《发动机构造与维修》课件第1章

第1章发动机基本知识1.1发动机的基本工作原理

1.2发动机的总体构造与型号编制规则

1.3发动机的性能指标与热平衡

1.4四冲程发动机的换气

1.5汽油机可燃混合气的形成与燃烧

1.6柴油机可燃混合气的形成与燃烧

1.7发动机特性

1.1发动机的基本工作原理

1.1.1四冲程汽油机的工作原理

1.基本结构如图1－1所示，单缸四冲程汽油机由油路、进气门、火花塞、排气门、凸轮轴、气门弹簧、气缸盖、活塞、气缸、连杆、曲轴、曲轴箱、喷油器、空气滤清器等组成。

图1-1单缸四冲程汽油机构造示意图

2.常用术语

(1)上、下止点：如图1-2所示，活塞顶部离曲轴回转中心最远的位置称为上止点；活塞顶部离曲轴回转中心最近的位置称为下止点。

图1-2发动机常用术语示意图

(2)活塞行程：指上、下止点间的距离S。曲轴的回转半径R称为曲柄半径，显然S＝2R。曲轴每转一周，活塞移动两个行程。

(3)气缸工作容积:指上、下止点间所包容的气缸容积，用Vh表示,其单位是升（L）。多缸发动机各缸工作容积的总和称为发动机工作容积（俗称发动机排量），用VL表示。若发动机的气缸数为i，

则

VL＝iVh

(4)燃烧室容积:指活塞在上止点时，活塞顶部上方的容积，用Vε表示。

(5)气缸总容积：指活塞在下止点时，活塞顶部上方的整个空间，用Va表示。气缸总容积等于气缸工作容积与燃烧室容积之和，即

Va＝Vh+Vε

(6)压缩比：指气缸总容积与燃烧室容积之比，用ε表示。它表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。压缩比越大，则压缩终了时气缸内气体的压力和温度就越高。汽油机的压缩比一般为8～10，柴油机的压缩比一般为16～22。

3.工作原理四冲程汽油机的工作循环是由进气、压缩、作功和排气四个行程组成的。图1-3为单缸四冲程汽油机的工作循环示意图。

1)进气行程活塞在曲轴带动下从上止点向下止点运动,此时，进气门开启，排气门关闭，如图1-3(a)所示。在活塞移动的过程中，气缸内容积逐渐增大，形成一定真空度，将可燃混合气吸入气缸。由于进气系统有阻力，进气终了时气缸内气体的压力约为0.08～0.09MPa。可燃混合气被气缸壁、活塞等高温零件及前一个循环留下的高温残余废气加热，其温度可升高到370～400K。

图1-3单缸四冲程汽油机的工作循环示意图

2)压缩行程进气行程结束后，活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动。此时，进、排气门均关闭，如图1-3(b)所示。随着活塞的移动，气缸容积不断减小，气缸内的可燃混合气不断被压缩，其温度、压力同时升高。压缩终了时，气缸内的压力约为0.6～1.2MPa，温度可达600～700K。

3)作功行程压缩行程接近终了时(见图1-3(c))，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花点燃可燃混合气，可燃混合气迅速燃烧，气体的温度、压力迅速升高并膨胀，从而推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能。此时，进、排气门仍然关闭。在作功行程中，燃烧气体的最高压力可达5～9MPa，最高温度可达2200～2800K。随着活塞向下止点移动，气缸容积不断增大，气体压力和温度逐渐下降。在作功行程结束时，压力约为0.35～0.5MPa，

温度约为1300～1600K。

4)排气行程作功行程终了时，排气门打开，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动(见图1-3(d))，废气在自身剩余压力和活塞的推动下，被排出气缸。当活塞到达上止点时，排气过程结束，排气门关闭。排气行程结束时，在燃烧室内残留少量废气，称为残余废气。因为排气系统有阻力，所以此时残余废气的压力比大气压力略高，约为0.105～0.12MPa，温度约为900～1200K。排气行程终了表示一个工作循环的结束，即下一个工作循环的开始。

1.1.2四冲程柴油机的工作原理四冲程柴油机和四冲程汽油机一样，每个工作循环也是由进气、压缩、作功和排气四个行程组成的。但由于柴油机使用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，其自燃温度却比汽油低，故可燃混合气的形成及着火方式等与汽油机有很大区别。单缸四冲程柴油机的工作原理如图1-4所示。

图1-4单缸四冲程柴油机工作的原理(a)进气行程；(b)压缩行程；(c)作功行程；(d)排气行程1—喷油器；2—排气门；3—进气门；4—气缸；5—喷油泵；

6—活塞；7—连杆；

8—曲轴

1)进气行程在柴油机进气行程中，进入气缸的是纯空气。由于柴油机进气阻力较小，残余废气的温度较低，因此进气行程结束时气缸内气体的压力较高，约为0.085～0.095MPa，温度约为310～340K。

2)压缩行程柴油机压缩的是纯空气，且由于柴油机压缩比高，压缩终了的温度和压力都比汽油机高，压力可达3～5MPa，温度可达800～1000K。

3)作功行程作功行程与汽油机有很大不同，在柴油机压缩行程接近终了时，喷油泵将高压柴油经喷油器呈雾状喷入气缸内的高温空气中，迅速汽化并借助于空气的涡流运动，与空气形成可燃混合气。此时，气缸内的温度远高于柴油的自燃温度(约500K左右)，柴油立即自行着火燃烧，且此后一段时间内边喷油边燃烧，气缸内的压力、温度急剧升高，推动活塞下行作功。此行程中，瞬时压力可达6～10MPa，瞬时温度可达1800～2200K；作功行程终了时，压力约为0.2～0.4MPa，

温度约为1200～1500K。

4)排气行程柴油机的排气行程与汽油机的基本相同。排气终了时，气缸的内压力约为0.105～0.12MPa，温度约为800～1000K。从上述两种发动机的工作循环可知：在四个行程中，只有作功行程产生动力，其它三个行程是为作功行程做准备工作的辅助行程。在发动机运转的第一个循环时，必须有外力使曲轴旋转完成进气、压缩行程。发动机完成作功行程后，可依靠曲轴和飞轮储存的能量自行完成三个辅助行程，使发动机工作循环不断地持续下去。

1.2发动机的总体构造与型号编制规则1.2.1发动机的总体构造

1.曲柄连杆机构曲柄连杆机构主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮等组成。其功用是将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞的往复运动的机械能,再通过连杆将活塞的往复运动的机械能转变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。

2.配气机构

配气机构主要由进气门、排气门、摇臂、推杆、凸轮轴和凸轮轴正时齿轮等组成。其功用是使可燃混合气或空气适时充入气缸并及时从气缸排出废气。

3.燃料供给系化油器式汽油供给系主要由汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进排气歧管、排气消声器等组成。电子控制汽油喷射系统主要由汽油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、压力调节器、喷油器、空气滤清器、空气流量计或进气压力传感器、水温传感器、进气温度传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、氧传感器、电子控制单元(ECU)、怠速控制阀、进排气歧管、排气消声器等组成。

