汽車構造課件 第一章 發(fā)動機工作原理

第一章第一章 發(fā)動機工作原理發(fā)動機工作原理本章的主要教學內容：1.發(fā)動機的總體結構及工作原理2.工程熱力學基礎3.發(fā)動機的熱力循環(huán)和性能指標4.發(fā)動機的換氣過程5.汽、柴油機的燃燒過程教學目的與要求掌握發(fā)動機的總體結構與工作原理；能以性能指標為主線，深入到與性能指標密切相關的工作過程（循環(huán)、進氣、排氣、燃燒工程），分析影響性能指標的主要因素，找出提高汽車發(fā)動機性能的基本規(guī)律和技術措施。第一節(jié)第一節(jié)發(fā)動機總體結構及發(fā)動機總體結構及基本原理基本原理一、發(fā)動機的定義一、發(fā)動機的定義發(fā)動機是將其它形式的能量轉變?yōu)闄C械能的機器二、二、發(fā)動機的分機的分類1.按使用燃料分：汽油機、柴油機等。2.按工作循環(huán)分：四沖程發(fā)動機、二沖程發(fā)動機。3.按氣門位置分：頂置氣門式發(fā)動機、側置氣門式發(fā)動機。4.按氣缸排列分：直列式發(fā)動機、v型發(fā)動機。5.按氣缸數分：單缸發(fā)動機、多缸發(fā)動機。三、三、發(fā)動機的機的總體體結構構發(fā)動機由“兩大機構五大系統(tǒng)”組成1.兩大機構：曲柄連桿機構、配氣機構。2.五大系統(tǒng)：冷卻系、潤滑系、燃料供給系、點火系、起動系1.曲柄連桿機構作用：將燃料燃燒時產生的熱量轉變?yōu)榛钊鶑瓦\動的機械能，再通過連桿將活塞往復運動變?yōu)榍S的旋轉運動而對外輸出動力。組成：由氣缸體和曲軸箱組、活塞連桿組、曲軸飛輪組組成2.配氣機構作用：使可燃混合氣及時充入氣缸并及時從氣缸中排出廢氣。組成：它由進氣門、排氣門、挺桿、推桿、搖臂、凸輪軸、正時齒輪等組成3.冷卻系作用：把受熱零件的熱量散到大氣中去，以保證發(fā)動機正常工作。組成：它由水泵、散熱器、風扇、分水管、水套等組成。4.潤滑系作用：潤滑、冷卻、清洗、密封等。組成：由機油泵、濾清器、限壓閥、油道等組成。5.燃料供給系汽油機作用：按需要向氣缸內供應已配制好的可燃混合氣，燃燒后排出廢氣。組成：化油器式由燃油箱、汽油泵、化油器、進、排氣管、濾清器等組成。直噴式由燃油箱、電動汽油泵、油壓調節(jié)器、噴油器、進、排氣管、濾清器等組成。柴油機供給系作用：向氣缸內供應純空氣并在規(guī)定時刻向氣缸內噴入柴油，燃燒后排出廢氣。組成：由燃油箱、噴油泵、噴油器、進、排氣管、濾清器等組成。6.點火系1.作用：按規(guī)定時刻及時點燃氣缸內的混合氣。2.組成：由蓄電池、分電器、點火線圈、火花塞等組成。7.起動系1.作用：使靜止的發(fā)動機起動。2.組成：由起動機及附屬裝置組成。五、四沖程汽油機工作原理、四沖程汽油機工作原理活塞往復四個沖程完成一個循環(huán)的發(fā)動機稱四沖程發(fā)動機。每個循環(huán)由進氣、壓縮、作功、排氣四個沖程組成六、六、四沖程柴油機工作原理四沖程柴油機工作原理每個循環(huán)也由進氣、壓縮、作功、排氣四個沖程組成。但由于柴油的性質與汽油不同，其混合氣形成的方式、著火方式與汽油機也不同。下述不同點：1.進氣沖程進入氣缸的是純空氣；2.壓縮沖程壓縮比大，壓縮終了的壓力、溫度高。3.作功沖程壓縮沖程末，高壓柴油呈霧狀噴入氣缸內，自行燃燒作功，最高壓力5-10Mpa；4.排氣沖程與汽油機基本相同。