現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理配套課件

第1章

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)與性能指標(biāo)

教學(xué)要求：本章要求學(xué)生熟悉四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的差別及其原因；掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)及其影響因素；了解發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡和發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型。1.1發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)概述

1.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖概念：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部實(shí)際進(jìn)行的工作循環(huán)是非常復(fù)雜的，要評定它們進(jìn)行的完善程度必須借助于不同形式的示功器或發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來觀察或記錄相對于不同活塞位置或不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力的變化，所得結(jié)果即所謂

示功圖或

示功圖。上圖為四沖程單缸發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)的

圖和

圖。圖中

為氣缸總?cè)莘e，

為氣缸工作容積，

為氣缸剩余容積，

為大氣壓力，

為缸內(nèi)進(jìn)氣壓力，

為缸內(nèi)排氣壓力。示功圖是研究實(shí)際循環(huán)的依據(jù)，一般是由專門示功器在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下直接測出。從示功圖上可以觀察到發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的各個(gè)不同階段——壓縮、燃燒、膨脹以及進(jìn)氣、排氣等過程中的壓力變化情況。然后運(yùn)用熱力學(xué)知識和所積累的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來予以分析比較，則不難對整個(gè)工作過程或者各個(gè)不同階段進(jìn)展的完善程度做出正確的判斷。因此，示功圖是研究發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)

理論循環(huán)：為了了解發(fā)動(dòng)機(jī)熱能利用的完善程度，能量相互轉(zhuǎn)換的效率，尋求提高熱量利用率的途徑，在不失其基本物理、化學(xué)過程特征的前提下，將發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)進(jìn)行若干簡化，使其既近似于所討論的實(shí)際循環(huán)，而又簡化了實(shí)際上變化紛繁的物理、化學(xué)過程，從而提出一種便于作定量分析的假想循環(huán)。事實(shí)證明這種簡化處理是可行的，假想循環(huán)是實(shí)用的，為討論實(shí)際循環(huán)提供了理論依據(jù)。這種假想循環(huán)就稱為“發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)”。在發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)討論中的簡化假定是：工質(zhì)為理想氣體，在整個(gè)循環(huán)中保持物理及化學(xué)性質(zhì)不變，其狀態(tài)參量的變化完全遵守氣體狀態(tài)方程

。

缸內(nèi)系統(tǒng)為閉口系統(tǒng)，不考慮實(shí)際存在的工質(zhì)更換以及漏氣損失，工質(zhì)數(shù)量保持不變，循環(huán)是在定量工質(zhì)下進(jìn)行的。把氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓縮和膨脹看成是完全理想的絕熱等熵過程，工質(zhì)與外界不進(jìn)行熱交換；工質(zhì)比熱容為常數(shù)。用假想的定容或定壓加熱和定容放熱來代替實(shí)際的燃燒和換氣過程。發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)有三種形式，分別是等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)和等容等壓(混合)加熱循環(huán)。示功圖如下圖所示。

a﹞等容加熱循環(huán)b﹞等壓加熱循環(huán)c﹞混合加熱循環(huán)循環(huán)熱效率和循環(huán)平均壓力是評定發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的兩個(gè)重要指標(biāo)。因此，借助于這兩個(gè)衡量指標(biāo)進(jìn)行三種理論循環(huán)的計(jì)算和分析。在工程熱力學(xué)中已知，混合加熱循環(huán)的熱效率

如下式所示：式中：

——壓縮比，

；

——?dú)飧卓側(cè)莘e；

——?dú)飧讐嚎s容積；

——?dú)飧坠ぷ魅莘e；

——壓力升高比，

；

——預(yù)膨脹比，

,其中

為后膨脹比，

；

——絕熱指數(shù)，空氣的

。等容加熱循環(huán)（

）的熱效率

為：等壓加熱循環(huán)(

)的熱效率

為：理論循環(huán)的做功能力可用單位氣缸工作容積所做的循環(huán)功來表示，稱為循環(huán)平均壓力，用符號

來表示。式中：

——循環(huán)所做的功（

）；

——?dú)飧坠ぷ魅莘e（

）?；旌霞訜嵫h(huán)的循環(huán)平均壓力為：等容加熱循環(huán)的循環(huán)平均壓力為：等壓加熱循環(huán)的循環(huán)平均壓力為：對上述三種理論循環(huán)的

和

所進(jìn)行的熱力學(xué)分析，可以得出以下結(jié)論：⑴增加

,可以提高工質(zhì)的最高溫度，擴(kuò)大了循環(huán)的溫度梯度，達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大膨脹比，因而提離了

，但其提高率隨著

的不斷增大而逐漸降低；⑵增大

，可以增加混合循環(huán)中等容部分加熱量，提高了熱量的利用率，因而也提高了

；⑶

和

的增長，將伴隨著最高循環(huán)壓力

的急劇上升；⑷

增大

，可以提高

，但由于等壓部分加熱量增加了，而這部分熱量是在膨脹比逐漸降低的情況下加入的，因而

亦隨之而降低了；⑸絕熱指數(shù)

愈大，則

愈高。1.2發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱化學(xué)

1.2.1燃燒所必需的空氣量

1．1千克燃料完全燃燒所需的理論空氣量

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料主要是石油系列液體燃料，是烷徑、烯烴、環(huán)烷烴和芳烴的混合物，其化學(xué)分子式可寫成

，其主要成分是碳(）、氫（

）和少量氧（

）元素。設(shè)1千克燃料中所含

、

、

的質(zhì)量成分分別為

、

和

，則：燃料中的C、H完全燃燒，其化學(xué)反應(yīng)方程式分別是：燃料中的碳、氫元素在燃燒時(shí)化學(xué)反應(yīng)前后的數(shù)量關(guān)系見下表.C（完全燃燒）H（完全燃燒）C

＋

O2

＝CO212(kg)C＋32(kg)O2

＝44(kg)CO21(kg)C＋8/3(kg)O2＝11/3(kg)CO2gc(kg)C＋8/3gc(kg)O2＝11/3(kg)CO212(kg)C＋1(kmol)O2

＝1(kmol)CO21(kg)C＋1/12(kmol)O2

＝1/12(kmol)CO2gc(kg)C＋1/12gc(kmol)O2

＝1/12gc(kmol)CO2H2＋O2＝

H2O2(kg)H2＋16(kg)O2＝18(kg)

H2O1(kg)H2＋8(kg)O2＝9(kg)

H2OgH(kg)H2＋8gH(kg)

O2＝9gH(kg)

H2O2(kg)H2＋1/2(kmol)

O2＝1(kmol)

H2O1(kg)H2＋1/4(kmol)O2＝1/2(kmol)

H2OgH(kg)H2＋1/4gH(kmol)O2＝1/2gH(kmol)

H2OC（不完全燃燒）C＋1/2O2

＝CO12(kg)C＋16(kg)O2

＝28(kg)CO1(kg)C＋4/3(kg)O2

＝7/3(kg)CO(1－x)gc(kg)C＋4/3(1－x)gc(kg)O2

＝7/3(1－x)gc(kg)CO12(kg)C＋1/2(kmol)O2

＝1(kmol)CO1(kg)C＋1/24(kmol)O2

＝1/12(kmol)CO(1－x)gc(kg)C＋1/24(1－x)gc(kmol)O2

＝1/12(1－x)gc(kmol)CO由上表可知，1千克燃料完全燃燒時(shí)，其中

千克的碳需要

千克（或

）的氧，

千克的氫需要

千克（或

）的氧,由于燃料本身含有

千克(或

)的氧，因此，1千克燃料完全燃燒理論上所需要的氧氣為：已知空氣中氧的相對質(zhì)量成分為23.2％，氮為76.8％，氧的相對體積成分為20.95％，氮為79.05％。所以1千克燃料完全燃燒理論上所需的空氣量為：用摩爾數(shù)表示為：輕柴油的成分是

=0.87,

=0.126，

=0.004，代入上述公式即可求出

=14.3(

)，

＝0.495(

)。同樣，車用汽油的成分為

＝0.855，

＝0.145，經(jīng)計(jì)算得汽油的

＝14.8(

)，

＝0.512(

)。根據(jù)公斤摩爾數(shù)的定義可如：或因此可求出空氣的平均分子量2.混合氣成分

發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)際提供的空氣量往往并不等于理論空氣量。對于混合氣成分，歐美各國及日本一般都直接以其中所含空氣與燃料的質(zhì)量比——空燃比

來表示。我國除用空燃比表示混合氣成分外，還常用過量空氣系數(shù)表示混合氣的成分。過量空氣系數(shù)是指燃燒1kg燃料實(shí)際提供的空氣量與理論上所需空氣量之比，用符號

表示。

＝

1的混合氣稱為理論混合氣；

＜

1的混合氣稱為濃混合氣（比理論混合氣濃）；

＞

1的混合氣稱為稀混合氣（比理論混合氣?。?。一般汽油機(jī)

=0.8～1.2，車用高速柴油機(jī)

=1.2～1.6，增壓柴油機(jī)

＝1.8～2.2。1.2.2燃燒前后工質(zhì)理論分子變更系數(shù)燃燒后工質(zhì)的摩爾數(shù)

與燃燒前工質(zhì)的摩爾數(shù)

之比稱為理論分子變更系數(shù)，以

表示。1.

＞

1的情況柴油機(jī)汽油機(jī)2.

