1、 第二章 内燃机的工作指标 内燃机的工作指标 : 动力性能指标 ： 指单位时间内做功能力的大小，反映能量转换中数量方面的大小。 经济性能指标 ： 指单位时间单位功率消耗燃料量多少，反映能量转换中质量的好坏。 运转性能指标 ： 指内燃机的起动性、振动性和排放性等方面指标 耐久性能指标 ： 指大修或更换零件之间的最长运行时间与无故障长期工作能力。 第一节、内燃机指标性能指标 1.示功图：是指气缸内压力随曲轴转角 (或气缸容积 )而变化的关系的图形。 p V 示功图或 p 示功图。 2.指示性能指标 动力性指标 ：指示功率： 内燃机单位时间内所作的指示功 指示功： 指气缸内完成一个工作循环所得到的有
2、用功 Wi 平均指示压力： 发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功 经济性指标：指示燃油消耗率：单 位指示功率消耗的燃料量 指示热效率： 发动机实际循环指示功与所消耗燃料热量的比值 内燃机的指示指标是指工质对活塞做功为基础的指标； 第二节、有效性能指标 ( ) 是指曲轴输出的相关指标； 1.指示性能指标 有效功率： 有效功率与指示功率之比称为 机械效率 Pe=Pi-Pm 有效功： 转矩 Ttq（标定工况 Ttqn）： 升功率： 在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率 平均有效压力： 是一个假想的、平均不变的压力作用在活塞顶上，使活塞移动一个行程所做的功等于每循环所做的有效功 经济
3、性指标：有效燃油消耗率： 单位有效功的耗油量， g (kW h) 有效热效率； 实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值 两个重要的概念： 充量系数 c： 内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量 m1 与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充量 msh 之比 过量空气系数 a： 燃烧 lkg燃料的实际空气量与理论空气量之比 第三节、机械损失与机械效率 1.两个概念： 机械损失功率： 运动件的摩擦功率以及驱动风扇、机油泵、燃油泵、发电机等附件所消耗的功率，这些消耗功率的总和称为机械损失功率 Pm 平均机械损失压力： 2.机械损失的组成 活塞与活塞环的摩擦损失 (40%65%) 轴承与气门
4、机构的摩擦损失 (10%15%) 驱动附属机构的功率消耗 (10%20%) 风阻损失 驱动扫气泵及增压器的损失 (10%20%) 3.机械损失的测定 ：示功图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法 。每种方法的适用范围。 倒拖法：只能用于配有电力测功器的情况，因而不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。 灭缸法：只适用于自然吸气式多缸柴油机。 油耗线法： 示功图法： 示功图法一般用于当上止点位置能得到精确标定时 第四节、提高内燃机动力性能与经济性能的途径 ( ) 1.采用增压技术 2.合理组织燃烧过程，提高循环指 示效率 3.改善换气过程，提高气缸的充量系数 4.提高发动机转速
5、 5.提高内燃机的机械效率 6.采用二冲程提高升功率 第三章 内燃机的工作循环 第一节、内燃机理论循环 )1(1 1111 112 kqq kkt 提高压缩比，可以提高工质的最高温度，从而提高了 ,但提高率逐渐降低。 增大压力升高比可以增加混合加热循环中等容部分的加热量，提高了热量利用率，从而提高了循环热效率。 压缩比以及压力升高比的增加，将导致最高循环压力 pz 的急剧上升。 初始膨胀比可以提高循环平均压力，但等压部分加热量增加 ，导致循环热效率下降。 绝热指数 k 增大，循环热效率上升。 2.内燃机的三种理论循环 : 1）混合加热循环； 2）定容加热循环（奥托 OTTO 循环）； 3）定压
