发动机原理复习资料

发动机理论循环：将非常复杂的实际工作过程加以抽象简化，忽略次要因素后建立的循环模式。平均循环压力：指单位气缸工作容积所做的循环功，是评价热力循环的做功能力的指标。残余废气系数：排气终了后，由于在结构上余隙溶剂的存在，气缸内的废气不能排净而保留一部分，这一部分被保留在气缸内的废气称为残余废气。残余废气量与新鲜进气量之比叫做残余废气系数。在近气上止点，由于进气门提前开启，排气门迟后关闭而造成进排气门同时开启的现象叫气门叠开现象。进气提前角和排气迟后角之和称为气门叠开角。充气效率：每循环实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸工作容积的理论充量之比称为充气效率。压气机的流量特性：在相同压气机转速下，增压比和压气机绝热效率随压气机流量的变化关系。在压气机转速一定的条件下，当气体流量减小到一定程度后，气流在叶片或扩压器入口处出现边层分离现象，导致产生涡流并迅速传播到压气机的其他部分，引起气流的强烈震荡，工作叶轮强烈振动，并产生很大的噪声，叫做喘振；另一方面，在一定的压气机转速下，流量超过设计工况点的流量后，增压比和效率随转速急速下降，而流量却不会再增加，这叫做堵塞。废气再循环：在换气过程中，将已排出气缸的废气的一部分再次引入进气管与新鲜气体一起进入气缸的过程。需要指出的是，随着 EGR 的实施气缸内的废气量增多，但这不等于残余废气系数的增加。EGR 是用来调节混合气的组成成分，提高混合气的总热容，由此控制燃烧速率，降低最高燃烧温度，达到在保持动力性和经济性基本不变的条件下，降低 N 排放的量的目的。ox十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标，辛烷值是评定汽油抗暴性的指标。燃烧 1kg 燃料实际供给的空气量与理论上所需要的空气量之比，称为过量空气系数。空燃比=空气量/ 燃油量。混合过程比燃烧反应快或者在火焰到达之前燃料已空气以充分混合的燃烧方式称为预混合燃烧；而混合过程和燃烧过程同时进行，或燃烧速度取决于燃料和空气相对扩散速度的燃烧方式称之为扩散燃烧。滞燃期就是通过电火过程形成火焰中心的过程。影响之燃气的因素有燃料特性和空燃比、点火时刻气缸内的压力和温度、参与废气量、气缸内气流强度、点火能量。不规则燃烧现象是指稳定正常运转的情况下，每循环之间的燃烧变动和各缸之间的燃烧差异。这是点燃式发动机燃烧过程的一大特征。燃烧循环变动是指发动机某一稳定工况下，每一循环的燃烧过程随机变化的现象，具体体现在每循环火焰传播情况，气缸压力及发动机性能不同。不正常燃烧现象主要有爆燃和表面点火。爆燃是之火花塞点火后，离火塞最远的末端气体，受到火焰前锋面的热辐射和压缩作用，使其压力，温度升高，导致在火焰前锋面到达之前自行燃烧的现象。凡是不依靠火花塞点火，而是由燃烧室内部炙热表面点燃混合气的现象叫做表面点火。最佳点火提前角：在压缩上止点前某一曲轴转角点火，该点火时刻相对上止点所对应的曲轴转角称为点火提前角。当确定使输出功率最大，同时使燃油消耗率最低的点火提前角称为最佳点火提前角。油束的几何形状指标：主要包括油束的贯穿距离 L，贯穿率和喷雾锥角 或油束的最大宽度 B；油束的雾化质量主要由油束中油滴的细度和均匀度表示。循环热效率 ：工质所做循环功与循环加热量之比，用以评定循环经济性。t指示热效率 ：发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。it有效热效率 ：实际循环的有效功与所消耗的热量的比值。et指示性能指标：以工质对活塞所作功为计算基准的指标。有效性能指标：以曲轴对外输出功为计算基准的指标。指示功率 ：发动机单位时间内所做的指示功。iP有效功率 ：发动机单位时间内所做的有效功。