcyc ↓ → η i ↑,这
说明作同样的功, 耗了更少的燃料, 热量利用高 → η i ↑。
② 当 mfcyc 一定, piVs↑ → ηi ↑,这说明消耗相同的燃料,
做功多了, 热量利用高 → ηi ↑。
热量利用的好坏主要与燃料热能释放的好坏, 热量转换成
指示功的有效程度及热损失相关 。
s
s
v
isi
i
T
p
pC
g
VpC
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? ???? 21
a,
它与混合气形成的好坏相关, 一般空气足够, 油气混合均匀,
燃料中的热能就能较好的释 放出来 → η i ↑
混合气形成的好坏与燃油系统, 燃烧室形状, 空气涡流运动
及足够空气相关 。
b,热能转换的有效程度
在内燃机燃烧过程中, 燃油热能的释放是按一定规律 进行
的, 如果放热持续期短, 等容度高 （ 在上止点附近放热多 ）, 那
么有效利用率就高, 热能转变成机械能的有效程度就大, 反之亦
然 。
c,热量损失的大小
热量释放与转换的损失已包含在 a,b中, 这里主要是考虑冷
却介质的传热损失, 但在实际发动机中, Tw ＝ 75～ 85° C较好, 太
低 Qw↑ → η i ↓,太高 → η i ↓燃烧变坏 → Tr ↑ → η i ↓。
?d
dQ
关于影响 gi的因素，由 η i知，它们互为倒数，影响 η i的因
素就是影响 gi的因素，只是增加 η i, gi则应减少。
3-3 内燃机的机械损失及机械效率
一, 机械损失功率 Nm
在内燃机工作过程中, 经曲轴输出的有效功率 Ne总小于活塞
所获得的指示功率 Ni,其差值为机械损失功率 Nm,即
Ni－ Ne＝ Nm
而有效功率比上指示功率即定义为机械效率, 即
(3-14)
现代内燃机的机械效率一般在下列数值范围之内 （ 见 P45）
非增压四冲程柴油机 ηm =0.75～ 0.80
i
m
i
mi
i
e
m N
N
N
NN
N
N ????? 1?
增压四冲程柴油机 ηm =0.80～ 0.92
非增压二冲程柴油机 ηm =0.70～ 0.80
增压二冲程柴油机 ηm =0.75～ 0.90
四冲程汽油机 ηm =0.70～ 0.85
煤气机 ηm =0.75～ 0.80
由上可知，增压比非增压的 ηm高，因为增压泵气功为正。
机械损失功率由下面几部分组成,
Nm＝ Nmf＋ Np＋ Nk＋ Nau
Nmf：摩擦损失功率,
Np：泵气损失功率, pk>pr为正, pk<pr为负 。
Nk：机械增压压气机或扫气泵消耗的功率
Nau：辅助机械损失功率（包含：燃油泵、机油泵、水泵、发
电机等）。
对应于机械损失功率 Nm引入平均机械损失压力 pm，在数值上
它等于各部分机械损失压力的总和。
下面以一部小型高速柴油机机械损失分配的试验数据为例，
这部高速柴油机转速为 1600r/min,pe为 0.82MPa,pi为 0.986MPa，
pm为 0.17MPa
活塞及活塞环摩擦损失为 0.50pm
曲轴连杆轴承摩擦损失为 0.24 pm
泵气损失为 0.14 pm
辅助机械损失为 0.06 pm
传动机构及其他损失为 0.06 pm
机械损失 pm =0.17MPa，而 pi =0.986MPa，故 pm =0.172pi
可见，活塞及活塞环与缸套的的摩擦损失最大，其次是曲柄
连杆轴承的摩擦损失，泵气损失第三，其它二项损失较少 。
二, 机械损失功率的测定
比较精确地测定机械损失功率的数值, 寻求降低机械损失
的途径, 对发展新的内燃机或改进已有内燃机都是十分重要的,
目前常用的测量方法主要有倒拖法, 灭缸法及油耗线法 。 这些
方法都只能近似地求出 Nm,各有其不足 。
1,1,倒拖法
用电力测功器测定 。
方法,① 发动机在给定工况下稳定运行, 待 T水 和 T油 达正常后,
测定 Ne。
② 停机切断发动机的供油, 并立即将电力测功器转换为
电动机, 以给定工况下的转速倒拖发动机, 保持 T水, T油 相同,
这时电力测功器上的倒拖功率即为给定工况下发动机的 Nm。
③ 由 Ne＋ Nm＝ Ni，得
或
此法最简单, 方便 。 但内燃机在着火运转和不着火倒拖的情
况下, 其摩擦损失功率和泵气损失功率二者存在较大的差别,
① 着火运转时缸内压力较高, 摩擦副表面受力大些, 着火的
Nmf>不着火的 Nmf。
② 着火运转时, 高温, 高压的废气自排气阀急速的派出, 排
气背压比非着火时低, 泵气损失小 。 非着火时, 排出的是空气,
温度低, 比重大, 排气速度低, 背压高, 泵气损失比着火时大 。
③ 拖动状态下, 压缩膨胀过程中工质传热损失不一样, 压缩
和膨胀线不重合, 也增加了部分损失 。
me
e
m NN
N
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ime pp ??p
me
e
m pp
p
???
所以倒拖法测得的 Nm比实际高 (15～ 20)％, 因此, 在使用
此法时, 对于采用空气旋流较低的直接喷射式燃烧系统的柴油
机, 可以从测得的 pm中减去 0.0137MPa,对于采用空气旋流较
高, 压缩比较高以及分隔式燃烧系统的柴油机, 可以从测得的
pm值中减去 0.0343MPa,这样得到的 pm值比较接近实际数值 。
倒拖法在多缸高速小型内燃机上是最常用的方法, 特别是比
较小的汽油机, 用此法较准 。
2,灭缸法
此法适用于多缸机, 使用轮流停缸工作法 。
当内燃机调整到给定工况下稳定运行之后, 用测功器测出其
有效功率 Ne,以柴油机为例, 在固定喷油齿条位置不变 （ 即每
缸喷油量不变 ） 的情况下, 停止向一缸供油, 柴油机转速下降
,然后迅速调整测功机负荷, 使转速复原, 再测出断这缸供油
后柴油机的有效功率, Ne－ 之差即为断油气缸的指示功率
,即
`eN`eN
? ? ? ? xeexi NNN `?? (3-15)
如果从第一缸起，顺序将各缸断油，求出各缸的指示功率，它
的总和就是柴油机的整机指示功率 Ni，即
（ 3-16）
灭缸法与倒拖法有相同之处, 误差原因一样, 但灭缸法一次只
灭一缸, 倒拖法则整机全灭缸, 因此, 灭缸法比倒拖法精确度高
些 。
倒拖法, 灭缸法因使排气压力脉冲发生变化, 改变排气能量,
所以对排气涡轮增压柴油机不适用 。
3,油耗线法
此法适用于各种内燃机 。
方法：测定给定转速下的负荷特性 。
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xeei NNN
1
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mei NNN ??
