發(fā)動機原理課件

汽車發(fā)動機原理第一章工程熱力學基礎本章要求：了解：熱力系統(tǒng)、工質、功、熱量、內能和熵等概念，理想氣體和卡諾循環(huán)等。理解：熱力學第一和第二定律，Ｐ－Ｖ圖和Ｐ－Ｓ圖，理想氣體的熱力過程和發(fā)動機的理想循環(huán)。

第一節(jié)氣體的狀態(tài)及狀態(tài)方程一、熱力系統(tǒng)1、在熱力學中，從若干個物體中規(guī)劃出所要研究的對象，稱為熱力系統(tǒng)；熱力系外界界面2、工質：在熱力設備中用來實現(xiàn)熱能與其它形式的能量交換的物質?！鶡崃υO備通過工質狀態(tài)的變化實現(xiàn)與外界的能量交換。研究對象以外的一切物質，稱為外界；熱力系統(tǒng)和外界的分界面，稱為界面。二、熱力狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)1、熱力狀態(tài)：熱力系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。熱力平衡狀態(tài)：當外界條件不變系統(tǒng)內狀態(tài)長時間不變，即具有均勻一致的P、V、T。2、狀態(tài)參數(shù)：用來描述氣體熱力狀態(tài)的物理量基本狀態(tài)參數(shù)：可直接測量的狀態(tài)參數(shù)，包括：壓力(P)、比容(ν)、溫度(T)。主要狀態(tài)參數(shù)：壓力P、比容ν、溫度T、內能Ｕ、熵Ｓ、焓Ｈ?；緺顟B(tài)參數(shù)：1、比容：用ν表示，單位是m3/kg

。定義：單位質量的物質所占的容積。即：

ν=V/M

V--物質的容積,[m3];M--物質的質量，[kg]。比容的倒數(shù)是？2、壓力：用P表示，單位是Pa，Mpa、kPa。定義：系統(tǒng)單位面積上受到的垂直作用力。即：P=F/A壓力的測量3、溫度：用T表示，單位是K。定義：表征物體的冷熱程度（Ｔ↑氣體分子的平均動能越大）三、理想氣體的狀態(tài)方程

1、理想氣體：氣體分子本身不占有體積，分子之間無相互作用力的氣體。

2、理想氣體的狀態(tài)方程：

Pν=RTPV=mRTV=mν

對空氣，R=0.287kJ/kg·K3、壓容圖

氣體的狀態(tài)也可用P-V圖上的一個點表示，比較直觀。第二節(jié)熱力過程及過程量功：δW=Fdx=APdx=PdV

W12=∫12PdV對單位質量的工質：w12=W/m=∫12PdV/m=∫12Pdν※故P-V圖上,W12為過程線與橫軸圍成的面積。

一、熱力過程

熱力系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)到另一個平衡狀態(tài)的變化歷程。

P-V圖上,一個點表示氣體的一個熱力狀態(tài);一條曲線表示一個熱力過程。二、膨脹功Ｗ（Ｊ）氣體在熱力過程中由于體積發(fā)生變化所做的功（又稱為容積功）規(guī)定：熱力系統(tǒng)對外界做功為正，外界對熱力系統(tǒng)做功為負。由δW=PdV得：

dV>0，膨脹,δW>0，系統(tǒng)對外界做功；

dV<0，壓縮,δW<0，外界對系統(tǒng)做功；

dV=0，δW=0，系統(tǒng)與外界之間無功量傳遞。膨脹,W>0壓縮,W<0三、熱量是系統(tǒng)與外界之間依靠溫差來傳遞的能量形式，用Q表示

q=Q/mJ/kg規(guī)定：傳入熱力系統(tǒng)的熱量為正值，即吸熱為正；傳出熱力系統(tǒng)的熱量為負值，即放熱為負。※熱量與功一樣，是系統(tǒng)在熱力過程中與外界傳遞的能量形式，因此是過程量，不是狀態(tài)參數(shù)。四.熵和溫熵圖熵S的增量等于系統(tǒng)在過程中交換熱量除以傳熱時絕對溫度所得的商ds=δq/T1Kg工質的熵的單位J/kgKmKg工質熵的單位Ｊ/K※比容ν的變化量標志著有無做功，熵s的變化量標志著有無傳熱。熵s是一個狀態(tài)參數(shù)ds>0,Q>0,吸熱;ds<0,Q<0,放熱;ds=0,無熱量交換.吸熱,Q>0放熱Q<0第三節(jié)熱力學第一定律一、熱力學第一定律表述為：當熱能與其它形式的能量相互轉換時，能的總量保持不變。對于一個熱力系統(tǒng)：

進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)內部儲存能量的變化量※熱力學第一定律是能量轉換與守恒定律在熱力學上的具體應用，它闡明了熱能和其它形式的能量在轉換過程中的守恒關系。它表達工質在受熱作功過程中，熱量、作功和內能三者之間的平衡關系。二、內能-工質內部所具有的各種能量總稱宏觀能量包括：微觀能量即系統(tǒng)的內能，包括：宏觀能量微觀能量內動能內位能內位能與分子間的距離、吸引力有關,是比容的函數(shù)；內動能包括移動動能、轉動動能和振動動能，是溫度的單值函數(shù)?！飳τ诶硐霘怏w，不考慮分子間的位能，故內能只是分子的內動能，僅與溫度有關，是溫度的單值函數(shù)，用符號u表示，單位J。系統(tǒng)本身所具有的能量包括：動能位能機械能三、閉口系統(tǒng)的能量方程1、定義:

與外界沒有質量交換的系統(tǒng)。

2、能量方程式

Q-W=ΔU故Q=ΔU+W對于微元過程：δQ=dU+δW對于1kg工質：q=Δu+w

（Ｊ/Kg)—閉口系統(tǒng)能量方程★以上各項均為代數(shù)值，可正可負或零，且不受過程的性質和工質性質的限制。

四、理想氣體的比熱1、比熱的定義和單位熱容量：向熱力系統(tǒng)加熱（或取熱）使之溫度升高（或降低）1K所需的熱量,用C表示。比熱：單位質量工質的熱容量，用c表示。即c=C/m單位J/(kgK）或c=dq/dT（單位質量的物質作單位溫度變化時吸放的熱量）

2、比熱與過程的關系功量和熱量都是過程量，故比熱與過程有關。熱力過程中最常見的加熱過程是保持壓力不變和容積不變，因此比熱也相應的分為定壓質量比熱和定容質量比熱，分別以符號cP

和cν

表示。絕熱指數(shù)：K=cP/cν

3、比熱與氣體性質、溫度的關系

實驗證明，多數(shù)氣體的比熱隨溫度的升高而增大，但為使計算簡便，不考慮比熱隨溫度的變化，即采用定值比熱（或定比熱）。

五、理想氣體內能的計算

在保持系統(tǒng)容積不變的加熱過程中，加熱量為：

qν=cν(T2-T1)

由熱力學第一定律

q=w+Δu推出：Δu=cv(T2-T1)★內能是一狀態(tài)量，與熱力過程無關，且理想氣體的內能只是溫度的函數(shù)，故上述公式適用于任何熱力過程。且w=0，第四節(jié)理想氣體的熱力過程要求掌握：

1、過程的定義；

2、過程方程式；

3、過程中各基本參數(shù)之間的關系；

4、過程量的計算；

5、過程曲線，重點掌握P-V曲線，對T-S

曲線作一般了解；

6、多變過程的概念。工程熱力學把熱機循環(huán)概括為工質的熱力循環(huán)，熱力循環(huán)分成幾個典型的熱力過程—定容、定壓、定溫和絕熱—稱為基本熱力過程。一、定容過程1、定義：過程進行中系統(tǒng)的容積（比容）保持不變的過程。2、過程方程式：ν=常數(shù)3、參數(shù)間的關系：P1/P2=T1/T2,

P1/T1=P2/T24、過程量的計算：由W12=∫12PdV，且dV=0

→

w=0→q=Δu即：加入工質的熱量全部轉變?yōu)楣べ|的內能。又q=Δu+w，

q=qν=Δu

=cν(T2-T1)由PV=RT

知，P/T=常數(shù)，所以：5、過程曲線等容加熱溫度升高等容放熱溫度降低２’２二、定壓過程

1、定義：過程進行中系統(tǒng)的壓力保持不變。

2、過程方程式：P=常數(shù)3、參數(shù)間的關系：由ν/T=常數(shù)

