发动机原理期末复1.docx

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发动机原理期末复1

发动机原理期末复习

作者孙轶群

第一章工程热力学基础

一．气体的状态参数

1气体压力（p）

压力的三个感念:

1绝对压力，实际压力

2相对压力，（表压力）高出绝对压力部分的压力

3真空度，（表压力的负值体现）低于绝对压力的部分的值

压力：

用P表示，单位是Pa，Mpa、kPa

P=F/A

2气体温度（T）单位采用国际制的绝对温度K

3比容：

用ν表示，单位是m3/kg。

定义：

单位质量的物质所占的容积。

即：

ν=V/M　　ρ=m/v

V--物质的容积,[m3];M--物质的质量，[kg]。

二．气体的热力性质

1工质：

实现能量装换的气体

2热力系统：

在一定的宏观尺寸范围以工质为研究对象的系统

3平衡状态：

气体的状态参数（P、T、V）不随时间的变化而变化的状态

4热力过程：

工质从一个状态连续变化到另一个状态的过程总和

5示功图（p-v图）

W=p·v

可逆过程：

工质冲状态1变化到状态2再从状态2变化到状态1期间工质不对外作功也没有得到功

三．气体的状态方程

1理想气体：

气体内部分子无体积，分子间无吸引力的气体

Pν=RT

PV=mRTV=mν（R=0.287kJ/kg·K）

对空气，R=0.287kJ/kg·K（对空气的气体常数，与气体所处的状态无关，随气体的种类不同而异）

四．气体的比热

1定义：

单位质量的气体，作单位温度的变化吸收的或放出的能量

2公式c=dq/dT

3定压过程：

压力不变的热力过程（Cp）

4定容过程：

体积不变的热力过程（Cv）

5绝热指数：

K=cP/cν（k=1.4）

五．热力学基本定律

热力学第一定律

热和功可以相互转换转换前后的能量保持不变

气体的能量1热能（Q）

2内能（U）

3膨胀功（W）

1膨胀功（W）

W=F·S

W=pdv=∫v1v2PdV

2热量（Q）

热量具有方向性，吸收为正，放出为负（热量是矢量）

3内能（U）

气体内部分子位能和势能的总和

理想气体v=F（T）气体的内能只与温度有关

4定律：

气体状态变化，但其三个能量总和恒定不变。

但三个能量相互可以装换

5能量方程Q=ΔU+w

热力学第二定律

1热力循环

工质从初状态出发经过一系列的热力过程再回到初中状态形成一个封闭过程

2公式

ηT=W/Q1=（Q1-Q2）/Q1=1-Q2/Q1

C=dq/dt

卡诺循环及卡诺定律

1卡诺定律

定温吸热绝热压缩

定温放热绝热膨胀

以上所有过程都可逆

η=1-T1/T2

2卡诺定律

四、几种经典热力过程

1定压过程压力不变的热力过程

P·V=R·T（P=R·T2/V2）

T1/V1=T2/V2T1/T1=V1/V2

2定容过程，容积不变的热力过程

V=R·T/PT1/P2=T2/P2T1/T2=P1/P2

3定温过程，温度不变的热力过程

T=P·V/RP1V1=P2V2P1/P2=V2/V1

4绝热过程，不与外界发生热量交换的热力过程

PTV

（P1/P2）=（V1/V2）K=1.4

（T2/T1）=（V1/V2）K-1=0.4

（T2/T1）=（P2/P1）K-1/K=0.4/1.4

5多变过程,气体状态参数P、V、T都发生变化且与外界交换热量的过程

（P1/P2）=（V1/V2）n

（T2/T1）=（V1/V2）n-1

（T2/T1）=（P2/P1）n-1/n

第二章发动机的性能指标

经济性动力性运转性

2.1发动机理论循环

一、简化条件

1热力循环为封闭过程无近排气过程

2压缩、膨胀为绝热过程

