20/20《汽車發動機原理》機械工業出版社主編吳建華第一章發動機的性能發動機的性能指標主要有：動力性能指標（功率、轉矩、轉速）、經濟性能指標（燃料及潤滑油消耗率）、運轉性能指標（冷啟動性能、噪聲和排氣品質）第一節發動機理論循環一、三種基本循環假設：1）工質是理想氣體，其物理常數與標準狀態下的空氣物理常數相同2）工質是在閉口系統中做封閉循環3）工質的壓縮和膨脹是絕熱等熵過程4）燃燒是外界無數個高溫熱源等容或等壓向工質加熱，工質放熱為等容放熱5）循環過程是可逆循環二、循環熱效率μtμt=W/Q1=(Q1–Q2)/Q1W工質所做的循環功（J）；Q1循環加熱量（J）；Q2循環放熱量（J）三、循環平均壓力pt循環平均壓力pt（kPa）:單位氣缸容積所做的循環功。pt=W/VsVs是氣缸工作容積（L）；pt隨進氣終點壓力pde，壓縮比εc，初始膨脹比ρo，等熵指數κ和循環熱效率的增加而增加。第二節四沖程發動機的實際循環發動機實際循環：進氣過程、壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、排氣過程實際循環與理論循環比較：1、實際工質的影響2、換氣損失換氣損失：為了使循環重復進行，必須更換工質，因此而消耗的功。3、燃燒損失1）非瞬時燃燒損失和補燃損失2）不完全燃燒損失3）傳熱損失4）缸內流動損失……第三節發動機的指示性能指標指示性能指標（指示指標）：以工質對活塞所做功為計算基準的指標一、指示功和平均指示壓力指示功Wi：氣缸內完成一個工作循環所得到的有用功平均指示壓力pmi：單位氣缸容積一個循環所做的指示功pmi=Wi/VsVs(L)氣缸工作容積；pmi（Pa）；Wi(J)；Wi=pmiVs=pmiπD2S/4D(m)缸徑;S(m)活塞行程；二、指示功率指示功率Pi：發動機單位時間所做的指示功Pi=pmiVsni/30τpmi（MPa），Vs(L)，n(r/min)，Pi（kW）；i氣缸數；τ沖程數，四沖程τ=4。三、指示熱效率和指示燃油消耗率指示熱效率ηit：發動機實際循環指示功與所消耗的燃料熱量的比值ηit=Wi/Q1ηit=3.6×103Pi/BHuPi(kW)；B(kg/h)每小時燃油消耗量；Hu(kJ/kg)燃料的低熱值指示燃油消耗率bi[g/(kW·h)]：單位指示功的耗油量bi=B×103/Piηit=3.6×106/Hubi第四節發動機的有效性能指標有效性能指標（有效指標）：以曲軸輸出功為計算基準的指標一、發動機動力性指標1.有效功和有效功率有效功We：每循環曲軸輸出的單杠功量實際機械損失功WmWe=Wi-WmPe=Pi-Pm2.有效轉矩Pe=Ttqn/9550Pe(kW)；Ttq(N·m)；n(r/min)3.平均有效壓力平均有效壓力pme(MPa)：發動機單位氣缸工作容積輸出的有效功Pe=pmeVsni/30τ=Ttqn/9550二、發動機經濟性指標1.有效熱效率有效熱效率ηet：實際循環的有效功與所消耗的熱量的比值ηet=We/Q1ηet=3.6×103Pe/BHu2.