第一篇：《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》雙語教案(chapter 2)

Chapter 2

Engine Gas Exchange Processes

Key points: Gas exchange process of four-stroke internal combustion engine and ventilation losses, the concept of combustion engine filling coefficient.Difficult points: The measures to improve internal combustion engine filling quantity coefficient.2.1 Inlet and exhaust process of the four-stroke engine

The purpose of the exhaust and inlet processes or of the scavenging process is to remove the burned gases at the end of the power stroke and admit the fresh charge for the next cycle.Inducting the maximum air mass at wide-open throttle or full load and retaining that mass within the cylinder is the primary goal of the gas exchange processes.Engine gas exchange processes are characterized by overall parameters such as volumetric efficiency for four-stroke cycles.2.1.1 Gas exchange process of four-stroke engine The gas exchange process of an engine consists of the duration from opening the exhaust valve to closing the inlet valve, it extends approximately 410~480o CA and can be divided into four phases—blowdown, displacement, induction and scavenging.1.Blowdown

The duration from exhaust valve opening to cylinder pressure closes to pipe pressure is referred to as blowdown phase.The burned cylinder gases are discharged due to the pressure difference between the cylinder and the exhaust system.If the exhaust valve begins to open when the piston reached BDC, back pressure against the upward piston must be extremely high.Thus the exhaust process usually begins 40~60o CA before BDC(exhaust lead crank angle).Blowdown phases ends when pressure difference between the cylinder and the exhaust system disappears, about 10~30oCA after BDC.Though the free exhaust phase covers only about 1/10 of exhaust stroke, it discharges 60% of burned gas.2.Displacement The exhaust gas is scavenged by piston’s upward motion that is the burnt gas is forced out of the cylinder.It is a positive displace process.The exhaust valve closes 15~30o CA after TDC(exhaust lag crank angle)to improve emptying the cylinders and make the best use of the inertia of the gases in the exhaust systems.3.Induction process From the inlet valves open to close, the whole process that internal combustion engine inhales fresh charge is called intake process.The usual practice is to extend the valve open phases beyond the intake strokes to improve charging of the cylinders and make the best use of the inertia of the gases in the intake systems.The intake valve opens 10~20o CA before TDC(the inlet lead crank angle)and closes 40~70oCA after BDC(the inlet lag crank angle).4.Valve overlap and scavenging

The exhaust valve closes 15 to 30o CA after TDC and the inlet valve opens 10 to 20o CA before TDC.The duration that both valves are open are called an overlap period.With both valves opening, the inertia of fresh charge can be used to sweep the exhaust gases out of cylinder without any loss if the overlap is proper, that is so called scavenging.The advantage of valve overlap occurs at high engine speeds when the longer valve-open periods improve volumetric efficiency.If the valve overlap is too large, backflow of exhausted gas into the cylinder gases into the intake will usually occur.2.1.2 Valve timing The valve timing are modified to set better charging and exhausting performance as there is always a difference between theory and practical.2.2 Volumetric efficiency

One of the most important processes that govern how much power and performance can be obtained from an engine is getting the maximum amount of air into the cylinder during each cycle.1.Definition of volumetric efficiency Volumetric efficiency is a measure of the effectiveness of the induction and exhaust processes.In terms of quantities applying to an actual engine, volumetric efficiency is defined as the mass of fresh mixture which passes into the cylinder in one suction stroke, divided by the mass of this mixture which would fill the piston displacement at inlet density.maV1?(2.1)msVs?v?Where ma= mass of air inhaled per cylinder per cycle;ms= mass of air to occupy swept volume per cylinder at “ambient” pressure and temperature;V1= volume of “ambient” air inhaled per cylinder per cycle;Vs= cylinder swept volume.2.The influence factors of volumetric efficiency When inlet valve closed, the overall volume of cylinder is Vs’+Vc, the mass of trapped working fluid is ma: ma?(Vc?Vs')?a

(2.2)Mass of residuals when exhaust valve closed: mr?Vr?r

(2.3)

From(2.1),(2.2)and(2.3),fresh charges inhaled per cylinder per cycle is:

?vVs?s??Vc?Vs'??a?Vr?r

(2.4)

Considering influence of intake and exhaust valve lag angle, make ??Vc?Vs'，Vc?Vs

??Vr1,then: ?v?(???a???r)

(2.5)(??1)?sVcpp1Ts(??a??r)

(2.6)??1psTaTr

By applying Ideal Gas Equation ??p/(RT)to Eq.(2.5):

?v?

The level of exhaust residuals trapped in the cylinder has a significant effect on the cycle-by-cycle variations in combustion, and the emissions of NOX.The residual coefficient γ is defined as mass of residual trapped in cylinder at the end of intake stroke, divided by mass of fresh charge inhaled in the intake stroke.It is used to evaluate the residual percentage of mixture in cylinder.From(2.3)and(2.4):

?Vc?rmrVr?r?r?????(2.7)?vVs?s(Vc?Vs')?a?Vr?r?Va?a??Vc?r?????r?aBy applying(2.6)to(2.7):

?v??Tspa1

??1psTa1???In a qualitative analysis, volumetric efficiency ηv increases with:(1)Increasing mixture pressure at the end of intake stroke pa;(2)Decreasing mixture temperature at the end of intake stroke Ta;(3)Reducing residual coefficient γ;(4)Increasing compression ratio ?;(5)Suitable valve parameters ξ and φ.2.3 Effect of operating conditions and design on volumetric efficiency 1.Inlet Mach index: For convenience the ratio of the typical velocity to the inlet sonic velocity, u/α, is called the inlet Mach index.The gas velocity is chosen by the following equation: u?ApVpCiAi

Where u= gas velocity through the inlet valve at smallest area;Ap= piston area;Vp= mean piston speed;

Ai= nominal intake valve opening area;Ci= inlet valve flow coefficient.And: Z?u??ApVpAiCi??(b2Vp)DiCi?Where Z= inlet valve Mach index;α= inlet sonic velocity;b= cylinder diameter;Di= inlet valve diameter.From a great number of experiments, it could be seen that the maximum volumetric efficiency is obtainable for an inlet Mach number of 0.55.Therefore, engine designers must take care of this factor to get the maximum volumetric efficiency for their engines.2.Effect on intake system friction During the intake stroke, due to friction in each part of the intake system, the pressure in the cylinder pc is less than the atmospheric pressure patm by an amount dependent on the square of the speed.?p?patm?pc???pj??k?v2j

Where k= the resistance coefficient for that component which depends on its geometric details;ρ= density of fresh air;vj= the local velocity.3.Effect of inhaled charge heating

Designs which minimize the temperatures of inlet manifolds, inlet ports, inlet valves and valve seats are desirable.Improvement of heat conductivity between these parts and the coolant is effective in reducing temperature of fresh charge.4.Effect of speed and valve timing

Flow effects on volumetric efficiency depend on the velocity of the fresh mixture in the intake manifold, port, and valve.Frictional flow losses increase as the square of engine speed, at higher engine speeds, the flow into the engine becomes choked.Earlier-than-normal inlet valve closing reduces back-flow losses at low speed and increases ηv.Later-than-normal inlet valve closing, results in a decreasing inηv at low engine speeds due to backflow.5.Effect of intake runner length The high volumetric efficiencies can be obtained at certain speeds by means of long inlet pipes.The effects noted are caused by the inertia and elasticity of the gases in the inlet pipe and cylinder.As pipes become shorter, the maximum gains in volumetric efficiency grow smaller, but the range of speeds over which some gain is made grows wider.

第二篇：《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》雙語教案(chapter 6)

Chapter 6

Engine Operating Characteristics

Key: Engine load characteristics, speed characteristics, universal characteristics Difficult points: Analyze the tendency of speed characteristics and its application.Section 1 Engine performance parameters

6.1 Engine performance parameters

The practical engine performance parameters of interest are power, torque and specific fuel consumption.The relative importance of these parameters varies over an engine’s operating speed and load range.The maximum or normal rated brake power and the quantities such as bmep derived from it define an engine’s full potential.The interrelationship between engine performance parameters is the basis of engine characteristics analysis and the explanation of the curves.The relations between main parameters and procedure variables are given below:

?(1)Brake power: pe?K1?v??m??i?n??(2)Brake torque: Ttq?K2?v??m??i1?(3)Brake specific fuel consumption: be?K3??v?m??i(4)Fuel consumption rate: B?bePe?K4??n?Where k1,k2,k3,k4 is constant;ηv is volumetric efficiency;λ is relative air/fuel ratio;ηi is indicated efficiency;ηm is mechanical efficiency;n is engine rotary speed.Section 2 Engine load characteristics Relation between the instantaneous value of main engine economic parameters and engine load, when engine speed is maintained constant, is known as engine load characteristics.The curve representation is known as load characteristics curve.6.2.1 Load characteristics of SI engine 1.Definition

Opening the throttle valve by matching increased dynamometers brake load gradually to keep the engine speed in constant ,the variation relations between engine

brake specific fuel consumption be and fuel consumption rate B with brake power Pe(brake mean effective pressure Pme ,brake torque Ttq)is termed as load characteristics of SI engine.When the opening of throttle valve, bothηi and ηm

rise, thus the bsfc be drops drastically.As in heavy duty when rich mixture needed, incomplete combustion causes the decreases of indicated efficiency, this makes the bsfc be rise up.6.2.2 Load characteristics of CI engine Moving the injector pump rack to change the oil supply Δb by applying matched dynamometers brake load to keep the engine speed in constant ,the variation relations between engine brake specific fuel consumption be and fuel consumption rate B with brake power Pe(brake mean effective pressure Pme ,brake torque Ttq)is referred as load characteristics of CI engine.When the control rack or rod moving to positive direction for fuel injection, both ηi and ηm

rise at the beginning, thus the bsfc be drops drastically.Then richer mixture results in the decrease of indicated efficiency, but the ηm, counter action of the two variables form a relative horizontal line of bsfc be in heavy load operation.6.2.3 Comparison of SI engine load characteristics with CI engine 1.Bsfc of SI engine is higher than that of CI engine

The compression ratio of CI engine is more higher than that of SI engine, and the volumetric efficiency is higher too.SI engine burn with leaner mixture, that is to say, with excessive air, thus the indicated efficiency of CI engine is higher than that of SI engine, which results in the lower bsfc in CI engine.2.The curve of SI engine bsfc is more curvature than that of CI engine 3.The exhaust temperature of SI engine is higher than that of CI engine

The higher compression ratio of CI engine gives a fully expansion of burnt charge, which results in the lower exhaust temperature more in SI engine.Section 3 Engine speed characteristics

With the fuel control mechanism（rack，rod or throttle valve)fixed, the variation relations between engine main performance parameters(brake torque, brake power and bsfc)with engine speed is referred to engine speed characteristics.The characteristic derived with the fuel control mechanism fixed in maximum fuel supply position is termed as full-load characteristics.6.3.1 Speed characteristics of SI engine 1.Definition

With the throttle valve fixed, the variation relations between engine main performance parameters such as brake torque, brake power and bsfc with engine speed is referred to speed characteristics of SI engine.?1)Curve of brake torque Ttq?K2?v??m??i?The main factors that influence brake torque are ηi , ηm , ηv and λ.(1)Indicated efficiency ηi peaks at a middle speed(Fig.7.6(a)).While in too high engine speeds, the combustion duration counted with crank angle is extended, this reduces the combustible efficiency, thus the ηi.(2)Mechanical efficiency ηm decreases with increasing of engine speed(Fig.7.6(b)).When engine speeds up, increases in mechanical loss, accessories consumption and pumping loss decrease the mechanical efficiency.(3)Volumetric efficiency ηv peaks at certain engine speed(Fig.7.6(c)).With fixed throttle position and fixed valve timing, the volumetric efficiency curve rises slightly in low engine speed and drops drastically in high engine speed due to the fast growing frictional loss in inlet pipes and passages.(4)Relative A/F equivalence ratio λ increases modestly with increasing of engine speed(Fig.7.6(d)).It has modest effect on brake torque.2)Curve of brake power With increasing engine speed, the brake torque increases, so the brake power rises rapidly.As MBT is reached, the brake torque drops, which slow down brake power, and eventually turn it down when peak power is obtained.3)Curve of bsfc In low engine speed range, ηi increase while ηm decrease with increasing engine speed, be decrease moderately.While in high engine speed range, bothηi and ηm decrease with increasing engine speed, thus be increases rapidly.6.3.2 Speed characteristics of CI engines 1.Definition

With the fuel control mechanism(rack or rod)fixed, the variation relations between engine main performance parameters such as brake torque, brake power and bsfc with engine speed is referred to speed characteristics of CI engine.1)Curve of brake torque In diesel engine, the torque produced under certain engine speed is mainly

?vVs?0h?Q?determined by circle fuel

injection Δb.Heat addition per-cycle Δb is:

?L0So the cycle fuel injection Δb is: ?b??vVs?0?L0and the Ttq can

be turned into: T?K'???btq2imFrom the above equation, we can get that the main factors that influence brake torque are ηi , ηm and Δb.(1)Indicated efficiency ηi peaks at a middle speed(Fig.7.8).In the low engine speed range,the loss due to heat transfer is large,so ηi is low.While in high engine speeds range,reduced volumetric efficiency and increased Δb form richer mixture,resulting in the drop of indicated efficiency.(2)Mechanical efficiency ηm decreases with increasing engine speed(Fig.7.8).When engine speeds up,increases in mechanical loss,accessoriesconsumption and pumping loss decrease the mechanical efficiency.(3)Fuel injection per-cycle Δb increases with increasing engine speed due to the throttle effect in injector pumps.2)Curve of brake power With increasing engine speed, the brake torque increases, so the brake power rises rapidly.As MBT is reached, the brake torque drops, which slow down the increase of brake power.3)Curve of bsfc In low engine speed range, ηi increase while ηm decrease with increasing engine speed, be decrease moderately.While in high engine speed range, bothηi and ηm decrease with increasing engine speed, thus be increases rapidly.6.3.3 Comparison of SI engine speed characteristics with CI engine Differences between the two are the followings:(1)The torque curves of SI engine under all load range is relatively flat, while that of a SI engine drops drastically in high engine speed range.(2)The peak power can be reached in SI engine full-load power curve, ordinarily it is the rated power, while the peak point can hardly be reached in CI engine power curve.(3)The bsfc curves of CI engine under all load range is relatively flat, while that of a SI engine is more warping, especially in low-load range.Section 4 Diesel engine governing characteristics