3燃烧过程为定容过程（汽油机）、定压过程（低速柴油机）或先定容后定压（高速柴油）的热力过程

4工质为理性气体，比热（C）为定值

5忽略各种损失过程可逆

二、评定发动机的性能指标

（一）经济性指标

ηi=W/Q=1-q2/q1

（二）动力性指标

Pt-平均循环指示压力

每个循环单位气缸容积输出的功率大小

Pt=W/Vb__工作容积

三、汽车发动机理论工作循环

（一）高速柴油机

1示功图

1-2的压缩过程—绝热压缩；2-3的燃烧过程—等容加热；

3-4的燃烧过程—等压加热；4-5的膨胀过程—绝热膨胀；

5-1的排气过程—等容放热。

2性能指标

ε=V1/V2--压缩比,λ=P3/P2-压力升高比，

ρ=V4/V3-预胀比，k--绝热指数。

δ=V5/V4–后胀比

（二）低速柴油机

1循环

1-2的压缩过程—绝热压缩2-3的燃烧过程—等压加热

3-4的膨胀过程—绝热膨胀4-1的排气过程—等容放热

等容加热循环的热效率：

Pt=εk/ε-1·p/k-1·k（p-1）ηt

（三）汽油机

1理想循环

1-2的压缩过程—绝热压缩；2-3的燃烧过程—等容加热；

3-4的膨胀过程—绝热膨胀；4-1的排气过程—等容放热。

ηt=1-1/εk-1

（四）影响发动机理论循环的因素

1发动机的压缩比（ε）

ε→循环平均吸热温度，而循环平均放热温度↓→循环温差→膨胀比→ηt

汽油机压缩比大概为6到11柴油机的压缩比大概为11到22

汽油机压缩比收到爆燃爆震的限制

柴油机压缩比收到结构强度的限制当大于22后热效率增加并不明显。

当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比较大时，热效率随压缩比的增加增大较少。

低速柴油机：

=16～22

高速柴油机：

=14～20

汽油机：

=8～12

2进气压力（P1）

P1→Pt（P1=3-6MPa）

P1→P2T2

3λ的影响

（1）对定容加热循环，λ↑→ηT不变

因为λ↑则Q1↑和Q2↑→Q2/Q1不变。

（2）对混合加热循环，λ↑→ηT↑

Q1不变，λ↑值增大→Q1v↑，则Q1p↓→Q2↓→循环的热效率↑

4、ρ的影响

（1）等容加热循环

ρ=1，无影响

（2）等压加热循环

ρ↑→T↓。

（ρ↑→Q2↑）

（3）混合加热循环

ρ↑→ηT↓

发动机理论循环与实际循环的比较

1实际工质的损失

（1）实际循环不是理想气体

（2）实际循环存在漏气

2换气损失

（1）排气门提前打开的损失w’

（2）泵气损失：

进排气阻力造成的损失wr

换气损失=w’+wr

3燃烧损失

（1）燃烧有时间

（2）燃烧不完全

（3）点火提前：

在上止点前点火（压缩行程）

4传热损失

气缸内工质温度高于气缸对气缸有热交换

5摩擦损失及驱动附件工作的损失

发动机性能指标

1指示指标：

以工质对活塞做功为衡量标准

意义：

用来评价实际工作循环的好坏，研究发动机的工作过程

2有效指标：

以曲轴输出的功为衡量标准

意义：

用来评定发动机性能的好坏。

指示指标

一、指示功和平均指示压力

1、指示功（或循环指示功）

在气缸完成一个循环，工质对活塞所做的功，用WCi（J）表示。

WCi=∮Pdv

（WCi相当于Ｆ１代表的功）

顺时针正功-循环指示功；

逆时针负功-泵气功;机械损失功

示功图上循环曲线所围成的面积的大小表示功的多少。

2、平均指示压力Pi

1）定义：

发动机单位气缸工作容积每循环做的指示功。

Pi=Wci/Vh（kpa）

2）单位：

Wci（J），Vh（L），Pi（kpa）

3）Pi，Wci==>气缸工作容积的利用程度。

4）作用：

评价发动机工作循环的动力性。

5）汽油机:

Pi=700-1300kpa柴油机:

Pi=650-1100kpa

　　增压柴油机:

Pi=900-2500kpa

三、指示燃油消耗率gi

定义：

单位指示功所消耗的燃油量，用gi表示。

gi＝（1000×Gf/Ni）[g/kw·h]

Gf—每小时的燃油消耗量，［kg/h］；

Ni—指示功率，［kw］。

gi，ηi，经济性指标。

有效指标

1有效功率和机械损失功率

有效功率

Ne＝Ni-Nm

机械损失功率（Nm）

2平均指示压力

1.定义：

单位气缸工作容积的循环有效功。

是评价发动机动力性和强化程度的重要指标。

2.与Ne的关系：

Pe—平均有效压力［kpa］，Vh—汽缸工作容积［L］

对四冲程发动机，τ＝4，

3.对于结构一定的发动机，平均有效压力Pe与扭矩Me成正比。

汽油机:

Pe=650-1200kpa；　柴油机:

Pe=600-950kpa

发动机经济性指标

１.有效燃油消耗率:

单位有效功率的油耗量。

ge＝1000×Gf/Ne[g/kw·h]

Gf:

每小时的油耗量,［kg/h］Ne:

有效功率[kw]

２．有效热效率：

发动机的有效功We与所消耗的燃油发出的热量Q1的比值。

ηe＝We/Q1＝3.6/（ge·Hu）×106

　　　　　＝Wiηm/Q1＝ηiηm　

ge:

有效燃油消耗率;Hu:

燃料的低热值［kJ/kg］

※ge、ηe是发动机的经济性能指标

机械效率

1.机械损失功率:

发动机机械损失所消耗的功率，Nm

2.平均机械损失压力:

单位气缸工作容积的机械损失功，Pm＝Pi-Pe

３.机械效率：

指示功转变为有效功的程度。

４ηi、ηe、ηm之间的关系

汽油机：

ηm＝0.7~0.9；柴油机：

ηm＝0.7~0.85；增压柴油机：

ηm＝0.8~0.92

影响ηm的因素

使用因素：

转速、负荷、润滑油品质、水温等；

结构设计因素：

最高燃烧压力、气缸尺寸数目、大气状态等。

1．转速n

负荷一定=>Pi、Ni基本不变

n↑=>摩擦损失↑=>机械损失↑=>Pm↑

得:

n↑,ηm↓

故用提高n来增加发动机的动力性指标受到限制

2.负荷

负荷定义：

发动机的转速变化时,作用在发动机曲轴上的阻力矩

n不变，Ne∝Me，Ne∝Pe,

故负荷可用Ne,Pe表示。

负荷率：

Me/Memax×100%,

负荷↓=>Pi↓,Pm近似不变

=>ηm＝１－Pm/Pi↓

怠速工况:

Ne＝0Ni＝Nm,ηm=0

3润滑油和冷却水的温度的影响

机油温度30到60摄氏度

4发动机温度

5点火提前角（汽油机）

喷油提前角（柴油机）

6发动机技术状况

第三章发动机换气过程

四冲程发动机换气过程

一换气过程

（一）排气过程

曲轴转角在220°-290°之间

1自由排气阶段

靠气缸内外压力差排气

排出废气量高达60％-70％

2强制排气阶段

活塞运动由下止点运行到上止点

废气由活塞强制推出气缸

排气量取决于活塞运动速度及排气门开启度

3扫气阶段

从进气门开启到排气门关闭的这一阶段是扫气阶段、此时进排气门同时打开。

发动机进气在螺旋管的作用下产生旋流，挤出废气。

（二）进气过程

配气相位

定义：

进排气对应曲轴的转角持续打开和关闭的角度

气门重叠角

进排气同时打开的角度一般在0°到50°之间

二气过程损失

（一）排气门提前打开损失

1）自由排气损失w，因排气门早开，排气压力线从Pb’点开始离开理想循环的膨胀线，引起膨胀功的损失

2）强制排气损失y，它是活塞将废气推出所消耗的功

为了减少排气损失可以选择适当的排气提前角，使（w+y）最小。

减小排气系统阻力及排气门处流动损失，是降低排气损失的主要方法。

换气过程的评价指标

一废气系数γ

1定义发动机每个工作循环气缸内残余废气量与实际进入气缸内新鲜工质的比值

2公式γ=mγ/m0

根据Pr=mRT

得到r=1/（P1T1/P2T2）ε-1

二充气效率

1定义：

实际进入气缸的新鲜充量m与进气状态下充满气缸工作容积的理论新鲜充量ms之比。

式中V1，m—实际进入气缸新鲜充量的体积和质量

V2，ms—进气状态下理论计算充满气缸工作容积的新鲜充量的体积和质量。

3影响换气过程充气效率的原因

1大气温度压力

2进气压力温度

3排气压力温度

4压缩比

5配气相位

6残余废气量

改善发动机充气效率的措施

一减小进气阻力的措施

1增大进气面积

（1）增大进气头部直径

D进>D排（10％—15%）

（2）增大进气门数量

采用多气门结构

（3）增加气门升程

（4）减小活塞行程（采用短行程技术）

（5）改善进气口采用流线型

二减小排气阻力

1采用圆形排气管

2保持排气管内壁光滑

3减少排气方向变化

三空气滤清器

减小进气系统阻力。

四合理配气相位

合理的配气相位可以有效的提高充气效率

第四章燃料与燃烧

一燃料

汽油：

90#93#97#牌号：

辛烷值。

牌号越高抗爆性越好

柴油：

-10#0#10#20#牌号：

凝点

二燃烧

理论空气量（Lo）

1kg燃料燃烧所需的空气量

汽油Lo=14.9kg

柴油Lo=14..5kg

过量空气系数（α）

α=L/LoL实际量Lo理论量α↑=》混合气浓度↓

汽油机正常工作0.8<α<1.2

柴油机正常工作高速α<1.21.5

低速α<2.2-2.6

空燃比（A/F）

燃料燃烧时空气量与燃料的比值

A/FA空气量F燃料量

燃料的着火

汽油：

高温单阶段

柴油：

低温三阶段

缸内值喷技术：

分层燃烧

第五章汽油机混合气的形成及燃烧

一混合气形成的方式

（一）喷射式：

进气管（单点）

进气道（多点）

缸内直喷（多点）

（二）各种工况的要求

1空燃比发动机性能的影响

发动机外特性曲线

（A/F）=13.5-14此时发动机为动力性空燃比动力性最好（α=0.85—0.9）

（A/F）=16此时发动机为经济性空燃比经济性最好（α=1.15）

发动机对（A/F）的要求

按工况分：

1怠速（发动机稳定工作的最小转速）（m/min）

此时节气门全关=》Amin=》Pmin

2小转数工况

n↑→节气门↑→P→α↑

3中转数工况（常用工况）

节气门开度一定→P较高→α较高（α=1.10—1.15）

4大负荷工况

节气门开度=3/4最大工况n=2000~3000r/min

发动机负载↑→节气门开度↑

（A/F）α接近最大经济性最好

5全负荷工况转数最大值的80%时节气门全开

