热效率和平均有效压力分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：表示这种能力的就是效率和平均有效压力。每一循环所做的功可以用理论功、指示功、净指示功来表示，由此可以获得各自的平均有效压力。这与指示平均有效压力减去净平均有效压力所得到的值相等。

内燃机的性能取决于从一定的供给热量中能获得多少动力，以及在一定体积的气缸内能输出多少动力。表示这种能力的就是效率和平均有效压力。

热效率为在发动机中产生的总热量与转换为动力的热量之间的比率。一般情况下，供给热量用燃料的低热值进行计算。这是因为排气中含有的H₂O以气体状态（水蒸气）排出，不能充分利用H₂O冷凝热的原因。如果能以液态排出，充分利用水蒸气的冷凝热，可以用高热值进行计算，但目前在大部分内燃机中还不能利用水蒸气的冷凝热。

内燃机中热效率分为理论热效率、指示热效率、净热效率等，区分为很多种加以利用。

（1）理论热效率理论热效率η_th定义为在热力学上仅存在不可避免产生不可逆损失的理论循环中供给的热量Q₁与理论功W_th之间的比值。

供给热量Q₁以燃料质量m_f（kg）乘以燃料低热值H_l（kJ/kg）的m_fH_l公式进行计算。

在每一循环中获得的理论功W_th的计算方法不同于过程功计算式（2.1），利用对气缸内压力、体积进行循环积分的公式加以计算。

式（2.30）中，如果把要积分的循环工质假设为空气，称为空气循环（Air cycle），如果假设为燃料空气混合气，称为燃料-空气循环。

（2）指示热效率气缸内气体对活塞所做的有用功W_i，因气体燃烧时存在不完全燃烧、燃烧延迟、气体泄漏、冷却损失等损失，所以比理论循环中得出的理论功W_th小。如此在气缸内气体对活塞所做的有用功称为指示功W_i，并把此动力称为

指示功率。指示热效率η_i定义为供给热量与指示功之间的比，与理论热效率的关系如下：

式（2.31）中，η_g称为指示效率（或指示系数、引导系数、示功图因数），表示指示功与理论功之间的比值W_i/W_th。发动机的性能多以指示线图（或示功图）进行解释，但是指示热效率低，不能明确是理论热效率低，还是在上面所述的各种损失大。对此能明确说明的指标就是指示效率。指示效率η_g的值通常为85%左右。

指示p-V线图表现为理论p-V线图的边角圆滑，指示循环面积比理论循环面积小。汽油机在效率良好的条件下，指示热效率约为40%左右。

（3）净热效率净热效率（或制动热效率）η_e定义为发动机内产生的热量Q₁与实际曲轴旋转动力的净指示功W_e之间的比。实际曲轴所获得的净指示功为，从指示功减去活塞-曲轴机构等运动部分摩擦力和驱动进排气门、水泵、冷却风扇等辅助装置所需的功（称为机械损失）W_f后剩余的部分功。

净热效率η_e的计算式如下，与指示热效率η_i有下述关系：

式（2.32）中，η_m为机械效率，表示净指示功与指示功之间的比值W_e/W_i。发动机输出功率的测量多利用测功机检测曲轴的转速并利用此数据计算净指示功率（或制动功率、轴功率），但一旦净热效率（或净指示功率）低时，不能明确是指示热效率低，还是机械损失大。对此能明确说明的指标就是机械效率。机械效率与机械摩擦力损失有关。摩擦功（机械损失功）W_f和摩擦功率分别为，指示功与净指示功之差和指示功率与净指示功率之差，即

上述3种热效率与机械效率、有效效率之间的关系为

η_e=η_iη_m=η_thη_gη_m （2.34）

传统的汽油机的净热效率η_e一般是30%左右，但近来对汽油机的稀薄燃烧方面进行了良好的改善，因此有些发动机的净热效率可以达到35%左右。图2-3显示了指示功、摩擦功和净指示功之间的关系。

2.平均有效压力

发动机的排气量不同，其输出功率也不同，因此不同工作容积或排气量的发动机之间互相比较性能是不妥当的。输出转矩也是表现发动机性能的一项有效值，其大小也随发动机尺寸的不同而不一样。与发动机的工作容积、排气量、转速、发动机尺寸没有关系，能表现出发动机性能的指标就是平均有效压力。平均有效压力为单位容积每一循环所产生的功，即为功率密度，此数据能有效地使用在发动机性能评价上。当发动机的工作容积和运行条件相同时，平均有效压力越大，其输出功率也越大。