第一章汽車發(fā)動機性能的評價

1_第一章汽車發(fā)動機性能的評價2023/12/27第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一章汽車發(fā)動機性能的評價１)動力性能指標(biāo)：有效功率、有效轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、活塞平均速度等。

２)經(jīng)濟性能指標(biāo)：有效熱效率、有效燃油消耗率等。

３)強化指標(biāo)：升功率、強化系數(shù)等。

４)有害物質(zhì)排放指標(biāo)：CO、HC、NOx和微粒等。

５)其他運行性能指標(biāo)：噪聲和冷起動等。

６)使用性能指標(biāo)：可靠性、耐久性、維修方便性。

第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)

第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程

第三節(jié)燃料的特性及其對發(fā)動機的影響

第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒

第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價第一章汽車發(fā)動機性能的評價１)動力性能指標(biāo)：有效功率、有效轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、活塞平均速度等。２)經(jīng)濟性能指標(biāo)：有效熱效率、有效燃油消耗率等。３)強化指標(biāo)：升功率、強化系數(shù)等。４)有害物質(zhì)排放指標(biāo)：CO、HC、NOx和微粒等。５)其他運行性能指標(biāo)：噪聲和冷起動等。６)使用性能指標(biāo)：可靠性、耐久性、維修方便性。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)一、四沖程發(fā)動機的示功圖及實際循環(huán)

1.示功圖

2.自然吸氣四沖程發(fā)動機的實際循環(huán)

(1)進氣過程為使發(fā)動機能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)，發(fā)動機必須不斷吸入新鮮的工質(zhì)。

(2)壓縮過程為使吸入氣缸內(nèi)的工質(zhì)能夠迅速燃燒，以產(chǎn)生較大的壓力使發(fā)動機做功，發(fā)動機必須在做功過程之前將工質(zhì)進行壓縮，此過程即為壓縮過程。圖1-1120四沖程單缸試驗柴油機的p-V圖及p-φ圖

a)p-V圖b)p-φ圖第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)(3)燃燒過程在這個過程中，活塞位于上止點前后，進、排氣門均關(guān)閉。

(4)膨脹過程在這個過程中，進、排氣門仍舊關(guān)閉。

(5)排氣過程當(dāng)膨脹過程接近終了時，開始排氣過程，排氣門開啟，靠廢氣的壓力進行自由排氣，活塞到達下止點后再向上止點運動時，繼續(xù)將廢氣強制排到大氣中。圖1-2自然吸氣四沖程發(fā)動機的示功圖

a)進氣過程b)壓縮過程c)燃燒、膨脹過程(做功行程)d)排氣過程第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)表1-1發(fā)動機實際循環(huán)各過程終了時工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)值3.自然吸氣四沖程發(fā)動機的循環(huán)指示功Wi

二、發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)

1.指示性能指標(biāo)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)表1-2發(fā)動機指示指標(biāo)的定義及計算方法2.有效性能指標(biāo)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)表1-3發(fā)動機有效指標(biāo)的定義及計算方法第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)表1-3發(fā)動機有效指標(biāo)的定義及計算方法3.發(fā)動機強化指標(biāo)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)表1-4發(fā)動機常用強化指標(biāo)的定義及計算方法第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)表1-5各種車用發(fā)動機性能指標(biāo)參數(shù)三、機械損失及機械效率

1.機械損失的組成第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)表1-6機械損失的組成及其各部分所占比例2.機械效率ηm第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)圖1-3發(fā)動機轉(zhuǎn)速對機械效率的影響3.影響機械效率的主要因素第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)(1)轉(zhuǎn)速n機械效率ηm隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升而下降，如圖1-3所示。

1)各摩擦副間的相對速度增加，摩擦損失增大。

2)曲柄連桿機構(gòu)的慣性力增大，活塞側(cè)壓力及軸承負(fù)荷增高，摩擦損失增大。

3)進、排氣流動阻力增大，泵氣損失增大。

4)驅(qū)動附件消耗功增多。

(2)負(fù)荷在發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變時，機械損失功率Pm近似不變。圖1-4發(fā)動機機械效率隨負(fù)荷變化的

關(guān)系曲線第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)(3)潤滑油品質(zhì)在機械損失中，摩擦損失占了很大的百分比，因此改善相對運動面上的潤滑條件可以顯著提高ηm。表1-7常用發(fā)動機潤滑油的粘度等級及使用環(huán)境溫度范圍四、影響發(fā)動機性能指標(biāo)的因素

分析上述所介紹的內(nèi)容可知，發(fā)動機動力輸出的過程，實質(zhì)上就是進入發(fā)動機的燃料化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，熱能再轉(zhuǎn)化為曲軸有效輸出功的過程。

1)充氣效率ην。

2)燃料低熱值hμ、理論空氣量L。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)3)過量空氣系數(shù)α。

4)指示熱效率ηi。

5)機械效率ηm。

6)發(fā)動機轉(zhuǎn)速n。

7)其他主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

思考題

1.簡述發(fā)動機的實際工作循環(huán)過程。

2.簡述汽油機與柴油機工作循環(huán)的區(qū)別。

3.為什么發(fā)動機性能指標(biāo)有指示指標(biāo)和有效指標(biāo)之分？兩種指標(biāo)各在什么場合使用？第一章汽車發(fā)動機性能的評價第一節(jié)發(fā)動機動力性能和經(jīng)濟性能的評價指標(biāo)4.發(fā)動機的動力性能和經(jīng)濟性能在生產(chǎn)和使用中主要用哪幾個指標(biāo)來表示？如果要進行不同機型發(fā)動機性能的對比，應(yīng)使用哪些動力性能和經(jīng)濟性能評價指標(biāo)？

5.機械損失由哪幾部分組成？所占百分比最大的是哪種損失？

6.發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是如何影響機械效率的？這一影響對發(fā)動機性能的提高和使用提出了什么要求？

7.如何對汽車發(fā)動機的動力性能和經(jīng)濟性能進行較全面地評價？第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程一、四沖程發(fā)動機的換氣過程

1.換氣過程

(1)自由排氣階段圖1-5中，從排氣門早開點b′到晚關(guān)點r′，約240～260℃A的b′bdrr′段為排氣過程。

(2)強制排氣階段自由排氣階段結(jié)束后，缸內(nèi)壓力大大降低，必須依靠上行活塞強制排出廢氣，此階段稱為強制排氣階段。

(3)進氣階段圖1-5中，從進氣門早開點d到晚關(guān)點a′，約220～265℃A的drr′aa′段為進氣過程。

(4)氣門重疊階段圖1-5中，drr′段是氣門重疊階段。

2.配氣相位及其對性能的影響第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程圖1-5四沖程發(fā)動機換氣過程的p-V圖第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程圖1-6四沖程發(fā)動機配氣相位圖第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程(1)排氣早開角γ膨脹過程末期，缸內(nèi)壓力較高，如果到下止點才打開排氣門，則由于開啟初期氣門上升緩慢，開度也小，再加上氣流因慣性而不會馬上高速流出，這些都會使排氣不暢，排氣損失和阻力增大，并間接影響進氣充量。圖1-7排氣損失

w—自由排氣損失y—強制排氣損失x—自由排氣損失

x+y-d—泵氣損失第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程圖1-8不同的排氣早開角對排氣損失的影響第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程圖1-9轉(zhuǎn)速對排氣早開角的影響第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程(2)排氣晚關(guān)角δ如果排氣門在活塞到達上止點關(guān)閉，則此時廢氣還具有一定向外運動的慣性。