高压油泵-喷油器的柴油机燃料供给系主要由柴油箱、柴油滤清器、输油泵、喷油泵、喷油器、空气滤清器、进排气歧管、排气消声器等组成。柴油机电控燃油喷射系统分为位置控制式（第一代）、时间控制式（第二代）和共轨控制式（第三代）三种类型。共轨控制式主要由加速踏板位置传感器、油泵压力传感器、电子控制单元(ECU)、燃油压力传感器、共轨管、三通阀、高压油泵、发动机转速传感器等组成。燃料供给系的功用是根据发动机的工作要求，定时、定量、定压提供最佳浓度的可燃混合气。

4.润滑系

润滑系主要由机油泵、集滤器、限压阀、润滑油道、机油滤清器、油底壳等组成。其功用是减小摩擦力，减缓机件磨损，并部分地冷却摩擦零件，清洗摩擦表面。

5.冷却系冷却系主要由散热器、风扇、水泵、水套等组成。其功用是将机件多余的热量散发到大气中，以保持发动机正常的工作温度。

6.点火系点火系由火花塞、点火线圈、电子点火控制器或分电器、电子控制单元、高低压电路等组成。其功用是根据发动机的工作要求，定时点燃可燃混合气。柴油机无点火系。

7.起动系

起动系主要由起动机及其附属装置组成。其功用是使静止的发动机起动并转入自行运转。

图1-5上海别克君威轿车2.5L发动机前剖面图

图1-6上海别克君威轿车2.5L发动机侧剖面图

图1-7WD615增压中冷柴油机纵、横剖视面图(a)纵剖面图；

(b)横部面图

1.2.2发动机的型号编制规则

GB/T725—1991规定，发动机的型号由阿拉伯数字（以下简称数字）、汉语拼音字母（以下简称字母）和GB1883中规定关于气缸布置所规定的象形字符号组成。发动机的型号依次包括下列四部分：

1.首部首部由产品系列符号、换代标志符号和地方及企业代号组成，它由制造厂根据需要自选相应的字母来表示，但需主管部门或由主管标准化机构核准。

2.中部中部由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号和缸径符号组成。

3.后部后部由结构特征符号和用途特征符号组成，它用字母表示。

4.尾部

尾部由区分符号组成。同一系列产品因改进等原因需要区分时，由制造厂选用适当的符号来表示。发动机的型号编制规则如图1-8所示。

图1-8发动机的型号编制规则

【例1-1】汽油机的型号编制：

492Q——四缸、直列、四冲程、缸径92mm、水冷、汽车用。

EQ6100Q—1——东风汽车制造公司生产、直列、四冲程、六缸、缸径100mm、水冷、汽车用、第一种变型产品。

【例1-2】柴油机的型号编制：

6135Q——6缸、直列、四冲程、缸径135mm、水冷、车用。

12V135ZG——12缸、气缸V型排列、四冲程、缸径135mm、水冷、增压、工程机械用。

12VE230ZCZ——12缸、气缸V型排列、二行程、缸径230mm、水冷、增压、船用主机左机基本型。

1.2.3国外发动机型号的含义国外发动机型号无统一编制规则，由生产厂家自定。

1.日本丰田汽车公司发动机型号○□—□①②③①表示区分符号，用阿拉伯数字表示。②

表示系列，用一个或多个英文字母表示。

③表示结构特征，用一个或多个英文字母表示。其中：E表示电子控制燃油喷射；T表示涡轮增压；Z表示机械增压；F表示顶置双凸轮轴，由一根皮带同时驱动；G表示顶置双凸轮轴，一根凸轮轴由一根皮带驱动，另一根凸轮轴由主动凸轮轴驱动。

【例1-3】1UZ—FE表示区分符号是1、UZ系列（V型8缸、进排气门采用可变配气相位VVT—I的机构）、顶置双凸轮轴，由一根皮带同时驱动的电子控制燃油喷射的发动机。

【例1-4】3UZ—FE除了区分符号是3外，其它字母的含义与1UZ—FE相同，但3UZ—FE发动机的排量是4.3L,而1UZ—FE发动机的排量是4.0L。

2.瑞典沃尔沃汽车公司发动机型号□□○□□①②③④⑤①表示所使用的燃料，用英文字母表示，F为汽油机，D为柴油机。②表示发动机气缸布置的型式，用英文字母表示，H表示直列卧式，V表示气缸V布置。③表示发动机的排量，用阿拉伯数字表示，单位是升（L）。④表示发动机的改进型，用英文字母表示。⑤

表示发动机输出功率，用阿拉伯数字表示，单位是马力（匹）。

【例1-5】DH12D420表示柴油机、气缸直列卧式、排量12L、经改进为D型、功率是420匹的发动机。

3．奥地利斯太尔汽车公司发动机型号国产斯太尔重型汽车是引进奥地利斯太尔918系列重型汽车技术进行生产的，车用发动机是WD615系列柴油机。WD61500表示的意思如下：

W表示水冷却式的发动机，D表示柴油机，6表示气缸数量，15表示系列编号（单缸排量，

单位是ml），00表示机型变型编号。

4．美国康明斯发动机公司发动机型号 ○□□□○ ①②③④⑤①表示发动机的缸数，用阿拉伯数字表示。②表示发动机的系列代号，用英文字母表示。③表示废气涡轮增压器，用英文字母T表示。④表示进气中间冷却，用英文字母A表示。⑤表示发动机的排量，用阿拉伯数字表示，单位是升（L）。

【例1-6】东风汽车公司生产的汽车EQ1108、EQ1118、EQ1141和EQ2100等车型使用美国康明斯柴油机6B5.9、6BT5.9、6BTA5.9，这三种柴油机表示的含义如下：

6B5.9表示B系列、6缸、自然吸气、排量是5.9L的柴油机。

6BT5.9表示B系列、6缸、废气涡轮增压、排量是5.9L的柴油机。

6BTA5.9表示B系列、6缸、废气涡轮增压、进气中间冷却、排量是5.9L的柴油机。

1.3发动机的性能指标与热平衡

1.3.1发动机的性能指标

1.动力性指标动力性指标是表征发动机作功能力大小的指标。一般用发动机的有效转矩、有效功率、转速和平均有效压力等作为评价发动机动力性好坏的指标。

(1)有效功率：发动机对外输出的功率，记作Pe，单位为kW。Pe可用台架试验方法测定，也可用测功器测定有效转矩和转速，

然后用如下公式计算出：

（1-1）

(2)有效转矩：发动机对外输出的转矩，记作Me，单位为N·m。它可通过发动机台架试验来测定，也可用下式进行计算:（1-2）

(3）平均有效压力：发动机单位气缸工作容积发出的有效功，记作Ｐe。它从发动机实际输出功的角度评定气缸工作容积的利用率。对于气缸工作总容积和一定的发动机，Ｐe值大，则其对外输出的功多，扭矩大。所以，Ｐe是发动机重要的动力性能指标。柴油机Ｐe值的一般范围为588～980kPa；汽油机Ｐe值的一般范围为588～1170kPa。

(4)发动机转速：发动机曲轴每分钟的回转数，用n表示，单位为r／min。发动机转速的高低，关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同而改变。因此，在说明发动机有效功率的大小时，必须同时指明其相应的转速。在发动机产品标牌上规定的有效功率及其相应的转速分别称作标定功率和标定转速。发动机在标定功率和标定转速下的工作状况称作标定工况。标定功率不是发动机所能发出的最大功率，它是根据发动机用途而制定的有效功率的最大使用限度。同一种型号的发动机，当其用途不同时，其标定功率值并不相同。

