汽车发动机原理汇总.docx
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汽车发动机原理汇总
汽车发动机原理
第一章发动机的性能
第一节发动机理论循环
实际工作过程的抽象。
寻找提高发动机性能的基本方向。
简化条件：
1、理想气体。
2、闭口系统，封闭循环。
3、绝热压缩，绝热膨胀。
4、定容加热，定压加热，定容放热。
一、定容加热循环：
a-c绝热压缩。
c-z定容加热。
z-b绝热膨胀。
b-a定容放热。
ε：
压缩比；
VaVh+Vc
ε==
VcVc
Va气缸总容积。
Vc气缸压缩容积
Vh气缸工作容积。
λ压力升高比；
Pz
λ=
Pc
k绝热指数；
1
循环热效率：
ηT=1-
εk-1
εkPa
循环平均压力：
Pt=（λ-1）ηT
ε-1k-1
二、
定压加热循环：
a-z1绝热压缩；
z1-z2定压加热；
z2-b绝热膨胀；
b-a定容放热；
循环热效率。
循环平均压力。
三、混合加热循环:
a-c绝热压缩；
c-z1定容加热；
z1-z2定压加热；
z2-b绝热膨胀；
b-a定容放热；
ρ预膨胀比；
Vz
ρ=
Vz1
δ后膨胀比；
Vb
δ=
Vz
四、理论循环的分析：
1、压缩比：
压缩比提高循环热效率，循环
平均压力都能提高。
当压缩比大于12时，循环热效率上升得缓慢。
当压缩比提高时，最大爆发压力增加，汽油机
全发生不正常燃烧，压缩比只能在6~11之间。
2、
绝热指数K：
K提高循环热效率提高。
空气K=1.4。
浓混合气K下降，ηT下降。
稀混合气K上降，ΗT上降。
3、加热量Q1：
定容加热循环加热量增加，则压力升高比增加，当压缩比一定时，放热量同时增加，Q2/Q1不变，因此，循环热效率不变。
但是，实际发动机当负荷增加时，每循环所消耗的燃料增大，即加热量增高，而气体的K值随温度的增高而减少，使热效率降低。
只有在负荷一定的一定范围内，热效率的变化不大。
加热量增加，压力升高比增加，循环平均压力增加。
定压加热循环：
加热量增加，预膨胀比增加。
当压缩比一定时，预膨胀比增加，循环热效率下降，循环平均压力增加。
加热量越多，循环所做的功越多。
但是，最后所加的部分热量的时间距上止点越远，该加热量作功的机会越少，即膨胀比越小，因而循环热效率减少。
实际柴油机在重负荷时内部热效率减低，除了随预膨胀比的关系外，还有K随温度而变化的影响。
温度增加，K值下降，循环热效率下降。
混合加热循环：
加热量对热效率的影响比较复杂。
循环热效率的高低决定于加热后工质膨胀比的大小，膨胀比越大，即工质膨胀越充分，则热效率越高。
而压缩比高只不过是提高膨胀比的一个条件。
混合加热循环中，总的加热量一定，而定容加热和定压加热的比例不同时，则热效率不同。
当总的加热量一定时，定容加热部分越大，即压力升高比越大，则循环热效率越高。
结论：
1、增加压缩比，可以提高工质的最高温度，扩了循环的温度梯度，达到了发动机较大膨胀比，因而提高了循环热效率，但是，循环热效率的提高随压缩比的增加而逐渐降低。
2、增大压力升高率，可以增加混合循环中等容部分的加热量，提高了热量的利润率，因而也提高了循环热效率。
3、压缩比和压力升高率的增长，将伴随着最高循环压力的急剧上升。
4、增大预膨胀比，可以提高循规蹈矩环平均压力，但是由于等压部分加热量增加，而这部分加热量是在膨胀比孤低的情况下加入的，因而循环热效率随之降低。
3、指数K越大则循环热效率越高。
4、现有水平：
柴油机：
ε=12—22，Pz=5—14Mpa，λ=1.3—2.2。
汽油机：
ε=6—11，Pz=3—8.5Mpa，λ=2.0—4.0。
第二节四冲程发动机的实际循环
四冲程发动机示功图。
一、
进气过程
进气终点压力Pa，排气终点压力Pr。
汽油机：
Pa=（0.8~0.9）P0,Ta=340~380k。
柴油机：
Pa=（0.85~0.95）P0,
Ta=300~340k。
增压柴油机：
Pa=（0.9~1.0）PK，
Ta=320~380k。
PK=（1.3~1.6）P0。
进气终了时的进气温度Ta高于大气温度。
进气压力越高，进气温度越低，表示进入
气缸的空气越多。
燃烧过程可能放出的热
