1、汽车发动机性能评价第一章汽车发动机性能的评价)动力性能指标：有效功率、有效转矩、发动机转速、活塞平均速度等。)经济性能指标：有效热效率、有效燃油消耗率等。)强化指标：升功率、强化系数等。)有害物质排放指标：CO、HC、NOx和微粒等。)其他运行性能指标：噪声和冷起动等。)使用性能指标：可靠性、耐久性、维修方便性。第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标第二节发动机的换气过程第三节燃料的特性及其对发动机的影响第四节柴油机混合气的形成与燃烧第一章汽车发动机性能的评价第五节汽油机混合气的形成与燃烧第六节汽车发动机特性的分析与评价)动力性能指标：有效功率、有效转矩、发动机转速、活塞平均速度等。)经济性
2、能指标：有效热效率、有效燃油消耗率等。)强化指标：升功率、强化系数等。)有害物质排放指标：CO、HC、NOx和微粒等。)其他运行性能指标：噪声和冷起动等。)使用性能指标：可靠性、耐久性、维修方便性。第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标一、四冲程发动机的示功图及实际循环1.示功图2.自然吸气四冲程发动机的实际循环(1)进气过程为使发动机能够连续运转，发动机必须不断吸入新鲜的工质。(2)压缩过程为使吸入气缸内的工质能够迅速燃烧，以产生较大的压力使发动机做功，发动机必须在做功过程之前将工质进行压缩，此过程即为压缩过程。图1-1120四冲程单缸试验柴油机的p-V图及p-图a)p-V图b)p-图第一
3、节发动机动力性能和经济性能的评价指标(3)燃烧过程在这个过程中，活塞位于上止点前后，进、排气门均关闭。(4)膨胀过程在这个过程中，进、排气门仍旧关闭。(5)排气过程当膨胀过程接近终了时，开始排气过程，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点运动时，继续将废气强制排到大气中。图1-2自然吸气四冲程发动机的示功图a)进气过程b)压缩过程c)燃烧、膨胀过程(做功行程)d)排气过程第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-1发动机实际循环各过程终了时工质的状态参数值3.自然吸气四冲程发动机的循环指示功Wi二、发动机动力性能和经济性能的评价指标1.指示性能指标第一节发动机动力
4、性能和经济性能的评价指标表1-2发动机指示指标的定义及计算方法2.有效性能指标第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-3发动机有效指标的定义及计算方法第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-3发动机有效指标的定义及计算方法3.发动机强化指标第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-4发动机常用强化指标的定义及计算方法第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-5各种车用发动机性能指标参数三、机械损失及机械效率1.机械损失的组成第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标表1-6机械损失的组成及其各部分所占比例2.机械效率m第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标图1-3发动机转速
5、对机械效率的影响3.影响机械效率的主要因素第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标(1)转速n机械效率m随发动机转速的上升而下降，如图1-3所示。1)各摩擦副间的相对速度增加，摩擦损失增大。2)曲柄连杆机构的惯性力增大，活塞侧压力及轴承负荷增高，摩擦损失增大。3)进、排气流动阻力增大，泵气损失增大。4)驱动附件消耗功增多。(2)负荷在发动机转速不变时，机械损失功率Pm近似不变。图1-4发动机机械效率随负荷变化的关系曲线第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标(3)润滑油品质在机械损失中，摩擦损失占了很大的百分比，因此改善相对运动面上的润滑条件可以显著提高m。表1-7常用发动机润滑油的粘度等级及
6、使用环境温度范围四、影响发动机性能指标的因素分析上述所介绍的内容可知，发动机动力输出的过程，实质上就是进入发动机的燃料化学能通过燃烧转化为热能，热能再转化为曲轴有效输出功的过程。1)充气效率。2)燃料低热值h、理论空气量L。第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标3)过量空气系数。4)指示热效率i。5)机械效率m。6)发动机转速n。7)其他主要结构参数。思考题1.简述发动机的实际工作循环过程。2.简述汽油机与柴油机工作循环的区别。3.为什么发动机性能指标有指示指标和有效指标之分？两种指标各在什么场合使用？第一节发动机动力性能和经济性能的评价指标4.发动机的动力性能和经济性能在生产和使用中主要用