2.经济性指标

发动机的经济性指标包括有效热效率和有效燃油消耗率等。(1)有效热效率：燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数，记作ηe。这说明，为获得一定数量的有效功所消耗的热量越少，有效热效率越高，发动机的经济性越好。

(2）有效燃油消耗率:发动机每输出1kW·h的有效功所消耗的燃油量，记作ge，单位为g/(kW·h)。有效燃油消耗率越低，

经济性越好。ge可用测功器与油耗仪来测定。

3．强化指标

强化指标是指发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标。评价指标主要是升功率，记作PL。升功率是指发动机在标定工况下，单位发动机排量输出的有效功率。升功率大，表明每升气缸工作容积发出的有效功率大，发动机的热负荷和机械负荷都高。PL是从发动机有效功率出发，对其气缸工作容积的利用率作总的评价。PL值愈大，则发动机强化程度愈高。提高PL的主要措施是提高Pe和n。柴油机PL值的一般范围为11～25.8kW/L；汽油机PL值的一般范围为22～55kW/L。

4.紧凑性指标紧凑性指标是用来表征发动机总体结构紧凑程度的指标，通常用比容积和比质量衡量。

(1)比容积：发动机的外廓体积与其标定功率的比值。

(2)比质量：发动机的干质量与其标定功率的比值。干质量是指未加注燃油、机油和冷却液的发动机质量。

比容积和比质量越小，发动机的结构越紧凑。

5.环境保护指标

环境保护指标主要指发动机污染物的排放量和噪声分贝量。由于它关系到人类的健康及其赖以生存的环境，因此各国政府都制定出了严格的控制法规，这是控制机动车排气污染的有效措施。当前，发动机污染物的排放量和噪声分贝量已成为发动机的重要性能指标。

在发动机污染物的排放量方面，主要限制一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)及除水以外的任何液体或固体微粒的排放量。目前，除了北京、上海和广州新增车辆实施国Ⅲ标准(见表1-1)，其他省市执行国Ⅱ标准。实施国Ⅲ标准，能大幅降低新车的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物以及颗粒物等污染物的排放总量。据专家研究，7辆执行国Ⅱ标准的汽车，相当于1辆化油器车的污染物排放量，14辆执行国Ⅲ标准的汽车，才相当于1辆化油器车的污染物排放量。

表1-1

机动车国Ⅲ标准

机动车国Ⅲ标准与国Ⅱ标准的主要区别有以下几方面：

(1)加严了污染物排放限值，平均污染物排放量削减50%以上。

(2)改变了部分试验规程。

(3)增加了-7℃低温冷起动试验要求和双怠速试验内容。

(4)增加了OBD系统及其功能的要求。OBD系统是OnBoardDiagnostics的缩写，中文翻译为“车载自动诊断系统”。这个系统将从发动机的运行状况随时监控汽车的尾气是否超标，若超标，则会马上发出警示。当系统出现故障时，故障灯或检查发动机警告灯亮，同时动力总成控制模块（PCM）将故障信息存入存储器。根据故障码的提示，维修人员能迅速、准确地确定故障的性质和部位。

(5)增加了在用车符合性检查及其判定规程。

(6)对试验用燃料提出了更严格的要求。噪声是指对人的健康造成不良影响及对学习、工作和休息等正常活动发生干扰的声音。由于汽车是城市中的主要噪声源之一，而发动机又是汽车的主要噪声源，因此控制发动机的噪声就显得十分重要。我国机动车噪声控制的范围在90～115dB之间。

6.可靠性指标可靠性指标是表征发动机在规定的使用条件下，正常持续工作能力的指标。可靠性有多种评价方法，如首发故障行驶里程、平均故障间隔里程、主要零件的损坏率等。

7.耐久性指标

耐久性指标是指发动机的主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间，通常用发动机的大修里程，即发动机从出厂到第一次大修之间汽车行驶的里程数来衡量。大修里程的长短与发动机的结构特点、强化程度、零件的材料及加工精度和使用条件等诸多因素有密切关系。

1.3.2发动机的热平衡在发动机的气缸中，燃料燃烧后所放出的总热量，只有25%～40%转化为有效功。其他部分均以不同方式散失于外界。燃料燃烧发出的总热量在有效功和各种损失之间的分配利用情况，称为发动机的热平衡。它通常由实验测定。研究热平衡对改善发动机的热力过程与设计、使用都有重要的意义。燃料燃烧发出的总热量QI大体分配如下：

(1)化为有效功的热量Qe。Qe愈大，即转化为有效功的热量愈多，发动机热效率愈高。对于汽油机，Qe与QI的比值为20%～30%；对于柴油机，Qe与QI的比值为30%～40%。

(2)传递给冷却介质的热量Qs。冷却介质指冷却水或冷却空气以及润滑油等。在这部分损失的热量中，包括工作循环中的工质向气缸壁及燃烧室壁的传热损失，废气通过排气道时传给冷却介质的热量，由机械摩擦产生而传给冷却介质的热量。

(3)废气带走的热量Qr。废气排出时，温度很高，所以废气带走的热量占大多数。对于汽油机，Qr与QI的比值为40%～45%；对于柴油机，Qr与QI的比值为是35%～40%。柴油机的燃气膨胀充分，排气温度低。所以，柴油机废气带走的热量比汽油机的少。

(4)其它热损失QL。这部分包括所有未计及的热损失，如辐射热损失、不完全燃烧损失等。QL与QI的比值约为5%。1.3.3机械损失

1.机械损失的组成

1)发动机内部运动件的摩擦损失摩擦损失约占整个机械损失的60%～75%。在摩擦损失中，活塞和活塞环与气缸壁间的摩擦所占比例最大。因其摩擦面积大，相对速度高，润滑又不好；其次是轴承与轴颈之间的摩擦；气门传动机构的摩擦等。

2)驱动附属机构的损耗这部分损失约占全部损失的10%～20%。它包括驱动配气机构、冷却水泵、风扇、机油泵、

喷油泵、调速器、点火装置等的损耗。

3)泵气损失进、排气过程所消耗的功在测定机械损失时很难分离出去，所以把它包括在机械损失中。它约占全部机械损失的10%～20%。机械损失功率可通过发动机台架试验测定。

常用的试验方法有倒拖法和灭缸法。

2.机械效率

有效功率Pe和指示功率Pi(在单位时间内，发动机完成一个工作循环工质对活塞所作的功)的比值，称为机械效率，记作ηm。

ηm用于比较各种不同发动机的机械损失大小。ηm值愈高，说明机械损失愈小，发动机性能愈好。

3.影响机械损失的主要因素

1)发动机的转速当发动机的转速n升高时，机械损失的各组成部分均有显著的增加。n升高，各摩擦面间的相对速度加大，而且运动件的惯性力加大，使活塞的侧压力和轴承负荷增加，因此，机械损失增加。