量也越多，发动机的动力性越好。
二、压缩过程
增大工作过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热效率，为燃烧过程创造有利的条件。
多变指数n1：
汽油机：
1.32~1.38。
高速柴油机:
1.38~1.40。
增压柴油机：
1.35~1.37。
多变指数n1主要受到与气缸壁热交换及工质泄露情况的影响。
气缸壁温度越低n1越低。
转速越高，n1越高。
漏气越严重，n1越低。
Pc=Pa*εn1
Tc=Ta*εn1-1。
Pc（Kpa）
Tc（k）
ε
汽油机
800-2000
600–750
6-10
柴油机
3000-5000
750–1000
14-22
增压柴油机
5000-8000
900–1100
12-15
密封问题。
起动问题。
三、燃烧过程
Pz（kpa）
Tz（k）
汽油机
3000~6500
2200~2800
柴油机
4500~9000
1800~2200
增压柴油机
9000~13000
四、膨胀过程
多变指数n2：
汽油机：
1.23~1.28。
柴油机:
1.15~1.28。
多变指数的影响因素：
补燃的多少，工质与缸壁间的热交换及漏气。
转速高，补燃增多，温度和漏气减少，n2下降。
燃烧不良，补燃增多，n2下降。
漏气增多，n2上升。
缸径下降，相对散热表面积增加，传热增加，n2上升。
汽油机：
柴油机：
δ：
后膨胀比。
Pb（kpa）
Tb（k）
汽油机
300~600
1200~1500
柴油机
200~500
1000~1200
五、排气过程
汽油机和柴油机：
Pc=（1.05~1.20）P0（kpa）
废气涡轮增压柴油机：
Pr=（1.05~1.20）Pk（kpa）
汽油机：
Tr=900~1100k（627~827c）
柴油机：
Tr=700~900k（427~627c）
排气温度用来检查发动机工作状态。
正功，负功，泵气损失。
增压机都是正功。
第三节实际循环的评定—指示指标
以工质在气缸内对活塞做功为基础。
一、平均有效压力Pmi
指示功Wi：
实际循环工质对活塞所做的有用功。
Pmi：
发动机单位气缸工作容积的批示功。
A：
活塞面积。
S：
活塞冲程。
汽油机：
700~1300（kpa）
柴油机：
650~1100（kpa）
增压柴油机：
900~2500（kpa）
二、指标功率
发动机单位时间所做的指标功。
τ：
冲程数，四冲程为4，二冲程为2。
三、指标热效率ηi和指标燃油消耗率bi
汽油机：
ηi0.25 -0.40bi205-320（g/kw.h）
柴油机:
ηi0.40-0.50bi170-205（g/kw.h）
第三节发动机经济性和动力性的评定
有效指标:
以曲轴对外输出的功率为基础.
一、动力性能
1、有效功率Pe
Pe=Pi-Pm（Pm机械损失功率）
2、有效扭矩Tiq
Pe=0.1047Tiq*n*10-3
3、平均有效压力Pmi
单位气缸工作容积输出的有效功。
平均有效压力是发动机动力性的重要指标。
标志着发动机的工作过程组织及工艺的完善程度。
汽油机：
650~1200（kpa）
柴油机：
600~900（kpa）
增压柴油机：
800~2200（kpa）
汽车用通常为：
900~1300（kpa）
4、转速n和活塞平均速度Cm
Sn
Cm=（m/s）
30
汽油机：
〈15m/s柴油机：
〈13m/s
n、Cm、S/D值的范围：
n
Cm
S/D
小客车汽油机
5000~8000
12~18
0.7~1.0
载重车汽油机
3600~4500
10~15
0.8~1.2
汽车柴油机
2000~5000
9~15
0.75~1.2
增压柴油机
1500~4000
8~12
0.9~1.3
二、发动机经济性能
1、有效热效率
We
ηe=
Q1
2、有效燃油消耗率bi（g/kw.h）
ηebi
汽油机：
0.25~0.3270~325
柴油机:
0.3~0.4214~285
增压柴油机0.4~0.45190~218
3、发动机强化指标
升功率PL（kw/L）和比重量me（kg/kw）
强化系数Pme*Cm（Mpa．M/S）
第五节发动机其它性能评定
第六节机械效率
Pm占Pi10~30%.
