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【机密】 南京农业大学车辆工程2009级 发动机原理复习资料发动机原理复习整理第一章 工程热力学基础【1】工质：在热力设备中用来实现热能与其它形式的能量交换的物质。热力设备通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。【2】了解描述气体热力状态的参数（主要与基本）（物理量）主要状态参数：压力P、比容、温度T、内能、熵、焓。基本状态参数：1、比容：用表示，单位是m3/kg 。定义：单位质量的物质所占的容积。即：=V/MV-物质的容积,m3; M-物质的质量，kg。2、压力：用P表示，单位是Pa，MPa、kPa。定义：系统单位面积上受到的垂直作用力。即：P=F/A3、温度：用T表示，单位是K。定义：表征物体的冷热程度。（气体分子的平均动能越大）【3】理想气体：气体分子本身不占有体积，分子之间无相互作用力的气体。 理想气体的状态方程： P=RT； PV= mRT； V= m 对空气，R=0.287kJ/kgK【4】热力学第一定律（能量守恒）：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。进入系统的能量-离开系统的能量 =系统内部储存能量的变化量。热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学上的具体应用，它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。它表达工质在受热作功过程中，热量、作功和内能三者之间的平衡关系。【5】（简单了解）理想气体的热力过程1、 定容过程：过程进行中系统的容积（比容）保持不变的过程。=常数，P/T=常数。加入工质的热量全部转变为工质的内能。2、 定压过程：过程进行中系统的压力保持不变。P=常数，/T=常数3、 定温过程：过程进行中系统的温度保持不变的过程。T=常数，P=RT=常数。加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。4、 绝热过程：过程进行中系统与外界没有热量的传递（q=0 s=q/T=0，故也称定熵过程 ）。Pvk=常数。外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。【6】热力学第二定律表述：热量不可能自发的、不付任何代价的由一个低温物体传至高温物体。热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。不可能制成一种循环工作的热机，仅从单一的高温热源取热，使之完全转变为有用功，而不向低温热源（冷源）放热。单热源热机是不存在的。【7】热力循环：:系统从某一状态（初始状态）出发，经历一系列的中间状态，又回到初始状态，这样一个封闭的热力过程称为一个热力循环。（在P-V图上，热力循环是一封闭的曲线。）【8】活塞式内燃机的理想循环：为便于分析内燃机的实际工作过程，将内燃机的某个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆过程，这样得到的一个闭合循环，称为理想循环。理想化的原则及方法：1、工质所经历的状态变化为一闭合循环； 2、循环中工质的数量和化学成分始终不变；3、组成各循环的过程都是可逆的； 4、工质的比热为定值。【9】内燃机的实际工作过程（5个）：进气、压缩、燃烧、膨胀、排气。（P/V图如图1-9内燃机的实际工作过程）汽油机的理想循环：等容加热循环。 1-2的压缩过程绝热压缩； 2-3的燃烧过程等容加热；（图1-10汽油机的理想循环） 3-4的膨胀过程绝热膨胀； 4-1的排气过程等容放热。车用柴油机的理想循环混合加热循环。1-2的压缩过程绝热压缩； 2-3的燃烧过程等容加热；（图1-11车用柴油机的理想循环） 3-4的燃烧过程等压加热； 4-5的膨胀过程绝热膨胀；5-1的排气过程等容放热。低速柴油机的理想循环等压加热循环。1-2的压缩过程 -绝热压缩； 2-3的燃烧过程-等压加热;（图1-12低速柴油机的理想循环） 3-4的膨胀过程 -绝热膨胀； 4-1的排气过程 -等容放热。