发动机的定义.docx
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发动机的定义
发动机的定义
一、发动机的定义
发动机是将其它形式的能量转变为机械能的机器
二、发动机的分类
1. 按使用燃料分：
汽油机、柴油机等。
2.按工作循环分：
四冲程发动机、二冲程发动机。
3. 按气门位置分：
顶置气门式发动机、侧置气门式发动机。
4. 按气缸排列分：
直列式发动机、v型发动机。
5. 按气缸数分：
单缸发动机、多缸发动机。
三、发动机的总体结构
•发动机由“两大机构五大系统”组成
1.两大机构：
曲柄连杆机构、配气机构。
2.五大系统：
冷却系、润滑系、燃料供给系、点火系、起动系
1.曲柄连杆机构
•作用：
将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。
组成：
由气缸体和曲轴箱组、活塞连杆组、曲轴飞轮组组成
2.配气机构•作用：
使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸中排出废气。
组成：
它由进气门、排气门、挺杆、推杆、摇臂、凸轮轴、正时齿轮等组成
3.冷却系•作用：
把受热零件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。
组成：
它由水泵、散热器、风扇、分水管、水套等组成。
•4.润滑系作用：
润滑、冷却、清洗、密封等。
组成：
由机油泵、滤清器、限压阀、油道等组成。
5.燃料供给系汽油机
作用：
按需要向气缸内供应已配制好的可燃混合气，燃烧后排出废气。
组成：
化油器式由燃油箱、汽油泵、化油器、进、排气管、滤清器等组成。
直喷式由燃油箱、电动汽油泵、油压调节器、喷油器、进、排气管、滤清器等组成。
6.点火系1.作用：
按规定时刻及时点燃气缸内的混合气。
2.组成：
由蓄电池、分电器、点火线圈、火花塞等组成。
7.起动系1. 作用：
使静止的发动机起动。
2.组成：
由起动机及附属装置组成。
四、基本术语
1.上止点：
活塞离曲轴回转中心最远处；
2.下止点：
活塞离曲轴回转中心处；
3.活塞行程（S）:
上、下两止点间的距离（mm）S=2R；
4.冲程：
活塞油一个止点到另一个止点运动一次的过程；
5.气缸工作容积（Vh）：
活塞从上止点到下止点所让出的空间的容积（L）；
6.发动机工作容积（Vl）动机所有气缸工作容积之和，也叫发动机的排量。
i：
气缸数
7.燃烧室容积（Vc）：
活塞在上止点时，活塞顶上面的空间容积。
8.气缸总容积（Va）：
活塞在下止点时，活塞顶上面的空间容积。
9.压缩比（ε）：
气缸总容积与燃烧室容积的比值。
活塞往复四个冲程完成一个循环的发动机称四冲程发动机。
每个循环由进气、压缩、作功、排气四个冲程组成
六、四冲程柴油机工作原理
每个循环也由进气、压缩、作功、排气四个冲程组成。
但由于柴油的性质与汽油不同，其混合气形成的方式、着火方式与汽油机也不同。
下述不同点：
1. 进气冲程－进入气缸的是纯空气；
2 . 压缩冲程－压缩比大，压缩终了的压力、温度高。
3. 作功冲程－压缩冲程末，高压柴油呈雾状喷入气缸内，自行燃烧作功，最高压力5-10Mpa；
4.排气冲程－与汽油机基本相同。
压力0.105-0.125Mpa，温度800-1000K
七、汽油机与柴油机的相同点与不同点
相同点:
1.每个工作循环曲轴转两周，每一冲程曲轴转半周，进气冲程进气门开，排气冲程排气门开，其余两个冲程进、排气门均光。
2.四个冲程中，只有作功冲程产生动力，其余三个冲程消耗能量。
点燃混合气后，活塞下行，至开闭进气孔，压缩曲轴箱内的混合气。
继续下行，排气空打开，废气排出。
换气孔打开，混合气进入并扫气，直至换气孔和排气孔关闭。
第二节工程热力学基础
工程热力学主要是研究热能与机械能之间相互转换的一门科学。