6、加热循环 第二节、内燃机实际循环 实际循环与理论循环的区别 1)工质的影响 工质成分的变化： 理论循环：工质是理想的双原子气体，并假定其物理化学性质在整个循环过程中是不变的 实际循环：燃烧前：工质是由新鲜空气、燃料蒸气和上一循环残余废气等组成的混合气体；燃烧过程中及燃烧后：工质的成分及数量不断发生着变化，三原子气体占多数，其比热容比两原子气体大，且随着温度的 上升而增大，在燃烧产物中还存在着一些成分的高温分解以及在膨胀过程中的复合放热现象。 工质比热的变化：比容增大，意味着同样的加热量在实际循环中所引起的压力和温度的升高比理论循环低，循环所作的功减少了，循环热效率低。 工质的高温分解： 工质摩
7、尔数的变化： 2)换气损失 理论循环：闭 式循环，没有工质的更换，也没有任何形式的流动阻力损失。 实际循环：吸入新鲜空气与燃料，然后在合适时候排出燃烧废气，这是循环过程得以周而复始进行所必不可少的。有流动损失。 3)传热损失 ： 理论循环：假设与工质相接触的气缸壁面是绝热的，两者间不存在热量的交换，因而没有传热损失。 实际循环：缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等 (统称壁面 )与缸内工质直接相接触的表面，始终与工质发生着热量交换。 4)燃烧损失 理论循环：外界热源向工质在一定条件下的加热过程；燃烧 (加热 )速度在等容加热条件下，热源向工质的加热速度极快，在容积不 变条件下瞬时完成；在等压加
8、热条件下，加热的速度是与活塞的运动速度相配合的，以保持缸内压力不变。 实际循环：实际的燃烧过程需要经历着火准备、火焰传播与扩散、后燃等环节，燃烧速度受到多种因素的制约，与理论循环有很大的差异。 第三节、内燃机的燃料及燃料热化学 柴油与汽油性质的不同是造成柴油机与汽油机各种特征不同的根本原因之一。 1.柴油的理化性质 ：自燃性和低温流动性 我国的柴油是以 凝点 来标号的。 能够使柴油自行着火的最低温度称为 自燃温度 。柴油的自燃性用 十六烷值 衡量。 用两种自燃性能截然不同的标准燃料作比较： 一种是 正十六烷 C16H34，自燃性很好，其十六烷值定义为 100； 一种是 -甲基萘 ，自燃性很差，
9、其十六烷值定义为 0。 十六烷值高的柴油，其自燃温度 低 ，滞燃期 短 ，有利于发动机的 冷起动 ，适合于高速柴油机使用。过高十六烷值的柴油在燃烧过程中容易 裂解 ，造成排气过程中的 碳烟 。 2.汽油的的理化性质 ：挥发性和抗爆性 燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的 抗爆性 。汽油的抗爆性以 辛烷值 来表示。 我国生产的汽油是按 研究法辛烷值 RON 分级的。一般有 90#、 93#、 97#几种规格。 汽油的不同馏出温度对发动机性能的 影响。 3.燃料的燃烧（热化学） 会计算燃料燃烧的化学计量空燃比 柴油、汽油： 0 =1/0.23*(8/3gc+8gH - gO) kg/(1kg
10、 燃料 ) 4.废气再循环（ EGR） 残余废气系数： 废气再循环： 第四节、内燃机的热平衡 第四章 内燃机的换气过程 第一节 四冲程内燃机的换气过程 配气相位 1、排气过程 （ 1） 自由排气阶段 ：从排气门提前开启到气缸压力接近排气管内压力的时期 排气门为什么要提前开启？ 1)由于受配气机构的结构限制，气门在开启过程中只能逐渐加大其流通截面。早开启为了增大流通截面积。 2)如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启，则排气门流通截面增加过缓，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。 （ 2） 强制排气阶段 ：活塞强行将废气推出阶段。 排气门为什么要迟关？
