第一篇：發動機分析原理

柴油機故障分析

內燃機中級技術工人培訓試用教材

第一節

柴油機故障的征象和分析故障的原則

一、柴油機故障的征象

柴油機在使用過程中，由于零件的自然磨損和變形，使用維護不當、裝配和維修質量不良等原因，使柴油機性能下降，出現不正常的現象，甚至不能繼續工作，這種現象稱為故障。

當柴油機發生故障時，往往通過一個或幾個征象表現出來，一般這些征象都具有可觀、可聽、可嗅、可模、可測量的性質。總結起來有以下幾個方面：

1、工作不正常：如不易起動，轉速不穩、不能帶負荷、自動停車等；

2、聲音不正常：如發出不正常的敲擊聲、放炮聲、吹噓聲等；

3、溫度不正常：如排氣管過熱、機油過熱、冷卻水過熱、軸承過熱等；

4、外觀不正常：如排氣管冒白煙、黑煙、藍煙、漏水、漏氣等；

5、消耗不正常：如柴油、冷卻水、機油等消耗量增加，油面及水面升高或降低；

6、氣味不正常：如排氣管帶很濃的柴油和機油的氣味，以及不正常的嗅味和焦味等。

柴油機故障的發生大部分是由于使用時不遵守操作規程，不注意保養工作，裝配和調整不正確以及一些零件的磨損而引起的。因此，正確的使用和及時的保養是防止和減少故障的有效辦法。但有時發生了故障，也應當仔細的分析故障發生的原因，及時加以排除。

二、分析故障的原則

為了能迅速、有效地排除故障，要對故障產生的部位和原因進行正確的判斷。因此要求在了解故障的基本征象后，根據該柴油機構造和原理上的特點，全面地分析產生故障的可能原因，然后根據從簡到繁、由表及里、按系統逐個分析，最后找出故障的實際原因，加以排除。根據實際中總結出來的判斷故障的經驗是：搞清征象、結合構造，聯系原理，具體分析，從簡到繁、由表及里、按系統分段，逐步檢查。絕不能在沒有弄清問題之前，隨便亂拆機器。這樣不但不能消除故障，還可能發生新的故障。

實際上，故障的征象是一定的故障原因在一定的工作條件下的表現，當改變工作條件時，故障的征象也隨之改變，只在某一種條件下的表現，故障的征象表現得更為明顯。根據這個道理，廣大機務機務工作者在長期的實踐中，創造了很多提高觀察和聽診效果的技術措施和方法，使故障征象表現得更為明顯和突出。現將這些方法介紹如下：

1、停缸法：依次地停止某缸供油，觀察故障征象變化的情況，以判斷某缸是否有故障。如柴油機發生斷續冒煙，但在停止某缸的工作時此現象即消失，則證明此缸有故障，應對此缸進行分析。

2、比較法：分析故障時，若對某一機件有懷疑，可以用技術狀態正常的備件去替換，根據替換后工作情況的變化，來判明原件的技術狀態是否正常。一般

對噴油器的故障可以采用這種檢查方法，這時可以換上一個備用噴油器，以判斷原用噴油器是否產生了故障。

3、試探法：在分析故障原因時，往往由于經驗缺乏，不能肯定故障的原因，而要進行某些試探性調整和拆卸。以觀察故障征象的變化，來尋找或反證故障產生的部位。如懷疑活塞組在氣缸內磨損嚴重，可向缸內灌點機油，若氣缸壓縮性變好了，說明所懷疑的故障原因正確。但試探時必須遵守“少拆卸”的原則，并在確有把握恢復原有狀態的情況下才能進行。

4、變速法：在升降柴油機轉速的瞬時，注意觀察故障征象的變化情況，從中選擇出適宜的轉速，使故障的征象表現得更為突出。一般情況下多采用低轉速運轉，因為這時柴油機轉得慢，故障征象持續時間長，便于人們觀察和檢查。如檢查配氣機構，由于氣門間隙過大引起的敲擊聲時，就采用這種方法。

在實際工作中，上述幾種方法常常是綜合采用相成的效果。

第二節

曲柄連桿機構故障分析

一、氣缸漏氣

1、征象

（1）漏氣：由于氣缸內壓縮力不足，故很易容搖轉曲軸，并在轉動曲軸時，有氣體漏入曲軸箱發生“咝咝”聲，打開加機油口蓋處，聽得較清楚，漏氣嚴重時還會引起曲軸箱爆炸。

（2）起動困難：起動后工作不平穩，功率不足，曲軸箱的通氣管（加機油口蓋）冒煙或從油底殼接縫處向外滲機油。

（3）在起動、低速、大負荷、轉速變化時沿氣缸全長有敲擊聲（敲缸），一般隨柴油機走熱后響聲逐漸減輕。

（4）由于機油竄入燃燒室內燃燒，除機油消耗量增加外，同時活塞頂及燃燒室大量積炭，活塞環膠結，排氣冒藍煙，嚴重時排氣竄機油。（5）燃油燃燒不完全，燃油消耗率高，排氣冒黑煙。

（6）水溫和機油溫度高，有的零部件過熱，如氣缸蓋、排氣管等。

2、原因

（1）氣缸套、活塞、活塞環過度磨損，勢必造成氣缸間隙、活塞環的開口間隙和側向間隙增大，因而密封性差，造成漏氣。

（2）由于使用及保養不當和其它原因而造成活塞、汽缸的速磨損。例如：1）空氣濾清器油盤中缺油，或空氣濾清器與進氣管接觸不嚴密。另外，在清洗空氣濾清器后，濾芯總成裝錯或內、外橡膠密封圈裝錯等，均會在進氣中夾塵土進入氣缸，加劇氣缸等的磨損。2）機油不足或不清潔或變質，使活塞與氣缸早期磨損。3）冷車起動后，未經預熱立即投入工作；或長時間在水溫較低情況下怠速運轉，使燃燒氣體中的水蒸氣凝成水滴，并和其它燃燒生成物形成酸性物質（流酸等）腐蝕氣缸壁，使磨損加劇。4）更換活塞環時，由于氣環的開口間隙和側間隙過大；扭曲環或錐形環裝反；油環磨損或油環回油孔被積炭堵塞。更換氣缸套時，缸套質量不佳，粗糙度不夠；裝配時，清洗不干凈或氣缸間隙過大；油底殼中機油面過高等原因，都會使大量機油竄入氣缸內燃燒，使活塞環（特別是第一道路環）膠結在環槽中失去彈力，從而密封性大為減弱。同時，由于積炭過多，也加速這些零件磨損。5）由于柴油機長期在高溫或超負荷狀態下工作，活塞環彈力減弱；或由于安裝不正確或在工作中由于缸套橢圓過大，而使活塞環自動轉位，使各環開口重合，都會造成漏氣，加速磨損。（3）連桿彎曲、扭曲變形；；連桿大小頭孔中心線互相歪斜不平行；或主軸頸與連桿軸頸不平行，造成氣缸單邊偏磨。

（4）活塞環拆斷、活塞銷卡環和活塞銷竄出，使缸壁嚴重刮傷，也會產生漏氣。（5）新機或大修后的柴油機（或新換缸套及活塞組），未磨合好就投入作業，也會加速磨損。

3、檢查與判斷：由于柴油機其它系統的故障，也會出現上述征象中的一個或幾個征象，這就給判斷故障帶來了困難。

檢查壓縮壓力，目前多用氣缸壓力表來測定，檢查前應使柴油機水溫在65℃以上，拆下被檢查缸的噴油器，裝上氣缸壓力表，使噴油泵停止供油；然后用起動機帶動曲軸轉動（或拆下全部噴油器，用手搖轉曲軸變亦可），此時壓力表的最高讀數，即為該缸壓縮終了的氣缸壓力。柴油機一般正常壓力為30—40公斤/平方厘米，磨損后的壓力應不低于原廠標準的70—80％。

（1）在檢查中發現壓力過低，并在加機油口聽到漏氣聲，可向該缸注入少量機油后再檢查一次。若壓力顯著提高，漏氣聲消失，則表明該缸的缸套和活塞組零件嚴重磨損漏氣。

（2）檢查時若在排氣管口或進氣管聽到“嗤嗤”漏氣聲，說明該缸氣門與氣門座之間關閉不嚴而漏氣。

（3）如噴油器安裝孔漏氣，可在工作中從外部直接看到，輕者有泡沫冒出；重者會出現“嗤嗤”漏氣聲，并伴之有氣體沖出。

（4）氣缸墊漏氣，也會使壓縮力不足，判斷方法，可參考“燒氣缸墊”故障中各項。

4、排除方法：拆除活塞環間隙、活塞裙部和氣缸的配合間隙以及氣缸的失圓度。若活塞和氣缸磨損不嚴重時可重換活塞環，并將缸套旋轉90°安裝。若磨損嚴重，應鏜缸后采用相應的加大活塞和活塞環，或全部換換標準的氣缸、活塞及活塞環。若因連桿彎扭造成的偏磨應校正連桿。

空氣濾清器、機油濾清器失效應及時更換，并按時更換機油。

在野外，由于氣缸漏氣，在緊急情況下往往多次起動不了后感到更難起動。如果沒有其它問題，主要是因壓縮力不足而造成。判斷方法是扳動飛輪，如一松手飛輪能往回倒轉，說明壓縮情況還好；如已不能倒轉，往往由于多次起動后，過多的柴油沖走了機油，缸內的密封情況更壞而更難起動。可卸去全部噴油器，倒入少量機油，停車手柄板至停油位置，按起動按鈕，使機油涂于缸壁表面后，再裝上噴油器，重新起動。

二、氣缸墊燒損

氣缸墊燒損后，柴油機往往仍可發動，但帶負荷后，功率不足，嚴重時柴油機不能工作，并可能造成某些有關零件的損傷，因此，要認真預防和排除。

1、征象：氣缸燒損后就失去密封作用，發生竄氣、漏水或漏油現象。氣缸墊燒損的部位可以看到黑斑，而且用棉紗也不易擦凈。氣缸墊燒損的部位不同，所表現的外征也各不相同。如：

（1）當燒壞部位在相鄰兩缸竄氣。不減壓搖轉曲軸時，兩缸的壓縮力都不足；工作時冒煙，柴油機沒勁，轉速明顯下降，達不到標定轉速。

（2）當燒壞部位使氣缸與冷卻水孔穿通時，由于氣體竄入冷卻水套，即使水溫不高，水箱中也有很大壓力的蒸氣外冒，隨著溫度升高，冒熱氣現象更加嚴重，在水箱中發出“鼓鼓”的冒泡聲；進、排氣管中向外冒白色蒸氣，甚至向外

竄水；卸下噴油器時，從孔中向外竄水。

（3）當燒壞部位使氣缸與缸蓋螺栓孔的缸墊邊緣相通時，漏氣處會有斷續的淡黃色泡沫產生，嚴重時除能聽到“吱吱”的聲音外，還可看到煙色，有時還有漏油、漏水現象，缸蓋螺栓及孔上有積炭。