负荷特性测定：在给定转速（ n不变）下，通过调整油门保持 n
，改变负荷，测定不同功率与油耗。
在坐标纸上画出以每单位时间的整机油耗量 mf（ kg/h）为纵
坐标，以有效功率（或 pe）为横坐标画出油耗曲线，这一油耗
线在低负荷接近空载时是直线，顺着直线部分向纵坐标方向作
延伸线，并与横坐标线的零点左方相交，如图 3－ 4所示。从坐
标零点到这一交点的长度 (用横坐标上 Ne或 pe相同的比例计算 )，
即近似地代表机械损失功率 Nm（或机械损失平均有效压力 pm）
。但是，并不是所有柴油机的油耗线都是完全直线，这是产生
误差的原因。
用油耗线法测量机械损失功率是基于这样一种假定：就是内
燃机的机械损失功率 Nm（ 或机械损失压力 pm） 以及指示热效率
ηi是只随转速 n的变化而与负荷变化无关的 。
图 3-4 16V240/275ZL型柴油机用油耗线法测量机械损失功率图
三, 影响 机械损失功率及机械效率的因素
1,增压 ↑ → η i ↑ （ 一般 ）
① 废气涡轮增压,
当 pk↑ → Ni↑ （ 含泵气功为正因素 ） → pz↑, 采用降低等措施
后可使 pz增加幅度 <Ni增加幅度 → Nm↓ → ↑ 。
机械增压,Ni的增减视压比的高低，由泵气功与压气机耗功之和
而定。一般低增压的 ↑,高增压的 ↓ 。
增压后 →
若发动机 n不变, 上述几项影响, Nm与非增压大体相当, 但因 Ni
↑,涡轮增压与低压比机械增压的 ↑,
2,转速 n及活塞平均速度 Cm
m?
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m
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轴承冲击负荷燃烧较为柔和
粘性阻力oT
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m
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Q
NN,,?
?
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，润滑油粘性阻力每循环
，扫气泵）（二冲程机的压气机、，（非增压） pmf
m
NNCn
3,负荷
与增压类似, 一般 n不变, 负荷 ↑ 不会有多大变化, 但
4,润滑油温度 Toil与冷却水温度 Tw
但
所以, Toil, Tw 一般确定在一定范围, 如 85oC左右 。
5,气缸尺寸及数目
当 Cm,pz不变, D ↑, S ↑
??? miN ?
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燃烧变差发动机过热过高
过高o i l
m f m
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i
N
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?? ? ???
摩擦面积 面容比
3-4 内燃机的有效参数
内燃机的有效参数包括平均有效压力 pe,有效功率 Ne,有效
效率 η e及有效油耗率 ge。 它们与指示参数的不同之处就是除指
示参数考虑的热力损失外, 还考虑了机械损失, 它们的关系为
,
Ne=Ni-Nm=Niηm
ge=gi/ηm
前面讨论了影响指示参数的因素, 影响有效参数的因素除包
括指示参数外, 还应加上影响机械效率的因素 。 这些前面都讨
论了 。
3-5 内燃机的强化指标与强化分析
一, 内燃机的强化指标 —— 升功率 NeL和活塞功率 Nek
单位气缸工作容积 (1L)内燃机所具有的标定功率称为内燃机
的升功率 NeL。
mimie pppp ????
(3-46)
由上式知, 发动机的升功率取决于 pe,n与 m。
单位活塞总面积 (1m2)上内燃机所具有的标定功率称为活塞功率
Nek。
（ 3-47）
把活塞平均速度 Cm（ ） 代入上式, 得
称为强化系数, 也被用作发动机承载或强化的指标 。
为分析影响发动机升功率的各种因素, 将 （ 3－ 37） 代入 （ 3
－ 46） 和 （ 3－ 47） 得
z
np
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NN e
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1
SnzLHN svmi
o
u
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?1
30
1
kW/L (3-53)
kW/m2（ 3-54）
二, 按升功率强化内燃机的分析
从式 (3－ 53)可知, 提高升功率 NeL取决于下列因素：内燃机
的动作系数 z,发动机转速 n,乘积 ηvρs（ 表示压缩始点缸中新鲜
空气的数量 ）, 机械效率, 比值 (表示燃烧过程进行的质量 )。
1,采用二冲程循环
2,提高 n
但
?
?i
??? eLN7.15.1 倍～功率的是相同参数的四冲程机
?? eLN
?
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???
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基本不变
如配气相位不变，则
机械应力运动件的惯性力
?
?
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?
i
v
m
n
近年来为了提高发动机的经济性和可靠性，常降低转速，
采用增压办法。
3,提高
③
4,减少 α，提高 ηi
组织好油气混合, 就能更完全及时燃烧,
使
5,增大压缩比 ε 以提高 η i
①
② 化油器式发动机压缩比
③ 对化油器式发动机，随,启动变得困难,
m??? 和sv
?????
?
???
??
??
eLm
sv
sv N?
??
??
②利用强制增压
动效应①利用进排气系统的气
???? eLsv N可多喷油??
???? eLi N??,
上升的幅度下降。升到一定程度，，当当 ii ???? ???
??
???
?
???
eL
i
N
??? 较低，当
?? mN，?