2)发动机的负荷发动机的负荷通常是指发动机的阻力矩大小。由于平均有效压力正比于扭矩，故常用它来表示负荷。有时也用功率或其百分数来表示负荷。由于机械损失的主要成分是摩擦损失，而摩擦损失主要取决于机件的相对运用速度，故转速一定由负荷减少（发动机的阻力矩减少，相应地减少油门开度）时，机械损失的有效功率基本不变，而指示功率减少很多，使发动机的机械效率下降。当有效功率为零时，指示功率全部用来克服机械损失的功率，机械效率为零。

3)润滑油的品质和冷却液的温度润滑油的粘度直接影响摩擦损失的大小。粘度大，摩擦损失大，但其承载能力强，易于保持液体润滑状态。润滑油的粘度不仅与其品种牌号有关，还受温度的影响，温度升高，粘度减小。选用润滑油的粘度应根据发动机的性能和使用条件，在保证润滑可靠的前提下，尽量选用粘度较小粘度随温度的变化小的润滑剂。

冷却液的温度直接影响着润滑油的温度，也就影响摩擦损失的大小。当油温偏低时，因其粘度增大，所以机械损失功率增加，正如发动机在冷起动和暖车过程中，机械损失功率特别大；当油温偏高时，因其粘度降低，摩擦表面的油膜被破坏，出现半干摩擦状态，所以摩擦损失增加。在使用中，应严格保持发动机的润滑油和冷却液的温度在规定的范围内。如水温一般为85～95℃。为减小摩擦损失，还应特别注意机油滤清器的保养，

按规定更换润滑油。

1.4四冲程发动机的换气

1.4.1四冲程发动机换气过程分析

1．换气过程发动机上一个循环的排气门开启直到下一个循环的进气门关闭的整个时期，称为四冲程发动机的换气过程，它约占410°～480°曲轴转角。根据气体的流动特点，换气过程可分为自由排气、

强制排气和进气三个阶段，如图1-9所示。

图1-9换气过程中气缸和排气管内压力变化及进排气门的开启面积

(1）自由排气阶段。排气门开始开启到气缸内压力接近于排气管内压力的时期，称为自由排气阶段。此阶段一般在下止点前开始，为了减小排气所消耗的功及在排气行程开始时，排气门有较大的开度，排气门应提前开启，一般提前40°～80°的曲轴转角开启，即排气门提前角，用φp1表示。

(2）强制排气阶段。上行的活塞将废气强制排出的阶段，称为强制排气阶段。如果排气门在活塞到达上止点时关闭，则在活塞接近上止点时，排气门的开度已经很小，这会增大排气阻力，使气缸内残余废气量增加，且增加排气所消耗的功，因此，排气门一般迟关10°～30°的曲轴转角，即排气迟后角，用φp2表示。整个过程的持续时间相当于转角230°～290°。

(3）进气过程。在强制排气的后期，当活塞处于上止点前某一曲轴转角时，进气门就开始打开；当活塞到达上止点，进气行程开始时，进气门已有较大的开启面积，可使新鲜气体顺利充入气缸。从进气门打开到上止点这段曲轴转角，称为进气提前角φj1，一般为10°～30°。当进气行程结束，活塞到下止点后某一曲轴转角时，进气门关闭。其目的是利用气流的惯性与压力差(p0～p)继续向气缸内充气，增加充气量。进气迟后角φj2为40°～80°。整个进气过程持续时间相当于曲轴转角230°～290°。由于排气门迟后关闭，进气门提前开启而存在着进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。气门叠开期间进气管、气缸、排气管连通起来，可以利用气流压力差和惯性清除缸内废气，增加进气量。非增压发动机的气门叠开角为20°～60°曲轴转角。若气门叠开角过大，可能会引起废气倒流入进气管的现象。将进气门、排气门的实际开闭时刻用相对于上、下止点位置的曲轴转角的环形图表示，称为配气相位图，如图1-10所示。

图1-10非增压发动机的配气相位图

2．换气损失与泵气损失1）换气损失换气损失分排气损失和进气损失两部分，

如图1-11所示。

图1-11四冲程发动机的换气损失

（1）排气损失。从排气门提前打开到进气行程开始，缸内压力达到进气管内压力前循环功的损失，称为排气损失。它可以分为自由排气损失和强制排气损失。自由排气损失：由于排气门提前打开，排气压力线从b′点开始偏离理论循环膨胀线而引起膨胀功的减少，图中用面积W表示。强制排气损失：活塞将废气推出所消耗的功，图中用面积Y表示。若排气提前角φp1增大，则面积W增大，而面积Y相应减小；反之，若φp1减小，则W减小，Y增大。最有利的φp1应使面积(W+Y)为最小，即排气损失最小。(2)进气损失。进气过程中克服进气系统的阻力所消耗的功，称为进气损失，图中用面积X表示。它比排气损失小。

进气损失与排气损失之和，

即为换气损失，用面积(W+X+Y)表示。

2）泵气损失

泵气损失是换气损失的一部分，

用面积(X+Y-d)表示。

1.4.2充气系数在发动机进气过程中，实际进入气缸的新鲜充量与在进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的比值，称为充气系数，用符号ηv表示，即式中：ΔG、Δm——实际进气气缸的新鲜充量的重量、质量；

ΔＧ0、Δm0——进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的重量、质量。所谓进气状态，是指空气滤清器后进气管内的气体状态。为测量上的方便，在非增压发动机上一般都采用当时的大气状态。在增压发动机上采用增压器出口状态。由式(1-3)可见，充气系数与气缸容积无关，因而，可用来评定不同排量的发动机换气过程的良好程度。ηv的值越大，说明每循环实际充气量越多，每循环可燃烧的燃料随之增加，因而单位气缸工作容积的有效功及发动机的扭矩和功率也越大,发动机的动力性好。因此，总是希望ηv值高。但对于非增压的发动机来说，ηv总是小于1的。因为进气终了的压力总是低于大气压力，进气终了的温度总是高于大气的温度。实际发动机的充气系数多用实验方法测定。一般非增压的发动机在全负荷工况工作时汽油机的ηv数值的大致范围为0.75～0.85；柴油机的ηv数值的大致范围为0.75～0.90。实践证明：提高充气系数可增加发动机的功率和扭矩。在使用中保持充气系数ηv正常的措施如下：

(1）加强日常维护，保持空气滤清器的清洁，按规定更换滤芯。

(2）在低温使用发动机时，要对进气管进行加热。

(3）要定期检查与调整配气相位，使之符合要求。

(4）进气管接头连接完好，防止进气管凹瘪、破损、堵塞和老化。1.4.3可变进气管控制系统

1．控制原理发动机工作时，由于进气过程具有间歇性和周期性，空气在进气管内流动时会产生一种压力波，这种压力波对发动机的进气量会产生一定的影响。如，在进气门关闭前夕，传到进气门处的正压波可以以较高压力将空气送入气缸内，起到了增压作用，从而达到了提高进气量的效果。进气管长度、直径等进气系统参数都会改变进气压力波，因而适当地调整和控制这些参数，

