1-1-40发动机培训教材

往复式发动机中的气流

主要现象和模型

性能和吸排气

汽门正时

气流的一维模型

气流的三维模型

第一局部：性能和吸排气

发动机循环

吸气

进气和排气线路有效面积

声音原理

进气波的反射

主进气管的震动

排气线路对容积效率和性能的影响

1．1发动机循环

火花点火和柴油发动机的剖面图

火花点火发动机压缩点火发动机

热力发动机是这样一种机器，它在每一个循环中，系统吸入的气体体积相等。吸入气体的体积与不同发动机〔火花点火或柴油发动机〕特定的吸入气体质量相应，使发动机能够只燃烧特定质量的燃料。

热力发动机：一种热力学机器

间隙体积=V

热力发动机是一种热动力学机器，它将燃烧释放出的能量Q2-3转化成压力功〔循环区〕。活塞的线性位移通过曲柄系统转化为旋转动作。在曲柄轴出口处形成发动机扭矩。在变速度w下获得扭矩即生成功〔P=Cw〕

缸径=A

冲程=2R

位移=∏

四冲程：

*5到1=进气

*1到2=压缩

*2到3=燃烧

〔燃烧放出热量Q2-3〕

*3到4=膨胀〔做功冲程〕

*4到1=排气开始

〔排出的气体中包括的热量为Q4-1〕

*1-5=排气

真实循环：

进气

活塞开始从TDC〔上止点〕向下运动到下止点〔BDC〕时，进气行程开始。当活塞到达TDC前进气门开启到一定程度。活塞到达TDC前进气阀翻开〔IVOBTDC〕的角度约为5-30度曲柄转角。要获得足够的流通面积使活塞运动导致的吸气量到达最大，需要此汽门提前。

在活塞到达下止点后进气阀关闭。由于气柱的惯性效应，关闭滞后使更多气体被吸入。当活塞行至BDC后进气门关闭〔IVCBDC〕在30-80度曲柄转角。

进气：

进气管的大小应以获得最大值功为目标。进气行程中平均气体速度Vg不应超过100m/s。

Vg和活塞平均速度Vp之间的关系是：

Vpx〔缸径〕2Npmaxx冲程〔mm〕

Vg=m/sVp=m/s

〔管最小直径〕230x1000

进气管尺寸例如〔两汽门发动机〕

发动机类型

排气体积

缸径

冲程

最大做功速度

平均活塞速度

Vg=100m/s的进气管直径

升

mm

mm

rpm

m/s

mm

扭矩

1.392

77.2

74.3

5600

13.9

29.0

功率

1.289

75.0

73.0

7200

17.5

31.0

火花点火发动机的进气和负载设定

进气汽门将进气线与大气接通。该线路包括以下元件：

节流蝶形阀

热丝流量计

喃射器支持法兰

过滤器入口

窜漏回抽

辅助消声器

充气增压

连接管

进气管

进气歧管

空置定量加料器

空气过滤器

要获得最高性能，设计这些元件时一定要使负载损失最小化。特别是，对形状、弯管、接头和截面的变化以及尺寸的定义一定要精确。

压缩

虽然进气汽门在活塞到达BDC后较小角度才关闭，气体压缩在活塞从BDC向TDC移动时已经开始。事实上，活塞的速度低于空气的速度。汽缸继续充气。

由于与外部有热交换，绝热变换后并不立刻发生压缩。压缩开始时，空气和汽油的混合物温度比壁温低，壁向气体放热。当气体压力上升时，气体温度变得比壁温高。当压力上升，热交换的方向改变：气体温度比壁温高。气体向壁和冷却剂〔空气或液体〕放热。