（4）當燒壞部位使氣缸與機體上平面的機油孔相通時，氣體竄入潤滑系，機油溫度升高，機油變質；通往氣缸蓋上部潤滑氣門機構的機油中有氣泡。

（5）當燒壞部位使氣缸與冷卻水套、潤滑油道相通時，在水箱的水面上有黃褐色的機油泡沫；油底殼機油中有水，從加機油口處向外冒熱氣；嚴重時，排氣管出機油和水。

原因

（1）氣缸墊的質量不好，銅皮內的石棉布置不均勻，特別是燃燒室周圍處沒有布置均勻時，最易沖壞氣缸墊。

（2）擰緊氣缸蓋的螺栓順序不正確，或末擰到規定的扭力，或各擰緊扭力不均勻，以致使氣缸蓋平面壓力不均勻，氣缸墊沒有完全貼合在氣缸體與氣缸蓋的接合面上。這樣氣缸墊最易漏氣沖壞，而且易使氣缸蓋變形。

（3）氣缸套高出機體平面，各缸套高度不平或高度不夠或凸出過多，使氣缸蓋壓不緊，燃燒氣體竄出，燒壞氣缸墊。

（4）缸蓋螺母緊的次數過多、過緊（超過規定扭矩）因而使螺栓周圍的缸體平面被螺栓拉凸得起不平，結果使缸蓋壓不嚴密，燃燒氣體沖出，燒壞氣缸墊。

（5）缸蓋或氣缸體的接觸平面不平，使氣缸墊不能平整壓實而沖壞氣缸墊。如氣缸墊經常在同一部位損壞，則多系氣缸蓋或氣缸體不平所造成。

（6）柴油機工作溫度過高，如超負荷工作，噴油時間過遲、氣缸墊在高溫下工作，很容易失去原有的彈性，使氣缸墊變得非常脆弱而最后被燒毀。

（7）柴油機長期處于噴油時間過早情況下工作，由于柴油被噴入壓力和溫度都不高的空氣中，物理化學準備條件較差，著火落后期延長，導致速燃期壓力升高率增大，往往超過允許范圍，產生沖擊性氣體壓力載荷，也容易沖壞氣缸墊。

(8)氣缸墊使用時間過久或拆裝次數多，汽缸墊便會失去彈性，不能很好地起到密封作用，若繼續使用便會燒毀。

（9）選用的汽缸墊厚度不夠，使柴油機壓縮比增高，從而燃燒壓力便增高，再加之汽缸墊太薄會封閉不嚴而易被沖壞。

（10）拆下汽缸墊后，隨意放置，沒有掛起來或放平，使汽缸墊變形或損壞，裝上使用時候會燒毀。

（11）汽缸蓋和汽缸墊安裝時不清潔，使汽缸蓋、汽缸體平面接觸不嚴。（12）由于柴油中混入水分，在高溫的作用下，產生有機酸，汽缸蓋被腐蝕成蜂窩狀的麻點，竄氣而沖壞。

3.排除方法

（1）發現汽缸墊稍有損壞應立即更換，對于彈性減弱氣缸墊，經過在機油中加溫后還能繼續使用。如果發現氣缸墊漏氣但沒有燒損，可在漏氣部位加銅皮（厚約0.2毫米）即可防漏。也可以將缸墊在火焰上均勻地烤一烤，由于石棉膨脹，使缸墊復原，防止漏氣。

（2）氣缸體與氣缸蓋平面不平時需鏟刮修平。

（3）氣缸套凸出高度不夠或不一致時，需加以調整和修理，使其達到規定值。同一臺柴油機各缸凸出高度相差不得大于0.05毫米。

（4）更換氣缸墊時應測量余隙。余隙太大，壓縮比變小，影響柴油機功率；

余隙太小，壓縮比變大，不但易燒壞氣缸墊而且會造成氣門碰活塞頂。

三、氣缸體、氣缸蓋破裂 氣缸體、氣缸蓋破裂的主要是使用不當。破裂部位一般在進、排氣門座之間，燃燒室與氣門座之間，兩缸之間的鼻梁，水套、水道空以及氣缸蓋螺栓固定空等部位。

1.征象

（1）水箱內冒氣泡，冷卻水迅速消耗，柴油機工作不穩定，功率下降，聲音不正常，甚至不能繼續工作。

（2）當外部破裂時，水向外滲漏；內部破裂時，水漏到油底殼使油面增高；水漏到氣缸中會變成蒸汽隨同廢氣一起排出，使排氣冒白煙，柴油機不易起動。

2.原因：氣缸蓋經常處于高溫、高壓下工作，燃燒時最高瞬時壓力可達60-70公斤/厘米2；最高溫度可達1800-2000℃左右；假如柴油機2000轉/分運行，則氣體的壓力和溫度將是每分鐘1000次的轉度變化著，熱沖擊十分強烈。根據實際測量，缸蓋底面的溫度分布是不均勻的，對應活塞凹槽處得缸蓋溫度較高，而缸與缸之間的出砂孔和孔邊緣的溫度較低。由于存在溫差，相應生產熱應力及殘余應力，最后導致出現裂紋和損壞。現從使用維護角度分析原因如下：

(1)嚴寒季節起動時，向冷機內驟加過熱的開水。

(2)在嚴寒季節冷卻水結冰而脹壞．故冬季使用時在停車后約半小時，應將冷卻水放盡。最好用搖手柄轉動曲軸數圈。排除水泵內的存水，水泵放水閥不必關上．以免積存冷卻水。注意水箱通氣孔應暢通，以免影響放水。

（3）柴油機溫度過高時，突然加入冷卻水，這樣極易引起炸裂。如冬季使用柴油機時，有的機手為了便于起動．先將柴油機起動后．再加冷水．這樣做是不好的。因為起動后機體內部溫度迅速升高，加入冷水后便易炸裂。又如柴油機在缺水開鍋時突然加入大量冷水，這也是不允許的，應當逐步加入少量冷水使溫度降低。

（4）柴油機溫度還很高時就放水，使氣缸蓋機體外部驟冷．內部很熱，使各機件溫度下降不一致，特別在冬季更趨嚴重，這樣便產生內應力而出現裂紋。因此放水應等柴油機溫度降至40-50℃（停車后約半小時）后再進行。

有的人用減壓機構進行停車操作，由于突然在高溫下吸入過多的冷空氣，缸蓋等也易炸裂。因此一般不應用減壓機構熄火。

(5)柴油機冷車起動后，還沒有走熱，就突然迅速加大負荷，使氣缸蓋、機體內由冷驟熱，產生內應力而裂開。

(6)氣缸蓋局部溫度過高．如某缸噴油時間不對或噴油量過多，或噴嘴滴漏嚴重，冷卻水道局部堵塞，氣缸蓋螺栓松緊不均勻，以及氣缸蓋拆卸次數過多，引起氣缸蓋撓曲，均會造成局部高溫。這時由于冷卻速度快慢不一形成裂紋。

(7)柴油機長期超負荷工作，噴油時間過早或過遲，都會引起柴油機過熱，使內部機件內外冷卻溫度不一致，也容易產生熱裂。因此在使用中不要長時間超負荷作業，正確調整噴油時間，要經常保持柴油機正常水溫(80-95℃)．

(8)冷卻系水套中水垢過多，影響散熱效果，使缸蓋底面溫度升高，局部熱應力集中，導致缸蓋產生裂紋；由于柴油機在工作中的震動，使水垢成大塊的脫落，水垢脫落處的局部溫度下降，造成溫差過大，膨脹不一致，產生內應力，因而炸裂。

(9)氣缸墊在安裝時沒有對準孔位（氣缸墊上的水孔未與氣缸體或氣缸蓋上的水孔對準），使冷卻水流量減小，使柴油機溫度升高，氣缸蓋底面不均勻的溫度更加不均勻，導致產生裂紋。

3-排除方法：氣缸體、氣缸蓋的裂紋根據不同情況焊補或更換，四、氣缸套破裂

氣缸套破裂的原因有下列一些方面：

1．為保證可靠地壓緊氣缸套，濕缸套上端與氣缸蓋襯墊壓緊部分，要突出機體頂面0.05-0.15毫米（見圖1-1）。這個突出量太大，在擰緊氣缸蓋對，會使氣缸套變形，并使凸緣根部產生裂紋。

有的氣缸套上端面再有一個臺階，目的是保護氣缸墊不致燒損（圖1-1）．安裝這種氣缸套的氣缸墊時．氣缸墊孔應套入這個臺階上·不要擱在上面，否則會使氣缸套受的力偏離氣缸體承受面．使缸套臺肩產生剪切應力而斷裂，經常發現在擰緊氣缸蓋螺栓時，缸套即行斷裂，多屬此類原因。

2．氣缸套與氣缸體配臺間隙過大；或由于安裝時密封膠圈的作用或缸套凸緣下平面不平，以及缸套凸緣與氣缸體接觸平面中間有雜物，把缸套墊起．使缸套裝斜，存活塞側壓力作用下．產生微量的橫向擺動，促使在凸緣處產生疲勞裂紋而斷裂（圖1-2）。

3．在凸緣處不是圓滑過渡而成尖角．有明顯刀痕或裂紋，在交變載荷下，此處易產生應力集中．產生微觀疲勞裂紋而逐漸擴展，以致斷裂。如圖1-2，表示出凸緣過渡成尖角的斷裂情況。

圖1-1帶有臺階的氣缸套和產生斷裂的位置

圖1-2氣缸套凸緣的斷裂及斷口形狀

4．氣缸套外壁積存厚的水垢，影響散熱，附于氣缸套外壁的水垢可能部分掉落，這樣使氣缸套受熱不均勻．在熱應力的影響下發生破裂。

5．使用方面的原因，如柴油機運行中水量不足，甚至斷水，使柴油機過熱，此時苦突然加入冷水，缸套驟冷收縮．極易產生裂紋。柴油機長期超負荷運轉，機械負荷與熱負荷急劇增大．也會造成缸套裂紋。袈縫處嚴重漏水后，氣缸內產生“水墊”，造成“頂缸，將連桿頂彎或破壞其它零件，水漏入曲軸箱后，破壞機油性能，易產生燒瓦事故。

