发动机原理—教案

1、【发动机原理】教案 教材: 汽车发动机原理 张志沛 主编 大连海运学院出版社长安大学汽车学院机电与动力研究所1目 录绪 论 - 1第一章 发动机工作循环及性能指标 - 5 1-1 发动机理想循环概述 - 5 1-2 发动机实际循环 - 7 1-3 热平衡 - 8 1-4 指示指标 - 9 1-5 有效指标 - 11 1-6 机械损失 - 13 1-7 燃烧热化学 - 16 1-8 发动机混合气的着火和燃烧方式 - 20第二章 发动机的换气过程 - 22 2-1 四冲程发动机的换气过程 - 22 2-2 四冲程发动机的充气效率 - 23 2-3 影响充气效率的各种因素 - 25 2-4 提高充气

2、效率的措施 - 27 2-5 进气管内的动态效应 - 29 2-6 单位时间充气量与循环充气量 - 30第三章 柴油机混合气形成和燃烧 - 32 3-1 柴油机混合气形成 - 32 3-2 柴油机的燃烧过程 - 362 3-3 柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响 - 39 3-4 柴油机的燃烧室 - 41第四章 汽油机混合气形成和燃烧 - 46 4-1 汽油机混合气形成 - 46 4-2 汽油机的燃烧过程 - 49 4-3 汽油机的燃烧室 - 57第五章 发动机噪声及排放污染 - 60 5-1 发动机噪声污染及防治 - 60 5-2 发动机排放污染及防治 - 63第六章 发动机特性

3、- 66 6-1 发动机工况和性能指标分析式 - 66 6-2 发动机速度特性 - 66 6-3 发动机负荷特性 - 70 6-4 发动机万有特性 - 72 6-5 发动机调速特性 - 73 6-6 大气修正 - 77第七章 发动机台架试验 - 79 7-1 测量与计算参数 - 79 7-2 参数的测量 - 79 7-3 测取方法 - 83第八章 车用发动机的废气涡轮增压概述 - 85绪绪 论论 能量转换：发动机燃料的化学能热能机械能 机械能、电能等高级能源；热能低级能源发动机原理课研究：热能机械能 （转换效率：理论上小于 100%） 机械能热能 （转换效率：理论上可达 100%） 发动机：内

4、燃机和外燃机 车用发动机：间歇工作式发动机 四个冲程中只有一个冲程做功，做功不连续。 燃气轮机：连续工作式发动机 一 分 类（一） 种 类1 往复活塞式 （普遍）32 转子式汪克尔式 （THE WANKEL ENGINE） 早在 19 世纪, 就有人设想过, 但泄漏问题是这种发动机发展的致命弱点。它结构紧凑，运转平稳，是高速车用发动机的发展方向之一。1956 年德国工程师汪克尔制造出样机。目前日本已用于小轿车上，时速 200 km/h 左右。但光泄漏损失就要占 30%以上。目前我国苏杭等地已经生产出了样机。与往复式比较应特别注意的一点是，往复式活塞在上下止点都稍有短暂的停留，与一般认为的观点相

5、反，运动方向的这些改变并不影响它的效率；也就是说，在这个过程中，并没有什么固有的损失。旋转式比往复式的优越之处主要是几何形状上的紧凑性及由此而引起的一些优越之处，并非直接在气体动力学和热力学方面有何优越之处。3 摆动活塞式 （ROCKING PISTON ENGINE） 1979 年日内瓦发动机展览会上，展出了瑞士索罗图恩的萨尔茨曼（W. Salemann ）设计部门的摆动活塞式发动机。4 斯特林 （THE STIRLING ENGINE） 1816 年由罗伯特斯特林设想在气缸外部燃烧的一种热力发动机（外燃机），是现代发动机引人注目的一种。5 自由活塞式 （FREE PISTON ENGINE

6、） 只相当于涡轮发动机的燃气发生器。（二）往复活塞式发动机的分类 我们这门课主要研究目前汽车上广泛应用的往复式活塞发动机。1 按用途分类（1） 灌溉（抽水）用 点工况（2） 电站用 n = const. 线工况 固定式柴油机或机组（3） 船舶用 Ne = k n （螺旋桨曲线） 线工况 大型、低速柴油机3（4） 汽车、拖拉机用 变工况-面工况 中小型、高速柴油机（5） 发动机车 大型高速柴油机组（6） 工程机械 （矿山机械、建筑、石油钻探） 多变型（7） 坦克 V 型、多缸机（8） 飞机 星型 （径向式） 已基本不用42 按燃油种类分类 汽油机，柴油机3 按点火方式分类 自行着火 （压燃式），

7、外源点火 （点燃式）4 按工作循环分类 四冲程，二冲程5 按冷却方式分类 水冷，风冷6 按汽缸排列分类 直列式，卧式，V 型，星型 （径向式）7 按汽缸数目分类 单缸机，多缸机 （2，3，4，5，6，8，10，12，14，16 缸）8 按转速分类（1） 低速: n 500 r/min（2） 中速: 500 r/min n 1500 r/min 但没有明确的界限。9 按增压分类 增压，非增压10 按能源分类 （代用燃料） 压缩天然气，液化天然气，液化石油气，氢气， 甲醇，乙醇，二甲醚，植物油， 电瓶，太阳能二 优缺点（一） 优点1 有效热效率高 蒸汽机 1116%，蒸汽轮机 30%， 汽油机 3

