好发动机原理与汽车理论.doc

第一章 工程热力学基础 1. 一次能源：在自然界中以自然形态存在可以直接开发利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、海洋能等。2. 二次能源：由一次能源直接或间接转化而来的能源，如电力、煤气、汽油 、沼气、氢气、甲醇、酒精等。3. 热能利用有两种基本方式：一种是热利用，即将热能直接用于加热物体，以满足烧饭、采暖、烘干、熔炼等需要；另一种是动力利用，通常是指通过各种热力发动机（热机）将热能转换成机械能或者再通过发电机转换成电能，为人类的日常生活、工农业生产及交通运输提供动力。4. 工质：工程热力学中，把实现热能与机械能相互转换的工作物质称为“工质”。汽车发动机的工质是气体（包括空气、燃气和烟气）。因为气体具有最好的流动性和膨胀性，便于快速引进热机，做功以后又能迅速排出热机，在相同压差和或温差下，其膨胀比最大，因而能够更有效地做功。同时，由于气体的热力性质最简单，可以简化为理想气体，所以我们仅讨论气体的性质。5. 热力系统：在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究的具体对象，称为热力系统，简称系统。与该系统有相互作用的其他系统称为外界。包围系统的封闭表面就是系统与外界的分界面，称为边界（或界面）。边界可以是真实的，也可以是假想的。根据边界上物质和能量的交换情况，热力系统可以分为下面几类： （1）开口系统：与外界有物质交换的系统； （2）封闭系统：与外界无物质交换的系统； （3）绝热系统：与外界无热交换的系统； （4）孤立系统：与外界无物质交换也无能量交换的系统。6. 真空度的数值越大，说明越接近真空。表压力、真空度都是相对于当时当地的大气压力而言的。显然，只有绝对压力才是真正说明气体状态的参数。7. 热力过程：指热力系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态总合。 热力系统从一个平衡状态连续经历一系列（无数个）平衡的中间状态过度另一个平衡状态，这样的过程称为内平衡过程；否则就是内不平衡。8. 热力学第一定律：在热能与其他形式能的互相转换的过程中，能的总量始终不变。 热力学第一定律的实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律，它建立了热力过程中的能量平衡关系，是热力学宏观分析方法的主要依据之一。它说明了不花费任何能量就可以产生功德第一类永动机是不可能被成功制造的。9. 热力学第二律 克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。 开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其他影响。热力学第二律揭示了热力过程具有方向性这一普遍规律。机械能可以自发地转变为热能，而热能却不能自发地转变为机械能。这就说明自发过程是不可逆的。第二章 发动机的性能指标发动机的性能指标主要包括：动力性能指标、经济性能指标及运转性能指标。1. 发动机的理论循环是把它的实际工作过程加以简化，以便作定量分析。其最简单的理论循环为空气标准循环，其简化条件为：（1） 假设工质为理想气体，其比热容为定值；（2） 假设工质的压缩膨胀是绝热的等熵过程；（3） 假设工质是在闭口系统中作封闭循环；（4） 假设工质燃烧为定压或定容加热，放热为定容放热；（5） 假设循环过程为可逆循环。发动机有三种基本理论循环：定容加热循环、定压加热循环和混合加热循环。理论循环是用循环热效率和循环平均压力来评定的。2. 发动机的实际循环：进气行程、压缩行程、燃烧行程、做功行程、排气行程。3. 理论循环与实际循环的比较 为了解实际循环的热量分配情况，寻找它的损失所在，首先应将实际循环与理论循环进行比较。造成热量损失的主要有一下几项：（1） 实际工质的影响；（2） 换气损失；（3） 燃烧损失；（4） 传热损失4.发动机的指示指标、有效指标和强化指标 指示指标：以工质在气缸内对活塞做功为基础，用指示功、平均指示压力和指示功率评定的动力性即做功能力。用循环热效率和燃油消耗率评定循环经济性。 有效指标：是以曲轴对外输出功率为基础，代表发动机的整体性能。