6．在安裝缸套時，因密封膠圈過緊，用力打下缸套，由于用力不均，使缸套圓角處或其他強度薄弱處產生裂紋。

7．寒冷天氣水套內的水沒放盡，缸套被凍裂：

8.活塞環折斷或活塞銷竄動，往往因擠壓缸套而造成裂紋。

9．其它還可能是氣缸套材質不合格或工藝上沒有很好退火等原因，引起缸套斷裂。還可 能因缸套銹蝕嚴重而使強度減弱，引起缸套斷裂的情況。

五、活塞燒損與斷裂

1．征象：活塞燒損一般產生在活塞頂部；斷裂一般產生在活塞頂、機械負荷最大的活塞銷座附近和安裝油環處。活塞斷裂后．機體通氣孔處會排出大量濃煙．活

塞破碎會引起搗缸事故。

2．原因：活塞頂燒損與斷裂主要是氣缸中壓力和溫度的急劇變化而引起。活塞頂產生斷裂的原因有：

（1）噴油器工作不正常．有未霧化的燃油滴在活塞頂上．燃燒時產生局部高溫．或因活塞頂積炭嚴重，造成局部高溫而引起活塞頂燒損。

（2）供油時間過早．產生敲缸。由于氣缸內壓力急劇上升，使活塞受到過大的沖擊載荷．因而在活塞頂部易出現裂紋。

（3）長時間超負荷運行，冷卻系統缺水，水溫過高等，造成柴油機過熱，易使活塞頂產生裂紋。

（4）氣缸套冷卻部位由于水中雜質與水垢沉淀，致使活塞頂散熱差，活塞頂易產生裂紋。

（5）經常在柴油機未達到正常溫度時迅速增加載荷。

(6)柴油機過熱的情況下，突然向冷卻系統內加入大量的冷水。

(7)氣缸內漏入冷卻水或落入零件、雜物或活塞與氣門相撞等，產生頂缸現象，造成活塞頂斷裂。

活塞在銷孔處及其余部位斷裂的原因有；

(1)活塞與氣缸配合間隙過小，柴油機溫度過高，使活塞卡缸而拉斷。

(2)氣缸與活塞裙部配合間隙過大，工作中活塞在缸套內擺動，又兼受到很大的爆發壓力，使活塞撞擊缸壁而打壞。

(3)活塞與活塞銷緊度過大，使活塞變形或產坐微觀裂紋。

(4)安裝活塞銷時，活塞加熱溫度不夠，活塞銷裝不進去時，用手錘硬打，強行裝入，因而使銷座孔內部受到暗傷（或安裝后，座孔處就有微小裂紋而未被發現），在柴油機工作中，受到氣體爆發壓力和活塞運動中的慣性力作用后，使活塞破碎。

(5)連桿彎曲、扭曲等變形，使活塞受較大的附加應力作用而損壞．

(6)活塞環膠著．卡住而使活塞拉斷。活塞環潤滑條件最差，特別是第一道環，同時工作中受到高溫高壓氣體的影響，并刮下爆發后附在缸壁上的炭灰，因此磨損嚴重，而易膠著卡住。有時起動困難，大量未燃燒的柴油存積在活塞頂部，或在超負荷時供應過多的柴油，未燃燒部分就形成積炭而將活塞環膠住。又如噴油器霧化不良，或竄機油等而形成的積炭，也多堆積在第一道環處，因而使活塞環膠著卡住。

(7)由于油環槽的周圍有很多回油孔，同時，該處的厚度較氣環槽薄些，因而減弱了該處的機械強度，故易斷裂。

(8)活塞環折斷后使活塞卡住，因而活搴被拉斷。

(9)活塞材料質量不好，引起活塞損壞。

3．掃除：消除上述造成活塞破裂的原因。并在使用維修過程中，就特別仔細檢查活塞頂及銷座附近有無裂紋，如發現有裂紋應及時更換。因為活塞斷裂初期生產的裂紋往往都很小，

第二篇：發動機原理—教案

【發動機原理】教案

教材: 《汽車發動機原理》

張志沛 主編

大連海運學院出版社

長安大學

汽車學院機電與動力研究所

目 錄

緒 論----------------------------

第一章 發動機工作循環及性能指標--------------------------

§1-1 發動機理想循環概述---------------------------

5§1-2 發動機實際循環熱量

這部分熱量雖然在膨脹過程中還可能會釋放出來，但由于活塞已接近下止

點，做功效果變差，熱效率下降。二 傳熱、流動損失

（一）傳熱損失

理論上: 壓縮、膨脹過程為絕熱過程。

實際上: 大量熱量通過汽缸壁傳給冷卻水或空氣。

傳熱損失是發動機中的最大損失，占總損失量的30%以上。因此，許多研

究者致力于開發絕熱發動機。

（二）流動損失

理論上: 閉口系統，沒有氣體流動損失。

實際上: 進、排氣節流沿程損失，缸內進氣、擠壓、燃燒渦流損失。三 換氣損失

理論上: 忽略進、排氣過程。

實際上: 進、排氣門提前開啟，遲后關閉。而且有流動阻力。

換氣損失中逆向循環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 時間損失

理論上: 定容加熱瞬間完成，定壓加熱速度與活塞運行速度密切配合。

實際上: 燃燒需要時間。五 補燃損失

理論上: 加熱瞬間停止，膨脹過程無加熱。

實際上: 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，無泄漏。

實際上: 活塞氣環不會100%嚴密密封，總會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: 30～40% ； 汽油機: 20～30%。

Qe令 qe?QT二 傳遞給冷卻介質的熱量 QS

QS?GScS(t2?t1)其中Gs－發動機冷卻介質的每小時流量 [ kg/h ] cs－冷卻介質比熱 [ kJ/kg·℃ ] t1，t2 －冷卻介質的進、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、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)

發動機熱平衡方程式: qe

§1-4 指示指標

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

?qs?qr?qb?ql?1

p-V圖 p-φ圖

發動機性能指標: 指示指標，有效指標

指示指標: 以工質在汽缸內對活塞做功為基礎，評價工作循環的質量。有效指標: 以曲軸上得到的凈功率為基礎，評價整機性能。

示功圖: 發動機缸內壓力p隨汽缸容積V（p-V圖）或曲軸轉角?（p-?圖）變化的圖示。

一 指示功和平均指示壓力

（一）指示功Wi

一個循環工質對活塞所做的有用功。

應該：非增壓：Fi?F1?F2 增壓：Fi?F1?F2 因為: F2不容易測量, 實際將F2歸到機械損失中考慮。所以: Fi?F1

Wi?Fi?a?b 其中 a,b － 橫、縱座標比例尺

指示功大，說明 ○汽缸工作容積大 ○熱功轉換有效程度大。為突出后

者，比較不同大小發動機的熱功轉換有效程度，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?（假想參數）

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

單位時間所做的指示功。

若: 缸數i，每缸工作容積Vh [ m ]，沖程數 ?，平均指示壓力 pi[ pa ]，轉速 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

一 有效功率和機械損失功率

（一）有效功率Ne

單位時間所做的有效功。

peVhin Ne??10?3 [ kw ]

30? 其中 pe－平均有效壓力。

（二）機械損失功率Nm

發動機內部損耗的功率。

機械損失包括: 發動機內部摩擦損失；驅動附件損耗，如: 機油泵、燃油泵、掃氣泵、冷卻水泵、風扇、配氣機構；和泵氣損失等。

pmVhin Nm??10?3 [ kw ]

30? Ne?Ni?Nm

其中 pm－平均機械損失壓力。

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出的功率。

Ne Nl?

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

（二）比重量Ge

發動機凈重量G與所發出有效功率Ne的比值。

G Ge? [ kg/kw ]

Ne Nl?，Ge? ? 發動機強化程度高。

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，汽油機的強化程度要比柴油機的高。

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，柴油機的熱效率比汽油機的高，經濟性比汽油機好。

§1-6 機械損失 一 機械效率?m

對于不同類型的發動機，絕對損失大的，其相對損失卻不一定也大。必須有

一個衡量標準，故引進機械效率的概念。

有效功率與指示功率的比值。

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

?m,柴?0.7～0.85 ?m,汽?0.7～0.9

二 機械損失的測定

（一）倒拖法－只能在電力測功機上試驗

在壓縮比不很高的汽油機上得到廣泛應用。

發動機與電力測功機相連。起動發動機，冷卻水溫度、機油溫度達正常值。然后使發動機在給定工況下穩定運轉。切斷發動機的供油（Ni?0,pi?0）。

將電力測功機轉換為電動機使用，在給定轉速下倒拖發動機，并維持冷卻水溫度和機油溫度不變。由于此時Nm??Ne，因此從電力測功機上所測得的倒拖功率Ne即為發動機在該工況下的機械損失功率Nm。

（二）滅缸法－僅適用于多缸機

當發動機調整到以給定工況穩定運轉后，先測出整個發動機的有效功率Ne。之后，在柴油機油門拉桿或齒條位置、或汽油機節氣門開度固定不動的情況下，停止向某一汽缸供油或點火。調整測功機，使發動機恢復到原來的轉速，重新測定有效功率Ne,1（其余五個汽缸的有效功率），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。因為Ni,1?Ni?Ni,x?1?(Ne?Nm)?(Ne,1?Nm,1)?Ne?Ne,1。逐次滅缸，則整臺發動機的指示功率為Nii?1 如果各缸負荷均勻，則僅測一個缸，即滅火一次即可，Ni 其它還有示功圖法，油耗線法等。

三 影響機械效率的因素

??(Ne?Ne,i)x，其中x為總缸數。

x?x(Ne?Ne,1)。這樣，整個發動機的機械損失功率為Nm?Ni?Ne，機械效率為?m?Ne/Ni。(一)轉速

其中cm－活塞平均運行速度。

pm與cm幾乎呈直線關系。?m與n似呈二次方關系。n? ? □ 慣性力? ? 活塞對缸壁的側壓力? ? 軸承負荷?

□ 各摩擦副相對速度? ? 摩擦損失?

□ 泵氣損失?，驅動附件損耗?

? pm? ? ?m?

若要提高轉速來強化發動機，則?m將成為主要障礙之一。

（二）負荷

發動機的負荷 □ 柴油機: 油門拉桿或齒條位置

□ 汽油機: 節氣門開度

轉速n一定，負荷? 時，發動機燃燒劇烈程度?，平均指示壓力pi?；而由于轉速不變，pm平均機械損失壓力pm基本保持不變。則?m?1??，機械效率下降。

pi? 當發動機怠速運轉時，有效功率Ne?0，指示功率Ni全部用來克服機械損失功率Nm。即Ni?Nm，因此，?m?0。

由于車用柴油機普遍在高轉速、較低負荷下工作，機械效率下降嚴重。因此，機械效率對于車用柴油機尤為重要。

（三）潤滑油品質和冷卻水溫度

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? ? 摩擦? ? Nm,pm? ? ?m?

要求: 定期保養、清洗機油濾清器，5000～10000公里換機油。

§1-7 燃燒熱化學 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 化學反應方程式

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）過量空氣系數和空燃比 1 過量空氣系數 ?

L ??

L0燃燒1kg燃料實際供給的空氣量 ?

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: ? > 1；汽油機: ? ? 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 1 理論分子變更系數 ?0

M2 ?0?

M1燃燒后工質的摩爾數 ?

燃燒前工質的摩爾數 ?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 實際分子變更系數 ?