可以有效地利用进气压力波提高充气效率。

2．控制方法

对于由一定长度和直径的进气歧管、进气总管和气室组成的进气系统，在一定的转速范围内，可以增加进气量和发动机的转矩，但不能同时兼顾高、低转速时的进气量和转矩。为了充分利用进气波动效应，电控燃油喷射的发动机采用了谐波进气控制系统(ACIS)，即可变进气管系统。实验证明，在中低转速时，较细长的进气管充气效果较好；而在高转速时，粗短的进气管充气效果较好。因此，对于采用多点燃油喷射系统的汽油机来说，可以按照气体压力波传播的特点设计进气道，使进气道的长度、形状都可以改变。可利用进气动态效应来提高充气效率。

1)进气管长度可变结构图1-12为一种能根据发动机转速变化而自动改变进气管有效长度的进气控制系统示意图。当发动机中低速运转时，电脑5指令转换阀3关闭，空气沿弯曲而细长的进气管进入气缸，细长的进气管增强了气流的惯性，提高了进气速度，进气量增多；当发动机高速运转时，转换阀3开启，空气直接进入短粗的进气管，

短粗的进气管阻力小，使进气量增多。

图1-12进气管长度可变结构1—空气滤清器；

2—节气门；

3—转换阀；

4—转换阀控制机构；

5—电脑

2）进气管截面可变结构图1-13为一种能根据发动机转速变化而自动改变进气管有效截面的进气控制系统示意图。图中显示每个气缸：有4个气门(两个进气门和两个排气门)，2个进气门各配有一个进气管道，其中一个进气管道中装有进气转换阀。当发动机低转速中、小负荷工作时，转换阀关闭，发动机进气管道的有效截面变小，此时进气流速提高，进气惯性增大，可提高发动机的转矩；当发动机高转速大负荷工作时，电脑指令转换阀开启，两条进气管道同时工作，此时进气截面增加，进气阻力减小，充气量增加，可提高发动机高转速时的动力性。

图1-13进气管截面可变结构

1.4.4增压技术及其作用增压技术是将空气预先压缩后送入气缸，是增加进气量、提高充气系数的一项技术措施。由于进气量的增加，可相应地增加燃油供油量，从而增加发动机的功率。同时，增压还可以改善燃油经济性。实践证明，在汽车发动机上采用涡轮增压或机械增压，当汽车以正常的经济车速行驶时，不仅可以获得相当好的燃油经济性，而且还会因发动机功率的增加而得到驾驶员所期望的良好的加速性。

1．增压的种类增压有机械增压、涡轮增压和气波增压等三种基本类型。实现空气增压的装置称为增压器。各种增压类型所用的增压器分别称为机械增压器、涡轮增压器和气波增压器。机械增压器由发动机曲轴经齿轮增速器驱动，或由曲轴齿形传动带轮经齿形传动带及电磁离合器驱动。

涡轮增压器是将发动机排出的废气引入涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸。涡轮增压也称废气涡轮增压，涡轮增压器与发动机没有机械的联系。气波增压器中有一个特殊形状的转子，由发动机曲轴带轮经传动带驱动。在转子中发动机排出的废气直接与空气接触，

利用排气压力波使空气受到压缩，

以提高进气压力。

2．涡轮增压器的结构及工作原理

车用涡轮增压器由离心式压气机和径流式涡轮机及中间体三部分组成(见图1-14)。增压器轴5通过两个浮动轴承9支承在中间体14内。中间体内有润滑和冷却轴承的油道，还有防止润滑油漏入压气机或涡轮机中的密封装置等。

图1-14涡轮增压器的结构

1）离心式压气机如图1-14所示，离心式压气机由进气道6、压气机叶轮3、无叶式扩压管2及压气机蜗壳1等组成。叶轮包括叶片和轮毂，并由增压器轴5带动旋转。当压气机旋转时，空气经进气道进入压气机叶轮，并在离心力的作用下沿着压气机叶片之间形成的流道，从叶轮中心流向叶轮的周边。空气从旋转的叶轮获得能量，使其流速、压力和温度均有较大的增高，然后进入无叶式扩压管。扩压管为渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压，温度也有所升高。即在扩压管中，空气所具有的大部分动能转变为压力能。压气机叶轮由铝合金精密铸造，蜗壳也用铝合金铸造。

2）径流式涡轮机涡轮机是将发动机排气的能量转变为机械功的装置。径流式涡轮机由蜗壳、喷管、叶轮和出气道等组成。如图1-14所示，涡轮机壳13的进口与发动机排气管相连，发动机排气经涡轮机壳引导进入叶片式喷管。喷管是由相邻叶片构成的渐缩形流道。排气流过喷管时降压、降温、增速、膨胀，使排气的压力能转变为动能。由喷管流出的高速气流冲击叶轮10，并在叶片所形成的流道中继续膨胀作功，推动叶轮旋转。

涡轮机叶轮经常在900℃高温的排气冲击下工作，并承受巨大的离心力作用，所以采用镍基耐热合金钢或陶瓷材料制造。用质量轻并且耐热的陶瓷材料可使涡轮机叶轮的重量大约减轻2/3，涡轮增压加速滞后的问题也在很大程度上得到改善。

1.5汽油机可燃混合气的形成与燃烧

1.5.1车用汽油

1.使用性能

1）汽油的蒸发性汽油的蒸发性可通过燃料的蒸馏试验来测定。将100mL的汽油按规定的方法进行加热使其沸腾，然后将汽油蒸气通过冷凝装置冷却为液体，从冷凝管中流出的第一滴汽油时的温度，到蒸馏结束时的最高温度，就是汽油的“沸点范围”。馏出10mL、50mL、90mL时的温度分别称为10%、50%、90%蒸发温度。

10%蒸发温度表示汽油中含轻质馏分的多少，它在冷起动时就有可能使较多的汽油蒸气与空气混合形成可燃混合气，从而使发动机容易起动。

50%蒸发温度表明汽油中中间馏分的多少,它表示汽油的平均蒸发性,影响汽油机的预热时间、加速性能和工作稳定性。

90%蒸发温度和终馏点表示汽油中重质馏分含量的多少。此温度越低，表明汽油中重馏分含量越少，越有利于可燃混合气均匀分配到各气缸，

同时也可使汽油的燃烧更为完全。

2）燃料的热值燃料的热值是指1kg燃料完全燃烧后所产生的热量。汽油的热值约为44000kJ/kg。

3）抗爆性抗爆性是指汽油在汽油机内燃烧时不产生爆燃的性能，它是汽油的一项主要性能指标。汽油抗爆性的评价指标通常用辛烷值表示。汽油的辛烷值愈高，其抗爆性愈好，使发动机有可能采用较高的压缩比，

有利于提高发动机的热效率。

4）氧化安定性

汽油的氧化安定性是指热稳定性，

即防止生成高温沉积物的能力。

2.车用汽油标准

1）我国车用无铅汽油标准按照GB17930—1999《车用无铅汽油》标准,我国车用无铅汽油按研究法辛烷值（RON）划分为90号、93号和95号三个牌号,其对应的抗爆指数不小于85、88和90。为了与国际接轨，随后又增加了97号汽油。符合GB17930—1999《车用无铅汽油》标准的汽油称为高标准清洁汽油。