e机械效率 ：有效功率 与指示功率 的比值。meiP平均指示压力 ：单位气缸工作容积，在一个循环中输出的指示功。ip平均有效压力 ：单位气缸工作容积，在一个循环中输出的有效功。e有效转矩 ：由功率输出轴输出的转矩。tqT指示燃油消耗率 ：每小时单位指示功所消耗的燃料。ib有效燃油消耗率 ：每小时单位有效功率所消耗的燃料。e指示功 ：气缸内每循环活塞得到的有用功。iW有效功 ：每循环曲轴输出的单缸功量。e示功图：表示气缸内工质压力随气缸容积或曲轴转角的变化关系的图像。 图即为通常所说示功图， 图又称为展开示功图。pVp换气过程：包括排气过程（排除缸内残余废气）和进气过程（冲入所需新鲜工质，空气或者可燃混合气）。配气相位：进、排气门相对于上、下止点早开、晚关的曲轴转角，又称进排气相位。排气早开角：排气门打开到下止点所对应的曲轴转角。排气晚关角：上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角。进气早开角：进气门打开到上止点所对应的曲轴转角。进气晚关角：下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角。气门重叠：上止点附近，进、排气门同时开启着地现象。扫气作用：新鲜工质进入气缸后与缸内残余废气混合后直接排入排气管中。排气损失：从排气门提前打开，直到进气行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功的损失。自由排气损失：因排气门提前打开，排气压力线偏离理想循环膨胀线，引起膨胀功的减少。强制排气损失：活塞将废气推出所消耗的功。进气损失：由于进气系统的阻力，进气过程的气缸压力低于进气管压力（非增压发动机中一般设为大气压力），损失的功成为进气损失。换气损失：进气损失与排气损失之和。泵气损失：内燃机换气过程中克服进气道阻力所消耗的功和克服排气道阻力所消耗的功的代数和。不包括气流对换气产生的阻力所消耗的功。充量系数 ：实际进入气缸内的新鲜空气质量 与进气状态下理论充满气缸工作容积的空气质量 之比。ccmsm进气马赫数 M：进气门处气流平均速度与该处声速之比，它是决定气流性质的重要参数。M 反映气体流动对充量系数的影响，是分析充量系数的一个特征数。当 M 超过一定数值时，大约在 0.5 左右， 急剧下降。应使 M 在最高转速时不超过一定数值，M 受气门大小、形状、生成规律、进气相位等因素影响。c增压比 ：增压后气体压力 与增压前气体压力 之比。kkp0p增压：利用增压器提高空气或可燃混合气的压力。增压度 ：发动机在增压后增长的功率与增压前的功率之比。4 抗爆性：汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力，用辛烷值表示。干点：汽油蒸发量为 100%时的温度。自然点：柴油在没有外界火源的情况下能自行着火的最低温度。凝点：柴油失去流动性而开始凝固的温度。热值：单位量（固体和液体燃料用 1kg，气体燃料用 1 ）的燃料完全燃烧时所发出的热量。当生成的水为液态时，成为高热值 ，气态时为低热值。无论是汽油机还是3m 0H柴油机，燃料在气缸中生成的水均为气态，所用热值均为低热值 。uH理论空气量 ：1kg 燃料完全燃烧时所需的最少空气量。0L过量空气系数 ：燃油燃烧实际供给的空气量（L）与完全燃烧所需理论空气量（ ）的比值。a 0L空燃比 ：燃油燃烧时空气流量与燃料流量的比。5 喷油器的流通特性：喷孔流通截面积与针阀升程的关系。喷射过程：从喷油泵开始供油直到喷油器停止喷油的过程。供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。喷油提前角：燃油喷入气缸的时刻到活塞上止点所经历的曲轴转角。