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。r?Mr/?L0－殘余廢氣系數。

二 燃料的不完全燃燒第五章 發動機噪聲及排放污染

噪聲: 汽車的主要噪聲源 — 發動機。

汽油機的主要噪聲源 — 風扇噪聲和配氣機構噪聲。

柴油機的主要噪聲源 — 燃燒噪聲。

柴油機的噪聲比汽油機的大。

排放: 汽油機的CO、NOx和HC排放比柴油機的多，柴油機的炭粒排放比汽油機的多。

§5-1 發動機噪聲污染及防治

GB規定: 城市噪聲聲壓級白天 — Lp ? 42 [ dB ]，夜間 — Lp ? 37 [ dB ]。一 噪聲的評價指標

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

p Lp?20lg [ dB ]

p0其中p0 — 1000 [ Hz ]時的基準聲壓，即聽閥聲壓，p0?5?2?10?5 [ pa ]。

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

2I LI?10lg [ dB ]

I0其中I0 — 1000 [ Hz ]時的基準聲強，L0?10?12 [ W/m2 ]。聲功率 W 聲源在單位時間內所輻射的總能量 [ 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

W Lw?10lg [ dB ]

W0?10?12 [ W ]。

聲壓級 Lp，聲強級 LI和聲功率級 Lw的范圍均為 0～120 [ dB ]。其中W0 — 基準聲功率，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下的關系為

1f中； f上?2f下。

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

（二）主觀評價 — 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不同，主觀評價參數 — 響度級 [ 方 ]（[ phon ]）。

以1000 [ Hz ] 的純音為基準聲音，當某噪聲的響度與某聲壓級的純音響度相同時，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，等響曲線平緩，響度級 [ phon ] 僅與聲壓級 [ dB ] 有關，而與頻率 [ Hz ] 幾乎無關。說明對于高 [ dB ] 的噪聲，人耳已分辨不

出高、低頻了。

二 發動機噪聲分析

（一）車輛噪聲源 與發動機轉速n有關的噪聲源

進、排氣噪聲；旋轉件噪聲 — 風扇，空氣壓縮機，發電機和空調等。2 與車速有關的噪聲源

傳動噪聲 — 變速器，傳動軸等；空氣動力噪聲 — 輪胎噪聲，車體噪聲等。

（二）發動機噪聲源 — 主要噪聲源 1 直接傳向大氣的噪聲源

進、排氣噪聲和風扇噪聲等 — 屬于空氣動力噪聲。2 發動機表面輻射噪聲源

由發動機零部件的機械振動引起。?p（1）燃燒噪聲 — ?，pmax?，還與發動機零部件的強度、剛度有關。

??（2）機械噪聲 — 發動機零部件之間的間隙撞擊和零部件彈性變形，導致零部

件振動引起。

三 發動機噪聲的防治

（一）降低燃燒噪聲

?p1 采用油膜蒸發型混合氣形成方式 — M過程 ? ?，pmax?。

???p2 盡量使噴油先緩后急 — 推遲噴油開始時刻 ? ?，pmax?。

??3 使用十六烷值高的燃料 ? ?i?。

（二）加強結構強度

加固主軸承，多加和加固加強筋。

（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

聲學性能主要取決于聲吸收構造和材料的流動阻力。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來回反射震阻礙向外輻射。3 阻抗復合式消聲器 — 用于各種汽車

以抗性消聲器為基礎，同時采用吸聲材料，可使排氣噪聲大幅度降低。

（五）低噪聲發動機設計

在滿足基本性能的前提下，按降聲原理設計結構參數。

§5-2 發動機排放污染及防治 一 發動機的污染源

（一）排氣污染 — 占發動機總污染量的65～85% 1 一氧化碳 CO 2 氮氧化合物 NOx 碳氫化合物 HC 4 燃料液滴和炭粒 5 各類鉛、硫化合物

（二）曲軸箱通風污染 — 占發動機總污染量的20%左右

主要是碳氫化合物 HC。

（三）汽油箱通風污染 — 占發動機總污染量的5%左右

主要是碳氫化合物 HC。

（四）化油器浮子室及油泵接頭處的泄漏污染 — 占發動機總污染量的 5～10% 主要是碳氫化合物 HC。

（五）含鉛、磷汽油所形成的鉛、磷污染

本課程只討論第一項 — 發動機的排氣污染。

二 發動機排放污染物的形成、危害和防治

（一）一氧化碳 CO 1 形成

C + O ? CO [ + O ] ? CO2 [ 中間產物 ] 產生的原因是缺氧。

汽油機上 — ? < 1 的濃混合氣；

柴油機上 — ? > 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）稀薄燃燒與高能點火

使混合氣的 ??，而又能夠正常燃燒。（2）縮小燃燒室的激冷區

激冷區 — 燃燒室中由兩個以上冷表面構成的狹窄空間，如擠氣間隙。

激冷效應 — 靠近激冷區的可燃混合氣，熱損失過多而不能著火。

縮小燃燒室的激冷區 ? 燃燒易于完全 ? CO?。

（二）氮氧化合物 NOx 1 形成

（1）燃燒溫度高（2）高溫持續時間長

（3）火焰前鋒面中氧氣的濃度高

產生的原因是高溫。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反應生成光化學過氧化物，是光化學煙霧的主要成分。3 防治

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

（5）加強燃燒室內氣流運動?混合氣混合、燃燒迅速?高溫持續時間??NOx?。

（三）碳氫化合物 HC 1 形成

（1）局部混合氣過濃或過稀使氧化反應減慢，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。2 危害

（1）3.4苯并芘 — 致癌物質。

（2）苯甲醛和丙烯醛 — 強烈刺激眼睛和呼吸器官。（3）光化學煙霧的主要成分。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）稀薄燃燒與高能點火 ? 燃燒完全程度? ? HC?。

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

（6）加強燃燒室內氣流運動 ? 混合氣混合、燃燒完全 ? HC?。

（7）曲軸箱強制通風

HC — 空氣濾清器 ? 進氣管 ? 缸內再燃燒。

（四）燃料液滴和炭粒 1 燃料液滴

柴油機冷起動或低負荷運行時冒藍、白煙。藍、白煙之間沒有嚴格的成分差異，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

柴油機高負荷運行時冒黑煙。

（1）形成

缺氧，致使燃燒中間產物C-C，H-C裂化，再聚合成炭粒。

柴油機緩燃期中形成最多。（2）危害

A 燃燒不完全 ? 經濟性?，動力性?。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，使運動件摩擦損失增大，甚

至卡死。（3）防治

A 稀薄燃燒與高能點火 ? 燃燒完全程度? ? 炭粒?。B 改善霧化質量 ? 混合氣混合、燃燒完全 ? 炭粒?。C 加強燃燒室內氣流運動 ? 混合氣混合、燃燒完全 ? 炭粒?。D 改進發動機的結構和使用，加速混合氣形成，提高燃燒速率。

E 采用乳化油 ? 缸內溫度? ? 中間產物的熱裂反應明顯減少。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 假設燃料中的C 燃燒全部生成了CO和CO2。其中CO是中間產物，即不完

全燃燒產物。CO2是最終產物，即完全燃燒產物。

gC2 化學反應方程式

?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L?L0時，? = 1，A/F?L0

gCO2?gC

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

gCO?0，C全部生成CO。此時的過量空氣系數稱為臨界?值。記為?cr。

gC 所以 ?cr?1?

24?0.21L0（4）??? ? ???cr

此時理論上gC?gCO，析出炭粒。

一般柴油機的?cr?0.6～0.72。

（二）? > 1－柴油機

混合氣混合不均勻，局部過濃或過稀，造成燃燒不完全。缸內情況十分復雜。

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

發動機缸內高溫，水只能以氣態存在，故應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 發動機混合氣的著火和燃燒方式 P 一 混合氣的著火

（一）柴油機－低溫多級自燃 1 t1階段－混合階段

在壓縮過程終了時，燃料噴入汽缸內形成 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。混合階段，為著火做準備。2 t2階段－第一級反應

燃燒的實質是燃料的氧化反應，當反應速 度很快時，火焰就會出現。經過t1時間后，反

應加劇，出現冷火焰，缸內壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應生成醛類、過氧化物和一氧化碳等中間產物。要求混合氣較濃，? = 0.4～0.5。3 t3階段－第二級反應

溫度、壓力升高較大，產生許多化學反應的活性中心，出現藍火焰。混合氣稀得多，?略小于1。t1?t2?t3時間后－第三級反應

活性中心劇增，化學反應加速，熱積累劇烈，發生爆炸，出現熱火焰。混合氣更稀，? ? 1。

t1?t2?t3－著火延遲期

（二）汽油機－高溫單級點燃 壓縮的是燃料與空氣的混合氣體, 在此過程中, 已經進行了一些化學反應。火花點火, 局部溫度高達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, 迅速反應出現熱火焰, 瞬間擴大到整個燃燒室內。所以, 汽油機著火過程：

壓縮混合氣 ? 點火（經短暫著火延遲期）? 熱火焰

三 燃燒方式

（一）同時爆炸燃燒

取某一部分為系統, 著火前后整個系統各個部分的相完全均勻一致。即相只隨 t（時間）座標變化, 而不隨 x（位移）座標變化, 為單相系, 均勻系。

柴油機上, 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, 則系統內實現的就是同時爆炸燃燒。

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

（二）逐漸爆炸燃燒 汽油機－火焰傳播。兩相系－混合氣相（未燃區），燃燒產物相（已燃區）。

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進行。火焰前鋒面前方的未燃區中是混合氣，火焰前鋒面后方的已燃區中為燃燒產物和一小部分在火焰前鋒面中沒有燃燒掉的燃料繼續燃燒。

（三）擴散燃燒

柴油機的燃燒方式, 三相－燃料相, 空氣相, 燃燒產物相。

柴油燃點比汽油低, 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性好, 油與空氣形成混合氣較快, 物理準備過程已經就緒, 一點即燃。柴油機中燃燒的快慢卻主要取決于物理準備過程進行的快慢。油滴遇熱蒸發形成燃料蒸汽, 然后才能燃燒, 并非油滴與空氣接觸就可燃燒。為防止燃燒產物將油滴與空氣隔開, 將組織空氣相對于油滴的氣流運動, 將燃燒產物拋在后面。

發動機的換氣過程

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

空氣 15 1000 氣態

燃料受機械控制，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，對發動機換氣過程的研究就顯得尤為重要了。

§2-1 四沖程發動機的換氣過程 一 配氣定時

與工程熱力學中介紹的不同, 進排 氣門的開啟、關閉也需要時間, 故

在下止點前排氣－排氣提前角40?～80? 在上止點后關閉－排氣遲閉角10?～35? 在上止點前吸氣－進氣提前角 0?～40? 在下止點后關閉－進氣遲閉角40?～80? 進氣提前角+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’ 靠缸內壓力將氣體擠出氣缸，其中 p－缸內壓力, p’－排氣管內壓力。2 強制排氣階段 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）進氣過程和氣門疊開角

由于節流作用, 缸內產生負壓；（p0?p）使新鮮介質進入缸內。

氣閥疊開角：非增壓：20?～60? CA。

太大（引起）? 廢氣回流進氣道。

太小 ? 掃氣作用不明顯。

增壓：110?～140? CA。

進氣管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, 增加氣缸內的新鮮充量。2 降低排氣溫度。3 降低熱負荷最嚴重處（如氣閥、活塞等）的溫度。

三 換氣損失

理論循環換氣功與實際循環換氣功之差。

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）有一個最佳值（W+Y）min。對應排氣提前角亦有一個最佳值, n? ?（W+Y）min?。

（二）進氣損失功X

進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）歸到機械損失中考慮。

§2-2 四沖程發動機的充氣效率

一 充氣效率

（一）定義

為比較不同大小、不同類型發動機的充氣品質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。

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

實際進入汽缸的新鮮充量 ?v?

