第二章 内燃机的工作指标
内燃机的工作指标很多，主要有动力性能指标(功率、转矩、转速) 、经济性能指标(燃料与润滑油消耗率) 、运转性能指标(冷起动性能、噪声和排气品质) 和耐久可靠性指标(大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力) 。
本章主要研究表征动力性能指标和经济性能指标的各种参数及其相互关系。运转性能指标(如冷起动性能等) 和耐久可靠性指标对内燃机来说有其不可忽视的重要性，它们将在本书的其他各章中分析讨论。
第一节 示功图与指示性能指标
一、示功图
燃料燃烧产生的热量是通过气缸内所进行的工作循环转化为机械能的，即气缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上，通过曲柄连杆机构，在克服了内燃机内部各种损耗后，对外做功。因此，要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对内燃机一个工作循环中热功转换的质和量两方面加以分析。
内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，为获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，通常利用不同型式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果即为p —V 示功图或p —φ示功图。p —V 图或p —φ图两者可以互相转换。图2—1为四冲程内燃机的p —φ图，图2—2为四冲程内燃机实际循环p —V 图。在进排气过程组成的发动机换气过程示功图中，由于气缸压力低，需用放大的压力标尺记录出p —φ或p —V 图(见第四章) ，也称为低压示功图。
从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段(压缩、燃烧、膨胀) 以及进气、排气行程中的压力变化，通过数据处理，
运用热力学知识，将它们与所积累的试
验数据进行分析比较，可以对整个工作
过程或工作过程的不同阶段进展的完善
程度作出正确的判断。因此，示功图是
研究内燃机工作过程的重要试验数据。
二、指示性能指标
内燃机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为基础的指标。
1. 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功W i 。指示功的大小可以由p —V 图中闭合曲线所占有的面积求得，图2—3中示出了四冲程非增压和增压发动机以及二冲程发动机的示功图。
图2—3a 中四冲程非增压发动机的指示功面积F i 是由相当于压缩、燃烧、膨胀行程中所得到的有用功面积F l 和相当于进气、排气行程中消耗的功的面积F 2(即泵损失) 相减而成，即F l ＝F l －F 2。在四冲程增压发动机中(图2—3b) ，由于进气压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，因此，换气功的面积F 2应与面积F l 叠加起来，即F l ＝F1＋F 2 。在二冲程发动机中(图2—3c) ，只有一块示功图面积F i ，它表示了指示功的大小。
F i 可以用求积仪或计算方法求得，然后用下式计算W i (N·m 或J) 值
W i =F ab
106 （2—1）
式中，F i 为示功图面积，cm 2；a 为示功图纵坐标比例尺，Pa ／cm ；b 为示功图横坐标比例尺，cm 3／cm 。
指示功W i 反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除了和循环中热功转换的有效程度有关外，还和气缸容积的大小有关。为了能更清楚地对不同工作容积发动机工作循环的热功转换有效程度作比较，引出了平均指示压力(用p mi 表示) 的概念。所谓平均指示压力，是指单位气缸容积一个循环所做的指示功(Pa)
p mi =W i （2—2） V s
式中，W i 为发动机一个工作循环的指示功，J ；V s 为发动机气缸工作容积，m 3。 若
V s 用L 为单位，W i 用kJ 为单位，则p mi (MPa)为
p mi =W i V s
式(2—2) 也可写成W i ＝p mi ·V s ＝，其中，D 和S 分别为气缸直径和活塞行程，由此可以引出平均指示压力的第二个概念，即平均指示压力是一个假想的平均不变的压力，以这个压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程S 所做的功，即为循
环的指示功W i 。
平均指示压力是从实际循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数。p mi 越高，同样大小的气缸容积可以发出更大的指示功，气缸工作容积的利用程度越佳。平均指示压力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。
一般内燃机在标定工况下的p mi 值在下列范围内：
柴油机：四冲程非增压柴油机 0.6～0.95MPa
四冲程增压柴油机 0.85～2.6MPa
二冲程柴油机 0.35～1.3MPa
汽油机：四冲程摩托车用汽油机 0.9～1.43 MPa
四冲程小客车用汽油机 0.65～1.25MPa
四冲程载货车用汽油机 0.6～0.85 MPa
二冲程小型风冷汽油机 0.4～0.85 Mpa
2. 指示功率
内燃机单位时间内所作的指示功称为指示功率P i 。若一台内燃机的气缸数为 i ，每缸的工作容积为V s （m 3），平均指示压力为p mi （N ／m 2），转速为n （r ／s ），根据p mi 的定义，每循环气体所作的指示功（J ）为
W i =p mi ⋅V s
具有i 个气缸的发动机每秒所作的指示功率(W)为
n P i =2p mi ⋅V s ⋅i （2—3） τ
式中，τ为冲程数，对四冲程内燃机：τ＝4；对二冲程内燃机：τ＝2。
在实际应用时，一般采用p mi (MPa)，V s ( L)，n(r／min) ，P i (kW)代人可得
103P i =2⨯106p mi ⋅
P i =n ⋅ 360τ10iV s p mi ⋅V s ⋅n ⋅i （2—4） 30τ
对四冲程发动机
P i =p mi ⋅V s ⋅n ⋅i 120
p mi V s ⋅n ⋅i 60对二冲程发动机 P i =
3. 指示热效率和指示燃油消耗率
指示热效率ηit 是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值，即
ηit =W （2—5） Q 1
式中，Q l 为得到指示功W i 所消耗的热量（J ）。
对于一台发动机，当测得其指示功率P i (kW)和每小时燃油消耗量B(kg／h) 时。根据ηit 的定义，可得
3. 6⨯103P i （2—6） ηit =BHu
式中，3.6×l03为1kW ·h 的热当量，kJ ／(kW·h) ；B 为每小时发动机的耗油量，kg ／h ；Hu 为所用燃料的低热值，kJ ／kg 。
指示燃油消耗率[g／(kW·h)]是指单位指示功的耗油量，它通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示
b i =B ⨯103 （2—7） P i
因此，表示实际循环的经济性指标ηit 和b i 之间存在着以下关系
3. 6⨯106
（2—8） ηit =Hub i
若以柴油的低热值Hu ＝41868 kJ／kg 代入式(2—8) ，则
ηit =b i
一般内燃机的ηit 和b i 的统计范围如下：
ηit b i ／[g／(kW·h) -1]
四冲程柴油机 0.4l ～0.48 210～175
二冲程柴油机 0.40～0.48 218～177
四冲程汽油机 0.25～0.40 344～21R
二冲程汽油机 0.19～0.27 435～305
从统计范围可以看出：柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。
第二节 有效性能指标
一、机械效率和有效功率
上面所讨论的指示性能指标只能评定工作循环进行的好坏，发动机发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等附件所消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，所有这些消耗功率的总和称为机械损失功率P m ，从而有效功率
P e =P i -P m （2—9）
有效功率与指示功率之比称为机械效率
ηm =P e （2—10） P i
