发动机原理复习A

工质作用力方向与活塞运动方向相同时，工质作正功，反之作负功。在一个工作循环中，单个气缸中的工质所做行程功之和就是循环指示功。“ 2inTJZP= Wi60ri四冲程增压发动机的理论泵气功大于实际泵气功，均为正功。而自然吸气发动机，则理论泵气功为零，而实际泵气为负功，理论泵气功与实际泵气功之差就是泵气损失功。以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标。以工质对活塞所作之功为计算基准指标称为指示性能指标。由示功图直接求出一个循环的功就是循环指示功Wi。而每循环由曲轴输出的单缸功量We，叫循环有效功。指示功与有效功之差。则为循环的实际机械损失功Wm。Wm=Wi-WeWm由摩擦损失功Wmf、附件消耗功Wme,和换气驱动损失功Wp。单位时间内由发动机曲轴输出的机械功称为有效功率Pe。发动机单位时间、曲轴输出单位机械功率所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率be。 2in‘P= We60re单位气缸工作容积所作的循环指示功被定义为平均指示压力Pmi。单位气缸工作容积所作的循环有效功称为平均有效压力Pme。门2inpVnTP—”芒sP=—4 （kW）e 60r e9550发动机输出功率的大小，首先取决于单位时间内加入发动机化学能的多少，这是“量”的环节。其次，化学能转换为输出功的效率，这是“质”的环节。单位质量的燃料在指定状态下，定压或定容完全燃烧所能放出的热量叫做燃料的热值H。完全燃烧是指燃料中的C全变为CO,H变为HO。燃烧时，燃烧产22物的HO以气态排出，其气化潜热未能释放之热值叫低热值Hu。2可燃混合气热值H是单位质量或单位体积可燃混合气的低热值。它取决于燃um料热值和燃料与空气的混合比。缸内混合气中的单位质量的燃料所对应的空气量1。与单位质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量为l，之比值，称为过量空气系数e。o a空燃比a指混合气中空气质量与燃料质量之比。燃料的能量转换总效率一有效效率n为燃烧效率n、循环热效率n、机械et c t效率n之乘积。汽车发动机燃料的主要理化特性有：1）自燃性能：具有化学计量比的可燃混合气自行着火燃烧的能力。2）蒸发性能：液体燃料气化的难易程度。3）燃料与混合气的热值。传统汽油机、柴油机工作模式的差异：1）混合气形成方式的差异，汽油机是在缸外形成预制均质混合气，而柴油机是缸内高压燃油喷射雾化与空气混合形成混合气。2）着火、燃烧模式的差异，汽油机的混合气是火花点燃和火焰传播燃烧。柴油机的混合气是压燃，混合气的燃烧是边喷射、边气化混合、边扩散燃烧。3）负荷调节方式的差异，汽油机为控制混合气的进气量来调节负荷。称为负荷的量调节。柴油机是靠循环喷油量的多少来调节负荷。称为负荷的质调节。热力循环的三种模型：1）理想循环与理想工质的理论循环模型。2）理想循环与真实工质的理想循环模型。3）真实循环加真实工质的真实循环模型。压缩比&对循环热效率nt的影响是压缩比&增加，循环热效率nt增大，&较小时，&的变化对nt影响很大；而&较大时，影响就不显著了。不论何种循环，工质的等熵指数k值越大，循环热效率nt越高。等容加热循环，nt达到最大值，不随入值变。等压加热循环nt随p增大而明显下降。因此在任何情况下提高热效率，都应该尽量提高燃烧的“等容度”。柴油机负荷下降，喷油时间缩短，p减小，nt将较大提高。汽油机负荷下降，进入汽缸中的混合气数量少，实际压缩比减小，废气稀释作用加强，燃烧速度降低，p上升，nt降低。提高发动机的热效率有三个主要的实施方向。1）提高发动机的压缩比。2）提高循环加热的“等容度"。