吉林大学发动机原理讲义

1、发动机原理讲义 参考书目 发动机原理发动机原理林学东林学东（教材）（教材） 汽车拖拉机发动机汽车拖拉机发动机董敬董敬机械工业出版社机械工业出版社2001 汽车构造汽车构造（上册）（上册）陈家瑞陈家瑞机械工业出版社机械工业出版社2001 工程热力学工程热力学陈贵堂陈贵堂北京理工出版社北京理工出版社1998 内燃机学内燃机学周龙保周龙保机械工业出版社机械工业出版社2004 内燃机原理内燃机原理蒋德明蒋德明中国农业机械出版社中国农业机械出版社 1988 内燃机原理内燃机原理刘永长刘永长华中理工出版社华中理工出版社1992 教师信息 信息 韩永强471738860 讲课缺点

2、内容多（重点不突出）；思维跳跃（容易跑题）；板书乱、语 速快 拟改正方法 每章后给大家电子版讲义；挑重点讲（常识性的，考试的） 奖励 笔记，不考勤（若强烈要求），不计入成绩（即使强烈要求） 目标： 希望大家能了解更多的发动机基本和前沿知识并成为大家的朋 友 发动机基本流程 能量转换过程（实际） 讲授主线及分值分布 提出发动机的性能指标（t、i、e）、工作循环历 程、各种指标的计算方法（一二章）20-25分； 介绍燃料特性、燃烧初步、燃烧反应热化学计算， 明确为何分为汽油、柴油两种（三章），10-15； 据燃料特性讲授汽油机、柴油机的混合气形成， 燃烧组织方式，相应的结构措施，各个参数对燃 烧、

3、性能的影响规律（四五章）25-30； 综合上述知识讲授发动机实际工作中的特性及各 种运行指标对特性的影响（六章）25-30分； 有害物排放与控制简介（前沿技术简介）5-10分。 第一章 发动机的性能指标 定义及意义 评价发动机优劣的依据（优秀学生干部；超女、亚姐；帅哥VS好发 动机） 按来源分 理论指标：基于理论循环得出的动力性、经济性指标； 指示指标：基于缸内实际循环得出的动力性、经济性指标； 有效指标（实用指标）：发动机实际运行中所表现出的各种性能指 标。 按评价内容分 动力性：Pe Ttq n 经济性指标：热效率， b，B； 排放指标：NOx、PM、CO、HC，臭味 运行指标：冷起动、噪

4、声、 加工工艺：可靠性、耐久性、成本 决定因素：工作循环过程（燃烧组织）、后处理 第一章 发动机的性能 发动机优劣对比（综合性） Benz W12 (20/Y)S195 (20W/Y) 动力性动力性160kW10kW 经济性经济性197g/kWh（30L/h）250g/kWh（3L/h) 排放排放欧V(0.32kg/h) Nox， 2g/kW.h（标定点） 欧-5？(0.15kg/h) 15g/kWh 使用特性使用特性35W（价格）2.5K $1.1 发动机理论循环 理论循环的定义（What、How、Why） 在一定的简化条件下将发动机的实际工作循环按燃烧过程不同抽象为几种典型的热力学可描述的

5、过程 （P-V、T-S图），用于获得某些的性能评价指标及各种参数对该指标的影响规律（效率T-S、功P- V）。 $1.1 发动机理论循环 简化条件 封闭循环 换气过程为定容放热，无物质交换； 绝热 压缩过程、膨胀过程为绝热（等熵），不考虑传热损失； 热源加热 燃烧过程为瞬时热源加热（定容或定压），不考虑燃烧过程的时间、燃烧损失； 理想工质 工质为空气、不考虑成份变化及数量变化； 可逆过程 循环中无能量的损失只有能量的转换，总熵产为0，可用热力学的循环来表示。 $1.1 发动机理论循环 分类（燃烧过程） 定容循环（汽油机） 燃烧迅速、上止点（定容：余隙容积）加热。 定压循环（大型柴油机） 上止点

6、后燃烧、加热缓慢，放热量导致的压力增加与容积增大引起的压力下降抵消，压力维持不 变。 混和循环（车用高速柴油机） 一部分（预混和燃烧）定容燃烧、一部分（扩散燃烧）定压。 $1.1 发动机理论循环 典型热力学过程 T T- -S S 图中定容过程图中定容过程曲线的斜率：曲线的斜率： v C T dS dT ；定压；定压 过程过程曲线斜率曲线斜率： p C T dS dT ；因为；因为CvCp 所以定所以定 容曲线陡峭，而定压过程曲线较平缓。容曲线陡峭，而定压过程曲线较平缓。 对于对于 P P- -V V 图等熵过程图等熵过程 KK V V PPCPV)( 2 1 12 即；等等 温过程温过程：

7、CPV ，等温斜率小，等温斜率小 可能涉及到的热力学过程为：等熵、可能涉及到的热力学过程为：等熵、等温（燃烧温度控制：等温（燃烧温度控制：NOx、热负、热负 荷）荷）、定容、定压定容、定压 $1.1 发动机理论循环 典型热力学过程 $1.1 发动机理论循环 理论循环历程（板书） 等熵（绝热）压缩：a-c 工质加热（理想燃烧过程）c(-z)-z 等熵（绝热）膨胀：z-b 定容放热（理想换气过程）：b-a. $1.1 发动机理论循环 可得到的指标 Wt为一次量，其余为引申量。 Wt $1.1 发动机理论循环 可得到的指标 Wt，Q1为一次量，其余为二次量。 Q2 Q1 Q1 Q2 1 2 1 21