内燃机的有效功率Pe(kW)可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩T tq 及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求得
P e =T tq ⋅T tq n 2πn ⨯10-3= （2—11） 609550
式中，T tq 为发动机输出转矩，N ·m 。
二、平均有效压力、有效功率和升功率
与平均指示压力相似，平均有效压力可看作是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程所做的功等于每循环所做的有效功。平均有效压力是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。
按照上述定义可以用如式(2—4) 所表示的p mi 和P i 之间的关系那样，列出Pe (kW)和p me (MPa)的关系式
P ⋅V ⋅n ⋅i P e =me s （2—12） 30τ
p me =30τ⋅P （2—13） V s ⋅i ⋅n
应用式(2—11) 和式(2—12) 的恒等关系，可得
P e =T tq ⋅n
9550=p V ⋅n ⋅i （2—14） 30τ
求得
（2—15） τ
因此，对于一定气缸总工作容积(即iV s ) 的发动机，平均有效压力p me 值反映了发动机输出转矩T tq 的大小
T tq ∝p me
也就是说，p me 反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。
升功率P L (kW／L) 的定义是在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率
P L =P e （2—16） i ⋅V s T tq =318. 3⋅p me ⋅V s ⋅i
式中，P e 为发动机的标定功率，kW ；i 为气缸数；V s 为每气缸工作客积，L 。
从式(2—12) 可得
p ⋅n P L =me （2—17） 30τ
式中，p me 为标定工况下的平均有效压力，MPa ；n 为标定转速，r ／min 。 可见，升功率P L 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。它与p me 和n 的乘积成正比。P L 值越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断提高p me 和n 的水平以获得更强化，更轻巧和紧凑的发动机，一直是内燃机工作者致力以求的奋斗目标，因而P L 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。
目前内燃机的p me 和P L 值一般在下列范围内：
p me M P a P L (kW ⋅L -1)
农用柴油机 0.6～0.8 8.8～14.7
汽车用柴油机 0.65～1 11～25.8
强化高速柴油机 1～2.9 15～40
固定船用户速柴油机 0.6～2.5 3.7～7.35
四冲程摩托车用汽油机 0.78～1.2 51.8～88
四冲程小客车用汽油机 0.65～1.2 40～70
四冲程载货汽车用汽油机 0.6～0.7 22～25.8
四冲程小型风冷汽油机 0.4～0.65 18.4～73.5
三、由吸入空气量计算平均有效压力
根据每循环吸入的空气量来计算平均有效压力，可以导出平均有效压力与—些热力学参数之间的关系，从而明确提高平均有效压力的技术措施。在推导前，先给出两个重要定义。
1. 充量系数Φc
若把每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状态（p s ，T s ）的体积V 1，其值一般要比活塞排量V s 小，两者的比值定义为充量系数Φc ，即
φc =m 1M V =1=1 m sh M sh V s
式中，m 1，M 1，V 1分别为实际进入气缸的新鲜空气的质量、千摩尔值、在进气管状态（p s ，T s ）下所占有的体积；m sh ，M sh ，V s 分别为在进气管状态下能充满气缸工作容积的空气质量、千摩尔值及气缸工作容积。
充量系数Φc 是表征实际换气过程进行完善程度的一个极为重要的参数（详见
第三章）。
2. 过量空气系数Φa
燃烧lkg 燃料的实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数Φa ，即
φa =m 1 （2—18） g b ⋅l o
式中，g b 为每循环燃料供给量，kg ；
l o 为1kg 燃料完全燃烧所需的理论空气量，称为化学计量空燃比。柴油l o ≈14.3kg ／kg ，汽油l o ≈14.8 kg／kg 。
对柴油机来说，Φa 总是大于1，以保证喷入气缸的柴油能完全燃烧。柴油机在吸入气缸的空气量一定的情况下，Φa 小意味着可以向气缸多喷油，吸人气缸的空气利用率高，发出的功率大。因此，Φa 是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标，应力求减小Φa ，减小Φa 在小型高速柴油机中主要受燃烧完善程度的限制，在大型及增压柴油机中主要受热负荷的限制。柴油机在全负荷时Φa 的一般数值范围为：
高速柴油机 Φa ＝1.2～1.5
增压柴油机 Φa ＝ 1.7～2.2
对汽油机来说，在整个运行工况中，可以遇到Φa ＞1和Φa ≤1的各种情况(详见第五章) ，汽油机在全负荷时Φa 的一般数值范围为
Φa ＝0.85～1.1
除了运用Φa 这一参数来表示燃烧时空气量和燃料量之比外，还可以应用空气燃料比或燃料空气比1／α来表示，它们之间的关系为
空燃比α＝空气质量流量 燃料质量流量
燃空比＝燃料质量流量 空气质量流量
实际发动机的Φa 可由废气分析法求得。对于非增压的四冲程内燃机，也可由耗油量及耗气量按下求得
φa =A a B ⋅l o
式中，A a 为每小时进入气缸的空气流量，kg ／h ；B 为每小时耗油量，kg ／h ；l o 为化学计量空燃比，kg ／kg 。
根据式（2～18）可得每循环供油量
g b =φ⋅m φ⋅V ⋅ρm =c sh =c s s φa ⋅l o φa ⋅l o φa ⋅l o
式中，ρs 为进气管状态下的空气密度。
而
p mi =W i Q 1⋅ηit =V s V s
Q ⋅η V s p me =
其中
Q 1=g b ⋅Hu =φc ⋅V s ⋅ρs ⋅Hu φa ⋅l o
因而
p me =φ⋅η⋅ρ⋅Hu φa ⋅l o
式中，Hu 、ρs 的单位分别为J ／kg 、kg ／m 3；p me 为Pa 。实用上，取Hu 、ρs 的单位分别为kJ ／kg 、kg ／L ，则p me （MPa ）为
p me =φ⋅η⋅ρ⋅Hu （2—19） 1000⋅φa ⋅l o
把ρs =p s 代人，p s 为进气管压力(Pa)，T s 为进气管温度(K)，空气的气体常R ⋅T s
数R ＝287J ／(kg· K) ，得
p me =φ⋅η⋅Hu ⋅p （2—20） 287000⋅φa ⋅l o ⋅T s
若以p s (MPa)、T s (K)、Hu(kJ／kg) 、l o (kg／kg 燃料) 代入，则p me (MPa)为
p me =3. 485⨯φc ⋅ηet ⋅Hu ⋅p s （2—21） φa ⋅l o ⋅T s
若l o 换用L 。(kmol／kg 燃料) ，则l o ＝m a L。，m a为空气的分子量，代入上式可得p me (MPa)
p me =3. 485φc ⋅ηet ⋅Hu p s ⋅⋅28. 9φa ⋅l o T s
p me =0. 121⋅φc Hu p ⋅⋅ηet ⋅s （2—22） φa l o T s
式(2—22) 建立了动力性能指标和经济性能指标ηet 等一系列参数之间的关系，在以后的各章中可以看到，它是分析发动机性能的一个重要依据。
四、有效热效率和有效燃油消耗率
总的衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率ηet 和有效燃油消耗率b e 。 有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值，即
ηet =
以式(2—5) 代入得 W e W i ⋅ηm （2—23） =Q 1Q 1
ηet =ηit ηm
由此可见，在ηet 中已经考虑到实际发动机工作时的—切损失了。与上述ηit 一样，可得
3. 6⨯103P e （2—24） ηet =B ⋅Hu
当测得发动机有效功率和每小时耗油量B 以后，可利用此式计算出ηet 值。 有效燃油消耗率[g／(kW·h)]是指单位有效功的耗油量，通常用每有效kW ·h 所消耗的燃料g 数b e 来表示，即
b e =B ⨯103 （2—25） P e
由式(2—24) ，b e [g／(kW·h)]又可表示为
3. 6⨯106
（2—26） b e =ηet Hu