燃油的雾化：燃油喷入燃烧室内后备粉碎分散为细小液滴的过程。燃烧放热规律：瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。瞬时放热速率：在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内（或 曲轴转角内）燃烧的燃油所放出的热量。1o累积放热百分比：从燃烧开始到某一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。放热规律三要素：燃烧放热始点（相位）、放热持续期、放热率曲线形状。柴油机的混合气形成方式：空气雾化混合和壁面油膜蒸发混合。空气雾化混合：将燃油喷射到空间经行雾化，通过燃油与空气之间的相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气的方式。壁面油膜蒸发混合：燃油沿壁面顺气流喷射，在强烈的涡流作用下，在燃烧室壁面上形成一层很薄地油膜，油膜蒸发形成可燃混合气。涡流比 ：涡流转速与发动机转速之比。进气涡流：在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动，进气涡流是需要人为组织的。挤流：压缩过程中，当活塞接近上止点时，由活塞顶面挤入燃烧室凹坑内的涡流。湍流：在气缸中形成的无规则的小尺度气流运动，又称微涡流。滚流：在进气过程中形成的垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，也称纵流。6 汽油机正常燃烧过程：唯一地由定时的火花点火，火焰前锋以正常速度传遍整个燃烧室。点火提前角：从发出电火花到上止点间的曲轴转角。7 发动机的功率标定：根据发动机的特性、用途、寿命、可靠性及使用条件等人为规定该产品在标准大气条件下输出的有效功率以及对应的转速。负荷特性：当转速不变时，发动机的性能指标（ 、B 等）随负荷而变化的关系。eb柴油机的负荷特性：当柴油机保持一转速不变，移动喷油泵齿条或拉杆位置，改变每循环供油量 ，燃油消耗量 B、有效燃油消耗率 等随负荷 （或 、 ）而变化bebePtqTmep的关系。汽油机的负荷特性：当汽油机的转速保持不变，而逐渐改变节气门开度，同时调节测功器负荷，以保持转速不变；此时，燃油消耗量 B、有效燃油消耗率 随负荷 （或b、 ）变化而变化的关系。tqTmep速度特性：发动机在油量调节机构（油量调节齿条、拉杆或节气门开度）保持不变的情况下，主要性能指标（转矩、油耗、功率、排气温度、烟度等）随发动机转速的变化规律。柴油机的速度特性：喷油泵的油量调节机构（齿条或气门拉杆）位置固定，柴油机的有效功率 、有效转矩 、有效燃油消耗率 、燃油消耗量 B 等性能指标随转速 n 变ePtqTeb化的关系。汽油机的速度特性：当汽油机的节气门开度一定，其有效功率 、有效转矩 、有效燃油消耗率 、燃油消耗量 B 等性能指标随转速 n 变化的关系。ePtqTb调速特性：喷油泵调速手柄位置固定，在调速器起作用时，柴油机的性能指标随转速的变化关系。瞬时调速率 ： 过渡过程中，转速波动的瞬时增长百分比。1稳定调速率 ：柴油机实际运转时的转速波动相对于全负荷转速的变化范围。2万有特性：负荷和转速都变化时，发动机性能指标的变化规律。8）1、发动机排放污染物：CO ,HC,NOx,PM生成条件：CO：燃烧不完全燃烧（阿尔法小于 14.9 时，混合不均匀产生缸内温度超过 2000 摄氏度时，CO2 和 H2O 裂解产生.HC：冷激效应，油膜和沉积物吸附，火焰淬熄，未燃碳氢化合物均会产生。NOx:主要取决于燃烧温度及氧的浓度，温度超过 2000 摄氏度时氧的浓度高并滞留时间长时大量生成。