8、0%，柴油机 40%，增压柴油机 46%以上2 功率范围广 Ne = 0.635000 kw3 比重量小，升功率大 （体积小、重量轻）5 比重量: 柴油机 3.7 kg/kw，车用汽油机 1.37 kg/kw4 起动性好 可很快达到全负荷（二） 缺点1 对燃料要求高 石油紧张，汽油、柴油价格高；要求一定的标号。2 噪声、排污3 结构较复杂三 现代发动机的发展 60 年代以前: 动力性，可靠性，耐久性 7080 年代: 经济性，动力性 90 年代口号: 清洁，经济，安全1 相关学科日益增多，学科之间相互渗透2 标准化，系列化，通用化 （三化）3 新材料，新工艺，新产品4 使用计算机设计、计算零部

9、件及其配合，精密、准确、优化5 设计、零部件生产商 分散集中分散 由分散的小公司到集中的大型脱拉斯，如今又分散到小公司，其主要原因是优 化产品，节省开支，降低成本。甚至象丰田、宝马这样的超级企业有时也需合 作开发新产品。6 电控应用日益增多，混合气制备更加完善7 检测设备与手段先进8 低排放的代用燃料发动机正在普及，零排放的正在开发并进入实用四 本课程的研究对象和任务（一） 对象 本课程以性能指标作为研究对象 深入到工作过程的各个阶段，分析影响性能指标的各种因素，找出规律，研究提高性能指标的措施与途径。（二） 性能指标1 动力性指标 （功率、扭矩、转速）2 经济性指标 （燃料和润滑油的消耗量及

10、消耗率）3 运转性指标 （冷起动性、噪声和排气品质） 衡量发动机的质量，还要考虑可靠性，耐久性，加工容易，操纵维修方便，成本核算等，全面综合评定。（三） 工作过程6 发动机冲程 （四个）: 吸气 压缩 做功 排气 热力过程 （五个）: 吸气 压缩 燃烧 膨胀 排气 燃烧 膨胀 为能量转换过程（四） 任务 研究热力过程，热力循环，整机性能 明确基本概念，基本技能。培养综合分析问题的能力。（五） 单位制 我国的法定计量单位第一章第一章 发动机工作循环及性能指标发动机工作循环及性能指标1-1 发动机理想循环概述7一 实际循环向理想循环的简化（一） 实际循环 （以车用柴油机为例）1 进气过程: 01

11、（ p p p p ）0（二） 实际循环的简化1 忽略进、排气过程2 压缩、膨胀过程 （复杂的多变过程） 简化为绝热过程3 燃烧过程简化为定容加热过程 （23） 和定压加热过程 （34）4 排气放热简化为定容放热过程5 假定工质为定比热的理想气体二 理想循环及其分析比较（一） 混合加热循环 车用柴油机的理想循环1 循环特征参数（1） 压缩比 vv12（2） 压力升高比 pp32（3） 预胀比 vv432 热效率 tvvpwqqqqqq012121111 计算得: tkkk111111()()3 分析（1） 为定值 t ； t 。 = 1 t = const. （汽油机，定容加热循环）8（2）

12、t ；当 = 20 左右时， t 不大 柴油机 = 1222（二） 定容加热循环 （奥托 OTTO 循环） 汽油机的理想循环1 热效率 因为: 预胀比 vv431 所以: 热效率 tk1112 分析 = 1 t = const. t ；当 = 10 左右时， t 不大 且汽油机容易爆燃，因此，汽油机 = 610（三） 定压加热循环 （狄赛尔 DIESEL 循环） 船舶用大型低速柴油机的理想循环1 热效率 因为: 压力升高比 pp321 所以: 热效率 tkkk11111()2 分析（1） 为定值 t （2） 为定值 t （四） 三种理想循环热效率的比较1 初态 1 相同，压缩比相同，加热量 q

13、1 相同9 t vt mt p,2 初态 1 相同，最高压力、最高温度相同，放热量 q2 相同pmaxTmax t vt mt p,1-2 发动机实际循环 发动机理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际循环。 一 工质改变损失（一） 工质性质 理论上: 理想气体，双原子气体。 实际上: 燃烧前: 燃料+空气； 燃烧后: 燃烧产物。（二） 比热 理论上: 定比热 实际上: 温度 T 比热 C （三） 高温分解 例 C + O CO + 热量 + O CO2 + 热量 其中 CO 为中间产物，CO2 为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反 应，即高温分解: CO2 CO + O - 热量 这部

14、分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止 点，做功效果变差，热效率下降。二 传热、流动损失（一） 传热损失 理论上: 压缩、膨胀过程为绝热过程。 实际上: 大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。10 传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的 30%以上。因此，许多研 究者致力于开发绝热发动机。（二） 流动损失 理论上: 闭口系统，没有气体流动损失。 实际上: 进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。三 换气损失 理论上: 忽略进、排气过程。 实际上: 进、排气门提前开启，迟后关闭。而且有流动阻力。 换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。泵气损失包含在换气损失

15、 之中。四 时间损失 理论上: 定容加热瞬间完成，定压加热速度与活塞运行速度密切配合。 实际上: 燃烧需要时间。五 补燃损失 理论上: 加热瞬间停止，膨胀过程无加热。 实际上: 虽然大部分（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部分燃 料会拖到膨胀线上才燃烧，做功效果变差，热效率下降。六 泄漏损失 理论上: 闭口系统，无泄漏。 实际上: 活塞气环不会 100%严密密封，总会有些气体窜到曲轴箱中，造 成损失。1-3 热平衡 总热量: QT = GT hu 分别转化为一 有效功的热量 QE kJ/h （ 1 kw/h = kJ ）QNee36103.36103. 只有这部分热量做了功，是有用