ν1/T1=ν2/T2ν1/ν2=T1/T24、過程量的計算：

qp=cp(T2-T1)w=∫12Pdν=P(ν2-ν1)又

Δu

=cν(T2-T1)

由熱力學第一定律：

qp=Δu+pdv=Δu+d（pv）=Δu+d（RT)=Δu+RdT

cp(T2-T1)=cν(T2-T1)+R(T2-T1)得:cp=cν+R

—邁耶公式另外：

cp/cν=k—絕熱指數(shù)5、過程曲線等壓加熱對外做功溫度升高21等壓放熱對內做功溫度降低2’★T-s圖上，等壓曲線要比等容曲線平坦（說明在達到相同氣體溫度下，定壓過程要比定容過程吸收更多的熱量）。三、定溫過程1、定義：過程進行中系統(tǒng)的溫度保持不變的過程。2、過程方程式：T=常數(shù)3、參數(shù)間的關系：

Pν=RT=常數(shù)P1ν1=P2ν2

4、過程量的計算：T=常數(shù)

所以

u=0由

q=w+u可得：q=w※加入系統(tǒng)的熱量全部轉換為系統(tǒng)對外界做的功。5、過程曲線等溫壓縮對外放熱等溫膨脹吸熱22’四、絕熱過程

1、定義：過程進行中系統(tǒng)與外界沒有熱量的傳遞（

q=0→

s=

q/T=0，故也稱定熵過程）。

2、過程方程式：Pvk=常數(shù)（推導略）

K=cp/cν：絕熱指數(shù)3、參數(shù)間的關系：由

Pvk=常數(shù)

→P1v1k=P2v2k

→P1/P2=(v2/v1)k又

Pv=RT→P=RT/v

→Tvk-1=常數(shù)→T1/T2=(v2/v1)k-1

→T2=T1(v1/v2)k-1=T1εk-14、過程量的計算：

q=w+u

q=0推出：

w=-u

即：外界對系統(tǒng)所做的功全部用來增加系統(tǒng)的內能。5、過程曲線絕熱壓縮溫度升高絕熱膨脹溫度降低

五、多變過程

在實際的熱力過程中，P、ν、T的變化和熱量的交換都存在，不能用上述某一特殊的熱力過程來分析，需用一普遍的、更一般的過程即多變過程來描述。

1、過程方程式：Pvn=常數(shù)n:多變指數(shù)。

等壓過程；n=1,Pv=常數(shù)等溫過程；n=k,Pvk=常數(shù)絕熱過程；n=∞,v=常數(shù)等容過程。n=0,P=常數(shù)2、各過程在P-v圖上的比較等壓線:壓力升高部分壓力降低部分等容線:膨脹部分壓縮部分等溫線:溫度升高部分溫度降低部分絕熱線:吸熱部分放熱部分n=1n=kn=

nW<0W＞0n從

到0，放熱→0→吸熱；等溫線右內能增加，左內能減少。例如壓縮機壓縮過程：K＞n＞１第五節(jié)熱力學第二定律

重點掌握：

1、熱力學第二定律的表述；

2、熱力循環(huán)的熱效率；

3、卡諾循環(huán)的熱效率。一、熱力學第二定律的表述

1、熱量不可能自發(fā)的、不付任何代價的由一個低溫物體傳至高溫物體?！獰崃坎豢赡茏园l(fā)地從冷物體轉移到熱物體。

2、不可能制成一種循環(huán)工作的熱機，僅從單一的高溫熱源取熱，使之完全轉變?yōu)橛杏霉?，而不向低溫熱源（冷源）放熱?！獑螣嵩礋釞C是不存在的。

能量傳遞（熱功轉換）過程的方向、條件和限度問題，要由熱力學第二定律來回答。

熱力學第二定律的實質是一切自發(fā)的過程都是不可逆的。二、熱力循環(huán)系統(tǒng)從某一狀態(tài)（初始狀態(tài)）出發(fā)，經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)，又回到初始狀態(tài)，這樣一個封閉的熱力過程稱為一個熱力循環(huán)。（在P-V圖上，熱力循環(huán)是一封閉的曲線。）正向循環(huán)—把熱能轉變?yōu)闄C械功的循環(huán)。逆向循環(huán)—靠消耗機械功將熱量從低溫熱源傳向高溫熱源的循環(huán)。（或稱熱泵循環(huán)）1、循環(huán)凈功量1-2-3-4-1：順時針進行的熱力過程，過程曲線所圍成的面積為正，稱為正循環(huán)。w

1-4-3-2-1：逆時針進行的熱力過程，過程曲線所圍成的面積為負，稱為負循環(huán)。循環(huán)凈功W=Q1-Q2Q1為1-2-3，工質從高溫熱源吸熱Q2為3-4-1，工質從向低溫熱源放熱定義：循環(huán)凈功與從高溫熱源吸收熱量的比值ηT=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1

W:對外作出的循環(huán)凈功；Q1:循環(huán)中吸收的總熱量;Q2:循環(huán)中放出的總熱量。

作用：評價循環(huán)的經(jīng)濟性。三、熱機循環(huán)的熱效率三、卡諾循環(huán)（最理想的熱機循環(huán)）由兩個定溫過程和兩個絕熱過程組成的可逆循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)的熱效率：1、卡諾循環(huán)的熱效率取決于高溫熱源和低溫熱源的溫度，高溫熱源的溫度上升，低溫熱源的溫度下降，則卡諾循環(huán)的熱效率提高。2、卡諾循環(huán)的熱效率永遠小于1。即在循環(huán)工作的發(fā)動機中，不可能將吸收的熱量全部轉化為功，必定有部分熱量傳遞給低溫熱源。3、當T1=T2時，卡諾循環(huán)的熱效率為0。即在溫度平衡的系統(tǒng)中，不可能將熱量轉化為功（不可能由單一熱源循環(huán)作功）。

4、當無論什么工質和循環(huán)，在一定溫度范圍T1到T2時之間，不可能制造出熱效率超過1-T2/T1的熱機。即最高熱效率只能接近1-T2/T1。※

這幾條結論具有普遍性,適用于一切熱機。四、卡諾定理

在兩個不同定溫熱源間工作的任何熱機的熱效率，不可能大于在同樣兩個熱源間工作的可逆熱機的熱效率。

推論：

1、一切可逆熱機的熱效率彼此相等且等于卡諾熱機的熱效率，不可逆熱機的熱效率小于可逆熱機的熱效率。

2、在內燃機上，如果排氣溫度過高，則內燃機的熱效率下降；提高壓縮比，使T1升高，則內燃機的熱效率升高。第六節(jié)活塞式內燃機的理想循環(huán)

為便于分析內燃機的實際工作過程，將內燃機的某個循環(huán)的各個實際過程全部抽象的概括為若干個可逆過程，這樣得到的一個閉合循環(huán)，稱為理想循環(huán)。

理想化的原則及方法：

1、工質所經(jīng)歷的狀態(tài)變化為一閉合循環(huán)；

2、循環(huán)中工質的數(shù)量和化學成分始終不變；

3、組成各循環(huán)的過程都是可逆的；

4、工質的比熱為定值。要求掌握：

1、車用發(fā)動機的理想循環(huán)各是什么；

2、理想循環(huán)各由哪些過程組成；

3、影響理想循環(huán)熱效率的因素；

4、車用發(fā)動機理想循環(huán)的比較。一、內燃機的理想循環(huán)1、實際循環(huán)及理想化實際工作過程：進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣汽油機的理想循環(huán)：

等容加熱循環(huán)低速柴油機的理想循環(huán)：

等壓加熱循環(huán)高速柴油機的理想循環(huán)：

混合加熱循環(huán)2、汽油機的理想循環(huán)1-2的壓縮過程

絕熱壓縮；2-3的燃燒過程

等容加熱；3-4的膨脹過程

絕熱膨脹；4-1的排氣過程

等容放熱。等容加熱循環(huán)的熱效率：

ηT=1-1/εk-1ε--壓縮比；k--絕熱指數(shù)。--等容加熱循環(huán)Q2Q13、車用柴油機的理想循環(huán)

--混合加熱循環(huán)混合加熱循環(huán)的熱效率:1-2的壓縮過程

絕熱壓縮；2-3的燃燒過程

等容加熱；3-4的燃燒過程

等壓加熱；4-5的膨脹過程

絕熱膨脹；5-1的排氣過程

等容放熱。ε=V1/V2--壓縮比,λ=P3/P2-壓力升高比，ρ=V4/V3-預脹比，k--絕熱指數(shù).Q1’Q1’’4、低速柴油機的理想循環(huán)--等壓加熱循環(huán)1-2的壓縮過程