11、 1）随 着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体流经气门的节流作用加强，因而在上止点附近，气缸压力再次升高，其直接后果是，排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了，这对于换气与燃烧过程都不利。 2）排气迟闭期间，可以利用缸内气体流动惯性从气缸内抽吸部分废气，多排气。 排气提前角：一般范围（ 30-80 度曲轴转角） 原因： 排气门开启需要时间、利用缸内压力排气、减小活塞上行时的排气阻力 排气迟闭及排气迟闭角：利用排气的流动惯性实现过后排气、避免在上止点附近增加排气阻力、迟闭角过大会导致排气倒流 2、进气过程：从进 气门提前开启到进气门迟后关闭的全过程 进气提前开启 ：为了使得在进气过程
12、开始时，进气门有一定的流通截面，以减少进气过程的阻力，增加进入气缸的新鲜充量，进气门一般也在上止点前提前开启，称为进气提前，进气提前角为 1040 (CA)。 推迟关闭 ：为利用在吸气过程中形成的进气管内气流流动惯性，实现气缸过后充气，进气门不在下止点关闭，而在下止点过后的一定角度时延迟关闭，即进气迟闭。这样有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。进气迟闭角一般为 2060(CA) 但过大的进气迟闭角，使发动 机的冷起动困难。 当转速降低时（起动时），气流惯性小，进气不足。 低速时，发生缸内气流倒流进入进气管的现象，会影响有效压缩比，从而使压缩终了温度、压力降低，影响起动。
13、3、气门叠开和燃烧室扫气过程 1） 气门叠开现象 ：进、排气门同时开启，进排气门和燃烧室三者联通 2） 气门叠开的作用 ： 扫气：有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的； 冷却：可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。 3） 气门叠开角的大小 a.点燃式内燃机：气门叠开角一般都是比较小的。 b.非增压柴油机：气门叠开角可稍大些 ，在 2050(CA)范围内。 c.增压柴油机：采用比非增压大的气门叠开角，一般为 80140(CA)。 汽油机：新鲜充量是油气混合气，叠开角过大会排出混合气，废气倒流造成回火。 柴油机：叠开角可较大，增强扫气和冷却效果 第二节 、四冲程内燃机
14、的换气损失 换气损失： 理论循环换气功与实际循环换气功之差 x+y+w 泵气损失：与 理论循环相比，发动机的活塞在泵气过程中所造成的功的损失 x+y-u 泵气功： 缸内气体对活塞在强制排气过程和吸气行程中所做的功 1.非增压内燃机的换气损失和增压内燃机的换气损失 2.排气损失的影响参数 排气提前角 排气提前角增大： w 面积增加， x 面积减小；排气提前角减少： x 面积增加 最有利的排气提前角应使面积（ W+X）之和最小 发动机转速的影响 转速增高时，发动机膨胀损失的增加幅度远远小于推出损失的增加幅度，而两者之和在总体上呈现增加的趋势。 降低排气损失的主要方法 :合理确定排气提前角，以有效地
15、减少排气过程中的损失。 3.进气损失 合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。 4.泵气损失与泵气功 一般而言 ，所有减少换气损失的措施以及以后将要讨论到的提高充量系数的途径，对降低泵气损失都是有利的。另由于二冲程内燃机没有单独的进、排气活塞行程，故泵气功为零。 第三节、提高内燃机充量系数的措施 1.充量系数 c： 内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量 m1 与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充量 msh 之比 2、 提高充量系数的措施 1)降低进气门处的流动损失 加大进气门直径，受到缸径限制，进气门直径大于排气门
