发动机原理及热力学

第一章发动机的性能混合加热循环热效率耳的影响因素随着压缩比8「“T。8T，循环平均吸热温TOC\o"1-5"\h\zt c t c度T，J循环平均放热温度，扩大了循环温差，T膨胀比。PT循环总加热量Q和8保持01c不变，等压加热部分T，等容加热部分J，耳J；九T循环总加热量Q和8保持不变t p 1 cPJQETo(2)等容,8TnT(3)等压8NT，PTQT8不变QNjo0 2 t c t c t 0 1 c 2 t循环平均压力p是指单位气缸容积所做的循环功，用它来评定气缸工作容积的做功t能力。p是随进气终点压力 ，压缩比8，初始膨胀比P等殇指数k和循环热效t de c 0率耳增加而增加。t同一机型不同加热模式的对比。①Q和8保持不变，在相同Q下Q必然是等压1c1 2加热循环最大等容最小。于是有">n>no②平均加热温度T>T>T③tv tm tp miv mlm mlp相同的Q，具有相同的最高压力p，压缩终了的温度T>T>T即放热1 max P m vQ>Q>Q于是有，n>n>n。2V 2m 2p tp tm tv柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力p很高，但柴油机的过量空气系数°相max a对汽油机大，柴油机的最高燃烧温度T 比汽油机低。max排气过程中，由于系统阻力，排气终了的压力p大于环境压力pop-p用来r a r a克服排气系统的压力。排气系统阻力越大，p就越大，残留在气缸的废气就越多。r转速nT平均速度cToc大则活塞组的热负荷和曲轴连杆机构的惯性力均增大，磨m m损加剧，寿命下降，为了提高转速又不使c过大，可以减小行程S,高速发动机，在结构m上采用较小的行程缸径s/Do但是s/d小也会造成燃烧室高度减小，燃烧室表面积在容积的比值增大，混合气形成条件变差，不利于燃烧。升功率p值越大，发动机的强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。l机械损失的测定1示功图法：一般用于当上止点位置得到精确校正时才能取得满意的结果。2倒托法：测定汽油机机械损失时得到较广泛的应用。3灭缸法：适用于多缸发动机。4油耗线法：倒托法只能用于配有电力测功器的情况，不适用大功率发动机，适用于测定压缩比不高的汽油机机械损失。对于排气涡轮增压柴油机，倒托法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作，只能使用示功图法、油耗线法。排气涡轮中增压、高增压的柴油机只能用示功图法。第二章发动机换气过程1•换气过程：自由排气：从排气门打开到气缸压力接近排气管压力的时期，一般排气提前角为30-80曲轴转角强制排气阶段：废气由活塞上行强制推出，缸内平均压力比排气管内平均压力略高，排气迟闭角为10-35曲轴转角进气过程：进气提前角为上止点0-40曲轴转角气门重叠和燃烧室扫气：由于排气门迟后关闭和进气门提前开启，故存在进、排气门同时打开的现象，叫气门重叠（角度选择以新鲜充量不流入排气管为原则）。利用气流的压差和惯性清楚残留废气，增加进气量叫扫气排气损失：分为自由排气损失和强制排气损失进气损失：比排气损失小，两者之和称为换气损失4•充量系数：每缸每循环实际吸入气缸的新鲜空气质量和进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量比值5•影响因素：进气门关闭时缸内压力Pa（正相关）进气门关闭时缸内气体温度Ta（负相关）残余废气系数（负相关）进排气相位角压缩比（正相关）进气状态（进气温度和压力影响不大）6•提高发动机充量系数的措施：降低进气系统阻力（减少进气门出流动损失，减少进气到、进气管和空气滤清器阻力，减少对进气充量的加热，降低排气系统流通阻力，合理选择进排气相位角，谐振进气与可变进气支管）第三章发动机废气涡轮增压1•结构分类：机械增压系统、废气涡轮增压系统、复合式发动机（废气动力涡轮和废气涡轮增压）、组合式涡轮增压系统（废气涡轮增压和进气惯性增压）、气波增压系统1•废气涡轮增压的类型：定压涡轮增压系统：涡轮前的废气压力基本保持恒定脉冲涡轮增压系统2•比较：脉冲增压废气能量损失较小，利用率高，增压比小于2.5时（低增压）用脉冲，增压比增加时利用率逐渐接近脉冲增压可保证足够扫气压力脉冲增压加速性好定压增压涡轮效率高3•主要技术措施：降低压缩比（受爆燃限制）增加压力控制系统减小反应滞后（供气跟不上）：采用脉冲增压，涡轮前置，带旁通阀的控制系统，减小进排气管长度和容积，提高压缩比和可变点火正时燃料供给系统的调整：汽油泵供油压力随增压压力变化而调节，适当减小点火提前角第四章燃料与燃烧化学1•汽油特性：抗爆性：汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