壓力0.105-0.125Mpa，溫度800-1000K。七、七、汽油機與柴油機的相同點汽油機與柴油機的相同點與不同點與不同點相同點:1.每個工作循環(huán)曲軸轉兩周，每一沖程曲軸轉半周，進氣沖程進氣門開，排氣沖程排氣門開，其余兩個沖程進、排氣門均光。2.四個沖程中，只有作功沖程產生動力，其余三個沖程消耗能量。3.必須用外力起動。4.工作循環(huán)基本內容相似，主要機件的運動相同，結構基本相同。不同點：不同點：1.混合氣的形成方式不同：混合氣的形成方式不同：汽油機是缸外混合；汽油機是缸外混合；柴油機是缸內混合；柴油機是缸內混合；2.著火方式不同：著火方式不同：汽油機點燃式；汽油機點燃式；柴油機是柴油機是壓燃式燃式八、二沖程汽油機工作原理八、二沖程汽油機工作原理二沖程發(fā)動機工作循環(huán)也包括進氣、壓縮、作功、排氣四個過程，但它是在活塞往復兩個沖程內完成的。第一沖程活塞上方進行換氣、壓縮，活塞下方進氣當關閉換氣孔和排氣孔時，混合氣開始壓縮，直至上止點?；钊^續(xù)上行，進氣孔打開，混合氣被吸入曲軸箱內。第二沖程活塞上方進行作功、換氣，下方預壓縮點燃混合氣后，活塞下行，至開閉進氣孔，壓縮曲軸箱內的混合氣。繼續(xù)下行，排氣空打開，廢氣排出。換氣孔打開，混合氣進入并掃氣，直至換氣孔和排氣孔關閉。十、內燃機十、內燃機產品名稱和型號品名稱和型號編制制規(guī)則第二節(jié)第二節(jié)工程熱力學基礎工程熱力學基礎工程熱力學主要是研究熱能與機械能之間相互轉換的一門科學。從汽車發(fā)動機來說，就是通過分析氣缸內氣體的狀態(tài)變化的規(guī)律，得到提高發(fā)動機熱效率的途徑。整個發(fā)動機的效率可分三部分，如下圖所示燃燒熱效率循環(huán)效率機械效率燃料熱能活塞功輸出功燃燒過程循環(huán)過程機械性能在工程熱力學中，把實現熱能與機械能相互轉換的工作物質（氣缸內的氣體）簡稱為工質。一、工質的熱力狀態(tài)一、工質的熱力狀態(tài)（一）工質的基本狀態(tài)參數工質所處的宏觀狀態(tài)稱為工質的熱力狀態(tài)。說明工質所處的狀態(tài)的物理量叫做工質的狀態(tài)參數。其中壓力、比容、溫度是可測量的參數，稱為工質的基本狀態(tài)參數。1.壓力p：工質在單位面積容器壁上作用的垂直力，單位Pa。絕對壓力p：氣體的真實壓力；表壓力pB：用氣壓表測出的壓力，pB=p-p0p0：大氣壓。真空度pC：表示氣體壓力低于大氣壓的值，用真空表測出，pC=p0p。3.溫度：溫度是物體冷熱程度的標志。它反映了分子無規(guī)則運動的程度，是大量分子運動動能的平均值的標志。熱力學溫標（國際單位制）：規(guī)定水的三相點的溫度為273.16K的溫度標尺。攝氏溫標：tT273.16二）理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體：分子本身不占體積，分子之間沒有吸引力的氣體。理想氣體的狀態(tài)方程：pvRTR為氣體常數任意給定兩個參數，第三個參數就確定。（三）工質的比熱單位量的物質溫度升高（或降低）1所吸收（或放出）的熱量，用c（kg/kg.k）表示。a)定容比熱cV：氣體在加熱過程中容積保持不變的比熱。b)定壓比熱cP：氣體在加熱過程中壓力保持不變的比熱。