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1、汽车发动机原理一、发动机实际循环与理论循环的比较1. 实际工质的影响 理论循环中假设工质比热容是定值，而实际气体比热是随温度上升而增大的，且燃烧后生 成 CO2、H2O 等气体，这些多原子气体的比热又大于空气，这些原因导致循环的最高温度 降低。加之循环还存在泄漏，使工质数量减少。实际工质影响引起的损失如图中Wk所示。 这些影响使得发动机实际循环效率比理论循环低。2. 换气 损失 为了使循环重复进行，必须更换工质，由此而消耗的功率为换气损失。如图中 Wr 所示。 其中，因工质流动时需要克服进、排气系统阻力所消耗的功，成为泵气损失，如图中曲线 rabr包围的面积所示。因排气门在下止点提前开启而产生
2、的损失，如图中面积W所示。3. 燃烧损失（1）非瞬时燃烧损失和补燃损失。实际循环中燃料燃烧需要一定的时间，所以喷油或点火 在上止点前，并且燃烧还会延续到膨胀行程，由此形成非瞬时燃烧损失和补燃损失.（2）不完全燃烧损失。实际循环中会有部分燃料、空气混合不良，部分燃料由于缺氧产生 不完全燃烧损失。（3）在高温下，如不考虑化学不平衡过程，燃料与氧的燃烧化学反应在每一瞬间都处在化 学动平衡状态，如 2H2O=2H2+O2 等，由左向右反应为高温热分解，吸收热量。但在膨 胀后期及排气温度较低时，以上各反应向左反应，同时放出热量。上述过程使燃烧放热的 总时间拉长，实质上是降低了循环等容度而降低了热效率。（
3、4）传热损失。实际循环中，汽缸壁和工质之间始终存在着热交换，使压缩、膨胀线均脱 离理论循环的绝热压缩、膨胀线而造成的损失。（5）缸内流动损失。指压缩及燃烧膨胀过程中，由于缸内气流所形成的损失。体现为，在 压缩过程中，多消耗压缩功；燃烧膨胀过程中，一部分能量用于克服气流阻力，使作用于 活塞上做功的压力减小。 二、充量系数 衡量不同发动机动力性能和进气过程完善程度的重要指标；定义为每缸每循环实际吸入气 缸的新鲜空气质量与进气状态下计算充满气缸工作容积的空气质量的比值。影响因素：1进气门关闭时缸内压力Pa2进气门关闭时缸内气体温度Ta3. 残余废气系数4. 进排气相位角5. 压缩比6. 进气状状态提
4、高发动机充量系数的措施1. 降低进气系统阻力 发动机的进气系统是由空气滤清器、进气管、进气道和进气门所组成。减少各段通路对气 流的阻力可有效提高充量系数。（1）减少进气门处的流动损失1）进气马赫数M不超过0.5 受气门大小、形状、升程规律、进气相位等因素影响2）减少气门处的流动损失 增大 气门相对通过面积，提高气门处流量系数以及合理的配气相位是限制M值、提高充量系数 的主要方法。增大进气门直径可以扩大气流通路面积；增加气门数目；改进配气凸轮型线， 适当增加气门升程，在惯性力容许条件下，使气门开闭尽可能快；改善气门处流体动力性 能。（2）减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力2. 减少对空气充量的
5、加热进、排气管两侧分开布置，可以避免或高温排气管对进气加热3. 降低排气系统流通阻力降低排气系统流通阻力，使缸内废气压力pr下降，不仅可以减少残余废气系数，有利于提 高充量系数，而且可以减少泵气功。4. 合理选择进、排气相位角 合理选择进、排气相位角，可以获得较好的充气效果，特别是在高速时，适当推迟进气门 关闭时间，可以利用高速气流惯性来增加每循环气缸充气量。5. 谐振进气与可变进气支管谐振进气和可变进气支管都是利用进气管的动态效应来提高充 量系数。由间断进气而引起的进气压力波动对发动机进气量影响很大，进气管长度、直径 等参数会改变进气压力波。适当调整这些参数，可以有效利用进气管压力波，以增加