可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。
一般内燃机在标定工况下的b e 和ηet 值大致在以下范围：
be ／[g (kW·h) -1] ηet
低速柴油机 190～225 0.38～0.45
中速柴油机 195～240 0.36～0.43
高速柴油机 215～285 0.30～0.40
(其中较低的be 值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机)
四冲程汽油机 274～410 0.30～0.20
二冲程汽油机 410～545 0.20～0.15
第三节 机械损失与机械效率
在评定发动机机械损失时，除了机械损失功率P m 和机械效率ηm 外，同平均指示压力、平均有效压力的定义相似，也可应用单位气缸工作容积的比参数——平均机械损失压力p mm 。它的定义是：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。它可以用来衡量机械损失的大小，参照式(2—13) 可以写出p mm (MPa)为
p mm =
P m =30⋅τ⋅P （2—27） V s ⋅i ⋅n p mm V s ⋅i ⋅n （2—28） 30⋅τ
式中，P m 为机械损失功率(kW)；V s 为工作容积(L)；n 为转速(r／min) 。
在致力于提高内燃机性能指标时，应尽可能减少机械损失，提高机械效率。若不注意这点，有时在改善气缸内部指示指标的同时，却不自觉地增加了机械损失，以致不能获得预期的改进效果。
一、机械损失的组成部分
1. 活塞与活塞环的摩擦损失
这部分损失占整个摩擦损失的主要部分。这是由于它的滑动面大、相对速度高、润滑不充分等原因造成的，这种摩擦与活塞的长度、活塞间隙以及活塞环的数目和环的张力等结构因素有关。此外，在构造相同的情况下，它随气缸内压力、活塞速度以及润滑油粘度的升高而增加。
2. 轴承与气门机构的摩擦损失
它包括所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等的摩擦损失。在这些轴承里，由于润滑充分，纯液力摩擦因数很低；随着轴承直径的增大和转速的提高，轴颈圆周速度的增大，这部分损失亦将增加，但它对气缸中压力的变化不太敏感。至于消耗在气门驱动机构上的损耗，在最大功率工况下所占比例是很微小的。
3. 驱动附属机构的功率消耗
这里所指的附属机构，主要是指为保证发功机工作所必不可少的部件总成，如冷却水泵总成(风冷发动机中则是冷却风扇) 、机油泵、喷油泵、调速器等；而一些较次要的部件总成，如发电机、汽车制动用的空气压缩机、水箱风扇等，除非加以说明，一般不包括在内。这些附属机构消耗的功率随发动机的转速和润滑油粘度的增加而增大，但与气缸压力无关．它仅占机械损失中一小部分。
4. 流体摩擦损失
连杆、曲轴等零件在曲轴箱内高速运动时，为克服油雾、空气阻力及曲轴箱通风等将消耗一部分功，但其数值是很微小的。
5. 驱动扫气泵及增压器的损失
在二冲程或机械增压发动机中，还要加上对进气进行压缩而带来的损失。
上述诸损失中，可将1～4项损失之和视作发动机的内部摩接损失，并以P f 表示其损耗的功率，扫气泵或增压器所消耗的功率为P B ，因此，发动机的机械摩擦损失功率可表示为
P m =P f +P B （2—29）
在公式P m ＝P i —P e 中，相当于泵气损失功率的P p 已经在计算P i 时扣除了，因此就定义而言，这部分功率没有包括在P m 项中的必要，但是在测定中要把P f 和P p 分开是很困难的，所以往住用以下两个公式表示高速发动机中的摩擦损失
'=P f +P p +P B （2—30） P m
'=p f +p p +p B （2—31） 或 p mm
图2—4以平均压力表示了一非增压发动机机械损失各组成部分的分配情况，可见其中活塞和活塞环的摩擦损失所占的比例最大。据统计，一般发动机中机械损失
'的分配大致为： 功率P m
' 活塞和活塞环的摩擦损失 (45～65) ％P m
' 整个活塞连杆曲轴机构中的摩擦损失 (60～75) ％P m
' 气门机构的驱动损失 (2～3) ％P m
' 附属机构的驱动损失 (10～20) ％P m
' 泵气损失 (10～20) ％P m
图2—5表示了一般发动机p mm 的范围。
二、机械损失的测定
机械损失的测定方法有好几种，但要借以获
得较精确的数值还是困难的，有待于不断改进。
1. 示功图法
运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算
出P i 值，从测功器和转速计读数中测出发动机的
有效功率，从而可以算出P m ，ηm 及p mm 值，这种
直接测定方法是在真实的试验工况下进行的，从
理论上讲也完全符合机械损失的定义，但试验结
果的正确程度住往决定于示功图测录的正确程
度，其中最大的误差来源于p 一φ图或p 一V 图
上活塞上止点位置不易正确地确定。此外，在多
缸发动机中，各个气缸多少存在着—定的不均匀
性，而在试验中往往只测录一个气缸的示功图用
以代表其他各缸，这也会引起一定的误差，因此，
示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正
时才能取得较满意的结果。
2. 倒拖法
这种方法在具有电力测功器的试验条件下方可进行。试验时，发动机与电力测功器相连，当发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油温度到达正常数值时，切断对发动机的供油，将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发功机，并
且维持冷却水和机油温度不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机
械损失功率。
与实际运行情况相比，首先，气缸内不进行
燃烧过程，作用在活塞上的气体压力在膨张行程
中大幅度下降，使活塞、连杆、曲轴的摩擦损失
有所减少；其次，按这种方法求出的摩擦功率中
含有不应该有的P p 这一项，且由于排气过程中温
度低、密度大，使P p 比实际的还大；再次，倒拖
在膨胀、压缩行程中，由了充量向气缸壁的传热
损失，以致于p 一V 图上膨胀线和压缩线不重合
而处于它的下方，出现了图2—6上所示的负功面
积。实际上，在测量该工况的有效功率时，这部
分传热损失已被考虑在内。这三种因素的综合结果是：倒拖时所消耗的功率要超过柴油机在给定工况工作时的实际机械损失，在低压缩比发动机中，误差大约为5％，在高压缩比发动机中，误差有时可高达(15—20) ％，因而此方法在测定汽油机机械损失时得到较广泛的应用。
3. 火缸法
此法仅适用于多缸发动机。当内燃机调整到给定工况稳定工作后，先测出其有效功率之后在喷油泵齿条位置或节气门不变的情况下，停止向某一气缸供油或点火。并用减少制动力矩的办法迅速将转速恢复到原来的数值，并重新测定其有效功率P e 这样，如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率(Pi ) x 为
') x （2—32） (P i ) x =(P e -P e
依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率
的总和中求得整台发功机的指示功率P i
P i =∑(P e -P e ') x （2—33）
x =1i
然后可以求出P m 和ηm 。采用这种方法时，只要停止一缸的燃烧不致引起进、排气系统的异常变化，如排气管结构不致因一个气缸灭火而引起足以破坏其他气缸换气规律和充量系数的排气压力波的情况下就会相当准确，其误差在5％以下。对于汽油机，由于进气情况的改变，往往得不到正确的结果。
4. 油耗线法
由公式(2—6) 可导出
B ⋅Hu ⋅ηit =3. 6⨯103P i =3. 6⨯103(P e +P m ) （2—34）
当柴油机空转(无负荷) ，ηit 不随负荷增减而变化时
B ⋅Hu ⋅ηit =3. 6⨯103P m
两式相除，得
P +P m p me +p mm B (2—
35) =e =B o P m p mm
式小，P me 为平均有效压力。
图2—7为柴油机在转速不变的情况下进行
负荷特性试验(详见第八章) ，求出发动机在给定
转速下，每小时燃油消耗量与平均有效压力的关
系曲线。如果把燃油消耗量曲线延长并求出其与
横坐标轴的交点，就可以求得p mm 值。这个方法
虽然只是近似的方法，但只要在低负荷附近，燃
油消耗量曲线为直线就相当可靠，即使没有电力
测功器和示功器也能进行测定。但是，这种方法
不适用于用节气门调节功率的汽油机。当测得其
p mm 值后，其机械效率可近似地用下式估算
ηm =p me p mm B =1-=1-o p me +p mm p me +p mm B
式中，B 可取某一常用工况的数值。
