发动机工作原理.ppt

第一章发动机工作原理本章的主要教学内容 1 发动机的总体结构及工作原理2 工程热力学基础3 发动机的热力循环和性能指标4 发动机的换气过程5 汽 柴油机的燃烧过程 教学目的与要求掌握发动机的总体结构与工作原理 能以性能指标为主线 深入到与性能指标密切相关的工作过程 循环 进气 排气 燃烧工程 分析影响性能指标的主要因素 找出提高汽车发动机性能的基本规律和技术措施 第一节发动机总体结构及基本原理 一 发动机的定义发动机是将其它形式的能量转变为机械能的机器 二 发动机的分类1 按使用燃料分 汽油机 柴油机等 2 按工作循环分 四冲程发动机 二冲程发动机 3 按气门位置分 顶置气门式发动机 侧置气门式发动机 4 按气缸排列分 直列式发动机 v型发动机 5 按气缸数分 单缸发动机 多缸发动机 三 发动机的总体结构发动机由 两大机构五大系统 组成1 两大机构 曲柄连杆机构 配气机构 2 五大系统 冷却系 润滑系 燃料供给系 点火系 起动系 1 曲柄连杆机构作用 将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能 再通过连杆将活塞往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力 组成 由气缸体和曲轴箱组 活塞连杆组 曲轴飞轮组组成 图片 图片 2 配气机构作用 使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸中排出废气 组成 它由进气门 排气门 挺杆 推杆 摇臂 凸轮轴 正时齿轮等组成 3 冷却系作用 把受热零件的热量散到大气中去 以保证发动机正常工作 组成 它由水泵 散热器 风扇 分水管 水套等组成 图片 4 润滑系作用 润滑 冷却 清洗 密封等 组成 由机油泵 滤清器 限压阀 油道等组成 图片 5 燃料供给系汽油机作用 按需要向气缸内供应已配制好的可燃混合气 燃烧后排出废气 组成 化油器式由燃油箱 汽油泵 化油器 进 排气管 滤清器等组成 直喷式由燃油箱 电动汽油泵 油压调节器 喷油器 进 排气管 滤清器等组成 图片 柴油机作用 向气缸内供应纯空气并在规定时刻向气缸内喷入柴油 燃烧后排出废气 组成 由燃油箱 喷油泵 喷油器 进 排气管 滤清器等组成 6 点火系1 作用 按规定时刻及时点燃气缸内的混合气 2 组成 由蓄电池 分电器 点火线圈 火花塞等组成 图片 7 起动系1 作用 使静止的发动机起动 2 组成 由起动机及附属装置组成 四 基本术语1 上止点 活塞离曲轴回转中心最远处 2 下止点 活塞离曲轴回转中心处 3 活塞行程 S 上 下两止点间的距离 mm S 2R 4 冲程 活塞油一个止点到另一个止点运动一次的过程 5 气缸工作容积 Vh 活塞从上止点到下止点所让出的空间的容积 L 6 发动机工作容积 Vl 发动机所有气缸工作容积之和 也叫发动机的排量 Vl VhXii 气缸数 图片 7 燃烧室容积 Vc 活塞在上止点时 活塞顶上面的空间容积 8 气缸总容积 Va 活塞在下止点时 活塞顶上面的空间容积 9 压缩比 气缸总容积与燃烧室容积的比值 点火系 五 四冲程汽油机工作原理 活塞往复四个冲程完成一个循环的发动机称四冲程发动机 每个循环由进气 压缩 作功 排气四个冲程组成 图片 上 上 上 图表 六 四冲程柴油机工作原理 每个循环也由进气 压缩 作功 排气四个冲程组成 但由于柴油的性质与汽油不同 其混合气形成的方式 着火方式与汽油机也不同 下述不同点 1 进气冲程 进入气缸的是纯空气 2 压缩冲程 压缩比大 压缩终了的压力 温度高 3 作功冲程 压缩冲程末 高压柴油呈雾状喷入气缸内 自行燃烧作功 最高压力5 10Mpa 4 排气冲程 与汽油机基本相同 压力0 105 0 125Mpa 温度800 1000K 图片 七 汽油机与柴油机的相同点与不同点 相同点 1 每个工作循环曲轴转两周 每一冲程曲轴转半周 进气冲程进气门开 排气冲程排气门开 其余两个冲程进 排气门均光 2 四个冲程中 只有作功冲程产生动力 其余三个冲程消耗能量 3 必须用外力起动 4 工作循环基本内容相似 主要机件的运动相同 结构基本相同 不同点 1 混合气的形成方式不同 汽油机是缸外混合 柴油机是缸内混合 2 着火方式不同 汽油机点燃式 柴油机是压燃式 八 二冲程汽油机工作原理 二冲程发动机工作循环也包括进气 压缩 作功 