且必须提高燃烧的辛烷值，这些 决定了在目前将 ε控制在 12以
下，为保证非爆震燃烧，对这类增压机不仅不能增加 ε，反而
要减小 ε。
④ 柴油机, ε是保证可靠起动及零件所能承受的机械负荷
这两个条件为出发点来选定的 。 ε太高, 对非增压机, 不仅不
会提高 Nel,还会因 Nm上升 → Nel ↓,对增压机, 增大增压压力
pk,还需降低 ε,使 pk与 ε协调, 这样才能使 NeL提高,
6,在化油器式内燃机中改用燃油直接喷射
三, 采用增压强化内燃机的分析
增压是最有效的提高 NeL的措施, 但增压后需考虑以下几
个因素,
1,增压压力 pk与机械负荷 pz
??????? eLNv 多喷油进气阻力采用直接喷射 ?
2,
随着, 与机械应力增大的同时, 因单位工作容积放热
量增加, 使气缸盖, 气门, 气缸, 特别是活塞的温度梯度增大
,热应力也增大；这对内燃机的工作是不利的 。 因此, pz与热
应力是 限制 的主要因素 。
在为了提高升功率 Nel而提高 pk的同时, 必须限制 pz,Tmax
及零件中的温度梯度 。 可以采取,
① 增大扫气重叠角，用扫气空气冷却受热零件。此法不能
用在四冲程化油器式发动机中，扫气会把部分燃料流失到排气
系统中去一部分
?kp
?kp
?? eg
活塞。殊措施，如可变压缩比，起动困难，须采用特当；大致不变，避免下，保持，可在限制～＝当
及混合气形成方式等。，选用适当的喷油特性，减小喷油提前角，常采用降低为限制
11~10
g
d
dp
p1110
p
,
ez
z
?
?
???
?
?
?
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zk pp
② 在 pk>0.15MPa，压气机后空气温度升高 55～ 60K以上时，
可采用空气冷却的办法
但依靠冷却空气提高 α降低零件温度比依靠提高 pk来增大 α来
降低零件温度效果好。
③ 除了用热交换器来冷却空气以外, 还可用空气涡轮, 喷水
(蒸发冷却 )及按照米勒循环的内部冷却来冷却空气 。
米勒循环是压气机后的空气压力 pk大于获得内燃机 Ne所必需
的 pk 。在活塞到达下止点前 40℃ A～ 50℃ A内停止进气。当活塞
向下止点运动时，充量膨胀，使降到发出 Ne所必需的 pk 。结果
就减低了 Ta → 热应力下降。
3,供油与燃烧过程的组织
① 合理选择供油规律，使着火延迟期内的供油量少，而在
下一阶段供入其余燃油，也即采用分级喷射 ;
??????????????? askas TpT ???? ；另外，也可采用循环平均温度
② 选择混合气形成条件和燃烧室结构 ;
③ 减少供油提前角，使燃烧过程适度后移。若在很高 pk下，
大部分燃料在膨胀期间进行 。
4,pk的最佳化
⑴ 机械增压发动机（见图 3-14） （增压压力有一最佳值）
当 ↑ （曲线 3,4中 A1,A2点左边情况）
当进一步升高 （曲线 5） （曲线 3中 A1点右边
情况）,pk在 A1点（满负荷）、在 A2点（部分负荷）获得 Nemax，
因此，机械增压压比有一最佳值，当高于此值,Nk的增长 >Ne
的增长,在极端情况下如 pk1,pk2 时,Ne＝ 0，即发动机发出的有
效功全用在驱动压气机上（ B1,B2点）。
较佳的 pk值,
容积式罗茨压气机的发动机,MPa
离心式压气机的发动机, MPa
NeNp kk,???
??? kk Np ?? eN
16.0~1 5 5.0?kp
25.0?kp
图 3－ 14 发动机功率 Nｅ,压气机功率 Nｋ,增压压力 pk的关系
1及 2－－满供油及部分供油的情况下功率（ Nｉ － Nｍ ）
3及 4－－满供油及部分供油的情况下的功率 Nｅ
5－－功率 Nｋ
⑵ 涡轮增压发动机
相对发动机的 Ni而言,NT－ Nk很小，且 时,NT－ Nk变
化也很小。 Ne随有关参数的变化与 Ni相同。
⑶ 复合式发动机
涡轮增压器与曲轴相连 。
① 当
② 当 与 较小时 （ 为 ＝ ＝ 0.6时 ）, 随
例,＝ ＝ 0.6,pk 从 0.6MPa升至 0.78MPa,pz＝ const,Ne只
提高 2％，而 ge却增加了 12％。
?kp
? ? 增长增长增长快比时，随 ieikTk ggN ??????? NNp7.0 Tk??
k? T?
? ? ???? eNTk Np
k? T?
增大增大的增长的增长 iie gNN ??? eg
k? T?
3-6 热平衡
燃料在内燃机中燃烧时所放出的热量,20－ 45％ 左右转变为
有效的机械功, 其余的热量却以不同的形式损失掉了 。
1,热平衡方程式
kJ/h
式中,QT：燃料在气缸中完全燃烧发出的总热量；
Qe：转变为有效功的热量； Qw：冷却介质带走的热量；
Qr：排气带走的热量； Qb：燃料不完全燃烧带走的热量
（ 约为 1％ ） ； Qs：其它损失的热量 。
2,热平衡的各项热量的确定
见书上的解释。
3,热平衡图
主要有三个流向,
① 指示功的热量 （ 有效功热量 Qe, 机械摩擦损失的热量 Qm、
驱动附件的热量和因辐射而散失到大气中的热量 ） ；
② 冷却水带走的热量 Qw ；
T e w r b sQ Q Q Q Q Q? ? ? ? ?