8、 1 1 Q Q Q QQ Q Wt t $1.1 发动机理论循环 各因素对性能的影响（必考内容） $1.1 发动机理论循环 压缩比影响 $1.1 发动机理论循环 压缩比影响 $1.1 发动机理论循环 绝热指数 理论循环热效率随绝热指数的理论循环热效率随绝热指数的 增加而提高。增加而提高。 K取决于工质性质，对于双原取决于工质性质，对于双原 子分子（空气）子分子（空气）K=1.4，多原，多原 子气体子气体K=1.33，发动机的混，发动机的混 和气和气K=1.321.4。 柴油机热效率高的四个要素压柴油机热效率高的四个要素压 缩比高、混和气绝热指数高、缩比高、混和气绝热指数高、 泵气损失小、燃烧

9、完全。泵气损失小、燃烧完全。 $1.1 发动机理论循环 三种循环效率对比 $1.1 发动机理论循环 三种循环效率对比 $1.2 发动机实际循环 组成（四行程） 进气、压缩、燃烧、膨胀和排气。 表达方式 通常用气缸内工质的压力随气缸容积（或曲轴转角）的变化图形PV图 （或P）图来表示，称为示功图。(T-S图不适用，不可逆） 理解 以缸内工质对活塞做功为研究对象的循环描述 以热力学过程为研究对象的循环描述（理论） $1.2 发动机实际循环 示功图分析（功的走向） $1.2 进气过程（ra） $1.2 压缩过程（ac） $1.2 压缩过程（ac） $1.2 压缩过程（ac） $1.2 燃烧过程（C-

10、Z） 作用：作用： （cz 线）将燃料的化学线）将燃料的化学 能转变能转变为热能，使工质的压力、温度升为热能，使工质的压力、温度升 高。放出的热量越多，放热时越靠近上高。放出的热量越多，放热时越靠近上 止点，热效率越高。止点，热效率越高。 要求：要求：燃烧完全、及时。燃烧完全、及时。 参数参数范围范围： P Pz z(MPa) T(MPa) Tz z (K)(K) 汽油机汽油机 3.06.5 22002800 柴油机柴油机 4.59.0 18002200 增压柴增压柴 9 9. .0 01414. .0 0 1 19009002 2100100 参数比较：参数比较： 柴油机柴油机大大 Pz 汽

11、油机汽油机混合气热值高、燃烧温度高混合气热值高、燃烧温度高TzTz $1.2 膨胀过程（Z-B） $1.2 排气过程（br） $1.2 指示指标 指示指标用来评定实际循环质量的好坏，以工质在气缸内对活塞做功为基础。 用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性即做功能力。用循环热效率及 燃料消耗率评定循环的经济性。 分类 $1.2 动力性指标 循环指示功Wi（kJ）：一个实际循环工质对活 塞所做的有用功 。 平均指示压力pmi (MPa)：发动机单位气缸工 作容积(L)一个循环所做的指示功。 计算方法： 测取示功图（P- ），利用数值积分方法进行计 算。 4 ; 2 SD V V W p s s

12、i mi d d dV pWi 360 0 $1.2 动力性指标 $1.2 动力性指标 $1.2 经济性指标 $1.2 经济性指标 热效率与燃油消耗率的关系 一小时所作的指示功为Pi3.6103（kJ） 一小时所消耗的热量为Bhu（kJ） 则热效率=Pi3.6103/(Bhu)，hu（kJ/kg） 因为biB/Pi1000 所以有Pi/B1000/bi 则有热效率3.6106/（bihu） $1.3 机械损失 定义 发动机实际循环所做的指示功不可能完全对外输出，功 在发动机内部转化过程中必然会有所损失，所消耗在发 动机内部的这部分功称为机械损失。用Pm，pmm表 示。 $1.3 机械损失 组成

13、 $1.3 机械损失 测定方法 $1.3 机械损失 测定方法 $1.3 机械损失 测定方法 $1.3 机械损失 测定方法 4、示功图法 热车 测取Pe 同时测示功图，计算出Pi 据公式机械效率Pe/Pi可直接求出所有项目 缺点：实验系统复杂昂贵、需在缸盖上打孔 优点：可适用于任何机型 $1.3 机械损失 影响因素 $1.3 机械损失 影响因素 2摩擦损失 在机械损失中，摩擦损失所占比例最大，达70左右。 活塞组件(活塞环、活塞裙部和活塞销)。 减少措施：减少活塞环数目；减薄活塞环厚度；减少活塞裙 部的接触面积；在裙部涂固体润滑膜等。 曲轴组件 （主轴颈、连杆轴颈或平衡轴颈及其密封装置） 。 一

14、般润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比。 减少运动件的惯性质量，如减小活塞、活塞销、连杆的质量， 可降低轴承负荷并可使轴承宽度和轴径减小。 配气机构 减小配气机构运动件质量，降低弹簧负荷，在摇臂与凸轮接 触面处加入滚动轴承等。 减少措施：相对运动件的接触面积、接触形式（滑滚）；配 合面的加工精度、润滑情况；运动件的质量，配气机构的弹簧 刚度。 $1.3 机械损失 影响因素 $1.3 机械损失 影响因素（负荷 ） $1.3 机械损失 影响因素 $1.4 有效指标 定义 发动机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率 为基础获得的，代表了发动机整机的使用性能性能， 通常称它们为有效指标。 分类

15、 动力性：Pe，Ttq，n，Pme 经济性：be、B， 强化指标：PL、me、强化系数 e $1.4 有效指标 动力性指标 $1.4 有效指标 动力性指标 $1.4 有效指标 动力性指标 $1.4 有效指标 经济性指标 $1.4 有效指标 强化指标 $1.4 有效指标 强化指标 第一章 发动机的性能指标 知识点回顾 理论循环 定义、简化条件、分类、可得到的指标、影响因素 实际循环 组成，各阶段特点、要求，不同参数的汽油柴油机对比，可得到的指标，各指标的计算方法。 机械损失 定义、组成及比例、测定方法、影响因素。 有效指标： 定义、分类及计算公式、强化指标的对比。 第二章 发动机换气过程 一、概