3）保持工质具有较高的绝热指数K。真实工质对热效率的影响：1）真实工质的比热容随温度上升，比热容Cp、Cv变大，k值减小，热效率也相对下降。2）燃烧放热过程中，废气中的CO、2HO等的比例上升，比热容加大，k减小，热效率下降。3）工质在高温条件下，2会发生热分解，降低了循环热效率n。汽油机高负荷时，混合气"=0.9：燃料未能充分燃烧，最高燃烧温度比柴油机高，k值比柴油机小，高温热分解加剧。因此，汽油机的n下降的幅度大于t柴油机。真实循环导致热效率从下降的因素有：1）工质向外传热的损失，2）燃烧提前损失及后燃损失3）换气损失，4）不完全燃烧损失，5）缸内流动损失，6）工质泄漏的损失。机械损失功由摩擦功Wmf、附件消耗功Wme，和泵气损失功Wp三部分组成。活塞组件的摩擦损失主要包括活塞环面、活塞裙部以及活塞销的摩擦损失，达到整个发动机机械摩擦损失的50%左右。机械摩擦损失包括：1）活塞组件的摩擦，2）轴承摩擦3）配气机构摩擦4）齿轮、链轮、皮带轮传动损失。标定工况时，汽油机的机械效率n约为0.8〜0.9;自然吸气柴油机则为m0.78〜0.85;增压柴油机为0.80〜0.92。影响机械效率的因素有：1）发动机的机械效率n都随转速上升而下降。2）负荷Pe愈高，n^愈高，负荷Pe=0，nm=0o3）润滑油的粘度的影响：粘度过高、过低，机械效率n都会下降。发动机在标定工况时，燃料完全燃烧释放热量的32%为有效动力输出，32%为废气排出，28%为冷却系统带走的热量;8％为摩擦损失及附件消耗。高温高压的废气通过废气涡轮增压提高发动机的进气压力，增加进气量，提高输出功率。产生泵气正功，提高机械效率n。排气过程分自由排气阶段和强制排气阶段。自由排气阶段排气压力高，排气时间占总排气时间的1/3左右，排气量达总量的60％以上。强制排气时，缸内废气必须依靠活塞上行强制排出。排气损失由自由排气损失和强制排气损失两部分组成，排气早开角厶小小,eo自由排气损失小，而强制排气损失大；厶小大，则反之。任何工况都有一个最eo佳排气早开角，使由自由排气损失和强制排气损失的合达到最小。转速越高，最佳排气早开角越大，而转速越低，最佳排气早开角越小。进、排气门开、关所对应的曲轴转角叫做配气相位角。延后关闭进气门能利用进气流动的惯性增大进气量，进气晩关角AWac过小，气体流动惯性未能得到充分利用，厶匕。过大时则会把充入缸内的新气推出气缸。最佳进气晩开角厶小随转速上升而加大。进气晩关角对进气充量影响最大；排气早开角对换气损失影响最大。进气过程中，进气阻力会降低充量系数。进气旋流越强，进气阻力越大。进气门处的通道截面最小，气体流速最高，阻力最大，对机的影响也最大。气门口平均进气马赫数Mam>0.5之后，充量系数少c会迅速下降。38．增大气门头部直径，增加气门数，增大气门的角面值均能降低平均进气马赫数Mam。加大气门直径ds和气门升程hv,选择合适的配气相位、气门锥角0和凸轮型线都能加大角面值。工质的进气温升ATa，增大，必然降低de值。进气温升ATa，包括：1)△T高温壁面传热引起的温升，2)ATl气体摩擦热引起的温升；3)ATr残余废气引起的温升；4)ATg燃料气化吸收潜热所引起的温升。自然吸气柴油机温升值12〜18°C;增压中冷柴油机8〜12°C;汽油机0〜40°C。42•发动机的充量系数de随转速n变化规律，叫做发动机的进气速度特性。汽油机具有全负荷进气速度特性和部分负荷进气速度特性。柴油机只有全负荷的进气速度特性。进气外特性对动力性能的重大影响，汽油机输出有效转矩T的大小，主要取决于每循环进入气缸的充气量。汽油机转矩Tt随转速的关系，与进气速度特性线相似，并对发动机运转稳定性有重大的影响。而柴油机则是供油速度特性线对运转稳定性有重大影响。进气的动态效应，是指进气管中压力波在进气后期到达，能提高de值。