(3)進氣早開角α進氣門若在活塞到達上止點開啟，則會因開啟初期氣門上升緩慢，流通截面小，以及進氣氣流由靜止到加速的滯后影響，而使缸內(nèi)真空加大，進氣量減少，進氣損失增大。

(4)進氣晚關(guān)角β進氣門晚于活塞到達下止點而關(guān)閉的角度稱為進氣晚關(guān)角。

(5)氣門重疊角α+δ排氣門晚關(guān)和進氣門早開必然形成氣門開啟重疊，其重疊開啟的角度稱為氣門重疊角。

二、充氣效率及其對發(fā)動機性能的影響

1.充氣效率

2.影響充氣效率的因素

(1)進氣終了壓力pa′

pa′對ην有重要影響，pa′越高，ην值越大。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程1)增大進氣門直徑，即增大進氣門處的有效流通截面面積，選擇合適的排氣門直徑。

2)為了進一步增大進氣門流通截面，提高充氣量，現(xiàn)代發(fā)動機采用了3～5個(每缸個進氣門，1～2個排氣門)的多氣門結(jié)構(gòu)。表1-8幾種典型的多氣門與2氣門轎車發(fā)動機動力性能比較3)適當(dāng)增大氣門升程，合理設(shè)計凸輪型線以提高氣門開啟速度，從而增大氣門的時間-截面值(指氣門開啟截面面積與其對應(yīng)的開啟時間的乘積)，提高汽車通過能力。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程(2)進氣終了溫度Ta′進氣終了溫度Ta′高于進氣狀態(tài)下的溫度Ts，若Ta′升高，則充入氣缸進氣充量的工作密度減小，從而使ην降低。

1)進氣過程中與高溫零部件接觸而引起的溫升。

2)與高溫殘余廢氣混合而引起的溫升。

(3)進氣晚關(guān)角ξ反映了進氣晚關(guān)角對ην的影響。

(4)排氣晚關(guān)角(殘余廢氣系數(shù))排氣門晚關(guān)會減小排氣阻力，減少缸內(nèi)殘余廢氣量，降低殘余廢氣系數(shù)，由式(1-4)可知，這也間接使ην提高，但相比于進氣晚關(guān)角排氣晚關(guān)角對ην的影響要小得多。

(5)壓縮比壓縮比增大，壓縮容積減小，殘余廢氣量減少，ην增大。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程(6)進氣狀態(tài)參數(shù)ps、Ts進氣狀態(tài)參數(shù)ps、Ts本身是定義充氣效率的基準(zhǔn)參數(shù)，所以，ps增大，Ts降低，新鮮充量密度增大，使實際進氣量增多，但不等于充氣效率必然增大。

3.充氣效率特性對發(fā)動機性能的影響圖1-10汽油機和柴油機的充氣效率特性曲線

a)汽油機的充氣效率特性曲線b)柴油機的充氣效率特性曲線第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程1)Ta′相對于進氣溫度，上升程度降低，ην的特性曲線略上升。

2)pa′減小，ην降低，轉(zhuǎn)速增大到一定程度后，ην的下降速度加快；

3)在某一轉(zhuǎn)速時，進氣晚關(guān)角充分利用了此時氣流的慣性，ην有最大值，偏離此轉(zhuǎn)速后均降低。圖1-11進氣晚關(guān)角對、的影響第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程三、可變進氣系統(tǒng)發(fā)動機性能的評價

1.可變配氣相位發(fā)動機性能的評價

2.可變進氣歧管發(fā)動機性能的評價

(1)可變進氣歧管長度奔馳新SLK(R171)發(fā)動機所采用的可變進氣歧管長度機構(gòu)采用了一個控制閥來控制進氣歧管的長度，如圖1-12所示。圖1-12奔馳新SLK(R171)發(fā)動機的可變進氣歧管長度機構(gòu)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程(2)可變進氣歧管長度及截面日本馬自達公司的可變進氣諧振增壓系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1-14所示。圖1-13寶馬760V12發(fā)動機可變進氣歧管長度機構(gòu)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程圖1-14可變進氣諧振增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與

工作原理

1—轉(zhuǎn)換閥2—短共振管3—長共振管

4—雙節(jié)氣門5—慣性增壓第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程四、渦輪增壓發(fā)動機性能的分析

因為隨著進入缸內(nèi)空氣量的增多，相應(yīng)地增加循環(huán)供油量，即可提高發(fā)動機的輸出功率，所以人們采取可變配氣相位、可變進氣系統(tǒng)等多種技術(shù)手段來提高充氣效率，增加進氣量。

1.增壓度和增壓比

2.廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作過程

3.渦輪增壓柴油機的性能分析

(1)渦輪增壓柴油機的性能優(yōu)勢

1)提高了動力性能。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程圖1-15渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)示意圖第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程圖1-16廢氣渦輪增壓器的工作原理2)改善了燃油經(jīng)濟性。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程3)改善了排放性能。

4)降低了燃燒及排氣噪聲。

5)降低了制造成本。

(2)渦輪增壓柴油機存在的問題

1)熱負(fù)荷和機械負(fù)荷增大。

2)低速轉(zhuǎn)矩特性下降。

3)加速性能變差。

4)起動困難。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程(3)渦輪增壓柴油機性能改進的方法目前，改善增壓發(fā)動機低速轉(zhuǎn)矩特性和加速性能的主要方法有：高速、高負(fù)荷工況下，放掉壓氣機后一部分增壓空氣或放掉渦輪前一部分廢氣以限制增壓壓力過高，圖1-17所示為渦輪增壓廢氣旁通系統(tǒng)示意圖；低速、低負(fù)荷工況下，調(diào)整可變渦輪噴嘴環(huán)的截面面積來提高渦輪效率，從而改善發(fā)動機低速工況的性能，圖1-18所示為可變幾何截面渦輪的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1-17渦輪增壓廢氣旁通系統(tǒng)示意圖第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程圖1-18可變幾何截面渦輪的結(jié)構(gòu)示意圖4.渦輪增壓汽油機性能的分析第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程表1-9增壓和自然吸氣汽油機動力性參數(shù)比較1)汽油機增壓后，壓縮終了的溫度、壓力都升高，致使爆燃的傾向增大。