在以上所介绍的几种测定机械效率的方法中，倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。对于排气涡轮增压柴油机(pb ＜0.15M Pa），由于倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作，因而只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。对于排气涡轮中增压、高增压的柴油机(pb ≥0.15MPa) ，除示功图外，尚无其他适用的方法可取代。
一般内燃机的机械效率大致在以下范围：
ηm
非增压柴油机 0.78～0.85
增压柴油机 0.80～0.92
汽油机 0.80～0.90
第四节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径
为阐明改善内燃机工作过程的组织来提高其动力性能和经济性能的各种措施，首先分析影响单位气缸工作容积的输出功率，即升功率P L 的各因素。
由式(2—17) 和式(2—19)
P L =p me ⋅n ηit Hu 11=⋅⋅⋅⋅φc ⋅ηm ⋅ρs ⋅n （2—36） 4φ30τl 3⨯10a o τ
式中各量的单位同式(2—17) 和式(2—19) 。 对于内燃机，燃料的Hu 之比值变化不大，故可写成 l o
P L =K 1⋅φc ⋅ηit 1ηm ⋅ρs ⋅⋅n （2—37） φa τ
此外，作为衡量发动机经济性能的重要指标b e ，可由式(2—26) 求得
K 3. 6⨯106
（2—38）
b e ==ηit ⋅ηm ⋅Hu ηit ⋅ηm
式(2—37) 和式(2—38) 概括而又明确地指出了提高发动机动力性能指标和经济性能指标的基本途径。
1. 采用增压技术
从式(2—37) 可以看到，在保持过量空气系数Φa 等参数不变的情况下，增加吸进空气的密度ρs 可以使发动机功率按比例增长，这就需要在内燃机上装置增压器，使空气进入气缸前进行预压缩。目前，在柴油机上广泛采用排气涡轮增压器，尤其是当采用高增压后，可以促使柴油机的P me 和P L 成倍增长。与此同时，它还是改善柴油机的经济性、降低比质量、降低废气有害排放、降低排烟、节约原材料的一项最有效的技术措施。由于采用增压，柴油机的P me 值已超过3 MPa，单位功率质量可降低到2kg ／kW 以下。汽油机由于受爆燃限制，压缩行程终了时的压力和温度不宜过高，这就限制了增压压力不宜过高。增压后，一般功率的提高也仅在30％一40％之间。内燃机的增压技术还可以用来恢复在高原使用的内燃机的功率，因为随海拔高度的增加，进气密度下降，燃烧恶化，装备增压发动机的汽车，其动力性与经济性可以得到明显改善。
2. 合理组织燃烧过程，提高循环指示效率ηit
提高指示效率ηit 不仅改善了内燃机的动力性能，同时也改善其经济性能，因此，需要从研究内燃机理论循环和实际循环人手，深入分析在整个热功转换过程中，各种热力损失的大小及其分布，掌握各种因素对热力损失的影响程度，从而寻找减少这些损失的技术措施。而其中最重要的一个方面就是对内燃机燃烧过程的改进。
随着柴油机的不断强化，增压程度和转速的不断提高，都要求燃烧过程能够高效率进行，要求对柴油机的混合气形成、燃烧以及供油系统方面进行深入的工作。
对于汽油机，由于向较高压缩比和高转速方向发展，促使爆燃燃烧、表面点火等不正常燃烧倾向加强；由于环境保护要求，对内燃机噪声、排放的限制越来越严格。为了改善汽油机的排放品质和经济性，要求应用电控汽油喷射、应用稀燃、速燃、层燃等技术及发展汽油机缸内直接喷射等，这些都对汽油机的混合气形成和燃烧提出厂许多新课题。
合理组织内燃机燃烧过程一直是内燃机工作过程研究的核心问题之一，关于这方向的讨论见本书第五、六、七章。
3. 改善换气过程，提高气缸的充量系数Φc
同样大小的气缸容积，在相同的进气状态下若能吸人更多的新鲜空气，则可容许喷入更多的燃料，在同样的燃烧条件下可以获得更多的有用功。改善换气过程，不仅可以提高Φc ，而且可以减少换气损失。为此，必须对换气过程进行深入研究，分析产生损失的原因，然后从改善配气机构、凸轮廓线及管道流体动力性能等方面着手进行研究。关于这方面的详细讨论见本书第四章。
4. 提高发动机的转速
增加转速可以增加单位时间内每个气缸做功的次数，因而可提高发功机的功率输出；与此同时，发动机的比质量也随之降低。因此，它是提高发动机功率和减小质量、尺寸的一个有效措施。当前，小型柴油机(D＝70～90mm) 的最高转速已达5000r ／min ，仅一般在3000 r／min 左右，活塞平均速度v m 约在11～13m ／s 之间；车用汽油机的转速一般在4000～7000r ／min ，某些小型风冷汽油机转速可高达8000～10000r ／min ，它们的v m 值在18—20m ／s 左右。
转速的增长不同程度上受燃烧恶化、充量系数Φc 和机械效率ηm 急剧降低，零
件使用寿命和可靠性降低以及发动机振动、噪声加剧等限制。因此，需要在这些方面开展深入的研究。关于这方面内容的讨论，贯穿在本书有关各章中。
5. 提高内燃机的机械效率
提高机械效率可以提高内燃机的动力性能和经济性能，这方面主要靠合理选定各种热力和结构参数，靠结构、工艺上采取措施减少其摩擦损失及驱动水泵、油泵等附属机构所消耗的功率以及改善发动机的润滑、冷却来实现。
6. 采用二冲程提高升功率
理论上，采用二冲程相对于四冲程可以提高升功率一倍，但由于二冲程在组织热力过程和结构设计上的特殊问题，在相同工作容积和转速下，P me 往往达不到四冲程的水平，升功率只能提高50％一60％，与此同时还得采用—些较复杂的结构；否则，若仍保持简单的结构，其升功率不易超过四冲程，而燃油消耗率却显著上升。
目前，在大型低速船用柴油机和小型风冷汽油机(2.0kW以下) 中二冲程占绝对优势外，在其他的领域中，四冲程在机型数量上还是占绝大多数，但是，近年来国外不少公司又在大力进行车用二冲程发动机的研究。在美国，高速车用柴油机采用四排气门、直流换气高压喷射、直喷燃烧室，已成为另一种提高车用柴油机升功率的技术措施。关于这方面的讨论见本书第四章。
参考文献
1 John B. Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals. McCraw-Hill Company ，1988
2 机械工程手册，电机工程手册编辑委员会编，机械工程手册：动力设备卷，第2版，北京：机械工业出版社，1997
3 蒋德明主编，内燃机原理，北京：机械工业出版社，1988
4 刘雅琴、郑景伦编，汽车摩托车构造与工作原理，上海：上海科学技术出版社，1996
思考题与习题
2—1 内燃机的动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类? 表示动力性能的指标有哪些? 它们的物理意义是什么? 它们之间的关系是什么? 表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么? 它们之间的关系是什么?
2—2 怎样求取发动机的指示功率、有效功率、平均指示压力和平均有效压力?
2—3 机械效率的定义是什么?
2—4 平均有效压力和升功率在作为评定发动机的动力性能方面有何区别? 2—5 充量系数的定义是什么? Φc 的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？
2—6 试推导由吸入的空气量来计算平均有效压力的解析式及升功率的解析式，并分析提高发动机升功率的途径。
2—7 影响b e 的因素有哪些? 降低b e 的途径有哪些?
2—8 过量空气系数Φa 的定义是什么？在实际发动机上怎样求得?
2—9 内燃机的机械损失由哪些部分组成? 详细分析内燃机机械损失的测定 方法。其优、缺点及适用场合。
2—10 要设计一台六缸四冲程高速柴油机，设平均指示压力P mi ＝0.85 MPa，
平均机械损失压力P mm =0.15 MPa，希望在2000r ／min 时能发出的功率为73.5kW 。
1) 为将活塞平均速度控制在8m ／s ，缸径行程比取多大合适？
2) 为使缸径行程比为1：1.2，缸径与行程取多大?
2—11 有一台6135Q －1柴油机，D ×S ＝135mm ×140 mm ，6缸，在2200r ／min 时，发动机发出的有效功率为154kW 。b e ＝217g ／(kW·h) 。
1) 求发动机的P me 、T tq 、和ηet 。
2) 当ηm ＝0.75时，试求b i 、ηit 、P i 和P m 的值。
3) 当ηit 、Φc 、Φa 均未变，ηm 由0.75提高到0.8，此时P L 、P e 和b e 的值。
4) 若通过提高Φc 使P e 提高到160kW ，而ηit 、P m 均未变化，则P i 、ηm 、b e 值是多大?
5) 通过以上计算，你可以得出哪些结论?