从汽车发动机来说，就是通过分析气缸内气体的状态变化的规律，得到提高发动机热效率的途径。
整个发动机的效率可分三部分，如下图所示
燃烧热效率循环效率机械效率
燃料热能活塞功输出功
燃烧过程循环过程机械性能
在工程热力学中，把实现热能与机械能相互转换的工作物质（气缸内的气体）简称为工质
一、工质的热力状态
（一）工质的基本状态参数
工质所处的宏观状态称为工质的热力状态。
说明工质所处的状态的物理量叫做工质的状态参数。
其中压力、比容、温度是可测量的参数，称为工质的基本状态参数
一、四冲程发动机的换气过程
1.四冲程发动机的换气过程：
从排气门打开至进气门关闭。
1）自由排气阶段：
排气门打开至气缸压力接近于排气管压力；
（二）汽油直接喷射式的混合气形成过程
汽油直接喷射系统混合气的形成是在进气管或气缸中进行的。
喷油器将来自供油系统具有一定压力的汽油喷到各缸进气道的进气门前（多点喷射）或喷到节气门前方的进气管内（单点喷射）或直接喷人气缸（缸内喷射）,与来自空气供给系统的新鲜空气在缸外（进气管喷射）或缸内（缸内喷射）相混合形成可燃混合气。
三、汽油机混合气燃烧过程
汽油机的燃烧过程包括着火和燃烧两部分。
从压缩行程上止点前火花塞点火开始到膨胀行程燃料基本上烧完为止,燃烧持续较短（约占25°-40°曲轴转角）,其燃烧过程接近于定容燃烧。
（二）汽油机的着火
汽油和空气形成的可燃混合气必须经过着火阶段才能进行燃烧。
而着火,是指混合气的氧化反应加速、温度升高、以致引起空间某一位置最终有某个火焰出现的过程。
（三）正常燃烧过程
为了提高汽泊机的动力性和经济性,充人气缸的可燃混合气燃烧要完全、及时和正常。
因为:
只有完全燃烧,才能充分利用燃油的热能;
只有及时燃烧,最高压力在上止点后12°～18°，才能使燃气具有更高的温度和压力,对活塞的推力大,使热能更多的转变为机械功;
只有正常燃烧,才能保持发动机稳定、可靠的工作。
根据压力变化的特征,把燃烧过程分为三个阶段:
着火延迟期、急燃期、补燃期。
1.着火延迟期
从火花塞电极间跳过火花（点1）起,到形成火焰中心（点2）为止的这段时间,称为着火延迟期。
图中用I阶段表示,由于只是在火焰中心附近的局部范围内有剧烈的氧化反应,因而图中的压力线没有明显地偏离压缩线,即没有明显的压力升高现象。
2.急燃期：
从火焰中心形成起,主要部分混合气燃烧完毕,因而出现最高压力（点3）为止。
这段时间称为急燃期,图中用E阶段表示。
急燃期是燃烧过程的主要阶段,它对发动机性能影响很大。
实践证明,以曲轴转角计算的压力升高率为170kPa/（°）-240kPa/（°）,且最高压力出现在上止点后12°-18°曲轴转角时,示功图有最大面积,循环功最多。
这时对应的点火提前角,称为最佳点火提前角。
3.补燃期：
从最高压力至燃烧基本完成
混合气中汽油蒸发不良及与空气混合不均匀时,部分颗粒较大的燃油在火焰前锋掠过时,只是表层燃油被燃烧,未燃烧的部分需要在补燃期内燃烧。
此外,燃烧产物有少部分在高湿的作用下会分解。
在膨胀过程中,因工质温度下降,热分解产物又可继续燃烧、放热。
这就形成了补燃期。
补燃是在活塞下行中进行的,这时气缸容积已明显扩大,故补燃产生的热量不能有效地转变为功,反而使排气温度增加,热效率下降。
因此,希望尽可能减少补燃。
（四）不正常燃烧
汽油机的不正常燃烧,包括爆震燃烧和表面点火。
1.爆震燃烧（简称爆燃）
（1）现象与危害
汽油机的爆燃现象就是燃烧室内末端混合气的自燃现象。
2.危害：
虽然爆燃时的最高压力很高,但它是以冲击波的形式出现,不是以均匀压力推动活塞,而像用锦头不断敲击活塞似的,不能使燃气对活塞作功更多。
汽车在低速上坡时,允许有很轻微的短时间的爆燃。
因为轻微的爆燃可以使燃烧过程缩短,有利于提高有效功率,但是不允许严重的爆燃,严重的爆燃会有下列危害:
1）机件过载
2）机件烧损
3）性能指标下降