16、直径 增加进气门数目：采用多气门的优缺点 2)采用可变配气系统技术（ VVT 等技术） 理想 的配气系统：气门升程和进气门迟闭角可随工况调整 高速时：增加升程和迟闭角，利用惯性过后充气；低速时：减小升程和迟闭角，以免倒流 3）合理利用进气谐振：采用可变进气系统：低速时长、细管，高速时短粗管。 4）降低排气阻力的流动阻力，减小 r 5)减少对充量的加热，降低 Ta 第四节 、内燃机的增压 1.内燃机的增压方式：机械增压；排气涡轮增压 2、废气涡轮增压器 1）离心式压气机的工作原理： 压气机的流量特性 1) 离心式压气机的特性曲线 在相同转速的条件下，压气机增压比 b 和效率 b 随压气机流量 q
17、mb 的 变化关系，称为压气机的流量特性，简称为压气机的特性。 2) 压气机的喘振与堵塞 喘振线是压气机稳定工作的边界。 3) 压气机的通用特性 压气机特性曲线中的参数，都是在一定的大气状态下测得的。 两种损失： 摩擦损失：因气体有粘性，在压缩机的流道中气体流动式会产生摩擦，造成流动摩擦损失。 撞击损失： 喘振的定义：当流量减小到某一值时，离心压缩机就不能稳定工作，发生强烈震动及噪音 ，这种不稳定工况称为“喘振工况”。 2）径流式涡轮的工作原理 3、涡轮增压系统 涡轮增压系统的两种工作方式：定压增压系统与脉冲增压系统 两种系统的优缺点和选型 定压增压系统： 脉冲增压系统： 选型： 内燃机在低增
18、压时宜采用脉冲增压系统，高增压时两种系统均可采用。车用发动机大部分时间是在部分负荷下工作，对加速性能和转矩特性要求较高，故较多采用脉冲增压系统。对于船用、发电等场合，由于变工况要求并不突出，对增压系统的空间安装位置也无严格限制，且增压度一般较高，故多采用定压增压系统。 4.采 用增压后发动机的改造 压缩比：适当降低，受爆压与爆燃的限制； 适当加大过量空气系数，降低热负荷； 供油系统：循环供油量需增加； 配气系统：配气相位； 进排气系统：进排气管； 增压中冷 5、 汽油机增压的特殊问题 爆燃： 增压后进气温度压力的提高使爆燃倾向增加， 因此要采取措施，降低进气温度。具体有：增压中冷、降低压缩比、
19、降低增压比等。 热负荷 汽油机过量空气系数小，燃气温度高，排温可达 800-900 度。 第五节 二冲程内燃机 的换气过程 1三个阶段： 自由排气阶段、扫气与强制排气阶段、过后排气与过后充气阶段 2.换气质量评价参数： 扫气系数 过量扫气系数 扫气系数越大说明残余废气越少，扫气效果越好。 过量扫气系数小，说明浪费的新鲜充量少，所作无用功也少 第五章 内燃机混合气的形成和燃 烧 第一节、内燃机缸内的气体流动 气体流动的方式 ：涡流、挤流、滚流、湍流。（定义） 1、涡流：在进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。 1）进气涡流的产生方法：采用带导气屏的进气门；切向气道；螺旋气道
20、 2） 气道的评定方法： 为了增加进气充量，气道的流动阻力越小越好； 气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度；希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。 3） 气道质量评定指标： 无量纲流量系数：评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力 无量纲涡流：评价不同气门行程下气道形成涡流的能力 涡流比：评价不同气门行程下气道形成涡流的强度 2、 挤流 ：在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。 3、滚流：在进气过程中形成的，绕气缸轴线垂直线旋转的有组织的空气漩流，称为滚流或横轴涡流。 4. 湍流：在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流（四气