第三章 发动机的换气过程1. 换气程可分为：自由排气、强制排气、进气和燃烧室扫气四个阶段。四冲程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的全过程，约占410度-480度曲轴转角。自由排气阶段：从排气门开启到气缸压力接近于排气管压力的这个时期。 强制排气阶段：此时废弃被上行的活塞推出。 进气过程：一般进气门在上止点前040曲轴转角开始打开，到下止点后40-70曲轴转角关闭。 燃烧室扫气：在气门重叠期内，可利用气流压差和惯性清除残余废气，增加新鲜充量，特别是增压发动机，由于进气压力高，和较长的气门重叠时间，可以更好地利用新鲜充量来帮忙清除废气和降低燃烧室热区零件的温度，称为燃烧室扫气。2. 配齐相位：进、排气门的实际开闭时刻和持续时间，称为配齐相位，通常用曲轴转角表示。3. 气门重叠：由于排气门晚关和进气门提前打开，因而存在进、排气门同时开启的现象。4. 换气损失和泵气损失：换气损失由排气损失（自由排气损失和强制排气损失）和进气损失组成。泵气损失：又称为泵气过程功，是四冲程发动机在进、排气两个行程中，活塞因排气和进气所付出或获得的功，此功可正、可负。二冲程发动机因无单独的进、排气行程，所以无泵气损失。5. 四冲程发动机的充气效率：它是评价换气过程完善程度的指标。是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新鲜充量之比。影响充气效率的因素有：进气状态和进气终了状态的气缸压力、温度、残余废气系数、压缩比及配气相位。进气终了状态压力越大充气效率越高。进气终了温度越高，充气效率越低。气缸中残余废气增加，则充气效率降低。提高压缩比可以提高充气效率。6. 提高发动机充气效率的措施（1） 减少进气系统的流动损失；（2） 减少对新鲜充量的加热；（3） 减少排气系统的损失；（4） 合理地选择配气相位；7. 配齐相位的选择从一下几个方面考虑：（1） 充气效率高，以保证发动机的动力性能；（2） 必要的燃烧室扫气，以保证降低高温零件的热负荷，使发动机的运行可靠；（3） 合适的排气温度；（4） 良好的充气效率特性，以适应转矩特性的要求；（5） 较小的换气损失，以保证发动机的经济性。8. 二冲程发动机的换气过程扫气机构有三种方式：（1） 曲轴箱扫气；（2） 采用单独的扫气泵；（3） 采用废气涡轮增压。9. 二冲程发动机与四冲程发动机的换气过程的区别有：（1） 二冲程发动机的换气时间短，换气质量差，新鲜充量损失多，新鲜充量与废气掺混多，残余废气系数大；（2） 二冲程发动机扫气消耗功大；（3） 二冲程汽油机的HC排放高。10. 二冲程发动机换气系统的基本类型：（1）横流扫气；（2）回流扫气；（3）直流扫气第四章 发动机的废气涡轮增加增压是发动机提高功率最有效的方法，为什么？1. 增压度：发动机增压后增长的功率与增压前的功率之比。现代四冲程增压柴油机增压度可达以上，多数车用发动机增压度为10%-60%。2. 增压比：增压后空气压力与增压前空气压力之比。3. 增压的优、缺点优点：（1） 在保证输出功率不变的情况下，可以使气缸数减少或者气缸直径减少，从而可以减少发动机的比质量和外形尺寸；（2） 提高热效率，降低燃油消耗率；（3） 减少排气污染和噪声；（4） 降低发动机的单位功率造价；（5） 对补偿高原有利功率损失。增压技术用于发动机上的困难：（1） 增压发动机的机械负荷和机械负荷都较高；（2） 增压发动机很难满足车辆转矩的适应性和瞬时工况变化的要求；（3） 车用汽油机应用增压技术较难；（4） 小型涡轮增压器发展晚并且效率偏低。4. 增压系统的分类： （1）机械增压系统 （2）废气涡轮增压系统 （3）复合增压系统 （4）气波增压系统各种增压技术中，以废气涡轮增压技术最成熟，效率也高，应用最广。废气涡轮增压器按废气在涡轮机中的不同流动方向分为径流式轴流式两大类。车用发动机多采用径流式涡轮增压器。5.废气能量利用的两种基本形式：恒压增压系统、脉冲增压系统。车用发动机常用脉冲增压系统。6. 增压系统的选择原则有：低增压时选择脉冲系统，高增压时选择恒压系统。车用发动机均选用脉冲增压系统，因为车用发动机大部分时间处于部分负荷下工作女，工况始终变化，对转矩特性和加速性能要求较高。 