2）我国车用乙醇汽油标准乙醇汽油是指在不添加含氧化合物的液体烃中加入一定量变性燃料乙醇后形成的点燃式内燃机的燃料。

车用乙醇汽油按研究法辛烷值（RON）划分为90号、

93号、

95号和97号。

3.车用汽油的选用

(1)使用汽车厂家规定的汽油牌号。

(2)根据发动机压缩比来选择汽油牌号，压缩比越大，汽油的牌号越高。

(3)注意汽油质量是影响汽车技术性能和汽车排放的重要因素。

(4)区分季节，选择汽油的蒸气压，冬季应选择蒸气压较大的汽油，夏季应选择蒸气压较小的汽油。

(5)在储存和使用中应注意防火、

防爆，

避免中毒。

1.5.2可燃混合气的形成过程

1.化油器式汽油机可燃混合气的形成过程空气经空气滤清器进入化油器，流经喉管时，流速增加，压力降低，在喉管中形成一定的真空度，将汽油从浮子室经主喷管吸出，被吸出来的汽油正好喷入流过喉管的空气中，在高速空气流的冲击下被雾化成细小颗粒，并不断蒸发、扩散，与空气混合成可燃混合气。

2.电子控制汽油喷射式可燃混合气的形成过程现代汽油机大多数为进气道间歇式多点喷射系统（MPI）。在排气行程末和进气行程初，在发动机电子控制单元（ECU）的控制下，喷油器喷射出来的雾状汽油在进气门前方的进气道中或直接喷入气缸(缸内喷射)，与空气进行初步混合后，经进气门进入气缸，在气缸内汽油又不停地进行着吸热、蒸发、汽化与空气进一步混合，直至压缩行程接近终了，才形成良好的可燃混合气。

1.5.3可燃混合气的浓度表示方法

1.空燃比空燃比就是混合气中所含空气质量(kg)与燃料质量(kg)的比值，即

理论上，1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg，即空燃比为14.7。这种空燃比的混合气称为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于14.7，则称为浓混合气，若空燃比大于14.7，则称为稀混合气。应当指出，对于不同燃料，其理论空燃比数值是不同的。

2.过量空气系数

过量空气系数是在燃烧过程中，实际供给的空气质量与理论上燃料完全燃烧时所需的空气质量之比，也等于实际空燃比与理论空燃比之比，

即

由上面的定义式可知：无论使用何种燃料，α＝1的可燃混合气即为理论混合气(又称为标准混合气)；α＜1的为浓混合气；α＞1的则为稀混合气。可燃混合气的浓度对发动机的动力性和经济性有很大影响。理论混合气(α=1)——理论上推算的完全燃烧的混合气浓度。实际上，由于时间和空间条件的限制，汽油不可能及时与空气绝对均匀混合，实现完全燃烧。稀混合气(α>1)——可以保证所有的汽油分子获得足够的空气而实现完全燃烧，因而经济性最好，故称为经济混合气。常用经济混合气的α值多在1.05～1.15范围内。若混合气过稀(α>1.15)，则会因空气量过多，燃烧速度减慢，热量损失加大，从而导致发动机过热，动力性和经济性变差。浓混合气(α<1)——由于汽油分子相对较多，混合气燃烧速度快、压力大、热损失小，发动机输出功率大，因此称其为功率混合气，其α值多在0.85～0.95范围内。功率混合气中空气相对较少，不能完全燃烧，因此经济性较差。若混合气过浓(α<0.88)，则燃烧很不完全，产生大量的CO，并在高温高压的作用下析出游离的碳，导致发动机排气冒黑烟，放炮，燃烧室积炭，动力性和经济性变差，排放污染加剧。1.5.4发动机工况对可燃混合气浓度的要求发动机工况是发动机在某一时刻运行状况的简称，它可用该时刻发动机输出的有效功率和发动机转速表示。但通常用负荷和发动机转速来表示发动机工况。负荷是指发动机在某一转速下发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值，用百分数表示。发动机的负荷也可用节气门的开度来表示。如节气门全关，负荷为零；节气门全开，负荷为100%。在汽车行驶的大部分时间内，发动机是在中等负荷下工作的。如轿车发动机的负荷经常为40%～80%，货车发动机的负荷则为70%～80%。

1.怠速和小负荷工况

怠速是指发动机对外无功率输出的工况，作功行程产生的动力只用来克服发动机的内部阻力，维持发动机以最低稳定转速运转。电控汽油机怠速转一般为700～900r/min。在怠速工况下，进入气缸内的混合气很少，气缸内残余废气对混合气稀释严重，使燃烧速度减慢甚至熄火；又因转速低，空气流速小，汽油雾化，汽化不良，与空气混合不均匀，使混合气燃烧不良甚至熄火。因此，要求供给少量的浓混合气(α=0.6～0.8)。发动机的负荷在25%以下的称为小负荷。由于小负荷时，节气门略开，混合气的数量和品质有所提高，废气对混合气的稀释作用也有所减弱，因而混合气浓度可以略为减小(α=0.7～0.9)。

2.中等负荷工况

发动机的负荷在25%～85%之间的称为中等负荷。由于节气门开度较大，故进入气缸的混合气数量增多，燃烧条件较好。此外，由于发动机大部分的时间处在中等负荷下工作，为提高发动机的经济性，应供给较稀的可燃混合气(α=0.9～1.1)。

3.大负荷和全负荷工况发动机的负荷在85%以上和100%的分别称为大负荷和全负荷。此时，为了克服较大的外部阻力，或加速行驶，要求发动机发出尽可能大的功率。因此，必须将节气门开大到接近全开或全开，供给浓的可燃混合气(α=0.85～0.95)。1.5.5正常燃烧过程高速汽油机的燃烧过程持续时间很短。通常借助展开示功图分析汽油机的燃烧过程。展开示功图的横坐标为曲轴转角￠，纵坐标为气缸内气体压力p，故展开示功图也称为p-￠图。为研究方便，可根据展开示功图上压力变化的特征，

将汽油机的燃烧过程划分为三个阶段，如图1-15所示。

图1-15汽油机的燃烧过程Ⅰ—着火延迟期；Ⅱ—急燃期；Ⅲ—补燃期；θ—点火提前角1—开始点火；

2—形成火焰中心；

3—最高压力点

1.着火延迟期

着火延迟期是指从电火花点火开始到火焰中心形成的阶段。如图1-15中的Ⅰ线段所示，火花塞在1点跳火，火焰出现在2点稍前，气缸压力线在2点开始偏离压缩压力线。这一阶段约占整个燃烧时间的15%左右。着火延迟期内，混合气进行着火准备。汽油机在压缩过程中，是燃料与空气的无效混合气受到压缩，燃烧与空气中的氧已经开始进行化学反应，并且随着混合气的温度和压力的升高，反应逐渐加速。在火花塞跳火以后，电火花的高能量，使火花塞间隙处混合气的温度急剧升高，极大地加速了燃料的氧化反应，经过一段时间以后，形成了明显燃烧的火焰核心。在着火延迟期中，仅在混合气的局部有热量放出和积累(火花塞电极附近的较小范围内)，对整个气缸的压力影响很小。因此，气缸压力较压缩压力无明显变化。

