發(fā)動機(jī)原理教程

《發(fā)動機(jī)原理》長安大學(xué)汽車學(xué)院曹建明

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緒論

能量轉(zhuǎn)換：發(fā)動機(jī)－燃料的化學(xué)能熱能機(jī)械能

機(jī)械能、電能等－高級能源；熱能－低級能源

《發(fā)動機(jī)原理》課研究：熱能機(jī)械能（轉(zhuǎn)換效率：理論上小于100%）

機(jī)械能熱能（轉(zhuǎn)換效率：理論上可達(dá)100%）

發(fā)動機(jī)：內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)

車用發(fā)動機(jī)：間歇工作式發(fā)動機(jī)

四個沖程中只有一個沖程做功，做功不連續(xù)。

燃?xì)廨啓C(jī)：連續(xù)工作式發(fā)動機(jī)

一分類

（一）種類

1往復(fù)活塞式（普遍）

2轉(zhuǎn)子式－汪克爾式（TheWankelEngine）

早在19世紀(jì),就有人設(shè)想過,但泄漏問題是這種發(fā)動機(jī)發(fā)展的致命弱點(diǎn)。它結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，是高速車用發(fā)動機(jī)的發(fā)展方向之一。1956年德國工程師汪克爾制造出樣機(jī)。目前日本已用于小轎車上，時速200km/h左右。但光泄漏損失就要占30%以上。目前我國蘇杭等地已經(jīng)生產(chǎn)出了樣機(jī)。與往復(fù)式比較應(yīng)特別注意的一點(diǎn)是，往復(fù)式活塞在上下止點(diǎn)都稍有短暫的停留，與一般認(rèn)為的觀點(diǎn)相反，運(yùn)動方向的這些改變并不影響它的效率；也就是說，在這個過程中，并沒有什么固有的損失。旋轉(zhuǎn)式比往復(fù)式的優(yōu)越之處主要是幾何形狀上的緊湊性及由此而引起的一些優(yōu)越之處，并非直接在氣體動力學(xué)和熱力學(xué)方面有何優(yōu)越之處。

3擺動活塞式（RockingPistonengine）

1979年日內(nèi)瓦發(fā)動機(jī)展覽會上，展出了瑞士索羅圖恩的薩爾茨曼（W.Salemann）設(shè)計部門的擺動活塞式發(fā)動機(jī)。

4斯特林（TheStirlingEngine）

1816年由羅伯特·斯特林設(shè)想在氣缸外部燃燒的一種熱力發(fā)動機(jī)（外燃機(jī)），是現(xiàn)代發(fā)動機(jī)引人注目的一種。

5自由活塞式（FreePistonEngine）

只相當(dāng)于渦輪發(fā)動機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器。

（二）往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)的分類

我們這門課主要研究目前汽車上廣泛應(yīng)用的往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)。

1按用途分類

（1）灌溉（抽水）用點(diǎn)工況

（2）電站用n=const.線工況固定式柴油機(jī)或機(jī)組

（3）船舶用Ne=kn（螺旋槳曲線）線工況大型、低速柴油機(jī)

（4）汽車、拖拉機(jī)用變工況-面工況中小型、高速柴油機(jī)

（5）發(fā)動機(jī)車大型高速柴油機(jī)組

（6）工程機(jī)械（礦山機(jī)械、建筑、石油鉆探）多變型

（7）坦克V型、多缸機(jī)

（8）飛機(jī)星型（徑向式）已基本不用

2按燃油種類分類

汽油機(jī)，柴油機(jī)

3按點(diǎn)火方式分類

自行著火（壓燃式），外源點(diǎn)火（點(diǎn)燃式）

4按工作循環(huán)分類

四沖程，二沖程

5按冷卻方式分類

水冷，風(fēng)冷

6按汽缸排列分類

直列式，臥式，V型，星型（徑向式）

7按汽缸數(shù)目分類

單缸機(jī)，多缸機(jī)（2，3，4，5，6，8，10，12，14，16缸…）

8按轉(zhuǎn)速分類

（1）低速:n<500r/min

（2）中速:500r/min<n<1500r/min

（3）高速:n>1500r/min

但沒有明確的界限。

9按增壓分類

增壓，非增壓

10按能源分類（代用燃料）

壓縮天然氣，液化天然氣，液化石油氣，氫氣，

甲醇，乙醇，二甲醚，植物油，

電瓶，太陽能

二優(yōu)缺點(diǎn)

（一）優(yōu)點(diǎn)

1有效熱效率高

蒸汽機(jī)11～16%，蒸汽輪機(jī)30%，

汽油機(jī)30%，柴油機(jī)40%，增壓柴油機(jī)46%以上

2功率范圍廣

Ne=0.6～35000kw

3比重量小，升功率大（體積小、重量輕）

比重量:柴油機(jī)3.7kg/kw，車用汽油機(jī)1.37kg/kw

4起動性好

可很快達(dá)到全負(fù)荷

（二）缺點(diǎn)

1對燃料要求高

石油緊張，汽油、柴油價格高；要求一定的標(biāo)號。

2噪聲、排污

3結(jié)構(gòu)較復(fù)雜

三現(xiàn)代發(fā)動機(jī)的發(fā)展

60年代以前:動力性，可靠性，耐久性

70～80年代:經(jīng)濟(jì)性，動力性

90年代口號:清潔，經(jīng)濟(jì)，安全

1相關(guān)學(xué)科日益增多，學(xué)科之間相互滲透

2標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，通用化（三化）

3新材料，新工藝，新產(chǎn)品

4使用計算機(jī)設(shè)計、計算零部件及其配合，精密、準(zhǔn)確、優(yōu)化

5設(shè)計、零部件生產(chǎn)商分散集中分散

由分散的小公司到集中的大型脫拉斯，如今又分散到小公司，其主要原因是優(yōu)

化產(chǎn)品，節(jié)省開支，降低成本。甚至象豐田、寶馬這樣的超級企業(yè)有時也需合

作開發(fā)新產(chǎn)品。

6電控應(yīng)用日益增多，混合氣制備更加完善

7檢測設(shè)備與手段先進(jìn)

8低排放的代用燃料發(fā)動機(jī)正在普及，零排放的正在開發(fā)并進(jìn)入實用

四本課程的研究對象和任務(wù)

（一）對象

本課程以性能指標(biāo)作為研究對象

深入到工作過程的各個階段，分析影響性能指標(biāo)的各種因素，找出規(guī)律，研究提高性能指標(biāo)的措施與途徑。

（二）性能指標(biāo)

1動力性指標(biāo)（功率、扭矩、轉(zhuǎn)速）

2經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（燃料和潤滑油的消耗量及消耗率）

3運(yùn)轉(zhuǎn)性指標(biāo)（冷起動性、噪聲和排氣品質(zhì)）

衡量發(fā)動機(jī)的質(zhì)量，還要考慮可靠性，耐久性，加工容易，操縱維修方便，成本核算等，全面綜合評定。

（三）工作過程

發(fā)動機(jī)沖程（四個）:吸氣壓縮做功排氣

熱力過程（五個）:吸氣壓縮燃燒膨脹排氣

燃燒膨脹為能量轉(zhuǎn)換過程

（四）任務(wù)

研究熱力過程，熱力循環(huán)，整機(jī)性能

明確基本概念，基本技能。培養(yǎng)綜合分析問題的能力。

（五）單位制

我國的法定計量單位

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第一章發(fā)動機(jī)工作循環(huán)及性能指標(biāo)

§1-1發(fā)動機(jī)理想循環(huán)概述

一實際循環(huán)向理想循環(huán)的簡化

（一）實際循環(huán)（以車用柴油機(jī)為例）

1進(jìn)氣過程:0～1（p>pp<p）

2壓縮過程:1～2（p，T）

初期:工質(zhì)吸熱；后期:工質(zhì)放熱。

3燃燒過程:2～3～4（p，T）

4膨脹過程:4～5（p，T）

初期:工質(zhì)放熱；后期:工質(zhì)吸熱。

5排氣過程:5～0（p>p）

（二）實際循環(huán)的簡化

1忽略進(jìn)、排氣過程

2壓縮、膨脹過程（復(fù)雜的多變過程）簡化為絕熱過程

3燃燒過程簡化為定容加熱過程（2～3）和定壓加熱過程（3～4）

4排氣放熱簡化為定容放熱過程

5假定工質(zhì)為定比熱的理想氣體

二理想循環(huán)及其分析比較

（一）混合加熱循環(huán)