＜

1的情況1.2.3實(shí)際分子變更系數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于氣缸中廢氣不可能完全排除于凈，每次吸人新鮮充量時(shí)都有上個(gè)循環(huán)留下來的殘余廢氣。因此，研究燃燒前、后工質(zhì)摩爾數(shù)的變化時(shí)，應(yīng)將這種實(shí)際情況考慮進(jìn)去。設(shè)1kg燃料燃燒后在氣缸中留下的殘余廢氣為

，則燃燒前氣缸中的工質(zhì)總量為：燃燒后氣缸中的工質(zhì)總量為：氣缸中的殘余廢氣量

與新鮮充量

之比稱為殘余廢氣系數(shù)，以

表示?？紤]了殘余廢氣后，燃燒后的工質(zhì)摩爾數(shù)

與燃燒前工質(zhì)摩爾數(shù)

之比稱為實(shí)際分子變更系數(shù)，以

表示。1.3發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)與熱損失發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程就是實(shí)際循環(huán)不斷重復(fù)進(jìn)行的過程。發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個(gè)過程所組成，較之理論循環(huán)復(fù)雜得多，存在必不可免的許多損失，它不可能達(dá)到理論循環(huán)那樣高的循環(huán)效率。為使實(shí)際循環(huán)獲得改善，減少與理論循環(huán)指標(biāo)的差距，有必要分析實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的差異所在，以及引起實(shí)際循環(huán)各項(xiàng)熱損失的原因，以求不斷改善實(shí)際循環(huán)，促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的改進(jìn)與發(fā)展。現(xiàn)以一臺非增壓四沖程柴油機(jī)為例進(jìn)行討論，圖為其理論循環(huán)與實(shí)際循環(huán)。其中用實(shí)線表示實(shí)際循環(huán)示功圖，而用加了黑點(diǎn)的實(shí)線表示與之相對應(yīng)的理論循環(huán)示功圖，兩個(gè)示功圖具有同樣的熱量輸入。1.3.1工質(zhì)的影響理論循環(huán)工質(zhì)的比熱是不隨溫度變化而變化的。實(shí)際循環(huán)工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物，它們的比熱隨溫度升高而上升.若加熱量

相同，則實(shí)際循環(huán)達(dá)到的最高溫度較理論循環(huán)低，其結(jié)果導(dǎo)致循環(huán)熱效率的降低，循環(huán)所做的功減少。實(shí)際循環(huán)的燃燒膨脹線（圖中虛線）低于理論循環(huán)的燃燒膨脹線。1.3.2換氣損失理論循環(huán)中用從熱源等容等壓吸熱和向冷源等容放熱的過程（圖中的

線和

線）來代替實(shí)際循環(huán)的燃燒和換氣過程，因而它無需進(jìn)行工質(zhì)的更換。而實(shí)際循環(huán)中，燃燒廢氣的排出和新鮮空氣的吸入，是維持實(shí)際循環(huán)得以周而復(fù)始地進(jìn)行所必不可少的。在實(shí)際循環(huán)的換氣過程中，排氣門要提前開啟，廢氣在下止點(diǎn)前便開始逸出(沿

線)，使

示功圖的有用功面積減小(圖上的

小塊麻點(diǎn)區(qū)所示)。1.3.3氣缸壁的傳熱損失理論循環(huán)假定氣缸壁和工質(zhì)之間無熱交換。但在實(shí)際循環(huán)中，氣缸壁和工質(zhì)之間自始至終存在著熱量交換。在壓縮過程初期，氣缸壁溫度高于工質(zhì)溫度，工質(zhì)吸熱；在壓縮過程后期，工質(zhì)的溫度超過缸壁溫度，工質(zhì)向缸壁散熱。其平均多變壓縮指數(shù)偏低，存在熱量損失，使壓縮過程的壓力線低于理論循環(huán)的壓縮線（圖上的虛線）。此外，由于進(jìn)氣終了壓力

低于大氣壓力，因此，整個(gè)實(shí)際壓縮線

處于理論壓縮線

的下方。在隨后的燃燒、膨脹和排氣過程中，工質(zhì)繼續(xù)不斷地向缸壁傳出熱量，使實(shí)際循環(huán)的膨脹過程線

低于理論循環(huán)的膨脹線

，在示功圖上減少的有用功面積大于理論壓縮線底下增加的面積，其差值即為實(shí)際循環(huán)的傳熱損失。1.3.4時(shí)間損失理論循環(huán)中，認(rèn)為活塞是以無限緩慢的速度運(yùn)動(dòng)，以保持氣缸內(nèi)的工質(zhì)始終處于平衡狀態(tài)，并且認(rèn)為由熱源向工質(zhì)進(jìn)行等容加熱的速度極快，可以在瞬間完成；在等壓加熱時(shí)，加熱的速度能與活塞運(yùn)動(dòng)的速度相匹配，以實(shí)現(xiàn)等壓加熱過程。這一切在實(shí)際循環(huán)中都無法做到，實(shí)際循環(huán)中柴油機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)具有相當(dāng)?shù)乃俣?，而燃料的燃燒放熱需要一定的時(shí)間。這樣就使：壓縮消耗功增加最高燃燒壓力

下降初期膨脹比

減小1.3.5燃燒損失包括后燃和不完全燃燒所引起的損失。1.3.6渦流和節(jié)流損失活塞的高速運(yùn)動(dòng)使工質(zhì)在氣缸內(nèi)產(chǎn)生渦流，造成壓力損失。此外，對于分隔式燃燒室，工質(zhì)在主、副燃燒室中流進(jìn)、噴出將會引起強(qiáng)烈的節(jié)流損失。1.3.7泄漏損失

氣門處的泄漏可以防止，但活塞環(huán)處的泄漏卻無法避免。不過在良好的磨合狀態(tài)下泄漏量不多，約占工質(zhì)的0.2％左右。1.4發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)是在發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，描述和表征發(fā)動(dòng)機(jī)性能和工作狀態(tài)的一組參數(shù)或指標(biāo)，用這組參數(shù)或指標(biāo)可以定性或定量地比較、分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，是評價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能高低的有效尺度。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)可分為指示指標(biāo)和有效指標(biāo)。1.4.1發(fā)動(dòng)機(jī)的指示指標(biāo)指示指標(biāo)是以工質(zhì)對活塞做功為基礎(chǔ)的性能指標(biāo)，主要是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的好壞。通常用符號下標(biāo)

來表示指示性能指標(biāo)。1.指示功和平均指示壓力所謂指示功是指工質(zhì)在氣缸內(nèi)完成一個(gè)循環(huán)所得到的有用功，用

表示。指示功

的大小可以由實(shí)測得

示功圖中閉合曲線所占有的面積求出。()式中：

——示功圖面積（

）

a

——示功圖縱坐標(biāo)比例尺（

）

b

——示功圖橫坐標(biāo)比例尺（

）平均指示壓力是指發(fā)動(dòng)機(jī)單位氣缸工作容積所做的指示功，用

表示。平均指示壓力

是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)動(dòng)力性能方面的—個(gè)很重要的指標(biāo)。一般發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況時(shí)的

值范圍如下：汽油機(jī)

700～1300柴油機(jī)

650～1100增壓柴油機(jī)

900～25002.指示功率發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所做的指示功稱為指示功率，用

表示。設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)為i，每缸工作容積為Vs（m3），轉(zhuǎn)速為n（r/min），平均指示壓力為pmi（kPa），則每缸、每循環(huán)工質(zhì)的指示功為：

Wi=pmivskJ

發(fā)動(dòng)機(jī)指示功率（i個(gè)氣缸每秒所作的指示功）為：四行程發(fā)動(dòng)機(jī)二行程發(fā)動(dòng)機(jī)

如果τ表示發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù),（四沖程τ=4；二沖程τ=2）以上兩式可合并為下式：

3.指示熱效率和指示燃油消耗率指示熱效率ηit是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)的指示功與所消耗燃料熱量之比，即式中Q1——為得到指示功Wi所消耗燃料的熱量（kJ）。

單位指示功所消耗的燃油量，稱為指示燃油消耗率，用bi表示，通常以每千瓦小時(shí)指示功的耗油量(克)表示。當(dāng)測得發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率為Pi（kW），每小時(shí)耗油量為B（kg/h）時(shí)，則指示燃油消耗率：

(g/kW?h)1.4.2發(fā)動(dòng)機(jī)的有效指標(biāo)有效指標(biāo)是以發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上所得到的功率為基礎(chǔ)的性能指標(biāo)。主要是考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)自身所消耗的機(jī)械能，是用來綜合評價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的指標(biāo)，它比指示指標(biāo)更有實(shí)用價(jià)值。通常用符號下標(biāo)

來表示有效性能指標(biāo)。1.有效功率發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出軸上得到的凈功率即為有效功率，用符號

Pe表示。發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率Pe即為指示功率Pi與機(jī)械損失功率Pm之差。即

Pe=Pi—Pm(kW)

2．有效扭矩Ttq發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出的扭矩稱為有效扭矩，用Ttq表示。它與有效功率Pe、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n之間為下列關(guān)系：

3．平均有效壓力pme發(fā)動(dòng)機(jī)單位氣缸工作容積（升）所輸出的有效功稱為平均有效壓力。它與有效功率之間的關(guān)系為：

4.有效熱效率和有效燃油消耗率

單位有效功（1kW?h）的燃油消耗量（克），稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，也稱為耗油率。燃油消耗率是評定發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。b越小，表示發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性越好。有效熱效率是指發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)的有效功We(kJ)與為得到此有效功所消耗的燃油的熱量Q1(kJ)之比，即

b及ηet的大致范圍是：

ηetb(g/kW?h)汽油機(jī)0.25~0.3270~325柴油機(jī)0.3~0.45190~285

5.發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)