絕熱壓縮；2-3的燃燒過程

等壓加熱;3-4的膨脹過程

絕熱膨脹；4-1的排氣過程

等容放熱。等容加熱循環(huán)的熱效率：ηT=1-1/εk-1×(ρK-1)/K(ρ-1)二、影響內燃機理想循環(huán)的主要因素

分析循環(huán)的主要目的是找出影響循環(huán)熱效率的因素，找到提高熱效率的途徑。常用的方法有：

1、解析法：從循環(huán)熱效率的公式出發(fā)進行分析。2、圖示法：由P—V圖、T—S圖入手分析。1、壓縮比的影響

壓縮比對上述三種理想循環(huán)的影響是相同的。由熱效率的公式：ε,提高循環(huán)平均吸熱溫度，降低循環(huán)平均放熱溫度擴大了循環(huán)溫差和膨脹比,ηT

。當壓縮比較小時，熱效率隨壓縮比的增加顯著增大；當壓縮比較大時，熱效率隨壓縮比的增加增大較少。由試驗曲線看出:2、K的影響

由公式看出，K↑ηT↑（混合氣較稀,K較大）K取決于工質的性質，雙原子氣體為1.4；多原子為1.33.3、λ的影響

(1)對定容加熱循環(huán)，λ↑ηT不變因為λ↑則Q1↑和W↑→Q2/Q1不變。

(2)對混合加熱循環(huán)，λ↑ηT↑Q1不變，λ↑值增大（Q1v↑）則相對的減少了Q1p所占的比例，而Q2減少，使整個循環(huán)的熱效率會增大。4、ρ的影響

（1）對等壓加熱循環(huán)，ρ↑ηT↓。(ρ↑→

Q2↑)

（2）對混合加熱循環(huán)，ρ↑ηT↓比較圖中各循環(huán)加熱過程所對應的面積，得出：

Q2p>Q2m>Q2v所以：

ηtv>ηtm>ηtp三、活塞式內燃機理想循環(huán)的比較1、在等壓縮比ε

、等加熱量Q1條件下2、在循環(huán)的最高溫度、最高壓力相同的條件下在T-S圖上比較三種循環(huán)的加熱量和放熱量，可以看出：放熱量q2都相同，而加熱量為：

Q1p>Q1m>Q1v所以：ηtp>ηtm>ηtv

實際內燃機中，由于壓縮比選取的不同，有：ηtm

>ηtp>ηtv熱力系統(tǒng)的分類

（據(jù)界面上物質和能力交換的情況分）

閉口系統(tǒng)：與外界無質量交換的系統(tǒng)；開口系統(tǒng)：與外界有質量交換的系統(tǒng)；絕熱系統(tǒng)：與外界無熱量交換的系統(tǒng)；孤立系統(tǒng)：與外界即無質量交換，又無熱量交換的系統(tǒng)。壓力的測量

當系統(tǒng)的壓力高于大氣壓力時，用壓力表測量。P=Pb+PgP:系統(tǒng)壓力（絕對壓力）；Pb:大氣壓力；Pg:表壓力（壓力表讀數(shù)）。壓力的測量當系統(tǒng)的壓力低于大氣壓力時，用真空表測量。P=Pb-Pv

Pv：真空表讀數(shù)?！捎诒韷毫驼婵斩入S大氣壓力的變化而變化，所以只有絕對壓力才能作為系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。

發(fā)動機的換氣過程第一節(jié)四行程發(fā)動機的換氣過程一、換氣過程分五個階段：1、自由排氣階段

2、強制排氣階段3、進排氣重疊階段

4、進氣階段5、慣性進氣階段發(fā)動機的換氣過程是排氣過程和進氣過程的通稱;包括從排氣門開啟直到進氣門關閉的整個時期;約占410～480°曲軸轉角。換氣過程的任務：

將缸內空氣排出干凈,并充入盡量多的新鮮充量。換氣過程進行的完善程度是提高發(fā)動機動力性的重要因素。二、換氣損失排氣損失圖3-2四行程發(fā)動機的換氣損失w:膨脹損失；x:推出損失；進氣損失y:進氣損失；換氣損失：x+y+w泵氣損失：x+y-u

隨著排氣提前角的增大,膨脹損失增加,推出損失減小。圖3-3四行程發(fā)動機的換氣損失a--提前角適當；b--提前角過大；c--提前角過小；d--排氣阻力過大。適當?shù)呐艢馓崆敖菓箖烧咧妥钚?，即W+X最小。第二節(jié)充氣效率(充氣系數(shù))一、掃氣效率ηsc

指封存在氣缸內的空氣質量ma與封存在氣缸內的總氣體質量(ma+mr)之比

ηsc=ma/(ma+mr)=1/(1+r)(ηsc大則殘余廢氣少)

mr—殘余廢氣質量；r=mr/ma

殘余廢氣系數(shù)

二、容積效率ηv

指封存在氣缸內的總氣體質量與在進氣狀態(tài)下（Ps、Ts）封存在氣缸內的空氣質量m’之比

ηv=(ma+mr)/m’對非增壓發(fā)動機，進氣狀態(tài)指空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態(tài)。對增壓發(fā)動機，指壓氣機后進氣管內的氣體狀態(tài)。三、充氣效率ηCH指封存在氣缸內的空氣質量（混合氣）ma與在進氣狀態(tài)下（Ps、Ts）封存在氣缸內的空氣質量（混合氣）m’之比

ηCH=ma/m’=Vs/VhηCH=ηSCηV

(由于進氣阻力、氣缸壓力和溫度的影響，ηCH<1：汽o.7~0.85;柴0.75~0.9)四、掃氣比

k在進氣狀態(tài)下（Ps、Ts）,供入氣缸的空氣質量ms與在進氣狀態(tài)下（Ps、Ts）封存在氣缸內的空氣質量m’之比

k=ms/m’五、掃氣系數(shù)

S在進氣狀態(tài)下（Ps、Ts）,供入氣缸的空氣質量ms與封存在氣缸內的空氣質量ma之比。

S=ms/ma

第三節(jié)影響充氣量的因素1、使用因素

（1）轉速nn

進氣流速

流動阻力

Pa

ηCH

圖3-4不同節(jié)氣門開度、不同轉速時的進氣壓力n過低,慣性進氣

ηCH

。

一定的進氣系統(tǒng)，一定負荷下，有一個轉速對應的充量系數(shù)最大。(圖3-5)（2）負荷

汽油機的負荷調節(jié)屬于量調節(jié)，負荷

，節(jié)氣門開度

，進氣阻力

，進氣終了壓Pa

ηCH

。

圖3-7汽油機的充量系數(shù)隨負荷的變化關系

1-全負荷2、3、4、5、部分負荷柴油機的負荷調節(jié)屬于質調節(jié)，負荷的變化對充氣系數(shù)無明顯的影響。（3）大氣狀態(tài)

大氣壓力P0：P0

Pa

，但Pa/P0基本不變，故ηCH不變。

大氣溫度To：To變化，Ta也變化，To/Ta基本不變，故ηCH不變但P0↓(To↑)=>ρ0↓=>ma↓=>發(fā)動機功率

。2、結構因素

(1)進氣系統(tǒng)

一般包括進氣門、進氣管、空濾器、化油器、進氣道等部件。要盡量減少各部件的流動阻力，以增大進氣終了的壓力，提高充量系數(shù)。試驗證明，增大進氣終了的壓力比降低殘余廢氣系數(shù)對充量系數(shù)的影響大，所以設計成進氣門直徑大于排氣門直徑，氣門頂部的形狀呈流線型。（2）壓縮比

↑，Vc↓，r↓，ηCH↑。（3）配氣相位配氣相位是進排氣門啟閉角與曲軸轉角的關系。配氣相位中，進氣滯后角對ηCH的影響最大。改變進氣滯后角可以改變ηCH隨轉速變化的趨向，用以調整發(fā)動機的扭矩和有效功率。（圖3-8）