A device for automatically controlling the speed of an engine by regulating the intake or injection of fuel, so that the engine speed is maintained at the desired level under all conditions of loading, is termed the governor.With injector speed-regulating handle fixed and governor functioning, the variation relations of main performance parameters Pe, Ttq and be of diesel engine with engine speed is referred to as governing characteristics.Two styles are used to illustrate governing characteristic：

(1)load characteristic style

(2)speed characteristic style Engine speed governors can be classed as speed-limiting, constant-speed or all-speed type by function;or classified as mechanical, electronics, pneumatic and hydraulic type by structure.(1)Construction machinery and tractors are normlly equipped with constant-speed governor.(2)Automobile used engines are usually fitted with speed-limiting governors.Chapter 5 Engine universal characteristics One common way to present the operating characteristics of an engine over its full load and speed range is to plot brake specific fuel consumption contours on a graph of brake mean effective pressure versus engine speed.Maxmum bmep occurs in the mid-speed range;the minimum bsfc island is located at a slightly lower speed and at part load.These map characteristics can be understood in terms of variations in ηi , ηm , ηv and the importance of heat losses and friction change.Engine performance map can be plotted by two methods: by speed characteristics or load characteristics.Comparison of universal characteristics

Firstly, bsfc be of SI engine is higher than that of CI engine；

Secondly, the most economic region of SI engine located at the location of the upper, that is to say, high load areas.With the decrease of load, bsfc increases rapidly.As for CI engine, the most economic regions are more modest.When change load, the economic characteristic changes small.Because vehicle gasoline engine usually run at lower load, bsfc is high, economic characteristic is not good.For vehicle diesel engine, because more condition are used in truck, engineering machinery, mining vehicles, loads are high, the economic characteristic are better from universal characteristics curves.On the universal characteristic figure, specific fuel consumption curve at the innermost is equal to the most economic area that engine is running, the outward the contour curve, the worse economic characteristics.Shape and location of equivalence bsfc curve have important influence on actual

economic characteristic.If the shape of curve is longer at horizontal direction, it shows that bsfc changes little when engine runs at loan changes little and speed changes great.If the shape of curve is longer at vertical direction, it shows that bsfc changes little when engine runs at loan changes great and speed changes little.For cars with internal combustion engine, the most economic region should be roughly in the intermediate position of the universal characteristics, so common speed and load can fall in the economic area, and specific fuel consumption curves in the transverse is longer than the other.For tractor and engineering machinery with internal combustion engine, the speed range is smaller and the load range is larger, the most economic region should be near the calibration speed, and a longer along the longitudinal.

第三篇：發(fā)動(dòng)機(jī)原理—教案

【發(fā)動(dòng)機(jī)原理】教案

教材: 《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理》

張志沛 主編

大連海運(yùn)學(xué)院出版社

長安大學(xué)

汽車學(xué)院機(jī)電與動(dòng)力研究所

目 錄

緒 論----------------------------

第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)及性能指標(biāo)--------------------------

§1-1 發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)概述---------------------------

5§1-2 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)熱量

這部分熱量雖然在膨脹過程中還可能會(huì)釋放出來，但由于活塞已接近下止

點(diǎn)，做功效果變差，熱效率下降。二 傳熱、流動(dòng)損失

（一）傳熱損失

理論上: 壓縮、膨脹過程為絕熱過程。

實(shí)際上: 大量熱量通過汽缸壁傳給冷卻水或空氣。

傳熱損失是發(fā)動(dòng)機(jī)中的最大損失，占總損失量的30%以上。因此，許多研

究者致力于開發(fā)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)。

（二）流動(dòng)損失

理論上: 閉口系統(tǒng)，沒有氣體流動(dòng)損失。

實(shí)際上: 進(jìn)、排氣節(jié)流沿程損失，缸內(nèi)進(jìn)氣、擠壓、燃燒渦流損失。三 換氣損失

理論上: 忽略進(jìn)、排氣過程。

實(shí)際上: 進(jìn)、排氣門提前開啟，遲后關(guān)閉。而且有流動(dòng)阻力。

換氣損失中逆向循環(huán)所包圍的面積為泵氣損失。泵氣損失包含在換氣損失

之中。四 時(shí)間損失

理論上: 定容加熱瞬間完成，定壓加熱速度與活塞運(yùn)行速度密切配合。

實(shí)際上: 燃燒需要時(shí)間。五 補(bǔ)燃損失

理論上: 加熱瞬間停止，膨脹過程無加熱。

實(shí)際上: 雖然大部分（80%以上）燃料在燃燒過程中燃燒掉，但仍有小部分燃

料會(huì)拖到膨脹線上才燃燒，做功效果變差，熱效率下降。六 泄漏損失

理論上: 閉口系統(tǒng)，無泄漏。

實(shí)際上: 活塞氣環(huán)不會(huì)100%嚴(yán)密密封，總會(huì)有些氣體竄到曲軸箱中，造

成損失。

§1-3 熱平衡

總熱量: QT = GT hu 分別轉(zhuǎn)化為 一 有效功的熱量 QE

Qe?36.?103Ne [ kJ/h ]（1 kw/h = 36.?103 kJ）

只有這部分熱量做了功，是有用的，所以希望越大越好。一般

柴油機(jī): 30～40% ； 汽油機(jī): 20～30%。

Qe令 qe?QT二 傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量 QS

QS?GScS(t2?t1)其中Gs－發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)的每小時(shí)流量 [ kg/h ] cs－冷卻介質(zhì)比熱 [ kJ/kg·℃ ] t1，t2 －冷卻介質(zhì)的進(jìn)、出口溫度 [℃]

三 廢氣帶走的熱量QR

QSqs?QT

QR?(Gr?Gk)(cprt2?cpt1)其中Gr－燃料量 [ kg/h ] Gk－空氣量 [ kg/h ] cpr－廢氣比熱 [ kJ/kg·℃ ] cp－空氣比熱 [ kJ/kg·℃ ] t1，t2 －進(jìn)、排氣溫度 [℃]

四 燃料不完全燃燒的熱損失QB QRqr?QE

QB?QT(1??r)其中?r－燃料效率

五 其它熱量損失QL

QB qb?QTQL?QT?(QE?QS?QR?QB)

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡方程式: qe

§1-4 指示指標(biāo)

ql?qt?(qe?qs?qr?qb)

?qs?qr?qb?ql?1

p-V圖 p-φ圖

發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo): 指示指標(biāo)，有效指標(biāo)

指示指標(biāo): 以工質(zhì)在汽缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)，評價(jià)工作循環(huán)的質(zhì)量。有效指標(biāo): 以曲軸上得到的凈功率為基礎(chǔ)，評價(jià)整機(jī)性能。

示功圖: 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力p隨汽缸容積V（p-V圖）或曲軸轉(zhuǎn)角?（p-?圖）變化的圖示。

一 指示功和平均指示壓力

（一）指示功Wi

一個(gè)循環(huán)工質(zhì)對活塞所做的有用功。

應(yīng)該：非增壓：Fi?F1?F2 增壓：Fi?F1?F2 因?yàn)? F2不容易測量, 實(shí)際將F2歸到機(jī)械損失中考慮。所以: Fi?F1

Wi?Fi?a?b 其中 a,b － 橫、縱座標(biāo)比例尺

指示功大，說明 ○汽缸工作容積大 ○熱功轉(zhuǎn)換有效程度大。為突出后

者，比較不同大小發(fā)動(dòng)機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換有效程度，引入平均有效壓力的概念。

（二）平均指示壓力pi

單位汽缸工作容積所做的指示功。

Wi pi?（假想?yún)?shù)）

Vh 其中Vh－每缸工作容積。

pi,柴 pi,汽?686～981 [ kpa ] ?784～1180 [ kpa ]

二 指示功率Ni

單位時(shí)間所做的指示功。

若: 缸數(shù)i，每缸工作容積Vh [ m ]，沖程數(shù) ?，平均指示壓力 pi[ pa ]，轉(zhuǎn)速 n [ r/min ]。則

3n2piVhin Ni?Wi?i? [ w ] ??60?30?piVhin ??10?3 [ kw ]

30? 若: 每缸工作容積Vh [ L ]，平均指示壓力 pi[ bar ]。則

piVhin Ni? [ kw ]

300?

三 指示比油耗和指示熱效率

（一）指示比油耗gi

單位指示功率的耗油量。

GT gi??103 [ g/kw·h ]

Ni GT－每小時(shí)耗油量 [ kg/h ]

（二）指示熱效率?i

Wi ?i?

Qi Qi－做Wi指示功所消耗的熱量。

36.?106 ?i?

gihu hu－燃料的低熱值。

?i,柴?0.43～0.50 gi,柴=170～200 [ g/kw·h ] ?i,汽?0.25～0.40 gi,汽=230～340 [ g/kw·h ]

§1-5 有效指標(biāo)

一 有效功率和機(jī)械損失功率

（一）有效功率Ne

單位時(shí)間所做的有效功。

peVhin Ne??10?3 [ kw ]

30? 其中 pe－平均有效壓力。

（二）機(jī)械損失功率Nm

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗的功率。

機(jī)械損失包括: 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦損失；驅(qū)動(dòng)附件損耗，如: 機(jī)油泵、燃油泵、掃氣泵、冷卻水泵、風(fēng)扇、配氣機(jī)構(gòu)；和泵氣損失等。

pmVhin Nm??10?3 [ kw ]

30? Ne?Ni?Nm

其中 pm－平均機(jī)械損失壓力。

二 有效扭矩Me

功率輸出軸輸出的扭矩。

2?n Ne?Me? [ w ]

602?n ?Me? [ kw ]

360?10Men ? [ kw ] 9550

三平均有效壓力pe

單位汽缸工作容積所做的有效功。

peVhin 由于 Ne??10?3 [ kw ]

30?piVhin Ni??10?3 [ kw ]

30?peNe 所以

pe?pi?pm ?piNi

Me? pe?314 [ kpa ].Vhi pe?Me

pe,柴?588～883 [ kpa ] pe,汽?588～981 [ kpa ]

四 升功率和比重量

（一）升功率Nl

單位汽缸工作容積所發(fā)出的功率。

Ne Nl?

iVhpen ??10?3 [ kw/l ] 30?

（二）比重量Ge

發(fā)動(dòng)機(jī)凈重量G與所發(fā)出有效功率Ne的比值。

G Ge? [ kg/kw ]

Ne Nl?，Ge? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度高。

Nl,車柴?11～26 [ kw/l ] Ge,車柴?4～9 [ kg/kw ] Nl,拖柴?9～15 [ kw/l ] Ge,拖柴?5.5～16 [ kg/kw ] Nl,汽?22～55 [kw/l ] Ge,汽?1.35～4 [ kg/kw ] 可見，汽油機(jī)的強(qiáng)化程度要比柴油機(jī)的高。

五 有效比油耗和有效熱效率

（一）有效比油耗ge

單位有效功率的耗油量。

GT ge??103 [ g/kw·h ]

Ne GT－每小時(shí)耗油量 [ kg/h ]

（二）有效熱效率?e

We ?e?

Qe Qe－做We有效功所消耗的熱量。

3.6?106 ?e?

gehu ?e,柴 ?e,汽?0.30～0.40 ge,柴=218～285 [ g/kw·h ] ?0.20～0.30 ge,汽=285～380 [ g/kw·h ] 由此可見，柴油機(jī)的熱效率比汽油機(jī)的高，經(jīng)濟(jì)性比汽油機(jī)好。

§1-6 機(jī)械損失 一 機(jī)械效率?m

對于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，絕對損失大的，其相對損失卻不一定也大。必須有

一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，故引進(jìn)機(jī)械效率的概念。

有效功率與指示功率的比值。

NepeNmpm ?m? ??1??1?NipiNipi Ne?Ni??m? 性能好，所以應(yīng)盡量提高?m。

?m,柴?0.7～0.85 ?m,汽?0.7～0.9

二 機(jī)械損失的測定

（一）倒拖法－只能在電力測功機(jī)上試驗(yàn)

在壓縮比不很高的汽油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)動(dòng)機(jī)與電力測功機(jī)相連。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，冷卻水溫度、機(jī)油溫度達(dá)正常值。然后使發(fā)動(dòng)機(jī)在給定工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的供油（Ni?0,pi?0）。

將電力測功機(jī)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)使用，在給定轉(zhuǎn)速下倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)，并維持冷卻水溫度和機(jī)油溫度不變。由于此時(shí)Nm??Ne，因此從電力測功機(jī)上所測得的倒拖功率Ne即為發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況下的機(jī)械損失功率Nm。

（二）滅缸法－僅適用于多缸機(jī)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整到以給定工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，先測出整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率Ne。之后，在柴油機(jī)油門拉桿或齒條位置、或汽油機(jī)節(jié)氣門開度固定不動(dòng)的情況下，停止向某一汽缸供油或點(diǎn)火。調(diào)整測功機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速，重新測定有效功率Ne,1（其余五個(gè)汽缸的有效功率），Ne,1必然小于Ne（一缸熄火），兩者之差即為滅掉缸的指示功率Ni,1?Ne?Ne,1。因?yàn)镹i,1?Ni?Ni,x?1?(Ne?Nm)?(Ne,1?Nm,1)?Ne?Ne,1。逐次滅缸，則整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率為Nii?1 如果各缸負(fù)荷均勻，則僅測一個(gè)缸，即滅火一次即可，Ni 其它還有示功圖法，油耗線法等。

三 影響機(jī)械效率的因素

??(Ne?Ne,i)x，其中x為總缸數(shù)。

x?x(Ne?Ne,1)。這樣，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失功率為Nm?Ni?Ne，機(jī)械效率為?m?Ne/Ni。(一)轉(zhuǎn)速

其中cm－活塞平均運(yùn)行速度。

pm與cm幾乎呈直線關(guān)系。?m與n似呈二次方關(guān)系。n? ? □ 慣性力? ? 活塞對缸壁的側(cè)壓力? ? 軸承負(fù)荷?