進氣狀態下充滿汽缸工作容積的新鮮充量?G?mV1 ?v???

?G0?m0Vh 其中：?G,?m,V1－實際充量的重量，質量和體積；

?G0,?m0,V1－理論充量的重量，質量和體積；

進氣狀態：非增壓：空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態, 通常取為當地的大氣

狀態。

增 壓：增壓器出口狀態。

嚴格地說，充氣效率應為

實際進入汽缸的新鮮充量 ?v?

以標準大氣狀態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，充氣效率反而會越高，講起來似乎無法接受。而且也不具備可比性。

（二）實際測量 ?v?V1'Vh'

?'實際流量

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

10002 充氣效率是衡量換氣過程進行得完善程度的重要指標。

柴油機 0.75～0.90 汽油機 0.70～0.85

二 充氣效率的分析式

充入汽缸的新鮮充量 = 缸內氣體的總質量－缸內殘余廢氣質量

（一）進氣門關閉時缸內氣體的總質量

ma?(Vc?Vh')?a

' 其中Vc－余隙容積；Vh－進氣門關閉時缸內工作容積；

?a－進氣終了缸內氣體密度。

（二）排氣門關閉時缸內殘余廢氣的質量

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－大氣狀態下氣體密度。其中Vr－排氣門關閉時缸內容積；?r－排氣門關閉時缸內殘余廢氣密度。

?(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?e??，有.～09??a??r ?v?

(??1)?0 帶入理想氣體狀態方程式，得

1T0?papr???

?v?????1p0?TaTr? 其中p0,T0－大氣壓力和溫度；pa,Ta－進氣終了時缸內的壓力和溫度；

pr,Tr－排氣終了時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。

§2-3 影響充氣效率的各種因素 一 進氣終了壓力pa

（一）進氣阻力?pa

pa???v?；pr?,Tr???v?。

?pa? ? pa? ? ?v?

?p0??pa

?pa對pa的影響最大。進氣系統的沿程阻力和局部阻力均會使?pa增大。

（二）轉速

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

（三）負荷

汽油機：負荷 ? ? 節氣們開度 ?（質調節）? ?pa? ? pa? ? ?v?

柴油機：負荷 ? ? 循環供油量 ?（量調節）（與?pa無關）? 熱負荷 ? ?Ta? ? ?v?（不大）

二 進氣終了溫度Ta

Ta??

（一）轉速

負荷一定：n? ?Ta???v?a???v?

?

綜合pa、Ta的影響，n ? ? ?v?。

（二）負荷

轉速一定：負荷 ? ? 熱負荷 ? ?Ta? ? ?v?

柴油機：進、排氣管分置。

避免排氣管對進氣管加熱，使Ta? ? ?v?

汽油機：進、排氣管同置。

雖然Ta? ? ?v?，但燃油受熱增發快，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k，進氣馬赫數Ma，熱傳輸和過量空氣系數?等。

§2-4 提高充氣效率的措施

減小進氣系統阻力。

沿程阻力，局部阻力（節流阻力）。

汽油機：空氣濾清器 ? 化油器 ? 進氣管 ? 進氣道 ? 進氣門

柴油機：空氣濾清器 ? 進氣管 ? 進氣道 ? 進氣門

一 減小流動阻力

（一）進氣門 1 進氣門直徑d進

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

d排? ? pr? ? ?v?（影響小）

一般：d進 > d排 一般: 2 四氣門

流通面積f1? 40%左右。但結構復雜，造價較高。

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

R?? ? 流動阻力? ? ?v?

R應適中。

（二）進氣管 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 轉彎和節流阻力

轉彎半徑R?，截面突變? ? ?v? 3 截面形狀

考慮汽油機的霧化，蒸發，則

管壁面積? ? 沉積? ? 蒸發? ? 混合氣分配不均勻

截面形狀 圓形 矩形 D形

流動阻力 小 大 中

底部蒸發 小 中 大

柴油機不存在底部蒸發問題，故多采用流動阻力小的圓形進氣管。

（三）進氣道

轉彎半徑R?，表面光潔度?，各管口與墊片孔口對中 ? 流動阻力? ? ?v?

設計時還要考慮組織進氣渦流。

（四）空氣濾清器

通道面積?，除塵效果? ? 流動阻力? ? ?v?

經常清洗，更換紙芯。

（五）化油器

喉口截面積? ? 流動阻力? ? ?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：進氣。

二 合理選擇配氣定時

（一）配氣定時的綜合評定 良好的充氣效率以保證發動機的動力性能。2 合適的充氣效率以適應發動機的扭矩特性。3 較小的換氣損失以適應發動機的經濟性能。必要的燃燒室掃氣以保證高溫零件的熱負荷得以適當降低，達到可靠運行。5 合適的排氣溫度。

調整：1，2－進氣遲閉角；3－排氣提前角；4，5－氣門疊開角

（二）進氣遲閉角?i n?? ? 氣流慣性 ? ? 缸內氣體易倒流進氣管 ? ?v? n?? ? 一部分氣體來不及進入汽缸 ? ?v? 3 ?i? ? 對應?v,max的n? 1 轉速n一定時，總有一個進氣遲閉角?i使得充氣效率?v為最大。

所以，高速發動機轉速大，要獲得好的充氣效率和動力性，進氣遲閉角應大

一些。n? ? ?i,最佳?

（三）排氣提前角?o

V1? ?o? ? ?? ? ?v?，??? 其中?－后期膨脹比。

V4? 考慮經濟性，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?? ? 缸內氣體易倒流進氣管；?i,o?? ? pr?，Ta?? ?v?

增壓發動機氣門疊開角應大一些。

§2-5 進氣管內的動態效應 一 現 象

195柴油機：進氣管長度L = 300 mm L = 1140 mm 氣體在進排氣管中有壓力波動現象，有效組織、利用壓力波動，可以提高充

氣效率。

進氣門開閉時：pi? ? pa? ? ?v?

排氣門開閉時：po ? ? pr? ? ?v?

動態效應與進排氣管的長度和直徑有關。

二 波的動態機理 ''

閉口端：進：壓縮波 ? 反射: 壓縮波 －同型波

進：膨脹波 ? 反射: 膨脹波 －同型波

開口端：進：壓縮波 ? 反射: 膨脹波 －異型波

進：膨脹波 ? 反射: 壓縮波 －異型波

三 進氣動態效應

（一）慣性效應

階段：進氣門開 ? 進氣門閉

? 膨脹波

? 壓縮波（進氣門閉）

（二）波動效應

階段：進氣門閉 ? 下一循環進氣門開

? 壓縮波

? 膨脹波

? 膨脹波

? 壓縮波（進氣門開）

壓力波動是周期性的。

a 壓力波固有頻率：f1? [ 1/s ] 其中a－進氣管內聲速。

4Lnn? 發動機吸氣頻率：f2? [ 1/s ]

60?2120f130a 令：q? ?f2nL 當q = 1，2，3? 時，進氣門開，則pa? ? ?v?。

當q = 1,2,3? 時，進氣門開，則pa? ? ?v?。

222

四 結 論 慣性效應（本循環），振幅大，衰減小。

波動效應（兩循環），振幅小，衰減大。高速發動機，進氣管短；低速發動機，進氣管長。3 進氣管直徑?? ? 流動阻力? ? 壓力波強度?

進氣管直徑?? ? 壓力波振幅? ? 壓力波強度? 4 多缸機上，進氣管應分支，且等長。避免急轉彎，則壓力波振幅不會衰減太大。排氣管需要膨脹波，則pr? ? 掃氣作用? ? ?v?

§2-6 單位時間充氣量與循環充氣量

單位時間充氣量 G [ kg/h ]，循環充氣量 ?G [ kg ]，則

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

G? ? 單位時間供油量g? ? 與功率Ne有關。

?G? ? 循環供油量?g? ? 與扭矩Me有關。

圖中虛線為不考慮進氣損失的G和?G曲線；

實際的G和?G曲線如圖中實線所示。

第三章 柴油機混合氣形成和燃燒

§3-1 柴油機混合氣形成 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，再利用空氣運動達到充分混合。

特點: 1 對燃料噴霧要求高（采用多孔噴嘴）? 燃燒易于完全，經濟性好。2 對空氣運動要求不高 ? 后期燃料易被早期燃燒產物包圍，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（M過程）

空間霧化型混合氣蒸發方式要求將燃料盡量噴在燃燒室空間，而油膜蒸發型混合氣蒸發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。經燃燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發，邊混合，邊燃燒。初期蒸發、燃燒慢，后期蒸發、燃燒迅速（先緩后急）。

特點: 1 對燃料噴霧要求不高（采用單、雙孔噴嘴），對空氣運動要求高。

?p2 放熱先緩后急 ? ?，pmax? ? 工作柔和，噪聲小，經濟性較好。

??3 但低速性能不好，冷起動困難。對進氣道、燃料供給系統和燃燒室結構參數

之間的配合要求很高，制造工藝要求嚴格。

二 燃料的噴霧

（一）噴霧的作用

只有當燃料與空氣充分接觸，形成可燃混合氣時，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，d = 9.7 mm，S = 245 mm

霧化: 2.99?10個，d = 40 ?m，S = 15.?10 mm

面積增大 5090 倍，燃燒反應機會大大增加。

（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－空氣動力作用將片、帶、泡或大

顆粒的油滴再粉碎成細小的油滴。

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。

外側混合氣形成快，物理準備快，但初期溫度不 高，化學準備沒有跟上。等溫度適合于著火了，油粒 又過分發散，也不會著火。要控制好濃度與溫度的進

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，這要根據混合氣形成的機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。

軸針式噴嘴 — ?? ? 油束緊密，粒粗。3 霧化質量（霧化特性）

細微度 — 油滴平均直徑

細：霧化好

均勻度 — 油滴最大直徑-油滴平均直徑 勻：霧化好

粒細?均勻度好，粒粗?均勻度差。

（四）噴油規律

單位時間（或曲軸轉角）的噴油量隨時間（或曲軸轉角）的變化規律。

噴油規律影響放熱規律，放熱規律影響動力性、經濟性和排放。1 噴油延遲角

噴油提前角? — 開始噴油 ? 上止點的曲軸轉角。

?’ — 上止點 ? 停止噴油的曲軸轉角。

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

??????’??? ? 噴油持續時間長, 工作柔和，但油耗增大, 排放變差。

??????’??? ? 噴油持續時間短, 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: 1～5個，? = 0.25～0.8 mm。

霧化好，但易阻塞。孔數越少，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 氣流運動對混合氣形成的影響

（一）氣流運動的作用

（二）氣流運動

組織氣流運動，加速混合氣形成。1 進氣渦流

使進氣氣流相對于汽缸中心產生一個力，形成渦流。（1）切向氣道

特點: 氣道母線與汽缸相切。

優點: 結構簡單，氣流阻力小 ? ?v?