1)．升功率PL和比質(zhì)量me

升功率PL的定義是：在標(biāo)定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。即發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率PeB與總工作容積ivs之比。式中PeB——發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率（kW）；

i——?dú)飧讛?shù)；

vs——每個(gè)氣缸的工作容積（L）。

比質(zhì)量me是發(fā)動(dòng)機(jī)干質(zhì)量m與標(biāo)定功率PeB之比。它表征質(zhì)量利用程度和結(jié)構(gòu)緊湊性汽油機(jī)1.1~4(kg/kW)

汽車柴油機(jī)2.5~9.0(kg/kW)2)．強(qiáng)化系數(shù)pmeCm

平均有效壓力pm與活塞平均速度eCm的乘積稱為強(qiáng)化系數(shù)。它與活塞單位面積的功率成正比。其值越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷越高。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢是強(qiáng)化程度不斷提高，所以pmeCm值增大，也是技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)標(biāo)志。pmeCm的大致范圍是：汽油機(jī)8~17MPa·m./s小型高速柴油機(jī)6~11MPa·m/.s重型汽車柴油機(jī)9~15MPa·m/.s1.5機(jī)械損失燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中燃燒所放出的熱量以一定的熱效率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，但是最終從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸得到的有效功，卻要比轉(zhuǎn)化指示功少一定的數(shù)量。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中不得不為克服本身內(nèi)部的機(jī)械摩擦、驅(qū)動(dòng)必不可少的輔助設(shè)備和泵氣損失等而消耗指示功的一部分，而這部分功的消耗稱之為發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失。發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失消耗了一部分指示功率，使對外輸出的有效功率小于指示功率。不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)其各部分機(jī)械損失所占百分比差別很大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般發(fā)動(dòng)機(jī)中各部分機(jī)械損失功率的分配比例見表。機(jī)械損失名稱

占Pm百分比

占Pi百分比摩擦損失其中：活塞及活塞環(huán)

連桿、曲軸軸承

配氣機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)各種附屬設(shè)備損失其中：水泵

風(fēng)扇

機(jī)油泵、

電氣設(shè)備泵氣損失總功率損失

62～758～2045～6015～202～310～201～52～36～81～21～210～202～410～30

1.5.1機(jī)械效率曲軸輸出的有效功率與指示功率之比，稱為機(jī)械效率，用ηm表示，即

式中pmm——平均機(jī)械損失壓力（kPa）。

1.5.2機(jī)械損失的測定機(jī)械損失功率可通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)測定，常用的實(shí)驗(yàn)方法有示功圖法、倒拖法和滅缸法，柴油機(jī)還可用油耗線法。

1.示功圖法

2.倒拖法

3.滅缸法

4.油耗線法

1.5.3影響機(jī)械效率的主要因素

1．發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高后，致使：（1）各摩擦表面間的相對運(yùn)動(dòng)速度加大，摩擦損失增加。（2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力加大，活塞側(cè)壓力和軸承負(fù)荷均增加，摩擦損失增加。（3）泵氣損失加大。（4）驅(qū)動(dòng)附件的機(jī)械損失增加。所以，轉(zhuǎn)速提高后機(jī)械損失功率增加，使機(jī)械效率下降。根據(jù)實(shí)測統(tǒng)計(jì)資料，機(jī)械損失功率與轉(zhuǎn)速平方近似成正比。因此隨轉(zhuǎn)速升高機(jī)械效率下降較快。

2．發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，負(fù)荷減小時(shí)，汽油機(jī)中是相應(yīng)減小油門開度（即減少混合氣量），柴油機(jī)中是將噴油泵齒條位置向減小供油量方向移動(dòng)，因此，氣缸內(nèi)指示功率將減小，但機(jī)械損失功率Pm變化不大，因?yàn)镻的大小主要取決于摩擦副的相對運(yùn)動(dòng)速度和慣性力大小，故使機(jī)械效率下降。根據(jù)公式ηm=1—Pm/Pi可知，怠速時(shí)，負(fù)荷為零，有效功率Pe=0，指示功率全部用來克服機(jī)械損失功率，即Pi=Pm，故ηm=0。負(fù)荷由小變大時(shí)，指示功率迅速上升，而機(jī)械損失功率上升緩慢所以機(jī)械效率提高，但在大負(fù)荷時(shí)機(jī)械效率上升緩慢。3．氣缸內(nèi)最高燃燒壓力發(fā)動(dòng)機(jī)的最高燃燒壓力

的大小，決定了整個(gè)燃燒膨脹過程的壓力水平。氣缸壓力高，活塞環(huán)背壓按比例增加，活塞裙部對氣缸壁的側(cè)壓力和軸承負(fù)荷增大，活塞環(huán)和活塞的摩擦損失也相應(yīng)增大；另一方面，最高燃燒壓力

高，為保證各承載零件的強(qiáng)度、剛度和工作耐久性，也有必要加大活塞、連桿、曲軸尺寸和質(zhì)量，這就隨之而增加了運(yùn)動(dòng)零件的慣性力，從而導(dǎo)致摩擦損失的增大。因此可以說，凡是導(dǎo)致最高燃燒壓力上升的因素都將加大摩擦損失。

4．潤滑油品質(zhì)在機(jī)械損失中，摩擦損失占的比例最大，達(dá)70%左右，而潤滑油的粘度對摩擦損失的大小有重要影響。潤滑油的粘度即稠稀程度，它表示了流體分子之間內(nèi)摩擦力的大小。選用潤滑油粘度的基本原則是：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和使用條件，在保證可靠潤滑的條件下，盡量選用粘度小的潤滑油，以減少摩擦損失，提高機(jī)械效率。一般說來，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度高，軸承負(fù)荷大時(shí)，要選用粘度較大的潤滑油；當(dāng)轉(zhuǎn)速高，配合間隙小時(shí)，需要潤滑油流動(dòng)性好，宜選用粘度較小的潤滑油。經(jīng)過長期使用，軸承間隙較大，應(yīng)選用較高粘度的潤滑油。5．冷卻水溫度冷卻水溫度直接影響潤滑油的溫度，進(jìn)而影響潤滑油的粘度和機(jī)械損失的大小。冷卻水的溫度低時(shí)，潤滑油的溫度低，粘度大，摩擦損失增加，機(jī)械效率下降。如果冷卻水溫度過高，會使?jié)櫥驼扯刃。彩箼C(jī)械損失增加，機(jī)械效率下降，實(shí)踐證明，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行中冷卻水溫保持在80~95℃范圍內(nèi)，可減少機(jī)械損失，提高機(jī)械效率，通常發(fā)動(dòng)冷卻水溫達(dá)到正常后，才允許發(fā)動(dòng)機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

6.發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀況長期使用的發(fā)動(dòng)機(jī)，技術(shù)狀況差，對機(jī)械效率影響很大。活塞環(huán)與缸套磨損后，間隙增大，漏氣增多，指示功率下降；尤其是汽油機(jī)漏氣還會稀釋潤滑油，使?jié)櫥瑮l件變差，氣缸磨損加快。軸與軸承之間的磨損，使機(jī)油泄露增加，油壓下降，運(yùn)動(dòng)件工作表面的潤滑不良；水道中水垢增多，使氣缸工作表面溫度升高，破壞油膜。這些都會使機(jī)械效率下降，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在使用中，要定期檢查保養(yǎng)，出現(xiàn)故障應(yīng)及時(shí)修復(fù)，確保機(jī)油、燃油、空氣的濾清效果，以減少摩擦損失，提高機(jī)械效率。1.6發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中發(fā)出的總熱量除25%～45%能轉(zhuǎn)化為有效功外，其它部分均以不同的熱傳遞方式散失于發(fā)動(dòng)機(jī)之外。所謂發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡，就是給出燃料的總發(fā)熱量轉(zhuǎn)換為有效功和其他各項(xiàng)熱損失的分配比例。從這些熱量分配中，可以了解到熱損失的情況，以作為判斷發(fā)動(dòng)機(jī)零件的熱負(fù)荷和設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的依據(jù)，并為改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)指明了方向。1.6.1熱平衡方程式發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡可用方程式表達(dá)如下：

（

）

式中：

——燃料在氣缸中完全燃燒發(fā)出的總熱量；

——轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃浚?/p>

——冷卻介質(zhì)帶走的熱量；

——廢氣帶走的熱量；

——燃料不完全燃燒損失的熱量；

——其他損失的熱量。1.6.2熱平衡方程式中各項(xiàng)熱量的確定熱平衡一般由發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測定，試驗(yàn)通常在額定工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下進(jìn)行。

燃料在氣缸中完全燃燒發(fā)出的總熱量

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中發(fā)出的總熱量是由燃料燃燒產(chǎn)生的。通過實(shí)驗(yàn)測出發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)的耗油量

和燃料的低熱值來確定，即：轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃?/p>

冷卻介質(zhì)帶走的熱量式中:——通過發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻介質(zhì)的流量