发动机的燃烧可分为预混合燃烧和扩散燃烧两类。汽油机属预混合燃烧；而柴油机主要属扩散燃烧。扩散燃烧的燃烧速度取决于混合气形成的速度；而预混合燃烧的燃烧速度主要取决于化学反应速度和火焰传播的速度。柴油机的压缩着火和汽油机的爆燃具有低温多阶段着火的特点；而汽油机的火花点燃和柴油机着火后喷入气缸内的燃料着火具有高温单阶段的着火特点。预制均匀混合气中的火焰传播分为层流火焰传播和湍流火焰传播。层流火焰传播速度主要受混合气温度、压力、da、以及燃料特性等因素影响。湍流火焰传播速度主要受气流运动强度的影响低温多阶段着火要经历冷焰诱导、冷焰、蓝焰三个阶段。高温单阶段着火不经过冷焰直接由蓝焰进入热焰阶段。当混合气的温度T<600K时，着火为低温多阶段方式，T>900K时，为高温单阶段方式。最小点火能量E的大小要取决于燃料特性、过量空气系数da、混合气温度和压力、气流运动、火花塞电极间隙和温度等。火花塞电极最佳间隙对应着火能量Eb的最小值。当电极间隙小于淬熄间隙时，将无法点燃混合气。过量空气系数da=1时，着火能量Eb值最小，da过稀或过浓都会使Eb上升。汽油机damax>1.3，damin<0.5时，无论Eb如何提高，点火已不可靠。层流火焰传播速度V<lm/s，V主要受混合气温度、压力、da、以及燃料特性等因素影响。汽油机转速n=5000r/min时，要求火焰传播速度在50m/s以上，层流火焰传播速度远远不能满足实际发动机燃烧的要求。加强燃烧室内气流运动的强度是改善汽油机燃烧的有效手段。湍流使火焰前锋面表面积增大，火焰传播速度大大加快，能到达汽油机燃烧的要求。柴油在发动机中要经历高压喷射、雾化、蒸发、混合、压缩着火以及燃烧阶段，雾化混合的状态将对燃烧过程产生重要的影响。燃油的喷雾特性主要包括贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径。细化喷雾粒径可以大大增加油粒的蒸发表面积，加速汽化过程。减小喷孔直径、增大喷油压力、增大空气密度、减小燃油粘度和表面张力都能使油粒直径减小。合理的贯穿距离、喷雾锥角能加快燃油蒸汽与空气的混合过程，提高空气的利用率。汽油机燃烧过程可分为着火落后期、明显燃期、后燃期三个阶段。1）从火花塞产生电弧到混合气燃烧的始点为着火落后期ti或着火落后角ei,一般ei为10。〜200。2）从燃烧始点到气缸压力达到最大值p。火焰从电极中心传至整max个燃烧室为明显燃烧期。3）后燃期燃烧的是未完全燃烧的燃料，后燃期释放的热量转换为机械功的能力大大降低。燃烧过程一般小于60o曲轴转角，持续1〜2毫秒，但却要完成混合、着火、燃烧一系列复杂的物理化学过程。燃烧过程提前或滞后都会对发动机性能造成的不利影响。燃烧速度越快，压力升高率越高，动力性和经济性越好，但会使燃烧噪声及振动增加，氮氧化物增高。提高发动机的p，能提高循环热效率和循max环功，p出现在上止点后100〜15。曲轴转角，发动机的有效输出功率最大。1kmol混合气在单位时间的燃烧放热量称为燃烧放热速率。由燃烧始点小b至某一时刻2为止，已燃烧的放热量与循环供能量gH之比称为累积放热率X。柴油机燃烧过程可分为四个时期，1）着火落后期：柴油喷入气缸为始点，经历混合气形成和低温多阶段着火过程，出现多点同时着火为终点所对应的时期。2）速燃期：以多点同时着火为始点到dQ/de最高值，预混火焰传播燃烧方式。dp/de大对动力性和经济性有利，但增加噪声、振动、冲击载荷和氮氧化物。3） 缓燃期：从dQ/de最高点到最高温度点是典型的扩散燃烧，其燃烧速率的大小取决于油气混合速度快慢和喷油速率的大小。4） 后燃期：从最高温度点到燃料基本燃烧完，后燃期内释放热量不能有效利用，散热损失大，经济性下降。