－車用柴油機(jī)的理想循環(huán)

1循環(huán)特征參數(shù)

（1）壓縮比

（2）壓力升高比

（3）預(yù)脹比

2熱效率

計算得:

3分析

（1）為定值

t；t。=1t=const.（汽油機(jī)，定容加熱循環(huán)）

（2）t；當(dāng)=20左右時，t不大

柴油機(jī)=12～22

（二）定容加熱循環(huán)（奧托Otto循環(huán)）

－汽油機(jī)的理想循環(huán)

1熱效率

因為:預(yù)脹比

所以:熱效率

2分析

=1t=const.

t；當(dāng)=10左右時，t不大

且汽油機(jī)容易爆燃，因此，汽油機(jī)=6～10

（三）定壓加熱循環(huán)（狄賽爾diesel循環(huán)）

－船舶用大型低速柴油機(jī)的理想循環(huán)

1熱效率

因為:壓力升高比

所以:熱效率

2分析

（1）為定值t

（2）為定值t

（四）三種理想循環(huán)熱效率的比較

1初態(tài)1相同，壓縮比相同，加熱量q1相同

2初態(tài)1相同，最高壓力、最高溫度相同，放熱量q2相同

§1-2發(fā)動機(jī)實際循環(huán)

發(fā)動機(jī)理想循環(huán)加上各項損失后，

即可分析發(fā)動機(jī)的實際循環(huán)。

一工質(zhì)改變損失

（一）工質(zhì)性質(zhì)

理論上:理想氣體，雙原子氣體。

實際上:燃燒前:燃料+空氣；

燃燒后:燃燒產(chǎn)物。

（二）比熱

理論上:定比熱

實際上:溫度T比熱C

（三）高溫分解

例C+OCO+熱量[+O]CO2+熱量

其中CO為中間產(chǎn)物，CO2為最終產(chǎn)物。若遇高溫，則會發(fā)生復(fù)分解反

應(yīng)，即高溫分解:

CO2CO+O-熱量

這部分熱量雖然在膨脹過程中還可能會釋放出來，但由于活塞已接近下止

點(diǎn)，做功效果變差，熱效率下降。

二傳熱、流動損失

（一）傳熱損失

理論上:壓縮、膨脹過程為絕熱過程。

實際上:大量熱量通過汽缸壁傳給冷卻水或空氣。

傳熱損失是發(fā)動機(jī)中的最大損失，占總損失量的30%以上。因此，許多研

究者致力于開發(fā)絕熱發(fā)動機(jī)。

（二）流動損失

理論上:閉口系統(tǒng)，沒有氣體流動損失。

實際上:進(jìn)、排氣節(jié)流沿程損失，缸內(nèi)進(jìn)氣、擠壓、燃燒渦流損失。

三換氣損失

理論上:忽略進(jìn)、排氣過程。

實際上:進(jìn)、排氣門提前開啟，遲后關(guān)閉。而且有流動阻力。

換氣損失中逆向循環(huán)所包圍的面積為泵氣損失。泵氣損失包含在換氣損失

之中。

四時間損失

理論上:定容加熱瞬間完成，定壓加熱速度與活塞運(yùn)行速度密切配合。

實際上:燃燒需要時間。

五補(bǔ)燃損失

理論上:加熱瞬間停止，膨脹過程無加熱。

實際上:雖然大部分（80%以上）燃料在燃燒過程中燃燒掉，但仍有小部分燃

料會拖到膨脹線上才燃燒，做功效果變差，熱效率下降。

六泄漏損失

理論上:閉口系統(tǒng)，無泄漏。

實際上:活塞氣環(huán)不會100%嚴(yán)密密封，總會有些氣體竄到曲軸箱中，造

成損失。

§1-3熱平衡

總熱量:QT=GThu分別轉(zhuǎn)化為

一有效功的熱量QE

[kJ/h]（1kw/h=kJ）

只有這部分熱量做了功，是有用的，所以希望越大越好。一般

柴油機(jī):30～40%；汽油機(jī):20～30%。

令

二傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量QS

其中Gs－發(fā)動機(jī)冷卻介質(zhì)的每小時流量[kg/h]

cs－冷卻介質(zhì)比熱[kJ/kg·℃]

t1，t2－冷卻介質(zhì)的進(jìn)、出口溫度[℃]

三廢氣帶走的熱量Qr

其中Gr－燃料量[kg/h]

Gk－空氣量[kg/h]

cpr－廢氣比熱[kJ/kg·℃]

cp－空氣比熱[kJ/kg·℃]

t1，t2－進(jìn)、排氣溫度[℃]

四燃料不完全燃燒的熱損失QB

其中r－燃料效率

五其它熱量損失QL

發(fā)動機(jī)熱平衡方程式:

§1-4指示指標(biāo)

p-V圖p-φ圖

發(fā)動機(jī)性能指標(biāo):指示指標(biāo)，有效指標(biāo)

指示指標(biāo):以工質(zhì)在汽缸內(nèi)對活塞做功為基礎(chǔ)，評價工作循環(huán)的質(zhì)量。

有效指標(biāo):以曲軸上得到的凈功率為基礎(chǔ)，評價整機(jī)性能。

示功圖:發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力p隨汽缸容積V（p-V圖）或曲軸轉(zhuǎn)角（p-圖）變化的圖示。

一指示功和平均指示壓力

（一）指示功

一個循環(huán)工質(zhì)對活塞所做的有用功。

應(yīng)該：非增壓：增壓：

因為:不容易測量,實際將歸到機(jī)械損失中考慮。

所以:

其中－橫、縱座標(biāo)比例尺

指示功大，說明○汽缸工作容積大○熱功轉(zhuǎn)換有效程度大。為突出后

者，比較不同大小發(fā)動機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換有效程度，引入平均有效壓力的概念。

（二）平均指示壓力

單位汽缸工作容積所做的指示功。

（假想?yún)?shù)）

其中－每缸工作容積。

686～981[kpa]

784～1180[kpa]

二指示功率

單位時間所做的指示功。

若:缸數(shù)i，每缸工作容積V[m]，沖程數(shù)，平均指示壓力p[p]，

轉(zhuǎn)速n[r/min]。則

[w]

[kw]

若:每缸工作容積V[L]，平均指示壓力p[bar]。則

[kw]

三指示比油耗和指示熱效率

（一）指示比油耗

單位指示功率的耗油量。

[g/kw·h]

－每小時耗油量[kg/h]

（二）指示熱效率

－做指示功所消耗的熱量。

－燃料的低熱值。

0.43～0.50=170～200[g/kw·h]

0.25～0.40=230～340[g/kw·h]

§1-5有效指標(biāo)

一有效功率和機(jī)械損失功率

（一）有效功率

單位時間所做的有效功。

[kw]

其中－平均有效壓力。

（二）機(jī)械損失功率

發(fā)動機(jī)內(nèi)部損耗的功率。

機(jī)械損失包括:發(fā)動機(jī)內(nèi)部摩擦損失；驅(qū)動附件損耗，如:機(jī)油泵、燃油泵、

掃氣泵、冷卻水泵、風(fēng)扇、配氣機(jī)構(gòu)；和泵氣損失等。

[kw]

其中－平均機(jī)械損失壓力。

二有效扭矩

功率輸出軸輸出的扭矩。

[w]

[kw]

[kw]

三平均有效壓力

單位汽缸工作容積所做的有效功。

由于[kw]

[kw]

所以

[kpa]

588～883[kpa]588～981[kpa]

四升功率和比重量

（一）升功率

單位汽缸工作容積所發(fā)出的功率。

[kw/l]

（二）比重量

發(fā)動機(jī)凈重量G與所發(fā)出有效功率的比值。

[kg/kw]

，發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度高。

11～26[kw/l]4～9[kg/kw]

9～15[kw/l]5.5～16[kg/kw]

22～55[kw/l]1.35～4[kg/kw]

可見，汽油機(jī)的強(qiáng)化程度要比柴油機(jī)的高。

五有效比油耗和有效熱效率

（一）有效比油耗

單位有效功率的耗油量。

[g/kw·h]