一、机械效率
PePmePmPmm
ηm===1－=1－
PiPmiPiPmi
汽油机：
0.7~0.9
柴油机：
0.7~0.85
二、机械损失的测定
1、倒拖法
1）、发动机与电力测功机相连；
2）、稳定运转，转速稳定，冷却水温度，机油温度正常；
3）、熄火，电力测功机转化成电动机；
4）、拖动发动机，维持冷却水和机油温度不变；
5）、测拖动功率，（各种转速）；
测量条件现着火运转条件不同。
精度较高。
可测各种转速的机械效率。
可测各种附件的机械损失。
汽油机误差±5%。
柴油机误差较大。
2、灭缸法
仅适用于多缸机。
1）、发动机稳定工况运转；
2）、测发动机功率；
3）、停一缸；
4）、恢复转速；
5）、测Pe1；
6）、依次停某缸，重复3）以后的工作。
Pi1=Pe－Pe1
Pi2=Pe－Pe2
．．．．．．
Pi=Pi1+Pi2+．．．．．．．
=iPe－（Pe1+Pe2+．．．．．．）
则：
Pm=（i－1）Pe－（Pe1+Pe2+．．．．．．）
柴油机精度较高,误差±5%。
汽油机进气影响较大。
3、油耗线法
发动机转速不变，测负荷特性。
误差大，仅适用于柴油机。
三、影响机械损失的因素
1、气缸内的最高燃烧压力。
环，环背压，侧压力，轴承负荷；
零件加大，惯性力增加；
凡是导致爆发压力上升的因素都将增加机械损失，压缩比、燃烧规律、喷油规律、点火提前角、喷油提前角等。
2、转速和活塞平均速度
转速增加，磨擦损失增加，惯性力增加，侧压力增加，轴承负荷增加。
泵气损失增加，附件损失增加。
3、负荷
转速一定时，负荷减小，Pmi下降而Pmm变化很小，所以机械效率下降。
车用发动机经常在高转速低负荷下工作，因此，提高其机械效率尤其重要。
4、气缸尺寸和数目
当发动机的活塞平均速度保持不变量，机械损失随缸径加大而减少。
多缸机附件损失小，机械效率较高。
5、润滑油品质和冷却水温度
粘度对磨擦损失有重大影响。
粘度大，磨擦损失大。
润滑油应保证良好的润滑状态。
冷却水温度80~95OC。
第七节热平衡
一、实际循环热平衡
图1－19。
提高实际循环热效率的途径：
1提高压缩比。
汽油机提高压缩比受爆燃的限制。
柴油机提高压缩比受最大爆发压力和加工精度的限制。
2、组织良好的燃烧过程，减少燃烧不完全。
汽油机的技术障碍是稀燃。
柴油机的技术障碍是混合气的形成和组织燃烧良好的燃烧过程。
二、发动机的热平衡
表1－3。
形式
qe
qs
qr
qb
qt
汽油机
25~30
12~27
30~50
0~4.5
3~10
柴油机
30~40
15~35
25~45
0~5
2~5
增压柴油机
35~45
10~25
25~40
0~5
2~5
第二章发动机的换气过程
一、换气过程
410~480OCA。
自由排气，强制排气，进气，燃烧室扫气。
自由排气阶段的划分。
从排气门打开到缸内压力与管内压力相等到时。
自由排气阶段的特点：
1、自由排气阶段前期，至P/Pr=1．893时为排气过程的超临界状态。
2、超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启面积。
3、排气速度很高，当排气温度为700~1100k时，可达500~700s/m。
4、废气排出时在60%以上。
强制排气阶段：
强制排气需要消耗功。
排气提前角（30~80OCA），排气迟闭角（10~35OCA）。
进气过程：
进气提前角（0~40OCA），进气迟闭角（40~70OCA）。
气门重叠：
利用燃烧室扫气，防止废气倒流。
配气定时：
图2-2。
二、换气损失图2-3。
1、排气损失
自由排气损失（w），强制排气损失（y）。
降低排气损失的方法：
减少排气系统的阻力。
减少排气门处的流动损失。
2、进气损失
面积X。
进气系统的阻力，进气过程中气缸压力低于进气管压力。
泵气损失。
图中x+y－d。
第二节四冲程发动机的充气效率
一、充气效率ηV
充气效率是评价不同发动机换气过程组织的完善程度的指标。
实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的比值。
进气状态：
非增压机是当时当地的大气状态。
增压机是增压器出口状态。
⊿mV1
ηV==
⊿msVs
V1：