2.急燃期急燃期是指从火焰中心形成开始到气缸内出现最高压力为止的阶段。如图1-15中的Ⅱ线段所示，在此期间，从稳定的火源向周围进行火焰传播，形成火焰前峰。在火焰前峰内，可燃混合气进行急剧的化学反应，温度迅速提高，可燃混合气迅速转变为燃烧产物。火焰前峰以某一火焰的传播速度在未燃混合气中推进。在火焰前峰通过以后，大部分的反应结束。在这个阶段，火焰烧遍整个燃烧室，故也称火焰传播时期。由于混合气的主要部分在急燃期内燃烧完毕，燃料热能的绝大部分在急燃期间放出，因此气缸的温度、压力迅速升高。急燃期是燃烧过程的主要阶段，其放热量和放热规律直接影响发动机的动力性、经济性和发动机工作的粗暴程度。

3.补燃期补燃期是指从最高压力出现到燃油基本上完全燃烧的阶段。如图1-15中的Ⅲ浅段所示，它从3点开始，终点很难判断。在此阶段，主要是少量未燃烧的燃油、不完全燃烧的中间产物，以及贴附在气缸壁面的混合气层继续燃烧放热。由于汽油机的燃烧温度很高，压力又较低，因此某些燃烧产物(如CO2、H2O)在第Ⅱ阶段因高温作用而离解产生H2、O2、CO，在膨胀行程温度下降以后又部分复合放出热量。由于补燃期混合气的燃烧速率下降和活塞向下止点加速移动，故气缸内压力从3点开始下降。补燃期是处在膨胀行程中，燃烧放热量得不到充分利用，因此为了提高发动机的热效率，补燃量应尽可能减少。

1.5.6不正常燃烧

1.爆震燃烧

1）现象与危害在汽油机的燃烧过程中，燃烧室内有明显的火焰前锋在推进。火焰前方的未燃混合气受到已燃混合气强烈的压缩和热辐射作用，其压力和温度都急剧增高。如果火焰前锋到达以前，未燃混合气已达到它的自燃温度而自行着火，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播，则这种现象称为爆燃。爆燃时，爆燃形成的火焰中心向外传播的速度达100～300m／s，使未燃混合气瞬间燃烧完毕，气体的容积来不及膨胀，局部温度和压力猛烈增加，和周围的气体压力不平衡而产生冲击波。这种冲击波以超音速传播，撞击燃烧室壁，发出频率达3000～5000Hz的尖锐的金属敲击声。

因而，汽油机的爆燃现象就是燃烧室内末端混合气的自燃现象。虽然爆燃时的最高压力很高，但它是以冲击波的形式出现的(是以均匀压力推动活塞)，像用榔头不断敲击活塞似的，不能使燃气对活塞作功更多。汽车在低速上坡时，允许有很轻微的短时间的爆燃。因为轻微的爆燃可以使燃烧过程缩短，有利于提高有效功率。但是不允许严重的爆燃，严重的爆燃会有下列危害：

(1)机件过载。强烈爆燃时的冲击波使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件过载，使机件变形，

甚至使机件损坏。

(2)机件烧损。爆燃时，汽油机燃烧终了的温度可达2000～2500℃，而活塞顶、燃烧室壁及气缸壁的温度仅为200～300℃。除了冷却水的作用外，能够维持这样低温度的原因是在这些壁面上形成了气体的附面层，它起了隔热的作用。强烈爆燃的冲击波会破坏这一附面层，使机件直接与高温燃气接触，而严重爆燃时局部燃气温度可达到4000℃以上，从而使活塞头部和气门等机件烧损。

(3)性能指标下降。严重爆燃时的局部高温，产生严重的热分解现象，燃烧产物分解为CO、H2、O2、NO及游离碳的现象增多。游离碳已不能再燃烧，形成排气冒烟。CO、H2、O2等在膨胀过程中重新燃烧，使补燃增加，排气温度增高，附面层被破坏，向缸壁散出的热量增加，发动机过热，有效功率降低，有效耗油率增加。严重爆燃时，即使机件没有损坏，其寿命也会降低。试验表明，严重爆燃时，气缸的磨损量比正常燃烧时的大27倍左右。

2)预防措施在发动机的设计和使用中，应采取各种措施来防止爆燃的产生。预防发动机产生爆燃的措施主要有：使用抗爆性强的汽油可以避免爆燃的产生，应根据发动机的压缩比选用相应牌号的汽油；也可以通过改变结构因素(如减小压缩比、采用双火花塞等)以及改变运行因素(如负荷、

转速等)措施。

2.表面点火不靠火花塞点火而由燃烧室内炽热物点燃混合气的燃烧现象，称为表面点火。它是由燃烧室内炽热物作为点火源而形成的新的着火现象，是一种不正常的燃烧现象。燃烧室内炽热物有过热的火花塞电极、热的排气门、热的燃烧表面沉积物等。由表面点火产生的新的火焰前锋以正常的速度传播。表面点火将导致燃烧过程的不稳定与工作过程的粗暴，使动力性、经济性都受到影响。避免表面点火的有效措施是采用低馏程的燃料与不易结焦的润滑油。

表面点火不同于爆燃，表面点火是由于燃烧室内的炽热点，点燃了混合气，而爆燃则是由于燃烧室内末端混合气的自燃产生的。爆燃与表面点火之间又存在相互影响，表面点火会促使爆燃的产生。

1.5.7使用因素对燃烧过程的影响

1.进气初始态p1,T1

降低进气初始态p1,T1，可以避免爆燃与表面点火的产生。从这一点来看，汽油机实现增压的难度比柴油机要大。

2.点火提前角点火提前角增大，缸内最高压力、温度增加，终燃混合气受到挤压和热辐射的影响增强，其自行着火所需的时间减少，这个作用比由缸内压力和温度的升高所引起的火焰速度的加快要明显，故爆燃倾向增加。因而，为避免爆燃的产生，往往减小点火提前角。

3.混合气浓度混合气浓度α=0.8～0.9时，火焰传播速度最大，但终燃混合气的着火延迟期最短。试验表明，此时着火延迟期变短起主要的作用，因而爆燃倾向最大，α减小(浓度增加)时，点火提前角应滞后。

4.转速发动机的转速增加时，火焰传播速度加快，从而燃烧速度加快，易产生爆燃的部位在自燃准备尚未完成时，火焰前锋已经到达，

爆燃趋势减弱。

5.负荷

发动机的负荷减小时,残余废气的稀释作用增大，火焰传播速度下降，燃烧的最高温度与压力下降，使爆燃的倾向减小。

6.燃烧沉积物的影响附于燃烧室壁面的沉积物相当于一个热源，可对终燃混合气起到加热的作用，因此可能会使爆燃和表面点火的倾向增大。

1.6柴油机可燃混合气的形成与燃烧

1.6.1柴油的主要性能与选用

1.性能柴油是在260～350℃的温度范围内，在石油中提炼出来的碳氢化合物。柴油的发火性、蒸发性、粘度和凝点对柴油机的正常工作有很大影响。

1）柴油的发火性柴油的发火性是指其自燃能力。柴油的发火性可用“十六烷值”来表示，十六烷值高的柴油，自燃温度低，发火性好，蒸发性差，凝点高。汽车柴油机所用柴油的十六烷值应不低于40～50，但过高的十六烷值对一般柴油机来说也不适宜。当十六烷值高于65时，柴油中R部分十六烷值燃烧时容易析出黑色固体的碳粒子，使燃烧不完全，排气管冒黑烟，柴油的消耗增加。