16、述 作用 尽可能排除缸内废气并充人尽可能多的新鲜工质（尽量增加每循环进入气缸的新鲜工质 量（m1），从而提高功率及强化指标 对性能影响 影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒适性等。 要求 尽可能合理地延长换气时间：发动机换气过程包括排气过程和进气过程。理论上进排气 各占180（合计360 ）曲轴转角。 实际上由于发动机转速高，一个行程的历时只有60/6000/20.005s时间短充气不足， 排气不净。要尽量延长进、排气时间（换气过程)即扩大进、排气的曲轴转角。 组成： 从排气门开启进气门关闭的整个时期，约占410480曲轴转角。一般分作自由排气、 强制排气、进气和气门叠开四个阶段。 二、几

17、个概念 一）配气定时（配气相位）图 进、排气门开、闭相对于曲轴转角的时刻称为配气定时（相位），用相对上、 下止点的曲轴转角的环形图来表示则称为配气定时图。 二、几个概念 一）配气定时（配气相位）图 作用： 在活塞上行时排气门有足够大的开启面积，减小排气阻力； 减小活塞上行时的阻力（强制排气损失负功）；合理匹配可以减小 泵气损失。 高温废气迅速排出可减小发动机热负荷； 二、几个概念 一）配气定时（配气相位）图 作用 利用压力差和废气流惯性尽可能排净出废气。 作用 在活塞下行时进气门有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺 利流入气缸；冷却燃烧室壁面以降低Ta提高充气效率。 二、几个概念 一）配气定时（

18、配气相位）图 作用： 利用高速气流的惯性和压力差在下止点后继续充气，增加进气 量。 作用： 二、几个概念 二）换、泵气损失 图例 X：k-a-k-k Y：r-k-r-k-k-a-r W：b-b-r-b d：r-k-k-a-r 二、几个概念 二）换、泵气损失 1、定义 换气损失：实际换气过程相对于“准”理论循环（理论配气状态下的压缩、燃烧、膨胀过程）换气过 程所损失的部分（缺失或负功）。 W+Y+X 泵气损失：720CA实际循环中为负值的部分。 X+Y-d 换气损失的优化 合理匹配排气提前角使得W+Y取得最小值。 三）充气效率 1、定义 充气效率：实际进入气缸的新鲜工质量m1与进气状态 下充满气

19、缸工作容积的新鲜工质量ms的比值。 2、测量方法 利用空气流量计测出发动机实际进气量M1（kg/h） 计算该工况的理论进气量Ms（kg/h），二者之比即 是。 二、几个概念 v Sssss inV n iVm3060 2 一）排气过程 1、自由排气 定义：从排气门打开到气缸压力接近排气管压力所对应的阶段。 分段及详解 前期（超临界排气）：Pb/Pr1.9，废气以声速流经排气门 口，与压差无干。C=（KRT）1/2，400-800C时， 500m/s-700m/s 中期（亚临界排气）： 1.9Pb/Pr1，流速低于音速且取 决于压差。 结束阶段：Pb与Pr趋于一致，废气不能自由排出，需活塞 上行

20、推出废气。 特点 排出废气量与工况（尤其是转速）无关仅取决于缸内状态及排气 管阻力（结束标志为压力平衡）。 时间极短但有近60的废气在此阶段排出。 三、换气过程详解 一）排气过程 2、强制排气 定义：克服排气系统阻力活塞强制推出废气。 二）进气过程 定义：活塞下行、缸内容积增加、缸内压力下降、环境压力 缸内压力进气系统阻力，吸入新鲜工质。 特点： 初期缸内容积增加、压差不足不进气，进气系统压力急剧下 降。 压力下降到压差进气阻力后压力几乎不变。 三、换气过程详解 第二节 四行程发动机充气效率 一、充气效率影响因 素确定 一）、图例 进气终了气缸容积为Vs+Vc：ma= 气缸工作容积为Vs： 令

21、： aVsVVc aa )( Vsm ss Va a V 二）、公式推导 一、充气效率影响因素确定 三）、影响充气效率的因素 一、充气效率影响因素确定 一）进气终了压力Pa 原理性分析 二、各因素对充气效率的影响规律 一）进气终了压力Pa 转速影响（不考虑进气迟 关的影响，假定均最佳配 气） 二、各因素对充气效率的影响规律 进气终了压力随转速的变化（汽） n Pa 柴 汽外 一）进气终了压力Pa 负荷影响 汽油机（量调节） 负荷增加节气门开大，阻力系数小Pa 增加（主要因素） 负荷增加发动机热负荷增加，对进气 加热量增加Ta上升（次要因素）。 随负荷增加汽油机充气效率上升 柴油机（质调节） 负

22、荷阻力不变，Pa基本不变 负荷Ta略微 柴油机随负荷增加v基本不变或稍。 二、各因素对充气效率的影响规律 Pe 二）进气迟关角 、 容积系数 影响机理 谐波进气（主要），进气终了容积（次要）。 二、各因素对充气效率的影响规律 惯性效应（单一进气） 波动效应（循环、缸间） 二）进气迟关角 、 容积系数 对充气效率的影响 特定转速下取得最佳值，若可变可获得外包络线（各 转速均为峰值，相当于仅考虑Pa）。 压力降迟关角共同影响造成的实际发动机充气效率 为中间高两端低（低速惯性不足反流，高速惯性未充 分利用且压力降过大） 迟关角越小峰值越靠近低速 汽油机的峰值对应最大扭矩点。 二、各因素对充气效率的影