2)熱負(fù)荷加重。

3)動態(tài)響應(yīng)延遲加大。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程4)車用汽油機的轉(zhuǎn)速和功率范圍寬廣，進氣流量變化范圍更大，因而覆蓋的壓氣機工況范圍更大，這就要求壓氣機同時具有寬流量范圍和寬高效率區(qū)的高性能，這使得汽油機的增壓器技術(shù)難度加大。

1)電控技術(shù)的應(yīng)用，有效地解決了汽油機增壓的諸多難題，如電控可變渦輪噴嘴環(huán)截面、電控放氣閥有效地改善了渦輪增壓汽油機的動態(tài)響應(yīng)特性；電控爆燃、電控EGR等技術(shù)的應(yīng)用，對防止爆燃和降低熱負(fù)荷都是有效的。

2)增壓中冷技術(shù)的應(yīng)用，可有效提高渦輪增壓汽油機的動力性能、降低燃料消耗率，同時對消除爆燃、降低熱負(fù)荷以及減少NOx排放都是有利的。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程3)采用增壓壓力控制系統(tǒng)，如進氣和排氣放氣、節(jié)流控制等裝置，可以減小渦輪入口處或進入汽油機缸內(nèi)的氣流量，從而降低增壓比，避免爆燃和過高熱負(fù)荷，并有利于高低速轉(zhuǎn)矩特性的控制。

五、汽車發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響

發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響可由充氣效率ην的大小及其變化規(guī)律來反饋。

1)在整個運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，有足夠高的充氣效率ην保證發(fā)動機的動力性能。

2)良好的充氣效率特性，保證發(fā)動機低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率，滿足汽車的低速加速性能、爬坡性能以及高速動力性能。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程3)發(fā)動機進氣系統(tǒng)采用廢氣渦輪增壓或增壓中冷技術(shù)，是發(fā)動機強化的有效手段之一。

思考題

1.什么是發(fā)動機的換氣過程？合理組織換氣過程的目的是什么？

2.進、排氣門為什么要早開、晚關(guān)？進、排氣門早開、晚關(guān)角對發(fā)動機的性能有何影響？為什么這4個相位角都有最佳值，且最佳值隨轉(zhuǎn)速的升高而增大？

3.影響充氣效率的主要因素有哪些？它們是如何影響發(fā)動機性能的？

4.充氣效率特性曲線有何特點？進氣門晚關(guān)角是如何影響充氣效率特性曲線的？為了提高發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時的輸出功率，進氣門晚關(guān)角要相應(yīng)地增大，為什么？第一章汽車發(fā)動機性能的評價第二節(jié)發(fā)動機的換氣過程5.什么是可變配氣相位？它影響發(fā)動機的什么性能？

6.什么是可變進氣歧管？發(fā)動機高、低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)下如何改變進氣歧管的長度？

7.為什么汽油機采用渦輪增壓的比例越來越高？渦輪增壓汽油機是如何解決應(yīng)用中存在的相關(guān)問題的？第一章汽車發(fā)動機性能的評價第三節(jié)燃料的特性及其對發(fā)動機的影響表1-10常用液體燃料及氣體燃料的物理、化學(xué)特性指標(biāo)一、柴油的使用特性

汽車柴油機為高速機，使用輕柴油。

1.自燃性第一章汽車發(fā)動機性能的評價第三節(jié)燃料的特性及其對發(fā)動機的影響2.蒸發(fā)性

3.燃料流動性

4.低溫流動性

二、汽油的使用特性

汽油對汽油機性能有影響的主要是其抗爆性和蒸發(fā)性。

1.抗爆性

2.蒸發(fā)性

三、燃料特性對汽油機和柴油機的影響

表1?10給出了汽油和柴油的成分及其主要性能指標(biāo)，可以看出，汽油和柴油的沸點與著火溫度有很大差異。

1.對混合氣形成方式的影響

2.對著火、燃燒方式的影響第一章汽車發(fā)動機性能的評價第三節(jié)燃料的特性及其對發(fā)動機的影響1)擴散燃燒時，由于燃料與空氣邊混合、邊燃燒，因而燃燒速度取決于油氣的混合速度；而預(yù)混合燃燒時，因燃燒前已均勻混合，因而燃燒速度主要取決于化學(xué)反應(yīng)速度，即取決于混合氣溫度和濃度。

2)擴散燃燒時，為保證燃燒完全，一般要求空氣過量，過量空氣系數(shù)α≥1.2(定義見本節(jié)四)，并且在總體的空燃比大于100的條件下也能穩(wěn)定燃燒；而預(yù)混合燃燒時，一般0.8～1.2，可燃混合氣濃度范圍小，難以稀燃。

3)擴散燃燒時，混合氣濃度和燃燒溫度分布極不均勻，易發(fā)生局部高溫缺氧現(xiàn)象，產(chǎn)生炭煙；而預(yù)混合燃燒時，由于混合氣混合均勻，一般不產(chǎn)生炭煙。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第三節(jié)燃料的特性及其對發(fā)動機的影響4)擴散燃燒時，由于有炭煙產(chǎn)生，碳粒的燃燒會發(fā)出黃色或白色的強烈輻射光，因此也稱為有焰燃燒；而預(yù)混合燃燒時，無碳粒燃燒問題，火焰呈均勻透明的藍色，因此也稱為無焰燃燒。

5)預(yù)混合燃燒由于燃燒前已形成可燃混合氣，有回火的危險；而擴散燃燒一般無此隱患。

3.對負(fù)荷調(diào)節(jié)方式的影響

四、過量空氣系數(shù)及空燃比

1.理論空氣量L0

2.過量空氣系數(shù)α

3.空燃比

五、燃料熱值與混合氣熱值

1.燃料熱值第一章汽車發(fā)動機性能的評價第三節(jié)燃料的特性及其對發(fā)動機的影響2.混合氣熱值

思考題

1.對柴油機性能有重要影響的柴油性能指標(biāo)有哪些？有什么影響？

2.對汽油機性能有重要影響的汽油性能指標(biāo)有哪些？有什么影響？

3.可燃混合氣的濃與稀可以用哪幾個指標(biāo)表示？各指標(biāo)的含義是什么？彼此間如何換算？

4.混合氣熱值和燃料熱值有什么區(qū)別？每循環(huán)加給工質(zhì)的熱量取決于哪種熱值？

5.柴油和汽油特性的不同如何導(dǎo)致了柴油機和汽油機結(jié)構(gòu)的不同？第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒圖1-19柴油機的燃燒過程

Ⅰ—著火落后期Ⅱ—速燃期Ⅲ—緩燃期Ⅳ—后燃期第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒一、燃燒過程及其對發(fā)動機性能的影響