测量发动机每小时的实际充气量。
（m3/h）。
Vs=Vh/1000*i*n/2*60Vh：
工作容积。
n：
转速。
i：
缸数。
柴油机：
0.75~0.9
汽油机:
0.70~0.85
二、影响充气效率的因素
残余废气系数γ：
进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸中新鲜充量的比值。
1、进气终点压力Pa
Pa高ηV大。
Pa=Ps-⊿Pa⊿Pa=λ*ρ*V2/2
⊿Pa：
进气系统阻力引起的压力降。
λ：
阻力系数。
V：
流速。
λ、V2增大，⊿Pa增加，Pa下降。
汽车发动机工况的变化包括转速变化和负荷变化。
节气门开度一定而转速增大时，Pa下降。
当车速一定（发动机转速一定），外界负荷变化时，由于柴油机和汽油机负荷调节方式不同，因而对充气效率的影响不同。
柴油机负荷调节方式是质调节。
空气量不变，改变喷油量。
当转速不变，进气无节流，⊿Pa基本不变，Pa基本不变，ηV基本不变。
汽油机负荷调节方式是量调节。
改变节气门的开度调节进入气缸内混合气的量的多少。
节气门开度小，虽然转速一定，但节流损失加大，Pa下降，ηV下降迅速。
2、进气终点温度Ta
Ta增高，ηV下降。
3、残余废气系数γ
γ增多，ηV下降。
燃烧恶化，对经济性排放指标的影响。
压缩比上升，残余废气系数下降。
增压柴油机：
0．00~0．03
非增压柴油机：
0．03~0．06
汽油机:
0．06~0．16
Pr高,γ上升,ηV下降。
Pr决定于排气系统阻力。
汽油机低负荷，γ大大增加。
4、配气定时
选择最佳的配气定时。
进气迟闭角影响最大。
5、压缩比
压缩比增加，残余废气减少，充气效率有所增加。
6、进气状态
进气温度Ts（T0）增高，新鲜充量加热少，充气效率增大。
进气压力Ps下降，若进气阻力不变，进气终点压力Pa下降，Pa/Ps比值基本不变，对充气效率影响不大。
实际上Ts（T0）上升，Ps（P0）下降，实际进气量减少。
这是由于定义中的同一进气状态下引起的。
第三节减少进气系统阻力
一、
进气门处的流动损失
1、时面值
时面值为：
∫fdt
=1/6*n∫fdφ
气体流量为：
m=ρVm∫fdt
=ρVm*1/6*n∫fdφ
2、进气马赫数M
进气门处气流平均速度Vm与该处音速之比。
Vm
M=
a
Vm：
实际进入气缸的新鲜充量与进气门处的效时面值之比。
ηvVS
Vm=
F（t）
F（t）=μmFm（t）（ｔC－ｔＯ）
＝μmFm（t）（θＣ－θO）/6/n
经推导：
DCm
M∝（）2
daμm（θＣ－θO）
D：
活塞直径。
D：
气门直径。
θＣ、θO：
气门关和开的角度。
充气效率与平均马赫数的关系：
当M为0.5左右时急剧下降。
3、加大进气门直径。
控制气门处进气流速（65~70m/s），轿车75m/s。
进气门大排气门小。
排气流速100m/s。
多气门结构。
4、适当增加气门升程，设计良好的配气凸轮型线。
适宜的配气相位。
二、进气道和进气管
敏感区。
进气涡流。
流通面积，流动阻力。
汽油机燃料的蒸发与雾化，分配。
进气管的形状对充气效率有影响。
三、空气滤清器的阻力
滤清效果与原始阻力的矛盾。
四、化油器的阻力
雾化与阻力的矛盾。
第四节合理选择配气定时
进气迟闭角对ηv影响最大。
1、
充气效率与转速间的关系。
某一转速充气效率的最大值，
在这一转速，能够充分利用惯性
充气，高之，惯性增加，但气门已
关，不能进入，同时流动阻力增加，
充气效率下降。
低之，惯性减小，
充气效率下降。
2、不同的进气迟闭角对发动机动力性的影响。
加大进气迟闭角，高转速充气效率增加，最大功率增加，但中低速动力性能下降。
减小进气迟闭角，最大扭矩提高，而且向低转速移动，但牺牲了最大功率。
调整进气迟闭角可以调整充气效率与转速间的关系，从而调整发动机不同转速时的动力性能。
高速机进气迟闭角加大，提高发动机的高速性能。
高速柴油机加大进气迟闭角，会引进压缩终点的温度降低，影响发动机的起动性能。
3、排气提前角的选择。
保证排气损失最小，排气门尽量晚开，加大膨胀比，提高热效率。
自由排气时间不宜太长（10~30O）。
以减少泵气损失。
高速机同样的自由排气时间（以S计），所相当的曲轴转角大，应加大排气提前角。