活塞的热负荷和排温均升高，应缩短后燃期放热规律三要素三个要素指的是燃烧放热始点（相位）、放热持续期和放热率曲线的形状。放热始点对循环热效率、压力升高率和燃烧最大压力都有重大影响；放热持续期的长短，是决定循环热效率的一个极为关键的因素；放热率曲线形状对噪声、振动和排放量都有很大的影响。1） 最佳点火提前角和喷油提前角所对应的燃烧放热始点能使p出现在上止点后100~15。的曲轴转角，循环热效率最高。最佳点火提前角随转速的升高而加大；随负荷减小而加大。最佳喷油提前角随转速升高而加大；随负荷加大而加大。2） 放热持续期越短越好。汽油机的放热持续期主要取决于火焰传播速度和距离。柴油机放热持续期取决于喷油持续的长短和混合气形成的快慢。3） 汽油机具有先慢后快的放热规律。直喷式柴油机的放热率是先快后慢，因而噪声、振动大，爆发压力高。61.燃油喷射过程可分为三个阶段，即喷射延迟阶段、主喷射阶段和喷射结束阶段。门喷射延迟阶段：从柱塞顶封闭回油孔起到燃油喷射开始为止。供油提前角和喷油提前角之差称为喷油延迟角。转速越高、高压油管越长，喷油延迟角越大。2） 主喷射阶段：绝大部分燃油在这一阶段喷入燃烧室，要求喷油压力高，雾化质量好。3） 喷油结束阶段：从喷油器压力开始急剧下降到停止喷油为止。由于喷油器压力急剧下降，喷口截面迅速缩小，燃油雾化变差，所以喷油结束要干脆迅速。单位凸轮轴转角由喷油泵输出的燃油量称为供油速率。单位凸轮轴转角由喷油器喷入燃烧室的燃油量称为喷油速率。供油速率随凸轮轴转角的变化关系称为供油规律；喷油速率随凸轮轴转角的变化关系称为喷油规律。发动机缸内的气流运动形式可分为涡流、挤流、滚流和湍流四种形式。柴油机的混合气形成方式可分为空间雾化混合与壁面油膜蒸发混合65．汽油机的两种异常燃烧现象，即爆震燃烧和表面点火。强烈爆燃时，发动机功率下降、转速下降、耗油量上升、振动加剧、冷却水温度上升等，爆燃严重时，汽油机甚至冒黑烟。减小点火提前角和降低压缩比、优化燃烧室设计，提高燃料抗爆性等措施能防止爆燃。防止汽油机爆燃应减小t增大t。减小t措施是：优化燃烧室设计121和合理布臵火花塞的位臵，缩短火焰传播的距离，加强气流运动的强度和采用e=0.9的混合气能加快火焰传播的速度。延长t2措施是：减小点火提前角和降低压缩比，火花塞的位置靠近排气门，2加强高温零件的冷却和提高燃料抗爆性等。66．表面点火是由燃烧室内的排气门、火花塞裙部等炽热高温表面点燃混合气的现象。表面点火有早火和后火之分。早火使着火时间提前，使压缩负功增大，机械负荷增加，动力性和经济性恶化。67．发动机的不规则燃烧是指各循环之间的燃烧变动和各缸之间的燃烧差异，前者称为循环波动，后者称为各缸工作不均匀。68.柴油机的燃烧噪声主要与dp/de、P，以及零部件自振频率有关，dp/demax〉0.5MPa/（o）时，会出现强烈的噪声。69．降低燃烧噪声的措施：1）缩短着火落后期和优化喷油规律，减少着火落后期内形成的可燃混合气数量。2）优化燃烧室设计。3）减小喷油提前角。4）提高冷却水温度。70．发动机在燃烧过程中产生的有害成分主要为CO、HC、NOx和微粒等。产生高温NO的三要素是温度、氧浓度和反应时间；在ea<l的浓混合气时，由于缺氧生成CO。；产生HC是:ea<1造成不完全燃烧、壁面淬熄效应及缝隙效应、燃烧室壁面油膜蒸发和积碳的吸附未燃混合气；炭烟是烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成的，液态和的气态烃可直接产生析出型碳粒。有害排放物生成的影响因素：过量空气系数的影响；点火提前角的影响；运转工况的影响。汽油机以降低CO、HC和NOx为主要目标，而柴油机以降低微粒和NOX为主要控制目标工况法是将若干汽车常用工况组合成若干个测试循环，检测发动机的排放量。