23、响规律 不同进气迟关角对应的充气效率不同进气迟关角对应的充气效率 实际发动机充气效率随转速变化实际发动机充气效率随转速变化 n n 三）进气终了温度Ta Ta高于To的原因 Ta对充气效率的影响 降低Ta的措施 排气管与进气管置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开 角 工况对Ta的影响 二、各因素对充气效率的影响规律 四）残余废气系数r 二、各因素对充气效率的影响规律 v ，而且使燃烧恶化。，而且使燃烧恶化。 汽油机低负荷运转时汽油机低负荷运转时（m1 ，mr 变化不大变化不大) 稀释可燃混合气稀释可燃混合气燃烧过程缓慢燃烧过程缓慢经济性和排放经济性和排放性能变差。性能变差。 1 1 1

24、 a a s s v p p 五）环境温度Ts和环境压力Ps 环境温度Ts 随环境温度的增加，环境温度与缸壁等热部件的温差减小， Ts/Ta，充气效率有所增加。 一般情况下，充气效率与（Ts/T0）m 成正比，m=0.25- 0.3. 转速增加，作用时间短Ts/Ta增加；负荷增加缸壁温度增加， Ta/Ta减小。 环境压力 Ps对充气效率没有影响。 两端同除以Ps有， 可见，Pa/Ps在温度相同的情况下为常数，及充气效率不变。 二、各因素对充气效率的影响规律 ssa vPP 2 2 1 五）环境温度Ts和环境压力Ps 冬天与夏天对比（充气效率、m1） 冬天的充气效率低，但功率大（与温度成0.3次

25、方，而 进气量m1与温度成1次方关系（从密度公式考虑）， 即温度低m1增加）。 高原与平原对比 充气效率不变 密度变小，m1减小动力性下降 二、各因素对充气效率的影响规律 一、总体原则（从影响因素出发） 减小进气系统阻力：提高pa 合理匹配配气相位：综合优化有效容积比和惯性进气。 减小排气系统阻力：降低残余废气系数 减小进气加热：降低Ta 第三节 提高充气效率的措施 一、减小进气系统阻力 减小气门处的阻力 1、时面值、角面值（气门开启丰度） 定义：整个气门开启过程中开启面积对时间、角度的积分称为 时面值、角面值。代表了气门总的开启面积，也可以反应气门 开启的丰满程度（流通能力）。 与凸轮升程规

26、律（气门升程规律）、气门密封锥角有关。 随转速的升高一般的角面值不变化，而时间变短，时面值下降， 换气过程就相对困难（阻力系数 增加）。 二 、提高充气效率的措施 一、减小进气系统阻力 减小气门处的阻力 2、进气马赫数 降低Ma，提高充气效率的措施 增大气门的相对通过面积； 改善气门处的气体流动； 合理的配气相位。 二 、提高充气效率的措施 一、减小进气系统阻力 减小气门处的阻力 3、气门直径和气门数 二 、提高充气效率的措施 一、减小进气系统阻力 减小气门处的阻力 4、气门升程规律 二 、提高充气效率的措施 一、减小进气系统阻力 减小气门处的阻力 5、减少气门处的流动损失 二 、提高充气效率

27、的措施 一、减小进气系统阻力 减小进气道的阻力 谐波进气（可变管长） 根据发动机的转速不同，自动调整进气管长度，从而能够充分利 用进气过程中较高的进气谐波，提高充气系数 一般原则为低速、大扭矩时细长（在阻力变化不大情况下提高惯 性）、高速时短粗（惯性不变的情况下减小阻力系数）。 二 、提高充气效率的措施 二、合理选择配气正时 二 、提高充气效率的措施 二、合理选择配气正时 二 、提高充气效率的措施 三、减小排气系统阻力（r） 选择合理的排气消音器（排气管合格的国标为动力性下降小于5%）。 减小残余废气系数。 气门叠开扫气。 四、减少进气加热（Ta） 进排气管分布在两侧 气门叠开、排气过程等。

28、二 、提高充气效率的措施 三 、提高充气效率的另一种说法 发动机原理讲义 第三章 燃料与燃烧 需掌握内容 燃料的组成及分类（C原子数、分子结构对燃料性能的影响） 各种燃料的评价指标及实际意义（燃料的使用特性） 常用燃料燃烧化学初步计算（理论空气量、分子变更系数、混和气热值） 燃烧初步（链式反应、热力自燃） 第一节 燃料组成及特征 一、燃料的主要分类 石油类（烃类）：液态，汽油、（煤油：用于航空 发动机）、轻柴油、重柴油；气态，CNG、LNG、 LPG （海底可燃冰，CH4的水合物，每立方米可析出 164立方米的天然气，保守估计有1.1 万亿吨 (11 1012t)，可够人类使用1000年） 含

29、氧燃料：甲醇、乙醇、醚类（二甲基乙醚 DME） ，BTL、GTL、CTL（制取燃油） 生物油类：大豆油、菜籽油等，可再生资源，太稠、 混合气形成困难、结焦。去除甘油后就可以变稀。 氢：好处多多，但主要问题集中在能量密度（贮存： 压缩法、液化法、吸附法）、零部件的脆化和来源。 仅是能量的载体，非能源。 （红色字体部分由于出现较晚，或应用范围较窄，被称为代用燃料。 其出现的主要目地为缓解能源危机和环境污染） 二、石油类燃料特性 1、化学组成： 主要成分：碳、氢，占9798%； 少量元素：硫、氧、氮 其中O元素可以降低燃烧过程微粒物，烟度下降； S可以使N多催化剂中毒，尽量减少。 微量元素：K，As

30、，Na，Ca 通式：多种碳氢化合物的混合物，通式可表达为CnHm，通常称为烃。 二、石油类燃料特性 2、C原子数对烃类燃料性能的影响 随分子中C原子个数的增加有： 二、石油类燃料特性 3、分子结构对烃类燃料性能的影响 二、石油类燃料特性 3、分子结构对烃类燃料性能的影响 第二节 燃料使用特性 一、汽油使用特性 1、馏程：蒸发性（挥发性） 定义：馏出某一质量百分比燃油的温度范围。 主要指标：为了评价燃料的挥发性（形成混合气的难易程度）， 以10、50和90的馏出温度作为指标。 （1）10馏出温度T10(75) 表征燃料的起动性（T10低容易冷车起动）。 但过低，在输送时受发动机温度较高、压力过低

