发动机原理第一二三四章.doc

第一章 发动机的性能1.发动机理论循环（最简单的理论循环是空气标准循环）空气标准循环简化条件：假设工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同；假设工质是在闭口系统中做封闭循环；假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程；假设燃烧是外界无数个高温热源定容或定压向工质加热。工质放热为定容放热。 发动机三种基本空气标准循环处理方式：汽油机混合气燃烧迅速，近似为定容加热循环；高增压和低速大型柴油机，大部分燃料在止点以后燃烧，燃烧时气缸压力变化不显著，所以近似为定压加热循环；高速柴油机介于两者之间，其燃烧过程视为定容定压加热的组合，近似为混合加热循环。2.发动机实际循环示功图：发动机缸内压力p随汽缸容积V变化的图示。p-V图上曲线包围的面积表工质完成一个实际循环做的有用功。展开示功图：发动机缸内压力p随曲轴转角f变化的图示。进气过程：01（p p0p p0）膨胀过程结束时，排气门打开，活塞由下止点返回上止点移动，将汽缸内的废气排出。3.实际循环的评定（指标平均指示压力、指示功率、指示热效率和指示燃料消耗率）指示功：一个实际循环工质对活塞所做的有用功。平均指示压力：发动机单位汽缸工作容积所做的指示功。指示功率：发动机单位时间所做的指示功。指示热效率：是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比值。指示燃料消耗率：单位指示功的耗油量。4.发动机经济性和动力性的评定动力性能 有效功率：发动机对外输出的功率，等于指示功率减去机械损失功率。机械损失包括：发动机内部零件的摩擦损失；驱动附属机构的损失；泵气损失。转速：发动机转速增加，即单位时间的做工次数，活塞平均速度也增加。为提高转速又不使Cm过大，可以减小行程S，即对于高速发动机，在结构上采用较小的行程缸径比（S/D）。但S/D值小也会造成燃烧室高度减小，其表面积与容积的比（A/V）值增大，不利于燃烧。经济性能 有效热效率：发动机的有效功与所消耗燃料热量之比值。有效燃料消耗率：单位有效功与所消耗燃料热量之比值。发动机强化指标 升功率pL和比质量me： 升功率：发动机每升工作容积所发出的有效功率。提高PL的措施是提高平均有效压力和发动机的转速。它用来衡量发动机容积利用的程度。比质量：是发动机的干质量与所给出的标定功率之比。 比质量：是发动机的干质量与所给出的标定功率之比。强化系数是衡量发动机技术进步的一个标志。5.发动机的环境指标（排放性能和噪声）排气微粒：是指排气中除水以外的，单个颗粒大于0.002um的任何液体或固体微粒。6.机械损失机械损失的测定：倒拖法、灭缸法和油耗线法。倒拖法：发动机与平衡式电力测功器相连。缺点：需使用平衡式电力测功机（价格高）；缸内压力、温度与实际不符，测量结果往往偏大。灭缸法：仅适用于多缸发动机。影响机械损失的因素：a气缸直径及行程：气缸工作容积一定，行程、缸径比减小时，转速下降，机械效率提高；b摩擦损失占70%：活塞组件、曲轴组件、配气机构；c转速（或活塞平均速度）：发动机转速上升使各摩擦副间的相对运动速度加大，摩擦损失增加；曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增加，摩擦损失增加；泵气损失加大；驱动附件消耗的功多。d负荷；e润滑油品质和冷却水温度：润滑油的粘度即稠稀程度，它表示了流体分子之间内摩擦力的大小。7,热平衡实际循环热平衡：（差异原因）实质工质的影响；换气损失；燃烧损失；传热损失。发动机热平衡：是热量表现为有效功及各项损失的分配情况。热平衡中各项数值范围表：在燃料的总热量中，有25%40%的热量转变为有效功，其余60%75%都损失掉了。其中主要由废气带走，其次传给冷却水和某些汽油机中不完全燃烧。 冷却水带走的热量占总热量的10%35%，其中一部分是排气道中废气传给冷却水的热，一部分是摩擦产生，真正由燃烧、膨胀过程散出的热大约占冷却损失的15%。 废气带走的热量占总热量的25%50%。第二章 发动机的换气过程1.四行程发动机的换气过程 包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占410-480曲轴转角。四个阶段：自由排气阶段：（定义）排气门开启到气缸压力接近排气管压力的这一时期。排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角，一般为30 - 80 曲轴转角。排气门开启时，缸内压力与排气管压力之比1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出；下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。排气迟闭角：从上止点倒排气门完全关闭的这段曲轴转角，一般为10-35曲轴转角。缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。为了利用高速气流的惯性排出废气，排气门是在活塞过了上指点后才关闭。进气过程：进气提前角：一般为0-40曲轴转角。正常进气：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。进气迟闭角：惯性进气。一般为4070曲轴转角。气门叠开：进、排气门同时开启。叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为2080曲轴转角。作用：清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。2.换气损失（由排气损失和进气损失两部分组成）排气损失：从排气门提前打开直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前循环功的损失。（分为）自由排气损失W：由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。强制排气损失Y：活塞上行强制推出废气所消耗的功。排气提前角增大，W增加，Y减小，最有利的排气提前角应使W+Y最小。减少排气损失措施：减小排气的系统阻力；减小排气门处流动损失。进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。换气损失W +Y+X，泵气损失Y+X-d。3.四行程发动机的充气效率充气效率：实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值。残余废气系数，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值。影响充气效率的因素：进气（或大气）的状态Ts、Ps，进气终了的气缸压力和温度Pa、Ta，残余废气系数，压缩比及气门正时。4.减少进气系统的阻力 提高充气效率措施：减少各段通路的阻力，增大其流通能力。进气马赫数Ma：是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比。5.合理选择配气定时：一）进气门迟闭角对充气效率的影响: 1)在一定的配气正时下，充气效率v随转速变化的关系：充气效率在一定转速下达到最高值，说明在这个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气；当转速高于此转速时，气流惯性增加，使一部分本可以利用气流惯性进入汽缸的气体被关在汽缸之外，加之转速上升，流动阻力增加，所以使充气效率下降；当转速低于此转速时，气流惯性减小，压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管，充气效率也下降。2)在不同的配气正时下，充气效率v随转速变化的关系：一般迟闭角增大，与充气效率曲线最大值相当的转速也增加。由于转速增加，气流速度加大，大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。二）进气门迟闭角对发动机性能的影响:改变进气迟闭角可改变充气效率曲线随转速变化的趋向，以调整发动机扭矩曲线，满足不同使用要求：1）加大进气门迟闭角，高转速时v增加，利于最大功率的提高，但使中低速性能下降。2）减少进气门迟闭角，能防止低速倒喷，最大扭矩提高，但降低最大功率。三）其他正时参数对发动机性能的影响:1. 排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量晚开 排气门。转速增加，排气提前角增大。2. 气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率，降低高温零件的热负荷，减少NOx。6进气管的动态效应 动态效应与进、排气管的长度和直径有关。气体在进、排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，可以提高充气效率。7.可变技术（可变进气管、可变气门定时、可变气门升程、可变进气涡流）可变进气管：对进气管的要求是：在高转速、大功率时，应装配粗短的进气管；而在中、低速，最大扭矩时，应装配细长的进气管。可变进气定时：（两种形式）凸轮相位可变：优点结构简单成本低，改善整个转速范围段的扭力输出；缺点气门叠开角减小。进气连续期可变：优点可以满足高、低速对配气定时的不同要求，保证高、低速良好的性能；缺点机构复杂。第三章 燃料与燃烧发动机传统的燃料是汽油与柴油，他们是石油的炼制品。炼制汽油与柴油是利用沸点不同分馏依次得到：石油气 汽油 煤油 轻、重柴油 渣油。1.柴油 十六烷值：是评定柴油机自燃性好坏的指标。与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。可通过选择原油种类、炼制方法及添加剂来予以控制。国产柴油的十六烷值规定4050之间。