□ 各摩擦副相對速度? ? 摩擦損失?

□ 泵氣損失?，驅(qū)動(dòng)附件損耗?

? pm? ? ?m?

若要提高轉(zhuǎn)速來強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，則?m將成為主要障礙之一。

（二）負(fù)荷

發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷 □ 柴油機(jī): 油門拉桿或齒條位置

□ 汽油機(jī): 節(jié)氣門開度

轉(zhuǎn)速n一定，負(fù)荷? 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒劇烈程度?，平均指示壓力pi?；而由于轉(zhuǎn)速不變，pm平均機(jī)械損失壓力pm基本保持不變。則?m?1??，機(jī)械效率下降。

pi? 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有效功率Ne?0，指示功率Ni全部用來克服機(jī)械損失功率Nm。即Ni?Nm，因此，?m?0。

由于車用柴油機(jī)普遍在高轉(zhuǎn)速、較低負(fù)荷下工作，機(jī)械效率下降嚴(yán)重。因此，機(jī)械效率對于車用柴油機(jī)尤為重要。

（三）潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度

潤滑油粘度影響潤滑效果

潤滑油溫度影響潤滑油粘度

冷卻水溫度影響潤滑油溫度

即冷卻水、潤滑油溫度通過潤滑油粘度間接影響潤滑效果。潤滑油粘度（牌號）?；冷卻水溫度? ? 潤滑油溫度? ? 潤滑油粘度?

? 潤滑效果? ? 摩擦? ? Nm,pm? ? ?m? 潤滑油粘度（牌號）??；冷卻水溫度?? ? 潤滑油溫度?? ? 潤滑油粘度??

油膜破裂趨勢?? ? 摩擦?? ? Nm,pm?? ? ?m?? 潤滑油中雜質(zhì)? ? 摩擦? ? Nm,pm? ? ?m?

要求: 定期保養(yǎng)、清洗機(jī)油濾清器，5000～10000公里換機(jī)油。

§1-7 燃燒熱化學(xué) 一 燃料的完全燃燒

（一）理論空氣量L0 目的: 1 kg燃料完全燃燒所需要的空氣量L0

汽油: gC2 已知條件: 1 kg燃料中所含gC kg 碳，gH kg 氫氣，gO kg氧氣

?0855.[ kg/kg ]，gH?0145.[ kg/kg ]，gO?0 [ kg/kg ] 柴油: gC?087 [ kg/kg ].[ kg/kg ]，gH?0126.[ kgkg ]，gO?0004.3 化學(xué)反應(yīng)方程式

C?O2?CO2 H2?O2?H2O 需要總的O2量

C?O2?CO2 H2?1O22?H2O 1 kmol 1 kmol 1 kmol 1 kmol kmol 1 kmol

21111 1 kg kmol kmol 1 kg kmol kmol 121242

gHgHgCgC gC kg kmol kmol gH kg kmol

4212125 燃料中所含的O2量

gO gO [ kg ] = [ kmol ]

326 所需空氣中的O2量 = 總的O2量－燃料中所含的O2量 所需空氣量（目的）（1）kmol 空氣中氧氣成分約占21%，所以

kmol 1gCgHgO(??)[ kmol/kg ] L0?0.2112432（2）kg 空氣的折合分子量為28.95，即 1 kmol 空氣 = 28.95 kg 空氣，所以

28.95gCgHgO(??)[ kg/kg ] L0?0.21124323（3）m 1 kmol 空氣 = 22.4 m 空氣，所以

22.4gCgHgO(??)[m3/kg ] L0?0.2112432

（二）過量空氣系數(shù)和空燃比 1 過量空氣系數(shù) ?

L ??

L0燃燒1kg燃料實(shí)際供給的空氣量 ?

完全燃燒1kg燃料理論上所需要的空氣量 表示混合氣的濃稀程度。? 大 ? 混合氣稀；? 小 ? 混合氣濃

一般，柴油機(jī): ? > 1；汽油機(jī): ? ? 1。2 空燃比 A/F A/F??L0

空氣量 ?

燃料量 表示混合氣的濃稀程度。A/F 大 ? 混合氣稀；A/F 小 ? 混合氣濃

（三）分子變更系數(shù) 1 理論分子變更系數(shù) ?0

M2 ?0?

M1燃燒后工質(zhì)的摩爾數(shù) ?

燃燒前工質(zhì)的摩爾數(shù) ?0? ? 容積變化大 ? 膨脹做功好 ? ?t?（1）完全燃燒: gHgO?432 ?0?1??L0（2）不完全燃燒:

gHgO0.21(1??)L0??432 ?0?1??L02 實(shí)際分子變更系數(shù) ?

M2?Mr?0?r ?? ?M1?Mr1?r 其中Mr－1 kg 燃料燃燒后殘余廢氣的摩爾數(shù)。r?Mr/?L0－殘余廢氣系數(shù)。

二 燃料的不完全燃燒第五章 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及排放污染

噪聲: 汽車的主要噪聲源 — 發(fā)動(dòng)機(jī)。

汽油機(jī)的主要噪聲源 — 風(fēng)扇噪聲和配氣機(jī)構(gòu)噪聲。

柴油機(jī)的主要噪聲源 — 燃燒噪聲。

柴油機(jī)的噪聲比汽油機(jī)的大。

排放: 汽油機(jī)的CO、NOx和HC排放比柴油機(jī)的多，柴油機(jī)的炭粒排放比汽油機(jī)的多。

§5-1 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲污染及防治

GB規(guī)定: 城市噪聲聲壓級白天 — Lp ? 42 [ dB ]，夜間 — Lp ? 37 [ dB ]。一 噪聲的評價(jià)指標(biāo)

（一）噪聲的物理參數(shù) 1 聲壓 p 聲波通過介質(zhì)時(shí)，波峰處的壓力升高量 [ pa ]。2 聲壓級 Lp — 無因次參數(shù)

p Lp?20lg [ dB ]

p0其中p0 — 1000 [ Hz ]時(shí)的基準(zhǔn)聲壓，即聽閥聲壓，p0?5?2?10?5 [ pa ]。

人耳能聽到的聽閥聲壓?2?10 [ pa ]，產(chǎn)生疼痛的痛閥聲壓 = 20 [ pa ]。相差100萬倍左右。3 聲強(qiáng) I 單位時(shí)間、單位面積上通過的聲能 [ W/m ]。4 聲強(qiáng)級 LI — 無因次參數(shù)

2I LI?10lg [ dB ]

I0其中I0 — 1000 [ Hz ]時(shí)的基準(zhǔn)聲強(qiáng)，L0?10?12 [ W/m2 ]。聲功率 W 聲源在單位時(shí)間內(nèi)所輻射的總能量 [ W ]。W??sInds

其中S — 包圍聲源的封閉面面積；In — 聲強(qiáng)在微元面積ds法線方向的分量。

（1）在自由場中，聲波球面輻射，則 I球?W4?r2?W [ W/m ]

2（2）在開闊地面上，聲波半球面輻射，則 I半球2?r2 [ W/m ] 聲功率級 Lw — 無因次參數(shù)

W Lw?10lg [ dB ]

W0?10?12 [ W ]。

聲壓級 Lp，聲強(qiáng)級 LI和聲功率級 Lw的范圍均為 0～120 [ dB ]。其中W0 — 基準(zhǔn)聲功率，W07 頻率與頻帶

人耳能聽到的聲音頻率范圍為20～20,000 [ Hz ]。

將其分為若干個(gè)頻率段 — 頻帶或頻程。

常用倍頻程和1/3頻程。

倍頻程的中心頻率 — 31.5，63，125，250，500，1000，2000，4000，8000，16000?

中心頻率f中，上限頻率f上和下限頻率f下的關(guān)系為

1f中； f上?2f下。

f上?2f中； f下?2 頻譜圖 — 橫坐標(biāo): 頻率（頻帶），縱坐標(biāo): 聲壓級 Lp，聲強(qiáng)級 LI或聲功率級 Lw。

（二）主觀評價(jià) — 響度級

即使聲壓級相同，而頻率不同，人耳所感受到的聲音響度就會(huì)不同，主觀評價(jià)參數(shù) — 響度級 [ 方 ]（[ phon ]）。

以1000 [ Hz ] 的純音為基準(zhǔn)聲音，當(dāng)某噪聲的響度與某聲壓級的純音響度相同時(shí)，則該純音的聲壓級 [ dB ] 即為該噪聲的響度級 [ phon ]。

如圖的ISO等響曲線由大量試驗(yàn)得出 100 Hz以下的噪聲，雖然聲壓級 [ dB ] 較高，但響度級 [ phon ]卻低，人耳不敏感。

低頻、低聲壓級 [ dB ] 的噪聲，人耳聽不到。同一聲壓級 [ dB ]下，人耳對頻率為3000～4000 Hz的噪聲（波谷）最為敏感，其響度級 [ phon ] 最高。聲壓級高于100 [ dB ] 時(shí)，等響曲線平緩，響度級 [ phon ] 僅與聲壓級 [ dB ] 有關(guān)，而與頻率 [ Hz ] 幾乎無關(guān)。說明對于高 [ dB ] 的噪聲，人耳已分辨不

出高、低頻了。

二 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲分析

（一）車輛噪聲源 與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n有關(guān)的噪聲源

進(jìn)、排氣噪聲；旋轉(zhuǎn)件噪聲 — 風(fēng)扇，空氣壓縮機(jī)，發(fā)電機(jī)和空調(diào)等。2 與車速有關(guān)的噪聲源

傳動(dòng)噪聲 — 變速器，傳動(dòng)軸等；空氣動(dòng)力噪聲 — 輪胎噪聲，車體噪聲等。

（二）發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源 — 主要噪聲源 1 直接傳向大氣的噪聲源

進(jìn)、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲等 — 屬于空氣動(dòng)力噪聲。2 發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲源

由發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的機(jī)械振動(dòng)引起。?p（1）燃燒噪聲 — ?，pmax?，還與發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的強(qiáng)度、剛度有關(guān)。

??（2）機(jī)械噪聲 — 發(fā)動(dòng)機(jī)零部件之間的間隙撞擊和零部件彈性變形，導(dǎo)致零部

件振動(dòng)引起。

三 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的防治

（一）降低燃燒噪聲

?p1 采用油膜蒸發(fā)型混合氣形成方式 — M過程 ? ?，pmax?。

???p2 盡量使噴油先緩后急 — 推遲噴油開始時(shí)刻 ? ?，pmax?。

??3 使用十六烷值高的燃料 ? ?i?。

（二）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

加固主軸承，多加和加固加強(qiáng)筋。

（三）采用隔聲罩殼

材料: 鋼板、玻璃纖維和其它消聲材料。

部位: 曲軸箱側(cè)壁和排氣總管。

（四）采用排氣消聲器

排氣消聲器 — 聲濾波器，隨頻率變化。阻性消聲器 — 主要用于小轎車

聲學(xué)性能主要取決于聲吸收構(gòu)造和材料的流動(dòng)阻力。降低噪聲的頻帶較廣。2 抗性消聲器 — 主要用于載貨汽車

聲學(xué)性能主要取決于消聲器的幾何形狀，造成排氣聲能阻抗失配。阻抗失配使部分聲能在消聲器內(nèi)來回反射震阻礙向外輻射。3 阻抗復(fù)合式消聲器 — 用于各種汽車

以抗性消聲器為基礎(chǔ)，同時(shí)采用吸聲材料，可使排氣噪聲大幅度降低。

（五）低噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

在滿足基本性能的前提下，按降聲原理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

§5-2 發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染及防治 一 發(fā)動(dòng)機(jī)的污染源

（一）排氣污染 — 占發(fā)動(dòng)機(jī)總污染量的65～85% 1 一氧化碳 CO 2 氮氧化合物 NOx 碳?xì)浠衔?HC 4 燃料液滴和炭粒 5 各類鉛、硫化合物

（二）曲軸箱通風(fēng)污染 — 占發(fā)動(dòng)機(jī)總污染量的20%左右

主要是碳?xì)浠衔?HC。

（三）汽油箱通風(fēng)污染 — 占發(fā)動(dòng)機(jī)總污染量的5%左右

主要是碳?xì)浠衔?HC。

（四）化油器浮子室及油泵接頭處的泄漏污染 — 占發(fā)動(dòng)機(jī)總污染量的 5～10% 主要是碳?xì)浠衔?HC。

（五）含鉛、磷汽油所形成的鉛、磷污染

本課程只討論第一項(xiàng) — 發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣污染。

二 發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的形成、危害和防治

（一）一氧化碳 CO 1 形成

C + O ? CO [ + O ] ? CO2 [ 中間產(chǎn)物 ] 產(chǎn)生的原因是缺氧。

汽油機(jī)上 — ? < 1 的濃混合氣；

柴油機(jī)上 — ? > 1，但局部過濃的混合氣。2 危害

煤氣中毒 — 人體血液中的血紅素對CO的親和力比對O2的高，引起含CO的血紅素所占比例增高，造成人體缺氧窒息。3 防治

（1）稀薄燃燒與高能點(diǎn)火

使混合氣的 ??，而又能夠正常燃燒。（2）縮小燃燒室的激冷區(qū)