其检测结果全面地反映汽车排放水平。汽油机的机内净化技术：减小点火提前角能使NOx和HC的生成量降低；废气再循环能降低NOx;合理的燃烧室设计能减少淬熄和缝隙效应所产生的CO和HC排放量；电控汽油喷射技术能够更精确混合气浓度，配合使用三效催化转化器能大幅度降低NOx、CO和HC的排放量。柴油机的机内净化技术：推迟喷油时间可以抑制NOx的排放，但同时燃油耗率和微粒恶化；废气再循环能降低NOx，但炭烟和燃油耗率随之恶化；增压及中冷能使炭烟和微粒以及CO、HC和NOx都得到了明显降低；合理的喷油规律即初期低喷油速率，能抑制NOx排放量。后期快速断油能降低炭烟和微粒排放量；提高喷油压力细化油粒是降低微粒排放的有效途径；改进燃烧室，合理组织涡流和湍流运动，加强燃烧后期的扰流能降低炭烟、CO、HC排放量；改善燃料特性。三效催化转化器在混合气浓度正好为化学计量比时，对降低CO、HC和NOx

都有显著的作用。78．三效催化剂的性能指标：转化效率、空燃比特性、起燃特性（起燃温度t50和起燃时间T。）、催化剂的耐久性。79．汽油机燃烧室的基本要求：燃烧室结构紧凑，减小传热损失，缩短火焰传播距离，加快燃烧速率，降低壁面淬熄效应产生的HC;合理的燃烧室几何形状，提高火焰传播速率和放热速率；合理布臵火花塞位臵，缩短火焰传播距离，提高燃烧放热速率;组织合理的气流运动，提高火焰传播速度，降低循环波动率，减小淬熄层厚度，使HC排放降低;增大进排气门流通截面，提高充气系数，降低泵气损失。80．柴油机燃烧室的基本要求：紧凑的燃烧室能减小散热损失、改善冷启动性能;合理的气流运动，提高喷油压力，合理的喷孔直径和喷孔数，能降低NOx、HC、炭烟的排放量；减少滞燃期内的混合气生成量，降低NOx排放和燃烧噪音。81.发动机铭牌上规定的输出功率称标定功率，所对应转速n称标定转速，工况叫做标定工况。标定工况分四种:15分钟功率;1小时功率;12小时功率;持续功率。82．点工况：发动机只在某一固定工况下工作；线工况：发动机只在某一确定的线段上工作；面工况：发动机在较宽的转速和负荷范围内工作。83．发动机运行特性：指一定条件下发动机性能指标随工况参数变化的规律。基本运行特性有负荷特性；速度特性；全特性（万有特性）。84．汽油机的速度特性：保持节气门开度不变，在最佳点火提前角和过量空气系数条件下，所获得的汽油机的功率、力矩和燃油消耗率随转速的变化关系。85．柴油机的速度特性：保持油量调节杆位臵不变，在最佳供油提前角条件下，获得的柴油机的功率、力矩和燃油消耗率随转速的变化关系。86．柴油机速度特性曲线的对比）汽油机Ttq线向下倾斜较大，而柴油机Ttq线变化平坦。）汽油机在外特性曲线上有最大功率点，而柴油机没有最大功率点。）柴油机燃油消耗率be。曲线要比汽油机线平坦，低负荷时更是如此。87．发动机的动力适应性和运行稳定性：转矩适应系数，发动机转矩外特性线上最大转矩T 与标定功率点转矩T之比叫转矩适应系数K。转速适应系数Kn，tqmax tqn T为标定转速n与外特性的最大转矩点对应转速n之比值。发动机的K和Kn值n m TTnK —―tqmaxK=-nT Tnntqnm都很大时，表明发动机克服阻力的能力强。汽油机K=1.25-1.35;Kn=1.6-2.5T柴油机（未校正）K<1.05;Kn=1.4-2.0。88．汽油机的负荷特性：保持转速不变，在最佳点火提前角和过量空气系数的条件下，获得的燃油消耗率随负荷变化的关系。88．汽油机的负荷特性：保持转速不变，在最佳点火提前角和过量空气系数的条件下，获得的燃油消耗率随负荷变化的关系。89．柴油机的负荷特性：保持转速不变，在最佳供油提前角条件下，获得的燃油消耗率随负荷变化的关系。90．汽、柴油机负荷特性曲线的对比：1）汽油机有效燃油消耗率都比同负荷的柴油机高。2）中、低负荷时，有效燃油消耗率差异明显扩大。91．全特性是指负荷及转速都变化时，发动机的燃油消耗率随负荷和转速的变化规律。