－每小時耗油量[kg/h]

（二）有效熱效率

－做有效功所消耗的熱量。

0.30～0.40=218～285[g/kw·h]

0.20～0.30=285～380[g/kw·h]

由此可見，柴油機(jī)的熱效率比汽油機(jī)的高，經(jīng)濟(jì)性比汽油機(jī)好。

§1-6機(jī)械損失

一機(jī)械效率

對于不同類型的發(fā)動機(jī)，絕對損失大的，其相對損失卻不一定也大。必須有

一個衡量標(biāo)準(zhǔn)，故引進(jìn)機(jī)械效率的概念。

有效功率與指示功率的比值。

性能好，所以應(yīng)盡量提高。

0.7～0.850.7～0.9

二機(jī)械損失的測定

（一）倒拖法－只能在電力測功機(jī)上試驗

在壓縮比不很高的汽油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)動機(jī)與電力測功機(jī)相連。起動發(fā)動機(jī)，冷卻水溫度、機(jī)油溫度達(dá)正常值。然后使發(fā)動機(jī)在給定工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。切斷發(fā)動機(jī)的供油（）。

將電力測功機(jī)轉(zhuǎn)換為電動機(jī)使用，在給定轉(zhuǎn)速下倒拖發(fā)動機(jī)，并維持冷卻水溫度和機(jī)油溫度不變。由于此時，因此從電力測功機(jī)上所測得的倒拖功率即為發(fā)動機(jī)在該工況下的機(jī)械損失功率。

（二）滅缸法－僅適用于多缸機(jī)

當(dāng)發(fā)動機(jī)調(diào)整到以給定工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，先測出整個發(fā)動機(jī)的有效功率。之后，在柴油機(jī)油門拉桿或齒條位置、或汽油機(jī)節(jié)氣門開度固定不動的情況下，停止向某一汽缸供油或點(diǎn)火。調(diào)整測功機(jī)，使發(fā)動機(jī)恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速，重新測定有效功率（其余五個汽缸的有效功率），必然小于（一缸熄火），兩者之差即為滅掉缸的指示功率。因為。逐次滅缸，則整臺發(fā)動機(jī)的指示功率為，其中x為總缸數(shù)。

如果各缸負(fù)荷均勻，則僅測一個缸，即滅火一次即可，。這樣，整個發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失功率為，機(jī)械效率為。

其它還有示功圖法，油耗線法等。

三影響機(jī)械效率的因素

轉(zhuǎn)速

其中－活塞平均運(yùn)行速度。

與幾乎呈直線關(guān)系。與n似呈二次方關(guān)系。

n□慣性力活塞對缸壁的側(cè)壓力軸承負(fù)荷

□各摩擦副相對速度摩擦損失

□泵氣損失，驅(qū)動附件損耗

若要提高轉(zhuǎn)速來強(qiáng)化發(fā)動機(jī)，則將成為主要障礙之一。

（二）負(fù)荷

發(fā)動機(jī)的負(fù)荷□柴油機(jī):油門拉桿或齒條位置

□汽油機(jī):節(jié)氣門開度

轉(zhuǎn)速n一定，負(fù)荷時，發(fā)動機(jī)燃燒劇烈程度，平均指示壓力；而由于轉(zhuǎn)速不變，平均機(jī)械損失壓力基本保持不變。則，機(jī)械效率下降。

當(dāng)發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，有效功率，指示功率全部用來克服機(jī)械損失功率。即，因此，。

由于車用柴油機(jī)普遍在高轉(zhuǎn)速、較低負(fù)荷下工作，機(jī)械效率下降嚴(yán)重。因此，機(jī)械效率對于車用柴油機(jī)尤為重要。

（三）潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度

潤滑油粘度影響潤滑效果

潤滑油溫度影響潤滑油粘度

冷卻水溫度影響潤滑油溫度

即冷卻水、潤滑油溫度通過潤滑油粘度間接影響潤滑效果。

1潤滑油粘度（牌號）；冷卻水溫度潤滑油溫度潤滑油粘度

潤滑效果摩擦

2潤滑油粘度（牌號）；冷卻水溫度潤滑油溫度潤滑油粘度

油膜破裂趨勢摩擦

3潤滑油中雜質(zhì)摩擦

要求:定期保養(yǎng)、清洗機(jī)油濾清器，5000～10000公里換機(jī)油。

§1-7燃燒熱化學(xué)

一燃料的完全燃燒

（一）理論空氣量

1目的:1kg燃料完全燃燒所需要的空氣量

2已知條件:1kg燃料中所含kg碳，kg氫氣，kg氧氣

汽油:[kg/kg]，[kg/kg]，[kg/kg]

柴油:[kg/kg]，[kgkg]，[kg/kg]

3化學(xué)反應(yīng)方程式

4需要總的量

1kmol1kmol1kmol1kmolkmol1kmol

1kgkmolkmol1kgkmolkmol

kgkmolkmolkgkmolkmol

5燃料中所含的量

[kg]=[kmol]

6所需空氣中的量=總的量－燃料中所含的量

7所需空氣量（目的）

（1）kmol

空氣中氧氣成分約占21%，所以

[kmol/kg]

（2）kg

空氣的折合分子量為28.95，即1kmol空氣=28.95kg空氣，所以

[kg/kg]

（3）

1kmol空氣=22.4空氣，所以

[/kg]

（二）過量空氣系數(shù)和空燃比

1過量空氣系數(shù)

表示混合氣的濃稀程度。大混合氣??；小混合氣濃

一般，柴油機(jī):>1；汽油機(jī):1。

2空燃比A/F

表示混合氣的濃稀程度。A/F大混合氣?。籄/F小混合氣濃

（三）分子變更系數(shù)

1理論分子變更系數(shù)

容積變化大膨脹做功好

（1）完全燃燒:

（2）不完全燃燒:

2實際分子變更系數(shù)

其中－1kg燃料燃燒后殘余廢氣的摩爾數(shù)。－殘余廢氣系數(shù)。

二燃料的不完全燃燒

（一）1－汽油機(jī)

1假設(shè)燃料中的C燃燒全部生成了和。其中是中間產(chǎn)物，即不完

全燃燒產(chǎn)物。是最終產(chǎn)物，即完全燃燒產(chǎn)物。

2化學(xué)反應(yīng)方程式

3需要總的量

kgkmolkmolkgkmolkmol

kgkmolkmol

kgkmolkmol

4燃料中所含的量

[kg]=[kmol]

5空氣中的量=總的量－燃料中所含的量

所以

6分析

（1）當(dāng)時，=1，

（2）

（3）使時

，C全部生成CO。此時的過量空氣系數(shù)稱為臨界值。記為。

所以

（4）

此時理論上，析出炭粒。

一般柴油機(jī)的0.6～0.72。

（二）>1－柴油機(jī)

混合氣混合不均勻，局部過濃或過稀，造成燃燒不完全。缸內(nèi)情況十分復(fù)雜。

三燃料和可燃混合氣的熱值

（一）燃料的熱值

1kg燃料完全燃燒所產(chǎn)生的熱量[kJ]。

加入水的汽化潛熱的熱值－高熱值

不加入水的汽化潛熱的熱值－低熱值

發(fā)動機(jī)缸內(nèi)高溫，水只能以氣態(tài)存在，故應(yīng)取不加入水的汽化潛熱的熱值，

即低熱值。

汽油:44100[kJ/kg]；柴油:42500[kJ/kg]

（二）可燃混合氣的熱值

[kJ/kmol]

§1-8發(fā)動機(jī)混合氣的著火和燃燒方式p

一混合氣的著火

（一）柴油機(jī)－低溫多級自燃

1階段－混合階段

在壓縮過程終了時，燃料噴入汽缸內(nèi)形成

可燃混合氣。燃料遇到溫度較高的空氣，開始

氧化，但速度緩慢，示功圖上的壓縮線沒有明

顯的變化?；旌想A段，為著火做準(zhǔn)備。

2階段－第一級反應(yīng)

燃燒的實質(zhì)是燃料的氧化反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)速

度很快時，火焰就會出現(xiàn)。經(jīng)過時間后，反

應(yīng)加劇，出現(xiàn)冷火焰，缸內(nèi)壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應(yīng)生成醛類、過氧化物和一氧化碳等中間產(chǎn)物。要求混合氣較濃，=0.4～0.5。