激冷區(qū) — 燃燒室中由兩個(gè)以上冷表面構(gòu)成的狹窄空間，如擠氣間隙。

激冷效應(yīng) — 靠近激冷區(qū)的可燃混合氣，熱損失過多而不能著火。

縮小燃燒室的激冷區(qū) ? 燃燒易于完全 ? CO?。

（二）氮氧化合物 NOx 1 形成

（1）燃燒溫度高（2）高溫持續(xù)時(shí)間長

（3）火焰前鋒面中氧氣的濃度高

產(chǎn)生的原因是高溫。2 危害

（1）與肺中的水蒸汽粘合而形成稀硝酸，引起肺水腫和肺氣流阻力明顯上升。（2）與HC反應(yīng)生成光化學(xué)過氧化物，是光化學(xué)煙霧的主要成分。3 防治

（1）降低壓縮比 ? ? 缸內(nèi)溫度? ? NOx?。（2）減小點(diǎn)火提前角 ? ? 缸內(nèi)溫度? ? NOx?。（3）廢氣再循環(huán)，缸內(nèi)噴水，采用乳化油，?? 或 ?? ? 缸內(nèi)溫度? ? NOx?。（4）分層燃燒 ? 降低混合氣的均勻性 ? 缸內(nèi)溫度? ? NOx?。

（5）加強(qiáng)燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)?混合氣混合、燃燒迅速?高溫持續(xù)時(shí)間??NOx?。

（三）碳?xì)浠衔?HC 1 形成

（1）局部混合氣過濃或過稀使氧化反應(yīng)減慢，熱損失相對增加，不能著火。（2）某微小單元的混合氣面容比大，熱損失大，不能著火。（3）激冷效應(yīng)。2 危害

（1）3.4苯并芘 — 致癌物質(zhì)。

（2）苯甲醛和丙烯醛 — 強(qiáng)烈刺激眼睛和呼吸器官。（3）光化學(xué)煙霧的主要成分。3 防治

（1）降低壓縮比 ? ? 膨脹沖程中燃燒室壁面溫度和排氣溫度? ? HC?。（2）改善燃燒室形狀，降低面容比 ? 散熱損失? ? HC?。（3）稀薄燃燒與高能點(diǎn)火 ? 燃燒完全程度? ? HC?。

（4）減小點(diǎn)火提前角 ? ? HC在膨脹和排氣沖程中燃燒掉。（5）縮小燃燒室的激冷區(qū) ? 燃燒易于完全 ? HC?。

（6）加強(qiáng)燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng) ? 混合氣混合、燃燒完全 ? HC?。

（7）曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)

HC — 空氣濾清器 ? 進(jìn)氣管 ? 缸內(nèi)再燃燒。

（四）燃料液滴和炭粒 1 燃料液滴

柴油機(jī)冷起動(dòng)或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)冒藍(lán)、白煙。藍(lán)、白煙之間沒有嚴(yán)格的成分差異，均為燃料液滴或水蒸汽，只是微粒的直徑不同而對光線的反射不同而已。2 炭粒

柴油機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)冒黑煙。

（1）形成

缺氧，致使燃燒中間產(chǎn)物C-C，H-C裂化，再聚合成炭粒。

柴油機(jī)緩燃期中形成最多。（2）危害

A 燃燒不完全 ? 經(jīng)濟(jì)性?，動(dòng)力性?。B 污染大氣。

C 炭粒沉積在活塞、燃燒室和排氣門等零件表面，使運(yùn)動(dòng)件摩擦損失增大，甚

至卡死。（3）防治

A 稀薄燃燒與高能點(diǎn)火 ? 燃燒完全程度? ? 炭粒?。B 改善霧化質(zhì)量 ? 混合氣混合、燃燒完全 ? 炭粒?。C 加強(qiáng)燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng) ? 混合氣混合、燃燒完全 ? 炭粒?。D 改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用，加速混合氣形成，提高燃燒速率。

E 采用乳化油 ? 缸內(nèi)溫度? ? 中間產(chǎn)物的熱裂反應(yīng)明顯減少。F 加入消煙添加劑 — 鋇鹽，但有毒。G 后期處理

小顆粒的炭粒經(jīng)過靜電、過飽和水蒸汽、超聲波而聚合成較大顆粒的炭粒，再通過除塵過濾器予以凈化。

（一）? ? 1－汽油機(jī) 假設(shè)燃料中的C 燃燒全部生成了CO和CO2。其中CO是中間產(chǎn)物，即不完

全燃燒產(chǎn)物。CO2是最終產(chǎn)物，即完全燃燒產(chǎn)物。

gC2 化學(xué)反應(yīng)方程式

?gCO?gCO2 C?O2?CO

C?O2 H23 需要總的O2量

?CO2

?1O2?H2O 21O2?CO C?O2?CO

2C?2gCO2gCO2gCOgCO kmol kmol gCO kg kmol gCO kg

224121212gC?gCO2gCO kmol kmol gCO kg

1224 H2 kmol ?1O22?H2O

kmol gH kmol 24 燃料中所含的O2量 gHgH kg 4gO gO [ kg ] = [ kmol ]

325 空氣中的O2量 = 總的O2量－燃料中所含的O2量

gCO2gHgO1 0.21?L0?(gC?gCO2)???2412432gCgHgOgCgCO2 0.21?L0?(??)??124322424gCgCO21gCgHgO ?0.21L0??[L0?(??)]

24240.2112432所以 gCO?24?021.L0(1??)

gCO?gC?24?0.21L0(1??)gC?gCO?gCO 分析

（1）當(dāng)L?L0時(shí)，? = 1，A/F?L0

gCO2?gC

gCO?0,gCO2?gC（2）?? ? gCO?0,（3）?? ? 使gC?gCO時(shí)

gCO?0，C全部生成CO。此時(shí)的過量空氣系數(shù)稱為臨界?值。記為?cr。

gC 所以 ?cr?1?

24?0.21L0（4）??? ? ???cr

此時(shí)理論上gC?gCO，析出炭粒。

一般柴油機(jī)的?cr?0.6～0.72。

（二）? > 1－柴油機(jī)

混合氣混合不均勻，局部過濃或過稀，造成燃燒不完全。缸內(nèi)情況十分復(fù)雜。

三 燃料和可燃混合氣的熱值

（一）燃料的熱值

kg 燃料完全燃燒所產(chǎn)生的熱量 [ kJ ]。

加入水的汽化潛熱的熱值－高熱值

不加入水的汽化潛熱的熱值－低熱值 hu

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高溫，水只能以氣態(tài)存在，故應(yīng)取不加入水的汽化潛熱的熱值，即低熱值。

汽油: hu?44100 [ kJ/kg ]；柴油: hu?42500 [ kJ/kg ]

（二）可燃混合氣的熱值

hu Hu? [ kJ/kmol ]

M1

§1-8 發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的著火和燃燒方式 P 一 混合氣的著火

（一）柴油機(jī)－低溫多級自燃 1 t1階段－混合階段

在壓縮過程終了時(shí)，燃料噴入汽缸內(nèi)形成 可燃混合氣。燃料遇到溫度較高的空氣，開始 氧化，但速度緩慢，示功圖上的壓縮線沒有明 顯的變化?；旌想A段，為著火做準(zhǔn)備。2 t2階段－第一級反應(yīng)

燃燒的實(shí)質(zhì)是燃料的氧化反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)速 度很快時(shí)，火焰就會(huì)出現(xiàn)。經(jīng)過t1時(shí)間后，反

應(yīng)加劇，出現(xiàn)冷火焰，缸內(nèi)壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應(yīng)生成醛類、過氧化物和一氧化碳等中間產(chǎn)物。要求混合氣較濃，? = 0.4～0.5。3 t3階段－第二級反應(yīng)

溫度、壓力升高較大，產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)的活性中心，出現(xiàn)藍(lán)火焰?；旌蠚庀〉枚啵?略小于1。t1?t2?t3時(shí)間后－第三級反應(yīng)

活性中心劇增，化學(xué)反應(yīng)加速，熱積累劇烈，發(fā)生爆炸，出現(xiàn)熱火焰?；旌蠚飧?，? ? 1。

t1?t2?t3－著火延遲期

（二）汽油機(jī)－高溫單級點(diǎn)燃 壓縮的是燃料與空氣的混合氣體, 在此過程中, 已經(jīng)進(jìn)行了一些化學(xué)反應(yīng)?；鸹c(diǎn)火, 局部溫度高達(dá)20000℃以上, 該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基, 迅速反應(yīng)出現(xiàn)熱火焰, 瞬間擴(kuò)大到整個(gè)燃燒室內(nèi)。所以, 汽油機(jī)著火過程：

壓縮混合氣 ? 點(diǎn)火（經(jīng)短暫著火延遲期）? 熱火焰

三 燃燒方式

（一）同時(shí)爆炸燃燒

取某一部分為系統(tǒng), 著火前后整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的相完全均勻一致。即相只隨 t（時(shí)間）座標(biāo)變化, 而不隨 x（位移）座標(biāo)變化, 為單相系, 均勻系。

柴油機(jī)上, 由于混合氣分配不是十分均勻, 總有某一部分混合氣最先著火（一般在噴油嘴附近）, 取這一部分為系統(tǒng), 則系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的就是同時(shí)爆炸燃燒。

汽油機(jī)上, 由于火焰有傳播速度（雖然很快, 但相對同時(shí)爆炸燃燒卻很小）, 傳播逐次進(jìn)行, 故顯然不是同時(shí)爆炸燃燒。但火花塞間隙處的少量混合氣在電火花作用下, 可實(shí)現(xiàn)同時(shí)爆炸燃燒，從而形成火焰中心。

（二）逐漸爆炸燃燒 汽油機(jī)－火焰?zhèn)鞑ァ上嘞担旌蠚庀啵ㄎ慈紖^(qū)），燃燒產(chǎn)物相（已燃區(qū)）。

加熱從火花塞開始，緊靠火花塞的那一部分混合氣首先被加熱, 使氧化或活性中心增多, 發(fā)生燃燒。燃燒又加熱下一層??, 一層一層傳播。燃燒主要在火焰前鋒面內(nèi)進(jìn)行?；鹧媲颁h面前方的未燃區(qū)中是混合氣，火焰前鋒面后方的已燃區(qū)中為燃燒產(chǎn)物和一小部分在火焰前鋒面中沒有燃燒掉的燃料繼續(xù)燃燒。

（三）擴(kuò)散燃燒

柴油機(jī)的燃燒方式, 三相－燃料相, 空氣相, 燃燒產(chǎn)物相。

柴油燃點(diǎn)比汽油低, 但在日常生活中汽油卻比柴油易燃, 原因就在于汽油的揮發(fā)性好, 油與空氣形成混合氣較快, 物理準(zhǔn)備過程已經(jīng)就緒, 一點(diǎn)即燃。柴油機(jī)中燃燒的快慢卻主要取決于物理準(zhǔn)備過程進(jìn)行的快慢。油滴遇熱蒸發(fā)形成燃料蒸汽, 然后才能燃燒, 并非油滴與空氣接觸就可燃燒。為防止燃燒產(chǎn)物將油滴與空氣隔開, 將組織空氣相對于油滴的氣流運(yùn)動(dòng), 將燃燒產(chǎn)物拋在后面。

發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程

燃燒是做功之本。

燃燒需要空氣與燃料。重量比 容積比

燃料 1 1 液態(tài)

空氣 15 1000 氣態(tài)

燃料受機(jī)械控制，容易加入。而汽缸容積就那么大，要想多加空氣就要困難得多。因此，對發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的研究就顯得尤為重要了。

§2-1 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程 一 配氣定時(shí)

與工程熱力學(xué)中介紹的不同, 進(jìn)排 氣門的開啟、關(guān)閉也需要時(shí)間, 故

在下止點(diǎn)前排氣－排氣提前角40?～80? 在上止點(diǎn)后關(guān)閉－排氣遲閉角10?～35? 在上止點(diǎn)前吸氣－進(jìn)氣提前角 0?～40? 在下止點(diǎn)后關(guān)閉－進(jìn)氣遲閉角40?～80? 進(jìn)氣提前角+排氣遲閉角－氣門疊開角

二 換氣過程

（一）排氣過程 1 自由排氣階段 A 排開 p >>p’ ? p = p’ 靠缸內(nèi)壓力將氣體擠出氣缸，其中 p－缸內(nèi)壓力, p’－排氣管內(nèi)壓力。2 強(qiáng)制排氣階段 B p = p’ ? p ? p’

靠活塞上行將廢氣擠出氣缸。3 超臨界排氣 C 排開 ? p = 1.9 p’

在氣閥最小截面處, 氣體流速等于該地音速

a?kRT m/s。其流量與壓差（pp’）。

（二）進(jìn)氣過程和氣門疊開角

由于節(jié)流作用, 缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓；（p0?p）使新鮮介質(zhì)進(jìn)入缸內(nèi)。

氣閥疊開角：非增壓：20?～60? CA。

太大（引起）? 廢氣回流進(jìn)氣道。

太小 ? 掃氣作用不明顯。

增壓：110?～140? CA。

進(jìn)氣管p?, 掃氣明顯, 氣閥疊開角可以增大很多。如6135 型高柴：非增壓：40?, 增壓：124?。掃氣的作用： 清除廢氣, 增加氣缸內(nèi)的新鮮充量。2 降低排氣溫度。3 降低熱負(fù)荷最嚴(yán)重處（如氣閥、活塞等）的溫度。

三 換氣損失

理論循環(huán)換氣功與實(shí)際循環(huán)換氣功之差。

如圖：換氣損失功－X+（Y+W）, 其中（W+Y）

為排氣損失功，X為進(jìn)氣損失功。

（一）排氣損失功Y

W是因排氣門提前開啟而損失的膨脹功, 稱為自由排氣損失。Y是活塞作用在廢氣上的推出功, 稱為強(qiáng)制排氣損失功。

排氣提前角? ? W?，Y?。

綜合效果, 要求（Y+W）?, 故（W+Y）有一個(gè)最佳值（W+Y）min。對應(yīng)排氣提前角亦有一個(gè)最佳值, n? ?（W+Y）min?。

（二）進(jìn)氣損失功X

進(jìn)氣損失功小于排氣損失功，即X < Y

（三）泵氣損失功（X+Y-D）

在實(shí)際示功圖中, 把（W+d）歸到指示功中考慮。而把泵氣損失功（X+Y-d）歸到機(jī)械損失中考慮。

§2-2 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率

一 充氣效率

（一）定義

為比較不同大小、不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣品質(zhì)和換氣過程的完善程度, 不受氣缸工作容積Vh 的影響, 引入充氣效率?v的概念。

由于有進(jìn)氣阻力等因素的影響, 實(shí)際進(jìn)入氣缸中的新鮮充量必然小于理論上進(jìn)氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮充量。二者之比稱為充氣效率?v, 即

實(shí)際進(jìn)入汽缸的新鮮充量 ?v?