16、的，所以希望越大越好。一般柴油机: 3040% ； 汽油机: 2030%。令 qQQeeT二 传递给冷却介质的热量 QSQG cttqQQSSSsST()21 其中Gs发动机冷却介质的每小时流量 kg/h cs冷却介质比热 kJ/kg t1 ，t2 冷却介质的进、出口温度 三 废气带走的热量QRQGGc tc tqQQRrkprprRE()()2111 其中Gr燃料量 kg/h Gk空气量 kg/h cpr废气比热 kJ/kg cp空气比热 kJ/kg t1 ，t2 进、排气温度 四 燃料不完全燃烧的热损失QBQQqQQBTrbBT()1 其中r燃料效率五 其它热量损失QLQQQQQQqqqq

17、qqLTESRBltesrb()()发动机热平衡方程式: qqqqqesrbl 11-4 指示指标 p-V 图 p- 图发动机性能指标: 指示指标，有效指标指示指标: 以工质在汽缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。有效指标: 以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。 示功图: 发动机缸内压力 p 随汽缸容积 V （p-V 图） 或曲轴转角 （p-图） 变化的图示。一 指示功和平均指示压力（一） 指示功Wi 一个循环工质对活塞所做的有用功。12应该：非增压： 增压：FFFi12FFFi12因为: 不容易测量, 实际将归到机械损失中考虑。F2F2所以: FFi1 其中 横、纵座标比例尺WF

18、 a biia b, 指示功大，说明 汽缸工作容积大 热功转换有效程度大。为突出后者，比较不同大小发动机的热功转换有效程度，引入平均有效压力的概念。（二） 平均指示压力pi 单位汽缸工作容积所做的指示功。 （假想参数）pWViih 其中每缸工作容积。Vh 686981 kpa pi,柴 7841180 kpa pi,汽二 指示功率Ni 单位时间所做的指示功。 若: 缸数 i，每缸工作容积 V m ，冲程数 ，平均指示压力 p p ，h3ia 转速 n r/min 。则 w NW inp V iniiih 60230 kw p V inih30103 若: 每缸工作容积 V L ，平均指示压力

19、p bar 。则hi13 kw Np V iniih300三 指示比油耗和指示热效率（一） 指示比油耗gi 单位指示功率的耗油量。 g/kwh gGNiTi103 每小时耗油量 kg/h GT（二） 指示热效率i iiiWQ 做指示功所消耗的热量。QiWi iiug h36106. 燃料的低热值。hu 0.430.50 =170200 g/kwh i,柴gi,柴 0.250.40 =230340 g/kwh i,汽gi,汽1-5 有效指标一 有效功率和机械损失功率（一） 有效功率Ne 单位时间所做的有效功。 kw Np V ineeh30103 其中 平均有效压力。pe（二） 机械损失功率Nm

20、 发动机内部损耗的功率。 机械损失包括: 发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗，如: 机油泵、燃油泵、 扫气泵、冷却水泵、风扇、配气机构；和泵气损失等。 kw Np V inmmh30103 NNNeim 其中 平均机械损失压力。pm二 有效扭矩Me14 功率输出轴输出的扭矩。 w NMnee260 kw Mne260103 kw M ne9550三 平均有效压力pe 单位汽缸工作容积所做的有效功。 由于 kw Np V ineeh30103 kw Np V iniih30103 所以 ppNNeieipppeim kpa pMV ieeh 314. pMee 588883 kpa 588981

21、kpa pe,柴pe,汽四 升功率和比重量（一） 升功率Nl 单位汽缸工作容积所发出的功率。 NNiVleh kw/l p ne30103（二） 比重量Ge 发动机净重量 G 与所发出有效功率的比值。Ne kg/kw GGNee ， 发动机强化程度高。NlGe 1126 kw/l 49 kg/kw Nl,车柴Ge,车柴 915 kw/l 5.516 kg/kw Nl,拖柴Ge,拖柴15 2255 kw/l 1.354 kg/kw Nl,汽Ge,汽 可见，汽油机的强化程度要比柴油机的高。五 有效比油耗和有效热效率（一） 有效比油耗ge 单位有效功率的耗油量。 g/kwh gGNeTe103 每小

22、时耗油量 kg/h GT（二） 有效热效率e eeeWQ 做有效功所消耗的热量。QeWe eeug h36106. 0.300.40 =218285 g/kwh e,柴ge,柴 0.200.30 =285380 g/kwh e,汽ge,汽 由此可见，柴油机的热效率比汽油机的高，经济性比汽油机好。1-6 机械损失一 机械效率m 对于不同类型的发动机，绝对损失大的，其相对损失却不一定也大。必须有 一个衡量标准，故引进机械效率的概念。 有效功率与指示功率的比值。 meieimimiNNppNNpp11 性能好，所以应尽量提高。NNeimm 0.70.85 0.70.9m,柴m,汽二 机械损失的测定（

23、一） 倒拖法只能在电力测功机上试验 在压缩比不很高的汽油机上得到广泛应用。 发动机与电力测功机相连。起动发动机，冷却水温度、机油温度达正常值。然后使发动机在给定工况下稳定运转。切断发动机的供油 （）。Npii00,将电力测功机转换为电动机使用，在给定转速下倒拖发动机，并维持冷却水温度和机油温度不变。由于此时，因此从电力测功机上所测得的倒拖功率即为发动机在该NNme Ne16工况下的机械损失功率。Nm（二） 灭缸法仅适用于多缸机 当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出整个发动机的有效功率。之后，Ne在柴油机油门拉杆或齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下，停止向某一汽缸供油或点火。调整