第二章 内燃机的工作指标
内燃机的工作指标很多，主要有动力性能指标(功率、转矩、转速) 、经济性能指标(燃料与润滑油消耗率) 、运转性能指标(冷起动性能、噪声和排气品质) 和耐久可靠性指标(大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力) 。
本章主要研究表征动力性能指标和经济性能指标的各种参数及其相互关系。运转性能指标(如冷起动性能等) 和耐久可靠性指标对内燃机来说有其不可忽视的重要性，它们将在本书的其他各章中分析讨论。
第一节 示功图与指示性能指标
一、示功图
燃料燃烧产生的热量是通过气缸内所进行的工作循环转化为机械能的，即气缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上，通过曲柄连杆机构，在克服了内燃机内部各种损耗后，对外做功。因此，要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对内燃机一个工作循环中热功转换的质和量两方面加以分析。
内燃机气缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的，为获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，通常利用不同型式的示功器或内燃机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果即为p —V 示功图或p —φ示功图。p —V 图或p —φ图两者可以互相转换。图2—1为四冲程内燃机的p —φ图，图2—2为四冲程内燃机实际循环p —V 图。在进排气过程组成的发动机换气过程示功图中，由于气缸压力低，需用放大的压力标尺记录出p —φ或p —V 图(见第四章) ，也称为低压示功图。
从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段(压缩、燃烧、膨胀) 以及进气、排气行程中的压力变化，通过数据处理，
运用热力学知识，将它们与所积累的试
验数据进行分析比较，可以对整个工作
过程或工作过程的不同阶段进展的完善
程度作出正确的判断。因此，示功图是
研究内燃机工作过程的重要试验数据。
二、指示性能指标
内燃机的指示性能指标是指以工质对活塞做功为基础的指标。
1. 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功W i 。指示功的大小可以由p —V 图中闭合曲线所占有的面积求得，图2—3中示出了四冲程非增压和增压发动机以及二冲程发动机的示功图。
图2—3a 中四冲程非增压发动机的指示功面积F i 是由相当于压缩、燃烧、膨胀行程中所得到的有用功面积F l 和相当于进气、排气行程中消耗的功的面积F 2(即泵损失) 相减而成，即F l ＝F l －F 2。在四冲程增压发动机中(图2—3b) ，由于进气压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，因此，换气功的面积F 2应与面积F l 叠加起来，即F l ＝F1＋F 2 。在二冲程发动机中(图2—3c) ，只有一块示功图面积F i ，它表示了指示功的大小。
F i 可以用求积仪或计算方法求得，然后用下式计算W i (N·m 或J) 值
W i =F ab
106 （2—1）
式中，F i 为示功图面积，cm 2；a 为示功图纵坐标比例尺，Pa ／cm ；b 为示功图横坐标比例尺，cm 3／cm 。
指示功W i 反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除了和循环中热功转换的有效程度有关外，还和气缸容积的大小有关。为了能更清楚地对不同工作容积发动机工作循环的热功转换有效程度作比较，引出了平均指示压力(用p mi 表示) 的概念。所谓平均指示压力，是指单位气缸容积一个循环所做的指示功(Pa)
p mi =W i （2—2） V s
式中，W i 为发动机一个工作循环的指示功，J ；V s 为发动机气缸工作容积，m 3。 若
V s 用L 为单位，W i 用kJ 为单位，则p mi (MPa)为
p mi =W i V s
式(2—2) 也可写成W i ＝p mi ·V s ＝，其中，D 和S 分别为气缸直径和活塞行程，由此可以引出平均指示压力的第二个概念，即平均指示压力是一个假想的平均不变的压力，以这个压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程S 所做的功，即为循
环的指示功W i 。
平均指示压力是从实际循环的角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数。p mi 越高，同样大小的气缸容积可以发出更大的指示功，气缸工作容积的利用程度越佳。平均指示压力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。
一般内燃机在标定工况下的p mi 值在下列范围内：
柴油机：四冲程非增压柴油机 0.6～0.95MPa
四冲程增压柴油机 0.85～2.6MPa
二冲程柴油机 0.35～1.3MPa
汽油机：四冲程摩托车用汽油机 0.9～1.43 MPa
四冲程小客车用汽油机 0.65～1.25MPa
四冲程载货车用汽油机 0.6～0.85 MPa
二冲程小型风冷汽油机 0.4～0.85 Mpa
2. 指示功率
内燃机单位时间内所作的指示功称为指示功率P i 。若一台内燃机的气缸数为 i ，每缸的工作容积为V s （m 3），平均指示压力为p mi （N ／m 2），转速为n （r ／s ），根据p mi 的定义，每循环气体所作的指示功（J ）为
W i =p mi ⋅V s
具有i 个气缸的发动机每秒所作的指示功率(W)为
n P i =2p mi ⋅V s ⋅i （2—3） τ
式中，τ为冲程数，对四冲程内燃机：τ＝4；对二冲程内燃机：τ＝2。
在实际应用时，一般采用p mi (MPa)，V s ( L)，n(r／min) ，P i (kW)代人可得
103P i =2⨯106p mi ⋅
P i =n ⋅ 360τ10iV s p mi ⋅V s ⋅n ⋅i （2—4） 30τ
对四冲程发动机
P i =p mi ⋅V s ⋅n ⋅i 120
p mi V s ⋅n ⋅i 60对二冲程发动机 P i =
3. 指示热效率和指示燃油消耗率
指示热效率ηit 是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值，即
ηit =W （2—5） Q 1
式中，Q l 为得到指示功W i 所消耗的热量（J ）。
对于一台发动机，当测得其指示功率P i (kW)和每小时燃油消耗量B(kg／h) 时。根据ηit 的定义，可得
3. 6⨯103P i （2—6） ηit =BHu
式中，3.6×l03为1kW ·h 的热当量，kJ ／(kW·h) ；B 为每小时发动机的耗油量，kg ／h ；Hu 为所用燃料的低热值，kJ ／kg 。
指示燃油消耗率[g／(kW·h)]是指单位指示功的耗油量，它通常以单位指示千瓦小时的耗油量来表示
b i =B ⨯103 （2—7） P i
因此，表示实际循环的经济性指标ηit 和b i 之间存在着以下关系
3. 6⨯106
（2—8） ηit =Hub i
若以柴油的低热值Hu ＝41868 kJ／kg 代入式(2—8) ，则
ηit =b i
一般内燃机的ηit 和b i 的统计范围如下：
ηit b i ／[g／(kW·h) -1]
四冲程柴油机 0.4l ～0.48 210～175
二冲程柴油机 0.40～0.48 218～177
四冲程汽油机 0.25～0.40 344～21R
二冲程汽油机 0.19～0.27 435～305
从统计范围可以看出：柴油机的指示热效率高于汽油机，四冲程发动机的指示热效率高于二冲程发动机。
第二节 有效性能指标
一、机械效率和有效功率
上面所讨论的指示性能指标只能评定工作循环进行的好坏，发动机发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动气门机构、风扇、机油泵、发电机等附件所消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，所有这些消耗功率的总和称为机械损失功率P m ，从而有效功率
P e =P i -P m （2—9）
有效功率与指示功率之比称为机械效率
ηm =P e （2—10） P i