③ 排气带走的热量 Qr；
热平衡以发动机的型式, 运转工况的不同而不同, 下面举
个例子作为参考,
① 增压后，利用了一部分废气能量，热效率 ；
②,
增压与非增压柴油机的热平衡
项目
柴油机
非增压
增压
有效功热量 Qe
36％
37％
冷却水带走的热量
25％
15.5％
润滑油带走的热量
3.3％
3％
废气及其它损失带走的热
量 Qrs
35.7％
44.5％
wQ
oilQ
t??
wtQ ?? ? ? ?绝热
3-1
内燃机的工作指标是指内燃机处于正常运行状态下, 描述
和表征内燃机性能和工作状态的一组参数 。
一, 标定性能的主要指标
标定工况, 是指内燃机在标准大气条件下, 其动力性能和
经济性能达到设计指标时所处的运行状态 。
标定性能指标是指在标定工况下表征内燃机工作性能的主
要指标,比如,
标定功率 ―― 标定工况下内燃机发出的功率 。
标定转速 ―― 标定工况下内燃机相应的曲轴转速 。
标定油耗率 ―― 标定工况下内燃机发出单位功率所消耗的
油量 。
比质量 ―― 单位标定功率下内燃机所具有的质量 。
比容积 ―― 单位标定功率下内燃机所具有的容积 。
比质量和比容积是用以评价、比较内燃机轻重、紧凑、设
计合理性的重要指标。
大修期 ―― 指从新机开始使用至第一次进行大修或二次大
修之间内燃机累计运行的时间 。 是表征内燃机可靠性与寿命的
重要指标 。
二, 驱动扭矩和驱动功率
用测功器可测出某一工况下内燃机输出的扭矩或驱动扭矩
Me（ 见图 3-1） 。
Me = Pb
图 3－ 1 测功器示意图
用转速仪可测出同一工况下内燃机的转速, 则内燃机输出
的有效功率或驱动功率为
Ne =2πnMe/103 / 60 (3-1)
三, 循环指示功率
图 3-2所示的是内燃机的 p-V曲线图 。 每缸每循环的指示功
Wi可沿封闭曲线进行积分获得,即
(3-2)
也就是图中封闭曲线围成的面积 。
对于二冲程机 (图 3-2(a)),单缸循环指示功 Wi就是阴影面积,
对于四冲程机, 单缸循环指示功 Wi就是,
图 3-2（ b） 阴影面积 A＋ C,即为压缩膨胀冲程传递给活塞的
功 。
图 3-2（ c） 阴影面积 (A+C)－ (B+C),即为四个冲程传递给活
塞的功 。
B＋ C为泵气损失 。 对非增压机, B＋ C为负功, 对增压机, B
＋ C为正功 。
?? p d VW i
图 3-2 p-V
(a)二冲程发动机； (b)四冲程发动机； c)部分负荷下四冲程汽油机
进气和排气行程 (泵气回路 )
Z
nWN i
i
2
1?
单缸指示功率为,
(3-3)
式中, Z—— 动作系数 (也称为活塞行程数 ),对于四冲程
机, Z=4；对于二冲程机, Z=2; 对于二冲程双动机, Z=1。
这个功率称为指示功率, 即缸内工质作用于活塞的功率,
与驱动功率的不同之处在于, 它包含了克服内燃机摩擦和带动
辅助机械所消耗的功率以及泵气功率 。
四, 道路功率
指车用内燃机为克服汽车轮胎滚动摩擦阻力和车辆气动阻
力所消耗的功率 。 道路功率的近似计算式为,
（ 3-4）
AAADaARr vvFfgmfN ??
??
?
? ?? 2
2
1 ?
式中, fR—— 滚动阻力系数, 凭经验确定 (0.012＜ fR ＜
0.015） 3;mA—— 车辆质量； g—— 重力加速度； 环境空气密
度； fD—— 气动阻力系数, 凭经验确定 (对于汽车,0.3＜ fD
≤0.5)3 ; fA— 车辆最大横截面积； vA—— 车辆速度 。
五, 平均指示压力
MPa, 即为单位气缸工作容积所作的指示
功, 代入式 (3-3),可得
MPa （ 3-6）
六, 油耗率 gi与效率
gi--表示内燃机每小时每单位指示功率所消耗的燃料量 。
g/kW?h （ 3-7）
a?
310 ???
s
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mg
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310
2
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ZNp
s
i
i
－每循环内燃机所作的功与每循环供给的燃料燃烧所释
放能量之比
（ 3-8）
七, 空燃比和燃空比
空燃比 A/F= (3-9)
燃空比 F/A= (3-10)
mL －每循环进入气缸的 空气质量,
mf －每循环喷入气缸的燃料量 。
对于汽油机, A/F＝ 12～ 18,F/A= 0.056～ 0.083,
对于柴油机, A/F＝ 18～ 70,F/A= 0.014～ 0.056。
八, 容积效率 (充气效率 ) η V
η V定义为每循环空气进入进气系统的容积流量 mL除以被
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uf
i
uf
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H
n
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2
2
2
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L
m
m
L
f
m
m
活塞置换容积的速率。
或者表示为 （ 3-11）
九, 比排放量
比排放量定义为单位时间, 单位输出功率内燃机排出污染物的
质量流量, 单位为 mg/(kW·h)。
十, 增压压力 PK与增压比 π k
PK,在环境状态下, 空气经压气机压缩后压气机的出口压力或
进入气缸前的压力 。
π k：在环境状态下, 空气经压气机压缩后的出口压力比上环
境压力 。
十一, 机械效率
,内燃机输出的有效功率比上指示功率
m?
m?
ss
L
S
L
V V
m
m
m
?? ??nVm
ss
L
V ??
?2?
（ 3-13）
3-2 内燃机的指示参数
内燃机的指示参数是用以表征燃料燃烧释放出来的热能转变
为机械能完善程度的一组参数, 只考虑了气缸内因燃烧不完全
和传热等方面所引起的热量损失, 而没有考虑各运动副间所存
在的摩擦损失, 泵气损失和辅助机械损失等 。
内燃机的指示参数主要包括内燃机的平均指示压力 pi,指示
功率 Ni,指示效率 ηi以及指示油耗率 gi,下面主要讨论这几个参
数 。
一, 平均指示压力 pi和指示功率 Ni
1,平均指示压力 pi
以一个假想的数值不变的气体压力作用在活塞上, 在一个
膨胀行程内所获得的功与一个工作循环的指示功 Wi相等, 这个
假想的压力就称为平均指示压力 pi。 如图 3-3所示 。
i
m
me
e
i
e
m N
N
NN
N
N
N ??
??? 1?