6、充量 系数，改善转矩特性。四、汽油机增压的主要技术障碍与解决方法1. 爆燃 汽油机增压后，由于混和气压缩始点的压力、温度增高，以及燃烧室受热零件热 负荷提高等原因，将促使爆燃的发生。为此，必须采用降低压缩比、推迟点火时刻、采用 中冷等技术措施，但相应会带来热效率下降、排温过高、成本增加等不利影响。2. 混合气的调节 汽油机采用变量调节，化油器式发动机难以精确供应一定浓度混合气。 电控汽油喷射技术为增压技术在汽油机中的应用扫除了一大障碍。3. 热负荷 汽油机的过量空气系数小，燃油温度高，膨胀比小，废气温度也比柴油机高。 增压后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷问题严重。同时，为避免可燃混合气的损
7、失 一般气门叠开角不大，燃烧室的扫气作用不明显，因此，增压汽油机的排气门、活塞、涡 轮等处的热负荷比柴油机严重。为此，一般都采用涡轮前放气的调节方案，以抑制发动机 高速、高负荷是增压压力的过度增长，这不仅是限制最高燃烧压力需要，也是抑制爆燃、 降低热负荷的需要。4. 对增压器的特殊要求 汽油机增压比低、流量范围广、热负荷高、最高转速高且转速转 速变化范围大。这就要求增压器体积小、耐高温性能好、转动惯量要小，同时还要保证效 率在一定的范围内，并要求有增压调节装置。造成成本高。1. 降低压缩比 汽油增压由于受到爆燃限制，必须降低压缩比，使用高辛烷值燃料，采用 中间冷却混合气和向气缸喷水等技术措施。
8、2. 增压压力控制系统 汽油机运行转速范围比柴油机宽，从低速到高速进气流量范围大， 涡轮增压器的特性很难满足各种工况的要求，可能出现低速时增压压力不足，高速增压压 力过高的情况。此外，汽油机过量空气系数范围窄，排气温度高，使汽油机允许的增压压 力比柴油机要低，必须对汽油机增压压力进行控制。3. 减小增压后反应滞后现象 非增压汽油机加速性好，增压后，节气门位置突然变化 时，要求混和气浓度迅速变化，但增压器供气往往，造成反应滞后现象比柴油机严重。一 般采用脉冲涡轮增压、增压器前置方案；带旁通阀的控制系统 ，减小进排气管容积、提高 压缩比以及可变正时等措施。4. 燃料供给系统的调整 （1）汽油泵：电
9、动油泵和燃油压力调节阀联合工作，来满足增压 所需的供油压力和供油量。（2）点火提前角调整：不带中冷器时，减小点火提前角。满负 荷工作时推迟点火提前角。五、燃烧过程的优化1. 油气燃烧室的最佳配合 燃油喷射、气流运动与燃烧室形状之间的配合，在一定的限制条件下，通过大量试验，反 复改进，达到综合的优化性指标。2. 控制着火落后期内的混合气生成量为追求好的经济型与动力性，可适当增加；但为了降低NOx排放和燃烧噪声，应减少。方法：优化初期喷油速率，控制气体流动和燃烧室形状。3. 合理组织燃烧室内的涡流湍流运动通过增强运动，可加速混合气生成速率，避免局部混合气过浓。特别应重视上止点附近及 燃烧过程中的气
10、流运动。但是，进气涡流强度的提高会造成充量系数的下降和泵气损失增 加，燃烧室内气体流动强度的增加会造成流动损失及散热损失增大，因此，增强度要适当。4. 紧凑的燃烧室形状柴油机的燃烧室也应紧凑F/V小，可使散热损失减小、难以进行燃烧的死角减小以及空气 利用率提高。非直喷燃烧室的经济不好的重要原因就是F/V大，使散热损失过大。各类柴 油机燃烧室都应尽可能减小余隙容积，使空气集中在燃烧室凹坑里，以提高空气利用率， 使燃油不分散到余隙容积中，以避免不完全燃烧和有害物排放。5. 加强燃烧期间与燃烧后期的扰流为了降低NOx和燃烧噪声而又保证燃油经济性不恶化,在采用较缓的初期燃烧放热率的同 时，加强燃烧后期
11、的混合气运动，还可加速碳烟的氧化和再燃烧，以降低排气烟度。6. 优化运转参数要想全面优化发动机的动力、经济性能及排放，则必须对各运转参数在变工况时进行实时调控，如供油提前角、空燃比（供油量）、压缩比、配气相位、进气涡流强度、增压比、废气再循环（EGR）等。六、汽油机燃烧室设计与优化1. 结构紧凑面容比F/V常用于表示燃烧室的紧凑性。它与燃烧室形式以及汽油机的主要结构参数有关， 侧置气门燃烧室的F/V大，顶置要小得多。即使都是顶置气门，不同形状燃烧室的F/V也 是有差别的。一般来说，F/V大，火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放高，相对散热面积 大，热损失大。F/V比较小，燃烧室紧凑，优点：1火焰