3階段－第二級反應(yīng)

溫度、壓力升高較大，產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)的活性中心，出現(xiàn)藍(lán)火焰。混合氣稀得多，略小于1。

4時間后－第三級反應(yīng)

活性中心劇增，化學(xué)反應(yīng)加速，熱積累劇烈，發(fā)生爆炸，出現(xiàn)熱火焰?；旌蠚飧?，1。

－著火延遲期

（二）汽油機(jī)－高溫單級點(diǎn)燃

1壓縮的是燃料與空氣的混合氣體,在此過程中,已經(jīng)進(jìn)行了一些化學(xué)反應(yīng)。

2火花點(diǎn)火,局部溫度高達(dá)20000℃以上,該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基,迅速反應(yīng)出現(xiàn)熱火焰,瞬間擴(kuò)大到整個燃燒室內(nèi)。所以,汽油機(jī)著火過程：

壓縮混合氣點(diǎn)火（經(jīng)短暫著火延遲期）熱火焰

三燃燒方式

（一）同時爆炸燃燒

取某一部分為系統(tǒng),著火前后整個系統(tǒng)各個部分的相完全均勻一致。即相只隨t（時間）座標(biāo)變化,而不隨x（位移）座標(biāo)變化,為單相系,均勻系。

柴油機(jī)上,由于混合氣分配不是十分均勻,總有某一部分混合氣最先著火（一般在噴油嘴附近）,取這一部分為系統(tǒng),則系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)的就是同時爆炸燃燒。

汽油機(jī)上,由于火焰有傳播速度（雖然很快,但相對同時爆炸燃燒卻很小）,傳播逐次進(jìn)行,故顯然不是同時爆炸燃燒。但火花塞間隙處的少量混合氣在電火花作用下,可實現(xiàn)同時爆炸燃燒，從而形成火焰中心。

（二）逐漸爆炸燃燒

汽油機(jī)－火焰?zhèn)鞑?。兩相系－混合氣相（未燃區(qū)），燃燒產(chǎn)物相（已燃區(qū)）。

加熱從火花塞開始，緊靠火花塞的那一部分混合氣首先被加熱,使氧化或活性中心增多,發(fā)生燃燒。燃燒又加熱下一層……,一層一層傳播。燃燒主要在火焰前鋒面內(nèi)進(jìn)行。火焰前鋒面前方的未燃區(qū)中是混合氣，火焰前鋒面后方的已燃區(qū)中為燃燒產(chǎn)物和一小部分在火焰前鋒面中沒有燃燒掉的燃料繼續(xù)燃燒。

（三）擴(kuò)散燃燒

柴油機(jī)的燃燒方式,三相－燃料相,空氣相,燃燒產(chǎn)物相。

柴油燃點(diǎn)比汽油低,但在日常生活中汽油卻比柴油易燃,原因就在于汽油的揮發(fā)性好,油與空氣形成混合氣較快,物理準(zhǔn)備過程已經(jīng)就緒,一點(diǎn)即燃。柴油機(jī)中燃燒的快慢卻主要取決于物理準(zhǔn)備過程進(jìn)行的快慢。油滴遇熱蒸發(fā)形成燃料蒸汽,然后才能燃燒,并非油滴與空氣接觸就可燃燒。為防止燃燒產(chǎn)物將油滴與空氣隔開,將組織空氣相對于油滴的氣流運(yùn)動,將燃燒產(chǎn)物拋在后面。

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第二章發(fā)動機(jī)的換氣過程

燃燒是做功之本。

燃燒需要空氣與燃料。重量比容積比

燃料11液態(tài)

空氣151000氣態(tài)

燃料受機(jī)械控制，容易加入。而汽缸容積就那么大，要想多加空氣就要困難得多。因此，對發(fā)動機(jī)換氣過程的研究就顯得尤為重要了。

§2-1四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程

一配氣定時

與工程熱力學(xué)中介紹的不同,進(jìn)排

氣門的開啟、關(guān)閉也需要時間,故

在下止點(diǎn)前排氣－排氣提前角40～80

在上止點(diǎn)后關(guān)閉－排氣遲閉角10～35

在上止點(diǎn)前吸氣－進(jìn)氣提前角0～40

在下止點(diǎn)后關(guān)閉－進(jìn)氣遲閉角40～80

進(jìn)氣提前角+排氣遲閉角－氣門疊開角

二換氣過程

（一）排氣過程

1自由排氣階段A

排開p>>p’p=p’

靠缸內(nèi)壓力將氣體擠出氣缸，其中

p－缸內(nèi)壓力,p’－排氣管內(nèi)壓力。

2強(qiáng)制排氣階段B

p=p’pp’

靠活塞上行將廢氣擠出氣缸。

3超臨界排氣C

排開p=1.9p’

在氣閥最小截面處,氣體流速等于該地音速m/s。其流量與壓差（p-p’）無關(guān),只決定于排氣閥開啟面積和氣體狀態(tài)。

4亞臨界排氣D

p=1.9p’排閉。

其流量取決于壓差（p-p’）。

（二）進(jìn)氣過程和氣門疊開角

由于節(jié)流作用,缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓；（）使新鮮介質(zhì)進(jìn)入缸內(nèi)。

氣閥疊開角：非增壓：20～60CA。

太大（引起）廢氣回流進(jìn)氣道。

太小掃氣作用不明顯。

增壓：110～140CA。

進(jìn)氣管p,掃氣明顯,氣閥疊開角可以增大很多。如6135

型高柴：非增壓：40,增壓：124。

掃氣的作用：

1清除廢氣,增加氣缸內(nèi)的新鮮充量。

2降低排氣溫度。

3降低熱負(fù)荷最嚴(yán)重處（如氣閥、活塞等）的溫度。

三換氣損失

理論循環(huán)換氣功與實際循環(huán)換氣功之差。

如圖：換氣損失功－X+（Y+W）,其中（W+Y）

為排氣損失功，X為進(jìn)氣損失功。

（一）排氣損失功Y

W是因排氣門提前開啟而損失的膨脹功,

稱為自由排氣損失。Y是活塞作用在廢氣上的推出功,稱為強(qiáng)制排氣損失功。

排氣提前角W，Y。

綜合效果,要求（Y+W）,故（W+Y）有一個最佳值（W+Y）min。對應(yīng)排氣提前角亦有一個最佳值,n（W+Y）min。

（二）進(jìn)氣損失功X

進(jìn)氣損失功小于排氣損失功，即X<Y

（三）泵氣損失功（X+Y-d）

在實際示功圖中,把（W+d）歸到指示功中考慮。而把泵氣損失功（X+Y-d）歸到機(jī)械損失中考慮。

§2-2四沖程發(fā)動機(jī)的充氣效率

一充氣效率

（一）定義

為比較不同大小、不同類型發(fā)動機(jī)的充氣品質(zhì)和換氣過程的完善程度,不受氣缸工作容積Vh的影響,引入充氣效率的概念。

由于有進(jìn)氣阻力等因素的影響,實際進(jìn)入氣缸中的新鮮充量必然小于理論上進(jìn)氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮充量。二者之比稱為充氣效率,即

其中：－實際充量的重量，質(zhì)量和體積；

－理論充量的重量，質(zhì)量和體積；

進(jìn)氣狀態(tài)：非增壓：空氣濾清器后進(jìn)氣管內(nèi)的氣體狀態(tài),通常取為當(dāng)?shù)氐拇髿?/p>

狀態(tài)。

增壓：增壓器出口狀態(tài)。

嚴(yán)格地說，充氣效率應(yīng)為

更合理。這樣，在后面將要講到的大氣修正中，不同的壓力和溫度下進(jìn)氣量的比值就等于其充氣效率之比。否則，按照前頭的定義式，大氣溫度越高，充氣效率反而會越高，講起來似乎無法接受。而且也不具備可比性。

（二）實際測量

其中：－實際測量[/h]

充氣效率是衡量換氣過程進(jìn)行得完善程度的重要指標(biāo)。

柴油機(jī)0.75～0.90

汽油機(jī)0.70～0.85

二充氣效率的分析式

充入汽缸的新鮮充量=缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量－缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量