31、部位汽化，形成 “气阻”，使发动机断火，影响正常运转。 （2）50馏出温度T50(145) 表征平均蒸发性。 T50低(从较低负荷向较高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合 气）暖车时间+加速性+工作稳定性均会改善。 （3）90馏出温度T90(195) 第二节 燃料使用特性 一、汽油使用特性 2、辛烷值（抗爆性） 爆震： 在汽油机燃烧中，在火焰前锋面未传播到的情况下由于缸内温 度（或局部温度）高过而引起的末端混合气自燃（瞬间同时燃 烧） ，从而引起缸内温度、压力急剧上升并伴随特定敲缸声 （压力波在缸内的不断反射）的不正常燃烧状态。 轻微爆震时燃烧迅速定容性提高，热效率提高、动力性提高。 爆震过强

32、时缸内温度、压力急剧上升发动机的热负荷、机械负 荷增加，润滑系统、冷却系统破坏从而引起可预见的重大破坏。 现代汽油机中增设爆震传感器，使发动机在临界爆震状态燃烧。 第二节 燃料使用特性 一、汽油使用特性 2、辛烷值（抗爆性） 辛烷值测定方法： 在特殊的单缸试验机（CFR）上按规定的条件进行。 利用两种标准燃料：异辛烷(2,2,4三甲基戊烷，C8H18)，辛烷值 为100；正庚烷 (C7H16)，辛烷值为0。按不同比例（体积）混合 可得不同辛烷值的标准燃料，（其辛烷值即为异辛烷的体积百分 数）。 在特定工况下调整压缩比使被测燃料发生临界爆震。 找出与被测燃油相同具有抗爆性的标准燃料，则标准燃料的

33、辛烷值 即为被测定汽油的辛烷值。 辛烷值高低顺序为烷烃烯烃（炔烃）环烷烃芳烃。 辛烷值的分类：马达法试验值（MON）n=900r/min、进气加 热（条件苛刻），研究法试验值（RON）n=600r/min、进气 不加热。 MON11时的理论分子变更系数 计算方法 四、燃料热值与混合气热值 1、燃料热值： 1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。 高热值：包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热； 低热值：不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热。 2、混合气热值： 单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量（汽油机如下，柴油机去 掉燃料部分）。 发动机中每循环放热量取决于混合气热值（单位体积），而非燃料低 热

34、值 如汽油、甲醇低热值差很多44000kJ/kg和27000kJ/kg，而理论混合气 热值相差不大3749kg/m3和36301/m3。所以烧E10时合理增加喷油量 在发动机结构不变的情况下动力性相差不大。 第四节 燃烧初步 掌握内容 燃烧的阶段 着火理论及自燃临界条件 火焰传播定义及速度的影响因素 汽油柴油的使用特性与汽、柴油机混合气形成燃烧组织的关系 一、着火阶段（点燃） 定义 发生明显光、火焰效应前的准备阶段 A、链式反应 组成： 链引发、链传播、链中断 链引发： 烃类受激（电火花、高温气流）产生自由基（或原子）活性中心 促进新反应进行。 链传播 自由基与反应物作用：进一步反应，产生新的

35、自由基： 1:1：直链反应（不加速） 1:多：支链反应（加速、爆炸） 链中断 自由基与环境碰撞失去活性（没电了，玩完了） 反应物浓度急剧消失，自由基找不到促进的对象（孤立了、没用了） 氧化反应的特征 存在形成、积累活性中心的诱导期，长度与反应物特性、浓度、温度、 容器边界形状有关 一、着火阶段（自燃） B、热力自燃 定义 在T,P适宜的情况下无外部能量，自身反应自动加速、自发着火过程 着火条件 在整个着火过程中每一时刻的反应放热速度（与温度呈指数关系）大 于反应物系统向环境的散热速度（与温度呈线性关系），产生热量积 累从而着火。 一、着火阶段（自燃） 实际着火过程 一、着火阶段（点燃） 定义：

36、 利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并引起火焰传播的着火过程。 电火花的作用 提供能量使T升高 电离混合气形成活性中心引发链反应或热积累 二、燃烧过程（火焰传播） 定义： 火焰前锋面（以火花塞中心为球面的0.010.5mm厚度的一 层反应中的混合气）前方为未燃混合气、后方为已燃混合气； 极大的温度、浓度梯度造成传热、传质使得火焰向前传播。 在无紊流或若紊流时传播速度较慢、层流传播；在强紊流时火 焰前锋面破裂、形成许多小的反应团、宏观厚度增加、反应面 积增加、火焰传播速度极快。 小紊流小紊流 大紊流大紊流 四、汽油、柴油特性引发的燃烧组织 柴油 四、汽油、柴油特性引发的燃烧组织 汽油 发动机原

37、理讲义 第四章 汽油机混合气形成及燃烧 第一节 汽油机燃烧过程 概述（几个概念） 一、汽油机正常燃烧 定义 唯一地由火花塞点火且火焰前锋以特定的速度传遍整个燃烧室的过程。 燃烧过程分段 （）着火延迟期； （）明显燃烧期； （）后燃期。 一、汽油机正常燃烧 着火延迟期（1-2） 定义 从火花塞跳火到压力偏离压缩线（出现火焰，5放热量）的时 间或曲轴转角 作用 火花塞放电点燃混合气形成火焰核心（链引发）； 火花塞放电特性 两极电压达1015kV； 击穿电极间隙的混合气，造成电极间电流通过； 电火花能量多在4080mJ； 局部温度可达3000K，使电极附近的混合气立即点燃； 形成火焰中心，火焰向四周