第五章 燃料与燃烧热化学1. 发动机的燃料：目前发动机使用的燃料主要是汽油和柴油两种石油产品。使用和研究的代用燃料有醇类燃料、植物油燃料、动物油燃料等液体燃料，氢气、天然气、液化石油气等气体燃料和煤浆等固体燃料，比较成熟的且已应用的燃料是醇类燃料。石油产品：组成石油产品的烃，按其化学结构的不同，可分为烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃四种。 醇类燃料：主要指甲醇和乙醇。醇类燃料具有以下性质：（1） 醇类燃料的热值比石油燃料低，但其理论空燃比也小，故可通过加大燃料供给量使二者混合气热值基本一样，从而保证发动机使用醇类燃料时动力性不致降低；（2） 醇类的汽化潜热比石油燃料的要大得多，这导致混合气形成及启动困难，使压缩终了缸内温度较低，着火延迟期延长，着火性能下降；（3） 醇类的辛烷值比汽油高，在汽油机上使用时可以提高发动机压缩比，有利于提高发动机的动力性和经济性；（4） 醇类的十六烷值太低，着火性能差。（5） 醇的沸点低，产生气阻的倾向大。（6） 甲醇有一定的毒性，对视神经有损伤，对金属有腐蚀，因此使用中应采取措施。 天然气：天然气具有以下优点：（1） 辛烷值高达130，可采用高压缩比，获得较高的热效率；（2） 天然气主要成分是甲烷，CO排放少，未燃的HC成分引起的光化学反应低；（3） 低温启动性和低温运转性能良好，进而在暖机过程中，不需要外供气，不完全燃烧成分减少； （4） 是一种高燃点的轻量气体，在正常温度和压力下，比汽油更安全；（5） 燃烧下限宽，稀燃特性优越，在广泛的运转范围内，可降低NO生成，进而也可以提高热效率；（6） 适用性良好，可采用油气双燃料供气方式，也可以采用单一天然气燃料供气方式工作。氢气：氢气作为内燃机燃料具有以下优点：（1） 质量低热值高，是汽油的2.73倍；（2） 着火界限很宽；（3） 有很高的火焰传播速度；（4） 点火能量较低。2. 燃料的使用特性 柴油的使用特性：轻柴油用于高速的柴油机，重柴油用于中、低速柴油机。（1） 十六烷值：是评定柴油自然性能好坏的指标，直接影响柴油机工作的粗暴性和启动性。十六烷值过高，燃料分子量加大，使燃油蒸发性变差、粘度增加，导致燃烧不完全，经济性变差，排气冒黑烟。十六烷值过低，使柴油机工作粗暴，启动困难。一般高速柴油机采用十六烷值为40-50，低速柴油机采用30-40的。（2） 馏程：是表示柴油蒸发性能的指标，它是用燃油馏出某一百分比的温度范围来表示。燃料馏出50%的温度低，说明轻馏分多，蒸发性能好，易于形成可燃混合气。所以，高速柴油机使用轻馏分多的柴油。（3） 粘度：是燃料流动性的尺度。它影响柴油的雾化质量。（4） 疑点：是用来评价柴油低温流动性的，指柴油失去流动性开始疑结的温度。我国柴油的牌号是以其疑点大小命名的。轻柴油按疑点不同分为10、0、-10、-20、-35号五级，其疑固点分别不高于10度、0度、-10度、-20度、-35度。选用柴油时应按最低环境温度要高出疑固点5度以上。汽油的使用特性：（1） 辛烷值：表示汽油抗爆性的指标。辛烷值越高，抗爆性越好，有利于提高发动机的压缩比。我国车用汽油是以研究法辛烷值来标号的。有RQ90、RQ93、RQ97等品种。（2） 馏程：是评价汽油蒸发性的指标。常用汽油的10%、50%、90%等馏分的馏出温度来评定。3.过量空气系数及空燃比： 将燃烧1kg燃料实际供给的空气量与燃烧1kg燃料理论上需要的空气量之比称为过量空气系数，用表示，是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个重要参数，应该在保证发动机的经济性较高的前提下力求减小值。汽油机的一般为0.85-1.1. 除了用表示混合气浓度外，还可以用空气燃料比A/F表示。4 .着火方式和着火机理 着火方式有自然着火和强迫着火。 着火机理有热着火理论和链式反应着火理论。5.着火过程有以下两个特征：（6） 具有一定的着火温度。（7） 从反应开始到系统达到着火温度之前有一段感应期，通常称为着火延迟期。在着火延迟期内，反应速率很缓慢，可燃混合气组分的浓度、温度及压力都变化不大。6. 燃烧方式：燃烧分为气相燃烧和固相燃烧。气相燃烧是指燃料以气体状态与空气混合所进行的燃烧，固相燃烧是指固体燃料没有挥发而在表面与空气燃烧。