（一）進(jìn)氣門關(guān)閉時缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量

其中－余隙容積；－進(jìn)氣門關(guān)閉時缸內(nèi)工作容積；

－進(jìn)氣終了缸內(nèi)氣體密度。

（二）排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量

其中－排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)容積；－排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)殘余廢氣密度。

（三）充入汽缸的新鮮充量

其中－大氣狀態(tài)下氣體密度。

（四）充氣效率的分析式

其中－壓縮比；－有效壓縮比；。

一般～。若假設(shè)，有

帶入理想氣體狀態(tài)方程式，得

其中－大氣壓力和溫度；－進(jìn)氣終了時缸內(nèi)的壓力和溫度；

－排氣終了時殘余廢氣的壓力和溫度。

；。

的分析式為定性分析的影響因素提供了依據(jù)。

§2-3影響充氣效率的各種因素

一進(jìn)氣終了壓力

（一）進(jìn)氣阻力

對的影響最大。進(jìn)氣系統(tǒng)的沿程阻力和局部阻力均會使增大。

（二）轉(zhuǎn)速

n

（三）負(fù)荷

汽油機(jī)：負(fù)荷節(jié)氣們開度（質(zhì)調(diào)節(jié)）

柴油機(jī)：負(fù)荷循環(huán)供油量（量調(diào)節(jié)）（與無關(guān)）

熱負(fù)荷（不大）

二進(jìn)氣終了溫度

（一）轉(zhuǎn)速

負(fù)荷一定：n

綜合、的影響，n。

（二）負(fù)荷

轉(zhuǎn)速一定：負(fù)荷熱負(fù)荷

柴油機(jī)：進(jìn)、排氣管分置。

避免排氣管對進(jìn)氣管加熱，使

汽油機(jī)：進(jìn)、排氣管同置。

雖然，但燃油受熱增發(fā)快，可以改善混合氣形成。

三排氣終了壓力

殘余廢氣量

排氣門處的阻力，所以

n（影響較小）

四排氣終了溫度

五壓縮比

公式僅為定性分析用的，是粗略的。還有許多因素未予考慮。如：壓力升高比，絕熱指數(shù)k，進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma，熱傳輸和過量空氣系數(shù)等。

§2-4提高充氣效率的措施

減小進(jìn)氣系統(tǒng)阻力。

沿程阻力，局部阻力（節(jié)流阻力）。

汽油機(jī)：空氣濾清器化油器進(jìn)氣管進(jìn)氣道進(jìn)氣門

柴油機(jī)：空氣濾清器進(jìn)氣管進(jìn)氣道進(jìn)氣門

一減小流動阻力

（一）進(jìn)氣門

1進(jìn)氣門直徑

一般:0.20～0.25

（影響大）

（影響小）

一般：>

2四氣門

流通面積40%左右。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高。

（可達(dá)30%），

3氣門升程h

h，時面值

4閥頂過渡圓角R

R

R流動阻力

R應(yīng)適中。

（二）進(jìn)氣管

1表面光潔度和流通面積

表面光潔度，流通面積沿程阻力

2轉(zhuǎn)彎和節(jié)流阻力

轉(zhuǎn)彎半徑R，截面突變

3截面形狀

考慮汽油機(jī)的霧化，蒸發(fā)，則

管壁面積沉積蒸發(fā)混合氣分配不均勻

截面形狀圓形矩形D形

流動阻力小大中

底部蒸發(fā)小中大

柴油機(jī)不存在底部蒸發(fā)問題，故多采用流動阻力小的圓形進(jìn)氣管。

（三）進(jìn)氣道

轉(zhuǎn)彎半徑R，表面光潔度，各管口與墊片孔口對中流動阻力

設(shè)計時還要考慮組織進(jìn)氣渦流。

（四）空氣濾清器

通道面積，除塵效果流動阻力

經(jīng)常清洗，更換紙芯。

（五）化油器

喉口截面積流動阻力，但霧化效果。

解決這對矛盾，采用雙喉口。小喉口：霧化；大喉口：進(jìn)氣。

二合理選擇配氣定時

（一）配氣定時的綜合評定

1良好的充氣效率以保證發(fā)動機(jī)的動力性能。

2合適的充氣效率以適應(yīng)發(fā)動機(jī)的扭矩特性。

3較小的換氣損失以適應(yīng)發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。

4必要的燃燒室掃氣以保證高溫零件的熱負(fù)荷得以適當(dāng)降低，達(dá)到可靠運(yùn)行。

5合適的排氣溫度。

調(diào)整：1，2－進(jìn)氣遲閉角；3－排氣提前角；4，5－氣門疊開角

（二）進(jìn)氣遲閉角

1轉(zhuǎn)速n一定時，總有一個進(jìn)氣遲閉角使得充氣效率為最大。

2n氣流慣性缸內(nèi)氣體易倒流進(jìn)氣管

n一部分氣體來不及進(jìn)入汽缸

3對應(yīng)的n

所以，高速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大，要獲得好的充氣效率和動力性，進(jìn)氣遲閉角應(yīng)大

一些。

4n

（三）排氣提前角

，其中－后期膨脹比。

考慮經(jīng)濟(jì)性，在排氣損失最小的前提下，盡量減小排氣提前角。

（四）氣門疊開角

缸內(nèi)氣體易倒流進(jìn)氣管；，

增壓發(fā)動機(jī)氣門疊開角應(yīng)大一些。

§2-5進(jìn)氣管內(nèi)的動態(tài)效應(yīng)

一現(xiàn)象

195柴油機(jī)：進(jìn)氣管長度L=300mmL=1140mm

氣體在進(jìn)排氣管中有壓力波動現(xiàn)象，有效組織、利用壓力波動，可以提高充

氣效率。

進(jìn)氣門開閉時：pa

排氣門開閉時：pr

動態(tài)效應(yīng)與進(jìn)排氣管的長度和直徑有關(guān)。

二波的動態(tài)機(jī)理

閉口端：進(jìn)：壓縮波反射:壓縮波－同型波

進(jìn)：膨脹波反射:膨脹波－同型波

開口端：進(jìn)：壓縮波反射:膨脹波－異型波

進(jìn)：膨脹波反射:壓縮波－異型波

三進(jìn)氣動態(tài)效應(yīng)

（一）慣性效應(yīng)

階段：進(jìn)氣門開進(jìn)氣門閉

膨脹波

壓縮波（進(jìn)氣門閉）

（二）波動效應(yīng)

階段：進(jìn)氣門閉下一循環(huán)進(jìn)氣門開

壓縮波

膨脹波

膨脹波

壓縮波（進(jìn)氣門開）

壓力波動是周期性的。

壓力波固有頻率：[1/s]其中a－進(jìn)氣管內(nèi)聲速。

發(fā)動機(jī)吸氣頻率：[1/s]

令：

當(dāng)q=1，2，3…時，進(jìn)氣門開，則pa。

當(dāng)q=…時，進(jìn)氣門開，則pa。

四結(jié)論

1慣性效應(yīng)（本循環(huán)），振幅大，衰減小。

波動效應(yīng)（兩循環(huán)），振幅小，衰減大。

2高速發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣管短；低速發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣管長。

3進(jìn)氣管直徑流動阻力壓力波強(qiáng)度

進(jìn)氣管直徑壓力波振幅壓力波強(qiáng)度

4多缸機(jī)上，進(jìn)氣管應(yīng)分支，且等長。

5避免急轉(zhuǎn)彎，則壓力波振幅不會衰減太大。

6排氣管需要膨脹波，則pr掃氣作用

§2-6單位時間充氣量與循環(huán)充氣量

單位時間充氣量G[kg/h]，

循環(huán)充氣量G[kg]，則

[kg/h]

nG，但npaG

G單位時間供油量g與功率有關(guān)。

G循環(huán)供油量g與扭矩有關(guān)。

圖中虛線為不考慮進(jìn)氣損失的G和G曲線；

實際的G和G曲線如圖中實線所示。

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第三章柴油機(jī)混合氣形成和燃燒

§3-1柴油機(jī)混合氣形成

一兩種基本形式

（一）空間霧化

將燃料噴在燃燒室空間使之成為霧狀，再利用空氣運(yùn)動達(dá)到充分混合。

特點(diǎn):