24、测功机，使发动机恢复到原来的转速，重新测定有效功率（其余五个Ne,1汽缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率Ne,1Ne。因为NNNiee,11。逐次灭缸，则NNNNNNNNNiii xememee,()()11111整台发动机的指示功率为，其中x为总缸数。NNNiixee ix 1(), 如果各缸负荷均匀，则仅测一个缸，即灭火一次即可，。这样，Nx NNiee(),1整个发动机的机械损失功率为，机械效率为。NNNmiemeiNN/ 其它还有示功图法，油耗线法等。三 影响机械效率的因素(一) 转速其中活塞平均运行速度。cm 与几乎呈直线关系。与 n 似呈二次方关系。

25、pmcmm n 惯性力 活塞对缸壁的侧压力 轴承负荷 各摩擦副相对速度 摩擦损失 泵气损失，驱动附件损耗 pmm 若要提高转速来强化发动机，则将成为主要障碍之一。m（二） 负荷 发动机的负荷 柴油机: 油门拉杆或齿条位置 汽油机: 节气门开度 转速 n 一定，负荷 时，发动机燃烧剧烈程度，平均指示压力；而由于转速不变，pi17平均机械损失压力基本保持不变。则，机械效率下降。pmmmipp1 当发动机怠速运转时，有效功率，指示功率全部用来克服机械损失功率Ne 0Ni。即，因此，。NmNNimm 0 由于车用柴油机普遍在高转速、较低负荷下工作，机械效率下降严重。因此，机械效率对于车用柴油机尤为重要

26、。（三） 润滑油品质和冷却水温度 润滑油粘度影响润滑效果 润滑油温度影响润滑油粘度 冷却水温度影响润滑油温度 即冷却水、润滑油温度通过润滑油粘度间接影响润滑效果。1 润滑油粘度（牌号） ；冷却水温度 润滑油温度 润滑油粘度 润滑效果 摩擦 Npmm,m2 润滑油粘度（牌号） ；冷却水温度 润滑油温度 润滑油粘度 油膜破裂趋势 摩擦 Npmm,m3 润滑油中杂质 摩擦 Npmm,m 要求: 定期保养、清洗机油滤清器， 500010000 公里换机油。1-7 燃烧热化学一 燃料的完全燃烧（一） 理论空气量L01 目的: 1 kg 燃料完全燃烧所需要的空气量L02 已知条件: 1 kg 燃料中所含

27、kg 碳， kg 氢气， kg 氧气gCgHgO 汽油: kg/kg ， kg/kg ， kg/kg gC 0855.gH 0145.gO 0 柴油: kg/kg ， kgkg ， kg/kg gC 087.gH 0126.gO 0004.183 化学反应方程式 COCO22 HOH O222124 需要总的量O2 COCO22HOH O22212 1 kmol 1 kmol 1 kmol 1 kmol kmol 1 kmol12 1 kg kmol kmol 1 kg kmol kmol1121121412 kg kmol kmol kg kmol kmolgCgC12gC12gHgH4gH

28、25 燃料中所含的量O2 kg = kmol gOgO326 所需空气中的量 = 总的量燃料中所含的量O2O2O27 所需空气量 （目的）（1） kmol 空气中氧气成分约占 21%，所以 kmol/kg LgggCHO01021 12432.()（2） kg 空气的折合分子量为 28.95，即 1 kmol 空气 = 28.95 kg 空气，所以 kg/kg LgggCHO0289502112432.()（3） m3 1 kmol 空气 = 22.4 空气，所以m3 /kg LgggCHO0224021 12432.()m3（二） 过量空气系数和空燃比1 过量空气系数 LL0 燃烧燃料实际供

29、给的空气量完全燃烧燃料理论上所需要的空气量11kgkg19 表示混合气的浓稀程度。 大 混合气稀； 小 混合气浓 一般，柴油机: 1；汽油机: 1。2 空燃比 A/F A FL/0 空气量燃料量 表示混合气的浓稀程度。A/F 大 混合气稀；A/F 小 混合气浓（三） 分子变更系数1 理论分子变更系数 0 021MM 燃烧后工质的摩尔数燃烧前工质的摩尔数 容积变化大 膨胀做功好 0t（1） 完全燃烧: 001432ggLHO（2） 不完全燃烧: 0001021 1432.()LggLHO2 实际分子变更系数 MMMMrrrr2101 其中1 kg 燃料燃烧后残余废气的摩尔数。残余废气系数。Mrr

30、MLr/0二 燃料的不完全燃烧第五章 发动机噪声及排放污染 噪声: 汽车的主要噪声源 发动机。 汽油机的主要噪声源 风扇噪声和配气机构噪声。 柴油机的主要噪声源 燃烧噪声。 柴油机的噪声比汽油机的大。 排放: 汽油机的、和排放比柴油机的多，CONOxHC 柴油机的炭粒排放比汽油机的多。205-1 发动机噪声污染及防治 GB 规定: 城市噪声声压级白天 42 dB ，夜间 37 dB 。LpLp一 噪声的评价指标（一） 噪声的物理参数1 声压 p 声波通过介质时，波峰处的压力升高量 pa 。2 声压级 无因次参数Lp dB Lppp 200lg其中 1000 Hz 时的基准声压，即听阀声压， p