PM:主要成分含铅汽油中铅和汽油中硫造成的硫酸盐，在碳碳烟形成多，氧化少时大量排放。光化学微粒，当 HC 浓度大于 NOx 浓度的 3 倍时，在阳光照射下，诱发下产生 O3 和过氧酰基硝酸盐组成的光化学烟雾。2、影响汽油机有害排放物的主要因素：混合气成分、点火正时、负荷、转速、工况、废气再循环率。3、汽油机内净化技术：、废气再循环，、燃烧系统优化设计，、提高点火能量和怠速转速，、汽油机直喷分层燃烧，（5）、电控燃油喷射。4、汽油机机外净化技术：曲轴箱强制通风系统燃油蒸发控制系统三元催化转化器。5、影响柴油机有害排放物生成的主要因素:混合气成分、喷油时刻（延迟喷射是降低氮氧化物的主要措施，延迟喷射可以减少氮氧化物的生成）6、柴油机机内净化技术：增压中冷技术改进进气系统改进喷油系统（高压喷射、推迟喷油提前角、减少喷孔直径、减小喷油嘴压力室容积和高压共轨电控燃油喷射）改改进燃烧系统降低机油消耗废气再循环提高燃油品种。7、柴油机机外净化技术：微粒捕集器氧化催化转化器氮氧化物还原催化转化器四元催化转化器。1.说明汽油机燃烧过程各阶段主要特点及要求。汽油机的燃烧过程主要包括点火过程和火焰传播过程，第一：点火过程，包括击穿阶段、电弧放电阶段、辉光放电阶段。击穿阶段原绝缘的气体被击穿而产生电子流，整个击穿过程时间极短；电弧放电阶段电压较低但电流仍很高，此时离子化程度较低，在此阶段火焰核已形成，并开始传播；辉光放电阶段间隙处气体的离子化程度更低，绝大部分点火能量已经放完，能量损失较大。第二：正常燃烧过程，包括着火阶段、明显燃烧期、后燃期。2.说明汽油机不规则燃烧现象都有哪些，各自产生的原因及改进方法。不规则燃烧现象是指稳定正常运转的情况下，每循环之间的燃烧变动和各缸之间的燃烧差异。它包括燃烧循环变动和各缸燃烧的不均匀性。1， 循环变动产生的原因：点火时刻、点火能量、以及稳定工况下气缸内的空燃比及气流状况在理论上是一定的，但实际上对每一循环，由于火花塞附近的过量空气系数、气流状态以及点火能量等随机性变动，使着火后期长短不同，造成整个燃烧过程及示功图形状不同。由于循环变动的存在，使每一循环的点火提前角都不可能处在最佳位置，所以直接影响发动机的动力性和经济型。改进方法：尽可能保证火花塞附近的空燃比、点火时刻、点火能量以及气流运动状态参数等影响着火条件的参数最佳且保持恒定不变。2， 各缸燃烧的不均匀性产生原因：对外部混合气形成的方式，以及在各进气管道内存在空气阻力的差异，进气道内表面油膜及其蒸发的差异，大小不一的雾化油粒等。改进方法：实现电控多点喷射，进气管按动力性要求设计，使得各缸进气支管的形状和长度基本保持一致。3， 发动机理论循环和实际循环的区别。理论循环：1、汽油机是均匀混合气以火焰传播形成迅速燃烧，为分析方便将其燃烧放热过程抽象为等容加热过程 2、高速柴油发动机根据其混合气形成特点，将其燃烧过程分为预混合燃烧和扩散燃烧，前者可简化为等容加热过程，而后者是在气缸容积膨胀过程中燃烧，所以压力升高率低，所以可简化为等压加热过程 3、低速柴油机的燃烧过程，一般可抽象为等压加热过程。实际循环：有进气、压缩、做功、排气行程组成。二者的区别在于实际循环中所存在的不同形式的损失。1、实际进气过程中，空气从大气状态经进气系统进入气缸时存在近气流动损失，同时受到进气道，气缸壁，排气门等高温零件及缸内高温的参与废气的加热作用，使进气终了点的压力小于大气压力，而进气终了点温度大于大气温度 2、实际压缩过程中缸内非纯空气的工质与气缸壁面之间进行热交换，并存在漏气 3、实际做功行程会造成燃烧过程的时间损失和不完全损失 4、实际排气过程存在排气流动损失，同时在排气过程中废气与排气管系有传热现象，是有阻力的不可逆过程。4， 何为指示性指标和有效性指标？说明各自常用的指标及定义。指示性指标：以活塞做工为基础评价气缸内热功转换的完善性程度。