内燃机的有效功率Pe(kW)可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在某一工况下曲轴的输出转矩T tq 及在同一工况下的发动机转速，按以下公式求得
P e =T tq ⋅T tq n 2πn ⨯10-3= （2—11） 609550
式中，T tq 为发动机输出转矩，N ·m 。
二、平均有效压力、有效功率和升功率
与平均指示压力相似，平均有效压力可看作是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个冲程所做的功等于每循环所做的有效功。平均有效压力是衡量发动机动力性能的一个很重要的参数。
按照上述定义可以用如式(2—4) 所表示的p mi 和P i 之间的关系那样，列出Pe (kW)和p me (MPa)的关系式
P ⋅V ⋅n ⋅i P e =me s （2—12） 30τ
p me =30τ⋅P （2—13） V s ⋅i ⋅n
应用式(2—11) 和式(2—12) 的恒等关系，可得
P e =T tq ⋅n
9550=p V ⋅n ⋅i （2—14） 30τ
求得
（2—15） τ
因此，对于一定气缸总工作容积(即iV s ) 的发动机，平均有效压力p me 值反映了发动机输出转矩T tq 的大小
T tq ∝p me
也就是说，p me 反映了发动机单位气缸工作容积输出转矩的大小。
升功率P L (kW／L) 的定义是在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率
P L =P e （2—16） i ⋅V s T tq =318. 3⋅p me ⋅V s ⋅i
式中，P e 为发动机的标定功率，kW ；i 为气缸数；V s 为每气缸工作客积，L 。
从式(2—12) 可得
p ⋅n P L =me （2—17） 30τ
式中，p me 为标定工况下的平均有效压力，MPa ；n 为标定转速，r ／min 。 可见，升功率P L 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。它与p me 和n 的乘积成正比。P L 值越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。因此，不断提高p me 和n 的水平以获得更强化，更轻巧和紧凑的发动机，一直是内燃机工作者致力以求的奋斗目标，因而P L 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。
目前内燃机的p me 和P L 值一般在下列范围内：
p me M P a P L (kW ⋅L -1)
农用柴油机 0.6～0.8 8.8～14.7
汽车用柴油机 0.65～1 11～25.8
强化高速柴油机 1～2.9 15～40
固定船用户速柴油机 0.6～2.5 3.7～7.35
四冲程摩托车用汽油机 0.78～1.2 51.8～88
四冲程小客车用汽油机 0.65～1.2 40～70
四冲程载货汽车用汽油机 0.6～0.7 22～25.8
四冲程小型风冷汽油机 0.4～0.65 18.4～73.5
三、由吸入空气量计算平均有效压力
根据每循环吸入的空气量来计算平均有效压力，可以导出平均有效压力与—些热力学参数之间的关系，从而明确提高平均有效压力的技术措施。在推导前，先给出两个重要定义。
1. 充量系数Φc
若把每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状态（p s ，T s ）的体积V 1，其值一般要比活塞排量V s 小，两者的比值定义为充量系数Φc ，即
φc =m 1M V =1=1 m sh M sh V s
式中，m 1，M 1，V 1分别为实际进入气缸的新鲜空气的质量、千摩尔值、在进气管状态（p s ，T s ）下所占有的体积；m sh ，M sh ，V s 分别为在进气管状态下能充满气缸工作容积的空气质量、千摩尔值及气缸工作容积。
充量系数Φc 是表征实际换气过程进行完善程度的一个极为重要的参数（详见
第三章）。
2. 过量空气系数Φa
燃烧lkg 燃料的实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数Φa ，即
φa =m 1 （2—18） g b ⋅l o
式中，g b 为每循环燃料供给量，kg ；
l o 为1kg 燃料完全燃烧所需的理论空气量，称为化学计量空燃比。柴油l o ≈14.3kg ／kg ，汽油l o ≈14.8 kg／kg 。
对柴油机来说，Φa 总是大于1，以保证喷入气缸的柴油能完全燃烧。柴油机在吸入气缸的空气量一定的情况下，Φa 小意味着可以向气缸多喷油，吸人气缸的空气利用率高，发出的功率大。因此，Φa 是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标，应力求减小Φa ，减小Φa 在小型高速柴油机中主要受燃烧完善程度的限制，在大型及增压柴油机中主要受热负荷的限制。柴油机在全负荷时Φa 的一般数值范围为：
高速柴油机 Φa ＝1.2～1.5
增压柴油机 Φa ＝ 1.7～2.2
对汽油机来说，在整个运行工况中，可以遇到Φa ＞1和Φa ≤1的各种情况(详见第五章) ，汽油机在全负荷时Φa 的一般数值范围为
Φa ＝0.85～1.1
除了运用Φa 这一参数来表示燃烧时空气量和燃料量之比外，还可以应用空气燃料比或燃料空气比1／α来表示，它们之间的关系为
空燃比α＝空气质量流量 燃料质量流量
燃空比＝燃料质量流量 空气质量流量
实际发动机的Φa 可由废气分析法求得。对于非增压的四冲程内燃机，也可由耗油量及耗气量按下求得
φa =A a B ⋅l o
式中，A a 为每小时进入气缸的空气流量，kg ／h ；B 为每小时耗油量，kg ／h ；l o 为化学计量空燃比，kg ／kg 。
根据式（2～18）可得每循环供油量
g b =φ⋅m φ⋅V ⋅ρm =c sh =c s s φa ⋅l o φa ⋅l o φa ⋅l o
式中，ρs 为进气管状态下的空气密度。
而
p mi =W i Q 1⋅ηit =V s V s
Q ⋅η V s p me =
其中
Q 1=g b ⋅Hu =φc ⋅V s ⋅ρs ⋅Hu φa ⋅l o
因而
p me =φ⋅η⋅ρ⋅Hu φa ⋅l o
式中，Hu 、ρs 的单位分别为J ／kg 、kg ／m 3；p me 为Pa 。实用上，取Hu 、ρs 的单位分别为kJ ／kg 、kg ／L ，则p me （MPa ）为
p me =φ⋅η⋅ρ⋅Hu （2—19） 1000⋅φa ⋅l o
把ρs =p s 代人，p s 为进气管压力(Pa)，T s 为进气管温度(K)，空气的气体常R ⋅T s
数R ＝287J ／(kg· K) ，得
p me =φ⋅η⋅Hu ⋅p （2—20） 287000⋅φa ⋅l o ⋅T s
若以p s (MPa)、T s (K)、Hu(kJ／kg) 、l o (kg／kg 燃料) 代入，则p me (MPa)为
p me =3. 485⨯φc ⋅ηet ⋅Hu ⋅p s （2—21） φa ⋅l o ⋅T s
若l o 换用L 。(kmol／kg 燃料) ，则l o ＝m a L。，m a为空气的分子量，代入上式可得p me (MPa)
p me =3. 485φc ⋅ηet ⋅Hu p s ⋅⋅28. 9φa ⋅l o T s
p me =0. 121⋅φc Hu p ⋅⋅ηet ⋅s （2—22） φa l o T s
式(2—22) 建立了动力性能指标和经济性能指标ηet 等一系列参数之间的关系，在以后的各章中可以看到，它是分析发动机性能的一个重要依据。
四、有效热效率和有效燃油消耗率
总的衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率ηet 和有效燃油消耗率b e 。 有效热效率是实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值，即
ηet =
以式(2—5) 代入得 W e W i ⋅ηm （2—23） =Q 1Q 1
ηet =ηit ηm
由此可见，在ηet 中已经考虑到实际发动机工作时的—切损失了。与上述ηit 一样，可得
3. 6⨯103P e （2—24） ηet =B ⋅Hu
当测得发动机有效功率和每小时耗油量B 以后，可利用此式计算出ηet 值。 有效燃油消耗率[g／(kW·h)]是指单位有效功的耗油量，通常用每有效kW ·h 所消耗的燃料g 数b e 来表示，即
b e =B ⨯103 （2—25） P e
由式(2—24) ，b e [g／(kW·h)]又可表示为