高速發(fā)動機進氣滯后角較大，以提高高速下的充量系數(shù)。配氣相位是靠選定的凸輪型線來進行控制的。四、提高充氣系數(shù)的措施1、減小進氣系統(tǒng)的阻力Pa↑ηCH↑（1）減小空濾器的阻力設計低阻高效，使用保養(yǎng)清潔。（2）減小化油器的阻力化油器喉管的阻力，取消化油器，采用汽油噴射（3）減小進氣管、道的阻力汽油機歧管矩形斷面小流速快汽化好阻力大柴油機歧管圓形斷面大流速慢汽化差阻力小設計合理選擇斷面，彎少避免突變。使用清除積炭、安裝正確、保持暢通。（4）減小進氣門的阻力①增大進氣門直徑②增加進氣門數(shù)目③增加進氣門升程④改善氣門頭與桿的過渡形狀2、減小排氣系統(tǒng)的阻力使用清除積炭、安裝正確、保持暢通。3、合理進氣予熱

柴油機進、排氣管分兩側布置4、合理配氣相位——進氣遲閉角5、可變進氣系統(tǒng)可變配氣相位低速，進氣滯后角小防止新氣倒流高速，進氣滯后角大充分利用氣體流動慣性可變進氣管道低速與小負荷進氣管道細而長高速與大負荷進氣管道粗而短可變進氣門（VVT）低速與小負荷僅開一個主進氣門高速與大負荷時開幾個進氣門。這一過程由凸輪軸控制進氣道的轉換閥來實現(xiàn)。四沖程發(fā)動機的充量系數(shù)圖3-5ηCH隨n的變化關系

圖3-6四行程發(fā)動機充量系數(shù)的范圍

在實際使用中，如果進氣門間隙過大，不僅使氣門的時間-斷面值減少，還使進氣滯后角減小，改變充量系數(shù)隨轉速的變化趨向，影響車輛的使用。圖3-8進氣滯后角對充量系數(shù)、扭矩、功率的影響自由排氣階段：

從排氣門打開到氣缸壓力接近于排氣管壓力的這個時期,稱為自由排氣階段。缸內壓力與排氣管壓力之比大于臨界值，排氣流動出于超臨界狀態(tài)，廢氣以當?shù)匾羲賏排出，流量與排氣管壓力無關。

臨界值:(２/(K+1))(K/(K-1)),a=(KRT)1/2(m/s)

（當T=700~1100K時。A可達500~700m/s)。廢氣的６０％～７０％排出排氣門提前開，一般排氣提前角設計為30-80CA曲軸轉角。高速機中，應加大排氣提前角。如CA6102，n＝3300r/min，排氣提前角42

；

切諾基,n＝5600r/min，排氣提前角56

強制排氣階段：

氣缸內壓力下降到接近排氣管內壓力時（下止點后10~30CA

），壓力差很小，廢氣需依靠活塞上行被強制推出。

此階段在整個排氣過程中持續(xù)的時間最長，但排出的廢氣量少于自由排氣階段排出的廢氣量。進排氣重疊階段：

由于排氣門遲后關閉，進氣門提前開啟，因此存在進排氣門同時打開的現(xiàn)象，稱為氣門疊開，也稱掃氣階段，清除殘余廢氣，增加進氣。

排氣滯后角一般為10～35°CA，進氣提前角一般為10～40°CA。

非增壓進排氣門重疊角一般為20-60°，增壓柴油機，因其進氣壓力高，故需較大的氣門重疊角，一般為80-160°。進氣階段：

排氣門關閉后，活塞繼續(xù)下行，新鮮氣體被吸入氣缸。

由于進氣系統(tǒng)有一定的阻力，因此進氣階段氣缸內的壓力低于大氣壓力。

新鮮氣體在進氣管中，受到排氣管的加熱（汽油機中），流入氣缸內的氣體受到缸內殘余廢氣的加熱，其溫度高于大氣溫度。慣性進氣階段：

利用氣流的慣性進氣，進氣門滯后關。轉速越高，活塞平均速度和進氣流速越大，進氣氣流動能越大，故高速內燃機進氣滯后角較大。從活塞行至下止點到進氣門完全關閉時的曲軸轉角，稱為進氣滯后角，一般為40～70°CA.圖3-1氣缸內壓力和排氣管內壓力以及進、排氣流通截面積隨曲軸轉角的變化關系1、排氣損失

由于排氣門提前開啟，造成循環(huán)功的損失w（膨脹損失或自由排氣損失）；和活塞將廢氣推出的損失x（推出損失或強制排氣損失）。2、進氣損失

由于進氣系統(tǒng)存在阻力,造成循環(huán)功的損失。

實際示功圖中,把圖3-2中的（x+y-u）部分稱為泵氣損失,歸入機械損失中；而把圖3-2中的w、u部分歸到指示效率中考慮。

發(fā)動機特性發(fā)動機工況：

發(fā)動機的運行情況，是以其發(fā)出的功率Ne和轉速n來表示。常見的發(fā)動機工況有面工況、點工況、線工況等。發(fā)動機特性：

發(fā)動機性能指標隨調整情況及運轉工況而變化的關系。其中隨調整情況而變化的關系稱為調整特性如：柴油機供油提前角調整特性汽油機點火提前角調整特性隨運轉情況而變化的關系稱性能特性(或使用特性)發(fā)動機主要特性包括：負荷特性、速度特性、調速特性、萬有特性、煙度特性、排放特性等。第一節(jié)負荷特性定義：

轉速不變時，其經(jīng)濟性指標隨負荷而變化的關系。

用曲線表示→負荷特性曲線。

負荷率：發(fā)動機發(fā)出的扭矩與在該轉速下最大扭矩之比，用百分數(shù)表示。

一、汽油機的負荷特性（一）定義：

汽油機保持某一轉速不變，點火提前角，化油器調整完好時，逐步改變節(jié)氣門開度，ge、Gf隨負荷變化的關系。性

能

指標（二）曲線特性：（1）主要工作參數(shù)的變化（2）ge=f（Ne)曲線的變化怠速時:

m=0,ge=;(

m=1-Nm/Ni)負荷↑：

↓，燃速↑-ηi↑

機械損失相對↓-ηm↑→ge↓直至gemin。負荷再增加,α↓-ηi↓

ge又上升。負荷↑↑混合氣量↑α↓所以Gf↑二、柴油機的負荷特性（一）定義：當柴油機保持轉速不變，改變循環(huán)供油量

g時，ge隨負荷而變化的關系。性

能

指標（二）曲線特性（1）主要工作參數(shù)的變化（2）ge=f（Ne)曲線的變化1點：最小油耗點；2點：冒煙界線點；3點：最大功率點。三、負荷特性的意義1、評價不同類型的發(fā)動機的經(jīng)濟性

經(jīng)濟性好的要求：（1）gemin較??；（2）負荷特性曲線在gemin附近要平坦。柴油機經(jīng)濟性比汽油機好，gemin大約低20-30%。2、找出提高汽車經(jīng)濟性的途徑

提高汽車的負荷率。在動力性足夠時，盡量提高發(fā)動機工作時的負荷率，選用功率較小的發(fā)動機。3、柴油機功率標定對車用柴油機，其功率標定應在冒煙界限點2；對工程機械用柴油機，其功率標定在最低油耗點1。第二節(jié)速度特性定義：發(fā)動機的燃油供給調節(jié)機構位置一定時，發(fā)動機的性能指標（Me、Ne、ge）隨轉速而變化的關系。節(jié)氣門開度最大或噴油泵齒條位置處于最大供油位置時，發(fā)動機的速度特性稱為全負荷速度特性，或外特性，其它稱為部分負荷速度特性。一、汽油機的速度特性（一）外特性

1、主要工作參數(shù)的變化節(jié)氣門開度一定，α基本不隨n而變化

轉速由低速開始上升時，Me隨轉速的升高而下降較快。工作參數(shù)中，對Me影響最大的是

v，即Me的大小主要取決于進入氣缸的混合氣量。Me∝ηv/

Ne∝

Menge∝1/ηiηm

2、Me、Ne、ge=f（n）曲線（二）部分負荷特性1-節(jié)氣門全開節(jié)氣門開度1＞2＞3＞4＞5汽油機的速度特性曲線節(jié)氣門開度越小，Me曲線越陡，且最大功率點向低速方向移動。

汽油機的外特性是在節(jié)氣門全開時測得的,曲線上每一點表示它在此轉速下的最大功率及最大扭矩，故它代表內燃機的最高動力性能，所有汽油機均需做外特性曲線。二、柴油機的速度特性（一）外特性

1、主要工作參數(shù)的變化性能指標柴油機發(fā)出扭矩的多少，主要取決于

g的大小。Me曲線變化平穩(wěn),比汽油機的Me曲線平坦。Ne與Me、n成正比由于Me變化平坦，在一定的轉速范圍內，功率幾乎與轉速成正比增加。2、Me、Ne=f（n）曲線（二)部分負荷速度特性