31、a 。p0p05210 人耳能听到的听阀声压 pa ，2105 产生疼痛的痛阀声压 = 20 pa 。相差 100 万倍左右。3 声强 I 单位时间、单位面积上通过的声能 W/m 。24 声强级 无因次参数LI dB LIII 100lg其中 1000 Hz 时的基准声强， W/m 。I0L0121025 声功率 W 声源在单位时间内所辐射的总能量 W 。 WI dsns其中 S 包围声源的封闭面面积； 声强在微元面积 ds 法线方向的分量。In（1） 在自由场中，声波球面辐射，则 W/m IWr球422（2） 在开阔地面上，声波半球面辐射，则 W/m IWr半球2226 声功率级 无因次参数

32、Lw dB LWWw 100lg其中 基准声功率， W 。W0W01210 声压级 ，声强级 和声功率级 的范围均为 0120 dB 。LpLILw7 频率与频带21 人耳能听到的声音频率范围为 2020,000 Hz 。 将其分为若干个频率段 频带或频程。 常用倍频程和 1/3 频程。 倍频程的中心频率 31.5，63，125，250，500，1000，2000，4000，8000，16000 中心频率，上限频率和下限频率的关系为f中f上f下 ； ； 。ff上中2ff下中12ff上下 2 频谱图 横坐标: 频率 （ 频带 ），纵坐标: 声压级 ，声强级 或声功率级 LpLI。Lw（二） 主观

33、评价 响度级 即使声压级相同，而频率不同，人耳所感受到的声音响度就会不同，主观评价参数 响度级 方 （ phon ） 。以 1000 Hz 的纯音为基准声音，当某噪声的响度与某声压级的纯音响度相同时，则该纯音的声压级 dB 即为该噪声的响度级 phon 。 如图的 ISO 等响曲线由大量试验得出1 100 Hz 以下的噪声， 虽然声压级 dB 较高，但响度级 phon 却低，人耳不敏感。 低频、低声压级 dB 的噪声，人耳听不到。2 同一声压级 dB 下，人耳对频率为 30004000 Hz 的噪声（波谷） 最为敏感， 其响度级 phon 最高。3 声压级高于 100 dB 时，等响曲线平缓，

34、响度级 phon 仅与声压级 dB 有关，而与频率 Hz 几乎无关。说明对于高 dB 的噪声，人耳已分辨不 出高、低频了。二 发动机噪声分析（一） 车辆噪声源221 与发动机转速 n 有关的噪声源 进、排气噪声；旋转件噪声 风扇，空气压缩机，发电机和空调等。2 与车速有关的噪声源 传动噪声 变速器，传动轴等；空气动力噪声 轮胎噪声，车体噪声等。（二） 发动机噪声源 主要噪声源1 直接传向大气的噪声源 进、排气噪声和风扇噪声等 属于空气动力噪声。2 发动机表面辐射噪声源 由发动机零部件的机械振动引起。（1） 燃烧噪声 ，还与发动机零部件的强度、刚度有关。ppmax（2） 机械噪声 发动机零部件之

35、间的间隙撞击和零部件弹性变形，导致零部件振动引起。三 发动机噪声的防治（一） 降低燃烧噪声1 采用油膜蒸发型混合气形成方式 M 过程 ，。ppmax2 尽量使喷油先缓后急 推迟喷油开始时刻 ，。ppmax3 使用十六烷值高的燃料 。i（二） 加强结构强度 加固主轴承，多加和加固加强筋。（三） 采用隔声罩壳 材料: 钢板、玻璃纤维和其它消声材料。 部位: 曲轴箱侧壁和排气总管。（四） 采用排气消声器 排气消声器 声滤波器，随频率变化。1 阻性消声器 主要用于小轿车 声学性能主要取决于声吸收构造和材料的流动阻力。降低噪声的频带较广。2 抗性消声器 主要用于载货汽车 声学性能主要取决于消声器的几何形

36、状，造成排气声能阻抗失配。阻抗失配使部分声能在消声器内来回反射震阻碍向外辐射。3 阻抗复合式消声器 用于各种汽车 以抗性消声器为基础，同时采用吸声材料，可使排气噪声大幅度降低。（五） 低噪声发动机设计 在满足基本性能的前提下，按降声原理设计结构参数。5-2 发动机排放污染及防治23一 发动机的污染源（一） 排气污染 占发动机总污染量的 6585%1 一氧化碳 CO2 氮氧化合物 NOx3 碳氢化合物 HC4 燃料液滴和炭粒5 各类铅、硫化合物（二） 曲轴箱通风污染 占发动机总污染量的 20%左右 主要是碳氢化合物 HC。（三） 汽油箱通风污染 占发动机总污染量的 5%左右 主要是碳氢化合物 H

37、C。（四） 化油器浮子室及油泵接头处的泄漏污染 占发动机总污染量的 510% 主要是碳氢化合物 HC。（五） 含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染 本课程只讨论第一项 发动机的排气污染。二 发动机排放污染物的形成、危害和防治（一） 一氧化碳 CO1 形成 C + O CO + O CO2 中间产物 产生的原因是缺氧。 汽油机上 1，但局部过浓的混合气。2 危害 煤气中毒 人体血液中的血红素对 CO 的亲和力比对 O 的高，引起含 CO 的血红素所2占比例增高，造成人体缺氧窒息。3 防治（1） 稀薄燃烧与高能点火 使混合气的 ，而又能够正常燃烧。（2） 缩小燃烧室的激冷区 激冷区 燃烧室中由两个以上冷