力，用辛烷值表示（用马达法和研究法测）蒸发性：影响很和气质量，但太强会发生气阻，使供油中断氧化安定性：抵抗大气或氧气的作用保持其性质不发生长久性变化的能力清洁性：保持进气系统的清洁2•柴油特性：自燃性：用十六烷值评定，过高过低都不好雾化和蒸发性硫含量安定性：柴油在运输、储存和使用过程中保持其外观颜色、组成和使用性能不变的能力低温流动性：由于石蜡成分而低温时流动变差，使运转不良甚至熄火3•代用燃料分类：按物态区分：气体（压缩天然气CNG,液化石油气LPG,氢气等）、液体代用燃料（甲醇，乙醇，生物采油）4•天然气发动机：单燃料天然气发动机、双燃料天然气发动机（可两种燃料同时用，携带两套燃油系统），两用燃料天然气发动机5•着火机理：热自燃：若化学反应所释放的热量大于散失的热量，混合气的温度升高，促使混合气的反应速率和放热速率增大的相互促进，最终导致极快反应速率而着火的反应连锁反应：通过连锁反应逐渐积累活化中心的方法使反应自动加速直至着火6•发动机燃烧方式：同时爆炸燃烧，预混合燃烧，扩散燃烧，柴油机的初始燃烧室预混合燃烧，燃烧后期属于扩散燃烧第五章采油机混合气的形成与燃烧1•喷油系统等等要求：产生足够高的喷油压力，实现所要求的喷油规律，精准控制每个循环的喷油量，避免异常喷射2.喷射系统有直列柱塞式喷油泵燃油供给系统，分配式喷油泵燃油供给系统3•喷油器：将喷油泵供给的高压燃油喷入采幽机燃烧室，使燃油雾化成微细油粒，并按一定要求是适当分布在燃烧室内。有孔式喷油器和轴针式喷油器4•喷射过程：指从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程，分为：喷射延迟阶段：从喷油泵的柱塞顶封闭，进回油孔的理论供油始点起到喷油器的针阀开始升起为止主喷射阶段：从喷油始点到喷油器端压力开始急剧下降为止喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧下降到针阀落座停止喷油为止，应缩短5•雾化：燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小液滴的过程6•贯穿率：油束的贯穿距离和喷孔沿轴线到燃烧室壁的距离比值7•雾化质量：油束中液滴的细度和均匀度8.异常喷射：二次喷射：喷油器针阀落座后，在压力波动的影响下再次升起的现象断续喷射：针阀在喷射过程中周期性跳动的现象不规则喷射和隔次喷射：供油量过小/怠速工况时发生滴油现象：由于压力下降过慢使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油流出的现象9•燃烧过程：着火落后期：从燃油开始喷入燃烧室至由于开始燃烧而引起压力升高压力线明显脱离压缩线开始急剧上升的点速燃期：从压力脱离压缩线开始急剧上升到达最大压力缓燃期：从最大压力点到最高温度点，此时间不宜过长补燃期：从最高温度点到燃烧基本燃烧完，时间不宜过长，方法是加强缸内气体运动10.混合气形成基本方式：（1）空间雾化混合：将燃油喷射到空间进行雾化，通过燃油与空气之间的相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气的方式。有尚未汽化的液态油滴。（2）油膜蒸发混合：在球形燃烧室为代表的壁面油膜蒸发混合方式。完全汽化。11缸内气流运动形式：涡流、挤流、滚流、湍流12柴油机燃烧室：直喷式、非直喷式直喷式可根据活塞顶部凹坑的深浅分为半开式和开式。开式：浅盆形半开式：®形、挤流口、各种非回转体形、球形。13直喷式燃烧室特点：1、由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。直喷式柴油机比分隔式柴油机有效燃油消耗率约低10%-20%。2燃烧室结构简单，表面积与容积比小，散热损失小，没有主副室之间节流损失，冷起动性能、经济性好。3对喷射系统的要求较高，特别是开式燃烧室。4半开式燃烧室对进气道有较高的要求。5no的排放量较分隔式燃烧x室柴油机高，特别在高负荷的区域内，约高一倍。6对转速的变化较为敏感，特别是半开式燃烧室，较难同时兼顾高速和低速工况的性能，适用于较非直喷式燃烧室柴油机低。7压力升高率大，燃烧噪声大，工作较粗暴。14非直喷式：结构特点是除位于活塞顶部的主燃烧室外，还有位于缸盖内的副燃烧室两者之间有通道相连。燃油不能直接喷入主燃烧室内，而是喷入副燃烧室内。有涡流和预燃。15非直喷式燃烧室柴油机特点：1采用浓稀两段混合燃烧方式，NO和微粒排放低于直x喷式燃烧室，低负荷下的碳烟排放量较大。2初期放热率低，压力升高率和最高燃烧压力均低于直喷式燃烧室，燃烧柔和，振动噪声小。