7、哪几个指标来表示？如果要进行不同机型发动机性能的对比，应使用哪些动力性能和经济性能评价指标？5.机械损失由哪几部分组成？所占百分比最大的是哪种损失？6.发动机转速和负荷是如何影响机械效率的？这一影响对发动机性能的提高和使用提出了什么要求？7.如何对汽车发动机的动力性能和经济性能进行较全面地评价？第二节发动机的换气过程一、四冲程发动机的换气过程1.换气过程(1)自由排气阶段图1-5中，从排气门早开点b到晚关点r，约240260A的bbdrr段为排气过程。(2)强制排气阶段自由排气阶段结束后，缸内压力大大降低，必须依靠上行活塞强制排出废气，此阶段称为强制排气阶段。(3)进气阶段图1-5中，从进气门
8、早开点d到晚关点a，约220265A的drraa段为进气过程。(4)气门重叠阶段图1-5中，drr段是气门重叠阶段。2.配气相位及其对性能的影响第二节发动机的换气过程图1-5四冲程发动机换气过程的p-V图第二节发动机的换气过程图1-6四冲程发动机配气相位图第二节发动机的换气过程(1)排气早开角膨胀过程末期，缸内压力较高，如果到下止点才打开排气门，则由于开启初期气门上升缓慢，开度也小，再加上气流因惯性而不会马上高速流出，这些都会使排气不畅，排气损失和阻力增大，并间接影响进气充量。图1-7排气损失w自由排气损失y强制排气损失x自由排气损失x+y-d泵气损失第二节发动机的换气过程图1-8不同的排气早
9、开角对排气损失的影响第二节发动机的换气过程图1-9转速对排气早开角的影响第二节发动机的换气过程(2)排气晚关角如果排气门在活塞到达上止点关闭，则此时废气还具有一定向外运动的惯性。(3)进气早开角进气门若在活塞到达上止点开启，则会因开启初期气门上升缓慢，流通截面小，以及进气气流由静止到加速的滞后影响，而使缸内真空加大，进气量减少，进气损失增大。(4)进气晚关角进气门晚于活塞到达下止点而关闭的角度称为进气晚关角。(5)气门重叠角+排气门晚关和进气门早开必然形成气门开启重叠，其重叠开启的角度称为气门重叠角。二、充气效率及其对发动机性能的影响1.充气效率2.影响充气效率的因素(1)进气终了压力papa
10、对有重要影响，pa越高，值越大。第二节发动机的换气过程1)增大进气门直径，即增大进气门处的有效流通截面面积，选择合适的排气门直径。2)为了进一步增大进气门流通截面，提高充气量，现代发动机采用了35个(每缸个进气门，12个排气门)的多气门结构。表1-8几种典型的多气门与2气门轿车发动机动力性能比较3)适当增大气门升程，合理设计凸轮型线以提高气门开启速度，从而增大气门的时间-截面值(指气门开启截面面积与其对应的开启时间的乘积)，提高汽车通过能力。第二节发动机的换气过程(2)进气终了温度Ta进气终了温度Ta高于进气状态下的温度Ts，若Ta升高，则充入气缸进气充量的工作密度减小，从而使降低。1)进气过
11、程中与高温零部件接触而引起的温升。2)与高温残余废气混合而引起的温升。(3)进气晚关角反映了进气晚关角对的影响。(4)排气晚关角(残余废气系数)排气门晚关会减小排气阻力，减少缸内残余废气量，降低残余废气系数，由式(1-4)可知，这也间接使提高，但相比于进气晚关角排气晚关角对的影响要小得多。(5)压缩比压缩比增大，压缩容积减小，残余废气量减少，增大。第二节发动机的换气过程(6)进气状态参数ps、Ts进气状态参数ps、Ts本身是定义充气效率的基准参数，所以，ps增大，Ts降低，新鲜充量密度增大，使实际进气量增多，但不等于充气效率必然增大。3.充气效率特性对发动机性能的影响图1-10汽油机和柴油机的
12、充气效率特性曲线a)汽油机的充气效率特性曲线b)柴油机的充气效率特性曲线第二节发动机的换气过程1)Ta相对于进气温度，上升程度降低，的特性曲线略上升。2)pa减小，降低，转速增大到一定程度后，的下降速度加快；3)在某一转速时，进气晚关角充分利用了此时气流的惯性，有最大值，偏离此转速后均降低。图1-11进气晚关角对、的影响第二节发动机的换气过程三、可变进气系统发动机性能的评价1.可变配气相位发动机性能的评价2.可变进气歧管发动机性能的评价(1)可变进气歧管长度奔驰新SLK(R171)发动机所采用的可变进气歧管长度机构采用了一个控制阀来控制进气歧管的长度，如图1-12所示。图1-12奔驰新SLK(
13、R171)发动机的可变进气歧管长度机构第二节发动机的换气过程(2)可变进气歧管长度及截面日本马自达公司的可变进气谐振增压系统，其结构与工作原理如图1-14所示。图1-13宝马760 V12发动机可变进气歧管长度机构第二节发动机的换气过程图1-14可变进气谐振增压系统的结构与工作原理1转换阀2短共振管3长共振管4双节气门5惯性增压第二节发动机的换气过程四、涡轮增压发动机性能的分析因为随着进入缸内空气量的增多，相应地增加循环供油量，即可提高发动机的输出功率，所以人们采取可变配气相位、可变进气系统等多种技术手段来提高充气效率，增加进气量。1.增压度和增压比2.废气涡轮增压系统的基本结构及工作过程3.