——冷卻介質(zhì)的比熱

——冷卻介質(zhì)入口和出口的溫度廢氣帶走的熱量式中：

、

——每小時(shí)消耗的燃料量和空氣量；

、

——廢氣和空氣的定壓比熱；

——靠近排氣門處的廢氣溫度；

——進(jìn)氣管入口處工質(zhì)溫度。燃料不完全燃燒損失的熱量其他損失的熱量1.6.3發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡及熱平衡圖發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡通常還以燃料總熱量的百分?jǐn)?shù)表示。即：為了把熱平衡中各項(xiàng)熱量的分配和轉(zhuǎn)移情況更清晰、更形象化地表現(xiàn)出來，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡常采用熱平衡圖來表示，由圖可以一目了然地看到發(fā)動(dòng)機(jī)中熱量流動(dòng)的情況及各項(xiàng)損失所占的比重。下圖表示發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡圖。圖中:1-燃燒放出的熱量，2-指示輸出功，3-廢氣的能量，4-排氣損失，5-傳到氣缸壁上的熱量，6-冷卻水損失，7-發(fā)動(dòng)機(jī)本身的摩擦，8-輔助機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)摩擦，9-摩擦和輻射損失，10-有效輸出功，11-輻射熱；a-從殘余廢氣回收的熱量，b-由氣缸壁傳給進(jìn)氣的熱量，c-從廢氣傳給冷卻水的熱量，d-摩擦熱中傳給冷卻水的熱量，e-排氣系統(tǒng)散出的輻射熱，f－從冷卻系統(tǒng)和水套壁向外的輻射熱，g-從曲軸箱和其它非冷卻部件向外的輻射熱1.7發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型1.7.1模型的假定在推導(dǎo)氣缸內(nèi)工作過程計(jì)算的基本微分方程式時(shí)，采用如下的簡化假定：

1）不考慮氣缸內(nèi)各點(diǎn)的壓力、溫度與濃度場的差異，并認(rèn)為在進(jìn)氣期間，流入氣缸內(nèi)的空氣與氣缸內(nèi)的殘余廢氣實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的完全混合，缸內(nèi)的狀態(tài)是均勻的，亦即為單區(qū)過程。2）工質(zhì)為理想與體，其比熱容、內(nèi)能僅與氣體的溫度和氣體的組成有關(guān)。3）氣體流入與流出氣缸為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)，不計(jì)流入或流出時(shí)的動(dòng)能。4）不計(jì)及進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)壓力和溫度波動(dòng)的影響。5）缸內(nèi)工質(zhì)在封閉過程中無泄漏。1.7.2基本微分方程組

在上述假定下，將氣缸壁面、活塞頂面以及缸蓋底面所圍成的容積作為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，如下頁圖所示。對該變?nèi)莘e熱力學(xué)系統(tǒng)分別應(yīng)用熱力學(xué)第一定律、質(zhì)量守恒定律以及氣體狀態(tài)方程，經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，得到計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的通用方程組如下：1.7.3缸內(nèi)實(shí)際工作過程的計(jì)算應(yīng)用以上建立的微分方程組，結(jié)合補(bǔ)充的各種約束條件，即可對發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過程進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算一般從壓縮始點(diǎn)（進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻）開始，依次完成一個(gè)完整循環(huán)。當(dāng)再次回到計(jì)算始點(diǎn)時(shí)，比較兩次計(jì)算結(jié)果，如達(dá)不到精度要求，則將計(jì)算得到的始點(diǎn)參數(shù)作為初始參數(shù)重新計(jì)算，直到滿足要求。1.7.4進(jìn)排氣過程的計(jì)算

進(jìn)排氣過程熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算，不僅是求解工作過程其他各項(xiàng)熱力學(xué)參數(shù)所必需的，而且對于了解進(jìn)排氣過程的壓力及溫度波動(dòng)情況、預(yù)測及驗(yàn)證進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果、進(jìn)行增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓匹配計(jì)算等，也是十分重要的。1.7.5發(fā)動(dòng)機(jī)性能的計(jì)算

按照上述數(shù)值模擬計(jì)算方法，可以求出氣缸內(nèi)的壓力、溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，以及在整個(gè)循環(huán)中氣缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量、瞬時(shí)過量空氣系數(shù)的變化情況，如下圖所示。復(fù)習(xí)思考題1．什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)？什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)？2．畫出四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)的示功圖，說明它與理論循環(huán)示功圖有什么不同？3．分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)熱損失的主要因素。4．什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的指示指標(biāo)？主要有哪些？5．什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的有效指標(biāo)？主要有哪些？6.什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力、有效燃油消耗率、有效熱效率?它們各有什么意義?7.什么是機(jī)械效率?分析影響機(jī)械效率的因素。8.如何測定機(jī)械效率？9．什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡？研究熱平衡有何意義？第2章發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程教學(xué)要求：掌握四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程、換氣損失和充量系數(shù)的概念；掌握影響充氣效率因素的分析；掌握提高充氣效率、減少換氣損失的措施。了解發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管動(dòng)態(tài)效應(yīng)。2.1發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程2.2發(fā)動(dòng)機(jī)換氣損失和泵氣損失2.3發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程性能指標(biāo)2.4影響充量系數(shù)的因素2.5提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)的措施2.6動(dòng)態(tài)效應(yīng)2.1發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程是指：從排氣門開啟到下一循環(huán)進(jìn)氣門完全關(guān)閉的整個(gè)過程，約占410～480。換氣過程可分為自由排氣、強(qiáng)制排氣、進(jìn)氣和燃燒室掃氣等4個(gè)階段。

圖2-1四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程2.1.1自由排氣階段從排氣門開始開啟，到氣缸內(nèi)壓力降到接近排氣管內(nèi)壓力，這個(gè)時(shí)期稱為自由排氣階段。由于氣缸內(nèi)壓力高于排氣管內(nèi)壓力，廢氣是靠自身的壓力排出，所以稱為自由排氣階段。排氣提前角：從排氣門開始開啟到活塞運(yùn)行至下止點(diǎn)這段曲軸轉(zhuǎn)過的角度，一般為40～80。自由排氣階段所排出的廢氣量約占其總量的60%～70%，也是排氣阻力和噪聲最大的時(shí)期。2.1.2強(qiáng)制排氣階段從自由排氣階段結(jié)束，活塞上行強(qiáng)制排出缸內(nèi)廢氣的階段，稱為強(qiáng)制排氣階段。

排氣遲閉角：活塞從上止點(diǎn)到排氣門完全關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角，稱為排氣遲閉角。一般排氣遲閉角為10～35。進(jìn)氣過程是指從進(jìn)氣門開始開啟到進(jìn)氣門完全關(guān)閉的這段時(shí)間。進(jìn)氣提前角：從進(jìn)氣門開始開啟到活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)這段曲軸轉(zhuǎn)角，稱為進(jìn)氣提前角，一般為10～30。從活塞運(yùn)行至下止點(diǎn)到進(jìn)氣門完全關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角，稱為進(jìn)氣遲閉角。一般進(jìn)氣遲閉角為40～80。2.1.3進(jìn)氣過程由于排氣門的延遲關(guān)閉和進(jìn)氣門的提前開啟，在排氣行程上止點(diǎn)附近，進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟的現(xiàn)象，稱為氣門疊開。氣門疊開期間，只要合理控制氣流方向，廢氣的慣性排出會對新鮮空氣或混合氣有抽吸作用，新鮮空氣或混合又驅(qū)趕廢氣并冷卻燃燒室，這一過程稱為燃燒室掃氣。氣門疊開角等于排氣遲閉角與進(jìn)氣提前角之和，一般非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)20～60，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)為80～160。氣門疊開角過小，燃燒室掃氣的作用就不明顯；氣門疊開角過大，可能導(dǎo)致廢氣倒流。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)必須選擇合理的氣門疊開角。2.1.4氣門疊開和燃燒室掃氣圖2-2非增壓四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位應(yīng)用案例2-1氣門疊開角的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，一般設(shè)計(jì)的原則是：高速發(fā)動(dòng)機(jī)大些，約占30～90；中速發(fā)動(dòng)機(jī)小些，約占20～60。例如，雅馬哈XJR400中速發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門疊開角僅為59；雅馬哈FZR400高速發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門疊開角為65；本田CB125T高速發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門疊開角高達(dá)94。2.2發(fā)動(dòng)機(jī)換氣損失和泵氣損失換氣損失可定義為：理論循環(huán)換氣功和實(shí)際循環(huán)換氣功之差。發(fā)動(dòng)機(jī)換氣損失由排氣損失和進(jìn)氣損失兩部分組成。圖2-3非增壓四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位2.2.1排氣損失從排氣門提前開啟，廢氣開始排出，直到進(jìn)氣行程開始，氣缸內(nèi)壓力達(dá)到大氣壓力時(shí)，這段過程損失的循環(huán)功為排氣損失。它又可分為自由排氣損失和強(qiáng)制排氣損失兩部分。自由排氣損失是指由于排氣門提前開啟，膨脹壓力線從點(diǎn)

開始偏離理論膨脹線，導(dǎo)致膨脹功減少而引起的損失，如圖2-3中面積w表示自由排氣損失。強(qiáng)制排氣損失是指活塞上行強(qiáng)制推出廢氣所消耗的功，如圖2-3中面積y+d表示強(qiáng)制排氣損失。最佳排氣提前角應(yīng)該使面積w+y+d最小。

2.2.2進(jìn)氣損失與理論循環(huán)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣過程中所造成的功的減少稱為進(jìn)氣損失。對于非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由于進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力，進(jìn)氣過程氣缸內(nèi)壓力低于大氣壓力，而活塞背面曲軸箱內(nèi)的壓力稍大于大氣壓力。因此，進(jìn)氣過程活塞要消耗功。圖2-3中面積x即表示進(jìn)氣損失。