柴油機的燃燒過程可分為四個階段，即著火落后期（也稱為滯燃期）、速燃期、緩燃期和后燃期，如圖1?19所示。

1.著火落后期

2.速燃期

3.緩燃期

4.后燃期

二、燃油噴射與霧化

目前，柴油機的燃油供給系統(tǒng)是傳統(tǒng)機械式燃油供給系統(tǒng)和電控燃油噴射系統(tǒng)并存，但不論哪種噴油系統(tǒng)，都要滿足以下基本的要求。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒1)能產(chǎn)生足夠高的噴油壓力，以保證燃料良好的霧化及混合燃燒。

2)實現(xiàn)所要求的噴油規(guī)律，以保證合理的燃燒放熱規(guī)律和良好的綜合性能。

3)精確控制每個循環(huán)的噴油量和噴油時間，并且保證各缸之間的均勻性。

4)在各種工況下避免出現(xiàn)不利的異常噴射現(xiàn)象。

1.燃油噴射過程圖1-20燃油的噴射過程

1—噴油泵柱塞2—進、回油孔3—出油閥4—出油閥彈簧

5、7—壓力傳感器6—高壓油管8—針閥彈簧9—噴油器針閥第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒(1)噴油延遲階段從噴油泵出油閥打開(供油始點)到噴油器的針閥開始升起(噴油始點)為止，這一階段稱為噴油延遲階段。

(2)主噴射階段從噴油始點到噴油器端燃油壓力開始急劇下降為止，這一階段稱為主噴射階段。

(3)滴漏階段從噴油器端燃油壓力開始急劇下降到針閥完全落座(噴油終點)為止，這一階段稱為滴漏階段。

2.供油規(guī)律和噴油規(guī)律圖1-21供油規(guī)律和噴油規(guī)律的比較

注：噴油器ZSOSJ，＝750r/min第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒3.燃油的霧化及油束特性圖1-22油束形狀第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒(1)噴霧圓錐角β噴霧圓錐角表示油束的緊密程度，β大說明油束松散，油滴細(xì)。

(2)油束射程L油束射程是指油束的貫穿距離，亦稱為貫穿力。

(3)霧化質(zhì)量(霧化特性)圖1-23霧化特性曲線第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒三、電控燃油噴射系統(tǒng)

1.燃油噴射系統(tǒng)的類型和特點

(1)位置控制式電控燃油噴射系統(tǒng)這種系統(tǒng)的特點是不改變傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，只是用電控裝置取代機械式調(diào)速器和提前器，對直列泵的油量調(diào)節(jié)齒桿和VE泵的溢流環(huán)套以及油泵驅(qū)動軸和凸輪軸的相互位置進行低頻連續(xù)調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)油量和定時的控制，所以稱為位置控制式系統(tǒng)。

(2)時間控制式電控燃油噴射系統(tǒng)這種系統(tǒng)借助電子控制手段控制高壓油路泄壓電磁閥的開閉時刻進而控制噴油量，而不對噴射壓力或其他參數(shù)進行調(diào)節(jié)，因控制對象——泄壓電磁閥的開閉時刻是時間量而得名。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒(3)時間-壓力控制式電控燃油噴射系統(tǒng)(共軌系統(tǒng))這種系統(tǒng)不再應(yīng)用傳統(tǒng)柱塞脈動供油原理，而是在高壓油泵和噴油器之間安裝油壓穩(wěn)定裝置(共軌)，即先將燃油以高壓狀態(tài)儲存在這個被稱為共軌的容器中，然后通過精確控制共軌中的燃油壓力和噴油脈寬，實現(xiàn)對噴油量的精確控制。圖1-24高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒表1-11傳感器的種類及功能表1-12執(zhí)行器的種類及功能第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒表1-12執(zhí)行器的種類及功能1)噴油壓力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速無確定關(guān)系，只取決于共軌管中按要求調(diào)整的壓力，因而徹底解決了傳統(tǒng)噴油泵高、低速時噴油壓力差別過大、性能難以兼顧的固有矛盾。

2)從根本上解決了傳統(tǒng)噴油泵脈動供油時輸出的峰值轉(zhuǎn)矩過大，凸輪軸瞬間轉(zhuǎn)速變化太快，不能穩(wěn)定控制小噴油量的矛盾。

3)可以實現(xiàn)更高的噴射壓力，其噴射壓力可比傳統(tǒng)直列泵高出一倍，目前已達220MPa。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒4)可以實現(xiàn)多次噴射，有利于降低燃燒時的壓力升高率，從而降低燃燒噪聲和振動。

5)可以柔性調(diào)節(jié)噴油率、噴油定時和噴油量，從而改善發(fā)動機全工況范圍內(nèi)的綜合性能。

6)其多次噴射能力為NOx吸附還原式催化轉(zhuǎn)化器和柴油機微粒捕集器等排氣后處理系統(tǒng)的燃油后噴射要求提供了可能。

7)安裝方便，不需要對發(fā)動機缸體進行大的改變即可取代原有的燃油噴射系統(tǒng)。

2.對柴油機噴射系統(tǒng)的控制

(1)轉(zhuǎn)速控制采用電子調(diào)速器代替機械調(diào)速器。

(2)對各種轉(zhuǎn)速下最大噴油量的控制

1)轉(zhuǎn)矩校正。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒2)進氣壓力變動補償。

3)進氣溫度、冷卻液溫度及潤滑油溫度補償。

4)增壓柴油機進氣流量補償。

5)柴油機低油壓保護。

6)增壓器工作狀態(tài)保護。

(3)噴油定時的電子控制這種控制除了根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速與負(fù)荷來確定噴油時刻外，還要根據(jù)柴油機的冷卻液溫度、大氣壓力和瞬時狀態(tài)加以校正，使其性能比機械式自動提前器優(yōu)越。

四、柴油機混合氣的形成

柴油機所用的燃料是柴油。

1.空間霧化混合

2.油膜蒸發(fā)混合第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒五、柴油機的燃燒室

柴油機的燃燒室可分為兩大類，即直噴式燃燒室和分隔式燃燒室。

1.直噴式燃燒室圖1-25直噴式燃燒室

a)開式燃燒室b)、c)半開式燃燒室(1)半開式燃燒室的空氣渦流運動在半開式燃燒室中，必須組織一定強度的空氣渦流運動。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒1)組織進氣渦流。