作业：1.某4缸4行程发动机的排量为1.8L,测取参数为：转速n=6000r/min时,转矩为Ttq=152Nm和燃油消耗量B=510g/min2）求发动机的输出功率Pe、燃油消耗率ge、升功率PL、循环供油量gb、有效循环功We和平均有效压力Pme。求：nT6000求：nT6000x152P— tq一95.5kWe95509550P95.5 “,,P一—一53kW/LLiVs1.8tB2x510g——0.0425gb2in4x600030tP30x4x95.5W0.477丿ein4x6000了60B60x510,b二二 二3204g/(kW-h)elP95.5e2B二沁Pte30re2inpV— mese60TW4x04775p—「—- —1.06x103kPa—1.06MPameV 1.8X10-32求：某4缸4行程汽油发动机的排量为1.6L,测取参数为：转速n=5600r/min时，充气效率®c=0.87和过量空气系数®a=1.08，环境空气温度25oC,空气压力为0.1MPa，求循环供油量gb和燃油消耗量B2求：VP 0.4X10-3x0.1x106287.1X298s丁— x103287.1X298RT287.1x298s.m—m0—0.467x0.87—0.407gascm0.407 ____.g——a— —0.0254gbol1.08x14.8a0厂2ing 2x4x5600x0.0254B—b— —285g/mint %3.某四行程4缸汽油机的进气行程中进入汽缸内空气的质量ma=6.195x10-4kg,转速n=6500r/min，总效率ncntnm=0.312o1）用汽油时，混合气的空燃比dalo=14.7,2）用乙醇时，混合气的空燃比dalo=9.15。分别计算燃用汽油和乙醇时，发动机的输出功率Pe和燃油消耗率ge。如果汽油的价格是8.5元/kg，乙醇价格是7元/kg,试比较燃用乙醇的动力性和经济性。求：1）燃用汽油kgg-ma-6.195x10-4-0.421x10-4b汽 l 14.7kgB— —2x0.421x6500x10-4—0.547kg/min汽t

2inp=nnnhg()e汽ctmub60T2x4x6500-0.312x44000x0.421x10-4x—— -125.3kW60x4-60B-60X0.547=0.262kg/(kW-h)125.32）燃用乙醇m 6.195x10-4g-&- -0.677x10-4kgb乙 l 9.15B- -2x6500x0.677x10-4-0.88kg/min乙 T2inp-nnnhg()e乙 ctmub60T2X4X6500-0.312x27000x0.677x10-4x—— -123.6kW60x460x60x0.88123.6-0.427kg/(kW-h)比较动力性P-125.3kWe汽P-123.6kWe乙比较经济性b-0.262kg/(kW-h)b-0.427kg/(kW-h)G-8.5xb-8.5x262x10-3-2.23元/kW-h汽 e.G-7xb-7x427X10-3-2.99元/kW-h乙 e根据真实循环分析柴油机的喷提前角与汽油机的点火提前角随负荷变化的关系？汽油机的负荷越小，点火提前角越大，相反，点火提前角越小。柴油机的负荷越小，喷油提前角越小，相反，喷油提前角越大。点火提前角和喷油提前角确定的原则是提高发动机的热效率。汽油机在大负荷时，混合气浓度da=0.9,进入缸内混合气数量多，气流运动强，火焰传播速度最快，所以点火提前角要减小。负荷减小，进入缸内混合气数量减少，气流运动