排气四个过程 但它是在活塞往复两个冲程内完成的 第一冲程 活塞上方进行换气 压缩 活塞下方进气当关闭换气孔和排气孔时 混合气开始压缩 直至上止点 活塞继续上行 进气孔打开 混合气被吸入曲轴箱内 第二冲程 活塞上方进行作功 换气 下方预压缩点燃混合气后 活塞下行 至开闭进气孔 压缩曲轴箱内的混合气 继续下行 排气空打开 废气排出 换气孔打开 混合气进入并扫气 直至换气孔和排气孔关闭 图片 十 内燃机产品名称和型号编制规则 第二节工程热力学基础工程热力学主要是研究热能与机械能之间相互转换的一门科学 从汽车发动机来说 就是通过分析气缸内气体的状态变化的规律 得到提高发动机热效率的途径 整个发动机的效率可分三部分 如下图所示燃烧热效率循环效率机械效率燃料热能活塞功输出功燃烧过程循环过程机械性能在工程热力学中 把实现热能与机械能相互转换的工作物质 气缸内的气体 简称为工质 一 工质的热力状态 一 工质的基本状态参数工质所处的宏观状态称为工质的热力状态 说明工质所处的状态的物理量叫做工质的状态参数 其中压力 比容 温度是可测量的参数 称为工质的基本状态参数 1 压力p 工质在单位面积容器壁上作用的垂直力 单位Pa 绝对压力p 气体的真实压力 表压力pB 用气压表测出的压力 pB p p0p0 大气压 真空度pC 表示气体压力低于大气压的值 用真空表测出 pC p0 p 2 比容v 单位质量的工质所占的容积 m3 kg 续一 2 3 温度 温度是物体冷热程度的标志 它反映了分子无规则运动的程度 是大量分子运动动能的平均值的标志 热力学温标 国际单位制 规定水的三相点的温度为273 16K的温度标尺 摄氏温标 t T 273 16 续一 3 二 理想气体的状态方程理想气体 分子本身不占体积 分子之间没有吸引力的气体 理想气体的状态方程 pv RTR为气体常数任意给定两个参数 第三个参数就确定 续一 4 三 工质的比热单位量的物质温度升高 或降低 1 所吸收 或放出 的热量 用c kj kg k 表示 a 定容比热cV 气体在加热过程中容积保持不变的比热 b 定压比热cP 气体在加热过程中压力保持不变的比热 续一 5 四 工质的内能内能就是工质内部分子和原子运动的动能和分子之间的位能的总和 记作u 它包括以下几个方面 a 分子移动动能b 分子转动动能c 分子振动动能d 分子间的位能 续一 6 而动能与温度有关 位能与比容有关 因此 一般气体的u只与温度与比容有关 即u f T V 理想气体分子之间无吸引力 因此位能为0 故u f T 即只要工质的初 终态温度T1 T2确定 不论经过什么过程 其内能的变化都相等 u u2 u1 f T2 f T1 续一 7 二 热力学第一定律 1 热力过程及其所作的功工质状态参数的一系列变化过程 叫做热力过程 可用p v图表示 其所做的功为 1kg气体 曲线下的面积就是过程所做的功 图片 2 热力学第一定律 能量转换与守恒定律 热可以转换为功 功可以转换为热 转变前后的能量保持不变 Q W 续二 1 3 能量平衡方程设气缸内有1kg气体 外界供给气体的热量为qkJ 该热量中 一部分用来向外界输出膨胀功 另一部分使气体的内能变化 u 根据热力学第一定律得能量平衡方程 q u wmkg气体Q U W 续二 2 三 气体的热力过程 1 等容过程 工质的容积保持不变的热力过程 2 等压过程 工质的压力保持不变的热力过程 续三 1 3 等温过程 工质的温度保持不变的热力过程 续三 2 4 绝热过程 工质和外界始终没有热量交换的热力过程 而即整理后得为绝热指数 续三 3 四 热力学第二定律及卡诺循环 1 循环及热效率工质经过一系列状态的变化 重新恢复到原来状态所完成的一个封闭过程 叫一个热力循环 正循环 循环安顺时针方向进行 1 2 3 4 1 输出功 反循环 循环安逆时针方向进行 1 4 3 2 1 消耗功 2 等压过程 工质的压力保持不变的热力过程 续四 1 循环热效率 循环所得到的功与加入的热量之比 w 1kg气体在循环中所输出的功 kJq1 1kg气体在循环中所吸收的热量 kJ 由于一个循环后 u 0 故q1 q2 wq2 循环放热 所以 续四 2 2 热力学第二定律关于发动机的热力学第二定律表达 不可能建造一种循环的机器 其作用只从单一取热并全部转变成故 即发动机的热效率不可能100 关于热转递的热力学第二定律表达 不可能将热量由低温物体传向高温物体而不引起其它变化 续四 3 3 卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环叫卡诺循环 ab 等温膨胀bc 绝热膨胀cd 等温压缩da 绝热压缩 其效率是所有循环中最高的 是最理想的循环方案 续四 4 经推导 循环的热效率为 续四 5 从上式可知 1 卡诺循环的热效率总是小于1 若等于1 则T1 或T2 0 这是不可能的 2 提高热效率的途径有两条 一条是提高T1 另一条是降低T2 意义 卡诺循环至今难以实现 但是它对如何提高发动机的循环热效率从理论上指明了正确的方向 使发动机的循环接近于卡诺循环 以卡诺循环效率来评价发动机热功转换的程度 续四 6 第三节发动机的热力循环与性能指标 本节主要介绍四冲程发动机的理论循环 实际循环 指示指标 有效指标及机械效率等知识 一 发动机的理论循环 对实际循环作以下假设可得理论循环 a 工质是理想气体 比热视为定值 b 工质与外界无热量交换 不计进 排气过程及其流动损失 c 工质的压缩过程和膨胀过程均为绝热过程 d 燃烧过程为外界等容 等压加热过程 而排气过程为等容放热过程代替 ac 绝热压缩cz 等容加热zz 等压加热zb 加热膨胀ba 等容放热 1 混合加热循环 每循环加入到气缸中的热量Q分两部分 一部分热量Q1 是在等容的情况下加入的 另一部分Q1 是在等压情况下加入的 如图 1 理论循环 续一 1 由于高速柴油机先喷入气缸的燃料迅速燃烧 加热接近于等容 后喷入气缸的燃料燃烧缓慢 加热接近于等压 因此 混合加热循环是柴油机的理想循环 续一 2 经济性指标 热效率 t 证明从略 动力性指标 循环平均压力pt 式中 Va Vc 压缩比 pz pc 压力升高比 Vz Vz 预胀比 续一 3 2 等容加热循环 每循环加入到气缸中的热量Q1是在等容的情况下加入的 如图 因为汽油机混合气的燃烧非常迅速 其实际循环接近等容加热循环 所以等容加热循环是汽油机的理想循环 续一 4 由于该循环可看作混合加热循环在Q1 0 1的特例 所以 续一 5 2 理论循环分析1 压缩比 随压缩比增大 两种循环的 t和pt都将提高 这是因为在加热量Q1相同的情况下 提高压缩比 可提高循环最高温度及平均吸热温度 降低平均放热温度 扩大温差 增大膨胀比 使循环作功增多 由于柴油机的压缩比比汽油机的大 所以柴油机的热效率比汽油机高 续一 6 2 压力升高比 和预胀比 在混合加热循环中 若Q1和 一定 增大时 相应减少 即Q1 增加而Q1 减少 从而提高了能量利用率 使 t和pt提高 相同压缩比和能量消耗的汽油机和柴油机 汽油机的热效率比柴油机高 续一 7 二 发动机的实际循环 1 实际循环四冲程发动机曲轴旋转两圈完成一个工作循环 分进气 压缩 燃烧 膨胀和排气五个过程 可用p v图表示 其中 rra线是进气过程abc线是压缩过程cz线是燃烧过程zb线是膨胀过程br线是排气过程循环得到的净功为Ai A1 续二 1 2 实际循环与理想循环的差异与理论循环相比 实际循环存在各类能量损失 1 实际工质的影响Wk2 换气损失W和Wr3 燃烧损失Wz4 传热损失Wb 续二 3 续二 4 三 发动机的指示指标 以下标i表示 以工质在气缸内对活塞所作的功为基础的指标称为发动机的指示指标 1 1 1 1 1 1 指示功Wi和平均指示压力pi1 指示功Wi气体在气缸内完成一个实际循环对活塞所作的有用功 它通过计算p v图上的面积得到 2 平均指示压力pi单位气缸工作容积的指示功 因此 10 3Wi等于一个假想大小不变的压力pi作用在活塞顶上 使活塞移动一个行程S所作的功 续三 1 2 指示功率Pi单位时间内所作的指示功 10 3 kW式中 i气缸数 pi的单位为kPa Vh的单位为L n的单位为r min 为冲程数 续三 2 3 指示热效率 i和指示燃料消耗率gi1 指示热效率 i指示功与所消耗的燃料热量的比值式中Ql为所消耗的燃料热量 2 指示燃料消耗率gi单位指示功的耗油量 g kWh则hu 热值 续三 3 四 发动机的有效指标 以下标e表示 以曲轴对外输出的功率为基础的性能指标 用以评价整个发动机的性能 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 动力性指标1 有效功率Pe 发动机输出的功率称为有效功率 Pe Pi PmPm 机械损失功率2 有效扭矩Me 由发动机输出的扭矩称为有效扭矩 N m3 平均有效压力pe 