此外，密封〔通过环形垫〕缺乏会导致一定质量的泄漏〔小于1%〕。

由于绝热变换，压缩进程结束时的压力低于理论值。它是一种多方变换。

P.Vγ=常量被P.Vn=常量所代替。

指数n值通常会小于绝热系数γ〔n-1.3而γ那么=1.4〕。系数n可由LogP/logV图V估计。

例：在体积比为10，多变系数n=1.3，压缩进程结束时的压力为20巴，对于绝热压缩那么为25巴。

压缩

〔容积/余隙容积〕

曲柄转角

汽缸温度

曲柄转角

压缩

压

力

温度

压力

汽缸压力

压缩

燃烧-综述

以一定比例混合的燃料和空气的均质混合物的燃烧只会在特定温度和条件下发生。在大气条件下，看不到反响。

如果混合物的温度稳步上升，燃料会慢慢氧化，产生二氧化碳、水和一氧化碳。如果条件保持不变，反响会到达最大速度，之后又因反响物的减少缺乏而减速。

如果混合物温度上升到某一燃烧的临界最低温度，先会缓慢氧化，之后反响加速。如果反响物不消失，反响速度会京戏无穷大。燃烧变为快速燃烧。

在火花点火发动机中，火花引起快速燃烧。该反响区再扩展到新的混合物中。该区叫火焰前沿。气态物质被分成两局部：一局部为燃烧后的气体，另一局部为新鲜气体。

新鲜混合气体应是完全同质的：它是一种预混合火焰。会以次音速〔爆燃〕或超音速〔爆炸〕传播。在火花点火发动机中，燃烧都是爆燃型的，但在爆震开始时情况除外。

排出气体再循环〔EGR〕

此技术的使用主要是为在局部负荷时减少NOx。

它也可用于在全负荷时用冷却的EGR启动再循环。这种情况下，通过显著提高辛烷需求〔爆震减少〕可使EGR率到达5-20%，缺点是功率会下降〔对于自然吸气发动机-可通过涡流增压进行补偿〕。

EGR加上涡流增压可以更好地控制排气温度。

EGR会极大降低燃烧速度。随着混合物〔缓慢〕燃烧，循环中的最高温度会下降，Nox的排放也减少〔Nox的产生与温度直接相关〕。

燃烧效率低〔由于温度较低〕可得到较低的泵动损失的补偿，因为发动机中新鲜空气流量减少了。

热力系统

恒量物质通过真实或假设界限与其余局部隔离。

由转换得到的功：·一个封闭循环内的总能量为：

容积

其中

其中：

热量

压力

功

理论上的主要循环：

火花点火循环压缩点火循环

恒定容积压缩

容积及压力不变的压缩

恒定压力压缩

1：绝热变换3：等容变换4：等压变换

理论上的热力效率

缸径=A

固定容积

理论热力效率ηt决定于两个参数：即

压缩比τ，即

其中，V=位移，v=余隙容积

以及比热比γ

ηt表达式为

功

ηt=

释放的热

理论热力效率：

那么

T4和T1为T3和T2的泛凾数

其中，τ=10，γ=1.4,那么ηt=0.60

理论热力效率：推论

从理论公式看，提高压缩比可提高热力效率。但在火花点火引擎中，压缩比受爆震限制。此外也可通过提高γ提高热力效率，这可通过降低燃油-空气当量比实现。

燃油-空气当量比的影响

比较：理论循环-真实循环

理论循环

实际过程并不完全按理论规律进行，因此实际过程与理论过程是不同的：

进气回路和排气回路间有压力损失

真实循环

压缩和膨胀不是完全绝热的，因为它们与外界有热交换，

燃烧并不是发生在恒定容积下

容积

我们可以看到“低压〞环，即进气和排气进程之间的区域，以及“高压〞环，即压缩、燃烧和膨胀进程。

真实循环过程：指示功、指示的平均有效压力、循环效率

指示功Ｗ：

气压作用于活塞产生的指示功为：

Ｗi＝外表高压环-外表抽气环

指示平均有效压力〔imep〕：

它是作用于活塞的恒压值，是指相同指示功值下扫过的位移〔引擎时间〕：

循环效率或形状效率ηc

它是测得的Imep和用理论循环计算出的Imep的比值。它根据容积效率而变化。最大值为0.8。

发动中的能量分配

发动机中的能量分配

燃烧imep

规那么公式：

摩擦

排气时的热排出

热损失：冷却

Imep=Bmep+Fmep

Bmep：轴上获得的有效功–Fmep摩擦中能量损失的等效压力

能量平衡：确定法和困难

对外交换：？？

Imep：测量汽缸内的瞬压和检查活塞位置

Bmep：测量扭矩

Bmep=4*Pi*扭矩/位移

冷却：测量通过发动机的冷却液体流量和该过程中的热量

排出物：测量吸入的气流量，燃烧的燃料量和

排气的温度

Fmep=Imep-Bmep：假设通过油排放能量

Qcomb:测量注入的燃油量：Qcomb=Qinj*Pci

对外交换

摩擦造成的能量损失的主要局部是通过油排放的。但这局部能量却包括在通过水/油交换器的冷却液体中。

火花点火发动机中的排放物

排气温度图

等温轮廓线几乎是垂直的，因为火花点火引擎使用的燃油-空气当量比为1。此参数限定了燃烧温度。

Bmep的增加导致排气中热焓流的增加。

Pme(bar)