有效燃油消耗率be[g/(kW·h)]be=B×103/Peηet=3.6×106/Hube第五節機械損失與機械效率一、機械效率機械效率ηm：有效功率與指示功率的比值ηm=Pe/Piηet=ηitηm二、機械損失的測定示功圖法、倒拖法、滅缸法、油耗線法第六節熱平衡一、發動機所耗燃油的熱量QT(kJ/h)QT=BHu二、轉化為有效功的熱量QE(kJ/h)三、傳遞給冷卻介質的熱量QS(kJ/h)四、廢氣帶走的熱量QR(kJ/h)五、燃料不完全燃燒熱損失QB(kJ/h)六、其他熱量損失QL(kJ/h)QT=QE+QS+QR+QB+QL第二章發動機的換氣過程第一節四沖程發動機的換氣過程一、換氣過程自由排氣、強制排氣、進氣、燃燒室掃氣1.自由排氣階段自由排氣階段：從排氣門打開到氣缸壓力接近與排氣管壓力的時期排氣提前角：從排氣門打開到下止點的曲軸轉角2.強制排氣階段排氣遲閉角：從上止點到排氣門完全關閉的曲軸轉角3.進氣過程進氣門在上止點之前打開，在下止點之后關閉4.氣門重疊和燃燒室掃氣氣門重疊：由于排氣門遲后關閉和進氣門提前開啟，存在進、排氣門同時打開的現象作用：可以利用氣流的壓差和慣性清除殘余廢氣。二、排氣損失排氣損失:從排氣門提前打開，知道進氣行程開始，缸內壓力到達大氣壓力前循環功的損失。分：自由排氣損失W，強制排氣損失Y三、進氣損失進氣損失X：由于進氣系統的阻力，進氣過程的氣缸壓力低于進氣管壓力。換氣損失：進氣損失與排氣損失的和。（W+X+Y）泵氣損失(X+Y-u)第二節四沖程發動機的充量系數充量系數Φc：每缸每循環實際吸入氣缸的新鮮空氣質量與進氣狀態下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量比值。第五章柴油機混合氣的形成與燃燒柴油機具有熱效率高、可靠性好、排氣污染少、較大功率范圍內的適應性等優點。第一節燃油的噴射與霧化一、噴油系統1.對噴油系統的要求噴油系統作用：定時、定量并按一定規律向柴油機各缸供給高壓燃油。要求：1）能產生足夠高的噴油壓力。2）實現要求的噴油規律3）根據柴油機運轉工況，精確控制每個循環的噴油量，并自動調節4）避免出現異常噴射現象2.噴油系統工作原理直列柱塞式噴油泵燃油供給系統、分配式噴油泵燃油供給系統。油箱→油水分離器→輸油泵→燃油濾清器→噴油泵→噴油器→燃燒/油箱3.噴油泵4.噴油器作用：將噴油泵供給的高壓燃油噴入柴油機燃燒室內，使燃油霧化成微細的油粒。孔式噴油器、軸針式噴油器二、噴射與霧化燃油噴射特性：噴油特性、噴霧特性。1.噴射過程噴射過程：從噴油泵開始供油知道噴油器停止噴油的過程三階段：（1）噴射延遲階段從噴油泵的柱塞頂封閉，進回油孔的理論供油始點起到噴油器的針閥開始升起（噴油始點）為止。噴油延遲角：供油提前角與噴油提前角的差。（2）主噴射階段從噴油始點到噴油器端壓力開始急劇下降為止。（3）噴油結束階段從噴油器端壓力開始急劇下降到針閥落座停止噴油為止。該階段應該干脆、迅速。2.供油規律與噴油規律供油速率：單位凸輪軸轉角（或單位時間）由噴油泵供入高壓油路中的燃油量。噴油速率：單位凸輪軸轉角（或單位時間）由噴油器噴入燃燒室內的燃油量供油規律：供油速率隨凸輪軸轉角（或時間）的變化關系噴油規律：指噴油速率隨凸輪軸轉角（或時間）的變化關系兩種規律的差別原因：（1）燃油的可壓縮性（2）壓力波傳播滯后（3）壓力波動（4）高壓容積變化3.