图 3-3 求平均指示压力 pi的示意图
每循环每缸所作指示功为,
kJ
m3 于是,
MPa （ 3-14）
由式 (3-14)可以看出, 平均指示压力就是内燃机在一个工作
循环中每单位气缸工作容积 (即活塞排量 ),活塞所获得的指示
功, 即 。 这样, 平均指示压力 pi就与气缸的容积大小无关了 。
pi愈高, 表示单位气缸工作容积所作的指示功愈多, 气缸工作
容积的利用率也愈高 。 同时, 平均指示压力 pi也是衡量内燃机
实际作功能力大小的一个很重要的性能参数, 也基本上表征了
310?? sii VpW
SDV s 24??
310 ???
s
i
i V
Wp
s
iVW
内燃机的强化程度和工作循环各阶段进行的完善程度。
在各种类型内燃机中, 标定工况下的 pi
非增压汽油机 pi=0.4～ 1.2MPa
增压汽油机 pi=0.9～ 1.5 MPa
非增压四冲程柴油机 pi=0.75～ 1.2 MPa
增压四冲程柴油机 pi=1.2～ 3.0 MPa
非增压二冲程柴油机 pi=0.5～ 0.9 Mpa
增压二冲程柴油机 pi=1.0～ 2.2 MPa
煤气机 pi =0.6～ 1.4 MPa
2,指示功率 Ni
每单位时间内作用于活塞上的指示功称为内燃机的指示功
率 Ni,即
kW （ 3-15）
式中,z为动作系数, 四冲程机, z＝ 4；二冲程机, z＝ 2；二冲
程双动机, z＝ 1。
双动机活塞上方的气缸工作容积为 Vs, 下方容积应减去活
塞杆所占的容积, 后者约为 11～ 12％ Vs,以 11％ Vs计算, 则二冲
程双动机每个气缸的平均工作容积为,
式 （ 3-15） 可写为
kW （ 3-16）
ss VV 945.0)89.01(2
1 ??
2
3
10
3
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60
10
z
niVp
z
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isi
si
i nVp
niVpN 5.3110
3
9 4 5.0 2 ????
为了分析 pi,Ni与工作循环中各参数间的相互联系, 分析影
响因素, 下面建立数学表达式 。
计算整台内燃机每小时的耗油量可以用以下两式计算,
kg/h (3-17)
kg/h (3-18)
g/kW.h
整机每小时空气耗量
kg/h
iifh Ngm ?
Lmm Lfh /?
ui
i Hg ?
??
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3103 6 0 0
2
60
z
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m vssL
?? ?????
?
ρs：进气管状态下空气密度, kg/m3,kg空气 /kg燃料 ；
kg空气 /kg燃油 （ L'o,kmol空气 /kg燃料 ） 。
由 （ 3-17）, （ 3-18） 得,
(3-19)
将 gi,Ni,mL及 L'代入上式, 整理后得,
(3-20)
将上式代入 （ 3-15）, 化简得,
kW (3-21)
二, 影响 pi与 Ni的因素
1.影响内燃机平均指示压力 pi的因素,
(1)增压度 pk
`???
oLL ?
3
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1
oo LL 95.28` ?
`oLLii LmLmNg ????
当 α一定时,pk↑ ps↑ ρs↑ pi↑，可见 p增 >pi非
对特定的发动机，因受热负荷与机械负荷的限制，用提高 pk来提高
pi也有一个限度
（ 2）过量空气系数 α,当每循环供油量不变时,pk↑ α ↑ AF↑ 。
在 α≤2以前, 随着 α的增大, 混合气中的氧气成分增加, 可促进燃
烧的改善, pi值也随着 α值的提高而有所提高 。
当 2.6≥α＞ 2时, 随着 α的提高, 混合气逐渐变得比较稀薄, pi的
增加就变得很缓慢 。
到 α＞ 2.6后, α↑ 燃烧速度 ↓ 后燃 ↑ ηi↓ pi↓。
（ 3） 换气质量 ηv
内燃机的换气质量愈好 → ηv ↑→ 残余废气愈少, 气缸中新鲜充量填
充愈充足, → 燃烧速度 ↑ → 热利用系数 ζz↑ → ηi↑ → pi↑。
（ 4） 油气混合的完善程度
?d
dx
?
?
?
?d
dx ??
? ? ?
柴油机燃油空气混合的完善程度愈高，完全燃烧所需的 α ↓
→ pi ↑ 。但 α值也不能太小，太小使气缸热负荷 ↑, ge ↑ 。
(5) 燃烧完善的程度 ηi
燃烧完善 → → ↑放热持续期 ↓ → 等容度 ↑ → 热利用系数 ζz↑
→ ηi ↑ → pi↑。
2,影响 Ni的因素
由 （ 3-15） 式知, 凡提高 pi的途径, 均有利于提高 Ni；另
外, Vs↑,i↑ Ni↑,减少 z → Ni↑。
三, 指示效率 ηi及指示油耗率 gi
1.指示效率 ηi
每循环所做指示功的热量比上循环供油量的热量, 即
?d
dx
uf
i
i Hm
W
cyc
??
（ 3-11）
2,指示油耗率 gi
内燃机每小时发出 1kW指示功率时所消耗的燃 油 量，即,
g/kW.h （ 3-12）
或 g/kW.h （ 3-12`）
将（ 3-11）代入上式并整理得
g/kW.h （ 3-13）
35 10??
i
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10
5
2
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由 （ 3-12`） 可以清楚看出 gi与 ηi反比, ηi越高, gi越少, 反之亦
然 。
1.影响 η i和 gi的因素
改写 （ 3-11） 式得,
上式右端给出了 η i与循环参数的关系 。 由上式知,
① 当功一定 （ piVs一定 ） 循环供油量 mfcyc ↓ → η i ↑,这
说明作同样的功, 耗了更少的燃料, 热量利用高 → η i ↑。
② 当 mfcyc 一定, piVs↑ → ηi ↑,这说明消耗相同的燃料,
做功多了, 热量利用高 → ηi ↑。
热量利用的好坏主要与燃料热能释放的好坏, 热量转换成
指示功的有效程度及热损失相关 。
s
s
v
isi
i
T
p
pC
g
VpC
?
