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第一章 发动机的性能 动力性能指标：功率、转矩、转速。 经济性能指标：燃料与润滑油消耗率。发动机的性能指标主要有 运转性能指标：冷起动性能。噪声和排气品质。 耐久可靠性指标：大修或更换零件之间的最长运行时间与故障长期工作能力。第一节 发动机理论循环一、三种基本循环1进行理论循环分析的目的发动机的理论循环是将实际循环进行若干简化，忽略一些次要的影响因素，并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、化学过程（如可燃混合气的准备与燃烧过程等）进行简化处理，从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环。（1）用简单的公式来阐明发动机工作过程各基本热力参数间的关系，以明确提过以理论循环热效率为代表的经济和以循环平均压力为代表的动力性的基本途径。（2）确定循环热效率的理论极限，以判断实际发动机工作过程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。（3）有利于分析比较发动机各种热力循环方式的经济性和动力性。2建立理论循环的简化假设最简单的理论循环是空气标准循环。（1）假设工质(工质是热机中热能转变的一种媒介物质（如燃气、蒸汽等）依靠它在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功)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。（2）假设工质是闭口系统中作闭循环。（3）假设工质的压缩及膨胀是绝热熵等过程。（4）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。3三种基本循环发动机有三种基本空气标准循环，即定容加热循环、定压加热循环和混合加热循环。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，由于受热燃烧最高压力的限制，大部分燃料在上止点以后燃烧，燃烧时汽缸压力变化不显著，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、定压加热循环的组合，近似为混合加热循环。 混合加热循环 定容加热循环 定压加热循环图中，ac为绝热压缩，az为等容或等压加热，zb为绝热膨胀，ba为等容加热。二、循环热效率tt是工质所做循环功W(J)与循环加热量Q1(J)之比，用以评价循环经济性。=WQ1= Q1-Q2/Q1=1-Q2/Q1式中：Q2工质在循环中放出的热量（J）。 按工程热力学公式，混合加热循环热效率为： tm=1-1/Ck-1pk-10k-1/(p-1)+kp(0-1)式中：C压缩比，C= =(Vs+ Vc)/ Vc=1+ Vs/Vc其中，Va为汽缸总容积，Vc为汽缸压缩容积，Vs为汽缸工作容积； p压力升高比，p=Pz/Pc； 0初始膨胀比，0=Vz/Vz; k 等熵指数。 定容加热循环（0=1）热效率为： V=1-1/Ck-1 （1-2） 定压加热循环（p=1）热效率为：p =1-1/Ck-10k-1/p(0-1)（1-3）1 压缩比C随着压缩比的增大，三种循环的t提高。因为可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，如图1-2所示。图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况。 1-2最高温度相同时，提高压缩比对循环的影响1-3定容加热循环热效率与压缩比的关系2 等熵指数k等熵指数k对t的影响如图所示。随k值增大，t将提高。K值取决于工质的性质，双原子气体k=1.4，多原子气体k=1.333 压力升高比p在定容加热循环中，随着循环加热量Q1的增加，p值成正比加大。若c保持不变，则工质的膨胀比耶不会变化，这样，循环放热量Q2亦相应增加，而Q2/Q1不变，t亦不变。在混合加热循环中，当循环总加热量Q1和c不变时，p增加，则减少，即平均膨胀比Vb/（Vz-Vz）/2增加，图中zb变到zb,相应的Q2减少，t提高。p、0对t、Pt的影响4 初始膨胀比0在等压加热循环中，随着加热量Q1的增加，0值加大。如c保持不变，由式（1-3）可知因平均膨胀比减少，放出的热量Q2增加，t下降。在混合加热循环中，当循环总加热量Q1和c保持不变，0值增加，意味等压加热部分增大（见上图），同样t下降。三、循环平均压力Pt（kPa）是单位汽缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力Pt=W/Vs式中：W循环所做的功（J） Vs汽缸工作容积（L）根据工程热力学公式，混合加热循环的平均压力位：式中：Pde进气终点的压力（kPa）。定容加热循环的平均压力为：PtV=ck/ -1Pde/k-1 (p-1)t定压加热循环的平均压力位：Ptp=ck/c-1Pde/k-1 k (0-1)t可见，Pt随进气终点压力Pde、压缩比c、压力升高比p、初始膨胀比0、等熵指数k和循环热效率t的增加而增加。