噴霧特性與霧化質量燃油的霧化：指燃油噴入燃燒室內后被粉碎分散為細小液滴的過程油束的霧化質量：指油束中液滴的細度和均勻度。減小噴孔之境、增大噴油壓力是噴射初速度增加、空氣密度增大、燃油粘度和表面張力的減小等，都會是油粒直徑減小。不正常噴射現象：（1）二次噴射指噴油器針閥落座后，在壓力波動的影響下再次升起的噴油現象。導致油霧化不良，燃燒不完全，碳煙爭奪，并易引起噴孔積碳堵塞，造成經濟性下降，零部件過熱等不良后果。（2）斷續噴射（3）不規則噴射和隔次噴射（4）滴油現象避免不正常噴射現象，應盡可能縮短高壓油管長度，減小高壓容積，以降低壓力波動，減小其影響，并合理選擇噴射系統的參數。第二節燃燒與放熱一、柴油機燃燒過程著火落后期（滯燃期），速燃期，緩燃期，補燃期1.著火落后期（滯燃期）從燃油開始噴入燃燒室內至由于開始燃燒而引起壓力升高使壓力線明顯脫離壓縮線開始急劇上升的點。溫度越高或壓力越高，著火落后期越短。2.速燃期從壓力脫離壓縮線開始急劇上升至達到最大壓力。平均壓力升高率△p/△ψ最大壓力升高率(dp/dψ)max3.緩燃期從最大壓力點至最高溫度點。4.補燃期從最高溫度點至燃油基本燃燒完應盡量縮短補燃期第三節混合氣形成與燃燒室一。混合氣形成1.特點柴油機在進氣過程中進入燃燒室的是純空氣，在壓縮過程接近終了時柴油才噴入，經過一定準備后即自行著火燃燒。2.方式空氣霧化混合、壁面油膜蒸發（1）空氣霧化混合將燃油噴射到空間進行霧化，通過燃油與空氣之間的相互運動和擴散，在空間形成可燃混合氣的方式（2）壁面油膜蒸發二、缸內氣流運動渦流、擠流、滾流、湍流三。燃燒室直噴式燃燒室、非直噴式燃燒室1.直噴式分為半開式、開式（1）淺盆形燃燒室屬于開式（2）ω形燃燒室半開式（3）擠流縮口形燃燒室半開式（4）非回轉體燃燒室（5）球形燃燒室油膜蒸發混合為主直噴式燃燒室特點：1）燃燒迅速，經濟性好，有效燃油消耗率低2）燃燒室結構簡單3）對噴射系統要求較高4）半開式燃燒室對進氣道要求高5）NOx排放量較高6）對轉速變化較為敏感7）壓力升高率大，燃燒噪聲大。2.非直噴式結構特點：除位于活塞頂部的主燃燒室外，還有位于缸蓋內的副燃燒室，兩者有通道相連。（1）渦流室燃燒室（2）預燃室燃燒室非直噴特點：1）NOx排放量較低2）燃燒柔和，噪聲小3）缸內氣流運動強烈，空氣利用率好4）對噴射系統要求不高5）一般對燃油不太敏感，有較強的適應性6）經濟性差7）冷起動性能較差第六章汽油機混合氣的形成和燃燒第一節汽油機的燃燒過程一、正常燃燒過程正常燃燒過程：由定時的火花點火開始，且火焰前鋒以一定的正常速度傳遍整個燃燒室的過程。1.正常燃燒過程進行情況著火落后期、明顯燃燒期、補燃期（1）著火落后期從火花塞點火到火焰核心形成的階段應盡量縮短、保持穩定（2）明顯燃燒期火焰由火焰中心燃遍整個燃燒室的階段（3）后燃期明顯燃燒期終點至燃料基本完全燃燒為止應使后燃期盡可能短2.燃燒速率火焰前鋒面層流火焰傳播、湍流火焰傳播二、不規則燃燒指在穩定正常運轉的情況下，各循環之間的燃燒變動和各氣缸之間的燃燒差異循環變動、各缸工作不均勻三、不正常燃燒指設計或控制不當，汽油機偏離正常點火時間及地點，由此引起燃燒速率急劇上升，壓力急劇增大等異常現象。