（3）预防措施：
主要有:
使用抗爆性强的汽油可以避免爆燃的产生;
在汽油中加入少量抗爆添加剂,
使用中应根据发动机的压缩比选用相应牌号的汽油。
可以通过改变结构因素如减小压缩比、采用双火花塞等以及改变运行因素如负荷、转速等措施。
2.表面点火：
不靠火花塞点火而由燃烧室内炽热物点燃混合气的燃烧现象,称为表面点火。
燃烧室内炽热物如:
过热的火花塞电极、热的排气门、热的燃烧表面沉积物等,由表面点火产生的新的火焰前锋也以正常的速度传播。
早火：
在正常火花塞点火前的表面点火
后火：
正常火花塞点火后的表面点火
表面点火的结果是使得缸内压力急剧升高,噪声加强,向活塞、缸壁的传热增加,活塞缸套间结焦,“早火”相当于将点火提前角提前,“后火”虽有可能加快燃烧速度,但是,表面点火的最大问题是点火的无规律性,这将导致燃烧过程的不稳定与工作过程的粗暴,使动力性、经济性都受到影响。
避免表面点火的有效措施是采用低馏程的燃料与不易结焦的润滑油。
表面点火与爆燃的关系
表面点火不同于爆燃,表面点火是由于热表面点燃混合气,而爆燃则是由于燃烧室内末端混合气的自燃产生的。
爆燃与表面点火之间又存在相互影响,表面点火会促使爆燃的产生。
4.转速：
转速增加时，火焰传播速度加快，易产生爆燃的部位在自燃准备尚未完成时，火焰前锋已到达，爆燃趋势减弱；
5.负荷
负荷减少时，残余废气增加，火焰传播速度下降，燃烧的最高温度压力下降，爆燃趋势减弱；
6.燃烧沉积物
沉积物相当与一个热源，爆燃和表面点火倾向增加
第六节柴油机的燃烧过程
柴油机工作过程的特点:
1.吸人气缸的是新鲜空气,被压缩的是新鲜空气;
2.柴油通过高压喷人气缸,缸内形成可燃混合气;
3.柴油和空气混合时间极短;
4.缸内混合气成分不均匀,且不断变化;
5.没有外源点火,只是靠压缩自燃;
6.混合与燃烧重叠进行;
7.质调节,即负荷和转速不是通过进气节流,而是通过燃料量来调节;
对柴油机燃烧的基本要求:
1.燃烧及时。
这将影响作功的质量、放热量的有效利用;
2.燃烧完全。
这会影响到放热量、作功和排放。
因此,对于柴油机来说,及时形成可燃混合气最为重要。
本节将先介绍柴油的主要性能指标,再阐述柴油机的混合气形成与燃烧过程,各种燃烧室特点,发动机排放污染与控制。
柴油的主要性能指标：
1.着火性
柴油的着火性是指柴油的自燃能力,其评定指标是十六烧值,十六统值越高着火性越好。
着火性好的柴油,喷人气缸后能及时着火燃烧,柴油机工作柔和,冷起动性能也随之改善;
若着火佳能差,燃烧前所需的物理、化学准备时间长,着火后压力升高率过高,导致柴油机工作粗暴
2.蒸发性：
柴油的蒸发性用馆程表示。
将柴油加热,分别测定蒸发出50%、90%和95%的馏出温度。
50%馏出的温度低,说明这种燃烧轻馆分多,蒸发性好,有利于混合气的形成和燃烧。
但若轻馆分过多,着火前蒸发油气过多,会使柴油机工作粗暴。
90%和95%馆出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馆分。
重馆分过多,在气缸中不易蒸发,与空气混合不均匀,则燃烧不完全。
易产生冒烟和积炭。
3.粘度：
柴油的粘度用来表示柴油的雾化性。
粘度低,则容易形成混合气。
若粘度过低,会加剧喷油泵及喷油器之间的精密偶件表面之间的磨损;
若粘度过高,流动阻力增加,柴油从喷油器喷出时的雾化性差,不易形成均匀的混合气。
因而,柴油应具有适中的粘度。
柴油的凝点用来表示柴油的低温流动性。
它是指柴油冷却到开始失去流动性的温度。
国产轻柴油的牌号是按凝点编定的,如0号柴油的凝点为0℃。
好的柴油应具有低的凝点。
若凝点过高,不利于燃烧的正常供给,尤其在低温条件下工作。
可能造成油路堵塞。
选用柴油时,一般要求其凝点比最低工作环境温度低3℃-5℃以上。
4.凝点：
柴油的凝点用来表示柴油的低温流动性。
它是指柴油冷却到开始失去流动性的温度。