2.2.3換氣損失和泵氣損失與理論循環(huán)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣過程中所造成的功的減少稱為進(jìn)氣損失。如圖2-3中面積（w+y+d+x）。

泵氣損失是換氣損失的一部分，即圖2-3中面積（x+y）。

對于泵氣損失可以從泵氣功的角度理解。由于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣沖程與往復(fù)式活塞壓氣機(jī)的抽、排氣的泵氣過程類似，所以此時(shí)工質(zhì)對活塞所作的功又稱為泵氣過程功，簡稱泵氣功。泵氣功可正可負(fù)。泵氣損失功

=理論泵氣功

-實(shí)際泵氣功。閱讀材料2-1增壓四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖如圖2-4所示。長方形包圍的面積即為理論泵氣功。實(shí)際泵氣功為。這個(gè)長方形與實(shí)際泵氣功之間帶剖面線部分的面積則代表泵氣損失功。圖2-3增壓四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖2.3發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程性能指標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程進(jìn)氣是否充分、排氣是否徹底，其常用的評價(jià)指標(biāo)是：充量、充量系數(shù)和殘余廢氣系數(shù)。2.3.1充量充量即充氣量，它表示進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)新鮮氣體的質(zhì)量，常用每循環(huán)充量和單位時(shí)間充量來表示。每循環(huán)充量是指發(fā)動(dòng)機(jī)在每一個(gè)循環(huán)的進(jìn)氣過程中，實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮氣體（空氣或可燃混合氣）的質(zhì)量，即循環(huán)實(shí)際充量，用表示。單位時(shí)間充量是指每小時(shí)進(jìn)入氣缸新鮮氣體的質(zhì)量，用表示。

的表達(dá)式由于排氣系統(tǒng)存在阻力，當(dāng)排氣門關(guān)閉時(shí)，氣缸內(nèi)尚有一部分殘余廢氣存在，則其質(zhì)量為。在進(jìn)氣門關(guān)閉進(jìn)氣終了時(shí)，氣缸內(nèi)既有新鮮氣體，又有殘余氣體，氣缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量為。因此，充入氣缸的新鮮氣體質(zhì)量為:為了衡量殘余廢氣量的多少，引入殘余廢氣系數(shù)的概念。殘余廢氣系數(shù)是指每循環(huán)氣缸內(nèi)的殘留廢氣質(zhì)量與新鮮氣體質(zhì)量之比，用表示，即：于是氣缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量可以表示為：因此，氣缸內(nèi)新鮮氣體的質(zhì)量也可以表示為：

的表達(dá)式對于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)有：式中：——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

——?dú)飧讛?shù)循環(huán)充量增大，則每循環(huán)燃燒的燃料便可增多，因此直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力和轉(zhuǎn)矩。單位時(shí)間充量則決定發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間燃燒的燃料量，因而直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

與隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系圖2-4循環(huán)充量和單位時(shí)間充量隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢2.3.1充量系數(shù)充量系數(shù)是每循環(huán)進(jìn)入氣缸的實(shí)際充量與在進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的理論充量之比，即：所謂進(jìn)氣狀態(tài)，是指進(jìn)入氣缸前氣體的熱力學(xué)狀態(tài)。對于非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，一般都采用當(dāng)時(shí)的大氣狀態(tài)；對于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用增壓器出口的狀態(tài)。充滿氣缸工作容積的理論充量為：則，充量系數(shù)為：充量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測定發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際充量系數(shù)可用實(shí)驗(yàn)方法測得。對于四沖程非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，可以認(rèn)為燃燒室沒有掃氣，用流量計(jì)（如標(biāo)準(zhǔn)孔板）來實(shí)測發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)實(shí)際充氣量。理論充氣量可由下式計(jì)算：因此，實(shí)驗(yàn)測得的發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)為：充量系數(shù)的解析式缸內(nèi)氣體總質(zhì)量為：缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量為：

充入氣缸的新鮮充量為：根據(jù)充量系數(shù)的定義，可知：將以上兩式和并，得：考慮到進(jìn)排氣遲閉角的影響，令可以得到：

將氣體狀態(tài)方程，代入上式，可得：為了在上式中反映出進(jìn)氣過程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)殘余廢氣量的多少，引入殘余廢氣系數(shù)，可得：將上式右端的分子和分母均除以，并化為、和的函數(shù)，則得到：

最后，將式（2-21）代入式（2-19），整理后可得：2.4影響充量系數(shù)的因素進(jìn)氣終了壓力

進(jìn)氣終了溫度殘余廢氣系數(shù)進(jìn)氣（或大氣）狀態(tài)壓縮比配氣相位2.4.1進(jìn)氣終了壓力在氣缸容積、進(jìn)氣終了溫度和殘余廢氣量一定時(shí)，進(jìn)氣終了壓力越大，缸內(nèi)氣體密度越大，意味著實(shí)際充氣量就越多，充量系數(shù)越大。式中，——進(jìn)氣終了壓力；——進(jìn)氣終了壓力；

——由于進(jìn)氣系統(tǒng)阻力而引起氣體流動(dòng)時(shí)的壓降。式中，——管道阻力系數(shù)；

——管道內(nèi)氣體流速；

——進(jìn)進(jìn)氣狀態(tài)下氣體的密度。進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的大小，包括空氣濾清器、進(jìn)氣管、進(jìn)氣道和進(jìn)氣門。流通截面越小，截面變化越突然，轉(zhuǎn)彎越急，表面越粗糙，阻力越大。進(jìn)氣門處是進(jìn)氣系統(tǒng)中流通截面最小、流速最大，阻力最大之處。實(shí)際使用時(shí)，由于進(jìn)氣管和進(jìn)氣門等的結(jié)構(gòu)不可改變。應(yīng)注意對空氣濾清器的維護(hù)，以保證良好的濾清效果和較小的進(jìn)氣阻力。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，氣體流速增加。顯著增大（呈平方關(guān)系），使進(jìn)氣終了壓力迅速下降。當(dāng)節(jié)氣門開度一定時(shí)，轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)氣終了壓力下降；當(dāng)節(jié)氣門開度逐漸減小時(shí)，進(jìn)氣終了壓力不僅下降，而且節(jié)氣門開度越小，隨轉(zhuǎn)速增加而下降得越快。

2.4.2進(jìn)氣終了溫度在氣缸容積、進(jìn)氣終了壓力和殘余廢氣量一定時(shí)，進(jìn)氣終了溫度越高，缸內(nèi)氣體密度越小，意味著實(shí)際充氣量就越少，充量系數(shù)下降。影響進(jìn)氣終了溫度的因素主要有：轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、缸壁的冷卻強(qiáng)度及進(jìn)氣溫度等。當(dāng)負(fù)荷不變而轉(zhuǎn)速增加時(shí)，由于新鮮充量與缸壁接觸時(shí)間短，充量被加熱少，進(jìn)氣終了溫度稍有上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變而負(fù)荷增加時(shí)，缸壁溫度升高，使進(jìn)氣終了溫度隨之上升。缸壁冷卻強(qiáng)度越小，則溫度越高，進(jìn)氣終了溫度越大。進(jìn)氣溫度越高，則缸壁與新鮮充量的溫差越小，進(jìn)氣終了溫度增加的幅度越小。2.4.3殘余廢氣系數(shù)排氣終了壓力增大，殘余廢氣密度增加，殘余廢氣系數(shù)上升，使充量系數(shù)下降。排氣終了壓力取決于排氣系統(tǒng)的阻力，阻力越大，排氣終了壓力越大。排氣系統(tǒng)的阻力取決于排氣通道的阻力（特別是排氣門處的阻力），此外發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，流動(dòng)阻力增大，也使排氣終了壓力增加。2.4.4進(jìn)氣（或大氣）狀態(tài)進(jìn)氣溫度升高，新鮮充量和氣缸壁的溫差隨之減小，加熱相對減小，充量系數(shù)增加。進(jìn)氣壓力下降，若進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力不變，進(jìn)氣終了壓力隨之下降，且的比值基本不變，對充量系數(shù)影響不大。但實(shí)際情況是：進(jìn)氣溫度升高，進(jìn)氣壓力下降，均使進(jìn)氣密度減小，因此進(jìn)氣量減少。這與上述充量系數(shù)增大的結(jié)論并不矛盾。因?yàn)槌淞肯禂?shù)的定義是相對于進(jìn)氣狀態(tài)而言的。

2.4.5壓縮比隨著壓縮比的增大，壓縮終了容積相對減小，使氣缸內(nèi)殘余廢氣量相對減少，充量系數(shù)有所提高。壓縮比對充量系數(shù)的影響較小，而且壓縮比的選擇，主要是考慮燃燒和機(jī)械負(fù)荷的限制。汽油機(jī)在保證正常燃燒的前提下，盡可能提高壓縮比，以提高熱效率。柴油機(jī)在保證各工況正常的前提下，不過分追求高壓縮比，以免機(jī)件承受的機(jī)械負(fù)荷過大。2.4.6配氣相位配氣相位直接影響進(jìn)、排氣是否充分，即影響實(shí)際進(jìn)氣量和殘余廢氣量，從而影響充量系數(shù)。配氣相位中，進(jìn)氣遲閉角對充量系數(shù)的影響最大，其次是排氣遲閉角。進(jìn)氣遲閉角過小，不能利用氣流慣性充分進(jìn)氣；但進(jìn)氣遲閉角過大，容易將已進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮氣體排出氣缸外。因此，進(jìn)氣遲閉角過小或過大都會使實(shí)際充氣量減小，充量系數(shù)下降。排氣遲閉角過小，不能利用氣流慣性充分排氣；但排氣遲閉角過大，容易造成廢氣倒流，使殘余廢氣量增加，實(shí)際充氣量減少，充量系數(shù)下降。最佳的配氣相位會使具有最大值。最佳的配氣相位應(yīng)當(dāng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不同而不同。2.5提高充量系數(shù)的措施降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進(jìn)氣終了壓力；降低排氣系統(tǒng)的阻力損失，以減小缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)；減少高溫零件在進(jìn)氣系統(tǒng)中對新鮮充量的加熱，降低進(jìn)氣終了溫度；合理選擇配氣相位；充分利用進(jìn)氣管內(nèi)的動(dòng)力效應(yīng)。