14、涡轮增压柴油机的性能分析(1)涡轮增压柴油机的性能优势1)提高了动力性能。第二节发动机的换气过程图1-15涡轮增压器的结构示意图第二节发动机的换气过程图1-16废气涡轮增压器的工作原理2)改善了燃油经济性。第二节发动机的换气过程3)改善了排放性能。4)降低了燃烧及排气噪声。5)降低了制造成本。(2)涡轮增压柴油机存在的问题1)热负荷和机械负荷增大。2)低速转矩特性下降。3)加速性能变差。4)起动困难。第二节发动机的换气过程(3)涡轮增压柴油机性能改进的方法目前，改善增压发动机低速转矩特性和加速性能的主要方法有：高速、高负荷工况下，放掉压气机后一部分增压空气或放掉涡轮前一部分废气以限制增压压力过
15、高，图1-17所示为涡轮增压废气旁通系统示意图；低速、低负荷工况下，调整可变涡轮喷嘴环的截面面积来提高涡轮效率，从而改善发动机低速工况的性能，图1-18所示为可变几何截面涡轮的结构示意图。图1-17涡轮增压废气旁通系统示意图第二节发动机的换气过程图1-18可变几何截面涡轮的结构示意图4.涡轮增压汽油机性能的分析第二节发动机的换气过程表1-9增压和自然吸气汽油机动力性参数比较1)汽油机增压后，压缩终了的温度、压力都升高，致使爆燃的倾向增大。2)热负荷加重。3)动态响应延迟加大。第二节发动机的换气过程4)车用汽油机的转速和功率范围宽广，进气流量变化范围更大，因而覆盖的压气机工况范围更大，这就要求压
16、气机同时具有宽流量范围和宽高效率区的高性能，这使得汽油机的增压器技术难度加大。1)电控技术的应用，有效地解决了汽油机增压的诸多难题，如电控可变涡轮喷嘴环截面、电控放气阀有效地改善了涡轮增压汽油机的动态响应特性；电控爆燃、电控EGR等技术的应用，对防止爆燃和降低热负荷都是有效的。2)增压中冷技术的应用，可有效提高涡轮增压汽油机的动力性能、降低燃料消耗率，同时对消除爆燃、降低热负荷以及减少NOx排放都是有利的。第二节发动机的换气过程3)采用增压压力控制系统，如进气和排气放气、节流控制等装置，可以减小涡轮入口处或进入汽油机缸内的气流量，从而降低增压比，避免爆燃和过高热负荷，并有利于高低速转矩特性的控
17、制。五、汽车发动机进、排气系统对发动机性能的影响发动机进、排气系统对发动机性能的影响可由充气效率的大小及其变化规律来反馈。1)在整个运转范围内，有足够高的充气效率保证发动机的动力性能。2)良好的充气效率特性，保证发动机低速大转矩、高速大功率，满足汽车的低速加速性能、爬坡性能以及高速动力性能。第二节发动机的换气过程3)发动机进气系统采用废气涡轮增压或增压中冷技术，是发动机强化的有效手段之一。思考题1.什么是发动机的换气过程？合理组织换气过程的目的是什么？2.进、排气门为什么要早开、晚关？进、排气门早开、晚关角对发动机的性能有何影响？为什么这4个相位角都有最佳值，且最佳值随转速的升高而增大？3.影
18、响充气效率的主要因素有哪些？它们是如何影响发动机性能的？4.充气效率特性曲线有何特点？进气门晚关角是如何影响充气效率特性曲线的？为了提高发动机高速运转时的输出功率，进气门晚关角要相应地增大，为什么？第二节发动机的换气过程5.什么是可变配气相位？它影响发动机的什么性能？6.什么是可变进气歧管？发动机高、低转速运转下如何改变进气歧管的长度？7.为什么汽油机采用涡轮增压的比例越来越高？涡轮增压汽油机是如何解决应用中存在的相关问题的？第三节燃料的特性及其对发动机的影响表1-10常用液体燃料及气体燃料的物理、化学特性指标一、柴油的使用特性汽车柴油机为高速机，使用轻柴油。1.自燃性第三节燃料的特性及其对发
19、动机的影响2.蒸发性3.燃料流动性4.低温流动性二、汽油的使用特性汽油对汽油机性能有影响的主要是其抗爆性和蒸发性。1.抗爆性2.蒸发性三、燃料特性对汽油机和柴油机的影响表1 10给出了汽油和柴油的成分及其主要性能指标，可以看出，汽油和柴油的沸点与着火温度有很大差异。1.对混合气形成方式的影响2.对着火、燃烧方式的影响第三节燃料的特性及其对发动机的影响1)扩散燃烧时，由于燃料与空气边混合、边燃烧，因而燃烧速度取决于油气的混合速度；而预混合燃烧时，因燃烧前已均匀混合，因而燃烧速度主要取决于化学反应速度，即取决于混合气温度和浓度。2)扩散燃烧时，为保证燃烧完全，一般要求空气过量，过量空气系数1.2(
20、定义见本节四)，并且在总体的空燃比大于100的条件下也能稳定燃烧；而预混合燃烧时，一般0.81.2，可燃混合气浓度范围小，难以稀燃。3)扩散燃烧时，混合气浓度和燃烧温度分布极不均匀，易发生局部高温缺氧现象，产生炭烟；而预混合燃烧时，由于混合气混合均匀，一般不产生炭烟。第三节燃料的特性及其对发动机的影响4)扩散燃烧时，由于有炭烟产生，碳粒的燃烧会发出黄色或白色的强烈辐射光，因此也称为有焰燃烧；而预混合燃烧时，无碳粒燃烧问题，火焰呈均匀透明的蓝色，因此也称为无焰燃烧。5)预混合燃烧由于燃烧前已形成可燃混合气，有回火的危险；而扩散燃烧一般无此隐患。3.对负荷调节方式的影响四、过量空气系数及空燃比1.