噴油泵齒條位置一定時,循環(huán)供油量隨轉速而變化的關系→噴油泵的速度特性.h4---全負荷；h3、h2、h1---部分負荷Me.Ne=f(n)曲線Me的變化主要取決于循環(huán)供油量的變化柴油機部分負荷特性曲線，與外特性曲線平行且位于其下方.1—90%負荷2—75%負荷3—55%負荷三、外特性的意義(一)評價發(fā)動機的動力性發(fā)動機的動力性指標高的要求：

1.從外特性曲線及最大功率Nemax.后備功率看:外特性曲線汽車行駛阻力曲線后備功率部分負荷速度特性

2.扭矩儲備系數(shù)

m

定義：發(fā)動機的外特性曲線上最大扭矩Memax與標定工況下的扭矩Me之比值

m=(Memax-Me)/Me×100%適應系數(shù)：K=Memax/Me圖7-13發(fā)動機最大扭矩對克服阻力的影響作用：評價汽車不換檔，發(fā)動機克服短期超負荷的能力。**K大，工作越穩(wěn)定。汽油機Me陡，穩(wěn)定性優(yōu)于柴油機。

3.轉速儲備系數(shù)

n

定義：發(fā)動機標定工況下的轉速na與最大扭矩下的轉速nmax之比。

n=na/nmax圖7-14發(fā)動機最大扭矩對應的轉速對克服阻力的影響作用：評價汽車不換檔，發(fā)動機克服短期超負荷的能力。（二）評價發(fā)動機的工作穩(wěn)定性

由扭矩儲備系數(shù)

m來評價，

m大，意味著扭矩曲線較陡，工作穩(wěn)定性好。

不同的車用發(fā)動機對后備功率、

m、

n的要求不同，轎車要求后備功率大，對

m、

n不要求；載重車考慮經(jīng)濟性，后備功率不大，但

m、

n要高。第三節(jié)柴油機的調速特性一、柴油機上安裝調速性的必要性

1、怠速轉速不穩(wěn)；

2、怠速易熄火；

3、高速易飛車

造成上述問題的根本原因是Δg隨轉速的增加而增加，所以調速器工作時，Δg應隨轉速的增加而減少。二、全程式調速器1、定義：

從最低轉速到最高轉速都起作用的調速器。調速手柄加速減油加油調速彈簧供油齒條推力盤全程調速器工作原理2、調速特性定義:在調速器起作用時,柴油機的性能指標(Ne、Me、ge)隨轉速或負荷而變化的關系。圖7-206120柴油機的調速特性三、兩極式調速器1、定義：只在最低轉速和最高轉速時才起作用的調速器。2、調速特性第四節(jié)萬有特性1、為了能在一張圖上全面表示內燃機性能，經(jīng)常應用多參數(shù)特性，即萬有特性。2、應用最廣的萬有特性里以速度做橫坐標，平均有效壓力（或扭矩）做縱坐標。在坐標內做出若干條等耗油率曲線和等功率曲線，組成曲線族。3、做法：柴油機通常通過負荷特性法做出萬有特性圖，而汽油機通常用速度特性法做出萬有特性圖。4、意義：（1）根據(jù)萬有特性圖，可以看出發(fā)動機在各種工況下的經(jīng)濟性。最內層的等油耗曲線相當于最經(jīng)濟的區(qū)域，曲線越向外，經(jīng)濟性越差。（2）等耗油率曲線的形狀及分布情況對發(fā)動機的使用經(jīng)濟性有重要影響。對汽車用發(fā)動機，其最經(jīng)濟區(qū)域應大致在萬有特性圖的中間位置，使常用轉速和負荷落在最經(jīng)濟區(qū)域內，并希望等油耗率曲線在橫向較長。EQ6100性汽油機萬有特性

1、同時確定發(fā)動機最經(jīng)濟的轉速和負荷。

2、等ge曲線的形狀與分布的影響

（1）最內層為最經(jīng)濟區(qū)，曲線越向外，經(jīng)濟性越差。

（2）等ge曲線橫向長，轉速范圍寬等ge曲線縱向長，負荷范圍寬

車用發(fā)動機，其最經(jīng)濟區(qū)域應大致在萬有特性圖的中間偏上位置，并希望等油耗率曲線在橫向較長。可以結合傳動系繪制整車的萬有特性作為節(jié)油參考。CA6102汽油機萬有特性EQD6102-1柴油機萬有特性汽、柴油機萬有特性比較（1）汽油機：最低油耗偏高，經(jīng)濟區(qū)偏??；等ge線在低速區(qū)向大負荷收斂，說明汽油機在低速低負荷ge較高。等Ne線隨轉速升高而斜穿等ge線，故Ne一定時，n越高越廢油。n一定,ge/Me比柴油機大，說明變工況工作平均油耗偏高。（2）柴油機：最低ge較低，經(jīng)濟區(qū)寬；等ge線在高低速均不收斂，變化較平坦；等Ne線向高轉速延伸時，ge變化不大。萬有特性圖的做法柴油機排放萬有特性柴油機排放萬有特性柴油機排放萬有特性圖6-17燃油的噴射過程

發(fā)動機增壓增壓：為提高平均有效壓力以增加氣缸內封存氣體密度的方法。（廣義上，凡是能夠將內燃機進氣密度提高到高于周圍環(huán)境密度的一切方法，都稱為增壓。）目的：通過增加充氣量，以提高功率，改善經(jīng)濟性和排放性提高發(fā)動機功率的途徑：第一節(jié)發(fā)動機增壓的基本知識改變結構參數(shù)。增加i、Vh(D、S)，減少τ，但體積和重量增加提高轉速。但充氣效率和機械效率減少，機件壽命減少，噪音大提高平均有效壓力Pe。提高平均有效壓力Pe

方法：減少過量系數(shù)