2.5.1降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力減小進(jìn)氣門處的阻力合理控制進(jìn)氣馬赫數(shù)當(dāng)進(jìn)氣馬赫數(shù)超過0.5左右后，充量系數(shù)將急劇下降。

減小進(jìn)氣門處的流動(dòng)損失（1）增大進(jìn)氣門頭部直徑，配置適當(dāng)大小的排氣門（2）采用多氣門結(jié)構(gòu)多氣門結(jié)構(gòu)可以增大進(jìn)氣流通截面，減小進(jìn)氣系統(tǒng)阻力。目前應(yīng)用較廣泛的是兩進(jìn)兩排的四氣門結(jié)構(gòu)，也有采用兩進(jìn)一排的三氣門結(jié)構(gòu)和三進(jìn)兩排的五氣門結(jié)構(gòu)。

進(jìn)氣門方案比較圖2-5進(jìn)氣門方案比較進(jìn)氣門數(shù)直徑（mm）傾斜角（度）流通截面積（mm2）占?xì)飧捉孛娣e的百分?jǐn)?shù)(%)1280612.7512.213220804.2516.0136351017.820.22240904.818.0228201225.524.43200942.4818.8324201357.227.0表2-1進(jìn)氣門流通截面積與氣缸截面積的比值應(yīng)用案例2-2表2-2多氣門與2氣門汽油機(jī)動(dòng)力性能對比表

采用四氣門或五氣門的結(jié)構(gòu)，不僅可以增大充量系數(shù)，加大充量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩；而且功率也大大增加。

（3）改善進(jìn)氣門和氣門座處的流體動(dòng)力性能

氣門升程較大，氣流與密封錐面脫離，形成自由射流，如圖a)；氣門升程較小，除進(jìn)口棱角處外，氣流基本上與密封錐面貼合，如圖c)所示；氣門升程處于中間值，上部脫離后又接觸，下部形成射流，如圖b)。減小氣門座密封錐面的寬度可減小進(jìn)氣的流動(dòng)阻力。修圓氣門座密封錐面的棱角和氣門密封錐面上端的棱角，如圖a)，均可減少氣流與氣門和氣門座的分離，增大有效流通截面，增大充量系數(shù)。圖2-6氣流在進(jìn)氣門座處的流動(dòng)形式（4）改進(jìn)配氣凸輪輪廓和進(jìn)氣門升程規(guī)律

在結(jié)構(gòu)和慣性力允許的條件下，盡可能提高氣門的開閉速度，達(dá)到增大進(jìn)氣門流通截面的效果。（5）采用較小的值在一定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，若不變，縮小，減小活塞平均速度，控制進(jìn)氣馬赫數(shù)；若不變，加大，氣門直徑可以有所增大，擴(kuò)大流通截面，降低進(jìn)氣馬赫數(shù)，對提高充量系數(shù)是有效的。2.5.1降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力減小整個(gè)進(jìn)氣管道的流動(dòng)阻力按照發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和濾清效果的需要，選用低阻高效空氣濾清器。使用中應(yīng)定期維護(hù)空氣濾清器，及時(shí)更換濾芯，減小空氣濾清器的阻力。

在進(jìn)氣管道截面積相同的情況下，圓形截面的阻力最小。同時(shí)，表面盡可能光滑、增大進(jìn)氣管道尺寸，減少彎道和流通截面的變化，以減小進(jìn)氣管道的阻力。在電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上還采用動(dòng)力閥控制式進(jìn)氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能是控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的空氣流通截面的大小，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下對進(jìn)氣量的要求。2.5.2減小排氣系統(tǒng)的的流動(dòng)阻力主要通過在結(jié)構(gòu)上采取措施，減小排氣系統(tǒng)各段（包括排氣門、排氣管道、排氣消聲器等）的阻力，具體要求與減小進(jìn)氣系統(tǒng)阻力基本相同。在排氣系統(tǒng)中，流通截面最小處是排氣門座處，這里的氣流速度最高，壓力降最大。需要注意的是：進(jìn)氣系統(tǒng)阻力對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響超過排氣系統(tǒng)阻力，當(dāng)減小進(jìn)氣阻力與減小排氣阻力發(fā)生矛盾時(shí)，應(yīng)照顧減小進(jìn)氣阻力的要求，如進(jìn)排氣門的直徑和數(shù)量選擇。2.5.3減少高溫零件對新鮮充量的加熱

在結(jié)構(gòu)方面，通過采用進(jìn)、排氣管分置，使進(jìn)氣管遠(yuǎn)離排氣管等措施，可以避免或減少高溫排氣對進(jìn)氣的加熱，降低進(jìn)氣終了溫度。為了獲得較高的充量系數(shù)，高速柴油機(jī)可以采用進(jìn)氣冷卻技術(shù)；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用中冷技術(shù)、油冷卻活塞、組織燃燒室掃氣等措施。為了降低進(jìn)氣終了溫度，應(yīng)注意加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)的維護(hù)，盡量避免長時(shí)間大負(fù)荷工作，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)溫度過高。部分發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了熱空氣供給裝置，其主要作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后溫度較低時(shí)，從排氣管附近給發(fā)動(dòng)機(jī)提供溫度較高的熱空氣，以保證混合氣的形成，降低排放污染。待發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高后，通過控制閥改變吸氣口位置，不再從排氣管附近提供熱空氣給發(fā)動(dòng)機(jī)，從而降低進(jìn)氣終了溫度。2.5.4合理選擇配氣相位

配氣相位的選擇對換氣過程影響最大的是進(jìn)氣遲閉角，其次是排氣提前角和氣門重疊角。當(dāng)進(jìn)氣遲閉角為25～30時(shí)，充量系數(shù)取得最大值，此即為發(fā)動(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的最佳進(jìn)氣遲閉角。圖2-7進(jìn)氣遲閉角對充量系數(shù)的影響如圖2-8，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，最佳進(jìn)氣遲閉角相應(yīng)變化。

（1）當(dāng)進(jìn)氣遲閉角一定時(shí)，僅在某一轉(zhuǎn)速下充量系數(shù)和有效功率最高。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，在較低的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，采用較小的進(jìn)氣遲閉角，可以獲得較高的充量系數(shù)和有效功率；在較高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，采用較大的進(jìn)氣遲閉角，可以獲得較高的充量系數(shù)和有功功率。（3）改變進(jìn)氣遲閉角，可改變充量系數(shù)和有效功率隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。

圖2-8進(jìn)氣遲閉角對充量系數(shù)和有效功率的影響2.5.4合理選擇配氣相位

可變配氣相位控制系統(tǒng)可變配氣相位控制系統(tǒng)有多種多樣的形式，常用的可分為可變凸輪機(jī)構(gòu)（VariableCamshaftSystem,縮寫VCS）和可變氣門正時(shí)（VariableValveTiming，縮寫VVT）及其組合。可變凸輪機(jī)構(gòu)可變凸輪機(jī)構(gòu)一般是通過兩套凸輪或搖臂來實(shí)現(xiàn)氣門升程與持續(xù)角的變化，即在高速時(shí)采用高速凸輪，氣門升程與持續(xù)角都較大，而在低速時(shí)切換到低速凸輪，升程與持續(xù)角均較小。采用這種可變凸輪機(jī)構(gòu)后，與傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)的性能相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩和高速性能都得到了顯著的改善。

圖2-9進(jìn)氣遲閉角對充量系數(shù)的影響可變氣門正時(shí)對于DOHC（double-overhead-camshaft）系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，由于進(jìn)、排氣門是通過兩根凸輪軸單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的，可以通過一套特殊的機(jī)構(gòu)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，將進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)過一定的角度，從而達(dá)到改變進(jìn)氣相位的目的。

圖2-10可變氣門正時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響圖2-11改善發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的措施無凸輪軸電子控制氣門無凸輪軸電子控制氣門的可變配氣機(jī)構(gòu)——電磁氣門執(zhí)行器（ElectromagneticValveActuation,簡稱EVA）取消發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)氣門機(jī)構(gòu)中的凸輪軸及其從動(dòng)件，利用電磁鐵產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)或控制氣門運(yùn)動(dòng)。圖2-12無凸輪軸電子控制氣門2.6進(jìn)氣管動(dòng)態(tài)效應(yīng)