图1-11车用柴油机的理想循环图1-9内燃机的实际工作过程（图1-10汽油机的理想循环）a：进气终点c：压缩终点z：燃烧终点b：膨胀终点r：排气终点Va-气缸的总容积Vc-气缸的压缩容积Vh-气缸的工作容积TDC-上止点BDC-下止点图2-1四行程发动机示功图图1-12低速柴油机的理想循环【10】影响内燃机理想循环的主要因素：1、 压缩比的影响：压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比较大时，热效率随压缩比的增加增大较少。2、 K的影响：由公式看出，KT（混合气较稀,K较大）3、 的影响：(1) 对定容加热循环，T不变 (2) 对混合加热循环，T4、 的影响：（1）对等压加热循环，T。( Q2) （2）对混合加热循环，T第二章 发动机工作循环及性能指标【1】发动机的实际循环，会画（P/V）示功图。（图2-1四行程发动机示功图）发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成。【2】内燃机的性能指标包括：1、指示指标：据示功图求得的动力性和经济性指标。它是以工质在气缸内对活塞所做的功为基础的性能指标。意义：用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程。2、有效指标：考虑到机械损失的指标。小于指示指标。 它是以曲轴对外输出的功为基础的性能指标。意义：用来评定发动机性能的好坏。区别以下概念：指示指标：指示功（或循环指示功）：在气缸完成一个循环，工质对活塞所做的功。示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多少。平均指示压力Pi：发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。指示功率Ni：单位时间内所做的指示功，Ni, KW。指示燃油消耗率gi：单位指示功所消耗的燃油量，用gi表示。）g/kwh指示热效率i：实际循环指示功Wci与所用燃油的发热量Q1之比值,用i表示。汽油机：gi 205320 i 0.250.40 柴油机：gi 170205 i 0.400.50指示指标：机械损失包括：摩擦损失：活塞环与缸壁间，各轴承与轴颈间，气门传动机构的摩擦。占总损失的6075%。驱动附属机构的能量损失占1020%。泵气损失：占1020%。机械损失功率Nm: 因机械损失所消耗的功率有效功率Ne（NeNi-Nm）:曲轴对外输出的功率。有效扭矩（转矩）Me是发动机工作时曲轴输出的平均扭矩。Ne=Men9549 KW平均有效压力Pe: 单位气缸工作容积的循环有效功。是评价发动机动力性和强化程度的重要指标。升功率NL：发动机每升工作容积发出的有效功率。NLNe/(i Vh) kw/L从有效功率的角度，衡量发动机排量利用的程度，NL越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。比重量：发动机的净重量G与所发出功率Ne的比值。GeG/Ne表征重量利用程度和结构紧凑性。 升功率和比重量都是发动机的强化程度指标。越大，内燃机的热负荷和机械负荷越高。有效燃油消耗率: 单位有效功率的油耗量。 ge1000Gf/Ne g/kwh有效热效率：发动机的有效功We与所消耗的燃油发出的热量Q1的比值。 ge、e是发动机的经济性能指标。总结：1、按评价发动机性能的不同使用方面常用的性能指标：有效功率Ne，有效扭矩（转矩）Me，有效燃油消耗率ge。结构设计方面常用的性能指标（强化程度指标）：平均有效压力Pe，升功率NL. 比重量Ge 3、动力性指标：有效功率Ne，有效扭矩（转矩）Me，平均有效压力Pe，升功率NL；（4个） 经济性指标：有效燃油消耗率ge，有效热效率e。（2个）【3】1.机械损失功率:发动机机械损失所消耗的功率，Nm2.平均机械损失压力:单位气缸工作容积的机械损失功，PmPi-Pe 3. 机械效率：指示功转变为有效功的程度。m汽油机：m0.70.9；柴油机：m0.70.85；增压柴油机：m0.80.92【4】影响机械效率m的因素：使用因素：转速、负荷、润滑油品质、水温等；结构设计因素：最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。 转速n：: n,m（负荷一定=Pi、Ni基本不变n=摩擦损失 =机械损失=Pm）故用提高n来增加发动机的动力性指标受到限制。 负荷：发动机的转速变化时,作用在发动机曲轴上的阻力矩。