国产轻柴油的牌号是按凝点编定的,如0号柴油的凝点为0℃。
好的柴油应具有低的凝点。
若凝点过高,不利于燃烧的正常供给,尤其在低温条件下工作。
可能造成油路堵塞。
选用柴油时,一般要求其凝点比最低工作环境温度低3℃-5℃以上。
二、柴油机混合气的形成
柴油机混合气的形成,是指燃料自喷人气缸至着火及燃烧的整个阶级中所发生的破碎、雾化、汽化并与空气之间相互渗透和扩散的过程,它直接决定着燃烧质量。
由于柴油的蒸发性差,因此柴油机采用高压喷射的方法,即在压缩行程接近终了时,借助喷油器将柴油喷人燃烧室,与气缸中高温、高压的空气混合形成可燃混合气。
经过一系列物理化学准备后,着火燃烧;随后,混合气的形成与燃烧便重叠进行,即一边喷油、混合和一边燃烧。
柴油机的混合气形成与汽油机相比有两个最显著的特点:
混合气形成在气缸内部;
混合气形成时间较短。
柴油机浪合气形成的理想过程应该是：
燃料喷人燃烧室后在尽可能短的时间内与周围空气均匀雾化、混合,形成可燃混合气;着火后继续喷人的燃料应及时得到足够的空气和混合能量,以便迅速混合,力求避免燃料直接进入高温缺氧区域,引起裂化。
柴油机混合气形成依靠两方面作用:
燃料喷雾;
组织空气运动
（一）形成混合气的两种基本方式：
按混合气形成的原理分,柴油机可燃混合气的形成方式有两种:
空间雾化混合和油膜蒸发混合。
1.空间雾化混合方式
直接将柴油喷射到燃烧室空间,经雾化、蒸发与空气混合,形成雾状混合物的方式,称为空间雾化混合方式。
空间雾化混合方式的优点:
混合气形成速度快,燃烧过程比较稳定,对转速范围的适应性强。
其缺点:
燃料在着火以前形成的混合气较多,使燃烧过程较为粗暴,并生成较多的NOx。
若油滴蒸发、雾化速度不及燃烧速度快,将产生不完全燃烧。
2.油膜蒸发混合方式：
将柴油顺着气流的运动方式,涂到燃烧室壁面,形成油膜,油膜受热蒸发,并与空气混合形成均匀混合气的方式,称为油膜蒸发混合方式。
燃烧室壁温、油膜厚度和空气与油膜的相对速度是混合气形成的决定性因素。
（二）影响混合气形成的主要因素：
影响混合气形成的主要因素包括:
燃料喷雾、气流运动、燃烧室结构等。
1.燃料的喷雾对混合气形成的影响
利用喷油器将柴油喷散成细粒的过程,称为柴油的喷雾或雾化。
（1）油束的形成：
经高压油管的燃油以高压从喷油器的喷孔喷入气缸,由于空气阻力及高速流动时的内部扰动而被粉碎成细小油漓,增加了空气接触氧化的机会在静止的压缩空气中,从喷油嘴中喷人气缸的油束形状如图所示,油束的外缘区油滴直径细小且稀疏,油滴速度越向外越低。
油束核心部分不能完全粉碎,油滴直径较大,雾化不良,且很稠密。
1）喷油器的结构
喷油器结构方面的主要影响因素是喷孔的大小和喷油器头部的结构形状。
减小喷孔直径,雾化质量得到改善,但容易引起喷孔堵塞。
（3） 影响油束的特性因素
喷油器的喷油压力越高,油束的速度越高,所受扰动越大,雾化质量越好,但这除了要消耗更多的能量外,高压油管容易破裂,喷油器容易磨损。
3）缸内介质反压力
气缸内介质反压力增大时,射程减小,而油束锥角增大,总的来说,对雾化性能影响不大。
4）喷油泵凸轮形状
喷油泵凸轮形状曲线越陡,在高压油管内越容易建立高压,喷油越迅速,雾化性能得到改善。
2）喷油压力：
喷油器的喷油压力越高,油束的速度越高,所受扰动越大,雾化质量越好,但这除了要消耗更多的能量外,高压油管容易破裂,喷油器容易磨损。
3）缸内介质反压力
气缸内介质反压力增大时,射程减小,而油束锥角增大,总的来说,对雾化性能影响不大。
4）喷油泵凸轮形状
喷油泵凸轮形状曲线越陡,在高压油管内越容易建立高压,喷油越迅速,雾化性能得到改善。
5）转速：
发动机转速增加,相对喷油时间需要缩短,喷油速度加快,雾化质量提高。
6）燃油粘度
燃油粘度越大,油滴越不易分散,雾化质量越差。
另外,对雾化质量的要求要视各种燃烧室的结构而有所不同。
