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1、内燃机与燃烧分析北京理工大学机械与车辆工程学院发动机试验室李向荣 博士 副教授35目 录一、内燃机原理11.1车用内燃机分类与工作原理11.1.1 内燃机分类11.1.2 内燃机的优缺点21.1.3 内燃机常用术语31.1.4 内燃机结构组成71.1.5 内燃机型号的编制81.1.6 内燃机工作原理101.1.6.1 四冲程发动机工作原理101.1.6.2 二冲程发动机工作原理141.2内燃机的性能指标（详细）161.2.1 示功图161.2.2 内燃机指示指标181.2.3 内燃机有效指标201.2.4 内燃机理想循环231.2.5 内燃机实际循环261.2.6 内燃机机械损失的测量301.
2、2.7 内燃机热平衡321.3 内燃机的燃烧过程361.3.1 燃料及其性质361.3.2 汽油机燃烧381.3.3 柴油机燃烧481.3.4 内燃机工作循环计算561.4柴油机的燃油喷射过程(电控柴油机的供油和调节)571.5汽车与内燃机的匹配要求631.5.1 车用内燃机的要求631.5.2 车用内燃机指标631.5.3 内燃机特性64二、内燃机试验技术682.1内燃机试验台架的组成682.2内燃机专项试验692.3台架燃烧分析的主要试验参数（详细）692.4燃烧分析试验结果的应用692.5车载燃烧分析70一、内燃机原理1.1车用内燃机分类与工作原理1.1.1 内燃机分类发动机：将其它形式
3、的能量转变为机械能 包括：热力发动机；电力发动机（电动机）；水力发动机；风力发动机等。热力发动机：将燃料燃烧所释放的热能转变为机械功热力发动机按其能量转换型式的不同可以分成：内燃机与外燃机内燃机：燃料燃烧后的产物直接推动机械装置作功的发动机，如活塞式发动机、燃气轮机；外燃机：利用燃料对某一中间物质进行加热，再利用中间物质所产生的气体推动机械装置作功，如蒸汽机、汽轮机、热气机（斯特林发动机，Stirling）等。通常所说的内燃机指往复活塞式内燃机。其它类型的内燃机还有：燃气轮机；自由活塞式发动机（气垫式、液压式）；转子式发动机（三角转子发动机：Wankel，汪克尔，德国）；其它特种发动机。内燃机
4、的应用范围极其广泛，交通运输、工程机械、农业机械、矿山、石油、发电、船舶等国民经济重要部门与军用领域所需动力，绝大多数来自内燃机。1.1.2 内燃机的优缺点内燃机的主要优点是：1经济性好。它是热效率最高的热机，蒸汽机 48中型汽轮机 1420大型汽轮机 1838燃气轮机 1832内燃机 20462外形尺寸小、质量轻，便于移动。3功率范围广。单机功率可从零点几干瓦到上万干瓦，适用范围广。其他热机都达不到这种适应性。4启动迅速。正常启动只需几秒钟，并能很快地达到全负荷。而蒸汽机从启动并转变到全负荷往往需要相当长的时间。5水的消耗量少，待别是风冷机根本不需要水，6维护简单，操作方便。内燃机目前仍存在
5、着如下一些缺点；1燃料限制。在内燃机中只能直接使用液体燃料或气体燃料。2废气中的有害成分是大气污染的主要来源。3运转时噪声大。内燃机噪声是城市噪声的重要来源。4低速时难以获得大扭短。而且当内燃机转速低于标定转速1314时，就不能保证正常工作。因此以内燃机为动力的车辆，必须设置变速机构才能满足要求。1.1.3 内燃机常用术语内燃机常用的基本术语：1上止（死）点（TDC）活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远的位置称上止点。2下止（死）点（BDC）活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最近的位置称下止点。曲轴转角：CA；上止点后x曲轴转角：CA ATDC凸轮轴转角：对于四冲程发动机，它为曲
6、轴转角的一半3活塞行程（冲程，Stroke）活塞上、下止点之间的距离称活塞行程，以S表示。对应一个活塞行程，曲轴旋转1804曲柄半径R曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，活塞行程与曲柄半径之间有如下的关系：S2R即活塞行程为曲柄半径的两倍。5燃烧室容积活塞在上止点时，其顶部以上与缸盖底平面之间的空间容积称燃烧室容积。燃烧室容积是活塞在气缸中运动所能达到的最小容积。6气缸总容积活塞在下止点时，其顶部以上与缸盖底平面之间的空间容积称气缸总容积。气缸总容积是活塞在气缸中运动所能达到的最大容积。7气缸工作容积活塞在上止点运动到下止点(或由下止点运动到上止点)所扫过的容积称为气缸工作容积。燃