单位气缸工作容积输出的有效功 kPa 续四 1 2 发动机经济性指标1 有效热效率 e 循环有效功与所消耗的燃料的热量的比值 m 机械效率2 有效燃料消耗率ge 单位有效功的耗油量 g kW h注意 ge与GT的区别同理 续四 2 续四 3 2 比重量Ge 发动机净重G与标定工况下的有效功率之比 kg kW 续四 4 3 强化系数pe Cm 平均有效压力与活塞平均速度的乘积 其值越大 强化程度越高 续四 5 4 发动机的其它性能指标1 排气品质2 噪声3 起动性等 续四 6 五 发动机的热平衡 热平衡就是加入发动机的总热量的分配情况 可表示为QT QE QS QR QB QL式中 QT 燃料完全燃烧放出的总热量 QE 转化为有效功的热量 汽20 30 柴30 40 QS 传给冷却介质的热量 汽25 30 柴20 25 QR 废气带走的热量 汽40 45 柴35 40 QB 不完全燃烧的热量损失 QL 其它损失 汽8 柴10 减少各种能量损失 即可提高发动机的效率 六 发动机的机械损失 发动机功率在内部转递过程中的各种损失称为机械损失 包括摩擦损失 驱动附属设备和泵气损失 一 机械效率 有效功率与指示功率的比值 二 械损失的测定1 灭缸法1 将发动机调整到给定工况稳定工作 测出Pe 2 停止第一缸的供油或点火 调整测功器 使发动机恢复原转速 测出Pe1 可得第一缸的指示功率Pi1 Pe Pe1 3 依次使各缸熄火 可得Pe2 Pe3 则Pi2 Pe Pe2Pi3 Pe Pe3 整机的指示功率Pi Pi1 Pi2 Pe Pe1 Pe Pe2 Pe Pe3 iPe Pe1 Pe2 Pe3 Pm Pi Pe iPe Pe1 Pe2 Pe3 Pe i 1 Pe Pe1 Pe2 Pe3 续六 1 2 倒拖法1 发动机与测功机相连 2 使发动机以给定的工况稳定运行 当水温和油温达到正常时 切断供油或停止点火 同时将电力测功机转换为电动机 以给定转速倒拖发动机 3 测定电力测功机的倒拖功率 该倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率 续六 2 续六 3 3 润滑油的品质和冷却水温粘度大 流动性差 摩擦损失增加 粘度小 流动性好 承载能力差 油膜易破裂 冷却水温影响机油的粘度 使用中降低机械损失要做到无机械故障 控制好转速 水温 保持机油清洁等 续六 4 第二章发动机的换气过程 本章主要是要求学生了解换气过程的进行情况 分析影响充气量的因素 找出减少换气损失 提高充气系数的因素 定义 发动机的排气过程和进气过程统称为换气过程 任务 尽可能将缸内的废气排除干净 并吸入更多的新鲜混合气 对发动机性能的影响 如果换气充分 气缸内混合气质量较好 相对废气较小 新鲜混合气较多 使燃烧过程加快 燃烧完全 因此可提高发动机的动力性与经济性 一 四冲程发动机的换气过程 1 四冲程发动机的换气过程 从排气门打开至进气门关闭 1 自由排气阶段 排气门打开至气缸压力接近于排气管压力 2 强制排气阶段 活塞由上往下将缸内废气强制排出 3 进气阶段 进气门打开至关闭的过程 2 气门叠开 进排气门同时开启的现象合适 可扫气 增加进气量 过大 废气倒流进气管 二 四冲程发动机的充气系数 1 充气系数 每循环实际进入气缸的新鲜充气量 G与在进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充气量 G0的比值 即进气状态 当时的大气状态 非增压 续二 1 续二 2 三 提高充气系数的措施 1 减少进气系统的流动损失 提高进气终了的压力1 减少空滤器阻力2 减少化油器流动阻力3 减少进气管的沿程阻力和局部阻力4 减少进气道阻力5 减少节气门处的流动阻力6 改进凸轮的廓线设计 加大进气门开启时间与截面 2 降低排气系统的阻力损失 减少缸内残余废气3 减少高温零件对气体的加热4 合理利用动态效应5 合理选择配气相位 续三 1 第五节汽油机的燃烧过程 将燃料的化学能转变为热能的过程 称为发动机的燃烧过程 它是发动机整个工作循环的主要过程 本节将介绍汽油的组成与主要性能指标 讨论传统的汽油机燃烧形式 即均匀混合气的燃烧过程 1 燃料与空气借助于化油器或喷射装置 在缸外进行混合 混合时间长 混合均匀 2 压缩终了前通过外源 火花塞 点火 着火时间 地点一定 3 着火后火焰扩散 适当的涡流运动可以加速火焰传播 4 