38、传播； 气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。 一、汽油机正常燃烧 着火延迟期（1-2） 特点： 燃烧量小，压力升高不明显。 要求 尽量缩短着火延迟期并保持稳定。 影响滞燃期的因素 一、汽油机正常燃烧 明显燃烧期（2-3） 定义 从火焰核心形成（开始燃烧）到最高燃烧压力点（火焰传播到整 个燃烧室）对应的曲轴转角或时间。 作用 迅速地把大部分燃料的化学能转变为热能； 特点 是汽油机燃烧的主要时期，热量利用率高。 明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好。 要求 在压力升高率（平均压力升高率）不过高（0.1750.25MPa） （若过高则工作粗暴，机械负荷、热负荷增加对NOx排放增加） 的

39、前提下尽量缩短明显燃烧期（20-40CA）并靠近上止点 （Pmax在8,12-15CA）。 一、汽油机正常燃烧 后燃期（3点以后） 定义 从压力最高点到燃料燃烧90%以上的时间或曲轴转角。 作用 火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧； 贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧； 高温分解的燃烧产物（H2、CO等）重新氧化。 特点 燃烧速度慢，远离上止点，热量利用率低。 要求 尽量减少后燃期 一、汽油机正常燃烧 影响燃烧速度的因素 可燃混合气密度 火焰前锋面积AT 利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时 期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度，形成不同燃烧组织状 态 一、汽油机正常燃烧 影响

40、燃烧速度的因素 火焰传播速度 控制UT就能控制明显燃烧期的长短及相对曲轴转角的位置。一 般在5080m/s，燃烧时间极短，仅12ms 影响火焰传播速度的因素 缸内紊流 紊流增加速度增加 混合气成分 一、汽油机正常燃烧 影响燃烧速度的因素 影响火焰传播速度的因素 残余废气系数 残余废气系数增加火焰传播速度下降 初始混合气温度、压力 初始T，P增加火焰传播速度提高 一、汽油机正常燃烧 不规则燃烧 分类 循环变动 各缸间燃烧差异 循环变动 原因 火花塞附近混合气的混合比；气体紊流性质、程度在各循环均有变 动，致使火焰中心形成的时间不同，即由有效着火时间变动而引起。 危害 使空燃比和点火提前角调整不可

41、能都对每一循环处于最佳状态 ，经 济性、动力性恶化，不正常燃烧倾向增加，整个汽油机性能下降。 影响因素 当a=0.80.9时循环燃烧变动最小； 在中等负荷以上变动较小； 加强紊流有助于减少变动，因此转速增加，一般变动减小； 加大点火能量，采用多点点火，情况可有所改善； 点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。 一、汽油机正常燃烧 不规则燃烧 各缸燃烧差异 原因 主要是由于分配不均匀造成的 危害 整个汽油机功率下降；耗油率上升； 排放性能恶化 影响因素 分配不均匀 气道内的沉积燃油 进气歧管的差别 各缸间进气重叠引起的干涉。 过量空气系数的影响 各缸混合气成分不同。 进气管的设计 任何不对称和流动阻

42、力不同的 情况都会破坏均匀分配 一、汽油机正常燃烧 燃烧室壁面淬熄作用 原因：接近缸壁的一层气体受冷和碰壁使得链反应中断。 影响因素： 当a=1左右，熄火厚度最小，混合气变浓、稀此厚度均增 加； 负荷减小时，熄火厚度显著增加； 燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度均减小。 危害：存在大量未燃烧的烃，排气中HC。 解决措施：尽量减小熄火厚度及燃烧室的面容比 A/V、 活塞余隙从而降低汽油机的 HC排出量。 $4.1 二、不正常燃烧 分类 爆震和表面点火（早燃、后燃） （一）爆震 特征：气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸。 原因：处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称末端混合气

43、），受到压缩和辐射热的 作用，加速了先期反应产生了自燃。压力冲击波反复撞击缸壁。 影响因素： 1）燃料性质：辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。 2）末端混合气的压力、温度(压缩比、散热组织） 末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。 提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生； 气缸盖、活塞的材料使用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低，爆燃倾向小，可提高压 缩比0.40.7单位。 3）火焰前锋传播到末端混合气的时间 提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，这有利于避免爆燃。 例如，气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，故没有很大缸径的

44、汽油机）。 $4.1 二、不正常燃烧 危害 轻微敲缸时，燃烧定容性改善，发动机功率上升，油耗下降。 严重时破坏缸壁表面的附面气膜和油膜（摩擦损失增加；气缸盖和活塞顶温度升高（传热增加）；从 而导致冷却系过热，功率降低，耗油率增加。 剧烈爆震将造成活塞、气门烧坏，轴瓦破裂，火花塞绝缘体破裂，润滑油氧化成胶质，活塞环卡死。 $4.1 二、不正常燃烧 （二）表面点火-热点点火 由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘 体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的并形 成火焰传播。点火时刻是不可控制的（早燃、晚 燃），常见于压缩比9。 1.早燃：火花塞点火之前，炽热表面点燃混合 气 危害 由于它提前点

45、火而且热点表面比火花大，燃烧速率快气缸 压力、温度增高，发动机工作粗暴； 压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降（待商榷）； T，P升高；火花塞、活塞等零件过热。 早燃与爆燃相互促进：TP升高诱发爆燃，爆燃促进更多 热点形成更剧烈的表面点火。 $4.1 二、不正常燃烧 2.后燃是指在火花塞点火之后，炽热表面或热辐射点燃混合气 的现象。 与爆燃不同，表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合 气所致，没有压力冲击波，“敲缸声”比较沉闷，主要是由活塞、连 杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。 影响因素 凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切 条件，都能促成表面