①利用切向氣道形成進氣渦流。如圖1-26所示，其特點是氣道母線與氣缸相切，氣道形狀較平直，在氣門前強烈收縮。氣流在通過切向氣道時速度越來越快，并且沿切線方向進入，在氣缸壁上轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生繞氣缸中心線的氣流旋轉(zhuǎn)運動。切向氣道的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，流動阻力較??；缺點是對氣口位置比較敏感。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒②利用螺旋氣道形成進氣渦流。如圖1-27所示，氣門座上方的氣道內(nèi)腔做成螺旋形，空氣流經(jīng)氣門座時，一部分在氣道內(nèi)部形成繞氣門中心的氣流旋轉(zhuǎn)運動，其強度與氣道本身結(jié)構(gòu)有關(guān)；另一部分近似于切向氣流，順著氣缸壁繞氣缸中心線旋轉(zhuǎn)，其強度與氣道相對于氣缸的布置有關(guān)，加上軸向分速度，實際上是一種沿螺旋線推進的渦流運動。不同形式的螺旋氣道，兩股氣流的配合情況各不相同，但在壓縮行程接近終點時，渦流均類似于一個螺體旋轉(zhuǎn)。由于螺旋氣道能產(chǎn)生較強的進氣渦流，因此被廣泛應(yīng)用在高速柴油機上；其缺點是制造工藝要求高，調(diào)試工作量較大。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒圖1-26切向氣道第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒圖1-27螺旋氣道2)組織擠流。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒圖1-28擠氣渦流

a)無進氣渦流或渦流不強時的擠流b)進氣渦流強時的擠流c)逆擠流(2)以ω型為代表的半開式燃燒室這種燃燒室的dk/D=0.4～0.65，形狀很多。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒圖1-29半開式燃燒室第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒圖1-30RICARDO慧星Ⅴ渦流燃燒室2.分隔式燃燒室第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒(1)混合氣的形成在壓縮過程中，活塞迫使空氣經(jīng)過通道流入渦流室，形成強烈的、有組織的壓縮渦流運動。

(2)結(jié)構(gòu)特點渦流室通常由兩部分組成，其上部與氣缸蓋熔鑄在一起；其下部(包括連接通道)由耐熱鋼制成(稱為保溫鑲塊)，且與缸蓋之間保持一定的間隙(一般為0.1mm)，以使鑲塊表面具有一定的高溫，便于對空氣進行加熱，同時也減少了散熱損失。圖1-31渦流室形狀

a)珀金斯S499b)錐形平底(慧星Ⅴ)c)柱形平底第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒(3)主要優(yōu)缺點由于強烈的空氣渦流運動，保證了較好的混合氣質(zhì)量，空氣得到較充分的利用。

六、運轉(zhuǎn)因素對燃燒過程的影響

1.燃料性質(zhì)的影響

2.負(fù)荷的影響圖1-32負(fù)荷對著火延遲期的影響第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒3.轉(zhuǎn)速的影響

4.供油提前角的影響圖1-336120型柴油機的供油提

前角調(diào)整特性(n＝2000r/min)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒七、柴油機性能特點以及在乘用車上的應(yīng)用

1.柴油機的性能特點

(1)動力強勁在較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下即可達到較大的轉(zhuǎn)矩輸出，整車動力強勁，加速性好。

(2)經(jīng)濟性好較低的油耗，較低的燃油價格。

(3)利于環(huán)保直噴柴油發(fā)動機的燃燒效率通常高于40％，而汽油發(fā)動機僅為30％左右。

2.TDI柴油機在乘用車上的應(yīng)用

(1)4氣門和渦旋進氣系統(tǒng)AudiTDI柴油機的4氣門和渦旋進氣系統(tǒng)如圖1-34所示。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒圖1-34AudiTDI柴油機的4氣門和渦旋進氣系統(tǒng)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒圖1-35進氣管道的渦旋翻板(2)渦旋翻板在渦旋進氣系統(tǒng)的進氣管上布置渦旋翻板(見圖1-35)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒(3)部分AudiTDI柴油機的轉(zhuǎn)矩/功率特性曲線如圖1-36所示。圖1-36部分AudiTDI柴油機的轉(zhuǎn)矩/功率特性曲線

a)2.7LV6TDI柴油機(A6L轎車)b)3.0LV6TDI柴油機(Q7轎車)

c)6.0LV12TDI柴油機(Q7轎車)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第四節(jié)柴油機混合氣的形成與燃燒思考題1.簡述柴油機混合氣形成的兩個基本方式和特點。

2.繪制柴油機燃燒過程的p-φ圖，并簡述各個時期的劃分。

3.簡述著火延遲期τi對柴油機性能的影響。

4.簡述噴油規(guī)律對發(fā)動機性能的影響。

5.引起柴油機工作粗暴和噪聲的原因是什么？如何改善？

6.如何選定最佳供油提前角？它對柴油機的動力性、經(jīng)濟性以及排污和噪聲有何影響？

7.簡述柴油機燃燒室的分類及適用范圍。

8.直噴式燃燒室的特點有哪些？

9.TDI柴油機的典型技術(shù)特點有哪些？TDI柴油機有哪些性能優(yōu)勢？第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒一、汽油機的燃燒過程及其對發(fā)動機性能的影響

1.預(yù)混合燃燒的特點

(1)氣體運動狀態(tài)可燃混合氣在靜止或?qū)恿鳡顟B(tài)下，其火焰前鋒面很薄，參與燃燒的混合氣少，此時火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮?m/s，其傳播速度主要取決于混合氣濃度和溫度。

1)紊流運動可使火焰前鋒表面扭曲，甚至分隔成許多火焰中心，使火焰前鋒燃燒區(qū)加厚(見圖1-37)，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌臁?/p>

2)紊流運動加速了火焰前鋒面內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程和化學(xué)反應(yīng)速度，使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃哟蟆?/p>

(2)混合氣濃度混合氣成分不同，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫裁黠@不同。

(3)混合氣溫度混合氣溫度越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇臁５谝徽缕嚢l(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-37在不同紊流作用下的火焰前鋒

a)紊流較弱b)紊流強烈第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-38混合氣成分對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?.汽油機的燃燒過程及其對發(fā)動機性能的影響第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-39汽油機的燃燒過程(1)著火延遲期(見圖中Ⅰ著火延遲期是指從火花塞點火的1點到氣第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒缸壓力線脫離壓縮線(見圖中虛線)而急劇上升的2點所對應(yīng)的時期，其長短可用時間或曲軸轉(zhuǎn)角來表示。

(2)明顯燃燒期(見圖中Ⅱ段)明顯燃燒期是指從火焰核心(見圖中2點)形成到出現(xiàn)最高爆發(fā)壓力(見圖中3點)為止的階段。

(3)后燃期(見圖中Ⅲ段)后燃期是指從最高壓力出現(xiàn)點(見圖中3點)到燃料基本上完全燃燒為止的階段。

3.燃燒速度

二、汽油機的不正常燃燒——爆燃

1.爆燃的表現(xiàn)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-40汽油機爆燃時的示功圖

a)正常燃燒b)爆燃第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒2.爆燃產(chǎn)生的原因

3.爆燃的危害

4.影響爆燃的因素

(1)縮短t1的措施提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?；燃燒室的形狀緊湊、氣缸直徑不能過大，減小火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。

(2)延長t2的措施采用辛烷值高的燃料，抗爆性好；采用導(dǎo)熱性能好的材料，合理的燃燒室設(shè)計，冷卻末端混合氣；降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，以降低燃燒室溫度，從而降低末端混合氣的受熱程度，達到延遲t2的目的。