馏程：是表示柴油的蒸发性，用燃油馏出某一百分比的温度范围来表示。粘度：是燃料流动性的尺度，是表示燃料内部摩擦力的物理特性。它影响柴油的喷雾质量。 2.汽油 辛烷值：是表示汽油抗爆性的指标。辛烷值高，抗爆震的能力强。国产汽油以辛烷值标号。辛烷值的测定方法：马达法（MON）和研究法（ROM）；马达法辛烷值（MON）研究法辛烷值（ROM） MON=ROM0.8+10 汽油辛烷值的大小决定于汽油的组成情况、炼制方法及添加剂。辛烷值高低顺序：烷烃烯烃环烷烃芳烃。 馏程和蒸汽压：是评价汽油蒸发性的指标。用汽油馏出温度的范围来表示。 3.汽油、柴油性能差异对发动机的影响：1）引起在混合气形成上的差异：汽油挥发性强，在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气，控制混合气的数量便能调节汽油机的功率，是量调节；柴油蒸发性差，但粘性好，适宜用油泵油嘴向气缸内部喷油，靠调节供油量来调节负荷，吸入的空气量基本不变，是质调节。2）引起着火与燃烧上的差异：汽油自燃温度较高，适宜外源点火；防止自燃，促使其有规律的燃烧，混合气均匀，着火后，以火焰传播的方式向均匀的混合气展开。柴油化学安定性差，易自燃，采用压燃的方式；柴油喷射及与空气的混合，既短暂又不均匀，常有随喷随烧的现象，燃烧时间延长。4.醇类燃料的特点：1）热值低但醇中含氧量大2）醇的汽化潜热是汽油的三倍左右3）醇具有高的抗爆性能4）醇的沸点低5）在常温下醇难溶于汽油6）甲醇对视神经有损伤作用。5.气体燃料：分为天然气NG（分为压缩天然气CNG和液化天然气LNG）和液化石油气LPG6.燃料热化学 过量空气系数：燃烧1kg燃料实际提供的空气量与理论上所需空气量之比。燃料热值：lkg燃料完全燃烧所放出的热量。高温燃烧产物中水以蒸汽存在，水的汽化潜热不能利用，温度降低后，才能释放。水凝结后计入水的汽化潜热的热值称为高热值；在高温下的称为低热值。内燃机排气温度较高，应用低热值。混合气热值：当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工质的热量取决于单位体积可燃混合气的热值而不是燃料的热值。第四章 汽油机混合气的形成和燃烧燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。燃烧过程是影响发动机经济性、动力性和排气污染的主要过程，与噪声、振动、起动性能和使用寿命有重大关系。1. 汽油机燃烧过程：一）正常燃烧过程：图中1-开始点火2-形成火焰中心3-最高压力点 着火延迟期（12段）：从火花塞点火至气缸压力摆脱压缩线急剧上升时的时间或曲轴转角。着火延迟期的长短与燃料本身的分子结构和物理化学性质、过量空气系数（0.80.9最短）、开始点火时气缸内温度和压力（取决于压缩比）、残余废气量、气缸内混合气的运动、火花能量大小等因素有关。明显燃烧期（23段）：从火焰中心形成到气缸内出现最高压力为止这段时间。平均压力上升速度表征燃烧过程中，压力变化的急剧程度。明显燃烧期，压力上升高，若过大，会导致发动机的振动及噪声加大，工作粗暴，排放污染严重。后燃期(3点后)：从最高压力点开始到燃料基本燃烧完为止。明显燃烧期火焰前锋后未燃烧的燃料继续燃烧，吸附在缸壁上的混合气层继续燃烧，部分高温分解产物（H2、O2、CO等），膨胀过程中温度下降又重新燃烧放热。最高压力应在上止点后1215曲轴转角内。不规则燃烧：指在稳定正常运转情况下，各循环之间的燃烧变动和各缸之间的燃烧差异。（原因）各循环间的燃烧变动：火花塞附近混合气的混合比和气体紊流性质、程度在各循环均有变动，使火焰中心形成的时间不同而引起。各循环间的燃烧变动主要是燃烧的不稳定性。表现为循环的压力波动。各缸间燃烧差异：主要是燃料分配不均使空气燃比不一致造成。2不正常燃烧：分爆燃和表面点火（正常燃烧：火焰前锋及时到达将其引燃到燃烧完为止）爆燃：火焰前锋未到达前，末端混合温度达到了自燃温度，形成新的火焰中心，产生新的火焰快速传播。（危害）机件过载、机件烧损、性能指标下降（影响因素）燃料性质：辛烷值高的燃料抗爆燃能力强；末端混合气的压力和温度：末端混合气的压力和温度增高爆燃倾向增大；火焰前锋传播到末端混合气的时间：提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，利于避免爆燃。（措施）点火时刻推迟是避免爆燃的有效手段。提高汽油辛烷值及加入添加剂，能减轻爆燃。表面点火：在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室炽热表面（如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门、炽热的积炭等）点燃混合气而引起的不正常燃烧现象。（分为早燃和后燃）早燃：高温炽热表面在火花塞跳火前点燃混合气的现象。会诱发爆燃。（措施）防止表面点火选用低沸点的汽油和成焦性小的润滑油、降低压缩比、在燃料中加入抑制表面点火的添加剂。3.使用因素对燃烧