7、烧室容积Vc、气缸总容积Va和气缸工作容积Vh之间存在着如下的关系： VcVaVh8内燃机排量气缸工作容积与气缸数的乘积就是内燃机排量。以Vh表示：式中 D气缸直径，mm； S活塞行程，mm， i气缸数。9压缩比气缸总容积与燃烧室容积的比值称为压缩比，压缩比表示在进气冲程中进入气缸中的气体到压缩冲程终了时被压缩的程度。压缩比是一个重要的参数，它对内燃机的性能指标有着举足轻重的影响。一般车用内燃机的压缩比为：汽油机69，最高可达10；柴油机1320，最高可达22。10工作循环内燃机气缸中的气体由进气开始，历经压缩、燃烧、膨胀及排气等一系列的连续过程，这一系列连续过程统称为一个工作循环。11过量空
8、气系数：燃料完全燃烧时的理论空燃比(A/F)，汽油为14.8(kg/kg)，柴油为14.3(kg/kg)。在发动机中实际燃料燃烧所供给的空气量往往大于理论空气量。燃烧1公斤燃料的实际空气量与理论上所需空气量之比，称为过量空气系数(Excess air coefficient)12充气效率：发动机进入气缸的空气质量m与进气状态下气缸工作容积充满的空气量之比，称为充气效率： 由上式可见，充气效率越大，表示实际进入气缸中的气体量越多，也就是进气过程进行得越完善，气缸工作容积利用得越充分。影响充气效率的因素主要有：（1）进气系统流动阻力；（2）缸内残余废气量；（3）进气系统和气缸壁对充量的加热；（4）
9、配气相位；（5）进、排气系统中的气体波动效应。大致可以归纳为两个方面，即：构造方面的因素和使用方面的因素。构造方面的因素：影响最大的是进气系统的结构型式与尺才，它包括进气管道截面的大小、管道内表面光洁程度、管道弯曲的状况、气门尺寸与个数以及气门升程的大小等。此外还有进气预热机构。进气预热会降低充气效率。使用方面的因素主要是内燃机的转速与负荷。内燃机的转速对充气系数的影响主要是通过对进气终点压力的影响而起作用。当内燃机转速升高时，进气气流速度上升，使气体压力下降。内燃机负荷对充气系数的影响，在柴油机和汽油机上是不一样的。柴油机的负荷是依靠喷油泵上供油齿杆的位置来进行调节的，其进气系统的阻力是不随
10、负荷而变化的，虽然气缸中气体温度有所变化，但这种变化对充气系数的影响是微乎其微的。但在汽油机上情况就不同了，汽油机的负荷是根据化油器上节气门的开度来进行调节的。而节气门开度的大小直接影响进气系统阻力的大小，随着汽油机负荷的加大，节气门开度也加大，进气系统阻力减小，使充气系数值上升。反之则充气系数值下降。至于如何提高充气系数，可以从以下两个方面采取措施：一是减少道气系统阻力；二是延长进气时间。减少进气系统阻力，根据上面的分桥，不外乎是：加大进气通道面积，减少通道弯曲及提高进气道内表面的粗糙度等措施。延长进气时间就是将进气门开启和关闭的时间不是选在上、下止点时、而是选在上止点之前和下止点之后。使进
11、气门开启的延续时间不是占有180曲轴转角，而是大子180曲轴转角。车用内燃机的充气系数值：柴油机0.80.9，汽油机0.750.85。1.1.4 内燃机结构组成车用内燃机必须具备以下一些机构和系统才能保证正常的工作：两大机构、六大系统曲柄连杆机构是内燃机实现两个“转换”的主要部分。它的作用是将燃料的热能转换成机械功；将活塞的直线运动转换成曲轴的旋转运动，以达到向车辆传动装置输出功率的目的。曲柄连杆机构包括固定件(机体)与运动件(活塞连杆、曲轴)两大部分，它占据内燃机零件数的大多数。配气机构其作用是按时开启或关闭气门或气口，以保证新鲜混合气或空气进入气缸或将废气排出气缸外。燃料供给系汽油机燃料供
12、给系是将汽油和空气加以混合，井将组成的可燃混合气供入气缸；柴油机燃料供给系是将柴油按时喷入气缸，与进入气缸的空气组成可燃混合气。另外，将燃烧以后的废气排出气缸。润滑系其作用是保证不间断地将机油输送到内燃机所有需要润滑的部位，以减少机件的磨损，降低摩擦功率的损耗，并对零件表面进行清洗和冷却。冷却系具作用是将受热机件的热量散发到大气中去，以保证内燃机在最佳温度状况下工作。起动系其作用是将内燃机由静止状态启动到自行运转的状态。点火系其作用是按时将汽油机气缸中的可燃混合气点燃。1.1.5 内燃机型号的编制内燃机的名称与型号：为了在生产、使用与维修中便于识别各种机型，国家标喉(GB72582)内燃机产品
13、名称和型号编制规则中对内燃机的名称和型号作了统一规定。它适用于各种类型的活塞式内燃机。特殊用途的内燃机需经主管部门批准后方可另行编号。该规定的主要内容如下：1内燃机名称按其所使用的主要燃料命名，例如汽油机、柴油机、煤气机等。2内燃机型号由阿拉伯数码与汉语拼音字母组成。3内燃机型号应能反映它的主要结构，由以下四项内容组成；(1)首部：产品系列符号和换代标志符号，由制造厂根据需要自选相应字母表示经主管部门核准。 (2)中部：由缸数符号、冲程符号、气缸排列形式符号及缸径符号组成。 (3)后部：结构特征和用途特征符号，以字母表示。(4)尾部：区分符号。同一系列产品因改进需要区分时，由制造厂选用适当符号表示内燃机型号的排列顺序及符号所代表的意义规定如下：型号编制举例如下：195柴油机表示单缸、四冲程、缸径9