通过改变混合气的数量来调节负荷 汽油机燃烧过程的特点 燃油简介汽油与柴油都是用石油炼制的 石油主要包含了碳和氢两种元素 是各种烃的混合物 加热范围为40 250 馏出的油料称为汽油 汽油各种经碳原子的个数为5 9个 直馏法 热裂化法 催化裂化法 一 汽油的组成及主要性能指标 直留汽油和柴油的稳定性好 储存中不易产生胶质 但只能适用于压缩比较低的发动机 裂化汽油适用于高压缩比的发动机 催化裂化柴油性能较好 可作商品质的柴油使用 续 1 汽油的蒸发性10 蒸发温度标志汽油的起动性 10 蒸发温度低 起动性好 但太低了容易引起气阻 在油箱和化油器中蒸发损失增加 该温度太高 则冷起动困难 50 蒸发温度标志汽油的平均蒸发性 该温度低 可以缩短暖车时间 但太低了则会导致化油器结冰 太高 则汽油机冷机的过渡特性差 90 蒸发温度标志中含有难以蒸发的重质成分 该温度太高 在燃烧室内易形成杂质 并稀释润滑油 二 汽油的主要性能指标 抗爆性是指汽油在燃烧室内燃烧时抵抗爆燃的能力 其评定指标是辛烧值 在汽油机燃烧过程中 随着压缩比及气缸内气体温度提高 可能出现一种不正常的自燃现象 称为爆震燃烧 简称爆燃 汽油辛烧值越高 抗爆性越强 就能承受发动机采用较高压缩比而不发生爆燃 有利于提高汽油机的经济性 2 汽油的抗爆性 液体燃料混合气的形成过程 就是液体燃料在空气中雾化 蒸发 扩散并与空气混合的过程 二 汽油机混合气的形成 空气经空气滤清器进入化油器 在流经喉管时 流速增加 压力降低 在喉管中形成一定的真空度 将汽油从浮子室经主喷管吸出 被吸出来的汽油正好喷人流过喉管的空气中 在高速空气流的冲击下被雾化成细小颗粒 并不断蒸发 扩散 与空气混合成可燃混合气 改变设置在喉管后的节气门开度 即可改变进入气缸中的混合气数量 也就改变了发动机功率 一 化油器式汽油机的混合气形成过程 汽油直接喷射系统混合气的形成是在进气管或气缸中进行的 喷油器将来自供油系统具有一定压力的汽油喷到各缸进气道的进气门前 多点喷射 或喷到节气门前方的进气管内 单点喷射 或直接喷人气缸 缸内喷射 与来自空气供给系统的新鲜空气在缸外 进气管喷射 或缸内 缸内喷射 相混合形成可燃混合气 二 汽油直接喷射式的混合气形成过程 汽油机的燃烧过程包括着火和燃烧两部分 从压缩行程上止点前火花塞点火开始到膨胀行程燃料基本上烧完为止 燃烧持续较短 约占25 40 曲轴转角 其燃烧过程接近于定容燃烧 三 汽油机混合气燃烧过程 燃烧是燃油中的碳原子和氢原子与空气的氧原子剧烈氧化反应的过程 并伴有发热 发光的现象 把过量空气系数a 1 空燃比A F 14 7的可燃混合气叫做理论混合气 a 1 A F 14 7的可燃混合气叫做浓混合气 a 1 A F 14 7的可燃混合气叫做稀混合气 一 燃烧简介 汽油和空气形成的可燃混合气必须经过着火阶段才能进行燃烧 而着火 是指混合气的氧化反应加速 温度升高 以致引起空间某一位置最终有某个火焰出现的过程 二 汽油机的着火 在火花塞点火之前 气缸内已形成了均匀混合气 混合气受到缸壁和残余废气的加热 被压缩后压力与温度升高 并产生缓慢的分解和氧化 处于容易着火状态 当火花塞电极间跳火 经历了高温着火后 在已燃气体与未燃的工质之间的一个很窄的范围 火焰前锋 内通过活化分子的传热和对流而燃烧放热 火焰基本上以球形的形状向外扩展 点火能否成功 与火花点火放出的热量大小和混合气的浓度有关 火花点火放出的热量太小 混合气的浓度过浓或过稀 火焰均不能传播 续 为了提高汽泊机的动力性和经济性 充人气缸的可燃混合气燃烧要完全 及时和正常 因为 只有完全燃烧 才能充分利用燃油的热能 只有及时燃烧 最高压力在上止点后12 18 才能使燃气具有更高的温度和压力 对活塞的推力大 使热能更多的转变为机械功 只有正常燃烧 才能保持发动机稳定 可靠的工作 三 正常燃烧过程 图示为汽油机工作过程中缸内压力的变化关系 其中的虚线表示不点火时的情况 实线为点火时情况 图示 根据压力变化的特征 把燃烧过程分为三个阶段 着火延迟期 急燃期 补燃期 1 着火延迟期从火花塞电极间跳过火花 点1 起 到形成火焰中心 点2 为止的这段时间 称为着火延迟期 图中用I阶段表示 由于只是在火焰中心附近的局部范围内有剧烈的氧化反应 因而图中的压力线没有明显地偏离压缩线 即没有明显的压力升高现象 续 从火焰中心形成起 主要部分混合气燃烧完毕 因而出现最高压力 点3 为止 这段时间称为急燃期 图中用E阶段表示 