提高充氣效率

增加充氣密度（增壓）增壓度φk：發(fā)動機在增壓后增長的功率與增壓前功率之比

φk為范圍10%~60%。大部分為20%~30%。增壓壓比

k：進入氣缸的氣體壓力Pk與大氣壓力P0之比增壓的范圍:低增壓：

k

＝1.3~1.6（內燃機平均有效壓力pe＝0.7～1.0MPa）中增壓：

k

＝1.6~2.5（內燃機平均有效壓力pe＝1.0～1.5MPa）高增壓：

k

＞2.5（pe＞1.5MPa）；超高增壓：

k

＞3.5（pe>2.0MPa）。內燃機增壓的優(yōu)缺點改善了發(fā)動機性能：提高了內燃機機械效率；提高了內燃機的指示熱效率；改善了燃燒過程。增加了發(fā)動機的比功率；擴大了內燃機高原適應性：有利于降低有害氣體排放和噪聲。(HC降低，高負荷的NOx降低，空氣充足使碳煙有所降低；溫度高使著火延遲期縮短）增加了柴油機的機械負荷；增加了柴油機的熱負荷。優(yōu)點：缺點：按照實現(xiàn)增壓所提供的能量可分：機械增壓；廢氣渦輪增壓；氣波增壓；復合增壓諧波增壓（汽油機）第二節(jié)發(fā)動機增壓的類型１、機械增壓由曲軸經(jīng)過齒輪增速箱驅動壓氣機。機械增壓增壓壓力高，壓氣機消耗的功率大。為使內燃機機械效率不要過分下降，增壓壓力Pk不能過高。Pk<160~170KPa主要用途：提高發(fā)動機低速扭矩機械增壓器的種類機械增壓所用的壓氣機除離心式壓氣機外，在車用內燃機上常用容積式壓氣機：羅茨式；螺桿式；轉子活塞式。２、廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓利用內燃機排氣中能量來實現(xiàn)增壓，比機械增壓經(jīng)濟性好，比非增壓自然吸氣式內燃機燃油好率可低5%～10%。質量功率和體積功率比非自然吸氣內燃機明顯改善，因而在內燃機上得到廣泛應用。廢氣渦輪增壓的分類廢氣渦輪增壓器主要由壓氣機和廢氣渦輪組成。壓氣機主要是離心式的。廢氣渦輪分：軸流式；徑流式；斜流式（混流式）。由于內燃機排氣能量利用的不同，有兩種經(jīng)典的、基本的增壓形式：脈沖渦輪增壓；等壓渦輪增壓。３、氣波增壓氣波增壓是通過氣波增壓器利用氣體質點和壓力波的反射特性，使排氣和進氣之間進行直接的能量交換，以增大進氣密度。氣波增壓對內燃機工況反映迅速，使氣波增壓的加速性好，且低速時空氣的壓縮程度高，低速扭矩好。工作溫度低，不需要耐高溫材料。但體積大，噪聲大，安裝位置受到一定限值。匹配要求高，防止竄煙。氣波增壓器轉子展開圖４、復合增壓機械增壓與廢氣渦輪增壓組合。諧波增壓與廢氣渦輪增壓組合。５、諧波增壓—ACIS雙增壓器順序增壓多缸發(fā)動機上使用兩臺增壓器。在低速時，使用一臺增壓器以提高廢氣能量利用效率，改善低速反映性能。在中高速時，使用兩臺增壓器以保證發(fā)動機功率輸出。第三節(jié)增壓器可變進氣道增壓器；可變噴嘴環(huán)增壓器；可變渦輪喉口截面增壓器；可變葉片增壓器；廢氣放氣增壓器；進氣回流增壓器；射流渦輪增壓器；斜流渦輪增壓器；可變進氣道增壓器低速時使用一個進氣通道；高速時，進氣量大，使用兩個通道，可以改善增壓發(fā)動機的過渡性能。可變進氣道增壓器性能可變噴嘴環(huán)增壓器低速時，噴嘴角度小，流通截面??；高速時噴嘴角度大，流通截面能保證渦輪從廢氣中獲取足夠能量達到壓氣機的需求。各噴嘴環(huán)1通過軸銷2固定在渦殼5上，再經(jīng)傳動桿3與噴嘴控制盤4相連。轉動噴嘴控制盤即可改變噴嘴環(huán)的角度。通過調整渦殼5與渦輪葉輪6之間的噴嘴環(huán)角度來調整渦輪流通截面?？勺儑娮飙h(huán)增壓器特性左圖中①～④是噴嘴環(huán)角度以此減小的情況。隨著內燃機轉速下降，壓氣機的增壓壓力不但沒有下降，反而提升到高轉速水平，從而保證增壓內燃機的低速性能?？烧{噴嘴環(huán)用于增壓器與內燃機的高速匹配。通過可調噴嘴環(huán)改善低速性能?？勺儨u輪喉口截面增壓器1.壓氣機；2.可變喉口截面調整板；3.調整板及調整機構；4.操縱機構；5.操縱機構控制電磁閥；6.渦輪；A.最小喉口截面；B.最大喉口截面低速高速可變渦輪喉口截面增壓器工作原理可變渦輪喉口截面增壓器是再廢氣量不變的情況下改變進入渦輪的狀態(tài)參數(shù)，從而改變從廢氣中獲取能量的大小。小喉口截面將使進入渦輪的廢氣加速，作用在渦輪葉片上的沖擊力增加（此時渦輪效率將有所降低），空氣增壓壓力增加，從而滿足內燃機在低速小負荷時的需要。內燃機在高速大負荷時，可以保證渦輪在高速范圍運行，這時喉口截面處于最大位置，排氣背壓最小，渦輪效率最大?？勺兒砜诮孛婵刂瓢蹇梢杂呻姶砰y進行無級調整?？勺內~片增壓器可變噴嘴環(huán)技術類似，通過壓氣機結構（葉片角度）的變化，來調整增壓壓力與發(fā)動機轉速負荷的匹配關系。多個可變葉片，效率高，但結構復雜，成本高、體積大。三菱多閥VG增壓器本田可變葉片增壓器廢氣放氣增壓器車用增壓內燃機為獲得低速大扭矩和良好的加速性能，渦輪增壓器一般按內燃機低速、小流量設計。轎車用增壓器設計轉速為內燃機標定轉速的40%左右。公共汽車、重型車用的增壓器設計轉速為內燃機標定轉速的60%左右。高速時，將會使增壓壓力過高，增壓器超速，柴油機爆發(fā)壓力過大，汽油機容易引起爆震。為此，設計增壓器常增加廢氣放氣閥，在高速時將一部分廢氣旁通掉，加以控制增壓壓力。廢氣放氣增壓器工作原理廢氣門3與增壓器2的渦輪并聯(lián)地連接在內燃機1的排氣管上。廢氣門的閥門固定在膜片上，膜片上部通大氣，并受彈簧的作用，下部與壓氣機出口的增壓空氣相通。平時，彈簧將廢氣門的閥門壓在閥座上，內燃機排氣管來的廢氣不能經(jīng)閥門旁通到渦輪出口的排氣管內。一旦增壓壓力對膜片的作用超過彈簧的預緊力，廢氣門打開，一部分廢氣不經(jīng)渦輪直接從渦輪出口排入大氣中。渦輪作功減小，空氣的增壓壓力回落，以實現(xiàn)空氣增壓壓力的自動調節(jié)。進氣回流增壓器為避免由于負荷突變及環(huán)境變化而使壓氣機出現(xiàn)喘振而損壞增壓器，在增壓器的壓氣機進口裝上整體式的回流閥。當進氣管壓力低于某一值時，作用在回流閥上的進氣管壓力、彈簧壓力和壓氣機出口的空氣增壓壓力不平衡，回流閥頂開，壓氣機出口的空氣通過回流閥和回流通道進入壓氣機進口，以增加通過壓氣機的空氣量。第四節(jié)增壓中冷技術（選）增壓空氣溫度增加，在柴油機中引起增壓條件下進氣密度減小，即在保持不變過量空氣系數(shù)

下，意味著功率下降，不然需要進一步提高增壓壓力，但柴油機機械負荷又要增加。雖然氣缸內工質溫度提高有利于柴油機的燃燒，但卻使燃燒室內受熱零件的熱負荷增加，排溫過高，NOx增加。汽油機中增壓溫度升高，除與柴油機一樣功率下降外，最主要的是爆震傾向增加。一般，當增壓空氣的壓力超過0.15MPa時，就值得采用中冷。解決空氣溫度過高的辦法就是采用中冷器冷卻增壓后的空氣。增壓空氣溫度每降低20K，渦輪前的廢氣溫度約可降低20K，燃油消耗率可減少3g/kW.h。增壓中冷方案：閉式空－水中冷：中冷器中冷卻介質采用內燃機冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)水。該方案結構與布置簡單，但不能將增壓空氣溫度冷卻較低。分開式空－水中冷：中冷器采用獨立的冷卻介質。該方案可提高中冷器的冷卻效率，能較低地降低空氣地溫度。結構要復雜些，布置上會增加難度。共用冷卻風扇空－空中冷：中冷器裝在內燃機冷卻系水散熱器前或后，依靠風扇和車輛行駛時地空氣氣流冷卻增壓空氣。該方案由于它的最少能量消耗而得到廣泛應用。獨立冷卻風扇空－空中冷：中冷器帶有獨立地冷卻風扇，它可由直流電動機或空氣渦輪帶動。

汽油機混合氣形成與燃燒

1.燃燒過程的重要性

燃料燃燒完全的程度，直接影響到熱量產(chǎn)生的多少和排出的廢氣的成分，而燃燒時機又關系到熱量的利用程度。所以燃燒過程是影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排氣污染的主要過程，同時與噪聲、振動、啟動性能和使用壽命也有重大關系。2.對燃燒過程的要求

1）燃燒完全，釋放出盡可能多的熱能，減少廢氣中的有害物質。

2）燃燒及時，使放熱集中在上止點附近，提高熱功轉換能力。3.燃燒過程的研究方法

高速攝影法、示功圖法第一節(jié)汽油機的正常燃燒1、火花塞跳火2、缸內壓力線偏離純壓縮線的始點3、缸內最高壓力點θ-點火提前角一、示功圖上的關鍵點

Ⅰ-滯燃期Ⅱ-顯燃期Ⅲ-補燃期

圖5-1汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程指從點火開始到燃料基本燒完為止的過程。二、燃燒過程的幾個階段

1、滯燃期（著火落后期）

從火花塞開始跳火到火焰中心形成→滯燃期。

是燃燒的準備階段，主要進行熱量的積累，缸內的壓力線與純壓縮線基本重合。當反應的混合氣的溫度升高到一定程度后，形成發(fā)火區(qū)，即火焰中心。

從火花塞跳火瞬時到活塞行至上止點時的曲軸轉角，稱為點火提前角，用

表示。一般為20—35oCA。各種因素對滯燃期長短的影響：混合氣濃度合適（=0.8~0.9最短）、火花塞跳火時缸內壓力及溫度高、電火花強度大，著火延遲時間將減小。另外，與殘余廢氣量、缸內混合氣的運動等因素有關。2、明顯燃燒期（速燃期）