3. 6⨯106
（2—26） b e =ηet Hu
可见，有效燃油消耗率与有效热效率成反比，知道其中一值后，可求出另一值。
一般内燃机在标定工况下的b e 和ηet 值大致在以下范围：
be ／[g (kW·h) -1] ηet
低速柴油机 190～225 0.38～0.45
中速柴油机 195～240 0.36～0.43
高速柴油机 215～285 0.30～0.40
(其中较低的be 值属排气涡轮增压的四冲程、二冲程柴油机)
四冲程汽油机 274～410 0.30～0.20
二冲程汽油机 410～545 0.20～0.15
第三节 机械损失与机械效率
在评定发动机机械损失时，除了机械损失功率P m 和机械效率ηm 外，同平均指示压力、平均有效压力的定义相似，也可应用单位气缸工作容积的比参数——平均机械损失压力p mm 。它的定义是：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。它可以用来衡量机械损失的大小，参照式(2—13) 可以写出p mm (MPa)为
p mm =
P m =30⋅τ⋅P （2—27） V s ⋅i ⋅n p mm V s ⋅i ⋅n （2—28） 30⋅τ
式中，P m 为机械损失功率(kW)；V s 为工作容积(L)；n 为转速(r／min) 。
在致力于提高内燃机性能指标时，应尽可能减少机械损失，提高机械效率。若不注意这点，有时在改善气缸内部指示指标的同时，却不自觉地增加了机械损失，以致不能获得预期的改进效果。
一、机械损失的组成部分
1. 活塞与活塞环的摩擦损失
这部分损失占整个摩擦损失的主要部分。这是由于它的滑动面大、相对速度高、润滑不充分等原因造成的，这种摩擦与活塞的长度、活塞间隙以及活塞环的数目和环的张力等结构因素有关。此外，在构造相同的情况下，它随气缸内压力、活塞速度以及润滑油粘度的升高而增加。
2. 轴承与气门机构的摩擦损失
它包括所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等的摩擦损失。在这些轴承里，由于润滑充分，纯液力摩擦因数很低；随着轴承直径的增大和转速的提高，轴颈圆周速度的增大，这部分损失亦将增加，但它对气缸中压力的变化不太敏感。至于消耗在气门驱动机构上的损耗，在最大功率工况下所占比例是很微小的。
3. 驱动附属机构的功率消耗
这里所指的附属机构，主要是指为保证发功机工作所必不可少的部件总成，如冷却水泵总成(风冷发动机中则是冷却风扇) 、机油泵、喷油泵、调速器等；而一些较次要的部件总成，如发电机、汽车制动用的空气压缩机、水箱风扇等，除非加以说明，一般不包括在内。这些附属机构消耗的功率随发动机的转速和润滑油粘度的增加而增大，但与气缸压力无关．它仅占机械损失中一小部分。
4. 流体摩擦损失
连杆、曲轴等零件在曲轴箱内高速运动时，为克服油雾、空气阻力及曲轴箱通风等将消耗一部分功，但其数值是很微小的。
5. 驱动扫气泵及增压器的损失
在二冲程或机械增压发动机中，还要加上对进气进行压缩而带来的损失。
上述诸损失中，可将1～4项损失之和视作发动机的内部摩接损失，并以P f 表示其损耗的功率，扫气泵或增压器所消耗的功率为P B ，因此，发动机的机械摩擦损失功率可表示为
P m =P f +P B （2—29）
在公式P m ＝P i —P e 中，相当于泵气损失功率的P p 已经在计算P i 时扣除了，因此就定义而言，这部分功率没有包括在P m 项中的必要，但是在测定中要把P f 和P p 分开是很困难的，所以往住用以下两个公式表示高速发动机中的摩擦损失
'=P f +P p +P B （2—30） P m
'=p f +p p +p B （2—31） 或 p mm
图2—4以平均压力表示了一非增压发动机机械损失各组成部分的分配情况，可见其中活塞和活塞环的摩擦损失所占的比例最大。据统计，一般发动机中机械损失
'的分配大致为： 功率P m
' 活塞和活塞环的摩擦损失 (45～65) ％P m
' 整个活塞连杆曲轴机构中的摩擦损失 (60～75) ％P m
' 气门机构的驱动损失 (2～3) ％P m
' 附属机构的驱动损失 (10～20) ％P m
' 泵气损失 (10～20) ％P m
图2—5表示了一般发动机p mm 的范围。
二、机械损失的测定
机械损失的测定方法有好几种，但要借以获
得较精确的数值还是困难的，有待于不断改进。
1. 示功图法
运用各种示功器录取气缸的示功图，从中算
出P i 值，从测功器和转速计读数中测出发动机的
有效功率，从而可以算出P m ，ηm 及p mm 值，这种
直接测定方法是在真实的试验工况下进行的，从
理论上讲也完全符合机械损失的定义，但试验结
果的正确程度住往决定于示功图测录的正确程
度，其中最大的误差来源于p 一φ图或p 一V 图
上活塞上止点位置不易正确地确定。此外，在多
缸发动机中，各个气缸多少存在着—定的不均匀
性，而在试验中往往只测录一个气缸的示功图用
以代表其他各缸，这也会引起一定的误差，因此，
示功图法一般用于当上止点位置能得到精确校正
时才能取得较满意的结果。
2. 倒拖法
这种方法在具有电力测功器的试验条件下方可进行。试验时，发动机与电力测功器相连，当发动机以给定工况稳定运行，冷却水、机油温度到达正常数值时，切断对发动机的供油，将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发功机，并
且维持冷却水和机油温度不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机
械损失功率。
与实际运行情况相比，首先，气缸内不进行
燃烧过程，作用在活塞上的气体压力在膨张行程
中大幅度下降，使活塞、连杆、曲轴的摩擦损失
有所减少；其次，按这种方法求出的摩擦功率中
含有不应该有的P p 这一项，且由于排气过程中温
度低、密度大，使P p 比实际的还大；再次，倒拖
在膨胀、压缩行程中，由了充量向气缸壁的传热
损失，以致于p 一V 图上膨胀线和压缩线不重合
而处于它的下方，出现了图2—6上所示的负功面
积。实际上，在测量该工况的有效功率时，这部
分传热损失已被考虑在内。这三种因素的综合结果是：倒拖时所消耗的功率要超过柴油机在给定工况工作时的实际机械损失，在低压缩比发动机中，误差大约为5％，在高压缩比发动机中，误差有时可高达(15—20) ％，因而此方法在测定汽油机机械损失时得到较广泛的应用。
3. 火缸法
此法仅适用于多缸发动机。当内燃机调整到给定工况稳定工作后，先测出其有效功率之后在喷油泵齿条位置或节气门不变的情况下，停止向某一气缸供油或点火。并用减少制动力矩的办法迅速将转速恢复到原来的数值，并重新测定其有效功率P e 这样，如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的气缸原来所发出的指示功率(Pi ) x 为
') x （2—32） (P i ) x =(P e -P e
依次将各缸灭火，最后可以从各缸指示功率
的总和中求得整台发功机的指示功率P i
P i =∑(P e -P e ') x （2—33）
x =1i
然后可以求出P m 和ηm 。采用这种方法时，只要停止一缸的燃烧不致引起进、排气系统的异常变化，如排气管结构不致因一个气缸灭火而引起足以破坏其他气缸换气规律和充量系数的排气压力波的情况下就会相当准确，其误差在5％以下。对于汽油机，由于进气情况的改变，往往得不到正确的结果。
4. 油耗线法
由公式(2—6) 可导出
B ⋅Hu ⋅ηit =3. 6⨯103P i =3. 6⨯103(P e +P m ) （2—34）
当柴油机空转(无负荷) ，ηit 不随负荷增减而变化时
B ⋅Hu ⋅ηit =3. 6⨯103P m
两式相除，得
P +P m p me +p mm B (2—
35) =e =B o P m p mm
式小，P me 为平均有效压力。
图2—7为柴油机在转速不变的情况下进行
负荷特性试验(详见第八章) ，求出发动机在给定
转速下，每小时燃油消耗量与平均有效压力的关
系曲线。如果把燃油消耗量曲线延长并求出其与
横坐标轴的交点，就可以求得p mm 值。这个方法
虽然只是近似的方法，但只要在低负荷附近，燃
油消耗量曲线为直线就相当可靠，即使没有电力
测功器和示功器也能进行测定。但是，这种方法
不适用于用节气门调节功率的汽油机。当测得其
p mm 值后，其机械效率可近似地用下式估算
ηm =p me p mm B =1-=1-o p me +p mm p me +p mm B
式中，B 可取某一常用工况的数值。