1對燃料噴霧要求高（采用多孔噴嘴）燃燒易于完全，經(jīng)濟(jì)性好。

2對空氣運(yùn)動要求不高后期燃料易被早期燃燒產(chǎn)物包圍，高溫裂解

排氣冒煙。

3但初期空間分布燃料多，燃燒迅速，工作粗暴。

（二）油膜蒸發(fā)（M過程）

空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式要求將燃料盡量噴在燃燒室空間，而油膜蒸發(fā)型混合氣蒸發(fā)方式則有意將燃料噴在燃燒室壁面上，使之成為薄薄的一層油膜附著在燃燒室壁面上，只有一小部分燃料分布在燃燒室空間。經(jīng)燃燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發(fā)，邊混合，邊燃燒。初期蒸發(fā)、燃燒慢，后期蒸發(fā)、燃燒迅速（先緩后急）。

特點(diǎn):

1對燃料噴霧要求不高（采用單、雙孔噴嘴），對空氣運(yùn)動要求高。

2放熱先緩后急，工作柔和，噪聲小，經(jīng)濟(jì)性較好。

3但低速性能不好，冷起動困難。對進(jìn)氣道、燃料供給系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)

之間的配合要求很高，制造工藝要求嚴(yán)格。

二燃料的噴霧

（一）噴霧的作用

只有當(dāng)燃料與空氣充分接觸，形成可燃混合氣時，才有可能燃燒。接觸面積越大，可燃混合氣越多，燃燒越完善。

1ml油滴:1個，d=9.7mm，S=245mm

霧化:個，d=40m，S=mm

面積增大5090倍，燃燒反應(yīng)機(jī)會大大增加。

（二）噴霧的形成

1油束

燃油噴射－高壓、高速。

一級霧化－汽缸中空氣的動力作用將油束撕

裂成片、帶、泡或大顆粒的油滴。

二級霧化－空氣動力作用將片、帶、泡或大

顆粒的油滴再粉碎成細(xì)小的油滴。

油束中央速度高，但濃度也高，油滴集中，

顆粒大。邊上油滴松散，顆粒小。但也有說法正

好相反，中央油滴速度高，顆粒小，邊上顆粒大。

2著火條件

濃度、溫度為著火的必要條件

中間油粒大,濃度偏高。

外側(cè)混合氣形成快，物理準(zhǔn)備快，但初期溫度不

高，化學(xué)準(zhǔn)備沒有跟上。等溫度適合于著火了，油粒

又過分發(fā)散，也不會著火。要控制好濃度與溫度的進(jìn)

程，使之正好配合，方可著火。

（三）噴霧特性

1油束射程L

并不一定越大越好，這要根據(jù)混合氣形成的機(jī)理與燃燒室形狀具體分析。

L燃料噴到壁面上多空間混合氣太稀。

L燃料集中混合氣分布不均勻，空氣利用。

2噴霧錐角

反映油束的緊密程度。

孔式噴嘴—油束松散，粒細(xì)。

軸針式噴嘴—油束緊密，粒粗。

3霧化質(zhì)量（霧化特性）

細(xì)微度—油滴平均直徑細(xì)：霧化好

均勻度—油滴最大直徑-油滴平均直徑勻：霧化好

粒細(xì)均勻度好，粒粗均勻度差。

（四）噴油規(guī)律

單位時間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的噴油量隨時間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律。

噴油規(guī)律影響放熱規(guī)律，放熱規(guī)律影響動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放。

1噴油延遲角

噴油提前角—開始噴油上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角。

’—上止點(diǎn)停止噴油的曲軸轉(zhuǎn)角。

噴油延遲角’—開始噴油停止噴油的曲軸轉(zhuǎn)角。

2噴油延遲角對性能的影響

’噴油持續(xù)時間長,工作柔和，但油耗增大,排放變差。

’噴油持續(xù)時間短,油耗下降,排放好，但工作粗暴。

3噴油延遲角的比較

a.’油耗,排放好，但工作粗暴。

b.先急后緩

工作粗暴。

’油耗,排放差。

c.先緩后急

工作柔和。

’油耗,排放好,盡量采用，但很難做到。

（五）噴油嘴

1孔式噴嘴

主要用于直噴式燃燒室中。

孔數(shù):1～5個，=0.25～0.8mm。

霧化好，但易阻塞?？讛?shù)越少，霧化越好，但也易阻塞。

2軸針式噴嘴

主要用于分隔式燃燒室中。

=1～3mm，通道間隙=0.025～0.05mm。

霧化差，但有自潔作用，不易阻塞。

三氣流運(yùn)動對混合氣形成的影響

（一）氣流運(yùn)動的作用

（二）氣流運(yùn)動

組織氣流運(yùn)動，加速混合氣形成。

1進(jìn)氣渦流

使進(jìn)氣氣流相對于汽缸中心產(chǎn)生一個力，形成渦流。

（1）切向氣道

特點(diǎn):氣道母線與汽缸相切。

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單，氣流阻力小

缺點(diǎn):渦流強(qiáng)度對進(jìn)氣口位置敏感。

（2）螺旋氣道

特點(diǎn):進(jìn)氣道呈螺旋型。

優(yōu)點(diǎn):能產(chǎn)生強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流。

缺點(diǎn):工藝要求高，制造、調(diào)試難度較高

2擠氣渦流

活塞上行:將活塞頂隙的氣體擠出流向燃燒室中，形成擠氣渦流。

活塞下行:燃燒室中的氣體流向活塞頂隙處，形成反渦流。

擠氣間隙擠氣渦流強(qiáng)度

擠氣面積擠氣渦流強(qiáng)度

擠氣渦流雖然不如進(jìn)氣渦流強(qiáng)，但它的形成正好處于壓縮沖程終了，此時進(jìn)氣渦流已經(jīng)衰減得很弱，所以擠氣渦流就顯得相當(dāng)重要了。

3燃燒渦流

燃燒在燃燒室中產(chǎn)生壓力差，形成燃燒渦流。

尤其是分隔式的渦流室型燃燒室，汽缸蓋內(nèi)的

副燃燒室中的燃料燃燒后，高壓混合氣流和火焰高

速噴向活塞頂部的主燃燒室中，由于主燃燒室的導(dǎo)

向作用，形成燃燒渦流，或稱二次渦流。

（三）熱混合作用

1剛性渦流

渦流中心質(zhì)點(diǎn)速度為零，越向邊緣速度越大。

2勢渦流

渦流中心質(zhì)點(diǎn)速度最大，壓力最小。越向邊緣速度越小，壓力越大，壁面處速度為零。

一般認(rèn)為渦流為勢渦流。

3熱混合作用（主要在渦流室型燃燒室的渦流室中產(chǎn)生）

渦流中的質(zhì)點(diǎn)受兩個力作用，離心力使質(zhì)點(diǎn)向外運(yùn)動，壓差力使質(zhì)點(diǎn)向中心運(yùn)動。

若’—質(zhì)點(diǎn)密度，—空氣密度。

當(dāng)’=時，—質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動。

當(dāng)’>時，—離心力為主，質(zhì)點(diǎn)呈螺旋形向外運(yùn)動。

當(dāng)’<時，—壓差力為主，質(zhì)點(diǎn)呈螺旋形向中心運(yùn)動。

液體油、燃油蒸汽:’>400，向外運(yùn)動。

燃燒產(chǎn)物:’<0.3，向中心運(yùn)動。

燃燒產(chǎn)物將新鮮空氣擠向外圍與燃油混合，并使混合氣與燃燒產(chǎn)物分開，火焰呈螺旋形向中心運(yùn)動，這就是熱混合作用。

§3-2柴油機(jī)的燃燒過程

一燃燒過程的特點(diǎn)和柴油機(jī)燃燒的主要研究方向

（一）燃燒過程的特點(diǎn)

1高壓噴油在汽缸內(nèi)部形成可燃混合氣。

2壓縮自燃。

（二）柴油機(jī)燃燒的主要研究方向

1噴油霧化

2噴油規(guī)律

3氣流運(yùn)動

4燃燒室結(jié)構(gòu)

配合要好。

二燃燒過程

p－示功圖曲線下的面積表示有用功的大小。

（一）著火延遲期或稱滯燃期1－2

（著火延遲角）

1—噴油嘴針閥打開向缸高壓噴油。

此時，缸內(nèi)溫度雖已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過柴油的自燃溫度（可達(dá)400～800℃），但