21、门双气道） 第二节、点燃式内燃机的燃烧 1.汽油机的燃烧过程与特点： 1）点火过程 在发动机运行条件下： 静止的具有化学计量比的混合气：点火能量只需要 0.2mJ 较稀或较浓的混合气及电极处混合气有较高 流速：点火能量为 3mJ 为能使发动机在各种上况下都能可靠点火：常规点火系统供给的能量一般为 3050mJ 预混燃烧（汽油机）：火焰中心到达之前燃料与空气充分混合的燃烧。 扩散燃烧（采油机）：燃料着火后仍有燃料喷入气缸，处于一边喷油，一边混合，一边燃烧，混合过程控制了燃烧速率。 2）燃烧过程的划分、包括哪几个阶段，每个阶段有什么特点 着火延迟期（滞燃期）：从火花塞跳火到形成火焰中心的阶段。 特
22、点： 急燃期：是从火焰中心形成到最大压力的阶段 特点：这时期火焰中心传遍了整个燃烧室。压力升高很快，压力升高率大，为 dp/d =0.20.4MPa/CA，最大压力出现。 【最高压力点到达过早： dp/d增加，最高燃烧压力过高，工作粗暴。压缩过程负功增加。到达过完：膨胀比减小，燃烧高温时期的传热表面积增加，油耗上升，但工作柔和。】 后燃期：从最高压力点到燃烧结束点。 特点： 3)燃烧过程按燃烧质量划分 火焰发展期：指从火花点火到燃料化学能释放 10之间。 快速燃烧期：从火焰扩展阶段（已燃质量百分数达到 10）到火焰传播过程终点（已燃质量百分数达到 90）之间。 4）火焰传播速度 火焰传播速率
23、Sf：火焰前锋相对于燃烧室壁面传播的绝对速率【 Sf=SL+Sg】 层流火焰传播速率 SL：火焰前锋相对于未燃混合气的相对速率 混合气运动速率 Sg： 5） 着火界限或可燃范围 可燃混合气过浓：即油多氧少，当火焰中心形成后，由于氧少，氧化速度减慢，放热量减少，不能迅速传播。不能着火 可燃混合气过稀：即油少氧多，当火焰中心形成后，由于燃油少，热值低，放热量少，传播速度慢，甚至中断。不能着火 这两个界限的混合气浓度称为可燃范围或着火界限。 6） 不同工况下的燃烧过程的特点 ： 点火提前角不同时： 点火提前角过大时：增加了压缩功的消耗，示功图面积也减小，功率降低，同时，发动机工作粗暴性增加，爆燃的倾
24、向也增加。 点火提前角过小时：使燃烧在膨胀过程中进 行，燃烧的最高压力和最高温度将降低，热损失增多，功率下降。 最佳点火提前角：最佳点火提前角相当于使最高燃烧压力在上止点后 12 15CA 时到达，这时实际示功图与理论示功图最为接近 (时间损失最小 )。 混合气浓度不同时： 1）当 a=0.80.9 时，火焰传播速度最快，这时发动机的功率 Pe 最大。称为功率混合气。由于这时燃烧产生的压力和温度都较高，所以产生的爆燃的倾向也最大。 2）当 a=1.031.1 时，燃油消耗率最低，称为经济混合气。这主要是因为气缸内燃料、空气和残余废气不能绝对均匀混合，因而不可能刚好在 a=1 时获得完全燃烧。
25、3）当混合气过浓或过稀时，都会产生不完全燃烧， CO、 HC 排放量增大。 负荷不同时： 当节气门关小时，充量系数急剧下降，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高比均下降，冷却水散热损失相对增加，因而燃油消耗率增加。因此，随着负荷的减小，最佳点火提前角要提早。 转速对燃烧过程不同时： 转速 n 湍流火焰传播速率 i；进气阻力 c ， r i ； 燃烧时间缩短（ 1/6n) i 综合影响，使以秒计的滞燃期与转速的关系不大，但是按曲轴转角计的滞燃期却随转速的增加而增大。 2.燃烧的循环变动 1）定义：在发动机以其某一工况
