发动机做功图如何解析其反映的做功过程与效率指标？

发动机做功图是描述发动机气缸内工质（气体）压力随气缸容积或曲轴转角变化的曲线图，是分析发动机工作过程、性能参数及故障诊断的核心工具，通过做功图，可直观反映进气、压缩、做功、排气四个冲程中气缸内压力与容积的动态关系，进而计算指示功、指示功率等关键指标，评估发动机的动力性、经济性和工作稳定性。

在四冲程发动机中，一个完整的工作循环对应一条封闭的做功曲线，横坐标通常为气缸容积（V），纵坐标为气缸内绝对压力（p），进气冲程中，活塞从上止点向下止点移动，进气门开启，气缸内压力略低于大气压（约0.08-0.09MPa），曲线沿大气压线下方缓慢下降，形成“进气过程线”；压缩冲程中，进排气门均关闭，活塞向上止点移动，工质被绝热压缩，压力与温度急剧升高，曲线陡峭上升至压缩终点（汽油机压缩比约8-12，终点压力0.8-1.5MPa；柴油机压缩比16-22，终点压力3-5MPa）；做功冲程中，火花塞点火（汽油机）或喷油器喷入柴油自燃（柴油机），工质剧烈膨胀推动活塞下行，压力迅速达到峰值（汽油机峰值压力3-6MPa，柴油机6-9MPa），随后因容积增大而压力下降，曲线形成“膨胀线”，此过程曲线包围的面积即为指示功；排气冲程中，排气门开启，活塞向上止点移动，将废气排出气缸，压力略高于大气压（约0.105-0.12MPa），曲线沿大气压线上方快速上升，形成“排气过程线”，四条曲线围成的封闭区域面积,理论上等于一个循环中工质对活塞做的指示功。

不同类型发动机的做功图存在显著差异，汽油机因采用点燃式燃烧，混合气燃烧速度较快，压力升高率适中，做功曲线上升较平缓，峰值压力较低；柴油机采用压燃式，燃烧初期因柴油喷入高温空气而剧烈放热，压力升高率大，做功曲线上升陡峭，峰值压力更高,下表对比了汽油机与柴油机做功图的关键特征参数：

参数	汽油机	柴油机
压缩比	8-12	16-22
压缩终点压力	8-1.5 MPa	3-5 MPa
最高爆发压力	3-6 MPa	6-9 MPa
压力升高率	15-0.25 MPa/°CA	4-0.6 MPa/°CA
指示热效率	30%-40%	40%-50%

做功图的核心应用在于计算发动机的指示指标，指示功（Wi）可通过积分做功曲线包围的面积求得，即Wi=∮p dV，单位为J，为简化计算，工程上常用平均指示压力（pi，单位MPa）表示，其定义为假设一个恒定压力作用在活塞上，推动活塞移动一个冲程所做的功与实际指示功相等，即pi=Wi/Vs（Vs为气缸工作容积），指示功率（Pi，单位kW）则可通过pi计算：Pi=piVsin/30（i为气缸数，n为发动机转速，rpm），通过对比设计做功图与实测做功图的差异，可诊断发动机故障：若压缩终点压力偏低，可能为气门密封不严、活塞环磨损或缸垫泄漏；若做功冲程峰值压力不足，可能为点火/喷油系统故障、混合气过稀或压缩比下降；若排气压力异常升高,可能为排气堵塞或配气相位错误。

现代发动机测试中，做功图通过安装在气缸盖上的压力传感器和曲轴转角传感器采集数据，经ECU处理后实时显示，配合示功器可精确分析燃烧过程，指导优化燃烧室设计、喷油/点火提前角等参数,提升发动机性能。

FAQs
Q1：发动机做功图中的“指示功”与“有效功”有何区别？
A：指示功是工质在一个循环中通过膨胀对活塞所做的功，反映气缸内部能量转换的效率；有效功则是发动机曲轴输出的实际功，等于指示功克服机械摩擦（如活塞环与缸壁、曲轴轴承等摩擦）后的净功，二者之差为机械损失功，机械效率ηe=有效功/指示功，通常汽油机ηe为0.8-0.9，柴油机为0.75-0.85。

Q2：为什么柴油机的做功图最高压力通常高于汽油机？
A：主要因柴油机压缩比远高于汽油机（柴油机16-22 vs 汽油机8-12），高压缩比使压缩终点工质温度（柴油机500-700℃ vs 汽油机300-500℃）和压力足够高，柴油喷入后可自燃；而汽油机靠火花塞点燃，压缩比过高易引发爆震，高压缩比导致柴油机做功冲程初始压力更高，且柴油扩散燃烧速度更快,故最高爆发压力显著高于汽油机。