负荷=Pi,Pm近似不变=mPm/Pi 润滑油粘度即机油的稠稀程度。粘度=内部摩擦=机械损失Ni不变=m 粘度=Pm=m粘度过小=机油的承载能力太低=油膜破裂=发生干摩擦=烧瓦=Pm=m另外，机油粘度还与其温度有关。机油温度升高，导致机油粘度降低。 冷却水的温度直接影响到润滑油的温度，因而也就关系到润滑油粘度和摩擦损失的大小。使用中，发动机的冷却水温度保持在8095范围内。【5】复习思考题1、什么是发动机的指示指标、有效指标？它们有什么用途？2、发动机的指示指标、有效指标各有哪些？它们的定义、单位是什么？3、什么是机械损失？有哪几部分组成？4、什么是机械效率？当发动机的转速、负荷、机油粘度、水温发生变化时，m怎样变化？第三章 内燃机的换气过程【1】发动机的换气过程概念：发动机的换气过程是排气过程和进气过程的通称;包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期;约占410480曲轴转角。【2】换气过程的任务（为什么要进行换气）：将缸内空气排出干净,并充入尽量多的新鲜充量。换气过程进行的完善程度是提高发动机动力性的重要因素。【3】换气过程分五个阶段： 1、自由排气阶段；2、强制排气阶段；3、进排气重叠阶段；4、进气阶段5、惯性进气阶段【4】换气损失有: 排气损失（w:膨胀损失； x:推出损失）; 进气损失。随着排气提前角的增大,膨胀损失增加,推出损失减小。【5】（必考）充气效率(充气系数) 1、扫气效率sc：指封存在气缸内的空气质量ma与封存在气缸内的总气体质量(ma+mr)之比 sc=ma/(ma+mr)=1/(1+r) (sc大则残余废气少) mr残余废气质量；r=mr/ma 残余废气系数 2、容积效率v：指封存在气缸内的总气体质量与在进气状态下（Ps、Ts）封存在气缸内的空气质量m之比。 v=(ma+mr)/m对非增压发动机，进气状态指空气滤清器后进气管内的气体状态。对增压发动机，指压气机后进气管内的气体状态。3. 充气效率CH：指封存在气缸内的空气质量（混合气）ma与在进气状态下（Ps、Ts）封存在气缸内的空气质量（混合气）m之比。 CH=ma/m =Vs/Vh CH= SC V (由于进气阻力、气缸压力和温度的影响，CH0=ma=发动机功率。2、结构因素（3个）：(1)进气系统一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以增大进气终了的压力，提高充量系数。试验证明，增大进气终了的压力比降低残余废气系数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。压缩比e ：e，Vc，r，CH。配气相位：配气相位是进排气门启闭角与曲轴转角的关系。进气滞后角对CH的影响最大。改变进气滞后角可以改变CH随转速变化的趋向，用以调整发动机的扭矩和有效功率。高速发动机进气滞后角较大，以提高高速下的充量系数。 【7】（重点）提高充气系数的措施：（5个）1、减小进气系统的阻力 Pa CH。（1）减小空滤器的阻力设计低阻高效，使用保养清洁；（2减小化油器的阻力化油器喉管的阻力，取消化油器，采用汽油喷射；（3）减小进气管、道的阻力。汽油机歧管矩形断面小流速快汽化好阻力大，柴油机歧管圆形断面大流速慢汽化差阻力小。设计合理选择断面，弯少避免突变。使用清除积炭、安装正确、保持畅通。（4）减小进气门的阻力：增大进气门直径增加进气门数目增加进气门升程改善气门头与杆的过渡形状2、减小排气系统的阻力，使用清除积炭、安装正确、保持畅通。3、合理进气预热。 柴油机进、排气管分两侧布置4、合理配气相位进气迟闭角5、可变进气系统：可变配气相位：低速，进气滞后角小防止新气倒流；高速，进气滞后角大充分利用气体流动惯性。可变进气管道：低速与小负荷进气管道细而长；高速与大负荷进气管道粗而短。可变进气门（VVT）：低速与小负荷仅开一个主进气门，高速与大负荷时开几个进气门。【8】气门叠开：由于排气门迟后关闭，进气门提前开启，因此存在进排气门同时打开的现象，称为气门叠开，也称扫气阶段，清除残余废气，增加进气。（排气滞后角一般为1035CA，进气提前角一般为1040CA。非增压进排气门重叠角一般为20-60，增压柴油机，因其进气压力高，故需较大的气门重叠角，一般为80-160。）【9】复习思考题1、换气过程分为哪几个阶段？2、换气损失包括哪些？