缺點: 渦流強度對進氣口位置敏感。（2）螺旋氣道

特點: 進氣道呈螺旋型。

優點: 能產生強烈的進氣渦流。

缺點: 工藝要求高，制造、調試難度較高 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? ? 擠氣渦流強度?

擠氣面積? ? 擠氣渦流強度?

擠氣渦流雖然不如進氣渦流強，但它的形成正好處于壓縮沖程終了，此時進氣渦流已經衰減得很弱，所以擠氣渦流就顯得相當重要了。3 燃燒渦流

燃燒在燃燒室中產生壓力差，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 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

渦流中心質點速度為零，越向邊緣速度越大。2 勢渦流

渦流中心質點速度最大，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生）

渦流中的質點受兩個力作用，離心力使質點向外運動，壓差力使質點向中心運動。

若 ?’ — 質點密度，? — 空氣密度。

當 ?’ = ? 時，— 質點作圓周運動。

當 ?’ > ? 時，— 離心力為主，質點呈螺旋形向外運動。

當 ?’ < ? 時，— 壓差力為主，質點呈螺旋形向中心運動。

液體油、燃油蒸汽: ?’ > 400 ?，向外運動。

燃燒產物: ?’ < 0.3 ?，向中心運動。

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

§3-2 柴油機的燃燒過程

一 燃燒過程的特點和柴油機燃燒的主要研究方向

（一）燃燒過程的特點 高壓噴油在汽缸內部形成可燃混合氣。2 壓縮自燃。

（二）柴油機燃燒的主要研究方向 1 噴油霧化 2 噴油規律 3 氣流運動 4 燃燒室結構

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，缸內溫度雖已遠遠超過柴油的自燃溫度（可達 400～800 ℃），但 并不馬上著火。

燃燒需要: 物理準備 — 霧化、吸熱、蒸發、擴散、混合 化學準備 — 分解、氧化（焰前反應）2 — 缸內壓力脫離壓縮線開始急驟增高。

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

（二）速燃期 2－3 2 點開始著火，壓力急驟增高，接近等容燃燒。持續噴油，即隨噴隨燃。3 — 最高壓力點。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，柴油機壽命?

?? 44 ?p ??，pmax?? ? 做功不利，柴油機性能?

??

（三）緩燃期 3－4 4 — 最高溫度點。T4?Tmax? 1700～2000 ℃。放熱量達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）補燃期 4－5 5 — 放熱量達95～97%。

補燃期在膨脹過程中。

補燃期? ? ?t?，ge?，動力性?，冷卻水溫度?，排氣溫度?，排放差。

所以，應盡量減少補燃。柴油機由于隨噴隨燃，混合時間短，補燃要比汽油機嚴重。

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

??? ? 雖然噴油時的壓力較高，但著火時刻推遲，使燃燒?

? pc?，Tc? ? ?i?

??? ? pc?，Tc? ? ?i?

高速時: ??mini 低速時: ??mini 所以，有一個使?i為最小的?。

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

（四）轉速n n? ? 漏氣、散熱損失? ? pc?，Tc?；

噴油壓力? ? 霧化?；氣流運動? ? 蒸發?

? 混合氣形成好轉 ? ?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p，T大時，影響不大；

缸內p，T小時 ? ?i?。

（六）增壓

增壓 ? pc?，Tc? ? ?i?

四 著火延遲期?i對柴油機性能的影響

?i? ? ?i期間噴入缸內的燃料量? ? 著火前可燃混合氣量?

?p ? ?，pmax?。

???p ?i?? ? ??，pmax?? ? 沖擊載荷?，工作粗暴，柴油機壽命?。

?? ?i?? ? 混合氣形成欠佳 ? 柴油機性能?

五 放熱規律

燃燒放熱率?Q/??隨曲軸轉角 ? 變化的關系。

由噴油規律和實測示功圖，經計算機計算而得。

（一）放熱規律

? 階段 — 在速燃期內，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，放熱量約20%。

（二）燃燒過程三要素 1 放熱開始時刻 2 放熱規律 放熱持續時間

（三）希望 — 先緩后急

工作柔和，經濟性、動力性好，排放少，補燃少。上止點

§3-3 柴油機供油系統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，使噴油泵內壓力升高，當壓力升高 到一定值時，克服噴油泵上方出油閥彈簧預緊力和

高壓油管內的殘余油壓，頂開出油閥，通過高壓油 管向噴油器供油。

上行2點過了4點之后，打開回油口，使泵內 油壓下降。當泵內油壓小于出油閥彈簧預緊力和高 壓油管內的殘余油壓力時，出油閥落座，噴油停止。

下行2點過了4點之后，回油停止，重新進油。

（三）噴油延遲時間

從噴油泵內燃油頂開出油閥進入高壓油管至油壓壓開噴油嘴針閥的時間。

原因 — 高壓油管中燃油壓縮 + 節流作用

（四）幾何供油規律

從幾何關系求出的油泵凸輪每轉一度（或每秒）噴油泵供入高壓油管的燃油量 [ ml/degPA或ml/s ]隨曲軸轉角 ?（或時間 t）的變化關系。dgpdtdgp?fpwp [ ml/s ] ?fpwp [ ml/degPA ]

d?2其中fp — 柱塞面積 [ mm ]；

wp — 柱塞速度 [ ml/degPA ]。

幾何供油規律與噴油規律不同。

二 噴油泵速度特性及其校正

（一）節流作用 理論上（不存在節流）

上行—當3點與5點重合時，才開始供油。

當2點與4點重合時，既開始回油，停止供油。實際上（存在節流）

上行—當3點不到5點時，由于通道小，節流，已經開始供油。

關閉進油口時 — 供油提前。

當2點過了4點以后，通道小，節流，才開始回油，停止供油。

開啟回油口時 — 供油持續。

所以，實際供油比理論供油時間長，供油量大。

（二）噴油泵速度特性

每循環供油量隨轉速n的變化關系。n? ? 節流作用? ? 循環供油時間?

? 循環供油量 ?g?

（三）車用的適應性

車用 — 希望n? ? ?g? ? Me?

（例如: 低速大負荷工況）

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? ? 節流作用? ? ?g? ? Me?

可使循環供油量曲線變得較平坦，但若要適合于車用，還需進行調速器 校正。調速器校正

n? ? ?g?? ? Me??

在第六章發動機特性中介紹。

三 不正常噴射現象

（一）二次噴射

高壓油管內壓力波引起。

噴射時間? ? 霧化不良，燃燒不完全，補燃嚴重，排污?，炭煙?，零件過熱。

（二）斷續噴射

進入噴油嘴燃油量不穩定，壓力波動引起。

噴油時間正常，但針閥運動次數?，噴油嘴易磨損。

（三）隔次噴射

低速、尤其是怠速時，油壓不足，壓不開針閥。下一循環時油壓聚足，壓開針閥噴射。

怠速運轉不穩定。

§3-4 柴油機的燃燒室 一 燃燒室的分類

（一）直噴式 開式 — 中、大型，中、低速船舶、發電用柴油機

不組織進氣渦流，空間霧化型混合氣蒸發方式。

2 半開式 — 中、小型，中、高速車用柴油機（1）? 型

（2）球型

（3）復合式（U型）

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

二 直噴半開式燃燒室

（一）? 型 應用: 黃河JN151，6135Q柴油機；日野ED100，6128柴油機等。2 混合氣形成方式: 空間霧化。3 主要結構參數

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??，氣流運動? ? 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 — 活塞位于上止點時的壓縮容積。

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

（1）長型多孔（3～5 個）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?

? 空氣停留時間? ? NOx?（4）結構簡單，散熱面積?，冷起動性好，經濟性好。

（二）?的改進型 1 四角型

日本五十鈴公司研制。

主要特點:

第三篇：現有轎車發動機工作原理及優缺點分析

現有轎車發動機工作原理及優缺點分析

一．發動機相關結構

一．發動機排量：發動機排量是發動機各汽缸工作容積的總和，一般用升(L)表示。而汽缸工作容積則是指活塞從上止點到下止點所掃過的氣體容積，又稱為單缸排量，它取決于缸徑和活塞行程。發動機排量是非常重要的發動機參數，它比缸徑和缸數更能代表發動機的大小，發動機的許多指標都同排氣量密切相關。一般來說，排量越大，發動機輸出功 率越大。

二．發動機參數：例如“L4”、“V6”、“V8”、“W12”這些都表示發動機汽缸的排列形式和缸數。汽車發動機常用缸數有3缸、4缸、6缸、8缸、10缸、12缸等。一般說來，排量1升以下的發動機常用3缸，例如0.8升的奧拓和福萊爾轎車。排量1升至2.5升一般為4缸發動機，常見的經濟型轎車以及中檔轎車發動機基本都是4缸。3升左右的發動機一般為6缸，比如排量3.0升的君威和新雅閣轎車。排量4升左右的發動機一般為8缸，比如排量4.7升的北京吉普的JEEP4700。排量5.5升以上的發動機一般用12缸發動機，例如排量6升的寶馬760Li 就采用V12發動機。在同等缸徑下，通常缸數越多排量越大，功率也就越高；而在發動機排量相同的情況下，缸數越多，缸徑越小，發動機轉速就可以提高，從而獲得較大的提升功率。

二．四沖程發動機工作原理

當前轎車主要使用四沖程發動機做功，所以這里給出了四沖程發動工作原理。

進氣沖程

活塞在曲軸的帶動下由上止點移至下止點。此時排氣門關閉，進氣門開啟。在活塞移動過程中，氣缸容積逐漸增大，氣缸內形成一定的真空度。空氣和汽油的混合物通過進氣門被吸入氣缸，并在氣缸內進一步混合形成可燃混合氣。壓縮沖程

進氣沖程結束后，曲軸繼續帶動活塞由下止點移至上止點。這時，進、排氣門均關閉。隨著活塞移動，氣缸容積不斷減小，氣缸內的混合氣被壓縮，其壓力和溫度同時升高。

作功沖程

壓縮沖程結束時，安裝在氣缸蓋上的火花塞產生電火花，將氣缸內的可燃混合氣點燃，火焰迅速傳遍整個燃燒室，同時放出大量的熱能。燃燒氣體的體積急劇膨脹，壓力和溫度迅速升高。在氣體壓力的作用下，活塞由上止點移至下止點，并通過連桿推動曲軸旋轉作功。這時，進、排氣門仍舊關閉。

排氣沖程

排氣沖程開始，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，曲軸通過連桿帶動活塞由下止點移至上止點，此時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下，經排氣門排出氣缸之外。當活塞到達上止點時，排氣行程結束，排氣門關閉。

三．發動機分類及其優缺點分析 發動機的分類

一．按進氣系統工作方式

一．自然吸氣發動機：

自然吸氣是汽車進氣的一種，是在不通過任何增壓器的情況下，大氣壓將空氣壓入燃燒室的一種形式。二．渦輪增壓發動機：

渦輪增壓，是一種利用內燃機運作轉產生的廢氣驅動空氣壓縮機)的技術。

增壓原理

渦輪增壓裝置主要是由渦輪室和增壓器組成。首先是渦輪室的進氣口與發動機排氣歧管相連，排氣口則接在排氣管上。然后增壓器的進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進氣管上，最后渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內，二者同軸剛性聯接。這就是一個完整的渦輪增壓裝置。