三、使用因素對燃燒過程的影響

1.混合氣濃度

2.點火提前角第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-4125Y-6100Q型汽油機的點火提前角調(diào)整特性

a)節(jié)氣門全開時b)n=1600r/min第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒3.轉(zhuǎn)速

4.負(fù)荷

四、汽油機的混合氣形成

1.對混合氣形成的基本要求

(1)形成均質(zhì)混合氣盡管汽油本身具有良好的揮發(fā)性，但是由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速高，為了能在較短的時間內(nèi)形成均勻的可燃混合氣，在汽油機中仍然需要合適的燃油霧化方式、足夠的霧化混合時間以及合理的氣流運動。

(2)具有良好的響應(yīng)特性汽油機工況變化范圍很寬，因此，混合氣形成速度要能跟上工況變化的需要，即響應(yīng)特性要好。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒(3)適應(yīng)不同工況對混合氣濃度的要求汽油機在大負(fù)荷時要求大功率，所以此時要能提供濃混合氣；在中、低等負(fù)荷時，需考慮燃油經(jīng)濟性，因此要能提供稀混合氣；起動和怠速工況時，由于吸氣量少，流速小，發(fā)動機溫度低，汽化條件差，殘余廢氣對可燃混合氣的稀釋作用明顯，因此，也要求提供濃混合氣。

2.混合氣的形成方式

1)單點噴射是在節(jié)氣門上方，利用一個噴油器集中噴射，燃料噴入后隨空氣流進入進氣歧管內(nèi)，然后分配到各個氣缸。

2)在多點噴射中，各缸噴油器通常是將燃料直接噴射到高溫的進氣門背面，以促進燃油蒸發(fā)。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒3)缸內(nèi)直噴(gasolinedirectinjection，GDI)汽油機采用類似于柴油機的供油技術(shù)，通過一個高壓油泵提供4～20MPa的噴油壓力，將汽油供給位于氣缸內(nèi)的電磁燃油噴嘴，然后通過電腦控制噴嘴將燃料在最恰當(dāng)?shù)臅r間直接注入燃燒室，形成混合氣。

五、汽油機的燃燒室及其性能對比

1.對燃燒室的要求

(1)結(jié)構(gòu)緊湊面容比F/V(燃燒室表面積與容積之比)常用于表示燃燒室的緊湊性。

(2)具有良好的充氣性能應(yīng)允許有較大的進氣門直徑；進氣阻力小，使之盡可能順利地進入燃燒室；燃燒室壁面與氣門頭部要有足夠的間隙，避免壁面的遮蔽作用。

(3)火花塞位置安排得當(dāng)?shù)谝徽缕嚢l(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-42頂置氣門燃燒室火花塞位置

對辛烷值的要求

a)火花塞在靠近進氣門處b)火花塞

在靠近排氣門處c)火花塞在進、排

氣門間d)采用三個火花塞

1—排氣門2—進氣門第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒1)要能利用新鮮混合氣充分掃除火花塞間隙處的殘余廢氣，使混合氣易于著火。

2)火花塞應(yīng)靠近排氣門處，使受灼熱表面加熱的混合氣及早燃燒，以免發(fā)展為爆燃燃燒。

3)火花塞的布置應(yīng)使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x盡可能地短。

4)不同的火花塞位置對燃料辛烷值的要求也不同。

(4)燃燒室形狀合理分布不同的燃燒室形狀實際上反映了混合氣氣體的分布情況，與火花塞位置配合，也就決定了不同的燃燒放熱率和火焰?zhèn)鞑サ竭吘壙扇蓟旌蠚獾木嚯x，從而影響抗爆性、工作粗暴性、經(jīng)濟性和平均有效壓力。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒(5)要產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臍怏w流動燃燒室內(nèi)形成適當(dāng)強度的氣體流動可以加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，擴大混合氣體的著火界限以燃燒更稀的混合氣，減少循環(huán)變動率，降低HC排放量；但過強的氣流會使熱損失增加，還可能吹熄火核而導(dǎo)致失火。

(6)末端混合氣要有適當(dāng)冷卻末端混合氣要有足夠的冷卻強度，以降低終燃混合氣溫度，減輕爆燃傾向，但又不可使激冷層過大，以免增加HC的排放。

2.典型燃燒室及其性能對比

(1)浴盆形燃燒室如圖1-43所示，浴盆形燃燒室形狀如橢圓形浴盆，高度相同，寬度允許超出氣缸范圍來加大氣門直徑，但應(yīng)在氣門頭部外徑與燃燒室壁面之間保持5.6～6.5mm的壁距，故氣門大小受到限制。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-4325Y-6100Q型汽油機發(fā)動機

浴盆形燃燒室第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒(2)楔形燃燒室如圖1-44所示，楔形燃燒室布置在缸蓋上，火花塞在楔形高處的進、排氣門之間，因此火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x還是比較長。

(3)半球形燃燒室如圖1-45所示，半球形燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，且由于火花塞位于中間，故火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x也是最短的。圖1-44CA-72型轎車用汽油機的楔形燃燒室第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-45半球形燃燒室第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒(4)多球形燃燒室如圖1-46所示，多球形燃燒室的形狀呈帳篷狀，這樣便于4氣門布置，同時還使火花塞布置在燃燒室中央，因此也稱屋脊形燃燒室。圖1-46多球形燃燒室第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒表1-13不同燃燒室的特征及其性能對比六、缸內(nèi)直噴汽油機性能介紹第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒以降低汽油機的油耗和排放為目標(biāo)，人們在混合氣形成和燃燒方式上不斷探索，目前，主要有兩種新技術(shù)實用化：①缸內(nèi)直噴混合氣形成方式+分層稀薄燃燒，可以節(jié)油20%以上，動力提高10%左右；②缸內(nèi)直噴混合氣形成方式+均質(zhì)當(dāng)量比燃燒，節(jié)油5%，動力提高5%左右。

1.缸內(nèi)直噴分層稀薄燃燒汽油機

(1)稀薄燃燒當(dāng)A/F＞14.8時稱為稀混合氣，其燃燒稱為稀薄燃燒。

1)均質(zhì)稀薄燃燒。

2)分層給氣稀薄燃燒。

3)缸內(nèi)直噴分層給氣稀薄燃燒。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒(2)缸內(nèi)直噴分層稀薄混合氣的形成缸內(nèi)直噴是將燃油直接噴入氣缸，為了形成分層稀薄混合氣，燃油在壓縮后期噴入燃燒室，從噴油到點火的時間很短，同時缸內(nèi)氣體壓力高，噴霧油滴的擴散和蒸發(fā)被限制在缸內(nèi)局部區(qū)域，利用特殊形狀的燃燒室內(nèi)部形狀或氣體運動將燃料輸送到火花塞附件，點火時燃燒室內(nèi)可以形成火花塞附近濃而周圍稀的分層混合氣。