内燃机中，汽油和柴油虽然都是液体燃料，但燃烧是以气相方式进行的。 气相燃烧可分为预混合燃烧和扩散燃烧两类。预混合燃烧是指着火前燃料气体或燃料蒸气与氧化剂已按一定比例形成混合气。扩散燃烧是指着火前燃料与氧化剂是相互分开的，着火后燃料边蒸发边与空气混合边燃烧。列如，汽油机和气体燃料发动机的燃烧属于预混合燃烧方式；而柴油机的燃烧基本属于扩散燃烧方式，但其燃烧初期有不同程度的预混合燃烧。第六章 柴油机的混合气的形成与燃烧燃油的喷射与雾化：燃油喷射系统包括喷油泵、喷油器和高压油管，其作用是按柴油机各种工况的需要，将定量燃料在适当的时刻，以合理的空间形态喷入燃烧室，即对定量燃油的数量、喷油的持续时间和油束空间形态三方面实行有效的控制，这对混合气形成及燃烧过程的有效组织有着重要作用。1. 目前柴油机上广泛应用柱塞式喷油泵。当喷油泵的油量控制机构位置固定时，每循环的供油量随转速变化的关系称为油泵的速度特性。每循环的供油量随转速的升高而增加。常用的矫正方法有：出油阀矫正和弹簧矫正。2. 喷油的三个阶段：喷油延迟阶段，主喷射阶段，滴漏阶段。3. 影响油束特性的因素：（会分析） （1）喷油器结构 （2）喷油压力 （3）介质反应力 （4）喷油泵凸轮外形及转速4. 柴油机的燃烧过程 （1）着火延迟期 （2）速燃期 （3）缓燃期 （4）后燃期5. 柴油机中，可燃混合气的形成方式有：空间雾化混合、油膜蒸发混合；燃烧室的形状有： 直喷式燃烧室：产生空气运动的方法有进气涡流、挤流 分隔式燃烧室：6. 影响燃烧过程的运转因素和结构因素 运转因素：燃料性质的影响、负荷的影响、转速的影响、供油提前角的影响 结构因素：供油提前角、油泵凸轮轮廓线、柱塞直径、出油阀结构第7章 汽油机混合气的形成与燃烧1. 汽油机的混合气形成主要有两种方式：一类是利用化油器在气缸外部形成均匀可燃混合气体，靠控制节气门的开度来调节混合气数量。另一类是利用喷油嘴向进气管、进气道或气缸内喷射汽油形成混合气。2. 汽油机的正常燃烧过程是：着火延迟期、明显燃烧期、后燃期。燃烧过程的图像（教材P123）.3. 不规则燃烧：是描述汽油机在稳定正常运转时存在的各循环之间的燃烧变动和各气缸之间的燃烧差异。4. 汽油机的不正常燃烧包括：爆燃和表面点火（早燃）。5. 影响燃烧速度的因素有： （1）火焰传播速度 （2）火焰前锋面积 （3）可燃混合气的密度6. 使用因素对燃烧过程的影响： （1）混合气浓度。过量空气系数在1.03-1.1时燃烧最完全。 （2）点火提前角。点火提前角过大会使压缩负功增大，功率下降，爆发压力和末端混合气温度上升，爆燃倾向增大；点火提前角过小，由于燃烧不及时，致使爆发压力和温度下降，传热损失多，排气温度升高，功率和热效率降低，但爆燃倾向减小。 （3）转速。转速增加，火焰传播速度增加，爆燃倾向减小。 （4）负荷。随着负荷的减小要增大最佳点火提前角。负荷减小时，由于参与废气稀释作用增加，气缸内压力、温度下降，故爆燃倾向减小。7. 对汽油机燃烧室的要求： （1）结构紧凑 （2）具有良好的充气性能 （3）火花塞位置安装得当 （4）燃烧室形状合理分布 （5）能产生适当的气体流动第9章 发动机的特性1. 工况：发动机的运行情况。它可以分为以下几类： （1）恒速工况 （2）螺旋桨工况 （3）面工况 （4）点工况2. 发动机特性：发动机性能指标随着调整情况及运转工况变化而变化的关系称为发动机特性。3. 发动机功率按不同用途可以分为以下几类： 15min功率 ：汽车、军用车辆、摩托车的发动机功率标定。 1h 功率：拖拉机、工程机械、船舶的发动机功率标定。 12h功率：拖拉机、农业排灌、电站等发动机功率标定。 持续功率：农业灌溉、电站、船舶、铁路牵引等发动机功率标定。4. 汽油机负荷特性：当汽油机转速保持不变，而逐渐改变节气门开度，同时调节测功器的负荷，小时耗油量和耗油率随功率变化而变化的关系称为汽油机负荷特性。5. 柴油机负荷特性：当柴油机保持某一转速不变时而移动喷油泵的齿条或拉杆，改变每循环喷油量时，耗油量和耗油率随功率的变化而变化的关系称为柴油机负荷特性。6. 负荷特性的实用性：确定发动机的标定工况；因负荷特性易于测定常用于发动机调试，改变设计时用来检验设计效果；作为内燃机发电机组工作特性；根据不同转速的负荷特性可制取万有特性。7. 发动机的速度特