21、理论空气量L02.过量空气系数3.空燃比五、燃料热值与混合气热值1.燃料热值第三节燃料的特性及其对发动机的影响2.混合气热值思考题1.对柴油机性能有重要影响的柴油性能指标有哪些？有什么影响？2.对汽油机性能有重要影响的汽油性能指标有哪些？有什么影响？3.可燃混合气的浓与稀可以用哪几个指标表示？各指标的含义是什么？彼此间如何换算？4.混合气热值和燃料热值有什么区别？每循环加给工质的热量取决于哪种热值？5.柴油和汽油特性的不同如何导致了柴油机和汽油机结构的不同？第四节柴油机混合气的形成与燃烧图1-19柴油机的燃烧过程着火落后期速燃期缓燃期后燃期第四节柴油机混合气的形成与燃烧一、燃烧过程及其对发动机
22、性能的影响柴油机的燃烧过程可分为四个阶段，即着火落后期（也称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和后燃期，如图1 19所示。1.着火落后期2.速燃期3.缓燃期4.后燃期二、燃油喷射与雾化目前，柴油机的燃油供给系统是传统机械式燃油供给系统和电控燃油喷射系统并存，但不论哪种喷油系统，都要满足以下基本的要求。第四节柴油机混合气的形成与燃烧1)能产生足够高的喷油压力，以保证燃料良好的雾化及混合燃烧。2)实现所要求的喷油规律，以保证合理的燃烧放热规律和良好的综合性能。3)精确控制每个循环的喷油量和喷油时间，并且保证各缸之间的均匀性。4)在各种工况下避免出现不利的异常喷射现象。1.燃油喷射过程图1-20燃油的喷射过
23、程1喷油泵柱塞2进、回油孔3出油阀4出油阀弹簧5、7压力传感器6高压油管8针阀弹簧9喷油器针阀第四节柴油机混合气的形成与燃烧(1)喷油延迟阶段从喷油泵出油阀打开(供油始点)到喷油器的针阀开始升起(喷油始点)为止，这一阶段称为喷油延迟阶段。(2)主喷射阶段从喷油始点到喷油器端燃油压力开始急剧下降为止，这一阶段称为主喷射阶段。(3)滴漏阶段从喷油器端燃油压力开始急剧下降到针阀完全落座(喷油终点)为止，这一阶段称为滴漏阶段。2.供油规律和喷油规律图1-21供油规律和喷油规律的比较注：喷油器ZSOSJ，750r/min第四节柴油机混合气的形成与燃烧3.燃油的雾化及油束特性图1-22油束形状第四节柴油机
24、混合气的形成与燃烧(1)喷雾圆锥角喷雾圆锥角表示油束的紧密程度，大说明油束松散，油滴细。(2)油束射程L油束射程是指油束的贯穿距离，亦称为贯穿力。(3)雾化质量(雾化特性)图1-23雾化特性曲线第四节柴油机混合气的形成与燃烧三、电控燃油喷射系统1.燃油喷射系统的类型和特点(1)位置控制式电控燃油喷射系统这种系统的特点是不改变传统喷油系统的结构与工作原理，只是用电控装置取代机械式调速器和提前器，对直列泵的油量调节齿杆和VE泵的溢流环套以及油泵驱动轴和凸轮轴的相互位置进行低频连续调节，以实现油量和定时的控制，所以称为位置控制式系统。(2)时间控制式电控燃油喷射系统这种系统借助电子控制手段控制高压油
25、路泄压电磁阀的开闭时刻进而控制喷油量，而不对喷射压力或其他参数进行调节，因控制对象泄压电磁阀的开闭时刻是时间量而得名。第四节柴油机混合气的形成与燃烧(3)时间-压力控制式电控燃油喷射系统(共轨系统)这种系统不再应用传统柱塞脉动供油原理，而是在高压油泵和喷油器之间安装油压稳定装置(共轨)，即先将燃油以高压状态储存在这个被称为共轨的容器中，然后通过精确控制共轨中的燃油压力和喷油脉宽，实现对喷油量的精确控制。图1-24高压共轨燃油喷射系统第四节柴油机混合气的形成与燃烧表1-11传感器的种类及功能表1-12执行器的种类及功能第四节柴油机混合气的形成与燃烧表1-12执行器的种类及功能1)喷油压力与发动机
26、转速无确定关系，只取决于共轨管中按要求调整的压力，因而彻底解决了传统喷油泵高、低速时喷油压力差别过大、性能难以兼顾的固有矛盾。2)从根本上解决了传统喷油泵脉动供油时输出的峰值转矩过大，凸轮轴瞬间转速变化太快，不能稳定控制小喷油量的矛盾。3)可以实现更高的喷射压力，其喷射压力可比传统直列泵高出一倍，目前已达220MPa。第四节柴油机混合气的形成与燃烧4)可以实现多次喷射，有利于降低燃烧时的压力升高率，从而降低燃烧噪声和振动。5)可以柔性调节喷油率、喷油定时和喷油量，从而改善发动机全工况范围内的综合性能。6)其多次喷射能力为NOx吸附还原式催化转化器和柴油机微粒捕集器等排气后处理系统的燃油后喷射要
27、求提供了可能。7)安装方便，不需要对发动机缸体进行大的改变即可取代原有的燃油喷射系统。2.对柴油机喷射系统的控制(1)转速控制采用电子调速器代替机械调速器。(2)对各种转速下最大喷油量的控制1)转矩校正。第四节柴油机混合气的形成与燃烧2)进气压力变动补偿。3)进气温度、冷却液温度及润滑油温度补偿。4)增压柴油机进气流量补偿。5)柴油机低油压保护。6)增压器工作状态保护。(3)喷油定时的电子控制这种控制除了根据柴油机转速与负荷来确定喷油时刻外，还要根据柴油机的冷却液温度、大气压力和瞬时状态加以校正，使其性能比机械式自动提前器优越。四、柴油机混合气的形成柴油机所用的燃料是柴油。1.空间雾化混合2.