在以上所介绍的几种测定机械效率的方法中，倒拖法只能用于配有电力测功器的情况，因而不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。对于排气涡轮增压柴油机(pb ＜0.15M Pa），由于倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作，因而只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失。对于排气涡轮中增压、高增压的柴油机(pb ≥0.15MPa) ，除示功图外，尚无其他适用的方法可取代。
一般内燃机的机械效率大致在以下范围：
ηm
非增压柴油机 0.78～0.85
增压柴油机 0.80～0.92
汽油机 0.80～0.90
第四节 提高内燃机动力性能与经济性能的途径
为阐明改善内燃机工作过程的组织来提高其动力性能和经济性能的各种措施，首先分析影响单位气缸工作容积的输出功率，即升功率P L 的各因素。
由式(2—17) 和式(2—19)
P L =p me ⋅n ηit Hu 11=⋅⋅⋅⋅φc ⋅ηm ⋅ρs ⋅n （2—36） 4φ30τl 3⨯10a o τ
式中各量的单位同式(2—17) 和式(2—19) 。 对于内燃机，燃料的Hu 之比值变化不大，故可写成 l o
P L =K 1⋅φc ⋅ηit 1ηm ⋅ρs ⋅⋅n （2—37） φa τ
此外，作为衡量发动机经济性能的重要指标b e ，可由式(2—26) 求得
K 3. 6⨯106
（2—38）
b e ==ηit ⋅ηm ⋅Hu ηit ⋅ηm
式(2—37) 和式(2—38) 概括而又明确地指出了提高发动机动力性能指标和经济性能指标的基本途径。
1. 采用增压技术
从式(2—37) 可以看到，在保持过量空气系数Φa 等参数不变的情况下，增加吸进空气的密度ρs 可以使发动机功率按比例增长，这就需要在内燃机上装置增压器，使空气进入气缸前进行预压缩。目前，在柴油机上广泛采用排气涡轮增压器，尤其是当采用高增压后，可以促使柴油机的P me 和P L 成倍增长。与此同时，它还是改善柴油机的经济性、降低比质量、降低废气有害排放、降低排烟、节约原材料的一项最有效的技术措施。由于采用增压，柴油机的P me 值已超过3 MPa，单位功率质量可降低到2kg ／kW 以下。汽油机由于受爆燃限制，压缩行程终了时的压力和温度不宜过高，这就限制了增压压力不宜过高。增压后，一般功率的提高也仅在30％一40％之间。内燃机的增压技术还可以用来恢复在高原使用的内燃机的功率，因为随海拔高度的增加，进气密度下降，燃烧恶化，装备增压发动机的汽车，其动力性与经济性可以得到明显改善。
2. 合理组织燃烧过程，提高循环指示效率ηit
提高指示效率ηit 不仅改善了内燃机的动力性能，同时也改善其经济性能，因此，需要从研究内燃机理论循环和实际循环人手，深入分析在整个热功转换过程中，各种热力损失的大小及其分布，掌握各种因素对热力损失的影响程度，从而寻找减少这些损失的技术措施。而其中最重要的一个方面就是对内燃机燃烧过程的改进。
随着柴油机的不断强化，增压程度和转速的不断提高，都要求燃烧过程能够高效率进行，要求对柴油机的混合气形成、燃烧以及供油系统方面进行深入的工作。
对于汽油机，由于向较高压缩比和高转速方向发展，促使爆燃燃烧、表面点火等不正常燃烧倾向加强；由于环境保护要求，对内燃机噪声、排放的限制越来越严格。为了改善汽油机的排放品质和经济性，要求应用电控汽油喷射、应用稀燃、速燃、层燃等技术及发展汽油机缸内直接喷射等，这些都对汽油机的混合气形成和燃烧提出厂许多新课题。
合理组织内燃机燃烧过程一直是内燃机工作过程研究的核心问题之一，关于这方向的讨论见本书第五、六、七章。
3. 改善换气过程，提高气缸的充量系数Φc
同样大小的气缸容积，在相同的进气状态下若能吸人更多的新鲜空气，则可容许喷入更多的燃料，在同样的燃烧条件下可以获得更多的有用功。改善换气过程，不仅可以提高Φc ，而且可以减少换气损失。为此，必须对换气过程进行深入研究，分析产生损失的原因，然后从改善配气机构、凸轮廓线及管道流体动力性能等方面着手进行研究。关于这方面的详细讨论见本书第四章。
4. 提高发动机的转速
增加转速可以增加单位时间内每个气缸做功的次数，因而可提高发功机的功率输出；与此同时，发动机的比质量也随之降低。因此，它是提高发动机功率和减小质量、尺寸的一个有效措施。当前，小型柴油机(D＝70～90mm) 的最高转速已达5000r ／min ，仅一般在3000 r／min 左右，活塞平均速度v m 约在11～13m ／s 之间；车用汽油机的转速一般在4000～7000r ／min ，某些小型风冷汽油机转速可高达8000～10000r ／min ，它们的v m 值在18—20m ／s 左右。
转速的增长不同程度上受燃烧恶化、充量系数Φc 和机械效率ηm 急剧降低，零
件使用寿命和可靠性降低以及发动机振动、噪声加剧等限制。因此，需要在这些方面开展深入的研究。关于这方面内容的讨论，贯穿在本书有关各章中。
5. 提高内燃机的机械效率
提高机械效率可以提高内燃机的动力性能和经济性能，这方面主要靠合理选定各种热力和结构参数，靠结构、工艺上采取措施减少其摩擦损失及驱动水泵、油泵等附属机构所消耗的功率以及改善发动机的润滑、冷却来实现。
6. 采用二冲程提高升功率
理论上，采用二冲程相对于四冲程可以提高升功率一倍，但由于二冲程在组织热力过程和结构设计上的特殊问题，在相同工作容积和转速下，P me 往往达不到四冲程的水平，升功率只能提高50％一60％，与此同时还得采用—些较复杂的结构；否则，若仍保持简单的结构，其升功率不易超过四冲程，而燃油消耗率却显著上升。
目前，在大型低速船用柴油机和小型风冷汽油机(2.0kW以下) 中二冲程占绝对优势外，在其他的领域中，四冲程在机型数量上还是占绝大多数，但是，近年来国外不少公司又在大力进行车用二冲程发动机的研究。在美国，高速车用柴油机采用四排气门、直流换气高压喷射、直喷燃烧室，已成为另一种提高车用柴油机升功率的技术措施。关于这方面的讨论见本书第四章。
参考文献
1 John B. Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals. McCraw-Hill Company ，1988
2 机械工程手册，电机工程手册编辑委员会编，机械工程手册：动力设备卷，第2版，北京：机械工业出版社，1997
3 蒋德明主编，内燃机原理，北京：机械工业出版社，1988
4 刘雅琴、郑景伦编，汽车摩托车构造与工作原理，上海：上海科学技术出版社，1996
思考题与习题
2—1 内燃机的动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类? 表示动力性能的指标有哪些? 它们的物理意义是什么? 它们之间的关系是什么? 表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么? 它们之间的关系是什么?
2—2 怎样求取发动机的指示功率、有效功率、平均指示压力和平均有效压力?
2—3 机械效率的定义是什么?
2—4 平均有效压力和升功率在作为评定发动机的动力性能方面有何区别? 2—5 充量系数的定义是什么? Φc 的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？
2—6 试推导由吸入的空气量来计算平均有效压力的解析式及升功率的解析式，并分析提高发动机升功率的途径。
2—7 影响b e 的因素有哪些? 降低b e 的途径有哪些?
2—8 过量空气系数Φa 的定义是什么？在实际发动机上怎样求得?
2—9 内燃机的机械损失由哪些部分组成? 详细分析内燃机机械损失的测定 方法。其优、缺点及适用场合。
2—10 要设计一台六缸四冲程高速柴油机，设平均指示压力P mi ＝0.85 MPa，
平均机械损失压力P mm =0.15 MPa，希望在2000r ／min 时能发出的功率为73.5kW 。
1) 为将活塞平均速度控制在8m ／s ，缸径行程比取多大合适？
2) 为使缸径行程比为1：1.2，缸径与行程取多大?
2—11 有一台6135Q －1柴油机，D ×S ＝135mm ×140 mm ，6缸，在2200r ／min 时，发动机发出的有效功率为154kW 。b e ＝217g ／(kW·h) 。
1) 求发动机的P me 、T tq 、和ηet 。
2) 当ηm ＝0.75时，试求b i 、ηit 、P i 和P m 的值。
3) 当ηit 、Φc 、Φa 均未变，ηm 由0.75提高到0.8，此时P L 、P e 和b e 的值。
4) 若通过提高Φc 使P e 提高到160kW ，而ηit 、P m 均未变化，则P i 、ηm 、b e 值是多大?
5) 通过以上计算，你可以得出哪些结论?