進(jìn)氣狀態(tài)下充滿汽缸工作容積的新鮮充量?G?mV1 ?v???

?G0?m0Vh 其中：?G,?m,V1－實(shí)際充量的重量，質(zhì)量和體積；

?G0,?m0,V1－理論充量的重量，質(zhì)量和體積；

進(jìn)氣狀態(tài)：非增壓：空氣濾清器后進(jìn)氣管內(nèi)的氣體狀態(tài), 通常取為當(dāng)?shù)氐拇髿?/p>

狀態(tài)。

增 壓：增壓器出口狀態(tài)。

嚴(yán)格地說，充氣效率應(yīng)為

實(shí)際進(jìn)入汽缸的新鮮充量 ?v?

以標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)充滿汽缸工作容積的新鮮充量更合理。這樣，在后面將要講到的大氣修正中，不同的壓力和溫度下進(jìn)氣量的比值就等于其充氣效率之比。否則，按照前頭的定義式，大氣溫度越高，充氣效率反而會(huì)越高，講起來似乎無法接受。而且也不具備可比性。

（二）實(shí)際測量 ?v?V1'Vh'

?'實(shí)際流量

理論流量3 其中：V1－實(shí)際測量 [ m/h ] ' VhVh[L]n??i??60?0.03Vhin[m3/h]

10002 充氣效率是衡量換氣過程進(jìn)行得完善程度的重要指標(biāo)。

柴油機(jī) 0.75～0.90 汽油機(jī) 0.70～0.85

二 充氣效率的分析式

充入汽缸的新鮮充量 = 缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量－缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量

（一）進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量

ma?(Vc?Vh')?a

' 其中Vc－余隙容積；Vh－進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)工作容積；

?a－進(jìn)氣終了缸內(nèi)氣體密度。

（二）排氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量

mr?Vr?r

（三）充入汽缸的新鮮充量

?vVh?0

（四）充氣效率的分析式 其中?0－大氣狀態(tài)下氣體密度。其中Vr－排氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)容積；?r－排氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)殘余廢氣密度。

?(Vc?Vh')?a?Vr?r

?m(Vc?Vh')?a?Vr?r? ?v?Vh?0?m0

Vc?Vh'Vr?a??rVcVc ?Vh?0Vc

Vh'Vh??e??－有效壓縮比；Vr?Vc。

其中1???－壓縮比；1?VcVc 一般?e?(08.)?。若假設(shè)?e??，有.～09??a??r ?v?

(??1)?0 帶入理想氣體狀態(tài)方程式，得

1T0?papr???

?v?????1p0?TaTr? 其中p0,T0－大氣壓力和溫度；pa,Ta－進(jìn)氣終了時(shí)缸內(nèi)的壓力和溫度；

pr,Tr－排氣終了時(shí)殘余廢氣的壓力和溫度。

pa?,Ta ?v的分析式為定性分析?v的影響因素提供了依據(jù)。

§2-3 影響充氣效率的各種因素 一 進(jìn)氣終了壓力pa

（一）進(jìn)氣阻力?pa

pa???v?；pr?,Tr???v?。

?pa? ? pa? ? ?v?

?p0??pa

?pa對pa的影響最大。進(jìn)氣系統(tǒng)的沿程阻力和局部阻力均會(huì)使?pa增大。

（二）轉(zhuǎn)速

n ? ? ?pa?? ? pa? ? ?v?

（三）負(fù)荷

汽油機(jī)：負(fù)荷 ? ? 節(jié)氣們開度 ?（質(zhì)調(diào)節(jié)）? ?pa? ? pa? ? ?v?

柴油機(jī)：負(fù)荷 ? ? 循環(huán)供油量 ?（量調(diào)節(jié)）（與?pa無關(guān)）? 熱負(fù)荷 ? ?Ta? ? ?v?（不大）

二 進(jìn)氣終了溫度Ta

Ta??

（一）轉(zhuǎn)速

負(fù)荷一定：n? ?Ta???v?a???v?

?

綜合pa、Ta的影響，n ? ? ?v?。

（二）負(fù)荷

轉(zhuǎn)速一定：負(fù)荷 ? ? 熱負(fù)荷 ? ?Ta? ? ?v?

柴油機(jī)：進(jìn)、排氣管分置。

避免排氣管對進(jìn)氣管加熱，使Ta? ? ?v?

汽油機(jī)：進(jìn)、排氣管同置。

雖然Ta? ? ?v?，但燃油受熱增發(fā)快，可以改善混合氣形成。

三 排氣終了壓力pr

pr? ? 殘余廢氣量? ??v?

pr ? 排氣門處的阻力 ? n，所以 n? ? pr? ? ?v?（影響較小）四 排氣終了溫度Tr

Tr? ? ?v? 五 壓縮比?

?? ? ?v?

?v公式僅為定性分析用的，是粗略的。還有許多因素未予考慮。如：壓力升高比?，絕熱指數(shù)k，進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma，熱傳輸和過量空氣系數(shù)?等。

§2-4 提高充氣效率的措施

減小進(jìn)氣系統(tǒng)阻力。

沿程阻力，局部阻力（節(jié)流阻力）。

汽油機(jī)：空氣濾清器 ? 化油器 ? 進(jìn)氣管 ? 進(jìn)氣道 ? 進(jìn)氣門

柴油機(jī)：空氣濾清器 ? 進(jìn)氣管 ? 進(jìn)氣道 ? 進(jìn)氣門

一 減小流動(dòng)阻力

（一）進(jìn)氣門 1 進(jìn)氣門直徑d進(jìn)

進(jìn)氣門流通面積?0.20～0.25 活塞頂面積 d進(jìn)? ? pa? ? ?v?（影響大）

d排? ? pr? ? ?v?（影響?。?/p>

一般：d進(jìn) > d排 一般: 2 四氣門

流通面積f1? 40%左右。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。

f1?? ? ?v?? ? Ne??（可達(dá)30%），ge?? 3 氣門升程h h?，時(shí)面值? ? ?v? 4 閥頂過渡圓角R R?? ? f1? ? ?v?

R?? ? 流動(dòng)阻力? ? ?v?

R應(yīng)適中。

（二）進(jìn)氣管 表面光潔度和流通面積

表面光潔度?，流通面積? ? 沿程阻力? ? ?v? 2 轉(zhuǎn)彎和節(jié)流阻力

轉(zhuǎn)彎半徑R?，截面突變? ? ?v? 3 截面形狀

考慮汽油機(jī)的霧化，蒸發(fā)，則

管壁面積? ? 沉積? ? 蒸發(fā)? ? 混合氣分配不均勻

截面形狀 圓形 矩形 D形

流動(dòng)阻力 小 大 中

底部蒸發(fā) 小 中 大

柴油機(jī)不存在底部蒸發(fā)問題，故多采用流動(dòng)阻力小的圓形進(jìn)氣管。

（三）進(jìn)氣道

轉(zhuǎn)彎半徑R?，表面光潔度?，各管口與墊片孔口對中 ? 流動(dòng)阻力? ? ?v?

設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮組織進(jìn)氣渦流。

（四）空氣濾清器

通道面積?，除塵效果? ? 流動(dòng)阻力? ? ?v?

經(jīng)常清洗，更換紙芯。

（五）化油器

喉口截面積? ? 流動(dòng)阻力? ? ?v?，但霧化效果?。

解決這對矛盾，采用雙喉口。小喉口：霧化；大喉口：進(jìn)氣。

二 合理選擇配氣定時(shí)

（一）配氣定時(shí)的綜合評定 良好的充氣效率以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。2 合適的充氣效率以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性。3 較小的換氣損失以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。必要的燃燒室掃氣以保證高溫零件的熱負(fù)荷得以適當(dāng)降低，達(dá)到可靠運(yùn)行。5 合適的排氣溫度。

調(diào)整：1，2－進(jìn)氣遲閉角；3－排氣提前角；4，5－氣門疊開角

（二）進(jìn)氣遲閉角?i n?? ? 氣流慣性 ? ? 缸內(nèi)氣體易倒流進(jìn)氣管 ? ?v? n?? ? 一部分氣體來不及進(jìn)入汽缸 ? ?v? 3 ?i? ? 對應(yīng)?v,max的n? 1 轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，總有一個(gè)進(jìn)氣遲閉角?i使得充氣效率?v為最大。

所以，高速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大，要獲得好的充氣效率和動(dòng)力性，進(jìn)氣遲閉角應(yīng)大

一些。n? ? ?i,最佳?

（三）排氣提前角?o

V1? ?o? ? ?? ? ?v?，??? 其中?－后期膨脹比。

V4? 考慮經(jīng)濟(jì)性，在排氣損失最小的前提下，盡量減小排氣提前角。

（四）氣門疊開角?i,o

?i,o?? ? 缸內(nèi)氣體易倒流進(jìn)氣管；?i,o?? ? pr?，Ta?? ?v?

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)氣門疊開角應(yīng)大一些。

§2-5 進(jìn)氣管內(nèi)的動(dòng)態(tài)效應(yīng) 一 現(xiàn) 象

195柴油機(jī)：進(jìn)氣管長度L = 300 mm L = 1140 mm 氣體在進(jìn)排氣管中有壓力波動(dòng)現(xiàn)象，有效組織、利用壓力波動(dòng)，可以提高充

氣效率。

進(jìn)氣門開閉時(shí)：pi? ? pa? ? ?v?

排氣門開閉時(shí)：po ? ? pr? ? ?v?

動(dòng)態(tài)效應(yīng)與進(jìn)排氣管的長度和直徑有關(guān)。

二 波的動(dòng)態(tài)機(jī)理 ''

閉口端：進(jìn)：壓縮波 ? 反射: 壓縮波 －同型波

進(jìn)：膨脹波 ? 反射: 膨脹波 －同型波

開口端：進(jìn)：壓縮波 ? 反射: 膨脹波 －異型波

進(jìn)：膨脹波 ? 反射: 壓縮波 －異型波

三 進(jìn)氣動(dòng)態(tài)效應(yīng)

（一）慣性效應(yīng)

階段：進(jìn)氣門開 ? 進(jìn)氣門閉

? 膨脹波

? 壓縮波（進(jìn)氣門閉）

（二）波動(dòng)效應(yīng)

階段：進(jìn)氣門閉 ? 下一循環(huán)進(jìn)氣門開

? 壓縮波

? 膨脹波

? 膨脹波

? 壓縮波（進(jìn)氣門開）

壓力波動(dòng)是周期性的。

a 壓力波固有頻率：f1? [ 1/s ] 其中a－進(jìn)氣管內(nèi)聲速。

4Lnn? 發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣頻率：f2? [ 1/s ]

60?2120f130a 令：q? ?f2nL 當(dāng)q = 1，2，3? 時(shí)，進(jìn)氣門開，則pa? ? ?v?。

當(dāng)q = 1,2,3? 時(shí)，進(jìn)氣門開，則pa? ? ?v?。

222

四 結(jié) 論 慣性效應(yīng)（本循環(huán)），振幅大，衰減小。

波動(dòng)效應(yīng)（兩循環(huán)），振幅小，衰減大。高速發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣管短；低速發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣管長。3 進(jìn)氣管直徑?? ? 流動(dòng)阻力? ? 壓力波強(qiáng)度?

進(jìn)氣管直徑?? ? 壓力波振幅? ? 壓力波強(qiáng)度? 4 多缸機(jī)上，進(jìn)氣管應(yīng)分支，且等長。避免急轉(zhuǎn)彎，則壓力波振幅不會(huì)衰減太大。排氣管需要膨脹波，則pr? ? 掃氣作用? ? ?v?

§2-6 單位時(shí)間充氣量與循環(huán)充氣量

單位時(shí)間充氣量 G [ kg/h ]，循環(huán)充氣量 ?G [ kg ]，則

n G??G??i?60 [ kg/h ] 2 n? ? G?，但n? ? pa? ? ?G?