28、油膜蒸发混合第四节柴油机混合气的形成与燃烧五、柴油机的燃烧室柴油机的燃烧室可分为两大类，即直喷式燃烧室和分隔式燃烧室。1.直喷式燃烧室图1-25直喷式燃烧室a)开式燃烧室b)、c)半开式燃烧室(1)半开式燃烧室的空气涡流运动在半开式燃烧室中，必须组织一定强度的空气涡流运动。第四节柴油机混合气的形成与燃烧1)组织进气涡流。利用切向气道形成进气涡流。如图1-26所示，其特点是气道母线与气缸相切，气道形状较平直，在气门前强烈收缩。气流在通过切向气道时速度越来越快，并且沿切线方向进入，在气缸壁上转向，产生绕气缸中心线的气流旋转运动。切向气道的优点是结构简单，流动阻力较小；缺点是对气口位置比较敏感。第四
29、节柴油机混合气的形成与燃烧 利用螺旋气道形成进气涡流。如图1-27所示，气门座上方的气道内腔做成螺旋形，空气流经气门座时，一部分在气道内部形成绕气门中心的气流旋转运动，其强度与气道本身结构有关；另一部分近似于切向气流，顺着气缸壁绕气缸中心线旋转，其强度与气道相对于气缸的布置有关，加上轴向分速度，实际上是一种沿螺旋线推进的涡流运动。不同形式的螺旋气道，两股气流的配合情况各不相同，但在压缩行程接近终点时，涡流均类似于一个螺体旋转。由于螺旋气道能产生较强的进气涡流，因此被广泛应用在高速柴油机上；其缺点是制造工艺要求高，调试工作量较大。第四节柴油机混合气的形成与燃烧图1-26切向气道第四节柴油机混合气
30、的形成与燃烧图1-27螺旋气道2)组织挤流。第四节柴油机混合气的形成与燃烧图1-28挤气涡流a)无进气涡流或涡流不强时的挤流b)进气涡流强时的挤流c)逆挤流(2)以型为代表的半开式燃烧室这种燃烧室的dk/D=0.40.65，形状很多。第四节柴油机混合气的形成与燃烧图1-29半开式燃烧室第四节柴油机混合气的形成与燃烧图1-30RICARDO慧星涡流燃烧室2.分隔式燃烧室第四节柴油机混合气的形成与燃烧(1)混合气的形成在压缩过程中，活塞迫使空气经过通道流入涡流室，形成强烈的、有组织的压缩涡流运动。(2)结构特点涡流室通常由两部分组成，其上部与气缸盖熔铸在一起；其下部(包括连接通道)由耐热钢制成(称
31、为保温镶块)，且与缸盖之间保持一定的间隙(一般为0.1mm)，以使镶块表面具有一定的高温，便于对空气进行加热，同时也减少了散热损失。图1-31涡流室形状a)珀金斯S499b)锥形平底(慧星)c)柱形平底第四节柴油机混合气的形成与燃烧(3)主要优缺点由于强烈的空气涡流运动，保证了较好的混合气质量，空气得到较充分的利用。六、运转因素对燃烧过程的影响1.燃料性质的影响2.负荷的影响图1-32负荷对着火延迟期的影响第四节柴油机混合气的形成与燃烧3.转速的影响4.供油提前角的影响图1-336120型柴油机的供油提前角调整特性(n2000r/min)第四节柴油机混合气的形成与燃烧七、柴油机性能特点以及在乘
32、用车上的应用1.柴油机的性能特点(1)动力强劲在较低的发动机转速下即可达到较大的转矩输出，整车动力强劲，加速性好。(2)经济性好较低的油耗，较低的燃油价格。(3)利于环保直喷柴油发动机的燃烧效率通常高于40，而汽油发动机仅为30左右。2.TDI柴油机在乘用车上的应用(1)4气门和涡旋进气系统Audi TDI柴油机的4气门和涡旋进气系统如图1-34所示。第四节柴油机混合气的形成与燃烧图1-34Audi TDI柴油机的4气门和涡旋进气系统第四节柴油机混合气的形成与燃烧图1-35进气管道的涡旋翻板(2)涡旋翻板在涡旋进气系统的进气管上布置涡旋翻板(见图1-35)第四节柴油机混合气的形成与燃烧(3)部
33、分Audi TDI柴油机的转矩/功率特性曲线如图1-36所示。图1-36部分Audi TDI柴油机的转矩/功率特性曲线a)2.7L V6 TDI柴油机(A6L轿车)b)3.0L V6 TDI 柴油机(Q7轿车)c)6.0LV12 TDI柴油机(Q7轿车)第四节柴油机混合气的形成与燃烧思考题1.简述柴油机混合气形成的两个基本方式和特点。2.绘制柴油机燃烧过程的p-图，并简述各个时期的划分。3.简述着火延迟期i对柴油机性能的影响。4.简述喷油规律对发动机性能的影响。5.引起柴油机工作粗暴和噪声的原因是什么？如何改善？6.如何选定最佳供油提前角？它对柴油机的动力性、经济性以及排污和噪声有何影响？7.