? ???? 21
a,
它与混合气形成的好坏相关, 一般空气足够, 油气混合均匀,
燃料中的热能就能较好的释 放出来 → η i ↑
混合气形成的好坏与燃油系统, 燃烧室形状, 空气涡流运动
及足够空气相关 。
b,热能转换的有效程度
在内燃机燃烧过程中, 燃油热能的释放是按一定规律 进行
的, 如果放热持续期短, 等容度高 （ 在上止点附近放热多 ）, 那
么有效利用率就高, 热能转变成机械能的有效程度就大, 反之亦
然 。
c,热量损失的大小
热量释放与转换的损失已包含在 a,b中, 这里主要是考虑冷
却介质的传热损失, 但在实际发动机中, Tw ＝ 75～ 85° C较好, 太
低 Qw↑ → η i ↓,太高 → η i ↓燃烧变坏 → Tr ↑ → η i ↓。
?d
dQ
关于影响 gi的因素，由 η i知，它们互为倒数，影响 η i的因
素就是影响 gi的因素，只是增加 η i, gi则应减少。
3-3 内燃机的机械损失及机械效率
一, 机械损失功率 Nm
在内燃机工作过程中, 经曲轴输出的有效功率 Ne总小于活塞
所获得的指示功率 Ni,其差值为机械损失功率 Nm,即
Ni－ Ne＝ Nm
而有效功率比上指示功率即定义为机械效率, 即
(3-14)
现代内燃机的机械效率一般在下列数值范围之内 （ 见 P45）
非增压四冲程柴油机 ηm =0.75～ 0.80
i
m
i
mi
i
e
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N
N
NN
N
N ????? 1?
增压四冲程柴油机 ηm =0.80～ 0.92
非增压二冲程柴油机 ηm =0.70～ 0.80
增压二冲程柴油机 ηm =0.75～ 0.90
四冲程汽油机 ηm =0.70～ 0.85
煤气机 ηm =0.75～ 0.80
由上可知，增压比非增压的 ηm高，因为增压泵气功为正。
机械损失功率由下面几部分组成,
Nm＝ Nmf＋ Np＋ Nk＋ Nau
Nmf：摩擦损失功率,
Np：泵气损失功率, pk>pr为正, pk<pr为负 。
Nk：机械增压压气机或扫气泵消耗的功率
Nau：辅助机械损失功率（包含：燃油泵、机油泵、水泵、发
电机等）。
对应于机械损失功率 Nm引入平均机械损失压力 pm，在数值上
它等于各部分机械损失压力的总和。
下面以一部小型高速柴油机机械损失分配的试验数据为例，
这部高速柴油机转速为 1600r/min,pe为 0.82MPa,pi为 0.986MPa，
pm为 0.17MPa
活塞及活塞环摩擦损失为 0.50pm
曲轴连杆轴承摩擦损失为 0.24 pm
泵气损失为 0.14 pm
辅助机械损失为 0.06 pm
传动机构及其他损失为 0.06 pm
机械损失 pm =0.17MPa，而 pi =0.986MPa，故 pm =0.172pi
可见，活塞及活塞环与缸套的的摩擦损失最大，其次是曲柄
连杆轴承的摩擦损失，泵气损失第三，其它二项损失较少 。
二, 机械损失功率的测定
比较精确地测定机械损失功率的数值, 寻求降低机械损失
的途径, 对发展新的内燃机或改进已有内燃机都是十分重要的,
目前常用的测量方法主要有倒拖法, 灭缸法及油耗线法 。 这些
方法都只能近似地求出 Nm,各有其不足 。
1,1,倒拖法
用电力测功器测定 。
方法,① 发动机在给定工况下稳定运行, 待 T水 和 T油 达正常后,
测定 Ne。
② 停机切断发动机的供油, 并立即将电力测功器转换为
电动机, 以给定工况下的转速倒拖发动机, 保持 T水, T油 相同,
这时电力测功器上的倒拖功率即为给定工况下发动机的 Nm。
③ 由 Ne＋ Nm＝ Ni，得
或
此法最简单, 方便 。 但内燃机在着火运转和不着火倒拖的情
况下, 其摩擦损失功率和泵气损失功率二者存在较大的差别,
① 着火运转时缸内压力较高, 摩擦副表面受力大些, 着火的
Nmf>不着火的 Nmf。
② 着火运转时, 高温, 高压的废气自排气阀急速的派出, 排
气背压比非着火时低, 泵气损失小 。 非着火时, 排出的是空气,
温度低, 比重大, 排气速度低, 背压高, 泵气损失比着火时大 。
③ 拖动状态下, 压缩膨胀过程中工质传热损失不一样, 压缩
和膨胀线不重合, 也增加了部分损失 。
me
e
m NN
N
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ime pp ??p
me
e
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p
???
所以倒拖法测得的 Nm比实际高 (15～ 20)％, 因此, 在使用
此法时, 对于采用空气旋流较低的直接喷射式燃烧系统的柴油
机, 可以从测得的 pm中减去 0.0137MPa,对于采用空气旋流较
高, 压缩比较高以及分隔式燃烧系统的柴油机, 可以从测得的
pm值中减去 0.0343MPa,这样得到的 pm值比较接近实际数值 。
倒拖法在多缸高速小型内燃机上是最常用的方法, 特别是比
较小的汽油机, 用此法较准 。
2,灭缸法
此法适用于多缸机, 使用轮流停缸工作法 。
当内燃机调整到给定工况下稳定运行之后, 用测功器测出其
有效功率 Ne,以柴油机为例, 在固定喷油齿条位置不变 （ 即每
缸喷油量不变 ） 的情况下, 停止向一缸供油, 柴油机转速下降
,然后迅速调整测功机负荷, 使转速复原, 再测出断这缸供油
后柴油机的有效功率, Ne－ 之差即为断油气缸的指示功率
,即
`eN`eN
? ? ? ? xeexi NNN `?? (3-15)
如果从第一缸起，顺序将各缸断油，求出各缸的指示功率，它
的总和就是柴油机的整机指示功率 Ni，即
（ 3-16）
灭缸法与倒拖法有相同之处, 误差原因一样, 但灭缸法一次只
灭一缸, 倒拖法则整机全灭缸, 因此, 灭缸法比倒拖法精确度高
些 。
倒拖法, 灭缸法因使排气压力脉冲发生变化, 改变排气能量,
所以对排气涡轮增压柴油机不适用 。
3,油耗线法
此法适用于各种内燃机 。
方法：测定给定转速下的负荷特性 。
? ??