排气提前角对换气损失有何影响？3、什么是充气系数？当发动机的转速、负荷、大气压力变化时，CH怎样变化？4、在配气相位中对v影响最大的是什么？当其变化时CHmax对应的n有何变化？第四章 燃料与燃烧【1】汽油抗暴性指标：辛烷值ON；柴油着火性能指标：十六烷值（CN）【2】理论空气量定义：1kg燃油完全燃烧所需的空气量。用LO表示。单位为kg/kg。过量空气系数：发动机工作过程中，1kg燃油实际供给的空气数量L与理论空气量L0 之比值。=L/ L0； =1时为理论混合气； 1时为稀混合气=0.9，功率混合气；=1.1，经济混合气。【3】发动机内的燃烧过程经历三个基本步骤： 1）燃油与空气形成可燃混合气；2）点燃可燃混合气，或可燃混合气发生自燃；3）火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧。【4】汽油机和柴油机的混合气着火方式各怎样？柴油机的着火为压燃式的低温多级着火；汽油机的着火为点燃式的高温单级着火过程。（柴油机初始燃烧属于预混合气燃烧）第五章 汽油机混合气形成与燃烧【1】（大题）汽油机的燃烧过程的三个阶段。汽油机的燃烧过程指从点火开始到燃料基本烧完为止的过程。-滞燃期（着火落后期）：从火花塞开始跳火到火焰中心形成。是燃烧的准备阶段，主要进行热量的积累。当反应的混合气的温度升高到一定程度后，形成发火区，即火焰中心。 从火花塞跳火瞬时到活塞行至上止点时的曲轴转角，称为点火提前角，一般为2035CA。各种因素对滞燃期长短的影响： 燃料的性质、混合气浓度(a=0.80.9最短)、火花塞跳火时缸内压力及温度、电火花强度等。另外，与残余废气量、缸内混合气的运动等因素有关。-显燃期（速燃期）：从火焰中心形成到示功图上的压力达到最高点为止。在均质混合气中，当火焰中心出现后，与其临近的一薄层混合气首先燃烧即形成极薄的火焰层，称为火焰前锋。火焰前锋向前推进的法向移动速度，称为火焰传播速度。火焰传播速度一般5080m/s。-补燃期（后燃期）：从最高压力点到燃烧结束为补燃期。指明显燃烧期以后在膨胀过程中的燃烧，主要由火焰前锋面过后，后面未及燃烧的燃料（燃烧室边缘和缝隙）再燃烧，以及部分燃烧及高温分解的燃烧产物（H2、O2、CO等）重新氧化。希望后燃期尽可能短，后燃放热量尽可能少。总结：1.上述三个阶段中,火焰传播期速度对i起决定性的作用。要在工作柔和的条件下，尽可能地提高火焰传播速度。2影响火焰传播速度的因素：混合气浓度、缸内气体的紊流强度、残余废气系数等。【2】汽油机燃烧过程与柴油机燃烧过程的区别：1. 属于预混合燃烧,具有定容燃烧的形式。燃烧持续期约为2540A(柴油机约为5070A)。2压缩比小，一般为79， (柴油机约为1222)。热效率低，排温高（膨胀不充分）。3最高燃烧温度高（接近定容燃烧）。4易燃烧不完全（过量空气系数小，防止爆燃燃烧室内的激冷区），CO、HC、NOx排放高。5挥发损失大（汽油的挥发性好）。【3】汽油机常见的不正常燃烧：爆震燃烧和表面点火。爆震燃烧：(一)现象：1.缸内出现尖锐的金属敲击声2.油膜破坏,机件磨损加剧；3.燃烧室、冷却系过热，排温增加；4.Ne下降、ge升高； 5.排污增加，严重时排气冒黑烟； 6.压力线出现爆震波。（二）原因：在火焰前锋到达之前,末端混合气的温度、压力超过其临界温度、压力而自燃，形成新的火焰中心,火焰传播速度加大使得缸内局部压力、温度急剧升高,压力来不及平衡,形成冲击波，冲击波反复撞击缸壁,发出尖锐的敲缸声。由于缸内局部的高温、高压，造成爆震后果。 (重载爬坡、急加速时易爆震)（三）危害：1、机件过载，使机件变形损坏。噪声增大。2、机件烧损，使活塞头和气门等烧损，同时会引起发动机过热。3、润滑变差，发动机过热，使润滑效果变差，使磨损加剧。4、积碳增多；高温裂解产生的碳粒形成积炭。5、有效功率Ne下降、有效燃油消耗率ge上升，另外，高温裂解增多，排气冒烟严重。排温增高。（四）影响爆燃的因素: 有燃料因素、使用因素、结构因素等。1、燃料因素: 汽油机的压缩比，应适应汽油辛烷值的要求。2、使用因素: 发动机转速增加，进气速度加快，压缩终了气体的紊流度提高，火焰传播速度加快，爆燃程度减弱；气缸残余废气多，会使混合气自燃温度提高，着火延迟期加长，可减弱爆燃； 过量空气系数在0.850.95时，自燃温度低，着火延迟期短，爆燃最严重；BTDC大，易爆燃；缸内积碳使热阻加大，壁面温度升高，实际压缩比增加，爆燃加重。