2）柴油的蒸发性柴油蒸发性的好坏对可燃混合气的形成有一定的影响，即影响着火落后期内的柴油蒸发数量及燃烧完全的程度。柴油的蒸发性常由蒸馏试验确定，就是将一定数量的柴油加热，分别测定蒸发出50%、90%、95%馏分时的温度，并分别定名为50%馏出的温度、90%馏出的温度和95%馏出的温度。馏出的温度越低，

柴油的蒸发性越好。

3）柴油的粘度柴油的粘度是表示其稀稠程度和流动难易程度的。若粘度过高，柴油滤清沉淀困难，流动阻力大，喷进燃烧室内的油粒直径较大，使喷雾射程远、锥角小，影响雾化和混合气的均匀性，燃料难以充分燃烧，从而使排气冒黑烟，油耗增加。若柴油粘度过小，会增加喷油泵和喷油器内精密配合件的磨损。柴油的粘度与温度有很大关系，温度越低，粘度越大。冬季柴油的粘度会增大，

在使用中应根据具体情况适当加以预热。

4）柴油的凝点与牌号柴油的凝点（凝固点）是指柴油冷却到开始失去流动性的温度。好的柴油应具有较低的凝点，凝点过高，对柴油机燃料系工作有不利的影响，特别是在低温下可能会造成中断供油，使柴油机无法工作。根据车用柴油标准GB/T19147—2003的规定，车用柴油按凝点分为七个牌号：

10号车用柴油——适用于有预热设备的柴油机；

5号车用柴油——适合于风险率为10%的最低气温在8℃以上的地区使用；

0号车用柴油——适合于风险率为10%的最低气温在4℃以上的地区使用；

-10号车用柴油——适合于风险率为10%的最低气温在-5℃以上的地区使用；

-20号车用柴油——适合于风险率为10%的最低气温在-14℃以上的地区使用；

-35号车用柴油——适合于风险率为10%的最低气温在-29℃以上的地区使用；

-50号车用柴油——适合于风险率为10%的最低气温在-44℃以上的地区使用。

2.车用柴油使用时的注意事项

使用柴油时，须防止错用汽油或混入汽油，以致引起柴油机起动困难。在严寒条件下，若用普通柴油不能起动，

则可用起动燃料帮助发动。

1.6.2柴油机混合气的形成过程柴油机采用高压喷射的方法，即在压缩行程接近终了时，借助喷油器将柴油喷入燃烧室，与气缸中高温、高压的空气混合形成可燃混合气。经过一系列的物理、化学准备后，着火燃烧；

随后，混合气的形成与燃烧便重叠进行，

即一边喷油、

混合，一边燃烧。

柴油机混合气的形成与汽油机相比有两个显著的特点：混合气形成在气缸内部；混合气形成时间较短。从喷油开始到喷油结束，约占15°～30°曲轴转角。当柴油机的转速为2000r／min时，15°的曲轴转角相当于(1／8000s)，在如此短的时间内，混合气的形成是极不充分的，也极不均匀。为了使喷入气缸中的柴油尽可能燃烧完全，在柴油机中常使用α>1的稀混合气。但α过大会影响柴油机的动力性，一般高速柴油机的α值为1.2～1.6，增压柴油机的α值为1.8～2.2。

柴油机混合气形成的理想过程应该是燃料喷入燃烧室后在尽可能短的时间内与周围空气均匀雾化、混合，形成可燃混合气；着火后继续喷入的燃料应及时得到足够的空气和混合能量，以便迅速混合，力求避免燃料直接进入高温缺氧区域，引起裂化。柴油机混合气的形成依靠两方面，即燃料喷雾和组织空气运动。空气运动可以促使柴油很快在整个燃料室空间均匀分布，加速了混合气的形成。柴油机可燃混合气的形成方式有两种：空间雾化混合和油膜蒸发混合。

1.6.3柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程，是从压缩行程上止点前喷油开始到作功行程燃烧终了为止的整个过程。它所占的时间很短（约为50°～70°曲轴转角，高速柴油机只有0.003～0.006s），整个过程非常复杂。

我们把它分为四个阶段（如图1-16所示）。

图1-16柴油机燃烧过程

1.着火延迟期（滞燃期）吸入气缸的空气压缩到A点时，开始喷油。这时缸内压缩空气的温度已高达723～1073K，远远超过柴油的自燃温度（573K）。但柴油并不立即着火，而是迟后一个着火落后角。因为喷入的柴油要经过喷射分布、受热蒸发、扩散与空气混合，并需氧化反应进行到一定程度，才能自燃着火，形成火源。形成的火源一般不止一个，且位置不固定。着火延迟期的长短受气缸内的温度与压力等因素的影响，是控制与改善整个燃烧过程的关键。受压缩的空气温度愈高，着火延迟期愈短。在发动机冷起动、冷却水控制的温度过低、气缸漏气等情况下，着火延迟期都会加长。发动机正常工作时，在着火延迟期内喷入的柴油量约占循环供油量的30%～40%。由于并未着火，故压力没有明显地偏离压缩线。

2.速燃期（急燃期）

从压力偏离压缩线的B点开始到最高压力点Ｃ为止，这一阶段称为速燃期，如图1-16中的Ⅱ线段所示。缸内的多个火焰中心一旦着火，着火延迟期中已喷入缸内的柴油几乎就会一齐燃烧，在很短的时间内，产生很高的压力，使缸内的压力升高率很大，而这个时间又很短，接近于等容燃烧。这个阶段的放热量为循环放热量的1/3左右，产生的最高压力达5.4～8.8MPa，最高压力约在压缩行程后6°～15°的曲轴转角处出现。

3.缓燃期从最高压力点C开始到气缸内工质温度达到最高温度点D为止，这一阶段称为缓燃期，如图1-16中的Ⅲ线段所示。这一阶段内有较多的柴油燃烧，同时气缸的容积在不断地增加，从而使气缸内温度继续增高，工质的压力几乎不变(稍有上升或稍有下降)，接近于等压燃烧。这个阶段结束时的放热量约占循环放热量的70％～80%，最高温度可达1970～2270K，最高温度点出现在上止点后20°～35°的曲轴转角处。

4.补燃期（后燃期）从出现最高温度点D开始到柴油基本烧完为止，这一阶段称为补燃期。如图1-16中的Ⅳ段所示，当放热量已达循环放热量的95％～97%时，即认为补燃期结束。柴油机中，柴油与空气形成混合气的时间很短，不容易充分蒸发和混合均匀，总有一些燃油不能及时燃烧，拖延到膨胀过程中继续进行，形成补燃。补燃的热量是活塞已远离上止点才放出的，作功的效果差，且使排气温度增高，耗油率加大。所以，使用中应着重从保证喷雾质量、保持压缩终了的温度和压力方面采取措施，来减少补燃。

1.7发

动

机

特

性

1.7.1速度特性发动机的节气门位置不变时，其性能指标随转速的变化而变化的关系，称为发动机的速度特性。发动机沿速度特性工作时，相当于驾驶员将加速踏