(3)缸內(nèi)直噴分層稀燃汽油機的工作模式如圖1-47所示，在怠速和低負(fù)荷時，采用分層稀薄燃燒；在部分負(fù)荷時采用均質(zhì)稀混合氣；在中、高負(fù)荷時采用均質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)混合氣，適應(yīng)發(fā)動機不同工況對混合氣濃度的需要，保證發(fā)動機性能。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-47缸內(nèi)直噴分層稀燃汽油機的工作模式(4)典型缸內(nèi)直噴稀薄燃燒系統(tǒng)介紹第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒1)三菱公司GDI發(fā)動機。表1-14三菱公司GDI發(fā)動機主要設(shè)計參數(shù)表1-14三菱公司GDI發(fā)動機主要設(shè)計參數(shù)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-48三菱公司GDI發(fā)動機的結(jié)構(gòu)2)豐田D-4缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動機。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒3)大眾公司的FSI發(fā)動機。

①利用安裝在進氣歧管的翻板來改變缸內(nèi)氣體流動，優(yōu)化混合氣的形成過程，同時減小低負(fù)荷時的進氣節(jié)流損失。發(fā)動機低速時關(guān)閉翻板(見圖1-50a)，將進氣道流通截面下半部分遮擋，空氣經(jīng)進氣道上半部分高速進入氣缸，產(chǎn)生強滾流，到壓縮沖程末期形成強湍流，從而加快燃燒速度，提高熱效率。中高轉(zhuǎn)速時翻板完全打開(見圖1-50b)，進氣道獲得全部流通截面積，獲得高的充氣量來實現(xiàn)目標(biāo)功率。

②采用多孔式噴油器，噴油器布置在進氣側(cè)。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒0149A.TIF第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒圖1-49豐田D-4燃燒室混合氣形成

a)燃燒混合過程b)缸內(nèi)混合氣濃度分別第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒③燃燒系統(tǒng)的特點是采用雙滾流混合氣形成方式。低負(fù)荷時，可燃混合氣僅在進氣門一側(cè)的滾流區(qū)形成；中負(fù)荷時，噴油可到達包括排氣門在內(nèi)的區(qū)域，混合氣在兩個滾流區(qū)域都可生成。圖1-50FSI汽油機燃燒系統(tǒng)第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒①分層稀燃模式：過量空氣系數(shù)α在1.6～3之間。在低負(fù)荷時，節(jié)氣門接近全開，進氣歧管翻板關(guān)閉，吸入的空氣通過進氣道上部進入氣缸，在壓縮行程上止點前60℃A至45℃A用5～10MPa壓力將燃油噴入燃燒室，特別的活塞頂設(shè)計使吸入的空氣與噴入的燃油形成滾流，僅在火花塞周圍形成達到理論空燃比的、足以燃燒的混合氣，來引燃整個燃燒室內(nèi)的混合氣，而在燃燒室的其他區(qū)域則為富含空氣的稀薄混合氣，從而形成稀薄燃燒。

②均質(zhì)稀燃模式：過量空氣系數(shù)α=1.55。在轉(zhuǎn)速低于3750r/min或發(fā)動機負(fù)荷低于40％時，進氣歧管翻板關(guān)閉，節(jié)氣門接近打開，在進氣行程60℃A時將燃油噴入氣缸，噴霧油滴在缸內(nèi)經(jīng)歷了進氣和壓縮兩個行程，點火時燃燒室內(nèi)形成的是均勻稀混合氣。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒③均質(zhì)燃燒模式：過量空氣系數(shù)α=1。在轉(zhuǎn)速高于3750r/min或發(fā)動機負(fù)荷高于40％時，進氣歧管翻板打開，節(jié)氣門開度由加速踏板決定，在進氣行程中噴入燃油，形成均質(zhì)混合氣。

(5)缸內(nèi)直噴稀燃的優(yōu)點及其存在的問題GDI分層稀燃最大的優(yōu)點就是可以大幅度降低發(fā)動機在低速低負(fù)荷時的油耗。

1)燃油在缸內(nèi)汽化吸熱，降低缸內(nèi)溫度，使高負(fù)荷爆燃傾向減小，壓縮比可適當(dāng)增大(一般可由10增大到12)，由此使燃油消耗率改善5%。

2)部分負(fù)荷時由于取消節(jié)氣門節(jié)流，可減小泵氣損失15%。

3)壓縮比提高可使燃燒放熱速率提高，燃油消耗率改善2%～3%，而怠速時改善10%以上。

2.缸內(nèi)直噴均質(zhì)當(dāng)量比燃燒汽油機第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒七、混合氣形成方式和燃燒室對汽油機性能的影響

總結(jié)上述內(nèi)容可知，燃燒過程直接影響汽油機的動力性、經(jīng)濟性、排放、噪聲振動以及使用壽命，而影響燃燒過程的主要因素是燃燒室的結(jié)構(gòu)特點、燃油供給系統(tǒng)的特點，所以圍繞燃燒過程的影響因素，對燃燒室性能和混合氣形成方式進行分析，從而對發(fā)動機性能進行初步的評價。

1.混合氣形成方式

2.燃燒室

思考題

1.說明汽油機燃燒過程各階段的主要特點，以及對它們的要求。

2.爆燃燃燒產(chǎn)生的原因是什么？它會帶來什么不良后果？目前發(fā)動機上主要采用什么措施避免出現(xiàn)爆燃？第一章汽車發(fā)動機性能的評價第五節(jié)汽油機混合氣的形成與燃燒3.比較汽油機幾種典型燃燒室的優(yōu)、缺點及使用場合。

4.GDI分層稀燃和GDI均質(zhì)燃燒各有什么特點？目前國內(nèi)汽油機主要采用的哪種方式？哪些轎車將這種汽油機作為動力輸出源？第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價一、發(fā)動機的工況和特性

1.工況

2.發(fā)動機的工況類型

(1)點工況點工況是指發(fā)動機只在某一個固定工況點下工作，如圖1-51所示的點①。

(2)線工況線工況是指發(fā)動機只在某一個確定的線段上工作，有兩種常見情況：一種是發(fā)動機運行在轉(zhuǎn)速近似保持不變而功率改變的調(diào)速線上，如圖1-51所示的曲線②，如發(fā)電機組等固定作業(yè)機組，為了保證頻率的穩(wěn)定性，發(fā)動機轉(zhuǎn)速要盡可能保持不變，功率則隨發(fā)電機負(fù)荷大小而發(fā)生變化，可由零變到最大；一種是帶動螺旋槳工作的船用主機，發(fā)動機輸出功率和轉(zhuǎn)速成三次方關(guān)系，即Pe=kn3，如圖1-51中曲線③所示的螺旋槳運行工況。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價(3)面工況發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和功率都獨立地在很大范圍內(nèi)變化，發(fā)動機實際工作區(qū)域為某一確定面積。