3、结构因素: 燃烧室结构能使压缩终了气体紊流速度提高，火焰传播速度加快，能避免爆燃；火花塞的位置和数目使火焰行程缩短，可减少爆燃；使末端气体接触的燃烧室壁强冷却，可减少爆燃；采用小直径的气缸，不易爆燃。（五）减轻爆燃的措施：降低水温和进气温度降低末温降低压缩比推迟点火增多残余废气表面点火或热面点火：定义：在火花点火式汽油机中，凡是不依靠火花塞点火，而是由燃烧室内炽热表面（如过热的火花塞电极、排气门、积碳）点燃混合气的现象。【4】早燃的危害及与爆燃的区别：早燃：炽热表面温度较高，在点火前，点燃混合气。1 燃的危害：压缩负功增加，缸内温度升高，与缸壁接触面积增大从而散热量增大, 有效功率下降。另外高温、高压加重了活塞连杆组的机械负荷、热负荷,使用寿命下降。2 与爆燃的区别：沉闷的“敲缸声”。被炽热表面点燃，无压力波产生，而爆燃时为自燃，有压力波产生。 另外: 爆燃使缸内炽热表面产生早燃；早燃使缸内温度、压力升高产生爆燃。【5】（选择题）影响燃烧过程的因素有哪些？是如何影响的？一、燃油的影响： 1、汽油的抗爆性：辛烷值越高，抗爆性越好。填加各种添加剂，可提高汽油的辛烷值。 2、汽油蒸发性：蒸发性越强，与空气混合越均匀，混合气燃烧速度越快，易于完全燃烧；但过强，易产生气阻。二.使用因素的影响：1.点火提前角：过大，发动机过热，功率。缸内最高温度、压力，爆燃倾向。过小，由于燃烧开始时活塞已下行，燃烧容积较大，燃气与气缸接触面积大，导致: (1) 损失一部分膨胀功。 (2)燃烧在膨胀过程中进行，后燃量增大。散热损失大，排气温度过高，发动机过热，功率下降。但缸内温度、压力的降低,使t2增大,爆燃倾向减小。最佳点火提前角：在一定的发动机负荷、转速下，对应最大的功率和最低的燃油消耗率的点火提前角。2混合气成份：用过量空气系数表示。1）=0.85-0.95时为功率混合气。供给功率混合气时火焰传播速度u最大,爆燃倾向加大。2）低负荷或怠速时较浓的混合气残余废气多，会引起断火；燃烧速度慢，发动机易过热；高温未燃成分在排气管口与空气相遇而激烈氧化，排气管放炮。 =0.40.5为火焰传播上限。3）=1.05-1.15 时，为经济混合气燃烧最完全，热效率最高，油耗最低。但混合气过稀，燃烧缓慢，含氧高的高温废气能点燃进气管新鲜混合气化油器回火。=1.31.4为火焰传播下限。1.15为过稀混合气。4)混合气成份调整特性: 在汽油机转速，节气门开度一定，点火提前角最佳时,性能指标(功率Ne与燃油消耗率ge等)随混合气成份而变化的规律。3.发动机转速n。所以发动机在低速运转时最易发生爆燃。所以发动机上装有离心式点火自动提前装置。4.发动机负荷。负荷爆燃倾向。发动机在低负荷时，爆燃倾向减小，应增大点火提前角，所以发动机上装有真空式点火提前装置。5.其他因素：进气温度 、冷却水温度、燃烧室壁积碳、进气压力爆燃倾向。 总之，发动机在低速、大负荷时，最易发生爆燃。在使用中，调整点火提前角应在低速、大负荷工况下进行。三、结构因素的影响：（一）压缩比：1、时：缸内燃烧的最高温度、最高压力，i ge 但末端混合气易自燃，爆燃倾向，表面点火倾向 。 2、Ne、ge，但受到爆燃的限制，要防止爆燃： a.改进燃烧室的设计； b.提高汽油的辛烷值。（二）燃烧室：.对燃烧室的要求： 1)容积分布要合理。要有适宜的放热规律。适宜的放热规律能够使燃油释放的热量充分利用,发动机工作柔和，运转平稳。2)应具有良好的抗爆性。A.结构尽量紧凑B.燃烧室内的混合气要有适当的涡流强度(进气涡流、挤气涡流)。C. 降低末端混合气的温度（在汽缸盖挤气间隙处布置冷却水套）。3）火花塞的位置要安排适当应装在燃烧室中央偏离排气门处。4）尽量增加进气量进气口直径大、弯少光滑。（三）气缸直径d：d爆燃倾向。 对车用汽油机，d一般小于100mm。（四）气缸盖和活塞的材料：常用铸铁、铝。 铝的导热性好，铝制汽缸盖的表面温度低，热负荷小，爆燃倾向，许用的压缩比。（五）冷却方式 ：水冷比风冷的爆燃倾向小，许用的压缩比高。【6】复习思考题1、汽油机的燃烧过程分为几个阶段？它们如何划分的2、后燃期长好还是短好，为什么？3、什么是压力平均升高率？什么是火焰传播速度？ 4、燃油中的辛烷值、点火提前角、转速、负荷、混合气浓度对爆燃有何影响？5、爆燃产生的原因和危害？6、什么是表面点火？如何分类？与爆燃的区别？7、什么是最佳点火提前角？分析点火提前角对燃烧影响8、当点火提前角、转速、负荷变化时，对燃烧过程有