12、传播距离小，不易爆燃，可提高 压缩比2相对散热损失小，热效率高3熄火面积小，HC排放少。2. 具有良好的充气性能应允许有较大的进排气门流通截面，以提高充气系数，降低泵气损失；燃烧室与气门头部 要有足够的间隙，以避免避面的遮蔽作用。3. 火花塞安排位置得当（1）能充分利用新鲜混合气，扫除火花塞间隙处的残余废气，使混合气易于着火。这对暖 机和低负荷的运转稳定性更为重要，但气流不能过强，以免吹散火花。（2）火花塞应靠近排气门处，使灼热表面加热的混合气及早燃烧，以免发展为爆燃燃烧。（3）火花塞的布置应使火焰传播距离尽可能短。（4）不同的位置对燃料的辛烷值要求也不同 不同的燃烧室形状实际反映了混合气气体
13、的分布情况，与火花塞相配合，决定了不同的燃 烧放热率和火焰传播到边缘可燃混合气的距离，从而影响抗爆性、工作粗暴性、经济性和 平均有效压力。合理的分布使燃烧初期压力升高小，工作柔和；中期放热量最多，获得较 大的功；后期补燃较少，有较高的热效率。4. 要产生适当的气体流动优势： 1）增加火焰传播速度2）扩大了混合气着火界限，可以燃烧更稀的混合气3）降低了 循环变动率4）降低了 HC排放；劣势：过强气流会使热损失增加，还可能吹熄火核而熄火。5. 适当冷却末端混合气 末端混合气要有足够的冷却强度，以降低终燃混合气温度，减轻爆燃倾向。但又不可使激 冷层过大，以免增加HC的排放量。七、发动机的工况1. 发
14、动机的工况分类（1）第一类工况：发动机的功率变化时，转速几乎保持不变，固定式发动机工况。（2）第二类工况：发动机的功率与转速接近于幂函数关系，发动机的螺旋桨工况。（3）第三类工况：功率与转速都在很大范围内变化，发动机的面工况。2. 发动机的工况范围1）a发动机油量控制机构最大位置时，不同转速下发动机所能发出的最大功率。A最大功率标定点。2）c 发动机最低稳定工作转速限制线，低于此转速时，由于曲轴、飞轮等运动部件储存能 量小，导致转速波动大，无法稳定工作。3）b 最高转速限制线，它受到转速过高所导致的惯性力增大、机械摩擦损失加剧、充量系 数下降、工作过程恶化等不利因素限制。ab曲线都是驾驶员最大
15、加速踏板位置条件下获得的。对于汽油机，ab曲线都是在节气门全 开时获得，成为速度外特性曲线；对于柴油机，a校正外特性曲线，b为调速器起作用的调 速特性曲线。4）d各个加速踏板位置下空转速度线。动力输出为0发动机指示功率pe与空转机械损失功率 pm 向平衡。5）e 发动机熄火，外力倒拖时工况线。三、废气能量利用82a68 进入发动机气缸并留在气缸内的空气压缩耗功， 18631 扫气空气压缩耗功， 674a6柴油机泵吸正功与缸内气体膨胀功柴油机指示功，b9Kb柴油机排气门打开时废气等熵膨 胀至大气压力时所能做的功Eb1.平均指示压力可以理解为一个假象的平均不变的压力作用在活塞顶上移动一个行程所做的
16、功。是从循环角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数2平均有效压力pme是发动机单位气缸工作容积输出的有效功3. 喷射过程：1）喷射延迟阶段2）主喷射阶段 3）喷油结束阶段4. 供油规律与喷油规律：差别1）燃油的可压缩性2）压力波传播滞后3）压力波动4）高压容积变化。先少后多，先慢后快5. 不正常喷射 1）二次喷射，压力较低雾化不良燃烧不完全，碳烟，积碳，高速大负荷；2） 断续喷射，针阀偶件磨损；3）不规律喷射和隔次喷射，供油量小，怠速时，不稳工作粗暴； 4）滴油现象6. 柴油机燃烧过程：着火落后期，速燃期，缓燃期，补燃期7柴油机燃烧室分类：1）直喷式燃烧室，开式浴盆形，半开式w形挤流口