一般來說，渦輪增壓都是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪帶動同軸的葉輪，葉輪壓縮輸送由空氣濾清器管道來的空氣，使之增壓之后進入氣缸。當發動機轉速增快，廢氣的排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪又壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以使更多的燃料充分燃燒，相應的增加燃料量和調整一下發動機的轉速，就可以實現增加發動機的輸出功率了。

三．機械增壓發動機

機械增壓是指針對自然進氣引擎在高轉速區域會出現進氣效率低落的問題，從最基本的關鍵點著手，也就是想辦法提升進氣歧管內的空氣壓力，以克服氣門干涉阻力，雖然進氣歧管、氣門、凸輪軸的尺寸不變，但由于進氣壓力增加的結果，讓每次氣門開啟時間內能擠入燃燒室的空氣增加了，因此噴油量也能相對增加，讓引擎的工作能量比增壓之前更為強大。

增壓原理

由于各類引擎的皮帶盤尺寸差異不大，同時受限于引擎安裝空間，因此機械增壓器的工作轉速遠低于3,000rpm，與渦輪增壓器經常處于10,000rpm以上超高轉域的情形相去甚遠，同時機械增壓器轉速是完全連動于引擎轉速，兩者呈現平起平坐的現象，形成一組穩定之等差數線，而且增壓器與引擎之間會互相影響，當一方運轉受阻的時候，必定會藉由皮帶傳輸而影響另一方的運作，這就是機械增壓器的特性。

四．雙增壓發動機

在典型的二級可調增壓系統中，兩臺渦輪增壓器成串聯布置。二級可調增壓系統由高壓級增壓器、低壓級增壓器、廢氣流量分配閥和空氣旁通閥組成。高壓級增壓器為一個小增壓器，低壓級增壓器為一個大增壓器。如果增壓壓比較高，則需要考慮在壓氣機間對增壓空氣冷卻。

二．按氣缸排列式

一．直列式

所有汽缸均肩并肩排成一個平面，它的缸體和曲軸結構簡單，而且使用一個汽缸蓋。可用“L”代表。二．V型

V型發動機就是將所有汽缸分成兩組，把相鄰汽缸以一定夾角布置一起，使兩組汽缸形成有一個夾角的平面，從側面看汽缸呈V字形的發動機。V型發動機的高度和長度尺寸小，在汽車上布置起來較為方便。它便于通過擴大汽缸直徑來提高排量和功率并且適合于較高的汽缸數。三．水平對置發動機

水平對置發動機，發動機活塞平均分布在曲軸兩側，在水平方向上左右運動。使發動機的整體高度降低、長度縮短、整車的重心降低，車輛行駛更加平穩,發動機安裝在整車的中心線上，兩側活塞產生的力矩相互抵消，大大降低車輛在行駛中的振動，使發動機轉速得到很大提升，減少噪音。

三．按冷卻方式分

一．水冷發動機

由于水的比熱高，并且在零件與冷卻介質間有良好的傳熱性能，因此現代汽車發動機大多采用水冷卻。采用水作為冷卻介質的發動機稱為水冷發動機。冷卻液也就是水，由水泵輸送，流過發動機和水散熱器。二．風冷發動機

風冷發動機，是以空氣作為冷卻介質的發動機。它在氣缸及缸蓋的外壁鑄造出一些散熱片，并用冷卻風扇使空氣高速吹過散熱片表面，帶走發動機散出的熱量, 使發動機冷卻。四．按燃油供應方式分

一．電噴發動機

電噴發動機是采用電子控制裝置，取代傳統的機械系統（如 化油器）來控制發動機的供油過程。如汽油機電噴系統就是通過各種傳感器將發動機的溫度、空燃比、油門狀況、發動機的轉速、負荷、曲軸位置、車輛行駛狀況等信號輸入電子控制裝置，電子控制裝置根據這些信號參數，計算并控制發動機各氣缸所需要的噴油量和噴油時刻，將汽油在一定壓力下通過噴油器噴入到進氣管中霧化。并與進入的空氣氣流混合，進入燃燒室燃燒，從而確保發動機和催化轉化器始終工作在最佳狀態。這種由電子系統控制將燃料由噴油器噴入發動機進氣系統中的發動機稱為電噴發動機。二．缸內直噴發動機

缸內直噴（FSI）就是直接將燃油噴入氣缸內與進氣混合的技術。噴射壓力也進一步提高，使燃油霧化更加細致，真正實現了精準地按比例控制噴油并與進氣混合，并且消除了缸外噴射的缺點。同時，噴嘴位置、噴霧形狀、進氣氣流控制，以及活塞頂形狀等特別的設計，使油氣能夠在整個氣缸內充分、均勻的混合，從而使燃油充分燃燒，能量轉化效率更高。

發動機的優缺點分析 優點

一．自然吸氣發動機

1．技術成熟，穩定性較高 2．動力輸出平順，反映速度快 二．渦輪增壓發動機 1．提高燃油經濟性，降低尾氣排放 2．小排量高功率，能夠提供持續的動力

三．機械增壓發動機

相對于渦輪增壓技術，機械增壓完全解決了油門響應滯后，渦輪遲滯和動力輸出突然現象，達到瞬時油門響應，動力隨轉速線性輸出，增加駕駛性能能效果。此外，在低速高扭、瞬間加速，機械增壓技術都優于渦輪增壓技術。機械增壓技術不需跟發動機的潤滑系統連接，不需要冷卻，免維護，工作可靠，而且壽命長。

四．雙增壓發動機

1．應用二級增壓系統可以獲得更高的進氣壓力，提高發動機動力性和 高原適應能力。

2．采用二級增壓器，極大地拓寬了增壓系統的流量范圍，可以使柴油 機滿足高功率、大轉矩、低油耗的要求。

3．采用二級增壓器，可以對排氣歧管內的廢氣壓力及進氣管的增壓壓 力實施調節，實現EGR，滿足排放要求。

4．二級增壓系統如果采用較小慣量的低壓級增壓器，可以有效的解決 系統加速滯后問題。

五．直列式發動機

1．制造成本較低 2．穩定性高 3．低速扭矩特性好 4．燃料消耗少 5．尺寸緊湊

六．V型發動機

1．效率較直列型發動機更高

2．較直列型發動機更穩定

七．水平對置型發動機

水平對置發動機的最大優點是重心低。由于它的氣缸為“平放”，不僅降低了汽車的重心，還能讓車頭設計得又扁又低，這些因素都能增強汽車的行駛穩定性。同時，水平對置的氣缸布局是一種對稱穩定結構，這使得發動機的運轉平順性比V型發動機更好，運行時的功率損耗也是最小。當然更低的重心和均衡的分配也為車輛帶了更好的操控性。

八．水冷發動機

1．冷卻效果好

2．冷卻均勻

3．工作可靠

4．不受環境影響

5．噪聲低 九．風冷發動機

1．結構簡單 2．質量輕 3．維護使用方便 4．對氣候變化適應性強 5．起動快 6．不需要散熱器 7．可運用于缺水地區 十．電噴發動機 1．功率高

2．省油

3．噪音低

4．一次點火率高

5．能準確控制混合器的質量，保證缸內燃料燃燒完全。

十一．缸內直噴發動機

1.缸內直噴式汽油發動機的優點是油耗量低，升功率大。

2.壓縮比高達12，與同排量的一般發動機相比功率與扭矩都提高了 10%。

缺點

一．自然吸氣發動機

1.跟渦輪增壓發動機相比動力上有差距。二．渦輪增壓發動機

1.動力輸出反應滯后，平順性有待提升。2.后期保養維護費用不低。

3.在經過了增壓之后，發動機在工作時的壓力和溫度都大大升高，因此發動機壽命會比同樣排量沒有經過增壓的發動機要短，而且機械性能、潤滑性能都會受到影響，這樣也在一定程度上限制了渦輪增壓 技術在發動機上的應用。

三．機械增壓發動機

1.加速效果不是很明顯，與自然吸氣引擎差別不大。

2.會損失發動機部分動能，機械增壓靠皮帶帶動，歸根到底驅動力還是 引擎。

3.高轉速時會產生大量的摩擦，影響到轉速的提高，噪音大。四．雙增壓發動機

1．需要較大的空間 2．價格比較昂貴

3．EGR率控制不如可變增壓系統控制靈活 4．在高轉速時相對于可變增壓系統油耗偏高

五．直列型發動機

六．V型發動機

1．結構復雜

2．成本高

七．水平對置型發動機

1．結構復雜，不易制造。

4．機體較寬，不利于布局。

5．活塞水平放置和其自身重力的作用，其水平往返運行中的頂部和底 部與缸套的摩擦程度就不一樣，這會使得缸套的上下兩個內面出現 不同的磨損，底部會磨損的要多一些。2．橫置的氣缸因為重力的原因，會使機油流到底部，使一邊氣缸得不 到充分的潤滑。3．護養成本高。功率較低，難以適合配備6缸以上的汽車。

八．水冷發動機 6．水平對置能夠抵消橫向的振動，只是一種理想狀況，如果由于積碳 等原因導致氣門不能完全閉合，也會造成缸壓不等，這就會造成橫 向力不等，這種情況下同樣會造成左右抖動。

1.構造復雜 2.成本較高

3.故障率高及維修復雜

4.功率損耗大 九．風冷發動機

1．缸體和缸蓋剛度差 2．振動大 3．噪聲大 4．容易過熱 十．電噴發動機

1．較缸內直噴發動機，該發動機噴射時可能造成汽油的浪費

2．電動汽油泵是靠流過汽油泵的燃油來進行冷卻的。在油箱缺油狀態

十一．缸內直噴發動機

1.零組件復雜 2.價格昂貴

3.對汽油優質要求很高

下長時間運轉發動機，會使電動汽油泵因過熱而燒壞。

第四篇：汽車發動機原理實驗報告

注意：紅字注釋是表示你們自己要填寫的內容！

實驗項目名稱：汽油機負荷特性試驗

一、實驗目的：

1.掌握汽油發動機負荷特性的試驗方法

2.熟悉所用儀器及設備

3.學會采集與處理繪制特性曲線

4.根據數據分析汽油機工況、判斷性能

二、實驗原理

汽油機負荷特性的原理是保持汽油機轉速不變，通過改變測功器負荷和節氣門開度，測取各種工況下油耗率、功率及其他參數關系。

三、實驗器材

雷克薩斯C200（排量為2L）汽油發動機一臺，電渦流式測功器一臺，ET2000發動機自動測控系統一套。

實驗原理：

結合汽油機負荷特性定義寫出本實驗的實驗原理

四、實驗步驟

寫出本汽油機負荷特性的實驗步驟。（其中包括軟件的使用等）

五、數據處理

結合本實驗把相關實驗數據用軟件繪制出負荷特性曲線（具體數據可以結合書本上的相關數據繪制）

實驗項目名稱：汽油機速度特性試驗

一、實驗目的：

5.掌握汽油發動機速度特性的試驗方法

6.熟悉所用儀器及設備

7.學會采集與處理繪制特性曲線

8.根據數據分析汽油機工況、判斷性能

二、實驗原理

汽油機速度特性的原理是保持汽油機節氣門開度一定時，汽油機性能參數隨轉速改變而發生變化的情況和規律。當汽油機節氣門開度全開時稱為外特性，當節氣門開度部分打開時，稱為部分速度特性。