在混合加热循环中，如果循环加热Qt不变，增加0即减少p，定压加热部分增加，而定容加热部分减少t下降，因而Pt也下降。（1）结构条件的限制。尽管从理论循环的分析可知，提高发动机的压缩比c和压力升高比p对提高循环热效率t和循环平均压力Pt均起到有利的作用，但c和p的增加将导致最高燃烧压力Pmax和压力升高率dp/d的升高，使发动机的负荷水平、振动和噪声大大增加，因而受到发动机结构及强度的限制。为保证发动机的可靠性和使用寿命，考虑发动机的制造成本，在实际选择上述参数时，须根据具体情况权衡利弊而定。（2）机械效率的限制。发动机的机械效率m与汽缸中的最高燃烧压力Pmax密切相关而Pmax决定曲柄连杆机构的设计。相同转速下，Pmax的增加不仅会使活塞与汽缸套之间的摩擦损失增加，也使得活塞、连杆等运动的质量及其惯性增加，轴承的承压面积加大，从而进一步增加发动机的摩擦损失，因此不加限制提高c或p，将导致机械效率m的下降，从有效性能指标上看，使得有压缩比c和p提高而获得的收益得而复失。这一点，对于本来压缩比已经很高的柴油机来说更为明显。（3）燃烧方面的限制。若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面点火等不正常燃烧的现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使终了时的汽缸容积变得很小，燃烧室的设计和制造难度增加，也不利于混合的形成和燃烧的高效进行。（4）排放方面的限制。循环供油量的增加取决于实际吸入汽缸内的空气量，即有空燃比的限制，否则将导致燃烧不完全而出现冒烟、热效率下降和发动机的HC、CO排放激增。另外，发动机压缩比的上升，使得最高燃烧温度和压力上升，发动机的NOX排放物增加，振动噪声增加。四、三种基本循环的比较对发哦增压这类受机件强度限制，其循环最高燃烧压力不得过大的情况，提高c同时增大定压加热部分的热量有利。第二节 四冲程发动机的实际循环发动机工作过程中燃烧产生的热量是通过汽缸内进行的工作循环转化为机械功的，即汽缸中工质的燃烧压力作用在活塞顶上，通过曲柄连杆机构没在克服了发动机内部各种损耗后，对外做功。因此，在研究发动机的动力性能和经济性能，应首先对发动机的一个工作循环中热功转换的质和量两方面加以分析。发动机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过程。发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。较之理论循环复杂得多。一、进气过程为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，即使进气过程。此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。首先是上一循环留在汽缸中的残余废气膨胀，压力由排气终点的压力Pr降到压力Pr,然后新鲜工质才被吸入汽缸。由于进气系统的阻力，进气终点压力Pde一般小于大气压力P0或增压压力Pk，压力差（P0-Pde）或（Pk- Pde）用来克服进气系统阻力。因为气流受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终点的温度Tde也总是高于大气温度T0或增压器出口温度Tk。二、压缩过程发动机进行压缩过程时，进排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比c表示。压缩过程的作用是增大工作过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利的条件。在柴油机中，压缩后气体的高温是保证燃料着火的必要条件。在理论循环中，假设压缩过程是绝热的。实际上，发动机的压缩过程是个复杂的多变过程。压缩开始，新鲜工质的温度较低，受缸壁加热，多变指数n1k；随着工质温度上升，某一瞬间与缸壁温度相等，n1=k；此后，由于工质温度高于缸壁，向缸壁传热，n1k。因此在压缩过程中，多变指数n1是不断变化的。但在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数n1来取而代之，只要以这个指数n1计算而得到的多变过程，其始点a和终点c的工质状态与实际过程的初、终状态相符即可。n1称为平均压缩多变指数。试验测定n1的大致范围是：汽油机 n1=1.321.38高速柴油机 n1=1.381.40增压柴油机 n1=1.351.37n1只要受工质与缸壁间的热交换及工质泄露情况的影响。当发动机转速提高时，因热交换的时间缩短，向缸壁的传热量及汽缸泄露量减少。所以n1增大，当负荷（即阻力矩变化而引起发动机加速踏板的增减）增加、采用空气冷却以及汽缸直径较大时，汽缸温度增高及相对的传热量和泄露量减少，n1增大。而当泄露量增加或汽缸温度降低时，n1减小。压缩终了的压力和温度可用下式计算Pco=Pdecn1Tco=Tdecn1-1Pco、Tco的大致范围是Pco（Mpa） Tco（K）汽油机 0.82.0 600750柴油机 3.05.0 7501000增压柴油机 5.08.0 9001100 压缩比c时发动机的一个重要的结构参数。在汽油机中，为了提高热效率，希望增加压缩比，但受到汽油机不正常燃烧