46、点火。 $4.1 二、不正常燃烧 各种示功图对比 $4.1 三、使用因素对燃烧的影响 分析方法： 从边界入手分析边界对燃烧过程因素的影响进而分析出性能变化 最终要分析的性能： 1、发动机性能：动力性（Pe）、经济性（be）、排放特性（HC：壁面淬熄及混合 气过浓，NOx：高温、富氧、作用时间，CO：aNOx排放增加。 当al燃烧不完全CO增加。 当a0.8及a1.2时，UT下降燃烧不完全 be增加HC排放增加工作不稳定。 可见，在均质混合气燃烧中，混合气浓度对燃烧影响极大，必须严格控制。 4.1 三、使用因素对燃烧的影响 2、点火提前角 定义 点火提高角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角。其数

47、值应视燃料性质、转 速、负荷、过量空气系数等很多因素而定。 要求（弥补滞燃期使燃烧始点发生在特定范围内） 随辛烷值的增加点火提前角增加 随负荷（T、P）升高点火提前角减小 随转速升高点火提前角增加。 点火提前角调整特性 当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机功率（耗油率） 随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性。 4.1 三、使用因素对燃烧的影响 4.1 三、使用因素对燃烧的影响 3、转速(平均紊流强度增加，每循环时间缩短) 点火提前角 一般有， 其中mT,P增增加加，充充气气效效率率升升高高，残残余余废废气气系系数数下下降降） 当负荷混合气数量 混合气稀释程度起

48、火界限更窄， 火焰 速度燃烧恶化。 当负荷气缸的（温度+压力）爆燃的倾向。 4.1 三、使用因素对燃烧的影响 5、大气状况 大气压力低，气缸充气量减少（但充气效率不变）， 则残余废气系数增加，另外，压缩压力低，着火延迟 期长和火焰速度慢，则经济性和动力性下降，但爆燃 倾向减小。 大气温度高，同样气缸充气量下降（充气效率提高）， 经济性、动力性变差，而且容易发生爆燃和气阻。 在炎热地区行车时，应加强冷却系散热能力，用泵油量大 的汽油泵。 反之，在寒冷地区行车时，要加强进气系统的预热，增强 火花能量等，以保证燃油雾化、点火及起动。 4-2 汽油机混合气的形成 分类 汽油机混合气形成的方式主要有两类

49、：一类是化油器式，另一类是汽油喷射式（SPI、MPI、GDI）。 除分层燃烧的GDI发动机外都是预先形成均质混合气（提前喷射、理论混合气）并依靠控制节流阀 （节气门）开度来调节混合气数量的。 4-2 汽油机混合气的形成 理想空燃比特性（本课程的混合气状态） 理想化油器特性 a1 负荷（Ttq，Pe，pme) 4-2 汽油机混合气的形成 汽油喷射式混合气的形成（理论混合气） 空气系统空气系统 计量并控制燃烧所必 要的空气量。 燃料系统燃料系统 由电动汽油泵向各缸 喷嘴及起动喷嘴压送具有 一定压力的燃油。 控制系统控制系统 根据工况（根据信号 判断）决定合适的喷射时 间（开启时刻及时长）。 4-2

50、 汽油机混合气的形成 空气系统 空气系统用来计量并控制燃烧所必要的空气量。其中空气流量计是进行空气量测量，并将其转换 为电信号的关键部分； 空气阀安装在与节流阀并联的旁通空气回路上，在发动机冷机起动且节流阀全闭时，为加速暖机 开启旁通回路；发动机的负荷仍由节流阀的开度调节。 常用空气流量传感器有 叶片式； 热线风速（或热膜）式； 卡门涡街式。 4-2 汽油机混合气的形成 燃料系统 （电动汽油泵）是将直流电动机与转子式（或叶轮式）汽油泵联成一体的 结构。 （压力调节器）使喷嘴的供油压力相对于进气管压力总是高出一个恒定值。 保证喷嘴针阀两端的压差恒定，防止因进气管压力变化而引起喷油量变化。 （喷嘴

51、）电磁线圈通电的时间决定了喷油量的多少。 多点喷射方式 MPI（Multi Point Injection）： 单点喷射方式SPI（Sinsle Point Injection）。 4-2 汽油机混合气的形成 控制系统 控制系统的构成见图4-43。它由各类传感器、执行器及 电控单元（ECU）组成。 需要跛行系统、OBD系统、冗余设计。 两种混合气形成方式的比较 （电控的优点） 通电时间计算准确， 修正因素多，油量、空气计量 准确、控制精度高。 燃油正压喷射，气阻概率低雾化质量好，改善了 燃烧过程，经济性好。 取消了化油器喉管，提高了充气效率，有利于改善 整机动力性。 反馈控制，改善瞬态响应性能

52、，整机加速性能及排 放性能好。 采用多点喷射，使各缸分配均匀性，避免燃油在进 气管中沉积。 4-3 燃烧室（设计要点） 结构紧凑 以面容比（AV）燃烧室表面积与其容积之比来表征（A/V值越 小）。 火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比。 相对散热损失小，热效率高。 熄火面积小，HC排量少。 具有良好的充气性能 主要应考虑进气门、进气道的布置。应允许有较大的进气门直径或进 气流通面积，适于多气门布置。 进气流线短，转弯少，使混合气尽可能平直、光顺地流入燃烧室。 4-3 燃烧室（设计要点） 火花塞位置安排适当 扫除火花塞周围残余废气性要好，使点燃性，低速稳定性好，循环变动小。 火花塞尽量布置在使

53、末端混合气受热少的位置，如排气门附近。 应使由火花塞传播开的火焰面变化分配合理，确保运转平稳。 火焰传播距离应尽可能短。 燃烧室形状合理分布 燃烧持续期控制在60 (40)CA之内；不致过高。 4-3 燃烧室（设计要点） 组织适当的紊流运动 增大火焰传播速度； 冷却末端混合气区。 减少循环间的燃烧变动。 减小熄火厚度，降低HC的排量。 紊流过强会使热损失增加，点火困难，压力上升速度过大。 分类 进气涡流：它是利用进气口和进气道的形状，在进气过程中造成气 流绕气缸中心线的旋转运动。 进气滚流（纵向涡流）：旋转中心线与气缸中心线垂直的流动，宏 观的，多用于分层燃烧。 压缩挤流：在接近压缩终点时，利