急燃期是燃烧过程的主要阶段 它对发动机性能影响很大 实践证明 以曲轴转角计算的压力升高率为170kPa 240kPa 且最高压力出现在上止点后12 18 曲轴转角时 示功图有最大面积 循环功最多 这时对应的点火提前角 称为最佳点火提前角 2 急燃期 从最高压力至燃烧基本完成混合气中汽油蒸发不良及与空气混合不均匀时 部分颗粒较大的燃油在火焰前锋掠过时 只是表层燃油被燃烧 未燃烧的部分需要在补燃期内燃烧 此外 燃烧产物有少部分在高湿的作用下会分解 在膨胀过程中 因工质温度下降 热分解产物又可继续燃烧 放热 这就形成了补燃期 补燃是在活塞下行中进行的 这时气缸容积已明显扩大 故补燃产生的热量不能有效地转变为功 反而使排气温度增加 热效率下降 因此 希望尽可能减少补燃 3 补燃期 汽油机的不正常燃烧 包括爆震燃烧和表面点火 1 爆震燃烧 简称爆燃 1 现象与危害汽油机的爆燃现象就是燃烧室内末端混合气的自燃现象 四 不正常燃烧 虽然爆燃时的最高压力很高 但它是以冲击波的形式出现 不是以均匀压力推动活塞 而像用锦头不断敲击活塞似的 不能使燃气对活塞作功更多 汽车在低速上坡时 允许有很轻微的短时间的爆燃 因为轻微的爆燃可以使燃烧过程缩短 有利于提高有效功率 但是不允许严重的爆燃 严重的爆燃会有下列危害 1 机件过载2 机件烧损3 性能指标下降 2 危害 主要有 使用抗爆性强的汽油可以避免爆燃的产生 在汽油中加入少量抗爆添加剂 使用中应根据发动机的压缩比选用相应牌号的汽油 可以通过改变结构因素如减小压缩比 采用双火花塞等以及改变运行因素如负荷 转速等措施 3 预防措施 不靠火花塞点火而由燃烧室内炽热物点燃混合气的燃烧现象 称为表面点火 燃烧室内炽热物如 过热的火花塞电极 热的排气门 热的燃烧表面沉积物等 由表面点火产生的新的火焰前锋也以正常的速度传播 早火 在正常火花塞点火前的表面点火后火 正常火花塞点火后的表面点火 2 表面点火 表面点火的结果是使得缸内压力急剧升高 噪声加强 向活塞 缸壁的传热增加 活塞缸套间结焦 早火 相当于将点火提前角提前 后火 虽有可能加快燃烧速度 但是 表面点火的最大问题是点火的无规律性 这将导致燃烧过程的不稳定与工作过程的粗暴 使动力性 经济性都受到影响 避免表面点火的有效措施是采用低馏程的燃料与不易结焦的润滑油 续 表面点火与爆燃的关系表面点火不同于爆燃 表面点火是由于热表面点燃混合气 而爆燃则是由于燃烧室内末端混合气的自燃产生的 爆燃与表面点火之间又存在相互影响 表面点火会促使爆燃的产生 续 1 进气初始态p1 Tl降低进气初始态p1 T1 可以避免爆燃与表面点火时产生 2 点火提前角将点火提前角增大 缸内最高压力 温度增加 终燃混合气受到挤压和热辐射的影响增强 着火所需的时间减少 爆燃倾向增加 3 混合气浓度混合气浓度a 0 8 0 9时 火焰传播速度最大 但着火延迟期也最短 且明显 爆燃倾向增加 五 使用因素对燃烧过程的影响 转速增加时 火焰传播速度加快 易产生爆燃的部位在自燃准备尚未完成时 火焰前锋已到达 爆燃趋势减弱 5 负荷负荷减少时 残余废气增加 火焰传播速度下降 燃烧的最高温度压力下降 爆燃趋势减弱 6 燃烧沉积物沉积物相当与一个热源 爆燃和表面点火倾向增加 4 转速 燃烧室形状对燃烧的影响 四 汽油机的燃烧室 图示 图示 图示 图示 第六节柴油机的燃烧过程 柴油机工作过程的特点 1 吸人气缸的是新鲜空气 被压缩的是新鲜空气 2 柴油通过高压喷人气缸 缸内形成可燃混合气 3 柴油和空气混合时间极短 4 缸内混合气成分不均匀 且不断变化 5 没有外源点火 只是靠压缩自燃 6 混合与燃烧重叠进行 7 质调节 即负荷和转速不是通过进气节流 而是通过燃料量来调节 1 燃烧及时 这将影响作功的质量 放热量的有效利用 2 燃烧完全 这会影响到放热量 作功和排放 因此 对于柴油机来说 及时形成可燃混合气最为重要 本节将先介绍柴油的主要性能指标 再阐述柴油机的混合气形成与燃烧过程 各种燃烧室特点 发动机排放污染与控制 对柴油机燃烧的基本要求 一 柴油的主要性能指标 1 着火性柴油的着火性是指柴油的自燃能力 其评定指标是十六烧值 十六统值越高着火性越好 着火性好的柴油 喷人气缸后能及时着火燃烧 柴油机工作柔和 冷起动性能也随之改善 若着火佳能差 燃烧前所需的物理 化学准备时间长 着火后压力升高率过高 导致柴油机工作粗暴 柴油的蒸发性用馆程表示 将柴油加热 分别测定蒸发出50 90 