三、實驗器材

雷克薩斯C200（排量為2L）汽油發動機一臺，電渦流式測功器一臺，ET2000發動機自動測控系統一套。

實驗原理：

結合汽油機速度特性定義寫出本實驗的實驗原理

四、實驗步驟

寫出本汽油機速度特性的實驗步驟。（其中包括軟件的使用等）

五、數據處理

結合本實驗把相關實驗數據用軟件繪制出速度特性曲線（具體數據可以結合書本上的相關數據繪制）

第五篇：發動機原理教案

第一章 內燃機性能指標及實際循環熱計算

發動機性能指標包括：動力性能指標、經濟性能指標、運轉性能指標。內燃機的性能指標與它的工作過程密切相關，只有深入研究內燃機的工作過程才能找出影響其性能指標的各種因素，并從中歸納出提高整機性能的一般規律。

重點：對發動機理論循環與實際循環的分析，發動機有效指標的概念，汽車發動機機械效率的測定方法與影響因素。

難點：有效指標的分析與提高發動機動力性和經常性的技術措施。汽車發動機機械效率的測定方法。影響汽車發動機機械效率的因素。

第一節 發動機理論循環 一、三種基本循環

1、發動機理論循環：發動機的理論循環是將非常復雜的實際工作過程加以抽象簡化，忽略一些因素，所得出的循環。

2、理論循環的簡化條件：

l）假設工質是理想氣體，其物理常數與標準狀態下的空氣物理常數相同。2）假設工質是在閉口系統中作封閉循環。3）假設工質的壓縮及膨脹是絕熱等熵過程。

4）假設燃燒是外界無數數個高溫熱源定容或定壓向工質加熱。工質放熱為定容放熱。

3、三種基本的空氣標準循環：定容加熱循環、定壓加熱循環及混合加熱循環。

二、循環熱效率

1、循環熱效率：工質所做循環功與循環加熱量之比。

2、影響熱效率的因素：（l）壓縮比ε

隨著壓縮比的增大，三種循環的?t都提高。因為提高了ε，所以可以提高循環平均吸熱溫度，降低循環平均放熱溫，擴大循環溫差，增大膨脹比。(2)絕熱指數K 隨K值增大，?t將提高（3）壓力升高比λ

在定容加熱循環中，隨著循環加熱量Q1的增加，λ值成正比加大。苦ε保持不變，則工質的膨脹比也不會變化，這樣，循環放熱量Q2亦相應增加，而Q2/Q1不變，?t亦不變。

在混合加熱循環中，當循環總加熱量Q1和ε不變時，λ增大，則ρ減小，即平均膨脹比Vb/[(Vz-Vz’)/2]增加，相應的Q2減少，?t提高。（4）預膨脹比ρ

在等壓加熱循環中，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。

在混合加熱循環中，當循環總加熱量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、循環平均壓力pt

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

W pt?Vs

（2）計算公式

根據工程熱力學公式，混合加熱循環的平均壓力為

pa?[(??1)?K?(??1)]??t??1K?1（1-4）

式中pa——壓縮始點的壓力（kPa）。

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

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

當加熱量Q1相同時，三種理論循環的比較。當ε相同時，三種循環中 Q2p?Q2m?Q2V ptP??則 ?tV??tm??tp

故欲提高混合加熱循環熱效率，應增加定容部分的加熱量（即增大λ）。

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

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

第二節 四行程發動機的實際循環

發動機實際循環是由進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個過程所組成，較之理論循環復雜得多。

一、進氣過程

進氣過程中，進氣門打開，排氣門關閉，活塞由上止點向下止點移動。由于進氣系統的阻力，進氣終點壓力pa一般小于大氣壓力p0或增壓壓力pK，壓力差p0-pa或pK-pa用來克服進氣系統阻力。進氣終點的溫度Ta也總是高于大氣溫度或增壓器出口溫度Tk。

一般進氣終點的壓力pa和溫度Ta的范圍是：

汽油機 Pa(0.8-0.9)p0 Ta=340-380K 柴油機 Pa(0.85-0.95)p0 Ta=300-340K 增壓柴油機 Pa(0.9-1.0)pk Ta=320-380K 汽車發動機增壓壓力 pK(1.3-2.0)p0

二、壓縮過程

壓縮過程時，進排氣門均關閉，活塞由下止點向上止點移動，缸內工質受到壓縮，溫度、壓力不斷上升。

實際上，發動機的壓縮過程是個復雜的多變過程，但在實際的近似計算中，常用一個不變的、平均的多變指數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 0.8-2.0 600-750 柴油機 3.0-5.0 75O-1OOO 增壓柴油機 5.0-8.0 9O0-1100 壓縮比ε是發動機的一個重要的結構參數，ε的大致范圍是：

汽油機 ε=7-10 柴油機 ε=14-22 增壓柴油機 ε=12-15

三、燃燒過程

燃燒過程的作用是將燃料的化學能轉變為熱能，使工質的壓力、溫度升高。放出的熱量越多，放熱時越靠近上止點，熱效率越高。此時進排氣門均關閉，活塞處在上止點前后。

燃燒的最高爆發壓力及最高溫度的大致范圍是；

pz（MPa）Tz（K）

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

四、膨脹過程

當膨脹過程結束時，排氣門打開，活塞由下止點返回上止點移動，將氣缸內的廢氣排除。

排氣終了的壓力和溫度的范圍是：

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

五、排氣過程

當膨脹過程結束時，排氣門打開，活塞由下止點返回上止點移動，將氣缸內的廢氣排除。

排氣終了的壓力和溫度的范圍是：

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

第三節實際循環的評定---指示指標

用平均指示壓力及指示功率評定循環的動力性--即做功能力。用循環熱效率及燃料消耗率評定循環的經濟性。

一、平均指示壓力Pmi 一個實際循環工質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）是發動機單位氣缸工作容積的指示功。

p?WimiVs

Pmi是衡量實際循環動力性能的一個重要指標 ,它的一般范圍是：

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

二、指示功率

定義：發動機單位時間所做的指示功，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是實際循環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，通常以每千瓦小時的耗油量表示。

bi、ηi是評定發動機實際循環經濟性的重要指標。它們的大致范圍是：

ηi bi[g／（kW·h）] 汽油機 0.3-0.4 205-320 柴油機 0.4-0.5 170-205 第四節發動機經濟性能和動力性能的評定

一、發動機動力性能的評定指標

1、發動機的有效功率

發動機的指示功率減去機械損失稱為發動機的有效功率。Pe=Pi-Pm

2、有效扭矩Ttq 發動機工作時，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）之間的關系是：

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

3、發動機平均有效壓力pme平均有效壓力pme（MPa）是發動機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。它是評定發動機動力性的重要指標。Pme的一般范圍是：

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

4、轉速n和活塞平均速度Cm 提高發動機轉速，即增加單位時間的做功次數，從而使發動機體積小、重量輕和功率大。轉速n增加，活塞平均速度Cm也增加，n與Cm(m/s)的關系為: 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 5000-8000 12-18 0.7-1.0 載貨車汽油機 3600-4500 10-15 0.8-1.2 汽車柴油機 2000-5000 9-15 0.75-1.2 增壓柴油機 1500-4000 8-12 0.9-1.3

二、發動機經濟性能

1、有效熱效率ηe ηe是發動機的有效功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），通常以每千瓦小時的耗油量表示

Bbe??1000Pe

ηe、be表征發動機經濟性，它們之間的關系為

3.6?e??106beh?

ηe和be的大致范圍是：

ηe be ［g／（kW·h）］

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

三、發動機強化指標

1、升功率PL和比質量me 升功率PL（kW／L）是發動機每升工作容積所發出的有效功率。

PpVinpnPL?e?mes?meVsi30?Vsi30?

比質量me（kg／kW）是發動機的干質量m與所給出的標定功率之比。它表征質量利用程度和結構緊湊性。PL和me的大致范圍是：

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

2、強化系數pmeCm平均有效壓力pme與活塞平均速度Cm的乘積稱為強化系數。其值愈大，發動機的熱負荷和機械負荷愈高。pmeCm的大致范圍是：

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

第五節 機械損失

一、機械效率

發動機的機械損失可以用機械損失功率Pm（kW）和平均機械損失壓力pmm（MPa）--單位氣缸工作容積的機械損失功來表示。它們和有效指標的關系是： Pm=Pi-Pe Pmm=pmi-pme

機械損失的分配情況見下表：

機械損失名稱 占Pm的百分比（%）占Pi的百分比（%）

摩擦損失 62-75 8-20 驅動各種附件損失 10-20 1-5 帶動機械增壓器損失 6-10 泵氣損失 10-20 2-4 總功率損失 10-30 機械效率ηm的大致范圍是：

汽油機 0.7-0.9 柴油機 0.7-O.85

二、機械損失的影響因素

1、氣缸的直徑及行程

機械損失功率與缸徑、行程的大致關系為 :

SDmD

D——氣缸直徑 S——活塞行程； Dm——曲軸的平均直徑； K——與氣缸數和轉速有關的常數。

2、摩擦損失

在機械損失中，摩擦損失所占比例最大，達到70％左右，主要包括：（1）活塞組件的摩擦（2）曲軸組件的摩擦（3）配氣機構的摩擦

3、轉速n（或活塞平均速度Cm）發動機轉速上升（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）曲柄連桿機構的慣性力加大，活塞側壓力和軸承負荷均增高，摩擦損失增加。

3）泵氣損失加大。

4）驅動附件消耗的功多

4、負荷

當發動機轉速一定而負荷減小時，機械效率ηm下降。直到空轉時，有效

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

5、潤滑油品質和冷卻水溫度

潤滑油（常稱全損耗系統用油）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 內燃機熱平衡

一、實際循環的熱平衡

下圖為四行程非增壓發動機示功圖與理論循環的比較，通過研究實際循環與空氣標準循環的差異，就可找出熱量損失所在。

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

由于上述各項損失的存在，使實際循環熱效率低于理論循環。

二、發動機熱平衡

發動機熱平衡是熱量表現為有效功及各項損失的分配情況。發動機熱平衡通常按下列方法由試驗確定。

1、發動機所耗燃油的熱量QT（kJ/h）

QT=Bhμ

2、轉化為有效功的熱量QE（kJ／h）QE=3.6×103Pe

3、傳遞給冷卻介質的熱量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)

下圖為發動機的熱平衡圖：

熱平衡大致數值范圍(%)：

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