（四）工質的內能內能就是工質內部分子和原子運動的動能和分子之間的位能的總和，記作u，它包括以下幾個方面：a)分子移動動能b)分子轉動動能c)分子振動動能d)分子間的位能而動能與溫度有關，位能與比容有關，因此，一般氣體的u只與溫度與比容有關，即uf（T,V）理想氣體分子之間無吸引力，因此位能為0，故uf（T）即只要工質的初、終態(tài)溫度T1,T2確定，不論經過什么過程，其內能的變化都相等uu2-u1=f(T2)-f(T1)二、熱力學第一定律1.熱力過程及其所作的功工質狀態(tài)參數的一系列變化過程，叫做熱力過程，可用pv圖表示，其所做的功為（1kg氣體）2.熱力學第一定律（能量轉換與守恒定律）熱可以轉換為功，功可以轉換為熱，轉變前后的能量保持不變。Q=W3.能量平衡方程設氣缸內有1kg氣體，外界供給氣體的熱量為qkJ，該熱量中，一部分用來向外界輸出膨脹功（設為w），另一部分使氣體的內能變化u，根據熱力學第一定律得能量平衡方程：quw氣體QU+W三、氣體的熱力過程三、氣體的熱力過程四、熱力學第二定律及卡諾循四、熱力學第二定律及卡諾循環(huán)環(huán)1.循環(huán)及熱效率工質經過一系列狀態(tài)的變化，重新恢復到原來狀態(tài)所完成的一個封閉過程，叫一個熱力循環(huán)。正循環(huán)正循環(huán)：循環(huán)安順時針方向進行（12341），輸出功。反循環(huán)反循環(huán)：循環(huán)安逆時針方向進行（14321），消耗功。2.熱力學第二定律關于發(fā)動機的熱力學第二定律表達：不可能建造一種循環(huán)的機器，其作用只從單一取熱并全部轉變成功。即發(fā)動機的熱效率不可能100%。關于熱轉遞的熱力學第二定律表達：不可能將熱量由低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。從上式可知：1.卡諾循環(huán)的熱效率總是小于1。若等于1，則T1=或T2=0，這是不可能的。2.提高熱效率的途徑有兩條：一條是提高T1；另一條是降低T2。意義：卡諾循環(huán)至今難以實現，但是它對如何提高發(fā)動機的循環(huán)熱效率從理論上指明了正確的方向：使發(fā)動機的循環(huán)接近于卡諾循環(huán)，以使發(fā)動機的循環(huán)接近于卡諾循環(huán)，以卡諾循環(huán)效率來評價發(fā)動機熱功轉換的程度卡諾循環(huán)效率來評價發(fā)動機熱功轉換的程度。第三節(jié)第三節(jié)發(fā)動機的熱力循環(huán)與性發(fā)動機的熱力循環(huán)與性能指標能指標本節(jié)主要介紹四沖程發(fā)動機的理論循環(huán)，實際循環(huán)，指示指標，有效指標及機械效率等知識。一、一、發(fā)動機的理機的理論循循環(huán)對實際循環(huán)作以下假設可得理論循環(huán)；a.工質是理想氣體，比熱視為定值；b.工質與外界無熱量交換，不計進、排氣過程及其流動損失；c.工質的壓縮過程和膨脹過程均為絕熱過程；d.燃燒過程為外界等容、等壓加熱過程，而排氣過程為等容放熱過程代替。由于高速柴油機先噴入氣缸的燃料迅速燃燒，加熱接近于等容，后噴入氣缸的燃料燃燒緩慢，加熱接近于等壓。因此，混合加熱循環(huán)是柴油機的理想循環(huán)2.理論循環(huán)分析1)壓縮比隨壓縮比增大，兩種循環(huán)的t和pt都將提高。這是因為在加熱量Q1相同的情況下，提高壓縮比，可提高循環(huán)最高溫度及平均吸熱溫度，降低平均放熱溫度，擴大溫差，增大膨脹比，使循環(huán)做功增多。