38、表面构成的狭窄空间，如挤气间隙。 激冷效应 靠近激冷区的可燃混合气，热损失过多而不能着火。 缩小燃烧室的激冷区 燃烧易于完全 CO。（二） 氮氧化合物 NOx1 形成（1） 燃烧温度高（2） 高温持续时间长24（3） 火焰前锋面中氧气的浓度高 产生的原因是高温。2 危害（1） 与肺中的水蒸汽粘合而形成稀硝酸，引起肺水肿和肺气流阻力明显上升。（2） 与 HC 反应生成光化学过氧化物，是光化学烟雾的主要成分。3 防治（1）降低压缩比 缸内温度 。NOx（2）减小点火提前角 缸内温度 。NOx（3） 废气再循环，缸内喷水，采用乳化油， 或 缸内温度 。NOx（4）分层燃烧 降低混合气的均匀性 缸内温

39、度 。NOx（5）加强燃烧室内气流运动混合气混合、燃烧迅速高温持续时间。NOx（三） 碳氢化合物 HC1 形成（1） 局部混合气过浓或过稀使氧化反应减慢，热损失相对增加，不能着火。（2） 某微小单元的混合气面容比大，热损失大，不能着火。（3） 激冷效应。2 危害（1） 3.4 苯并芘 致癌物质。（2） 苯甲醛和丙烯醛 强烈刺激眼睛和呼吸器官。（3） 光化学烟雾的主要成分。3 防治（1） 降低压缩比 膨胀冲程中燃烧室壁面温度和排气温度 HC。（2） 改善燃烧室形状，降低面容比 散热损失 HC。（3） 稀薄燃烧与高能点火 燃烧完全程度 HC。（4） 减小点火提前角 HC 在膨胀和排气冲程中燃烧掉。

40、（5） 缩小燃烧室的激冷区 燃烧易于完全 HC。（6） 加强燃烧室内气流运动 混合气混合、燃烧完全 HC。（7） 曲轴箱强制通风 HC 空气滤清器 进气管 缸内再燃烧。（四） 燃料液滴和炭粒1 燃料液滴 柴油机冷起动或低负荷运行时冒蓝、白烟。蓝、白烟之间没有严格的成分差异，均为燃料液滴或水蒸汽，只是微粒的直径不同而对光线的反射不同而已。2 炭粒 柴油机高负荷运行时冒黑烟。（1） 形成 缺氧，致使燃烧中间产物 C-C，H-C 裂化，再聚合成炭粒。 柴油机缓燃期中形成最多。25（2） 危害A 燃烧不完全 经济性，动力性。B 污染大气。C 炭粒沉积在活塞、燃烧室和排气门等零件表面，使运动件摩擦损失增

41、大，甚 至卡死。（3） 防治A 稀薄燃烧与高能点火 燃烧完全程度 炭粒。B 改善雾化质量 混合气混合、燃烧完全 炭粒。C 加强燃烧室内气流运动 混合气混合、燃烧完全 炭粒。D 改进发动机的结构和使用，加速混合气形成，提高燃烧速率。E 采用乳化油 缸内温度 中间产物的热裂反应明显减少。F 加入消烟添加剂 钡盐，但有毒。G 后期处理小颗粒的炭粒经过静电、过饱和水蒸汽、超声波而聚合成较大颗粒的炭粒，再通过除尘过滤器予以净化。（一） 1汽油机1 假设燃料中的C 燃烧全部生成了和。其中是中间产物，即不完COCO2CO 全燃烧产物。是最终产物，即完全燃烧产物。CO2 gggCCOCO22 化学反应方程式

42、COCO122 COCO22 HOH O222123 需要总的量O2 COCO122COCO22 kg kmol kmol kg kmol kmolgCOgCO24gCO12gCO2gCO212gCO212kg kmol kmolgCOggCCO224gCO12 HOH O2221226 kg kmol kmolgHgH4gH24 燃料中所含的量O2 kg = kmol gOgO325 空气中的量 = 总的量燃料中所含的量O2O2O2 02112412432022.()LgggggCCOCOHO 02112432242402.()LgggggCHOCCO 02124241021 1243200

43、2.()LggLgggCCOCHO所以 gLCO2402110.() ggLCOC22402110.() gggCCOCO26 分析（1）当时， = 1，LL0A FL/0 gggCOCOC02,（2） gggCOCOC02,（3） 使时ggCCO ，C全部生成CO。此时的过量空气系数称为临界值。记为。gCO 0cr 所以 crCgL1240210.（4） cr 此时理论上，析出炭粒。ggCCO 一般柴油机的0.60.72。cr（二） 1柴油机 混合气混合不均匀，局部过浓或过稀，造成燃烧不完全。缸内情况十分复杂。三 燃料和可燃混合气的热值（一） 燃料的热值 1 kg 燃料完全燃烧所产生的热量

44、kJ 。 加入水的汽化潜热的热值高热值 不加入水的汽化潜热的热值低热值 hu 发动机缸内高温，水只能以气态存在，故应取不加入水的汽化潜热的热值，27 即低热值。 汽油: 44100 kJ/kg ；柴油: 42500 kJ/kg huhu（二） 可燃混合气的热值 kJ/kmol HhMuu11-8 发动机混合气的着火和燃烧方式 P一 混合气的着火（一） 柴油机低温多级自燃1 阶段混合阶段t1 在压缩过程终了时，燃料喷入汽缸内形成可燃混合气。燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。混合阶段，为着火做准备。2 阶段第一级反应t2 燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反

45、应速度很快时，火焰就会出现。经过时间后，反t1应加剧，出现冷火焰，缸内压力超过压缩压力。在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。要求混合气较浓， = 0.40.5。3 阶段第二级反应t3 温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心，出现蓝火焰。混合气稀得多，略小于 1。4 时间后第三级反应ttt123 活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现热火焰。混合气更稀， 1。 着火延迟期ttt123（二） 汽油机高温单级点燃1 压缩的是燃料与空气的混合气体, 在此过程中, 已经进行了一些化学反应。2 火花点火, 局部温度高达 20000以上, 该处燃料分子直接分裂成大