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x
xeei NNN
1
`
mei NNN ??
负荷特性测定：在给定转速（ n不变）下，通过调整油门保持 n
，改变负荷，测定不同功率与油耗。
在坐标纸上画出以每单位时间的整机油耗量 mf（ kg/h）为纵
坐标，以有效功率（或 pe）为横坐标画出油耗曲线，这一油耗
线在低负荷接近空载时是直线，顺着直线部分向纵坐标方向作
延伸线，并与横坐标线的零点左方相交，如图 3－ 4所示。从坐
标零点到这一交点的长度 (用横坐标上 Ne或 pe相同的比例计算 )，
即近似地代表机械损失功率 Nm（或机械损失平均有效压力 pm）
。但是，并不是所有柴油机的油耗线都是完全直线，这是产生
误差的原因。
用油耗线法测量机械损失功率是基于这样一种假定：就是内
燃机的机械损失功率 Nm（ 或机械损失压力 pm） 以及指示热效率
ηi是只随转速 n的变化而与负荷变化无关的 。
图 3-4 16V240/275ZL型柴油机用油耗线法测量机械损失功率图
三, 影响 机械损失功率及机械效率的因素
1,增压 ↑ → η i ↑ （ 一般 ）
① 废气涡轮增压,
当 pk↑ → Ni↑ （ 含泵气功为正因素 ） → pz↑, 采用降低等措施
后可使 pz增加幅度 <Ni增加幅度 → Nm↓ → ↑ 。
机械增压,Ni的增减视压比的高低，由泵气功与压气机耗功之和
而定。一般低增压的 ↑,高增压的 ↓ 。
增压后 →
若发动机 n不变, 上述几项影响, Nm与非增压大体相当, 但因 Ni
↑,涡轮增压与低压比机械增压的 ↑,
2,转速 n及活塞平均速度 Cm
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m? m?
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m
m
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N
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轴承冲击负荷燃烧较为柔和
粘性阻力oT
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m
mw
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Q
NN,,?
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，润滑油粘性阻力每循环
，扫气泵）（二冲程机的压气机、，（非增压） pmf
m
NNCn
3,负荷
与增压类似, 一般 n不变, 负荷 ↑ 不会有多大变化, 但
4,润滑油温度 Toil与冷却水温度 Tw
但
所以, Toil, Tw 一般确定在一定范围, 如 85oC左右 。
5,气缸尺寸及数目
当 Cm,pz不变, D ↑, S ↑
??? miN ?
??
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mw
m
TT ?
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o i l
o i lT 粘性阻力
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燃烧变差发动机过热过高
过高o i l
m f m
m
i
N
N m
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?? ? ???
摩擦面积 面容比
3-4 内燃机的有效参数
内燃机的有效参数包括平均有效压力 pe,有效功率 Ne,有效
效率 η e及有效油耗率 ge。 它们与指示参数的不同之处就是除指
示参数考虑的热力损失外, 还考虑了机械损失, 它们的关系为
,
Ne=Ni-Nm=Niηm
ge=gi/ηm
前面讨论了影响指示参数的因素, 影响有效参数的因素除包
括指示参数外, 还应加上影响机械效率的因素 。 这些前面都讨
论了 。
3-5 内燃机的强化指标与强化分析
一, 内燃机的强化指标 —— 升功率 NeL和活塞功率 Nek
单位气缸工作容积 (1L)内燃机所具有的标定功率称为内燃机
的升功率 NeL。
mimie pppp ????
(3-46)
由上式知, 发动机的升功率取决于 pe,n与 m。
单位活塞总面积 (1m2)上内燃机所具有的标定功率称为活塞功率
Nek。
（ 3-47）
把活塞平均速度 Cm（ ） 代入上式, 得
称为强化系数, 也被用作发动机承载或强化的指标 。
为分析影响发动机升功率的各种因素, 将 （ 3－ 37） 代入 （ 3
－ 46） 和 （ 3－ 47） 得
z
np
iV
NN e
s
e
eL 30??
z
snp
Di
NN ee
ek 30
4
2
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30
snC
m ?
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?KzCpN meek ?? /
nzLHN svmi
o
u
eL ?????? ????
?1
30
1
SnzLHN svmi
o
u
ek ??????? ????
?1
30
1
kW/L (3-53)
kW/m2（ 3-54）
二, 按升功率强化内燃机的分析
从式 (3－ 53)可知, 提高升功率 NeL取决于下列因素：内燃机
的动作系数 z,发动机转速 n,乘积 ηvρs（ 表示压缩始点缸中新鲜
空气的数量 ）, 机械效率, 比值 (表示燃烧过程进行的质量 )。
1,采用二冲程循环
2,提高 n
但
?
?i
??? eLN7.15.1 倍～功率的是相同参数的四冲程机
?? eLN
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?
??
基本不变
如配气相位不变，则
机械应力运动件的惯性力
?
?
?
?
i
v
m
n
近年来为了提高发动机的经济性和可靠性，常降低转速，
采用增压办法。
3,提高
③
4,减少 α，提高 ηi
组织好油气混合, 就能更完全及时燃烧,
使
5,增大压缩比 ε 以提高 η i
①
② 化油器式发动机压缩比
③ 对化油器式发动机，随,启动变得困难,
m??? 和sv
?????
?
???
??
??
eLm
sv
sv N?
??
??
②利用强制增压
动效应①利用进排气系统的气
???? eLsv N可多喷油??
???? eLi N??,
上升的幅度下降。升到一定程度，，当当 ii ???? ???
??
???
?
???
eL
i
N
??? 较低，当
?? mN，?