G? ? 單位時(shí)間供油量g? ? 與功率Ne有關(guān)。

?G? ? 循環(huán)供油量?g? ? 與扭矩Me有關(guān)。

圖中虛線為不考慮進(jìn)氣損失的G和?G曲線；

實(shí)際的G和?G曲線如圖中實(shí)線所示。

第三章 柴油機(jī)混合氣形成和燃燒

§3-1 柴油機(jī)混合氣形成 一 兩種基本形式

（一）空間霧化

將燃料噴在燃燒室空間使之成為霧狀，再利用空氣運(yùn)動(dòng)達(dá)到充分混合。

特點(diǎn): 1 對燃料噴霧要求高（采用多孔噴嘴）? 燃燒易于完全，經(jīng)濟(jì)性好。2 對空氣運(yùn)動(dòng)要求不高 ? 后期燃料易被早期燃燒產(chǎn)物包圍，高溫裂解

? 排氣冒煙。

?p3 但初期空間分布燃料多，燃燒迅速 ? ?，pmax? ? 工作粗暴。

??

（二）油膜蒸發(fā)（M過程）

空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式要求將燃料盡量噴在燃燒室空間，而油膜蒸發(fā)型混合氣蒸發(fā)方式則有意將燃料噴在燃燒室壁面上，使之成為薄薄的一層油膜附著在燃燒室壁面上，只有一小部分燃料分布在燃燒室空間。經(jīng)燃燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發(fā)，邊混合，邊燃燒。初期蒸發(fā)、燃燒慢，后期蒸發(fā)、燃燒迅速（先緩后急）。

特點(diǎn): 1 對燃料噴霧要求不高（采用單、雙孔噴嘴），對空氣運(yùn)動(dòng)要求高。

?p2 放熱先緩后急 ? ?，pmax? ? 工作柔和，噪聲小，經(jīng)濟(jì)性較好。

??3 但低速性能不好，冷起動(dòng)困難。對進(jìn)氣道、燃料供給系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)

之間的配合要求很高，制造工藝要求嚴(yán)格。

二 燃料的噴霧

（一）噴霧的作用

只有當(dāng)燃料與空氣充分接觸，形成可燃混合氣時(shí)，才有可能燃燒。接觸面積越大，可燃混合氣越多，燃燒越完善。

ml 油滴: 1 個(gè)，d = 9.7 mm，S = 245 mm

霧化: 2.99?10個(gè)，d = 40 ?m，S = 15.?10 mm

面積增大 5090 倍，燃燒反應(yīng)機(jī)會(huì)大大增加。

（二）噴霧的形成 1 油束

燃油噴射 － 高壓、高速。

一級霧化－汽缸中空氣的動(dòng)力作用將油束撕

裂成片、帶、泡或大顆粒的油滴。

二級霧化－空氣動(dòng)力作用將片、帶、泡或大

顆粒的油滴再粉碎成細(xì)小的油滴。

油束中央速度高，但濃度也高，油滴集中，顆粒大。邊上油滴松散，顆粒小。但也有說法正 好相反，中央油滴速度高，顆粒小，邊上顆粒大。2 著火條件

濃度、溫度為著火的必要條件

中間油粒大, 濃度偏高。

外側(cè)混合氣形成快，物理準(zhǔn)備快，但初期溫度不 高，化學(xué)準(zhǔn)備沒有跟上。等溫度適合于著火了，油粒 又過分發(fā)散，也不會(huì)著火。要控制好濃度與溫度的進(jìn)

2762程，使之正好配合，方可著火。

（三）噴霧特性 油束射程L

并不一定越大越好，這要根據(jù)混合氣形成的機(jī)理與燃燒室形狀具體分析。

L ?? ? 燃料噴到壁面上多 ? 空間混合氣太稀。

L ?? ? 燃料集中 ? 混合氣分布不均勻，空氣利用?。2 噴霧錐角?

反映油束的緊密程度。

孔式噴嘴 — ?? ? 油束松散，粒細(xì)。

軸針式噴嘴 — ?? ? 油束緊密，粒粗。3 霧化質(zhì)量（霧化特性）

細(xì)微度 — 油滴平均直徑

細(xì)：霧化好

均勻度 — 油滴最大直徑-油滴平均直徑 勻：霧化好

粒細(xì)?均勻度好，粒粗?均勻度差。

（四）噴油規(guī)律

單位時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的噴油量隨時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律。

噴油規(guī)律影響放熱規(guī)律，放熱規(guī)律影響動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放。1 噴油延遲角

噴油提前角? — 開始噴油 ? 上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角。

?’ — 上止點(diǎn) ? 停止噴油的曲軸轉(zhuǎn)角。

噴油延遲角??????’? — 開始噴油 ? 停止噴油的曲軸轉(zhuǎn)角。2 噴油延遲角對性能的影響

??????’??? ? 噴油持續(xù)時(shí)間長, 工作柔和，但油耗增大, 排放變差。

??????’??? ? 噴油持續(xù)時(shí)間短, 油耗下降, 排放好，但工作粗暴。噴油延遲角的比較

a.??????’??? ? 油耗?, 排放好，但工作粗暴。b.先急后緩

?? ? 工作粗暴。

?’? ? 油耗? , 排放差。

c.先緩后急

?? ? 工作柔和。

?’? ? 油耗? , 排放好, 盡量采用，但很難做到。

（五）噴油嘴 1 孔式噴嘴

主要用于直噴式燃燒室中。

孔數(shù): 1～5個(gè)，? = 0.25～0.8 mm。

霧化好，但易阻塞?？讛?shù)越少，霧化越好，但也易阻塞。2 軸針式噴嘴

主要用于分隔式燃燒室中。

? = 1～3 mm，通道間隙 ? = 0.025～0.05 mm。

霧化差，但有自潔作用，不易阻塞。三 氣流運(yùn)動(dòng)對混合氣形成的影響

（一）氣流運(yùn)動(dòng)的作用

（二）氣流運(yùn)動(dòng)

組織氣流運(yùn)動(dòng)，加速混合氣形成。1 進(jìn)氣渦流

使進(jìn)氣氣流相對于汽缸中心產(chǎn)生一個(gè)力，形成渦流。（1）切向氣道

特點(diǎn): 氣道母線與汽缸相切。

優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡單，氣流阻力小 ? ?v?

缺點(diǎn): 渦流強(qiáng)度對進(jìn)氣口位置敏感。（2）螺旋氣道

特點(diǎn): 進(jìn)氣道呈螺旋型。

優(yōu)點(diǎn): 能產(chǎn)生強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流。

缺點(diǎn): 工藝要求高，制造、調(diào)試難度較高 2 擠氣渦流

活塞上行: 將活塞頂隙的氣體擠出流向燃燒室中，形成擠氣渦流。

活塞下行: 燃燒室中的氣體流向活塞頂隙處，形成反渦流。

擠氣間隙? ? 擠氣渦流強(qiáng)度?

擠氣面積? ? 擠氣渦流強(qiáng)度?

擠氣渦流雖然不如進(jìn)氣渦流強(qiáng)，但它的形成正好處于壓縮沖程終了，此時(shí)進(jìn)氣渦流已經(jīng)衰減得很弱，所以擠氣渦流就顯得相當(dāng)重要了。3 燃燒渦流

燃燒在燃燒室中產(chǎn)生壓力差，形成燃燒渦流。

尤其是分隔式的渦流室型燃燒室，汽缸蓋內(nèi)的 副燃燒室中的燃料燃燒后，高壓混合氣流和火焰高 速噴向活塞頂部的主燃燒室中，由于主燃燒室的導(dǎo) 向作用，形成燃燒渦流，或稱二次渦流。

（三）熱混合作用 1 剛性渦流

渦流中心質(zhì)點(diǎn)速度為零，越向邊緣速度越大。2 勢渦流

渦流中心質(zhì)點(diǎn)速度最大，壓力最小。越向邊緣速度越小，壓力越大，壁面處速度為零。

一般認(rèn)為渦流為勢渦流。熱混合作用（主要在渦流室型燃燒室的渦流室中產(chǎn)生）

渦流中的質(zhì)點(diǎn)受兩個(gè)力作用，離心力使質(zhì)點(diǎn)向外運(yùn)動(dòng)，壓差力使質(zhì)點(diǎn)向中心運(yùn)動(dòng)。

若 ?’ — 質(zhì)點(diǎn)密度，? — 空氣密度。

當(dāng) ?’ = ? 時(shí)，— 質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)。

當(dāng) ?’ > ? 時(shí)，— 離心力為主，質(zhì)點(diǎn)呈螺旋形向外運(yùn)動(dòng)。

當(dāng) ?’ < ? 時(shí)，— 壓差力為主，質(zhì)點(diǎn)呈螺旋形向中心運(yùn)動(dòng)。

液體油、燃油蒸汽: ?’ > 400 ?，向外運(yùn)動(dòng)。

燃燒產(chǎn)物: ?’ < 0.3 ?，向中心運(yùn)動(dòng)。

燃燒產(chǎn)物將新鮮空氣擠向外圍與燃油混合，并使混合氣與燃燒產(chǎn)物分開，火焰呈螺旋形向中心運(yùn)動(dòng)，這就是熱混合作用。

§3-2 柴油機(jī)的燃燒過程

一 燃燒過程的特點(diǎn)和柴油機(jī)燃燒的主要研究方向

（一）燃燒過程的特點(diǎn) 高壓噴油在汽缸內(nèi)部形成可燃混合氣。2 壓縮自燃。

（二）柴油機(jī)燃燒的主要研究方向 1 噴油霧化 2 噴油規(guī)律 3 氣流運(yùn)動(dòng) 4 燃燒室結(jié)構(gòu)

配合要好。

二 燃燒過程

p－? 示功圖曲線下的面積表示有用功的大小。

（一）著火延遲期?i 或稱滯燃期 1－2（著火延遲角?i）— 噴油嘴針閥打開向缸高壓噴油。

此時(shí)，缸內(nèi)溫度雖已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過柴油的自燃溫度（可達(dá) 400～800 ℃），但 并不馬上著火。

燃燒需要: 物理準(zhǔn)備 — 霧化、吸熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散、混合 化學(xué)準(zhǔn)備 — 分解、氧化（焰前反應(yīng)）2 — 缸內(nèi)壓力脫離壓縮線開始急驟增高。

一般: ?i = 0.0007～0.003 [s]；對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為著火延遲角?i。分重要。

（二）速燃期 2－3 2 點(diǎn)開始著火，壓力急驟增高，接近等容燃燒。持續(xù)噴油，即隨噴隨燃。3 — 最高壓力點(diǎn)。p3?pmax。

為表示2－3階段壓力升高的急驟程度，引入概念 盡管著火延遲期?i很短，但卻對燃燒過程、尤其是柴油機(jī)的燃燒過程影響很大，因此十?pp3?p2 壓力升高率: [ kpa/degCA ] ????3??2?p ??，pmax?? ? 沖擊載荷?，工作粗暴，柴油機(jī)壽命?

?? 44 ?p ??，pmax?? ? 做功不利，柴油機(jī)性能?

??

（三）緩燃期 3－4 4 — 最高溫度點(diǎn)。T4?Tmax? 1700～2000 ℃。放熱量達(dá)70～80%。

噴油在這一階段停止。

V?，p?，接近等壓燃燒。廢氣量?，氧氣、燃油量? ? 燃燒?。

（四）補(bǔ)燃期 4－5 5 — 放熱量達(dá)95～97%。

補(bǔ)燃期在膨脹過程中。

補(bǔ)燃期? ? ?t?，ge?，動(dòng)力性?，冷卻水溫度?，排氣溫度?，排放差。

所以，應(yīng)盡量減少補(bǔ)燃。柴油機(jī)由于隨噴隨燃，混合時(shí)間短，補(bǔ)燃要比汽油機(jī)嚴(yán)重。

三 影響著火延遲期?i的因素

（一）壓縮溫度Tc和壓力pc — 直接影響因素

pc?，Tc? ? ?i?

?ln?i?? ? ?i?

（二）壓縮比?

?? ? pc?，Tc? ? ?i?

（三）噴油提前角? — 影響最大的因素

??? ? 雖然噴油時(shí)的壓力較高，但著火時(shí)刻推遲，使燃燒?

? pc?，Tc? ? ?i?

??? ? pc?，Tc? ? ?i?

高速時(shí): ??mini 低速時(shí): ??mini 所以，有一個(gè)使?i為最小的?。

?10～15 [ degCA ] ?5～10 [ degCA ] 一 般: ? = 5～10 [ degCA ]

（四）轉(zhuǎn)速n n? ? 漏氣、散熱損失? ? pc?，Tc?；

噴油壓力? ? 霧化?；氣流運(yùn)動(dòng)? ? 蒸發(fā)?

? 混合氣形成好轉(zhuǎn) ? ?i?。

但n? ? 著火延遲角?i?

（五）十六烷值

十六烷值? ? 柴油的自然性? ?

缸內(nèi)p，T大時(shí)，影響不大；

缸內(nèi)p，T小時(shí) ? ?i?。

（六）增壓

增壓 ? pc?，Tc? ? ?i?

四 著火延遲期?i對柴油機(jī)性能的影響

?i? ? ?i期間噴入缸內(nèi)的燃料量? ? 著火前可燃混合氣量?

?p ? ?，pmax?。

???p ?i?? ? ??，pmax?? ? 沖擊載荷?，工作粗暴，柴油機(jī)壽命?。

?? ?i?? ? 混合氣形成欠佳 ? 柴油機(jī)性能?