并不馬上著火。

燃燒需要:

物理準(zhǔn)備—霧化、吸熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散、混合

化學(xué)準(zhǔn)備—分解、氧化（焰前反應(yīng)）

2—缸內(nèi)壓力脫離壓縮線開始急驟增高。

一般:=0.0007～0.003[s]；對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為著火延遲角。

盡管著火延遲期很短，但卻對燃燒過程、尤其是柴油機(jī)的燃燒過程影響很大，因此十分重要。

（二）速燃期2－3

2點(diǎn)開始著火，壓力急驟增高，接近等容燃燒。持續(xù)噴油，即隨噴隨燃。

3—最高壓力點(diǎn)。。

為表示2－3階段壓力升高的急驟程度，引入概念

壓力升高率:[kpa/degCA]

，沖擊載荷，工作粗暴，柴油機(jī)壽命

，做功不利，柴油機(jī)性能

（三）緩燃期3－4

4—最高溫度點(diǎn)。1700～2000℃。放熱量達(dá)70～80%。

噴油在這一階段停止。

V，p，接近等壓燃燒。廢氣量，氧氣、燃油量燃燒。

（四）補(bǔ)燃期4－5

5—放熱量達(dá)95～97%。

補(bǔ)燃期在膨脹過程中。

補(bǔ)燃期，，動力性，冷卻水溫度，排氣溫度，排放差。

所以，應(yīng)盡量減少補(bǔ)燃。柴油機(jī)由于隨噴隨燃，混合時間短，補(bǔ)燃要比汽油機(jī)嚴(yán)重。

三影響著火延遲期的因素

（一）壓縮溫度和壓力—直接影響因素

，

ln

（二）壓縮比

，

（三）噴油提前角—影響最大的因素

雖然噴油時的壓力較高，但著火時刻推遲，使燃燒

，

，

所以，有一個使為最小的。

高速時:10～15[degCA]

低速時:5～10[degCA]

一般:=5～10[degCA]

（四）轉(zhuǎn)速n

n漏氣、散熱損失，；

噴油壓力霧化；氣流運(yùn)動蒸發(fā)

混合氣形成好轉(zhuǎn)。

但n著火延遲角

（五）十六烷值

十六烷值柴油的自然性

缸內(nèi)p，T大時，影響不大；

缸內(nèi)p，T小時。

（六）增壓

增壓，

四著火延遲期對柴油機(jī)性能的影響

期間噴入缸內(nèi)的燃料量著火前可燃混合氣量

，。

，沖擊載荷，工作粗暴，柴油機(jī)壽命。

混合氣形成欠佳柴油機(jī)性能

五放熱規(guī)律

燃燒放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系。

由噴油規(guī)律和實測示功圖，經(jīng)計算機(jī)計算而得。

（一）放熱規(guī)律

階段—在速燃期內(nèi)，約占3degCA。。

階段—放熱量約80%，約占40degCA。。

階段—在膨脹過程內(nèi)，放熱量約20%。

（二）燃燒過程三要素

1放熱開始時刻

2放熱規(guī)律

3放熱持續(xù)時間

（三）希望—先緩后急

工作柔和，經(jīng)濟(jì)性、動力性好，排放少，補(bǔ)燃少。上止點(diǎn)

§3-3柴油機(jī)供油系統(tǒng)的工作特性及其對燃燒過程的影響

一燃油噴射

（一）供油系統(tǒng)的組成

油箱輸油泵濾油器低壓油管

噴油泵高壓油管噴油器（噴油嘴）

（二）噴油過程

普遍采用柱塞式噴油泵。

柱塞上行，使噴油泵內(nèi)壓力升高，當(dāng)壓力升高

到一定值時，克服噴油泵上方出油閥彈簧預(yù)緊力和

高壓油管內(nèi)的殘余油壓，頂開出油閥，通過高壓油

管向噴油器供油。

上行2點(diǎn)過了4點(diǎn)之后，打開回油口，使泵內(nèi)

油壓下降。當(dāng)泵內(nèi)油壓小于出油閥彈簧預(yù)緊力和高

壓油管內(nèi)的殘余油壓力時，出油閥落座，噴油停止。

下行2點(diǎn)過了4點(diǎn)之后，回油停止，重新進(jìn)油。

（三）噴油延遲時間

從噴油泵內(nèi)燃油頂開出油閥進(jìn)入高壓油管至油壓壓開噴油嘴針閥的時間。

原因—高壓油管中燃油壓縮+節(jié)流作用

（四）幾何供油規(guī)律

從幾何關(guān)系求出的油泵凸輪每轉(zhuǎn)一度（或每秒）噴油泵供入高壓油管的燃油量[ml/degPA或ml/s]隨曲軸轉(zhuǎn)角（或時間t）的變化關(guān)系。

[ml/s]

[ml/degPA]

其中—柱塞面積[mm]；

—柱塞速度[ml/degPA]。

幾何供油規(guī)律與噴油規(guī)律不同。

二噴油泵速度特性及其校正

（一）節(jié)流作用

1理論上（不存在節(jié)流）

上行—當(dāng)3點(diǎn)與5點(diǎn)重合時，才開始供油。

當(dāng)2點(diǎn)與4點(diǎn)重合時，既開始回油，停止供油。

2實際上（存在節(jié)流）

上行—當(dāng)3點(diǎn)不到5點(diǎn)時，由于通道小，節(jié)流，已經(jīng)開始供油。

關(guān)閉進(jìn)油口時—供油提前。

當(dāng)2點(diǎn)過了4點(diǎn)以后，通道小，節(jié)流，才開始回油，停止供油。

開啟回油口時—供油持續(xù)。

所以，實際供油比理論供油時間長，供油量大。

（二）噴油泵速度特性

每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速n的變化關(guān)系。

n節(jié)流作用循環(huán)供油時間

循環(huán)供油量g

（三）車用的適應(yīng)性

車用—希望ngMe

（例如:低速大負(fù)荷工況）

噴油泵速度特性—ngMe

因此，噴油泵速度特性不適合于車用，必須進(jìn)行校正。

（四）校正

1出油閥校正

可變減壓容積和可變減壓作用。

n節(jié)流作用gMe

可使循環(huán)供油量曲線變得較平坦，但若要適合于車用，還需進(jìn)行調(diào)速器

校正。

2調(diào)速器校正

ngMe

在第六章發(fā)動機(jī)特性中介紹。

三不正常噴射現(xiàn)象

（一）二次噴射

高壓油管內(nèi)壓力波引起。

噴射時間霧化不良，燃燒不完全，補(bǔ)燃嚴(yán)重，排污，炭煙，零件過熱。

（二）斷續(xù)噴射

進(jìn)入噴油嘴燃油量不穩(wěn)定，壓力波動引起。

噴油時間正常，但針閥運(yùn)動次數(shù)，噴油嘴易磨損。

（三）隔次噴射

低速、尤其是怠速時，油壓不足，壓不開針閥。下一循環(huán)時油壓聚足，壓開針閥噴射。

怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。

§3-4柴油機(jī)的燃燒室

一燃燒室的分類

（一）直噴式

1開式—中、大型，中、低速船舶、發(fā)電用柴油機(jī)

不組織進(jìn)氣渦流，空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式。

2半開式—中、小型，中、高速車用柴油機(jī)

（1）型

（2）球型

（3）復(fù)合式（U型）

（二）分隔式

1渦流室型—小型高速車用柴油機(jī)

2預(yù)燃室型—小、中、大型，中、高速車用柴油機(jī)

二直噴半開式燃燒室

（一）型

1應(yīng)用:黃河JN151，6135Q柴油機(jī)；日野ED100，6128柴油機(jī)等。

2混合氣形成方式:空間霧化。

3主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）0.4～0.6

其中—燃燒室喉口直徑；D—汽缸直徑。

，油束射程燃油噴在燃燒室局部空間，空氣利用率。

，油束射程，氣流運(yùn)動燃油噴在燃燒室壁面上，霧化差。

（2）0.75～0.85

其中—燃燒室容積；—活塞位于上止點(diǎn)時的壓縮容積。

空氣利用率，散熱面積燃燒好。

所以，希望盡可能大。

4主要特點(diǎn)