其常用指标：实际循环做功能力的指标有平均指示压力（单位气缸工作容积所作的指示功）和指示功率（单位时间所做的指示功） ；实际循环的经济性指标有指示热效率（发动机实际循环指示功和所消耗的燃料完全燃烧释放的热量之比）和指示燃油消耗率（单位指示功率所消耗的燃油量）有效性指标：一曲轴飞轮端对外输出的有效功为基础，从实用角度评价对外做功能力。常用指标分为：动力性指标：1、有效功率（指示功率克服运动件的摩擦损失功率及驱动冷却风扇、机油泵等附件所消耗的功率损失后，经曲轴对外输出地有用功率）2 、平均有效压力（单位气缸工作容积输出的有效功)3、功率（单位气缸工作容积所输出的额定功率）经济性指标：1、有效燃油消耗率（单位时间内为了获得单位有效功率所消耗的燃油量）2 、有效热效率（实际循环对外输出的有效功与为获得此有效功所消耗的热量之比）排放性指标：尾气排放物评价指标5， 内燃机机械损失都有哪些？测量方法和各自特点是什么？机械损失：内部相对运动间的摩擦损失，驱动附件的损失，换气过程中的泵气损失。测量方法：1、倒拖法：需要电力测功器，主要误差来自缸内压力和温度与实际工况不相符，是用于低压缩比的发动机 2、示功图法：需要燃烧分析仪，示功图测量仪器，主要误差来自于示功图的测量精度，是用于任何发动机 3、灭缸法：需要测功机，适用于非增压多缸柴油机 4、油耗法：误差主要来自于每小时燃油消耗量随时间负荷变化的线性度，用在柴油机上。6， 简述提高充气效率的措施。一、减少进气系统的阻力1、进气门1）气门的流通能力：在保证满足气门动力学规律的前提下，尽可能提高气门的开启和关闭程度，以提高气门角面值，增加进气量2）近期马赫数：通过活塞平均速度，气缸直径和气门直径优化匹配来控制马赫数3）多气门结构：1 进气门倾斜布置或增加气门数，增加流动面积，减少流动阻力损失 2 对汽油机火花塞中央布置，柴油机喷油器垂直布置4）改善配气机构：采用双凸轮顶置来驱动气门2、进气道形状及气管长度1）合理设计进气道，使其形状渐缩，内壁面过度光滑，平稳，避免气流急转弯现象，改善进气道形状，适当减小进气涡流比，减小流动损失2）高速时尽可能缩短长度以减小高速流动损失，低速时适当延长进气管长度，有利于利用进气压力动态波动效应来提高充气效率3）空气滤清器：在确保滤清效果，降低进气噪声的前提下尽可能减少空气滤清器对空气流动的阻力二、合理选择配气定时1、可变配气相位机构1） 、 MIVEC 系统：MIVEC 系统根据 ECU 的控制指令，对应发动机的实际工况，通过油压控制柱塞的连接状态，以选择高低速凸轮中的某一个凸轮工作，由此驱动进气门，达到控制配气相位和气门升程的目的，MIVEC 系统通过停缸控制功能来实现根据发动机工作时负荷大小情况改变排量控制2） 、 VVT-i 系统：适应发动机的工况而连续改变进气凸轮轴相对曲轴的位置，改变配气相位使之达到最佳状态2、油压控制式可变配气机构：主要通过控制油压来控制气门升程，有效提高进排气效率，使气门的丰满系数接近 1，即气门开启面积接近矩形。三、进气管长度及气流的动态效应1、可变进气管长度：低速时增加进气管长度，充分利用气流动态波动响应，提高充气效率。高速时相反。2、动态效应1)惯性效应：适当设计进气管长度，刚好在进气门关闭前夕，正压波到达，高压差又向气缸多充入新鲜气体，达到充气效率的目的。2）进气管波动效应：通过适当的进气管长度，利用进气压力薄的振动，使正压波刚好与进气过程重合，由此提高充气效率四、排气管波动效应发动机排气过程中排气压力和温度高，排气能量大，因而排气压力波振幅大，且传播速度快，所以排气波动效应强烈，利用排气波动效应，在气门叠开期排气门处产生负压，由此多排气，减少残余废气量，同时也可减小泵气损失，有利于提高充气效率，但要配以长管路，同时考虑排气管与消声器及其他装置的组合及安装空间问题7， 根据驱动压气机方式不同，发动机增压可分为哪几类？