火花点火发动机中的排放物

如果我们认为容积和燃烧效率即不决定于引擎速度也不决定于负荷，那么等流轮廓线应是双曲线的，因为

柴油和火花点火引擎：排气中的热含量

柴油：燃油-空气比可变，因此Tex可变火花点火：燃油-空气比=1，因此Tex=常量

火花点火引擎3000转/分

直喷柴油引擎2000转/分

排气温度

流动率

柴油和火花点火发动机：排气中的热含量

热含流量=质量流量*Cp*Tex

非增压柴油机：第一种方法流量不变，但T可变

火花点火：流量可变但Tex不变，因为燃油-空气比不变

火花点火发动机：全负荷时能量平衡

热释放组成〔%〕

未燃烧未完全燃烧排热水的热传递

摩擦功率计功率泵动损失与外部的对流

能量分布

燃料能量100%

〔100%〕

性能〔1〕-前言

发动机的性能由功率计〔液压或涡流式〕或DC机记录。

我们对不同工况下的发动机的扭矩以及发动机的速度进行监视。将结果用曲线和数据表表示。参数对应的条件是发动机速度或发动机负载〔燃油量，以mm3/冲程为单位，节流阀体的位置，X轴线〕。

一同记录的还有其它许多参数，尤其是燃油消耗量。此方法可以给出系统〔发动机〕中引进的能量，并计算出总的效率〔将此能量与轴上测量到的Bmep的直接相比的比值〕。如果我们知道了空气/燃油比〔通过排气分析〕，就可能得到进气的气流量。

测量出进/出口水的温度以及冷却剂的流量，我们就可以确定进入冷却回路的排热量。

以下列图为主要等式以及相关说明。

性能〔2〕-功率和扭矩

功率和扭矩

未修正功率：

Clu为米.牛顿

ω为弧度每秒

Pb用瓦特表示

其中，

注：扭矩通过连接到功率计臂上的一个负载传感器测量。实际使用时为方便起见，可采用2个臂长。如果我们用一米长的臂，力直接等于发动机扭矩〔FxL〕，单位为m.daN。用其它长度，将力转换为功率，用KW/10000rpm表示，此长度等于60〔2πx10〕=0.995m，力用daN表示。

性能〔3〕-修正系数

修正后的功率和扭矩

发动机发送的能量是吸入空气质量流的凾数。如前所知，活塞式发动机是容量式系统，而质量流量决定于测试时周围大气条件。比方，如果我们要比较某两天的全负载性能，必须考虑到环境条件的变化使用修正系数。此公式由ECE-89，CEE/E-88/195〔适用于汽油发动机〕，ISO1585/D，ECER85〔适用于柴油发动机〕给出。例如，汽油发动机的修正系数为：

其中，Pas=枯燥的大气压=总压力-蒸气压力，单位：mbar

Tadm=进口温度〔上游过滤器〕，单位：℃

性能〔3〕-修正系数

修正后的功率和扭矩

发动机发送的能量是吸入空气质量流量的凾数。如前所知，活塞式发动机是容量式系统，而质量流量决定于测试时周围大气条件。比方，如果我们要比较某两天的全负载性能，必须考虑到环境条件的变化使用修正系数。此公式由ECE-89，CEE/E-88/195〔适用于汽油发动机〕，ISO1585/D，ECER85〔适用于柴油发动机〕给出。例如，汽油发动机的修正系数为：

其中，Pas=枯燥的大气压=总压力-蒸气压力，单位：mbar

Tadm=进口温度〔上游过滤器〕，单位：℃

性能〔4〕-燃油消耗

消耗：

具体消耗：

它是每小时每单位功率的燃油流量。

如果在发动机发出功率Pb〔单位kW〕时，在时间T〔秒〕内所用油的质量为mc，那么

这是总效率，燃油质量乘以较低的燃油的发热量〔PCI〕除以消耗时间就是功率Pi。此功率与在轴上测出的功率Pb相比就是总效率。由于PCI=42000Kj/kg，我们发现

性能〔5〕-Bmep

平均有效压力〔Bmep〕：

Bmep等于轴上的能量与发动机能力〔V〕的比值。对于四冲程发动机，发动机We等于：

，在此Bmep为：

或用更常见的单位：

Bmep的概念使我们可以比较不同发动机而不必管它们的容量。对于二冲程发动机，我们必须用2π代替4π，因为它每一循环中只有一次膨胀冲程。

性能〔6〕-Fmep

平均摩擦压力〔Fmep〕：

平均摩擦压力定义为：

Fmep主要决定于发动机速度，发动机的负载影响有限。以下列图为一2升4缸发动机〔无辅助设施〕的Fmep相对发动机速度的变化情况。

性能〔7〕-容积效率

进气流量可用流量计〔膜式，文丘里管式，CUSSN式层流计，ROOTS表….〕测量，或用燃油流量和空气/燃油比计算。

，Pc：燃油燃烧功率;qc：燃油流量，g/s;r:浓度

第一种方