從火焰中心形成到示功圖上的壓力達到最高點為止稱為明顯燃燒期。

在均質混合氣中，當火焰中心出現(xiàn)后，與其臨近的一薄層混合氣首先燃燒即形成極薄的火焰層，稱為火焰前鋒。

火焰前鋒向前推進的法向移動速度，稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣取；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣纫话?0—80m/s?；旌蠚饧s80—90%在此期間燃燒完畢，溫度、壓力迅速升高，最高壓力在上止點后12℃A~15℃A（循環(huán)功最多）一般占20—30oCA。缸內最高壓力點與最高溫度點重合。最高壓力過早使壓縮功增大，過遲散熱損失增大；過大產(chǎn)生振動、噪音，過小使膨脹功減少。壓力升高率：即曲軸每轉1度時，缸內氣體壓力的平均升高量：

λP=△P/△θ

ΔP=（P3-P2）

Δθ=（θ3-θ2）

λP表征壓力變化的急劇程度。λP過大，發(fā)動機振動和噪聲大，工作粗暴；λP在１７５～２５０ＭＰa/℃A，汽油機工作柔和，性能好。3、補燃期（后燃期）

從最高壓力點到燃燒結束為補燃期。指明顯燃燒期以后在膨脹過程中的燃燒，主要由火焰前鋒面過后，后面未及燃燒的燃料（燃燒室邊緣和縫隙）再燃燒，以及部分燃燒及高溫分解的燃燒產(chǎn)物（H2、O2、CO等）重新氧化。在膨脹中遠離上止點放熱，熱能不能充分利用，使ηi↓，Ne↓，ge↑，且排氣溫度↑，散熱量↑。過長回造成發(fā)動機過熱，排氣管“放炮”。

希望后燃期盡可能短，后燃放熱量盡可能少。總結：1.上述三個階段中,火焰?zhèn)鞑テ谒俣葘Ζ莍起決定性的作用。要在工作柔和的條件下，盡可能地提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?．衡量發(fā)動機工作粗暴程度的指標—明顯燃燒期內的平均壓力升高率△P/△ψ，即曲軸每轉1度時，缸內氣體壓力的平均升高量：

ΔP/Δψ=（P3-P2)/(ψ3-ψ2）[kPa/0CA]

一般使火焰中心形成點出現(xiàn)在TDC前12-150CA，缸內最高壓力點出現(xiàn)在TDC后12-150CA。

ΔP/Δψ=175~245kPa/0CA3．影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩兀夯旌蠚鉂舛取⒏變葰怏w的紊流強度、殘余廢氣系數(shù)等。汽油機燃燒過程與柴油機燃燒過程的區(qū)別：1.屬于預混合燃燒,具有定容燃燒的形式。燃燒持續(xù)期約為25~40℃A(柴油機約為50~70℃A)。2．壓縮比小，一般為7~9，(柴油機約為12~22)。熱效率低，排溫高（膨脹不充分）。3．最高燃燒溫度高（接近定容燃燒）。4．易燃燒不完全（過量空氣系數(shù)小，防止爆燃燃燒室內的激冷區(qū)），CO、HC、NOx排放高。5．揮發(fā)損失大（汽油的揮發(fā)性好）。第二節(jié)汽油機的不正常燃燒(一)現(xiàn)象1.缸內出現(xiàn)尖銳的金屬敲擊聲2.油膜破壞,機件磨損加劇；3.燃燒室、冷卻系過熱，排溫增加；4.Ne下降、ge升高；5.排污增加，嚴重時排氣冒黑煙；6.壓力線出現(xiàn)爆震波。圖5-3爆燃時的示功圖常見的不正常燃燒:爆震燃燒和表面點火。一、爆震燃燒（二）原因

在火焰前鋒到達之前,末端混合氣的溫度、壓力超過其臨界溫度、壓力而自燃，形成新的火焰中心,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃哟?高達800—1000m/s),使得缸內局部壓力、溫度急劇升高,壓力來不及平衡,形成沖擊波（激波）,沖擊波反復撞擊缸壁,（激波來回反射，在示功圖上形成鋸齒形）發(fā)出尖銳的敲缸聲。由于缸內局部的高溫、高壓，造成下述后果。(重載爬坡、急加速時易爆震，換低擋以提高發(fā)動機轉速可消除爆震)（三）危害1、機件過載沖擊負荷大，機件的機械負荷增加，使機件變形損壞。噪聲增大。2、機件燒損汽油機燃燒終了的溫度為2000~2500℃，由于冷卻水和氣體附面層的作用，活塞頂、燃燒室壁和缸壁的溫度保持在200~300℃。爆燃沖擊波破壞燃燒室內附面層和局部高溫，使活塞頭和氣門等燒損，同時會引起發(fā)動機過熱。3、潤滑變差發(fā)動機過熱，使?jié)櫥Ч儾?，使磨損加劇。4、積碳增多高溫裂解產(chǎn)生的碳粒形成積炭，5、Ne下降、ge上升另外，高溫裂解使燃燒產(chǎn)物分解為CO、H2、O2、NO及游離碳增多，排氣冒煙嚴重。CO、H2、O2等膨脹過程中重新燃燒，使排溫增高。（四）影響爆燃的因素

有燃料因素、使用因素、結構因素等。為便于分析，假定：

t1-從火焰中心形成起到火焰前鋒傳到末端混合氣為止的時間。

t2-從火焰中心形成起到末端混合氣自行著火的時間。所以：

當t1<t2不爆燃，當t1>t2，爆燃。1、燃料因素汽油機的壓縮比，應適應汽油辛烷值的要求。2、使用因素發(fā)動機轉速增加，進氣速度加快，壓縮終了氣體的紊流度提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，爆燃程度減弱；氣缸殘余廢氣多，會使混合氣自燃溫度提高，著火延遲期加長，可減弱爆燃；

過量空氣系數(shù)在0.85~0.95時，自燃溫度低，著火延遲期短，爆燃最嚴重；BTDC大，易爆燃；缸內積碳使熱阻加大，壁面溫度升高，實際壓縮比增加，爆燃加重。—影響混合氣的溫度和壓力3、結構因素燃燒室結構能使壓縮終了氣體紊流速度提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，能避免爆燃；火花塞的位置和?shù)目使火焰行程縮短，可減少爆燃；使末端氣體接觸的燃燒室壁強冷卻，可減少爆燃；采用小直徑的氣缸，不易爆燃。（五）減輕爆燃的措施①降低水溫和進氣溫度②降低末溫③降低壓縮比④推遲點火⑤增多殘余廢氣二、表面點火或熱面點火定義：在火花點火式汽油機中，凡是不依靠火花塞點火，而是由燃燒室內熾熱表面（如過熱的火花塞電極、排氣門、積碳）點燃混合氣的現(xiàn)象。早燃或早火—在火花塞跳火之前后燃或后火—在火花塞跳火之后分非爆燃性表面點火爆燃性表面點火1、非爆燃性表面點火-火焰以正常速度傳播1）后燃點火后，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，熾熱表面在火焰到達前點燃混合氣，其火焰以正常速度向未燃氣體推進。斷火后發(fā)動機續(xù)轉就是這種現(xiàn)象。2）早燃

熾熱表面溫度較高，在點火前，點燃混合氣。由于點燃區(qū)域較大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，P和λP較大，發(fā)動機易過熱。⑴早燃的危害壓縮負功↑，缸內溫度↑，與缸壁接觸面積↑,→散熱量↑,

有效功率↓。另外高溫、高壓加重了活塞連桿組的機械負荷、熱負荷,使用壽命↓。

圖5-4早燃時的示功圖⑵

與爆燃的區(qū)別①沉悶的“敲缸聲”。②被熾熱表面點燃，無壓力波產(chǎn)生，而爆燃時為自燃，有壓力波產(chǎn)生。

另外:爆燃早燃缸內熾熱表面產(chǎn)生缸內溫度、壓力升高非爆燃性表面點火大體是發(fā)動機長時間高負荷運轉引起的2、爆燃性表面點火（激爆）

熱面點火后火焰以爆燃速度傳播。由燃燒室沉積物引起的發(fā)動機低速、低負荷運轉時，燃燒室表面極易形成導熱性很差的沉積物。沉積物被高溫火焰包圍，急劇氧化而白熾化，將混合氣點燃。壓力升高率高5倍，最高壓力高150%影響熱面點火的因素及預防措施：凡是能使缸內的T、P降低的因素，都可預防熱面點火①選用低沸點汽油和含膠質少的機油。②在燃料中加抑制熱面點火的添加劑。