34、简述柴油机燃烧室的分类及适用范围。8.直喷式燃烧室的特点有哪些？9.TDI柴油机的典型技术特点有哪些？TDI柴油机有哪些性能优势？第五节汽油机混合气的形成与燃烧一、汽油机的燃烧过程及其对发动机性能的影响1.预混合燃烧的特点(1)气体运动状态可燃混合气在静止或层流状态下，其火焰前锋面很薄，参与燃烧的混合气少，此时火焰传播速度小于1m/s，其传播速度主要取决于混合气浓度和温度。1)紊流运动可使火焰前锋表面扭曲，甚至分隔成许多火焰中心，使火焰前锋燃烧区加厚(见图1-37)，火焰传播速度加快。2)紊流运动加速了火焰前锋面内的传热传质过程和化学反应速度，使火焰传播速度加大。(2)混合气浓度混合气成分不同
35、，火焰传播速度也明显不同。(3)混合气温度混合气温度越高，火焰传播速度越快。第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-37 在不同紊流作用下的火焰前锋a)紊流较弱b)紊流强烈第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-38混合气成分对火焰传播的影响2.汽油机的燃烧过程及其对发动机性能的影响第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-39汽油机的燃烧过程(1)着火延迟期(见图中着火延迟期是指从火花塞点火的1点到气第五节汽油机混合气的形成与燃烧缸压力线脱离压缩线(见图中虚线)而急剧上升的2点所对应的时期，其长短可用时间或曲轴转角来表示。(2)明显燃烧期(见图中段)明显燃烧期是指从火焰核心(见图中2点)形成到出现最高爆发
36、压力(见图中3点)为止的阶段。(3)后燃期(见图中段)后燃期是指从最高压力出现点(见图中3点)到燃料基本上完全燃烧为止的阶段。3.燃烧速度二、汽油机的不正常燃烧爆燃1.爆燃的表现第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-40汽油机爆燃时的示功图a)正常燃烧b)爆燃第五节汽油机混合气的形成与燃烧2.爆燃产生的原因3.爆燃的危害4.影响爆燃的因素(1)缩短t1 的措施提高火焰传播速度；燃烧室的形状紧凑、气缸直径不能过大，减小火焰传播距离。(2)延长t2 的措施采用辛烷值高的燃料，抗爆性好；采用导热性能好的材料，合理的燃烧室设计，冷却末端混合气；降低火焰传播速度，以降低燃烧室温度，从而降低末端混合气的受热
37、程度，达到延迟t2的目的。三、使用因素对燃烧过程的影响1.混合气浓度2.点火提前角第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-4125Y-6100Q型汽油机的点火提前角调整特性a)节气门全开时b)n=1 600r/min第五节汽油机混合气的形成与燃烧3.转速4.负荷四、汽油机的混合气形成1.对混合气形成的基本要求(1)形成均质混合气尽管汽油本身具有良好的挥发性，但是由于发动机转速高，为了能在较短的时间内形成均匀的可燃混合气，在汽油机中仍然需要合适的燃油雾化方式、足够的雾化混合时间以及合理的气流运动。(2)具有良好的响应特性汽油机工况变化范围很宽，因此，混合气形成速度要能跟上工况变化的需要，即响应特性要
38、好。第五节汽油机混合气的形成与燃烧(3)适应不同工况对混合气浓度的要求汽油机在大负荷时要求大功率，所以此时要能提供浓混合气；在中、低等负荷时，需考虑燃油经济性，因此要能提供稀混合气；起动和怠速工况时，由于吸气量少，流速小，发动机温度低，汽化条件差，残余废气对可燃混合气的稀释作用明显，因此，也要求提供浓混合气。2.混合气的形成方式1)单点喷射是在节气门上方，利用一个喷油器集中喷射，燃料喷入后随空气流进入进气歧管内，然后分配到各个气缸。2)在多点喷射中，各缸喷油器通常是将燃料直接喷射到高温的进气门背面，以促进燃油蒸发。第五节汽油机混合气的形成与燃烧3)缸内直喷(gasoline direct in