一般都是根据燃烧方式而寻求燃烧室形状、空气运动和喷油系统的最佳匹配。
2.空气运动对混合气形成的影响：
为了更有效地形成可燃混合气,改善燃烧过程,通常要组织空气的运动。
组织空气运动的形式有:
（1） 进气涡流
（2） 挤气涡流
（3） 燃烧涡流
三、柴油机的燃烧过程
柴油机的燃烧过程,是从压缩行程上止点前喷油开始到作功行程燃烧终了为止的整个过程。
它所占时间很短（约为50°－70°曲轴转角,高速柴油机只有0.003s-0.006s），整个过程非常复杂。
（-）柴油机的着火:
柴油机利用柴油化学安定性差,易自燃的特点,采用压缩自燃的方式使可燃混合气着火。
在压缩行程末期将柴油喷入气缸,形成可燃混合气,它的着火需要具备两个条件:
1.合适的混合气浓度。
2.合理的混合气温度
（二）油机的燃烧过程:
柴油机的燃烧过程可分为四个阶段:
着火延迟期
速燃期
缓燃期
补燃期
5.燃烧室内的工质运动和换气质量:
适当组织工质的运动,可以提高燃油的蒸发速度,促进可燃混合气的形成,空气运动可以促使油束分散,增大混合的范围,加快燃烧速率,改善经济性。
但是,组织进气涡流要消耗能量,还会使充气效率降低。
挤气涡流在工作过程中衰减较快,它的影响效果相对小些。
另一方面,涡流过强,散热损失也会增加,当燃烧室工作温度较低时,会导致着火延迟期的增长。
改善换气过程,提高充气效率,对于促进可燃混合气的形成、改善燃烧和排放都是有利的。
6.燃烧室的热力状态:
发动机燃烧室的热力状态主要取决于进气状况、压缩比、燃烧室及冷却状态等因素。
增加缸内的压力和温度，有利于可燃混合气的形成和燃烧.
7.转速:
发动机转速升高时,虽然由于工作温度的升高而改善了燃烧,但因高压油管内燃油压力波的传播速度不变,所以,喷油角及喷油持续期将随之增大,最终导致放热率滞后,热效率降低,排气温度升高,烟度增大。
因此,随着转速的升高,应将供油提前角增大。
8.负荷:
发动机负荷增加,缸内工作温度升高,着火延迟期缩短,燃烧得到改善。
当负荷过高时,空燃比减小,容易导致燃烧不完全并冒烟,由于在缓燃期中喷人的燃油随负荷的增加而增加,因而易使补燃期增长。
五、柴油机的燃烧室
由于柴油机的混合气形成和燃烧都是在燃烧室内进行的,所占的时间又非常短促,因此要求燃烧室形状、空气运动和喷油系统之间的最佳匹配。
燃烧室的造型和喷油器的布置确定了混合气的形成方式,根据这两个特性可以将燃烧室分为分隔式燃烧室和直喷式（统一式）燃烧室,这两类燃烧室造型的特性又可以进一步区分.
（一）分隔式燃烧室
分隔式燃烧室的一般特征是:
1.燃烧室至少分成两个部分;
2.由各室之间的空气流动形成可燃混合气。
分隔式柴油机的燃烧速度比直喷式柴油机慢,其运转比较平稳,但固有热量与流动损耗使得热效率降低,为了追求高的热效率,轿车用柴油机向直喷式燃烧室发展。
直喷式燃烧室的一般特征是:
1.燃烧室不分开,大都以凹坑形式出现在活塞或缸盖上;
2.通过喷射（油束）形成混合气;
3.在进气过程中通过切向气道、螺旋气道或导气屏产生的涡流运动促进混合气形成。
（二）直喷式燃烧室（统一式燃烧室）:
直喷式燃烧室的一般特征是:
1.燃烧室不分开,大都以凹坑形式出现在活塞或缸盖上;
2.通过喷射（油束）形成混合气;
3.在进气过程中通过切向气道、螺旋气道或导气屏产生的涡流运动促进混合气形成。
六、发动机的排放污染与控制:
发动机工作时会排放一些对人体和环境有害的成分。
主要有:
一氧化碳C0；
未燃烧的碳氢化合物HC；
氮的氧化物N0x；
浮游的微小颗糙。
（一）放污染物的形成与危害:
1.一氧化碳CO
一氧化碳产生的原因,主要是由于燃烧时氧气相对不足,燃油中的碳不能与足够的氧结合、燃料燃烧不完全而产生的。
当CO的含量在百万分之一容积浓度以上时,随着浓度的增加,会引起头痛、呕吐、昏厥、甚至死亡。
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