和95 的馏出温度 50 馏出的温度低 说明这种燃烧轻馆分多 蒸发性好 有利于混合气的形成和燃烧 但若轻馆分过多 着火前蒸发油气过多 会使柴油机工作粗暴 90 和95 馆出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馆分 重馆分过多 在气缸中不易蒸发 与空气混合不均匀 则燃烧不完全 易产生冒烟和积炭 2 蒸发性 柴油的粘度用来表示柴油的雾化性 粘度低 则容易形成混合气 若粘度过低 会加剧喷油泵及喷油器之间的精密偶件表面之间的磨损 若粘度过高 流动阻力增加 柴油从喷油器喷出时的雾化性差 不易形成均匀的混合气 因而 柴油应具有适中的粘度 3 粘度 柴油的凝点用来表示柴油的低温流动性 它是指柴油冷却到开始失去流动性的温度 国产轻柴油的牌号是按凝点编定的 如0号柴油的凝点为0 好的柴油应具有低的凝点 若凝点过高 不利于燃烧的正常供给 尤其在低温条件下工作 可能造成油路堵塞 选用柴油时 一般要求其凝点比最低工作环境温度低3 5 以上 4 凝点 二 柴油机混合气的形成 柴油机混合气的形成 是指燃料自喷人气缸至着火及燃烧的整个阶级中所发生的破碎 雾化 汽化并与空气之间相互渗透和扩散的过程 它直接决定着燃烧质量 由于柴油的蒸发性差 因此柴油机采用高压喷射的方法 即在压缩行程接近终了时 借助喷油器将柴油喷人燃烧室 与气缸中高温 高压的空气混合形成可燃混合气 经过一系列物理化学准备后 着火燃烧 随后 混合气的形成与燃烧便重叠进行 即一边喷油 混合和一边燃烧 柴油机的混合气形成与汽油机相比有两个最显著的特点 混合气形成在气缸内部 混合气形成时间较短 续 柴油机浪合气形成的理想过程应该是 燃料喷人燃烧室后在尽可能短的时间内与周围空气均匀雾化 混合 形成可燃混合气 着火后继续喷人的燃料应及时得到足够的空气和混合能量 以便迅速混合 力求避免燃料直接进入高温缺氧区域 引起裂化 续 柴油机混合气形成依靠两方面作用 燃料喷雾 组织空气运动 续 按混合气形成的原理分 柴油机可燃混合气的形成方式有两种 空间雾化混合和油膜蒸发混合 1 空间雾化混合方式直接将柴油喷射到燃烧室空间 经雾化 蒸发与空气混合 形成雾状混合物的方式 称为空间雾化混合方式 一 形成混合气的两种基本方式 空间雾化混合方式的优点 混合气形成速度快 燃烧过程比较稳定 对转速范围的适应性强 其缺点 燃料在着火以前形成的混合气较多 使燃烧过程较为粗暴 并生成较多的NOx 若油滴蒸发 雾化速度不及燃烧速度快 将产生不完全燃烧 续 将柴油顺着气流的运动方式 涂到燃烧室壁面 形成油膜 油膜受热蒸发 并与空气混合形成均匀混合气的方式 称为油膜蒸发混合方式 燃烧室壁温 油膜厚度和空气与油膜的相对速度是混合气形成的决定性因素 2 油膜蒸发混合方式 油膜蒸发混合方式的优点 完全是气相混合 通过油膜的蒸发和吹拂气流的旋转运动还可以实现分层燃烧 做到既无碳烟 又可控制燃烧速度 限制燃烧压力的急剧升高 从而控制噪声和传动装置的机械负荷 通过轴针式喷油嘴的截面的控制可改善噪声和减少NOx同时对喷油系统要求降低 其缺点 油膜蒸发的速度受壁温 油膜厚度和气流运动的影响很大 因此 对供油 进气和燃烧室匹配要求较高 燃烧不及空间雾化稳定 冷起动性能差 怠速及低负荷时HC排放较高 续 影响混合气形成的主要因素包括 燃料喷雾 气流运动 燃烧室结构等 1 燃料的喷雾对混合气形成的影响利用喷油器将柴油喷散成细粒的过程 称为柴油的喷雾或雾化 二 影响混合气形成的主要因素 经高压油管的燃油以高压从喷油器的喷孔喷入气缸 由于空气阻力及高速流动时的内部扰动而被粉碎成细小油漓 增加了空气接触氧化的机会在静止的压缩空气中 从喷油嘴中喷人气缸的油束形状如图所示 油束的外缘区油滴直径细小且稀疏 油滴速度越向外越低 油束核心部分不能完全粉碎 油滴直径较大 雾化不良 且很稠密 1 油束的形成 图 1 油束的射程L2 雾化质量雾3 油束的锥角 2 衡量油束雾化质量的三个参数 1 喷油器的结构喷油器结构方面的主要影响因素是喷孔的大小和喷油器头部的结构形状 减小喷孔直径 雾化质量得到改善 但容易引起喷孔堵塞 3 影响油束的特性因素 喷油器的喷油压力越高 油束的速度越高 所受扰动越大 雾化质量越好 但这除了要消耗更多的能量外 高压油管容易破裂 喷油器容易磨损 3 缸内介质反压力气缸内介质反压力增大时 射程减小 而油束锥角增大 总的来说 对雾化性能影响不大 4 