（1）長型多孔（3～5個）噴嘴，孔徑d=0.25～0.4[mm]。

針閥開啟壓力19.6[Mpa]，噴霧夾角140～160。

（2）工作粗暴。

（3）>1.3，大空氣利用率

空氣停留時間

（4）結(jié)構(gòu)簡單，散熱面積，冷起動性好，經(jīng)濟(jì)性好。

（二）的改進(jìn)型

1四角型

日本五十鈴公司研制。

主要特點(diǎn):

（1）四孔噴油嘴，燃油在四角之前噴射。

（2）油束沿氣流方向下游燃料分布多，

上游燃料分布少，使整個燃燒室內(nèi)

霧化均勻。

2擠流口型

英國潑金斯公司研制。

主要特點(diǎn):

擠氣面積擠流強(qiáng)度

（三）球型

1應(yīng)用:黃河JN150，6120Q-1型柴油機(jī)等。

2混合氣形成方式:油膜蒸發(fā)（M過程）

3主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

，對球型燃燒室的影響可參閱型燃燒室。

4主要特點(diǎn)

（1）螺旋進(jìn)氣道，進(jìn)氣渦流強(qiáng)。

（2）采用單孔噴嘴=0.5～0.7mm，或雙孔噴嘴=0.3～0.4mm。

噴嘴與汽缸蓋平面成70夾角，沿順氣流方向噴射。

（3）由于油膜的隔熱作用，缸壁溫度合適，200～350℃。

（4）值較小，=1.1左右，空氣利用率。

（5），，工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小。經(jīng)濟(jì)性、動力性較好。

（6）冷起動性和低速性差，排污嚴(yán)重。

（7）限制缸徑D不可太大，一般在140mm之內(nèi)。

Dg油膜厚度蒸發(fā)不完全，燃燒惡化。

（四）復(fù)合式（U型）

天津大學(xué)史紹熙研制。

1應(yīng)用:新105系列，延安6130柴油機(jī)等。

2混合氣形成方式:空間霧化+油膜蒸發(fā)

3主要結(jié)構(gòu)參數(shù):參閱型燃燒室。

4主要特點(diǎn)

（1）噴油基本垂直于氣流方向（順7）霧化好。

（2）采用螺旋進(jìn)氣道，軸針式噴油嘴。

（3）低速時，氣流弱—空間分布燃料多改善了冷起動性和低速性。

高速時，氣流強(qiáng)—壁面分布燃料多，，工作柔和、平穩(wěn)，

噪聲小。

氣流運(yùn)動起重要作用。

（4）高速性能較差，對增壓適應(yīng)性差。

（5）喉口熱負(fù)荷高。對進(jìn)氣道、擠氣間隙敏感。

三分隔式燃燒室

主要用于高速柴油機(jī)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

整個燃燒室分隔成兩個空間，

主燃燒室設(shè)于活塞頂部，副燃燒室

位于汽缸蓋內(nèi)，中間用通道連接。

（一）渦流室型

1應(yīng)用:BJ130，495Q型柴油機(jī)等。

2混合氣形成方式:熱混合

3主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

50～80%

1～3.5%

通道與渦流室相切，產(chǎn)生壓縮渦流。噴油器安裝在渦流室中，順氣流方向噴射。

4工作原理

壓縮過程—活塞壓迫空氣經(jīng)過通道流入渦流室，在渦流室中形成強(qiáng)烈的、有

組織的壓縮渦流，渦流流速隨轉(zhuǎn)速的提高而增高。

燃燒過程—渦流室中噴油后，由于離心力作用，燃油被帶到燃燒室外圍，部

分燃油附著在壁面上，在通道口附近首先著火。在強(qiáng)烈的渦流作

用下，燃燒產(chǎn)物（密度小于空氣）被卷向渦流室中央，將新

鮮空氣擠向渦流室外圍，形成良好的熱混合。渦流室中混合氣著

火后，渦流室中的壓力、溫度迅速升高，燃油、空氣、混合氣和

火焰一起經(jīng)過通道高速噴向主燃燒室，壁面附近的濃混合氣首先

從渦流室中噴出。

在活塞頂部開有淺的導(dǎo)流槽，形成強(qiáng)烈的燃燒渦流，即二次渦

流，加速混合氣的形成與燃燒。

5主要特點(diǎn)

（1）采用軸針式噴嘴=1mm，針閥開啟壓力9.8～12[Mpa]。

（2）渦流強(qiáng)空氣利用率（=1.1～1.3）。

（3）n渦流強(qiáng)度高速性

（4）壓縮渦流、燃燒渦流使后期放熱大工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小。

（5）相對散熱面積，節(jié)流損失經(jīng)濟(jì)性，冷起動性。

（二）預(yù)燃室型

1應(yīng)用:195-2型柴油機(jī)等。

2主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

20～40%

0.25～0.7%

通道個數(shù)多，截面積小，產(chǎn)生壓縮紊流。噴油器安裝在預(yù)流室中，燃油逆進(jìn)入預(yù)流室的氣流方向噴射。

3工作原理

壓縮過程—活塞壓迫空氣經(jīng)過通道流入預(yù)燃室，在預(yù)燃室中形成強(qiáng)烈的壓縮

紊流，轉(zhuǎn)速越高，紊流越強(qiáng)。

燃燒過程—壓縮紊流將一部分小顆粒的燃油吹向預(yù)燃室上部，并在那里首先

著火。混合氣著火后，預(yù)燃室中的壓力、溫度迅速升高。下部已

預(yù)熱的燃油、空氣、混合氣和火焰一起經(jīng)過通道高速噴向主燃燒

室。

在主燃燒室中形成強(qiáng)烈的燃燒紊流，加速燃油的霧化和混合氣的

形成與燃燒。

低速時經(jīng)通道進(jìn)入預(yù)燃室的氣流不足以將燃油吹起，一部分燃油

穿透氣流噴向主燃燒室，使主燃燒室中初期燃燒的油量增多，壓

力升高率增大，工作粗暴，噪聲增大。

4主要特點(diǎn)

（1）采用軸針式噴嘴，針閥開啟壓力7.8～12.8[Mpa]。

（2）紊流強(qiáng)混合氣形成改善。

（3）節(jié)流作用大高速時，工作更加柔和、平穩(wěn)，噪聲更小。

（4）低速性時易工作粗暴，噪聲大。

（5）相對散熱面積，節(jié)流損失經(jīng)濟(jì)性。

第四章汽油機(jī)混合氣形成和燃燒

汽油機(jī)與柴油機(jī)相比主要有如下特點(diǎn):

汽油機(jī)柴油機(jī)

1點(diǎn)燃式。壓燃式。

2影響小。影響大。

3進(jìn)入汽缸的是混合氣，混合時間長。進(jìn)入汽缸的是新鮮空氣，混合時間短。

4高，熱負(fù)荷大。高，機(jī)械負(fù)荷大。

5壓縮比低，=6～10。壓縮比高，=12～22。

6有爆燃問題。有工作粗暴問題。

7組織氣流運(yùn)動的目的是為了組織氣流運(yùn)動的目的是為了

加速火焰?zhèn)鞑?，防止爆燃。促進(jìn)燃油與空氣更好地混合。

§4-1汽油機(jī)混合氣形成

一、混合氣形成過程

1喉口流速P霧化效果

2節(jié)氣門開度喉口真空度,進(jìn)氣管真空度

從到

3.節(jié)氣門開度一定,n,

4.節(jié)氣門開度，n蒸發(fā)性

進(jìn)氣溫度蒸發(fā)性

二、理想化油器特性與供油系校正

（一）理想化油器特性

各種工況下滿足最佳性能要求的理想混合比—試驗結(jié)果。

1影響因素

（1）轉(zhuǎn)速n—影響較小。

（2）負(fù)荷—影響大。

2空燃比

經(jīng)濟(jì)混合氣A/F=17

功率混合氣A/F=12～14

怠速混合氣A/F=10～12.4

（1）常用工況—中等負(fù)荷要求提供經(jīng)濟(jì)混合氣。

（2）負(fù)荷>90%以及怠速,低速下—加濃。

（二）簡單化油器特性

單純依靠喉口真空度決定供