且必须提高燃烧的辛烷值，这些 决定了在目前将 ε控制在 12以
下，为保证非爆震燃烧，对这类增压机不仅不能增加 ε，反而
要减小 ε。
④ 柴油机, ε是保证可靠起动及零件所能承受的机械负荷
这两个条件为出发点来选定的 。 ε太高, 对非增压机, 不仅不
会提高 Nel,还会因 Nm上升 → Nel ↓,对增压机, 增大增压压力
pk,还需降低 ε,使 pk与 ε协调, 这样才能使 NeL提高,
6,在化油器式内燃机中改用燃油直接喷射
三, 采用增压强化内燃机的分析
增压是最有效的提高 NeL的措施, 但增压后需考虑以下几
个因素,
1,增压压力 pk与机械负荷 pz
??????? eLNv 多喷油进气阻力采用直接喷射 ?
2,
随着, 与机械应力增大的同时, 因单位工作容积放热
量增加, 使气缸盖, 气门, 气缸, 特别是活塞的温度梯度增大
,热应力也增大；这对内燃机的工作是不利的 。 因此, pz与热
应力是 限制 的主要因素 。
在为了提高升功率 Nel而提高 pk的同时, 必须限制 pz,Tmax
及零件中的温度梯度 。 可以采取,
① 增大扫气重叠角，用扫气空气冷却受热零件。此法不能
用在四冲程化油器式发动机中，扫气会把部分燃料流失到排气
系统中去一部分
?kp
?kp
?? eg
活塞。殊措施，如可变压缩比，起动困难，须采用特当；大致不变，避免下，保持，可在限制～＝当
及混合气形成方式等。，选用适当的喷油特性，减小喷油提前角，常采用降低为限制
11~10
g
d
dp
p1110
p
,
ez
z
?
?
???
?
?
?
??
zk pp
② 在 pk>0.15MPa，压气机后空气温度升高 55～ 60K以上时，
可采用空气冷却的办法
但依靠冷却空气提高 α降低零件温度比依靠提高 pk来增大 α来
降低零件温度效果好。
③ 除了用热交换器来冷却空气以外, 还可用空气涡轮, 喷水
(蒸发冷却 )及按照米勒循环的内部冷却来冷却空气 。
米勒循环是压气机后的空气压力 pk大于获得内燃机 Ne所必需
的 pk 。在活塞到达下止点前 40℃ A～ 50℃ A内停止进气。当活塞
向下止点运动时，充量膨胀，使降到发出 Ne所必需的 pk 。结果
就减低了 Ta → 热应力下降。
3,供油与燃烧过程的组织
① 合理选择供油规律，使着火延迟期内的供油量少，而在
下一阶段供入其余燃油，也即采用分级喷射 ;
??????????????? askas TpT ???? ；另外，也可采用循环平均温度
② 选择混合气形成条件和燃烧室结构 ;
③ 减少供油提前角，使燃烧过程适度后移。若在很高 pk下，
大部分燃料在膨胀期间进行 。
4,pk的最佳化
⑴ 机械增压发动机（见图 3-14） （增压压力有一最佳值）
当 ↑ （曲线 3,4中 A1,A2点左边情况）
当进一步升高 （曲线 5） （曲线 3中 A1点右边
情况）,pk在 A1点（满负荷）、在 A2点（部分负荷）获得 Nemax，
因此，机械增压压比有一最佳值，当高于此值,Nk的增长 >Ne
的增长,在极端情况下如 pk1,pk2 时,Ne＝ 0，即发动机发出的有
效功全用在驱动压气机上（ B1,B2点）。
较佳的 pk值,
容积式罗茨压气机的发动机,MPa
离心式压气机的发动机, MPa
NeNp kk,???
??? kk Np ?? eN
16.0~1 5 5.0?kp
25.0?kp
图 3－ 14 发动机功率 Nｅ,压气机功率 Nｋ,增压压力 pk的关系
1及 2－－满供油及部分供油的情况下功率（ Nｉ － Nｍ ）
3及 4－－满供油及部分供油的情况下的功率 Nｅ
5－－功率 Nｋ
⑵ 涡轮增压发动机
相对发动机的 Ni而言,NT－ Nk很小，且 时,NT－ Nk变
化也很小。 Ne随有关参数的变化与 Ni相同。
⑶ 复合式发动机
涡轮增压器与曲轴相连 。
① 当
② 当 与 较小时 （ 为 ＝ ＝ 0.6时 ）, 随
例,＝ ＝ 0.6,pk 从 0.6MPa升至 0.78MPa,pz＝ const,Ne只
提高 2％，而 ge却增加了 12％。
?kp
? ? 增长增长增长快比时，随 ieikTk ggN ??????? NNp7.0 Tk??
k? T?
? ? ???? eNTk Np
k? T?
增大增大的增长的增长 iie gNN ??? eg
k? T?
3-6 热平衡
燃料在内燃机中燃烧时所放出的热量,20－ 45％ 左右转变为
有效的机械功, 其余的热量却以不同的形式损失掉了 。
1,热平衡方程式
kJ/h
式中,QT：燃料在气缸中完全燃烧发出的总热量；
Qe：转变为有效功的热量； Qw：冷却介质带走的热量；
Qr：排气带走的热量； Qb：燃料不完全燃烧带走的热量
（ 约为 1％ ） ； Qs：其它损失的热量 。
2,热平衡的各项热量的确定
见书上的解释。
3,热平衡图
主要有三个流向,
① 指示功的热量 （ 有效功热量 Qe, 机械摩擦损失的热量 Qm、
驱动附件的热量和因辐射而散失到大气中的热量 ） ；
② 冷却水带走的热量 Qw ；
T e w r b sQ Q Q Q Q Q? ? ? ? ?
③ 排气带走的热量 Qr；
热平衡以发动机的型式, 运转工况的不同而不同, 下面举
个例子作为参考,
① 增压后，利用了一部分废气能量，热效率 ；
②,
增压与非增压柴油机的热平衡
项目
柴油机
非增压
增压
有效功热量 Qe
36％
37％
冷却水带走的热量
25％
15.5％
润滑油带走的热量
3.3％
3％
废气及其它损失带走的热
量 Qrs
35.7％
44.5％
wQ
oilQ
t??
wtQ ?? ? ? ?绝热