③適當降低壓縮比。

④選用合格的火花塞、排氣門。小結：爆燃表面點火末端混合氣自燃熾熱表面點燃火花塞跳火之后火花塞跳火之前、后有壓力沖擊波無壓力沖擊波敲擊聲較清脆敲擊聲較沉悶

二者又相互聯(lián)系，相互促進。第三節(jié)影響燃燒過程的因素

一、燃油的影響

1、汽油的抗爆性：汽油對發(fā)動機發(fā)生爆燃的抵抗能力，用辛烷值表示，辛烷值越高，抗爆性越好。

填加各種添加劑，可提高汽油的辛烷值。

2、汽油蒸發(fā)性表征汽油的汽化難易程度。蒸發(fā)性越強，與空氣混合越均勻，混合氣燃燒速度越快，易于完全燃燒；但過強，易產(chǎn)生氣阻。二.使用因素的影響1.點火提前角θ

θ過大，→發(fā)動機過熱，功率↓。缸內最高溫度、壓力↑，爆燃傾向↑。

圖5-5點火提前角對示功圖的影響

θ過小，由于燃燒開始時活塞已下行，燃燒容積較大，燃氣與氣缸接觸面積大，導致:(1)損失一部分膨脹功。

(2)燃燒在膨脹過程中進行，后燃量增大。

→散熱損失大，排氣溫度過高，發(fā)動機過熱，功率下降。但缸內溫度、壓力的降低,使t2增大,爆燃傾向減小。

最佳點火提前角：在一定的發(fā)動機負荷、轉速下，對應最大的功率和最低的燃油消耗率的點火提前角。

點火調整特性：

在一定的發(fā)動機轉速、一定的節(jié)氣門開度下，Ne與ge隨點火提前角的改變而變化的規(guī)律。a）節(jié)氣門全開b）轉速n=1600r/min2．混合氣成份

用過量空氣系數(shù)α表示。1）α=0.85-0.95時，火焰?zhèn)鞑ニ俣萿最大,用此混合氣時，發(fā)動機的功率達最大，故稱功率混合氣。供給功率混合氣時,爆燃傾向加大火焰?zhèn)鞑ソ缦蓿?/p>

0.5<α<1.3。圖5-7α對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?）低負荷或怠速時→較濃的混合氣殘余廢氣多，會引起斷火；燃燒速度慢，發(fā)動機易過熱；高溫未燃成分在排氣管口與空氣相遇而激烈氧化，排氣管放炮。α=0.4~0.5為火焰?zhèn)鞑ド舷蕖?）α=1.05-1.15時，為經(jīng)濟混合氣

燃燒最完全，熱效率最高，油耗最低。但混合氣過稀，燃燒緩慢，含氧高的高溫廢氣能點燃進氣管新鮮混合氣→化油器回火。α=1.3~1.4為火焰?zhèn)鞑ハ孪蕖?)混合氣成份調整特性:

在汽油機轉速，節(jié)氣門開度一定，點火提前角最佳時,性能指標(功率Ne與燃油消耗率ge等)隨混合氣成份而變化的規(guī)律。3.發(fā)動機轉速n

圖5-9渦流狀況對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

a)無渦流b)有渦流

n↑→

最佳點火提前角↑（圖5-6），所以發(fā)動機上裝有離心式點火自動提前裝置。n↑→t1↓

→ηv↓→缸內r↑→末端混合氣的焰前反應↓→t2↑→爆燃傾向↓。

所以發(fā)動機在低速運轉時最易發(fā)生爆燃。n↑→缸內混合氣的渦流運動（紊流）↑,

燃料與空氣的混合得到改善；壓縮過程的放熱量↓→缸內壓力、溫度↑

→火焰?zhèn)鞑ニ俣取?.發(fā)動機負荷

負荷↑→缸內溫度、壓力↑

→滯燃期↓→t1↓

→末端混合氣的焰前反應↑→t2↓

→爆燃傾向↑。負荷↑→燃燒所占的曲軸轉角↑

→最佳點火提前角↓。（圖5-6）

所以發(fā)動機上裝有真空式點火提前裝置。

5.其他因素

進氣溫度↑

、冷卻水溫度↑、燃燒室壁積碳、進氣壓力↑→爆燃傾向↑。

總之，發(fā)動機在低速、大負荷時，最易發(fā)生爆燃。

在使用中，調整點火提前角應在低速、大負荷工況下進行。三、結構因素的影響（一）壓縮比

1、ε↑時：缸內燃燒的最高溫度、最高壓力↑，ηi↑

ge

↓。但爆燃傾向↑，表面點火傾向↑

。

2、ε↑→Ne↑、ge↓，但受到爆燃的限制，要防止爆燃：

a.改進燃燒室的設計；

b.提高汽油的辛烷值。（二）燃燒室1.對燃燒室的要求：

1)容積分布要合理。要有適宜的放熱規(guī)律。

放熱規(guī)律:燃油燃燒時的放熱率隨曲軸轉角而變化的規(guī)律。

適宜的放熱規(guī)律能夠使燃油釋放的熱量充分利用,發(fā)動機工作柔和，運轉平穩(wěn)。

燃燒初期壓力升高率小，工作柔和；燃燒中期急劇放熱，循環(huán)功大；燃燒后期補燃少，ηi↑圖5-10燃燒室容積分布對燃過程的影響

2)應具有良好的抗爆性。A.結構盡量緊湊面容比?。冶砻娣e與容積之比）火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短，爆燃↓散熱面積小，ηt↑激冷區(qū)小，HC↓

B.燃燒室內的混合氣要有適當?shù)臏u流強度(進氣渦流、擠氣渦流)。進氣渦流：利用進氣口和進氣道的形狀（切線和螺旋線）形成的渦流。擠氣渦流：利用活塞頂部和缸蓋底部狹小間隙在壓縮時擠進的渦流。

C.降低末端混合氣的溫度（在汽缸蓋擠氣間隙處布置冷卻水套）。3）火花塞的位置要安排適當—應裝在燃燒室中央偏離排氣門處。適中—火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短t1↓爆燃↓

靠排氣門—t2↑爆燃↓

靠進氣門—著火穩(wěn)定4）盡量增加進氣量進氣口直徑大、彎少光滑（三）氣缸直徑dd↑→面容比↓,→傳熱損失↓→經(jīng)濟性↑。但火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x↑→t1↑→爆燃傾向↑。

對車用汽油機，d一般小于100mm。（四）氣缸蓋和活塞的材料

常用鑄鐵、鋁。鋁的導熱性好，鋁制汽缸蓋的表面溫度低，熱負荷小，爆燃傾向↓，許用的壓縮比↑。（五）冷卻方式

水冷比風冷的爆燃傾向小，許用的壓縮比高。

燃燒的基礎知識第一節(jié)內燃機的燃料和性質石油的主要成分：碳氫化合物，占96%~99%，少量O、N、S等，占1%~4%碳氫化合物簡稱“烴”，據(jù)組成和結構的不同分烷烴、烯烴、環(huán)烷烴、芳香烴等，C和H的不同構成不同分子量、不同沸點的物質，汽油和柴油通過石油蒸餾獲得。一、汽油的使用特性1.蒸發(fā)性指標：餾程和蒸汽壓餾程：汽油餾出的溫度范圍

10%的餾出溫度：低，冷啟動性好；過低，易氣阻。

50%的餾出溫度：低，平均揮發(fā)性好，汽車的加速性和平穩(wěn)性好，暖機時間短。

90%的餾出溫度：標志含有難揮發(fā)的重質成分。高，則重質成分多，易形成積炭，從而稀釋機油。蒸汽壓：高，蒸發(fā)性強，易起動，但易氣阻和蒸發(fā)損失大。夏季不大于67KPa，冬季不大于80KPa。2.抗暴性指標：辛烷值—ON正庚烷C7H16—辛烷值定為0異辛烷C8H18—辛烷值定為100二者混合液與汽油的爆燃程度進行比較—汽油的辛烷值，即混合液中異辛烷的體積百分數(shù)研究法辛烷值—RON馬達法辛烷值—MON二者之差為汽油的靈敏度，是衡量抗暴性隨著燃燒條件而變化的尺度。

MON=RON×0.8+10車用汽油按MON分70、75、80、85號4種牌號新標準按RON分90、97號2個