54、用活塞顶部和缸盖底面之间的狭 小间隙S（称挤气间隙），将混合气挤入主要燃烧室内，形成涡流。 正好在上止点前达到最大，上止点后还有反挤流运动，因此 增大挤流强度可以提高明显燃烧期火焰传播速度，缩短燃烧 时间； 而且挤流不会引起充气效率降低，受负荷、转速影响较小， 曾是汽油机形成紊流的主要途径。 第五章 柴油机混合气形成和燃烧 5-1柴油机燃烧过程 概述：柴油机混合气的形成和燃烧过程特点 1、混合气形成特点： 汽缸内部形成混合气：因柴油不易挥发（馏程250350）必须借助喷 射设备在上止点附近（T,P高）喷入气缸，利用喷雾、加热蒸发和气流的 冲击作用形成混合气。 混合气形成时间短，只有1535CA

55、, n=1500r/min时只有 1.7ms4ms 混合气形成不均匀 =f(x.y.z.t)=0整个燃烧室 =0，为了照 顾弱者总体过量空气系数1.2。导致容积利用率低，PL、me低（傻大 黑粗） 混合气形成与燃烧紧密相连边混合边燃烧。 2、混合气形成方式： 空间雾化混合，燃料喷入燃烧室空间形雾状混合物。要求喷雾与燃烧室 形状配合，并利用气流运动。 油膜蒸发混合，燃料大部分顺气流方向喷到燃烧室上，形成一层油膜， 油膜受热蒸发，在旋转气流作用下与空气相混合形成可燃混合气。 现代小型高速柴油机上，燃燃油或多或少会喷到燃烧上形成油膜因此以 上两种混合方式兼而有之，只是主次，多少不同。目前多数车用柴油

56、机 以空间雾化混合为主。 3、燃烧过程特点 油膜（滴）蒸发扩散为主的混合加热循环，存在缺氧区域裂化、脱 氢碳烟生成（冒黑烟）、微粒（PT）排放增加。 5-1柴油机燃烧过程 燃烧过程概述： 分为着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃 期和补燃期 着火延迟期（又称为滞燃期）： 定义：从燃油开始喷入燃烧室内（A点）至由于开 始燃烧而引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧 上升（B点）。 作用：在着火延迟期内，燃烧室内进行着混合气准 备的物理和化学过程。 物理过程：燃油油滴加热蒸发扩散气化和混合形成可 燃混合气； 化学过程：可燃混合气裂解产生醛类（过氧化物兰炎） CO兰炎产物是CO，O，OH，H 等或

57、性中心热炎热 爆炸（链引发）。 着火延迟期一般为0.73ms。 主要影响因素为此时燃烧室内工质的状态（如T，P 和燃料种类）。 Tc i 十六烷值i 5-1柴油机燃烧过程 速燃期： 定义：速燃期为图5l中的BC段，即从压力脱离压缩线开始急 剧上升（B点）至达到最大压力（C点）。 作用：速燃期内，在着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开 始燃烧P，接近等容燃烧 ，评价参数为平均压力升高率和最 大压力升高率（dp/d）max p/= kpa/CA 急剧上升的压力冲击燃烧室壁，活塞，曲轴等部件诱发缸盖、 缸套、机体等部件变形，振动并辐射出强烈的噪声。因此 （dp/d）max应控制在0.40.5 MPa

58、/CA以下。（dp/d） max的大小主要与着火延迟期内准备好的可燃混合气的数量有 关。 要求：在适宜的压力升高率下越多越好 影响因素（滞燃期内形成的混合气量）： 缸内温度、压力十六烷值影响滞燃期 喷油规律、蒸发速率决定在滞燃期内形成的混合气量 蒸发速度 BC BC PP 缓燃期： 定义：缓燃期为图51中的CD段，即从最大压力点（C点）至最高温度点（D 点）。 作用：速燃期内未燃烧的燃油和后喷入的燃油在具有大量废气的环境中较慢定 压燃烧。一边燃烧，一边活塞下行，缸内压力几乎不变或稍有变化（接近等压 过程放热量达7080%。燃烧室内的最高温度可达2000K左右，一般在上止点 后2035CA处出现

59、。 特点：缸内废气 ，氧气 ，燃烧条件不利，边混合边燃烧局部高温缺氧燃料 裂解形成碳烟冒烟、经济性差。 所以柴油机均在1的条件下工作，使柴油机容积利用率下降。这是其比质 量，升功率不如汽油机的原因之一。 5-1柴油机燃烧过程 5-1柴油机燃烧过程 补燃期： 最高温度点（D点）至燃油基本燃烧完（E点）。 补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的9599时，就可以认为补 燃期结束，也是整个燃烧过程的结束。 特点：时间短促，混合气不太均，燃烧放出的热量得不到有效利用，排气温度提高，散热损失增 大，对柴油机的经济性不利。此外，后燃还增加了有关零部件的热负荷（膨胀过程的多变指 数？）。

60、 影响因素：重馏份比例（T90、T95） 因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。 5-1柴油机燃烧过程 燃烧放热规律： 瞬时放热速率：指在燃烧过程中的某一时刻，单位时间（曲轴转角） 内单位质量混合气所放出的热量；kJ/（kgCA）kJ/(kgs) 累积放热百分比：是指从燃烧过程开始至某一时刻（曲轴转角）为止 混合气所放出的热量与每循环混合气放热量的比值。 燃烧放热规律：瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关 系。 燃烧放热规律影响到表征燃烧过程中缸内压力、温度的变化，决定着影响到柴 油机的性能；对了解、分析和改进燃烧过程有着特别重要的作用（热力过程计 算）。 不同类型柴油机