（1）爆燃爆燃：類似階躍的壓力變化，形成燃燒室內往復傳播的激波，猛烈撞擊燃燒室壁面，使壁面產生振動，發出高頻振音（敲缸聲）危害：①最高燃燒壓力和壓力升高率都急劇增大，因而相關零部件所受應力大幅度增加，機械負荷增大。②爆燃時壓力波沖擊缸壁破壞了油膜層，導致活塞、氣缸或活塞環磨損加劇③爆燃時劇烈無序的放熱還使氣缸內溫蒂明顯升高，熱負荷及散熱損失增加④使動力性和經濟性惡化影響因素：1）燃料性質，辛烷值高，抗爆能力強2）末端混合氣的壓力和溫度。末端混合氣的壓力和溫度增高，則爆燃傾向增大3）火焰前鋒傳播到末端混合氣的時間。提高火焰傳播速度、縮短火焰傳播距離，有利于避免爆燃。（2）表面點火在汽油機中，凡是不靠電火花點火而由燃燒室內熾熱表面點燃混合氣的現象。早燃：指在火花塞點火之前，熾熱表面點燃混合氣的現象早燃會誘發爆燃。四、使用因素對燃燒的影響1.點火提前角點火提前角：從發出電火花到上止點的曲軸轉角。2.混合氣濃度3.負荷4.轉速轉速增加時，應增大點火提前角第二節汽油機電控汽油噴射系統燃油配制有化油器供油、燃油噴射供油兩種方式電子控制汽油噴射系統，與化油器相比，優點：1）可以對混合氣空燃比進行精確控制，使發動機在任何工況下都處于最佳工作狀態2）由于進氣系統不需要喉管，減少了進氣阻力，所以充氣效率高3）由于進氣溫度低，是的爆燃燃燒得到了有效控制，從而有可能采取較高的壓縮比4）保證各缸混合比的均勻性問題比較容易解決5）發動機冷起動性能和加速性能良好，過渡圓滑第七節汽油機的燃燒室要求：（1）結構緊湊（2）具有良好的充氣性能（3）火花塞位置安排得當（4）要產生適當的氣體流動（5）適當冷卻末端混合氣一、傳統發動機常見的幾種燃燒室1.楔形燃燒室結構緊湊，火焰傳播距離較短，充氣性能較好，經濟性和動力性較高，但NOx排出量較高，HC排量多。工作粗暴2.浴盆形燃燒室火焰傳播距離較長，燃燒速度較低，經濟性能和動力性能不高，NOx排量較少，工藝性好，HC排量多。工作柔和3.半球形燃燒室充氣效率高，動力性和經濟性高，HC排量低，燃燒速率大，壓力升高率大，工作粗暴，NOx排放多。第七章發動機的特性第二節發動機的負荷特性負荷特性：發動機轉速不變，其性能指標隨負荷而變化的關系。一、柴油機的負荷特性二、汽油機的負荷特性三、柴油機和汽油機負荷特性的對比分析1）汽油機的燃油消耗率普遍較高2）汽油機排氣溫度普遍較高3）汽油機的燃油消耗量曲線彎曲度較大第三節發動機的速度特性速度特性：發動機在油量調節機構（油量調節齒條、拉桿或節氣門開度）保持不變的情況下，主要性能指標（轉矩、油耗、功率、排氣溫度、煙度等）隨發動機轉速的變化規律。全負荷速度特性（外特性）：當油量控制機構在最大位置時，測得的特性。部分負荷速度特性：油量低于最大位置時的速度特性。一、柴油機的速度特性二、汽油機的速度特性三、柴油機和汽油機的速度特性對比分析第四節發動機的轉矩適應性一、轉矩適應性系數KTKT=Ttqmax/TtqnTtqmax是外特性上最大轉矩二、轉速適應性系數KnKn=nn/nmnn是標定轉速，nm是外特性上最大轉矩對應的轉速三、轉矩儲備系數μμ=(Ttqmax–Ttqn)