4、气门重叠角的选择
非增压机：
20~60O。
增压机：
80~160O。
高速机应加大气门重叠角。
车用发动机低速小负荷时进气管真空度大，为防止废气倒流，改善低速性能和怠速稳定性，气门重叠角小。
车用增压发动机为利用燃烧室扫气加在气门重叠角，提高充气效率以提高发动机的高速性能。
然而，为保证发动机的低速性能，宜采用较小的气门重叠角。
5、可变配气相位问题。
第五节进气管动态效应
利用进排气管中发生的压力波动，是提高高转速时的充气系数的有力手段之一。
进气管越长，由于进气阻力增大，充气系数理应下降，但是，实际上情况并非如此，适当的管长，在特定转速下充气效率会提高。
一、惯性效应
气门初开缸内产生负压进气管内产生很大的负压气缸内产生膨胀波传到开口，形成反射压缩波。
当压缩波反射到气缸后，使气缸内压力上升。
如果管长适当，使膨胀波发出到期压缩波回到气缸处所经历的时间正好与进气管从开启到关闭所需的时间配合，使压缩波到达气缸时，进气门正好处于关闭前夕，从而提高了进气压力，达到增压的目的。
二、波动效应
进气门关进气管内产生压缩波（正）传到管口反射膨胀波（负）（由于边界条件开口型）又向进气门处反射，若气门尚未打开，则边界条件为封闭型，反射膨胀波（负）传到管口
反射压缩波（正）再向气门处反射，周而复始，气波在进气管中来回
传播，进气门处的压力时高时低。
如果正压力波与下一循环的进乞过程重
合，就能使进气终了时压力增高，因而提高充气效率。
三、转速与管长
四、排气管动态效应
排气门打开初期，在排气门处产生正压缩波并向管口端传播，在出口端又返回负膨胀波，若能在排气过程后期，特别是气门重叠期，使排气门端形成稳定的负压，便可减少缸内残余废气和泵气损失，并有利于新气进入气缸。
排气压力波传播速度快，在适用范围内，需要配以长的管路。
五、实用问题
1、单缸机好用。
2、多缸机的干涉现象。
3、特定转速作用大。
第六节可变技术
第七节二行程发动机的换气过程
一、二行程发动机的换气过程
特点：
1、换气过程仅有130~150OCA。
为四行程的1/3~1/4。
2、用新鲜充量扫除废气。
3、换气过程组织比较困难。
扫气泵类型：
1、曲轴箱扫气。
曲轴箱压缩比1.3~1.55。
充气效率0.6~0.7。
Pb=108kpa左右。
2、扫气泵Pk=109~150kpa。
3、废气涡轮增压。
Pk=140~200kpa
二、换气系统的基本型式
1、横流扫气。
2、回流扫气
3、直流扫气
第三章燃料与燃烧
第一节发动机的燃料
第二节燃料的使用
一、柴油：
1、低温流动性和雾化性：
1）、凝点
我国轻柴油是根据凝点编号的。
2）、粘度
粘度大，流动困难，泵油不可靠，燃料除气困难，雾化变差，导致燃料与空气混合不均匀，降低功率和经济性。
粘度低，润滑不良，漏油增加，贯穿度下降。
2、蒸发性和发大性
1）、馏程
喷入燃烧室中的燃料是在汽化以后着火燃烧的，从燃料喷入燃烧室到开始燃烧的着火落后期中燃料的蒸发速度和蒸发量与燃料的蒸发性有很大的关系，而蒸发速度对柴油机混合气形成速度影响很大。
高速柴油机混合气形式时间极短，对燃料的蒸发性要求极高。
馏分组成过重的燃料不易蒸发完全，不能极时形成均匀的工作混合气补燃增多，且未蒸发的燃料在高温下发生热分解，形成难于燃烧的碳粒，结果发动机排气温度增高，热损失增加，积炭严重，排气冒烟。
馏分过轻，发火性差，着火落后期中蒸发量大。
当火焰出现时，所有已喷出的轻馏分都几乎瞬时参加燃烧，结果压力升高率增大，柴油机工作粗暴。
预燃室涡流室可以用较重馏分柴油，直喷式反之。
2）、自燃性（发火性）
柴油机要求自燃性好的，即着火落后期短的燃料。
十六烷值，评定自燃性指标。
低十六烷值柴油滞燃期长，压力升高比大，引起工作粗暴，加速机件的磨损。
高十六烷值柴油，馏分重，燃料的蒸发性差，易裂化，以致排烟，同时燃料消耗率增加。
高速机：
40~50。
3、柴油的品种和规格
二、汽油：
1、汽油的蒸发性
10%馏出温度越低，低温起动性越有利，但抗汽阻能力差。
50%馏出温度越低，暖机，加速性，分配性越好。
进气管内有一半左右燃料蒸发。
90%馏出温度越低，燃烧好积
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