26、稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同。 2） 危害 燃烧快的循环：气缸最高爆发压力和爆燃的趋势都增加。因而限制了使用低辛烷值汽油和采用高压缩比。 燃烧慢的循环： HC 排放及油耗都会大幅度上升 燃烧循环变动：每一循环点火提前角不可能都处在最佳值影响发动机性能指标提高。 消除气缸压力的循环变 动：可降低最高燃烧压力，改善工作粗暴性和燃油经济性，降低发动机排放污染 3） 表征参数 最佳点火提前角 /空燃比：根据平均循环的要求确定的 压缩比 /燃料辛烷值：根据最倾向于爆燃的要求确定的 只有减少燃烧循环变动，才有可能获得最佳
27、的性能。 与气缸压力有关的参数：最大压力升高率及对应的曲轴转角 与燃烧速率有关的参数：最大燃烧速率、火焰发展曲轴转角、快速燃烧曲轴转角 与火焰前锋位置相应的参数：火焰半径、火焰前锋面积、己燃和未燃的容积随时间的变化曲线、火焰到达某一指定位置所需要的时间。 与排放有关的参数： CO、 未燃 HC、 NOX 的含量 4） 主要原因 气缸内气体运动状况的循环变动。 气缸内的混合气成分的循环变动。 5）降低措施 多点点火有利于减少压力的循环变动。 组织进气涡流能增加燃烧速率，从而达到减少循环变动的目的。 提高发动机转速，在气缸内形成更强烈的湍流也能减少循环变动。 采用化学计量空燃比，由于火焰温度和传播
28、速度比较高，因此压力变动最小。 采用燃油电控喷射技术 (特别是多点燃油喷射 )可改善循环之间的混合气浓度不均匀性，达到降低循环变动的目的。 采用快燃、速燃燃烧技术，提高火焰的传播速率，有助于减 小燃烧循环变动； 加大点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙，有助于减小循环变动。 3.点燃式内燃机的不正常燃烧：爆燃和表面点火 1）爆燃： 定义：在某种条件下 (如压缩比过高 )，汽油机的燃烧会变得不正常，压力曲线出现高频、大幅波动，上止点附近的压力升高率值急剧波动，此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧的改变，称为爆燃。 爆燃机理 火焰前锋未到，未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧，形成新的
29、火焰中心，以极高速度向未燃区传播，由于速度极快气体容积来不及膨胀，使缸内温度压力急增，形成压力波， 激波以音速向前传播，撞击活塞、缸壁、产生敲击声。 汽油机的爆燃现象就是终燃混合气的自燃现象。 强烈爆燃对发动机工作的影响 机件过载、机件烧损、发动机磨损加剧、 Pe 下降、 be 上升、轻微爆燃有利 排气冒黑烟，补燃增加，排气温度增加 影响爆燃的主要结构和运转因素 由火焰中心形成至正常火焰传播到终燃混合气为止所需的时间为 t1；由火焰中心形成至终燃混合气自燃所需的时间为 t2。当t1 t2 时，就不发生爆燃；当 t1 t2 时，则发生爆燃。 因此，凡是 t1 减小、 t2 增加的因素均可减少爆燃
30、倾向；反之，均使爆燃倾向增加。 燃料因素：辛烷值越高，抗爆性越好 运转因素：点火提前角、负荷、转速、燃烧室沉积物、混和气浓度 结构因素：汽缸直径、气缸盖和活塞材料、火花塞位置、燃烧室结构 防止爆燃的方法（实际发动机常采用的措施） 推迟点火； 缩短火焰燃烧传播距离； 终燃混合气的冷却，使离火花塞最远处的可燃混合气冷却得较好，如减小终燃混合气部分的余隙高度； 增加流动，使火焰传播速度增加，且终燃混合气的散热也好； 燃烧室扫气 (如加大进、排气重叠期 )的冷却作用可减轻爆燃 汽油机爆燃和柴油机工作粗暴的区别 与柴油机的工作粗暴性在 燃烧本质上是一致的，均是可燃混合气的自燃结果。 两者发生的时间和气缸内的状况是有差异的。柴油机的工作粗暴性发生在急燃期始点，压力升高比大，但气缸内压力还是均匀的；而汽油机的爆燃是发生在急燃期的终点，气缸内有压力波冲击现象。 对汽油机而言是优良的燃料，对柴油机就是最差的燃料，反之亦然。