喷油泵凸轮形状喷油泵凸轮形状曲线越陡 在高压油管内越容易建立高压 喷油越迅速 雾化性能得到改善 2 喷油压力 发动机转速增加 相对喷油时间需要缩短 喷油速度加快 雾化质量提高 6 燃油粘度燃油粘度越大 油滴越不易分散 雾化质量越差 另外 对雾化质量的要求要视各种燃烧室的结构而有所不同 一般都是根据燃烧方式而寻求燃烧室形状 空气运动和喷油系统的最佳匹配 5 转速 为了更有效地形成可燃混合气 改善燃烧过程 通常要组织空气的运动 组织空气运动的形式有 1 进气涡流 2 挤气涡流 3 燃烧涡流 2 空气运动对混合气形成的影响 三 柴油机的燃烧过程 柴油机的燃烧过程 是从压缩行程上止点前喷油开始到作功行程燃烧终了为止的整个过程 它所占时间很短 约为50 70 曲轴转角 高速柴油机只有0 003s 0 006s 整个过程非常复杂 柴油机利用柴油化学安定性差 易自燃的特点 采用压缩自燃的方式使可燃混合气着火 在压缩行程末期将柴油喷入气缸 形成可燃混合气 它的着火需要具备两个条件 1 合适的混合气浓度 2 合理的混合气温度 柴油机的着火 柴油机的燃烧过程可分为四个阶段 着火延迟期速燃期缓燃期补燃期 二 油机的燃烧过程 图示 从喷油开始 点1 到压力脱离压缩线开始急剧上升 点2 止 这一阶段称为着火延迟期 图中的线12段所示 着火延迟期的长短 主要取决于喷油时气缸内的温度 受压缩的空气温度愈高 着火延迟期愈短 在发动机冷起动 冷却水控制的温度过低 气缸漏气等情况下 着火延迟期都会加长 发动机正常工作时 在着火延迟期内喷人的柴油量约占循环供油量的30 40 由于并未着火 压力没有明显地偏离压缩线 1 着火延迟期 滞燃期 从压力偏离压缩线的点2开始到最高压力点为3止 这一阶段称为速燃期 图中的线23段所示 缸内的多个火焰中心一旦着火后 着火延迟期中已喷人缸内的柴油几乎一齐燃烧 在很短的时间内 产生很高的压力 使缸内的压力升高率很大 而这个时间又很短 接近于等容燃烧 这阶段的放热量为循环放热量的1 3左右 产生的最高压力达5 4Mpa 8 8MPa最高压力约在压缩行程后6 15 的曲轴转角处出现 2 速燃期 急燃期 从最高压力点3开始到气缸内工质温度达到最高点4为止 这一阶段称为缓燃期 图中的线34段所示 这一阶段内有较多的柴油燃烧 同时气缸的容权在不断地增加 结果是气缸内温度继续增高 工质的压力几乎不变 稍有上升或稍有下降 接近于等压燃烧 这阶段结束时的放热量约占循环放热量的70 80 最高温度为1970K 2270K 最高温度点出现在上止后20 35 的曲轴转角处 3 缓燃期 从出现最高温度点4开始到柴油基本烧完为止 这一阶段称为补燃期 当放热量已达循环放热量的95 97 时 即认为补燃期结束 柴油机中柴油与空气形成混合气的时间很短 不容易充分蒸发和混合均匀 总有一些燃油不能及时燃烧 拖延到膨胀过程中继续进行 形成补燃 补燃的热量是活塞已远离上止点才放出 作功的效果差 且使排气温度增高 耗油率加大 所以 使用中应着重从保证喷雾质量 保持压缩终了的温度和压力方面采取措施 来减少补燃 4 补燃期 后燃期 四 影响柴油机燃烧过程的主要因素 1 燃油性质燃油的蒸发 着火性能过好 反而会容易导致工作粗暴 因而 一般高速柴油机用燃油的十六统值在40 60之间 而对于挥发性而言 希望馏程范围较窄 要求大部分燃油在250 350 范围内挥发 尽量减少其中过轻和过重的馆分的比例 发动机喷油提前角减小 燃油喷人气缸时 缸内的压力和温度相对提高 着火延迟期缩短 燃烧平稳 但减小太多 同时会使燃烧过程拖后 导致热效率下降 2 喷油定时 喷油器不同的喷油规律对燃烧过程的影响很大 若喷油率 先急后缓 则初期放热率高 压力升高率增大 工作粗暴 但热效率升高 而喷油率 先缓后急 则初期放热量少 压力升高率 缸内最高燃烧压力都下降 热效率也下降 因此 在选用时 应根据具体要求综合考虑 4 雾化质量提高雾化质量 可以加速可燃混合气的形成 加快燃烧速度 缩短着火延迟期 3 喷油规律 适当组织工质的运动 可以提高燃油的蒸发速度 促进可燃混合气的形成 空气运动可以促使油束分散 增大混合的范围 加快燃烧速率 改善经济性 但是 组织进气涡流要消耗能量 还会使充气效率降低 挤气涡流在工作过程中衰减较快 它的影响效果相对小些 另一方面 涡流过强 散热损失也会增加 当燃烧室工作温度较低时 会导致着火延迟期的增长 改善换气过程 提高充气效率 对于促进可燃混合气的形成 改善燃烧