3对于涡流室，压缩涡流随发动机转速升高而增强，转速越高，混合气体形成和燃烧温度越高，涡流燃烧室适合高速柴油机，转速高达5000r/min4缸内气流运动比较强烈，空气利用率好，可在过量空气系数1.2左右的条件下正常工作。5对喷油系统要求不高，不需要进气涡流，进气道形状简单，加工制造成本低，使用故障小6一般对燃烧室不太敏感，有较强的适应性。7燃烧室结构复杂，表面积与容积比较大，散热损失较大，流动损失也大。分隔式燃烧室对柴油机较直喷式燃烧室柴油机效率低，经济性差。预燃室式损失更大，经济性更差。8散热损失大喷雾质量不高，冷起动性能不如直喷式燃烧室，一般都要安装电预热塞，用于在冷气动阀时提高燃烧室内的温度，保证顺利起动。16燃烧过程优化的基本原则1油一汽一燃烧室的最佳配合2控制着火后期内的混合气的生成量3合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动。4紧凑的燃烧室形状5加强燃烧期间和燃烧后期的扰流6优化运转参数常用燃烧室的结构和性能对比燃烧系统特点对比项目直喷式燃烧室分隔式燃烧室浅盆形°形球形涡流室预燃室混合气体形成方式空间雾化空间雾化油膜蒸发两段混合两段混合压缩比12—1516—1817—1918—2218—22空气运动无涡流或进气涡流较强进气涡流和挤流强进气涡流压缩涡流和燃烧涡流压缩涡流和燃烧涡流全负荷过量空气系数1.6—2.21.4—1.71.3—1.51.2—1.61.2—1.6热损失和流动损失小较小较小大最大喷油器6—12孔4—6孔1—2孔轴针式轴针式开启压力/MPa20—4018—2517—1910—128—13燃油雾化要求高一般要求高要求较咼要求较咼性能特点MPa0.6—0.80.6—0.80.6—0.80.7—0.90.6—0.8be/(g/kw.h)190—210218—245218—245231—272245—292NOx高较咼中等低低PM较低高低低低HC较低高高低低噪声最高较咼较低低低起动性容易较容易难难最难适应转速/（r/min）《1500《4000《2500《5000《3500适应缸径/mm》200《15090—130《100《100弟八早汽油机混合气的形成和燃烧1•正常燃烧过程：着火落后期：从火花塞点火到火焰核心形成，即从火花塞点火到气缸压力线明显脱离压缩线而急剧上升时明显燃烧期：火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室，也称火焰传递阶段，即压力线急剧上升到压力到达最高点后燃期：明显燃烧期终点3至燃料基本完全燃烧为止2•不规则燃烧：各循环之间的燃烧变动（循环变动）和各气缸之间的燃烧差异（各缸工作不均匀）3•不正常燃烧：爆燃：最主要的，常出现于压缩比较高时，缸内压力大幅波动，同时发动机产生一种高频金属敲击声，也称敲缸。影响：燃烧性质（辛烷值）末端混合气压力和温度（正相关）,火焰前锋传播到末端混合气的时间（正相关）表面点火：凡是不靠点火花点火而由燃烧室内炽热表面点燃混合气的现象4•空燃比a空气质量和燃油质量的比，理论空燃比14.95•发动机各工况对混合气的要求：稳定工况：怠速工况：很浓。小负荷很浓，中等负荷稀，全负荷时加浓过渡工况：冷启动：混合气体空燃比2：1很浓暖车：很浓，并逐渐减小加速：喷入附加燃料急减速：减少燃料6•电控汽油喷射供给系统类型：按喷射位置：缸内喷射，进气管喷射（单点喷射，多点喷射）按喷射控制装置：机械式，电控式按喷射方式：连续喷射，间歇喷射按空气流测试方法：空气流量质量的质量流量控制，进气管压力和发动机转速的速度密度控制，节气门开度和发动机转速的节流速度控制7•汽油喷射供油系统的优点：1对混合气空燃比精确控制2减少进气阻力充气效率高3可采取较高的压缩比,各缸混合比的均匀性易控制5可使用低辛烷值燃料6冷启动性能和加速性能好，过渡圆滑第七章发动机的特性发动机的工况分类（1）第一类工况，其特点是发动机的功率变化时，转速几乎保持不变，该工况又被称为固定式发动机工况。（2）第二类工况，其特点是发动机的功率与转速接近于幕函数关系，该工况又被称为发动机的螺旋桨工况。（3）第三类工况，其特点是功率与转速都在很大范围内变化，该工况又被称为发动机的面工况。发动机的功率标定发动机的功率标定，是指制造企业根据发动机的用途、寿命、可靠性、维修与使用条件等要求，人为地规定该产品在标准大气条件下输出的有效功率以及对应的转速，即标定功率与标定转速。我国发动机功率分为四级（1）15分钟功率发动机允许连续转15分钟的最大有效功率。（2）一小时功率（3）12小时功率（4）持续功率3柴油机的负荷特性当柴油机保持某一转速不变，移动喷油泵齿条或拉杆位置，改变每循环供油量b，燃油消耗量B、有效燃油消耗率b，等随负荷p而变化的关系称为柴油机负荷特性。e e4•汽油机的负荷特性当汽油机的转速不变，而逐渐改变节气门开度，同时调节测功器负荷，以保持转速不变；