39、jection，GDI)汽油机采用类似于柴油机的供油技术，通过一个高压油泵提供420MPa的喷油压力，将汽油供给位于气缸内的电磁燃油喷嘴，然后通过电脑控制喷嘴将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，形成混合气。五、汽油机的燃烧室及其性能对比1.对燃烧室的要求(1)结构紧凑面容比F/V(燃烧室表面积与容积之比)常用于表示燃烧室的紧凑性。(2)具有良好的充气性能应允许有较大的进气门直径；进气阻力小，使之尽可能顺利地进入燃烧室；燃烧室壁面与气门头部要有足够的间隙，避免壁面的遮蔽作用。(3)火花塞位置安排得当第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-42顶置气门燃烧室火花塞位置对辛烷值的要求a)火花塞在靠近进气
40、门处b)火花塞在靠近排气门处c)火花塞在进、排气门间d)采用三个火花塞1排气门2进气门第五节汽油机混合气的形成与燃烧1)要能利用新鲜混合气充分扫除火花塞间隙处的残余废气，使混合气易于着火。2)火花塞应靠近排气门处，使受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地短。4)不同的火花塞位置对燃料辛烷值的要求也不同。(4)燃烧室形状合理分布不同的燃烧室形状实际上反映了混合气气体的分布情况，与火花塞位置配合，也就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。第五节汽油机混合气的形成与燃烧(5)要产
41、生适当的气体流动燃烧室内形成适当强度的气体流动可以加快火焰传播速度，扩大混合气体的着火界限以燃烧更稀的混合气，减少循环变动率，降低HC排放量；但过强的气流会使热损失增加，还可能吹熄火核而导致失火。(6)末端混合气要有适当冷却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。2.典型燃烧室及其性能对比(1)浴盆形燃烧室如图1-43所示，浴盆形燃烧室形状如椭圆形浴盆，高度相同，宽度允许超出气缸范围来加大气门直径，但应在气门头部外径与燃烧室壁面之间保持5.66.5mm的壁距，故气门大小受到限制。第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-4325Y
42、-6100Q型汽油机发动机浴盆形燃烧室第五节汽油机混合气的形成与燃烧(2)楔形燃烧室如图1-44所示，楔形燃烧室布置在缸盖上，火花塞在楔形高处的进、排气门之间，因此火焰传播距离还是比较长。(3)半球形燃烧室如图1-45所示，半球形燃烧室结构紧凑，且由于火花塞位于中间，故火焰传播距离也是最短的。图1-44CA-72型轿车用汽油机的楔形燃烧室第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-45半球形燃烧室第五节汽油机混合气的形成与燃烧(4)多球形燃烧室如图1-46所示，多球形燃烧室的形状呈帐篷状，这样便于4气门布置，同时还使火花塞布置在燃烧室中央，因此也称屋脊形燃烧室。图1-46多球形燃烧室第五节汽油机混合气
43、的形成与燃烧表1-13不同燃烧室的特征及其性能对比六、缸内直喷汽油机性能介绍第五节汽油机混合气的形成与燃烧以降低汽油机的油耗和排放为目标，人们在混合气形成和燃烧方式上不断探索，目前，主要有两种新技术实用化：缸内直喷混合气形成方式+分层稀薄燃烧，可以节油20%以上，动力提高10%左右；缸内直喷混合气形成方式+均质当量比燃烧，节油5%，动力提高5%左右。1.缸内直喷分层稀薄燃烧汽油机(1)稀薄燃烧当A/F14.8时称为稀混合气，其燃烧称为稀薄燃烧。1)均质稀薄燃烧。2)分层给气稀薄燃烧。3)缸内直喷分层给气稀薄燃烧。第五节汽油机混合气的形成与燃烧(2)缸内直喷分层稀薄混合气的形成缸内直喷是将燃油直
44、接喷入气缸，为了形成分层稀薄混合气，燃油在压缩后期喷入燃烧室，从喷油到点火的时间很短，同时缸内气体压力高，喷雾油滴的扩散和蒸发被限制在缸内局部区域，利用特殊形状的燃烧室内部形状或气体运动将燃料输送到火花塞附件，点火时燃烧室内可以形成火花塞附近浓而周围稀的分层混合气。(3)缸内直喷分层稀燃汽油机的工作模式如图1-47所示，在怠速和低负荷时，采用分层稀薄燃烧；在部分负荷时采用均质稀混合气；在中、高负荷时采用均质标准混合气，适应发动机不同工况对混合气浓度的需要，保证发动机性能。第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-47缸内直喷分层稀燃汽油机的工作模式(4)典型缸内直喷稀薄燃烧系统介绍第五节汽油机混合气