當(dāng)進(jìn)氣門打開，活塞下行，氣缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓（即真空度），進(jìn)氣管內(nèi)隨之產(chǎn)生負(fù)壓，新鮮充量在進(jìn)氣管內(nèi)外壓差作用下，向氣缸內(nèi)流動(dòng)并在進(jìn)氣管內(nèi)得到加速。隨著進(jìn)氣行程接近終了，當(dāng)進(jìn)氣門迎著已獲得充分加速的氣流關(guān)小時(shí)，在進(jìn)氣管道中引起短暫的壓力升高，導(dǎo)致活塞上行壓縮行程之初，進(jìn)氣流動(dòng)慣性仍可繼續(xù)得到利用。這種利用進(jìn)氣管內(nèi)高速流動(dòng)的氣體慣性增加充氣量的效應(yīng)，稱為慣性效應(yīng)。慣性效應(yīng)2.6進(jìn)氣管動(dòng)態(tài)效應(yīng)

進(jìn)氣開始時(shí)，活塞下行使缸內(nèi)和進(jìn)氣門進(jìn)口處產(chǎn)生一定的真空度，形成負(fù)壓波，它以膨脹波的形式沿進(jìn)氣管以的傳播速度向進(jìn)氣口端傳播。當(dāng)膨脹波到達(dá)開口端時(shí)，又從開口端向氣缸方向反射回壓縮波，其傳播速度為。這種進(jìn)氣壓力波動(dòng)稱為進(jìn)氣波動(dòng)效應(yīng)，將對充量系數(shù)造成一定影響。為分析問題方便，將進(jìn)氣管內(nèi)波動(dòng)效應(yīng)分為本循環(huán)波動(dòng)效應(yīng)和上一循環(huán)波動(dòng)效應(yīng)兩類。進(jìn)氣波動(dòng)效應(yīng)本循環(huán)波動(dòng)效應(yīng)如果進(jìn)氣管的長度適當(dāng)，使膨脹波從氣缸發(fā)出到壓縮波返回氣缸處所經(jīng)過的時(shí)間，與進(jìn)氣門從開啟到關(guān)閉所需的時(shí)間恰好配合，即壓縮波到達(dá)氣缸時(shí)，進(jìn)氣門正好處于關(guān)閉前夕。這樣，就能把較高壓力的新鮮充量關(guān)在氣缸內(nèi)，增加氣缸的充氣量，這種效應(yīng)是本循環(huán)的波動(dòng)效應(yīng)。圖2-13進(jìn)氣本循環(huán)波動(dòng)效應(yīng)上一循環(huán)波動(dòng)效應(yīng)當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉后，進(jìn)氣管內(nèi)的氣流還在繼續(xù)波動(dòng)，對下一循環(huán)的進(jìn)氣量造成影響，即稱為上一循環(huán)波動(dòng)效應(yīng)。

圖2-14進(jìn)氣波動(dòng)效應(yīng)

壓力波動(dòng)的固有頻率為：

式中，——進(jìn)氣管內(nèi)音速；

——進(jìn)氣管長度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為時(shí)，進(jìn)氣頻率為：固有頻率與進(jìn)氣頻率之比為波動(dòng)次數(shù)，它表示進(jìn)氣管內(nèi)壓力波動(dòng)的固有頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣頻率之間的配合關(guān)系，主要是進(jìn)氣管長度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間的配合。

由圖2-14看出，當(dāng)波動(dòng)次數(shù)=、……時(shí)，下一循環(huán)的進(jìn)氣門開啟期間正好與上一循環(huán)波動(dòng)效應(yīng)的正壓力波相重合，使充量系數(shù)增加。當(dāng)波動(dòng)次數(shù)=l、2……時(shí)，進(jìn)氣頻率與壓力波動(dòng)頻率合拍，下一循環(huán)進(jìn)氣門開啟期間正好與負(fù)壓力波相重合，使充量系數(shù)減小。本次循環(huán)的壓力波動(dòng)衰減小，振幅大；而上一循環(huán)壓力波動(dòng)是經(jīng)過多次反射后的波，衰減大，振幅小。因此前者是主要的，需充分利用。閱讀材料2-2多缸機(jī)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)多缸機(jī)各缸的進(jìn)、排氣總管和歧管相互連接，導(dǎo)致“進(jìn)氣干涉”和“排氣干涉”現(xiàn)象，造成多缸機(jī)各缸進(jìn)氣不均勻。為消除上述不利影響，可以把各缸中進(jìn)、排氣時(shí)間基本不重疊的幾個(gè)缸合成一組，使用相對獨(dú)立的進(jìn)、排氣系統(tǒng)。例如，傳統(tǒng)工作順序?yàn)?-5-3-6-2-4的六缸機(jī)可以分為1、2、3缸和4、5、6缸兩組。各組的三個(gè)缸兩兩之間，進(jìn)、排氣相位均相差240曲軸轉(zhuǎn)角，接近各缸真實(shí)的進(jìn)、排氣總相位角。當(dāng)一個(gè)缸氣門開啟時(shí)，另兩缸基本關(guān)閉，在一定程度上減小了相互“干涉”的可能性。

未改進(jìn)前，轉(zhuǎn)速為2800時(shí)各缸充量系數(shù)最大相差9%。改進(jìn)后，基本消除各缸進(jìn)氣不均勻現(xiàn)象，而且總的充量系數(shù)值還增大了5%～6%。圖2-15六缸汽油機(jī)進(jìn)氣管改進(jìn)前后，各缸進(jìn)氣均勻性及充量系數(shù)變化情況

第3章汽油機(jī)預(yù)混合氣

形成與燃燒

本章要求：本章要求學(xué)生掌握電控汽油噴射系統(tǒng)的組成、類型；掌握預(yù)混合氣中火焰形成過程及工況對混合氣濃度的影響；掌握汽油機(jī)正常燃燒過程的分段及其特點(diǎn)；理解汽油機(jī)爆燃和熱面點(diǎn)火的產(chǎn)生機(jī)理、危害及改善措施；掌握影響汽油機(jī)燃燒過程的因素；熟悉汽油機(jī)燃燒室的類型及其特點(diǎn)3.1預(yù)混合氣形成與火焰?zhèn)鞑?.2汽油機(jī)的燃燒過程3.3汽油機(jī)的不正常燃燒3.4影響燃燒過程的因素3.5汽油機(jī)的燃燒室知識要點(diǎn)3.1預(yù)混合氣形成與火焰?zhèn)鞑?.1.1電控汽油噴射系統(tǒng)1.電控汽油噴射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

(1)進(jìn)氣阻力小。

(2)霧化良好。

(3)供油滯后性小。

(4)空燃比控制精度高。

(5)可實(shí)現(xiàn)汽車減速斷油控制。

(6)可實(shí)現(xiàn)與其它電子控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性控制。2.電控汽油噴射系統(tǒng)的類型：1)按進(jìn)氣量的檢測方式分類

(1)壓力型：在節(jié)氣門后面裝壓力傳感器，以測量進(jìn)氣管內(nèi)的壓力。

(2)流量型：在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管處安裝空氣流量傳感器，直接測定進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量。2)按噴油器的位置不同分類

(1)缸外噴射式：將噴油器安裝在進(jìn)氣管或進(jìn)氣歧管上，以0.20～0.35MPa的噴射壓力將汽油噴入進(jìn)氣管或進(jìn)氣道內(nèi)，前者稱為進(jìn)氣管噴射TBI（也稱為單點(diǎn)噴射SPI），后者稱為進(jìn)氣道噴射PFI（也稱為多點(diǎn)噴射MPI）。

(2)缸內(nèi)直接噴射(GDI)，其噴油器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上,汽油直接噴射到氣缸內(nèi)。a)單點(diǎn)噴射(SPI)b)進(jìn)氣道噴射c)多點(diǎn)噴射(MPI)缸內(nèi)噴射方式1.燃油；2.空氣；3.節(jié)氣門；4.進(jìn)氣道；5.噴油器；6.汽油機(jī)3)按噴射的連續(xù)性分類

(1)連續(xù)噴射式:指在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間，噴油器連續(xù)不斷地向進(jìn)氣道內(nèi)噴油，且大部分汽油是在進(jìn)氣門關(guān)閉的噴射的。

(2)間歇噴射式:指在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間，間歇地將汽油噴入進(jìn)氣道內(nèi)。間歇噴射式又可按各缸噴射時(shí)間分為同時(shí)噴射、分組噴射和按序噴射等三種方式。多點(diǎn)噴射控制方式a)同時(shí)噴射

b)分組噴射

c)按序噴射4)按控制系統(tǒng)有無反饋分類(1)開環(huán)系統(tǒng)：不帶有氧傳感器的反饋控制系統(tǒng)。(2)閉環(huán)系統(tǒng)圖3.8閉環(huán)控制噴射系統(tǒng)圖1-傳感器；2-控制器；3-空氣流量傳感器；4-點(diǎn)火裝置；5-發(fā)動(dòng)機(jī)；6-氧傳感器；7-噴油嘴；8-催化劑3.電控汽油噴射系統(tǒng)的組成燃料供給系統(tǒng)：包括汽油箱、電動(dòng)汽油泵、壓力調(diào)節(jié)器、汽油濾清器、噴油器等部件空氣供給系統(tǒng)：主要由空氣濾清器、進(jìn)氣管道、節(jié)氣門及節(jié)氣門體、怠速輔助空氣通道及怠速調(diào)節(jié)電磁閥、進(jìn)氣歧管等組成控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)主要由控制器及各種傳感器組成圖3.9電控汽油噴射系統(tǒng)圖

3.1.2預(yù)混合氣中的火焰?zhèn)鞑?/p>

1.火焰核心的形成在預(yù)混合氣體中，從火花塞跳火花至火焰核心形成要經(jīng)歷一段時(shí)間，這段時(shí)間的長短與火花塞附近預(yù)混合氣體的壓力、溫度、氧的濃度、燃料種類、混合氣濃度、氣流運(yùn)動(dòng)狀況、電火花的性質(zhì)、電極幾何形狀和距離等諸多因素有關(guān)。2.火焰的傳播