此时发动机负载↑→多喷油α↓

过度工况

1冷启动r=0~怠速

冷启动→P（T）最小→汽化雾化质量最差→α（A/F）很小（α=0.2~0.4）

2暖机

节气门开度↑→P↑→汽化雾化质量↓→α（A/F）↑→n↓

多喷油以保证转数n↑

3理想化油器特性

80%节气门全开

二电控发动机燃油喷射系统

（一）类型

1按喷射的位置区分

节气管（节气门附近）单点喷射

进气道（多点喷射）

缸内直喷（多点喷射）

2按喷射的方式区分

连续喷射

间歇喷射

3按测量进气量的方式区分

质量流量控制→直接测量进气管道内气流量大小

速度密度控制→测量P及n大小

节流速度控制→测量节气门开度及n大小

典型燃油控制系统

D型燃油控制系统（传感器类型压力传感器）

速度密度控制方式

L型燃油控制系统（传感器类型节气门传感器）

节流速度控制方式

三汽油机燃烧过程

正常燃烧过程

对发动机性能的影响：

1压力增大速度

2峰值压力高低

3峰值压力及对应的曲轴转角

1→2着火延迟期

火花塞点火→形成稳定火源：

影响因素

（1）缸内的压力温度

（2）缸内气体的气体流动状态

（3）混合气成分（A/F）α的大小

（4）火花塞能量

（5）残余废气量

2→3明显燃烧期

火热中心迅速传播缸内混合气迅速燃烧

缸内压力（P）急剧增大到峰值压力

压力升功率（dp/dθ）：

压力增大的速度

dp/dθ=0.2~0.4（Mpa/θ°）

压力峰值出现的时机

活塞在上止点后12°~15°

通常通过控制点火时机来控制峰值压力出现时机。

3→4补然期

缸内出现峰值压力后部分燃料继续燃烧

燃烧速度与火焰的传播

燃烧速度

单位时间燃烧混合气量有由Pr=mRT推到得

火焰传播速度

未燃烧混合气密度

火焰前锋面积

dm/dt=ρT·UT·AT

影响燃烧速度原因

（1）可燃混合气密度ρT

　　提高进气压力和压缩比，可以增大未燃混合气的密度，从而提高混合气的燃烧速度。

（2）火焰前锋面积AT

与燃烧室形状有关，火花塞安置位置有关

（3）火焰传播速度UT

UT=50~80（m/s）

α（α=0.9-UT=UTmax）

T紊流状况

燃烧的稳定性

（1）各循环燃烧的稳定性

（2）各个气缸件的温度性

不正常燃烧

（1）爆震

1现象：

产生清脆高频敲缸声

2原因：

末端混合气自然形成新的火焰中心和压力波

3影响因素：

1）燃料的性质（汽油牌号）

2）末端混合气（缸内）的压力温度

3）燃烧速度

（2）表面燃烧

1现象：

产生沉闷低频的敲缸声

2原因：

燃烧室内壁高温点引燃混合气

使用因素对燃烧过程的影响

1点火提前角

在不同转数节气门开度混合气浓度

2混合气成分（αA/F）

动力混合比α=0.85~0.95（A/F=13.5~14）

经济混合比α=1.10（A/F=16）

3发动机转速（n）

从气流角度→汽化雾化更好→形成稳定火源→n变化→着火延迟角

4负荷

负荷→节气门开度↑

5大气状况

T↓P↑U=才（e↑）→α↑

6冷却液温度

着火延迟期

T正常=85°~90°C

诱发爆震

T温↑→T缸内↑

汽油机燃烧室

一基本要求

（1）结构紧凑

衡量标准：

面容比（A/V）=表面积、体积

A/V值↓→容积一定，表面积↓→结构紧凑性↑

火焰传播距离小，不易产生爆燃，可提高压缩比;

相对散热损失小，热效率高。

熄火面积小碳氢化合物排量少，排气品质提高。

（2）火花塞位置布置适当

1尽可能靠近排气门

2靠近混合气中心位置

3利用扫气

（3）充气效率

进排气门的位置布置得当

（4）燃烧室形状合理分布

燃烧形状应满足速燃要求

（5）气流运动状况

利用进气涡流和挤流

（6）末端混合气适当冷却

根据：

气流运动方向和火花塞的布置

二常用的典型燃烧室

1浴盆性：

压缩比较小，动力性经济性差

2半球形燃烧室：

火焰传播距离短，压缩比较大，动力性经济性较好。

气门夹角在50°到70°间

3球形燃烧室常用于多气门结构发动机

4楔形燃烧室