五 放熱規(guī)律

燃燒放熱率?Q/??隨曲軸轉(zhuǎn)角 ? 變化的關(guān)系。

由噴油規(guī)律和實(shí)測示功圖，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算而得。

（一）放熱規(guī)律

? 階段 — 在速燃期內(nèi)，約占3 degCA。?Q/????。

?? 階段 — 放熱量約80%，約占40 degCA。?Q/???。

??? 階段 — 在膨脹過程內(nèi)，放熱量約20%。

（二）燃燒過程三要素 1 放熱開始時(shí)刻 2 放熱規(guī)律 放熱持續(xù)時(shí)間

（三）希望 — 先緩后急

工作柔和，經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性好，排放少，補(bǔ)燃少。上止點(diǎn)

§3-3 柴油機(jī)供油系統(tǒng)的工作特性及其對燃燒過程的影響 一 燃油噴射

（一）供油系統(tǒng)的組成

油箱 ? 輸油泵 ? 濾油器 ? 低壓油管 ? 噴油泵 ? 高壓油管 ? 噴油器（噴油嘴）

（二）噴油過程

普遍采用柱塞式噴油泵。

柱塞上行，使噴油泵內(nèi)壓力升高，當(dāng)壓力升高 到一定值時(shí)，克服噴油泵上方出油閥彈簧預(yù)緊力和

高壓油管內(nèi)的殘余油壓，頂開出油閥，通過高壓油 管向噴油器供油。

上行2點(diǎn)過了4點(diǎn)之后，打開回油口，使泵內(nèi) 油壓下降。當(dāng)泵內(nèi)油壓小于出油閥彈簧預(yù)緊力和高 壓油管內(nèi)的殘余油壓力時(shí)，出油閥落座，噴油停止。

下行2點(diǎn)過了4點(diǎn)之后，回油停止，重新進(jìn)油。

（三）噴油延遲時(shí)間

從噴油泵內(nèi)燃油頂開出油閥進(jìn)入高壓油管至油壓壓開噴油嘴針閥的時(shí)間。

原因 — 高壓油管中燃油壓縮 + 節(jié)流作用

（四）幾何供油規(guī)律

從幾何關(guān)系求出的油泵凸輪每轉(zhuǎn)一度（或每秒）噴油泵供入高壓油管的燃油量 [ ml/degPA或ml/s ]隨曲軸轉(zhuǎn)角 ?（或時(shí)間 t）的變化關(guān)系。dgpdtdgp?fpwp [ ml/s ] ?fpwp [ ml/degPA ]

d?2其中fp — 柱塞面積 [ mm ]；

wp — 柱塞速度 [ ml/degPA ]。

幾何供油規(guī)律與噴油規(guī)律不同。

二 噴油泵速度特性及其校正

（一）節(jié)流作用 理論上（不存在節(jié)流）

上行—當(dāng)3點(diǎn)與5點(diǎn)重合時(shí)，才開始供油。

當(dāng)2點(diǎn)與4點(diǎn)重合時(shí)，既開始回油，停止供油。實(shí)際上（存在節(jié)流）

上行—當(dāng)3點(diǎn)不到5點(diǎn)時(shí)，由于通道小，節(jié)流，已經(jīng)開始供油。

關(guān)閉進(jìn)油口時(shí) — 供油提前。

當(dāng)2點(diǎn)過了4點(diǎn)以后，通道小，節(jié)流，才開始回油，停止供油。

開啟回油口時(shí) — 供油持續(xù)。

所以，實(shí)際供油比理論供油時(shí)間長，供油量大。

（二）噴油泵速度特性

每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速n的變化關(guān)系。n? ? 節(jié)流作用? ? 循環(huán)供油時(shí)間?

? 循環(huán)供油量 ?g?

（三）車用的適應(yīng)性

車用 — 希望n? ? ?g? ? Me?

（例如: 低速大負(fù)荷工況）

噴油泵速度特性 — n? ? ?g? ? Me?

因此，噴油泵速度特性不適合于車用，必須進(jìn)行校正。

（四）校正 1 出油閥校正

可變減壓容積和可變減壓作用。n? ? 節(jié)流作用? ? ?g? ? Me?

可使循環(huán)供油量曲線變得較平坦，但若要適合于車用，還需進(jìn)行調(diào)速器 校正。調(diào)速器校正

n? ? ?g?? ? Me??

在第六章發(fā)動(dòng)機(jī)特性中介紹。

三 不正常噴射現(xiàn)象

（一）二次噴射

高壓油管內(nèi)壓力波引起。

噴射時(shí)間? ? 霧化不良，燃燒不完全，補(bǔ)燃嚴(yán)重，排污?，炭煙?，零件過熱。

（二）斷續(xù)噴射

進(jìn)入噴油嘴燃油量不穩(wěn)定，壓力波動(dòng)引起。

噴油時(shí)間正常，但針閥運(yùn)動(dòng)次數(shù)?，噴油嘴易磨損。

（三）隔次噴射

低速、尤其是怠速時(shí)，油壓不足，壓不開針閥。下一循環(huán)時(shí)油壓聚足，壓開針閥噴射。

怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。

§3-4 柴油機(jī)的燃燒室 一 燃燒室的分類

（一）直噴式 開式 — 中、大型，中、低速船舶、發(fā)電用柴油機(jī)

不組織進(jìn)氣渦流，空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式。

2 半開式 — 中、小型，中、高速車用柴油機(jī)（1）? 型

（2）球型

（3）復(fù)合式（U型）

（二）分隔式 渦流室型 — 小型高速車用柴油機(jī) 預(yù)燃室型 — 小、中、大型，中、高速車用柴油機(jī)

二 直噴半開式燃燒室

（一）? 型 應(yīng)用: 黃河JN151，6135Q柴油機(jī)；日野ED100，6128柴油機(jī)等。2 混合氣形成方式: 空間霧化。3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

dk?0.4～0.6（1）D 其中dk — 燃燒室喉口直徑；D — 汽缸直徑。

dk ??，油束射程?? ? 燃油噴在燃燒室局部空間，空氣利用率?。

Ddk ??，油束射程??，氣流運(yùn)動(dòng)? ? 燃油噴在燃燒室壁面上，霧化差。

DVk（2）?0.75～0.85 Vc 其中Vk — 燃燒室容積；Vc — 活塞位于上止點(diǎn)時(shí)的壓縮容積。

Vk ? ? 空氣利用率?，散熱面積? ? 燃燒好。

VcVk 所以，希望盡可能大。

Vc4 主要特點(diǎn)

（1）長型多孔（3～5 個(gè)）噴嘴，孔徑 d = 0.25～0.4 [ mm ]。

針閥開啟壓力 19.6 [ Mpa ]，噴霧夾角 140～160?。（2）?i? ? 工作粗暴。

（3）? > 1.3，? 大 ? 空氣利用率?

? 空氣停留時(shí)間? ? NOx?（4）結(jié)構(gòu)簡單，散熱面積?，冷起動(dòng)性好，經(jīng)濟(jì)性好。

（二）?的改進(jìn)型 1 四角型

日本五十鈴公司研制。

主要特點(diǎn):

第四篇：發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理試講教案

《汽車構(gòu)造（上）》

——往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的工作原理

教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個(gè)層次）：

掌握：發(fā)動(dòng)機(jī)的基本術(shù)語 熟悉：四沖程汽油機(jī)的工作原理

了解：發(fā)動(dòng)機(jī)的概念、功能、分類及基本結(jié)構(gòu)

教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：

重點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)的基本術(shù)語 難點(diǎn)：四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

教學(xué)方法及手段： 多媒體教學(xué) 視頻分析 對比分析

教學(xué)過程與教學(xué)內(nèi)容

復(fù)習(xí)：汽車總體構(gòu)造、汽車行駛基本原理 導(dǎo)入：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)知多少？ 講授新課：

反之則為外燃機(jī)。

1.按活塞運(yùn)動(dòng)方式的不同，活塞式內(nèi)燃機(jī)可分為往復(fù)活塞式和旋轉(zhuǎn)活塞式兩種。

2.根據(jù)所用燃料種類，活塞式內(nèi)燃機(jī)主要分為汽油機(jī)、柴油機(jī)和氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)三類。

3.按冷卻方式的不同，活塞式內(nèi)燃機(jī)分為水冷式和風(fēng)冷式兩種。4.往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)還按其在一個(gè)工作循環(huán)期間活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的行程數(shù)進(jìn)行分類，分為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。

5.按照氣缸數(shù)目分類可以分為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)和多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。6.內(nèi)燃機(jī)按照氣缸排列方式不同可以分為單列式和雙列式。7.按進(jìn)氣狀態(tài)不同，活塞式內(nèi)燃機(jī)還可分為增壓和非增壓兩類。

1.進(jìn)氣行程：

活塞在曲軸的帶動(dòng)下由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)。此時(shí)排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門開啟。2.壓縮行程：

進(jìn)氣行程結(jié)束后，曲軸繼續(xù)帶動(dòng)活塞由下止點(diǎn)移至上止點(diǎn)。這時(shí)，進(jìn)、排氣門均關(guān)閉。3.作功行程：

壓縮行程結(jié)束時(shí)，安裝在氣缸蓋上的火花塞產(chǎn)生電火花，將氣缸內(nèi)的可燃混合氣點(diǎn)燃，火焰迅速傳遍整個(gè)燃燒室，同時(shí)放出大量的熱能。這時(shí)，進(jìn)、排氣門仍舊關(guān)閉。4.排氣行程：

排氣行程開始，排氣門開啟，進(jìn)氣門仍然關(guān)閉，曲軸通過連桿帶動(dòng)活塞由下止點(diǎn)移至上止點(diǎn)，此時(shí)膨脹過后的燃燒氣體(或稱廢氣)在其自身剩余壓力和在活塞的推動(dòng)下，經(jīng)排氣門排出氣缸之外。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，排氣行程結(jié)束，排氣門關(guān)閉。

二、四沖程柴油機(jī)工作原理

四沖程柴油機(jī)和四沖程汽油機(jī)的工作過程相同，每一個(gè)工作循環(huán)同樣包括氣、壓縮、作功和排氣四個(gè)行程，但由于柴油機(jī)使用的燃料是柴油，柴油與汽油有較大的差別，柴油粘度大，不易蒸發(fā)，自燃溫度低，故可燃混合氣的形成，著火方式，燃燒過程以及氣體溫度壓力的變化都和汽油機(jī)不同。

1.進(jìn)氣行程：

在柴油機(jī)進(jìn)氣行程中，被吸入氣缸的只是純凈的空氣。

2.壓縮行程：

因?yàn)椴裼蜋C(jī)的壓縮比大，所以壓縮行程終了時(shí)氣體壓力高。3.作功行程：

在壓縮行程結(jié)束時(shí)，噴油泵將柴油泵入噴油器，并通過噴油器噴入燃燒室。因?yàn)閲娪蛪毫芨?，噴孔直徑很小，所以噴出的柴油呈?xì)霧狀。細(xì)微的油滴在熾熱的空氣中迅速蒸發(fā)汽化，并借助于空氣的運(yùn)動(dòng)，迅速與空氣混合形成可燃混合氣。由于氣缸內(nèi)的溫度遠(yuǎn)高于柴油的自燃點(diǎn)，因此柴油隨即自行著火燃燒。燃燒氣體的壓力、溫度迅速升高，體積急劇膨脹。在氣體壓力的作用下，活塞推動(dòng)連桿，連桿推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)作功。4.排氣行程：

排氣行程開始，排氣門開啟，進(jìn)氣門仍然關(guān)閉，燃燒后的廢氣排出氣缸。三、四沖程汽油機(jī)和四沖程柴油機(jī)的特點(diǎn)和區(qū)別

鞏固：思考題 小結(jié)：

1、基本術(shù)語解釋

2、四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 作業(yè)：

第五篇：發(fā)動(dòng)機(jī)原理教案

第一章 內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)及實(shí)際循環(huán)熱計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)包括：動(dòng)力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)、運(yùn)轉(zhuǎn)性能指標(biāo)。內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)與它的工作過程密切相關(guān)，只有深入研究內(nèi)燃機(jī)的工作過程才能找出影響其性能指標(biāo)的各種因素，并從中歸納出提高整機(jī)性能的一般規(guī)律。

重點(diǎn)：對發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)與實(shí)際循環(huán)的分析，發(fā)動(dòng)機(jī)有效指標(biāo)的概念，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率的測定方法與影響因素。

難點(diǎn)：有效指標(biāo)的分析與提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)常性的技術(shù)措施。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率的測定方法。影響汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率的因素。

第一節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán) 一、三種基本循環(huán)

1、發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)：發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)是將非常復(fù)雜的實(shí)際工作過程加以抽象簡化，忽略一些因素，所得出的循環(huán)。

2、理論循環(huán)的簡化條件：

l）假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同。2）假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中作封閉循環(huán)。3）假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是絕熱等熵過程。

4）假設(shè)燃燒是外界無數(shù)數(shù)個(gè)高溫?zé)嵩炊ㄈ莼蚨▔合蚬べ|(zhì)加熱。工質(zhì)放熱為定容放熱。

3、三種基本的空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)：定容加熱循環(huán)、定壓加熱循環(huán)及混合加熱循環(huán)。

二、循環(huán)熱效率

1、循環(huán)熱效率：工質(zhì)所做循環(huán)功與循環(huán)加熱量之比。

2、影響熱效率的因素：（l）壓縮比ε

隨著壓縮比的增大，三種循環(huán)的?t都提高。因?yàn)樘岣吡甩牛钥梢蕴岣哐h(huán)平均吸熱溫度，降低循環(huán)平均放熱溫，擴(kuò)大循環(huán)溫差，增大膨脹比。(2)絕熱指數(shù)K 隨K值增大，?t將提高（3）壓力升高比λ

在定容加熱循環(huán)中，隨著循環(huán)加熱量Q1的增加，λ值成正比加大?？唳疟３植蛔儯瑒t工質(zhì)的膨脹比也不會(huì)變化，這樣，循環(huán)放熱量Q2亦相應(yīng)增加，而Q2/Q1不變，?t亦不變。

在混合加熱循環(huán)中，當(dāng)循環(huán)總加熱量Q1和ε不變時(shí)，λ增大，則ρ減小，即平均膨脹比Vb/[(Vz-Vz’)/2]增加，相應(yīng)的Q2減少，?t提高。（4）預(yù)膨脹比ρ