1)上限曲線a是發(fā)動機在各種轉(zhuǎn)速下所能輸出的最大功率，到標(biāo)定點A為止。

2)右側(cè)曲線b是發(fā)動機各種負(fù)荷條件下的最高轉(zhuǎn)速限制線。

3)左側(cè)曲線c是發(fā)動機最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速。

4)橫坐標(biāo)上的曲線d是各種加速踏板位置下的空轉(zhuǎn)怠速線。

5)曲線e是汽車掛檔下坡制動時倒拖發(fā)動機所需要的功率。圖1-51發(fā)動機的工況第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價3.發(fā)動機的功率標(biāo)定

(1)15min功率15min功率是指允許發(fā)動機連續(xù)運轉(zhuǎn)15min的最大有效功率，適用于短時間使用發(fā)動機最大功率的發(fā)動機，如用于汽車、摩托車、艦艇等的發(fā)動機的功率標(biāo)定。

(2)1h功率1h功率是指允許發(fā)動機連續(xù)運轉(zhuǎn)1h的最大有效功率，適用于有較長時間重載使用的發(fā)動機，如用于工程機械、拖拉機、船舶等的發(fā)動機的功率標(biāo)定。

(3)12h功率12h功率是指允許發(fā)動機連續(xù)運轉(zhuǎn)12h的最大有效功率，適用于連續(xù)重載運行12h的發(fā)動機，如用于農(nóng)業(yè)排灌、內(nèi)河船舶等的發(fā)動機的功率標(biāo)定。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價(4)持續(xù)功率持續(xù)功率是指允許發(fā)動機連續(xù)運轉(zhuǎn)的最大有效功率，適用于長時間連續(xù)工作的發(fā)動機，如用于晝夜作業(yè)的農(nóng)業(yè)排灌、發(fā)電等的發(fā)動機的功率標(biāo)定。

4.發(fā)動機的特性

1)轉(zhuǎn)速不變，性能指標(biāo)隨負(fù)荷變化而變化的負(fù)荷特性。

2)節(jié)氣門或油量調(diào)節(jié)拉桿位置不變，性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速變化而變化的速度特性。

3)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化而變化的萬有特性。

二、發(fā)動機的負(fù)荷特性

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持不變時，其性能指標(biāo)隨負(fù)荷而變化的關(guān)系稱為負(fù)荷特性，以曲線表示，稱為負(fù)荷特性曲線。

1.汽油機的負(fù)荷特性第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價(1)定義當(dāng)汽油機的轉(zhuǎn)速保持不變，而逐漸改變節(jié)氣門開度時，有效燃料消耗率be、每小時耗油量B隨功率Pe(或轉(zhuǎn)矩Ttq、平均有效壓力力pme)變化而變化的關(guān)系稱為汽油機的負(fù)荷特性。

(2)特性曲線形狀分析由式(1-18)可知，be只取決于ηi、ηm的變化規(guī)律。

1)指示熱效率ηi總體上隨負(fù)荷增加而變大，在高、低負(fù)荷兩端均呈下降趨勢(見圖1-52)。圖1-52汽油機、

隨負(fù)荷的變化第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價2)由式ηm=1-可知，發(fā)動機空轉(zhuǎn)時有效功率Pe=0，ηm=0；轉(zhuǎn)速不變時，機械損失Pm變化不大，機械效率ηm隨負(fù)荷(有效功率Pe)的增加而上升(見圖)。

3)按照理論混合氣的要求，在怠速、低負(fù)荷工況時供給過量空氣系數(shù)α=0.6～0.9的濃混合氣；隨著負(fù)荷增大，供給的混合氣逐漸變稀，中負(fù)荷工況時供給α=1.05～1.10的經(jīng)濟混合氣；大負(fù)荷工況時混合氣變濃，供給α=0.85～0.95的功率混合氣。

4)轉(zhuǎn)速不變，隨著節(jié)氣門開度增大，進氣流動阻力減小，充氣效率ην大致成正比上升。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價圖1-53N489型汽油機的負(fù)荷特性第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價1)空轉(zhuǎn)時be無窮大(由于ηm=0)，之后隨著負(fù)荷增加而快速下降(由于ηi和ηm上升)，直到約80%～85%負(fù)荷時達到最低值，此后隨著負(fù)荷繼續(xù)增加由于混合氣變濃而有所回升。

2)每小時耗油量B正比于，由于受過量空氣系數(shù)α的影響而呈凹升的趨勢，在大負(fù)荷工況下由于混合氣的加濃，使得B迅速增加。

2.柴油機負(fù)荷特性

(1)定義當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速保持不變，而移動噴油泵供油拉桿或齒條改變循環(huán)供油量Δb時，有效燃料消耗率be、每小時耗油量B隨功率Pe(或轉(zhuǎn)矩Ttq、平均有效壓力pme)變化而變化的關(guān)系稱為柴油機的負(fù)荷特性。

(2)特性曲線形狀分析由式(1-18)可知，be取決于ηi、ηm的變化規(guī)律。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價1)隨著負(fù)荷增加，Δb在不斷增加，混合氣在逐漸變濃，超過一定負(fù)荷后，會引起燃燒完全程度下降，ηi也隨之下降；負(fù)荷過大時，混合氣加濃到一定程度后混合更加不充分、不完全燃燒加劇，ηi下降速度加快(見圖1-54)。圖1-54柴油機、隨負(fù)荷的變化第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價2)機械效率ηm的變化趨勢及原因與汽油機相同(見圖1-54)。

3)循環(huán)供油量Δb隨著負(fù)荷增大近似呈線性增加。圖1-556135Q柴油機負(fù)荷特性第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價1)有效燃油消耗率be特性曲線，從總的變化趨勢來看，與汽油機有相似之處，但是由于ηi和ηm變化趨勢正好相反，所以柴油機的be曲線變化較平緩，在中等負(fù)荷區(qū)域有較寬闊的平緩段，直到約80%～90%負(fù)荷時達到最低值。

2)由于Δb的曲線與負(fù)荷基本呈線性關(guān)系，所以曲線B的大部分區(qū)段近似呈線性變化，但大負(fù)荷后由于燃燒惡化，曲線B上升得更快。

3.負(fù)荷特性的評價

1)同一轉(zhuǎn)速下的最低油耗率bemin越小，曲線變化越平坦，燃油經(jīng)濟性越好。

2)發(fā)動機要盡可能經(jīng)常在最經(jīng)濟的80％～90%負(fù)荷率區(qū)域工作，以改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

3)汽油機的be比同負(fù)荷的柴油機要高。第一章汽車發(fā)動機性能的評價第六節(jié)汽車發(fā)動機特性的分析與評價三、發(fā)動機的速度特性

若汽油機保持節(jié)氣門開度不變或柴油機保持供油拉桿位置不變，發(fā)動機性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速變化