45、的形成与燃烧1)三菱公司GDI发动机。表1-14三菱公司GDI发动机主要设计参数表1-14三菱公司GDI发动机主要设计参数第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-48三菱公司GDI发动机的结构2)丰田D-4缸内直喷稀燃发动机。第五节汽油机混合气的形成与燃烧3)大众公司的FSI发动机。利用安装在进气歧管的翻板来改变缸内气体流动，优化混合气的形成过程，同时减小低负荷时的进气节流损失。发动机低速时关闭翻板(见图1-50a)，将进气道流通截面下半部分遮挡，空气经进气道上半部分高速进入气缸，产生强滚流，到压缩冲程末期形成强湍流，从而加快燃烧速度，提高热效率。中高转速时翻板完全打开(见图1-50b)，进气道获
46、得全部流通截面积，获得高的充气量来实现目标功率。采用多孔式喷油器，喷油器布置在进气侧。第五节汽油机混合气的形成与燃烧0149A.TIF第五节汽油机混合气的形成与燃烧图1-49丰田D-4燃烧室混合气形成a)燃烧混合过程b)缸内混合气浓度分别第五节汽油机混合气的形成与燃烧 燃烧系统的特点是采用双滚流混合气形成方式。低负荷时，可燃混合气仅在进气门一侧的滚流区形成；中负荷时，喷油可到达包括排气门在内的区域，混合气在两个滚流区域都可生成。图1-50FSI汽油机燃烧系统第五节汽油机混合气的形成与燃烧 分层稀燃模式：过量空气系数在1.63之间。在低负荷时，节气门接近全开，进气歧管翻板关闭，吸入的空气通过进气
47、道上部进入气缸，在压缩行程上止点前60A至45A用510MPa压力将燃油喷入燃烧室，特别的活塞顶设计使吸入的空气与喷入的燃油形成滚流，仅在火花塞周围形成达到理论空燃比的、足以燃烧的混合气，来引燃整个燃烧室内的混合气，而在燃烧室的其他区域则为富含空气的稀薄混合气，从而形成稀薄燃烧。均质稀燃模式：过量空气系数=1.55。在转速低于3750r/min或发动机负荷低于40时，进气歧管翻板关闭，节气门接近打开，在进气行程 60A时将燃油喷入气缸，喷雾油滴在缸内经历了进气和压缩两个行程，点火时燃烧室内形成的是均匀稀混合气。第五节汽油机混合气的形成与燃烧 均质燃烧模式：过量空气系数=1。在转速高于3750r
48、/min或发动机负荷高于40时，进气歧管翻板打开，节气门开度由加速踏板决定，在进气行程中喷入燃油，形成均质混合气。(5)缸内直喷稀燃的优点及其存在的问题GDI分层稀燃最大的优点就是可以大幅度降低发动机在低速低负荷时的油耗。1)燃油在缸内汽化吸热，降低缸内温度，使高负荷爆燃倾向减小，压缩比可适当增大(一般可由10增大到12)，由此使燃油消耗率改善5%。2)部分负荷时由于取消节气门节流，可减小泵气损失15%。3)压缩比提高可使燃烧放热速率提高，燃油消耗率改善2%3%，而怠速时改善10%以上。2.缸内直喷均质当量比燃烧汽油机第五节汽油机混合气的形成与燃烧七、混合气形成方式和燃烧室对汽油机性能的影响总
49、结上述内容可知，燃烧过程直接影响汽油机的动力性、经济性、排放、噪声振动以及使用寿命，而影响燃烧过程的主要因素是燃烧室的结构特点、燃油供给系统的特点，所以围绕燃烧过程的影响因素，对燃烧室性能和混合气形成方式进行分析，从而对发动机性能进行初步的评价。1.混合气形成方式2.燃烧室思考题1.说明汽油机燃烧过程各阶段的主要特点，以及对它们的要求。2.爆燃燃烧产生的原因是什么？它会带来什么不良后果？目前发动机上主要采用什么措施避免出现爆燃？第五节汽油机混合气的形成与燃烧3.比较汽油机几种典型燃烧室的优、缺点及使用场合。4.GDI分层稀燃和GDI均质燃烧各有什么特点？目前国内汽油机主要采用的哪种方式？哪些轿
50、车将这种汽油机作为动力输出源？第六节汽车发动机特性的分析与评价一、发动机的工况和特性1.工况2.发动机的工况类型(1)点工况点工况是指发动机只在某一个固定工况点下工作，如图1-51所示的点。(2)线工况线工况是指发动机只在某一个确定的线段上工作，有两种常见情况：一种是发动机运行在转速近似保持不变而功率改变的调速线上，如图1-51所示的曲线，如发电机组等固定作业机组，为了保证频率的稳定性，发动机转速要尽可能保持不变，功率则随发电机负荷大小而发生变化，可由零变到最大；一种是带动螺旋桨工作的船用主机，发动机输出功率和转速成三次方关系，即Pe=kn3，如图1-51中曲线所示的螺旋桨运行工况。第六节汽车