简述各自的原理及特点。根据驱动压气机的方式不同分为机械增压，废气涡轮增压，气波增压。1）机械增压原理是通过发动机曲轴直接驱动压力机，实现对近期压缩。优点：能有效提高发动机功率；低速增压效果好；与发动机容易匹配，结构较紧凑（2 ）废气涡轮增压：原理：发动机排出的废气能量直接驱动涡轮机，由此带动同轴相连的压气机，实现进气增压。优点：1、能有效回收利用排气能量，发动机经济性好。2、可大幅降低有害气体的排放和噪声。缺点：1、废气涡轮增压器匹配发动机时，低速时增压效果不明显。2，发动机变工况时，涡轮增压器瞬态响应特性较差，使发动机加速性恶化。（3）气波增压: 原理：发动机曲轴直接驱动气波增压器内特殊形状转子，转子中排出的废气直接与空气接触，利用排气压力波使空气受到压缩。优点：1、气波增压器结构简单，加工方便，工作温度不高，不需要耐热材料，无需冷却。2、与废气涡轮增压器相比，低速转矩特性好。缺点：1、体积大，噪声水平高。2、安装位置受限制，所以不常用。6、 简述增压技术优缺点优点：1、提高了进气密度，有效利用了发动机的升功率和比质量功率，降低单位功率的造价，提升材料的利用率，同时改善经济性。2、与自然吸气发动机相比，排气能量进一步得到回收利用，提高了热效率，降低了噪声。3、对柴油机增压后，缸内压力和温度水平都得到提高，使滞燃期缩短，有利于降低压力升高率和燃烧噪声。4、增压后进气密度大空燃比，可降低 HC，CO 和碳烟排放。缺点：1、增压后汽缸压力和温度明显提高，机械负荷和热负荷加大，直接影响发动机工作可靠性和耐久性。所以对高增压发动机有必要限制缸内最高爆发压力。2、对废气涡轮增压，由于发动机低速时，排气流量低而能量不足，造成压气机低速增压效果降低，影响车用发动机的低速转矩特性。3、废气涡轮增压，从排气能量的变化到进气压力的建立需要一定的时间。所以加速响应特性不如自然吸气式。7、 何为废气再循环？说明其对发动机性能的影响。废气再循环是在换气过程中，将以排除气缸的废气的一部分再次引入进气管与新鲜气体一起进入气缸的过程。废气再循环对发动机性能的影响：1：对汽油机 汽油机采用均与混合气靠外部能源点燃的燃烧方式，采用量调节调节方法。再循环的废气对混合气有加热的作用。同事和汽缸内的残余废气一起，稀释混合气，加大汽缸工作混合气的总热容，影响燃料与空气的氧化反应速度，使着火后期延长，最高燃烧温度降低，从而降低的 NOx 排放量。但是如果 EGR 率过大，会造成燃烧不稳定， HC 排放及烟度增加，油耗恶化。2、柴油机 对柴油机实施 EGR 后，进入气缸的空气流量减小，但喷油量不变，故混合气变浓，不仅降低了气缸内氧和氮的含量，而且高比热容的再循环废气的惰性作用，使混合气的热容增大，抑制混合气的燃烧，从而降低最高燃烧温度。故降低 Nox 排放的效果更明显。而且由于柴油机废气中含氧量远高于汽油机，而CO2 含量较低，所以可实施较大的 EGR 率。1、 汽油机燃烧室设计的要求是什么？要求：1，结构要紧凑，2，具有良好的充气性能，3，火花塞位置，4，燃烧室形状与气流运动。2、 燃烧室内的气流都有哪些形式，它们的特点及对燃烧过程的影响是什么？气流形式：涡流、滚流、挤流。在进气过程中绕气缸中心线旋转的气流称为涡流，它在气缸内呈螺旋状，随压缩程度其强度逐渐减弱，它加强了对喷雾的搅拌和蒸发，促进混合气的形成和均匀化，从而缩短着火延迟期，有助于提高火焰传播速度。绕着垂直于汽缸中心线且与缸心距连线平行的 Y 轴旋转的气流，和绕着垂直于汽缸中心线同时垂直于缸心距连线的 X 轴旋转的气流统称为滚流，挤流是通过在燃烧室设计时留有的挤气面积，在压缩过程中利用活塞顶部将挤气面上的混合气挤入燃烧室形成纵刨面上的滚流。加强挤流强度可以明显提高燃烧期内的火焰传播速度，缩短燃烧时间，有利于