46、量的自由原子与自由基, 迅速反应出现热火焰, 瞬间扩大到整个燃烧室内。所以, 汽油机着火过程： 压缩混合气 点火 （经短暂着火延迟期） 热火焰三 燃烧方式（一） 同时爆炸燃烧 取某一部分为系统, 着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。即相只随 t（时间）座标变化, 而不随 x （位移）座标变化, 为单相系, 均匀系。 柴油机上, 由于混合气分配不是十分均匀, 总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油28嘴附近）, 取这一部分为系统, 则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。 汽油机上, 由于火焰有传播速度（虽然很快, 但相对同时爆炸燃烧却很小）, 传播逐次进行, 故显然不是同时爆炸燃烧。但火花塞间隙

47、处的少量混合气在电火花作用下, 可实现同时爆炸燃烧，从而形成火焰中心。（二） 逐渐爆炸燃烧 汽油机火焰传播。两相系混合气相 （未燃区），燃烧产物相 （已燃区）。 加热从火花塞开始， 紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热, 使氧化或活性中心增多, 发生燃烧。燃烧又加热下一层, 一层一层传播。燃烧主要在火焰前锋面内进行。火焰前锋面前方的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧。（三） 扩散燃烧 柴油机的燃烧方式, 三相燃料相, 空气相, 燃烧产物相。 柴油燃点比汽油低, 但在日常生活中汽油却比柴油易燃, 原因就在于汽油的挥发性好, 油与空

48、气形成混合气较快, 物理准备过程已经就绪, 一点即燃。柴油机中燃烧的快慢却主要取决于物理准备过程进行的快慢。油滴遇热蒸发形成燃料蒸汽, 然后才能燃烧, 并非油滴与空气接触就可燃烧。为防止燃烧产物将油滴与空气隔开, 将组织空气相对于油滴的气流运动, 将燃烧产物抛在后面。 发动机的换气过程29 燃烧是做功之本。 燃烧需要空气与燃料。 重量比 容积比 燃料 1 1 液态 空气 15 1000 气态 燃料受机械控制，容易加入。而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。2-1 四冲程发动机的换气过程一 配气定时 与工程热力学中介绍的不同, 进排气门的开启

49、、关闭也需要时间, 故在下止点前排气排气提前角 4080 在上止点后关闭排气迟闭角 1035在上止点前吸气进气提前角 040在下止点后关闭进气迟闭角 4080进气提前角+排气迟闭角气门叠开角二 换气过程（一） 排气过程1 自由排气阶段 A 排开 p p p = p 靠缸内压力将气体挤出气缸，其中p缸内压力, p排气管内压力。2 强制排气阶段 B p = p p p靠活塞上行将废气挤出气缸。3 超临界排气 C 排开 p = 1.9 p在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速 m/s。其流量与压差 （p - akRTp）无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。4 亚临界排气 D p = 1.9

50、p 排闭。 其流量取决于压差 （p - p）。（二） 进气过程和气门叠开角 由于节流作用, 缸内产生负压；（）使新鲜介质进入缸内。pp0气阀叠开角：非增压：2060 CA。 太大（引起） 废气回流进气道。30 太小 扫气作用不明显。 增压：110140 CA。 进气管 p, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。如 6135 型高柴：非增压：40, 增压：124。扫气的作用：1 清除废气, 增加气缸内的新鲜充量。2 降低排气温度。 3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。三 换气损失 理论循环换气功与实际循环换气功之差。 如图：换气损失功换气损失功X+X+（Y+WY+W）, 其中（W+Y

51、） 为排气损失功，X 为进气损失功。（一） 排气损失功 Y Y W 是因排气门提前开启而损失的膨胀功, 称为自由排气损失。Y 是活塞作用在废气上的推出功, 称为强制排气损失功。 排气提前角排气提前角 W W ，Y Y 。 综合效果, 要求（Y+W）, 故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min 。对应排气提前角亦有一个最佳值, n n （W+YW+Y）minmin 。（二） 进气损失功 X X 进气损失功小于排气损失功，即 X X d进d排2 四气门 流通面积 40%左右。但结构复杂，造价较高。f1 （可达 30%）， f1vNege3 气门升程 h h，时面值 v4 阀顶过渡圆角 R R f1

52、v R 流动阻力 v R 应适中。（二） 进气管1 表面光洁度和流通面积 表面光洁度，流通面积 沿程阻力 v2 转弯和节流阻力 转弯半径 R，截面突变 v3 截面形状 考虑汽油机的雾化，蒸发，则 管壁面积 沉积 蒸发 混合气分配不均匀 截面形状 圆形 矩形 D 形 流动阻力 小 大 中 底部蒸发 小 中 大 柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。（三） 进气道 转弯半径 R，表面光洁度，各管口与垫片孔口对中 流动阻力 v 设计时还要考虑组织进气涡流。（四） 空气滤清器 通道面积，除尘效果 流动阻力 v 经常清洗，更换纸芯。35（五） 化油器 喉口截面积 流动阻力 ，但雾化效