在等壓加熱循環(huán)中，隨著加熱量Q1的增加，ρ值加大。若ε保持不變，由式（1-3）可知，因平均膨脹比減小，放出的熱量Q2增加，?t下降。

在混合加熱循環(huán)中，當(dāng)循環(huán)總加熱量Q1和ε保持不變，ρ值增大，意味著等壓加熱部分增大（圖1-5），同樣?t下降。

3、循環(huán)平均壓力pt

（1）循環(huán)平均壓力的定義：pt（kPa）是單位氣缸容積所做的循環(huán)功，用來評定循環(huán)的做功能力

W pt?Vs

（2）計(jì)算公式

根據(jù)工程熱力學(xué)公式，混合加熱循環(huán)的平均壓力為

pa?[(??1)?K?(??1)]??t??1K?1（1-4）

式中pa——壓縮始點(diǎn)的壓力（kPa）。

定容加熱循環(huán)的平均壓力為 ptm??pa?(??1)??t??1K?1（1-5）

定壓加熱循環(huán)的平均壓力為 ptV??pa?K(??1)??t??1K?1（3）三種理論循環(huán)熱效率的比較

當(dāng)加熱量Q1相同時(shí)，三種理論循環(huán)的比較。當(dāng)ε相同時(shí)，三種循環(huán)中 Q2p?Q2m?Q2V ptP??則 ?tV??tm??tp

故欲提高混合加熱循環(huán)熱效率，應(yīng)增加定容部分的加熱量（即增大λ）。

最高壓力p相同時(shí)： Q2V?Q2m?Q2p 3?K?K?K則 ?tp??tm??tV

故對高增壓這類受機(jī)件強(qiáng)度限制，其循環(huán)最高壓力不得過大的情況。提高ε，同時(shí)增大定壓加熱部分的熱量有利。

第二節(jié) 四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個(gè)過程所組成，較之理論循環(huán)復(fù)雜得多。

一、進(jìn)氣過程

進(jìn)氣過程中，進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)。由于進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力，進(jìn)氣終點(diǎn)壓力pa一般小于大氣壓力p0或增壓壓力pK，壓力差p0-pa或pK-pa用來克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力。進(jìn)氣終點(diǎn)的溫度Ta也總是高于大氣溫度或增壓器出口溫度Tk。

一般進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力pa和溫度Ta的范圍是：

汽油機(jī) Pa(0.8-0.9)p0 Ta=340-380K 柴油機(jī) Pa(0.85-0.95)p0 Ta=300-340K 增壓柴油機(jī) Pa(0.9-1.0)pk Ta=320-380K 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓力 pK(1.3-2.0)p0

二、壓縮過程

壓縮過程時(shí)，進(jìn)排氣門均關(guān)閉，活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)，缸內(nèi)工質(zhì)受到壓縮，溫度、壓力不斷上升。

實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮過程是個(gè)復(fù)雜的多變過程，但在實(shí)際的近似計(jì)算中，常用一個(gè)不變的、平均的多變指數(shù)n1來取而代之。壓縮終了的壓力和溫度的大致范圍是：

pc（MPa）Tc（K）

汽油機(jī) 0.8-2.0 600-750 柴油機(jī) 3.0-5.0 75O-1OOO 增壓柴油機(jī) 5.0-8.0 9O0-1100 壓縮比ε是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，ε的大致范圍是：

汽油機(jī) ε=7-10 柴油機(jī) ε=14-22 增壓柴油機(jī) ε=12-15

三、燃燒過程

燃燒過程的作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工質(zhì)的壓力、溫度升高。放出的熱量越多，放熱時(shí)越靠近上止點(diǎn)，熱效率越高。此時(shí)進(jìn)排氣門均關(guān)閉，活塞處在上止點(diǎn)前后。

燃燒的最高爆發(fā)壓力及最高溫度的大致范圍是；

pz（MPa）Tz（K）

汽油機(jī) 3.O-6.5 2200-2800 柴油機(jī) 4.5-9.O 1800-2200 增壓柴油機(jī) 9.0-13.0

四、膨脹過程

當(dāng)膨脹過程結(jié)束時(shí)，排氣門打開，活塞由下止點(diǎn)返回上止點(diǎn)移動(dòng)，將氣缸內(nèi)的廢氣排除。

排氣終了的壓力和溫度的范圍是：

汽油機(jī)和柴油機(jī) pr=(1.05-1.2)p0 廢氣渦輪增壓柴油機(jī) pr=（0.75-1.0）pk 汽油機(jī) Tr=900-ll00 柴油機(jī) Tr=700-900

五、排氣過程

當(dāng)膨脹過程結(jié)束時(shí)，排氣門打開，活塞由下止點(diǎn)返回上止點(diǎn)移動(dòng)，將氣缸內(nèi)的廢氣排除。

排氣終了的壓力和溫度的范圍是：

汽油機(jī)和柴油機(jī) pr=(1.05-1.2)p0 廢氣渦輪增壓柴油機(jī) pr=（0.75-1.0）pk 汽油機(jī) Tr=900-ll00 柴油機(jī) Tr=700-900

第三節(jié)實(shí)際循環(huán)的評定---指示指標(biāo)

用平均指示壓力及指示功率評定循環(huán)的動(dòng)力性--即做功能力。用循環(huán)熱效率及燃料消耗率評定循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。

一、平均指示壓力Pmi 一個(gè)實(shí)際循環(huán)工質(zhì)對活塞所做的有用功稱為指示功，用Wi（kJ）表示。平均指示壓力Pmi（MPa）是發(fā)動(dòng)機(jī)單位氣缸工作容積的指示功。

p?WimiVs

Pmi是衡量實(shí)際循環(huán)動(dòng)力性能的一個(gè)重要指標(biāo) ,它的一般范圍是：

汽油機(jī) 0.8-1.5MPa 柴油機(jī) 0.7-1.1MPa 增壓柴油機(jī) 1-2.5MPa

二、指示功率

定義：發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間所做的指示功，稱為指示功率Pi。

pV?i?nn2

pi?Wi??i?mis 60?30?

三、指示熱效率和指示燃料消耗率

指示熱效率ηi是實(shí)際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量之比值。

W?i?iQ1

指示燃料消耗率（簡稱指示比油耗）是指單位指示功的耗油量，通常以每千瓦小時(shí)的耗油量表示。

bi、ηi是評定發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。它們的大致范圍是：

ηi bi[g／（kW·h）] 汽油機(jī) 0.3-0.4 205-320 柴油機(jī) 0.4-0.5 170-205 第四節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能和動(dòng)力性能的評定

一、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的評定指標(biāo)

1、發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率

發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率減去機(jī)械損失稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率。Pe=Pi-Pm

2、有效扭矩Ttq 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由功率輸出軸輸出的扭矩稱為有效扭矩Ttq。它與有效功率Pe（kW）之間的關(guān)系是：

2?nTtqTtqnPe???0.1047Ttqn?10?360?10009550

3、發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力pme平均有效壓力pme（MPa）是發(fā)動(dòng)機(jī)單位氣缸工作容積輸出的有效功。它與有效功率Pe（kW）之間的關(guān)系是：

pVinPe?mes30?

Pme值大，說明單位氣缸工作容積對外輸出的功多，做功能力強(qiáng)。它是評定發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的重要指標(biāo)。Pme的一般范圍是：

汽油機(jī) 0.7-1.3MPa 柴油機(jī) 0.6-1.0MPa 增壓柴油機(jī) 0.9-2.2MPa

4、轉(zhuǎn)速n和活塞平均速度Cm 提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即增加單位時(shí)間的做功次數(shù)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、重量輕和功率大。轉(zhuǎn)速n增加，活塞平均速度Cm也增加，n與Cm(m/s)的關(guān)系為: SnCm?30

n、Cm、S/D值的大致范圍是：

n（r/min）Cm（m/s）S/D 小客車汽油機(jī) 5000-8000 12-18 0.7-1.0 載貨車汽油機(jī) 3600-4500 10-15 0.8-1.2 汽車柴油機(jī) 2000-5000 9-15 0.75-1.2 增壓柴油機(jī) 1500-4000 8-12 0.9-1.3

二、發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能

1、有效熱效率ηe ηe是發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功We（J）與所消耗燃料熱量Q1之比值 ： WeQ1

2、有效燃料消耗率be be[g/（kW·h）]是單位有效功的耗油量（簡稱耗油率），通常以每千瓦小時(shí)的耗油量表示

Bbe??1000Pe

ηe、be表征發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性，它們之間的關(guān)系為

3.6?e??106beh?

ηe和be的大致范圍是：

ηe be ［g／（kW·h）］

汽油機(jī) 0.25-0.3 270-325 柴油機(jī) 0.30-0.45 190-285

三、發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)

1、升功率PL和比質(zhì)量me 升功率PL（kW／L）是發(fā)動(dòng)機(jī)每升工作容積所發(fā)出的有效功率。

PpVinpnPL?e?mes?meVsi30?Vsi30?

比質(zhì)量me（kg／kW）是發(fā)動(dòng)機(jī)的干質(zhì)量m與所給出的標(biāo)定功率之比。它表征質(zhì)量利用程度和結(jié)構(gòu)緊湊性。PL和me的大致范圍是：

L（kW／L）me（kg／kW）汽油機(jī) 30-70 1.1-4.0 汽車柴油機(jī) 18-30 2.5-9.0 拖拉機(jī)柴油機(jī) 9-15 5.5-16

2、強(qiáng)化系數(shù)pmeCm平均有效壓力pme與活塞平均速度Cm的乘積稱為強(qiáng)化系數(shù)。其值愈大，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷愈高。pmeCm的大致范圍是：

汽油機(jī) 8～17MPa·m／s 小型高速柴油機(jī) 6～11MPa·m／s 重型汽車柴油機(jī) 9～15MPa·m／s ?e?

第五節(jié) 機(jī)械損失

一、機(jī)械效率

發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失可以用機(jī)械損失功率Pm（kW）和平均機(jī)械損失壓力pmm（MPa）--單位氣缸工作容積的機(jī)械損失功來表示。它們和有效指標(biāo)的關(guān)系是： Pm=Pi-Pe Pmm=pmi-pme

機(jī)械損失的分配情況見下表：

機(jī)械損失名稱 占Pm的百分比（%）占Pi的百分比（%）

摩擦損失 62-75 8-20 驅(qū)動(dòng)各種附件損失 10-20 1-5 帶動(dòng)機(jī)械增壓器損失 6-10 泵氣損失 10-20 2-4 總功率損失 10-30 機(jī)械效率ηm的大致范圍是：

汽油機(jī) 0.7-0.9 柴油機(jī) 0.7-O.85

二、機(jī)械損失的影響因素

1、氣缸的直徑及行程

機(jī)械損失功率與缸徑、行程的大致關(guān)系為 :

SDmD

D——?dú)飧字睆?S——活塞行程； Dm——曲軸的平均直徑； K——與氣缸數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)的常數(shù)。

2、摩擦損失

在機(jī)械損失中，摩擦損失所占比例最大，達(dá)到70％左右，主要包括：（1）活塞組件的摩擦（2）曲軸組件的摩擦（3）配氣機(jī)構(gòu)的摩擦

3、轉(zhuǎn)速n（或活塞平均速度Cm）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升（Cm隨之加大），致使：

1）各摩擦副間相對速度增加，摩擦損失增加。

2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力加大，活塞側(cè)壓力和軸承負(fù)荷均增高，摩擦損失增加。

3）泵氣損失加大。

4）驅(qū)動(dòng)附件消耗的功多

4、負(fù)荷

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定而負(fù)荷減小時(shí)，機(jī)械效率ηm下降。直到空轉(zhuǎn)時(shí)，有效

Pm?K功率Pe=0，指示功率Pi全部用來克服機(jī)械損失功率，即Pi=Pm，故ηm=0。

5、潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度

潤滑油（常稱全損耗系統(tǒng)用油）的粘度對摩擦損失的大小有重要影。粘度大，摩擦力大，流動(dòng)性差，使摩擦損失增加。水溫高，潤滑油的粘度降低，摩擦損失減少。

第六節(jié) 內(nèi)燃機(jī)熱平衡

一、實(shí)際循環(huán)的熱平衡

下圖為四行程非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖與理論循環(huán)的比較，通過研究實(shí)際循環(huán)與空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的差異，就可找出熱量損失所在。

由上圖比較可看出，實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)的差別在：（1）實(shí)際工質(zhì)的影響（2）換氣損失（3）燃燒損失（4）傳熱損失

由于上述各項(xiàng)損失的存在，使實(shí)際循環(huán)熱效率低于理論循環(huán)。

二、發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡是熱量表現(xiàn)為有效功及各項(xiàng)損失的分配情況。發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡通常按下列方法由試驗(yàn)確定。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)所耗燃油的熱量QT（kJ/h）

QT=Bhμ

2、轉(zhuǎn)化為有效功的熱量QE（kJ／h）QE=3.6×103Pe

3、傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量QS（kJ/h）QS=GScS(t2-t1)

4、廢氣帶走的熱量QR（kJ／h）QR=（B+Gk）（cprt2-cpKt1）

5、燃料不完全燃燒熱損失QB（kJ／h）QB=QT（1－ηr）

6、其它熱量損失QL（kJ／h）QL=QT-(QE+QS+QR+QB)

下圖為發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡圖：

熱平衡大致數(shù)值范圍(%)：

形式 qe qs qr qb ql 汽油機(jī) 25～30 12～27 30～50 0～45 3～10 柴油機(jī) 30～40 15～35 25～45 0～5 2～5 增壓柴油機(jī) 35～45 10～25 25～40 0～5 2～5