燃燒速度是指單位時(shí)間內(nèi)燃燒的混合氣數(shù)量，可用下式表示式中；m——混合氣的質(zhì)量，；

——火焰前鋒面積,；

——未燃混合氣密度；

——火焰?zhèn)鞑ニ俣?，；影響燃燒速度的因素?)火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?1)混合氣濃度的影響當(dāng)過量空氣系數(shù)=0.85～0.95時(shí)，為最大功率混合氣；當(dāng)過量空氣系數(shù)=1.05～1.15時(shí)，為最經(jīng)濟(jì)混合氣。有利的混合氣濃度一般在=0.85～1.2范圍內(nèi)。(2)氣體流動(dòng)狀況的影響氣體的流動(dòng)狀況可分為層流和紊流，因此火焰?zhèn)鞑シ绞娇煞譃閷恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ズ屯牧骰鹧鎮(zhèn)鞑?/p>

a.層流火焰?zhèn)鞑?/p>

b.湍流火焰?zhèn)鞑?/p>

圖3.16在不同湍流作用下的火焰前鋒

a)湍流較弱b)湍流較強(qiáng)圖3.15火焰前鋒面的構(gòu)造2)火焰前鋒面積AT3)未燃混合氣密度圖3.17燃燒室形狀與粗暴性的關(guān)系3.1.3工況對混合氣濃度的影響汽油機(jī)在不同工況下對于混合氣濃度有下列要求：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)：應(yīng)供給較濃的混合氣(=0.6～0.8)。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷(發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷在25%)時(shí)：混合氣濃度略為減小(=0.7～0.9)。(3)當(dāng)汽油機(jī)在中等負(fù)荷（發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷在25%～85%之間）運(yùn)行時(shí)，為獲得較好的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)當(dāng)供給較稀的混合氣(=1.05～1.15)。(4)當(dāng)汽油機(jī)在大負(fù)荷(發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷在85%以上)或全負(fù)荷工況時(shí)，為保證較好的動(dòng)力性，應(yīng)供給較濃的混合氣(=0.85～0.95)。(5)為了保證汽油機(jī)過渡工況(起動(dòng)與加速)的需要，應(yīng)當(dāng)對混合氣的濃度作相應(yīng)的調(diào)整。通常將總噴油量分成基本噴油量、修正油量和增加油量三個(gè)部分。(1)基本噴油量：(2)修正油量：(3)附加油量：1)起動(dòng)時(shí)的噴油控制：在起動(dòng)時(shí)，ECU根據(jù)當(dāng)時(shí)的冷卻水溫度，由內(nèi)存的水溫—噴油時(shí)間圖找出相應(yīng)的基本噴油時(shí)間，然后進(jìn)行進(jìn)氣溫度和蓄電池電壓修正，得到起動(dòng)的噴油持續(xù)時(shí)間。2)起動(dòng)后的噴油控制噴油信號持續(xù)時(shí)間＝基本噴油持續(xù)時(shí)間×噴油修正系數(shù)+電壓修正值對基本噴油時(shí)間進(jìn)行修正，修正內(nèi)容如下：(1)起動(dòng)后加濃(2)暖機(jī)加濃(3)進(jìn)氣溫度修正(4)大負(fù)荷加濃(5)過渡工況空燃比控制(6)怠速穩(wěn)定性修正(只用于D系統(tǒng))3)斷油控制(1)減速斷油(2)發(fā)動(dòng)機(jī)超速斷油3.26減速斷油控制3.2汽油機(jī)的燃燒過程

3.2.1汽油機(jī)的正常燃燒過程1.正常燃燒過程按其壓力變化特點(diǎn)，將燃燒過程分成三個(gè)階段：滯燃期、急燃期和補(bǔ)燃期。1)滯燃期(著火落后期)：從點(diǎn)火電極跳火開始(點(diǎn)1)到形成獨(dú)立的火焰核心(點(diǎn)2)為止。2)急燃期(明顯燃燒期)：從形成獨(dú)立的火焰核心(點(diǎn)2)開始到氣缸內(nèi)出現(xiàn)最高壓力（點(diǎn)3）為止的一段時(shí)期。3)補(bǔ)燃期(后燃期)：從最高燃燒壓力(點(diǎn)3)到燃燒結(jié)束。圖3.27汽油機(jī)的燃燒過程Ⅰ-滯燃期；Ⅱ-急燃期；Ⅲ-補(bǔ)燃期1-開始點(diǎn)火；2-形成火焰中心；3-最高壓力點(diǎn)；-點(diǎn)火提前角

3.2.2汽油機(jī)的不規(guī)則燃燒1.各循環(huán)之間的燃燒差異各循環(huán)間的燃燒差異主要是燃燒的不穩(wěn)定性，表現(xiàn)為循環(huán)的壓力波動(dòng)，這種波動(dòng)幅度越大，燃燒越不穩(wěn)定，最高燃燒壓力對曲軸轉(zhuǎn)角的分布離散性越大。2.各缸間的燃燒差異各缸間的燃燒差異主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的

3.3汽油機(jī)的不正常燃燒

3.3.1爆燃1.爆燃產(chǎn)生的機(jī)理：火焰前鋒未到達(dá)前，末端混合氣溫度達(dá)到了自燃溫度，形成新的火焰中心，產(chǎn)生新的火焰快速傳播，這種現(xiàn)象稱為爆燃。2.爆燃的危害

(1)機(jī)件過載

(2)機(jī)件燒損

(3)性能指標(biāo)下降圖3.32正常燃燒與爆燃情況下和的比較a）正常燃燒b）爆燃3.爆燃的影響因素1)運(yùn)轉(zhuǎn)因素的影響

(1)點(diǎn)火提前角的影響

(2)轉(zhuǎn)速的影響

(3)負(fù)荷的影響

(4)混合氣濃度的影響

(5)燃燒室沉積物的影響2)結(jié)構(gòu)因素的影響

(1)氣缸直徑

(2)火花塞位置

(3)氣缸蓋與活塞的材料

(4)燃燒室結(jié)構(gòu)4.減少爆燃傾向的措施

(1)使用抗爆性高的燃料

(2)降低末端混合氣的溫度和壓力

(3)縮短火餡前鋒傳播到末端混合氣的時(shí)間

(4)減小負(fù)荷或提高轉(zhuǎn)速

3.2.2熱面點(diǎn)火1.熱面點(diǎn)火現(xiàn)象：在汽油機(jī)中，凡是不靠電火花點(diǎn)火而由燃燒室熾熱表面(如過熱的火花塞絕緣體和電極、排氣門、熾熱的積炭等)點(diǎn)燃混合氣面引起的不正常燃燒現(xiàn)象。1)非爆燃性熱面點(diǎn)火(1)早火：高溫?zé)霟岜砻嬖诨鸹ㄈ鹎包c(diǎn)燃混合氣的現(xiàn)象稱為早火。(2)后火火花塞跳火點(diǎn)燃混合氣后，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，由于熾熱表面使火焰前鋒未掃過區(qū)域的混合氣被點(diǎn)燃，但形成的火焰前鋒仍以正常的火焰?zhèn)鞑ニ俣认蛭慈細(xì)怏w推進(jìn)，稱為后火。2)爆燃性熱面點(diǎn)火(激爆)

激爆是一種熱面點(diǎn)火現(xiàn)象，是由燃燒室沉積物引起的爆燃性熱面點(diǎn)火，是一種危害最大的熱面點(diǎn)火現(xiàn)象。2.影響熱面點(diǎn)火的因素和防止產(chǎn)生的措施1)影響熱面點(diǎn)火的因素

(1)壓縮比增加。

(2)進(jìn)氣終點(diǎn)壓力增加(節(jié)氣門開大)。

(3)進(jìn)氣溫度增加。(4)轉(zhuǎn)速增加。

(5)在功率混合比下運(yùn)行。

(6)大氣濕度下降。2)防止熱面點(diǎn)火產(chǎn)生的措施

(1)選用低沸點(diǎn)的汽油和成焦性小的潤滑油

(2)壓縮比降低到8.5或以下。

(3)避免長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行和汽車頻繁加減速行駛。

(4)在燃料中加入抑制熱面點(diǎn)火的添加劑，如添加磷化物可改變沉積物的物理化學(xué)性質(zhì)，降低其著火能力。3.4影響燃燒過程的因素1.汽油的使用性能1)汽油的蒸發(fā)性液態(tài)汽油汽化的難易程度稱為汽油的蒸發(fā)性。2)汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒時(shí)抵抗爆燃的能力，用辛烷值評定，汽油的辛烷值越高，其抗爆性越好。2.混合氣成分在各種混合氣成分中，以供給最大功率混合氣時(shí)最易產(chǎn)生爆燃，如汽車滿載爬坡時(shí)容易產(chǎn)生爆燃。3.點(diǎn)火提前角：指從火花塞發(fā)出電火花到上止點(diǎn)間的曲軸轉(zhuǎn)角。過大過小的點(diǎn)火提前角都不好，只有選擇合適的點(diǎn)火提前角才能得到合適的最高壓力及壓力升高率，使最高壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后12°～15°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、功率大、油耗低，這種點(diǎn)火提前角稱為最佳點(diǎn)火提前角。4.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：隨轉(zhuǎn)速增加，爆燃傾向