53、果 。v 解决这对矛盾，采用双喉口。小喉口：雾化；大喉口：进气。二 合理选择配气定时（一） 配气定时的综合评定1 良好的充气效率以保证发动机的动力性能。2 合适的充气效率以适应发动机的扭矩特性。3 较小的换气损失以适应发动机的经济性能。4 必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低，达到可靠运行。5 合适的排气温度。 调整：1，2进气迟闭角；3排气提前角；4，5气门叠开角（二） 进气迟闭角i1 转速 n 一定时，总有一个进气迟闭角使得充气效率为最大。iv2 n 气流惯性 缸内气体易倒流进气管 v n 一部分气体来不及进入汽缸 v3 对应的 niv,max 所以，高速发动机转速大，要获得

54、好的充气效率和动力性，进气迟闭角应大 一些。4 n i,最佳 （三） 排气提前角o ， 其中后期膨胀比。ovVV14 考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角。（四） 气门叠开角i o,36 缸内气体易倒流进气管； ， i o,i o,prTav 增压发动机气门叠开角应大一些。2-5 进气管内的动态效应一 现 象195 柴油机：进气管长度 L = 300 mm L = 1140 mm 气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，可以提高充 气效率。 进气门开闭时： pa piv 排气门开闭时： pr pov 动态效应与进排气管的长度和直径有关。二 波的动态机理 闭口端

55、：进：压缩波 反射: 压缩波 同型波 进：膨胀波 反射: 膨胀波 同型波 开口端：进：压缩波 反射: 膨胀波 异型波 进：膨胀波 反射: 压缩波 异型波三 进气动态效应（一） 惯性效应 阶段：进气门开 进气门闭 膨胀波 压缩波 （进气门闭）37（二） 波动效应 阶段：进气门闭 下一循环进气门开 压缩波 膨胀波 膨胀波 压缩波 （进气门开） 压力波动是周期性的。 压力波固有频率： 1/s 其中a进气管内声速。faL14 发动机吸气频率： 1/s fnn2602120 令：qffanL1230 当 q = 1，2，3 时，进气门开，则 pa 。v 当 q = 时，进气门开，则 pa 。112212

56、312,v四 结 论1 惯性效应 （本循环），振幅大，衰减小。 波动效应 （两循环），振幅小，衰减大。2 高速发动机，进气管短；低速发动机，进气管长。3 进气管直径 流动阻力 压力波强度 进气管直径 压力波振幅 压力波强度4 多缸机上，进气管应分支，且等长。5 避免急转弯，则压力波振幅不会衰减太大。6 排气管需要膨胀波，则 pr 扫气作用 v2-6 单位时间充气量与循环充气量 单位时间充气量 G kg/h ， 循环充气量 G kg ，则38 kg/h GGni 260 n G，但 n pa G G 单位时间供油量 g 与功率有关。Ne G 循环供油量g 与扭矩有关。Me 图中虚线为不考虑进气损

57、失的 G 和G 曲线；实际的 G 和G 曲线如图中实线所示。第三章 柴油机混合气形成和燃烧3-1 柴油机混合气形成一 两种基本形式（一） 空间雾化 将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动达到充分混合。 特点:1 对燃料喷雾要求高 （采用多孔喷嘴） 燃烧易于完全，经济性好。2 对空气运动要求不高 后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解39 排气冒烟。3 但初期空间分布燃料多，燃烧迅速 ， 工作粗暴。ppmax（二） 油膜蒸发 （M 过程） 空间雾化型混合气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间，而油膜蒸发型混合气蒸发方式则有意将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜附着在燃烧室壁面

58、上，只有一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速 （先缓后急）。 特点:1 对燃料喷雾要求不高 （采用单、双孔喷嘴） ，对空气运动要求高。2 放热先缓后急 ， 工作柔和，噪声小，经济性较好。ppmax3 但低速性能不好，冷起动困难。对进气道、燃料供给系统和燃烧室结构参数 之间的配合要求很高，制造工艺要求严格。二 燃料的喷雾（一） 喷雾的作用 只有当燃料与空气充分接触，形成可燃混合气时，才有可能燃烧。接触面积越大，可燃混合气越多，燃烧越完善。 1 ml 油滴: 1 个， d = 9.7 mm，S = 245 mm2 雾化:

59、 个，d = 40 m，S = mm299107.15106. 2 面积增大 5090 倍，燃烧反应机会大大增加。（二） 喷雾的形成1 油束 燃油喷射 高压、高速。 一级雾化汽缸中空气的动力作用将油束撕 裂成片、带、泡或大颗粒的油滴。 二级雾化空气动力作用将片、带、泡或大 颗粒的油滴再粉碎成细小的油滴。 油束中央速度高，但浓度也高，油滴集中，颗粒大。边上油滴松散，颗粒小。但也有说法正好相反，中央油滴速度高，颗粒小，边上颗粒大。2 着火条件 浓度、温度为着火的必要条件 中间油粒大, 浓度偏高。外侧混合气形成快，物理准备快，但初期温度不高，化学准备没有跟上。等温度适合于着火了，油粒又过分发散，也不

60、会着火。要控制好浓度与温度的进40程，使之正好配合，方可着火。（三） 喷雾特性1 油束射程 L并不一定越大越好，这要根据混合气形成的机理与燃烧室形状具体分析。L 燃料喷到壁面上多 空间混合气太稀。L 燃料集中 混合气分布不均匀，空气利用。2 喷雾锥角反映油束的紧密程度。孔式喷嘴 油束松散，粒细。轴针式喷嘴 油束紧密，粒粗。3 雾化质量（雾化特性）细微度 油滴平均直径 细：雾化好均匀度 油滴最大直径 - 油滴平均直径匀：雾化好粒细均匀度好，粒粗均匀度差。（四） 喷油规律单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角）的变化规律。喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。1 喷油延