（由于柴油機的壓縮比比汽油機的大，所以柴油機的熱效率比汽油機高）2)壓力升高比和預脹比在混合加熱循環(huán)中，若Q1和一定，增大時，相應減少，即Q1增加而Q1減少，從而提高了能量利用率，使t和pt提高。（相同壓縮比和能量消耗的汽油機和柴油機，汽油機的熱效率比柴油機高）二、發(fā)動機的實際循環(huán)二、發(fā)動機的實際循環(huán)1.實際循環(huán)四沖程發(fā)動機曲軸旋轉兩圈完成一個工作循環(huán)，分進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個過程，可用pv圖表示2.實際循環(huán)與理想循環(huán)的差異與理論循環(huán)相比，實際循環(huán)存在各類能量損失。1)實際工質的影響Wk2)換氣損失W和Wr3)燃燒損失Wz4)傳熱損失Wb三、發(fā)動機的指示指標三、發(fā)動機的指示指標（以下標（以下標i表示）表示）以工質在氣缸內對活塞所作的功為基礎的指標稱為發(fā)動機的指示指標四、發(fā)動機的有效指標四、發(fā)動機的有效指標（以下標（以下標e表示）表示）以曲軸對外輸出的功率為基礎的性能指標。用以評價整個發(fā)動機的性能。3)強化系數peCm：平均有效壓力與活塞平均速度的乘積。其值越大，強化程度越高4.發(fā)動機的其它性能指標1)排氣品質2)噪聲3)起動性等五、發(fā)動機的熱平衡五、發(fā)動機的熱平衡熱平衡就是加入發(fā)動機的總熱量的分配情況，可表示為QT=QE+QS+QR+QB+QL式中：QT燃料完全燃燒放出的總熱量；QE轉化為有效功的熱量；汽20%-30%，柴30%-40%QS傳給冷卻介質的熱量；汽25%-30%，柴20%-25%QR廢氣帶走的熱量；汽40%-45%，柴35%-40%QB不完全燃燒的熱量損失；QL其它損失；汽8%，柴10%。減少各種能量損失，即可提高發(fā)動機的效率。1.滅缸法1)將發(fā)動機調整到給定工況穩(wěn)定工作，測出Pe；2)停止第一缸的供油或點火，調整測功器，使發(fā)動機恢復原轉速，測出Pe1?？傻玫谝桓椎闹甘竟β蔖i1=PePe1。3)依次使各缸熄火，可得Pe2,Pe3則Pi2=PePe2Pi3=Pe-Pe3整機的指示功率Pi=Pi1+Pi2+PePe1PePe2PePe3iPe（Pe1+Pe2+Pe3+）PmPi-PeiPe（Pe1+Pe2+Pe3+）Pe（i-1）Pe（Pe1+Pe2+Pe3+）2.倒拖法1)發(fā)動機與測功機相連；2)使發(fā)動機以給定的工況穩(wěn)定運行，當水溫和油溫達到正常時，切斷供油或停止點火，同時將電力測功機轉換為電動機，以給定轉速倒拖發(fā)動機；3)測定電力測功機的倒拖功率，該倒拖功率即為發(fā)動機在該工況下的機械損失功率。3)潤滑油的品質和冷卻水溫粘度大，流動性差，摩擦損失增加；粘度小，流動性好，承載能力差，油膜易破裂。冷卻水溫影響機油的粘度。使用中降低機械損失要做到無機械故障，控制好轉速、水溫，保持機油清潔等。第四節(jié)第四節(jié)發(fā)動機的換氣過程發(fā)動機的換氣過程本節(jié)主要是要求學生了解換氣過程的進行情況，分析影響充氣量的因素，找出減少換氣損失、提高充氣系數的因素。定義：發(fā)動機的排氣過程和進氣過程統(tǒng)稱為換氣過程。任務：盡可能將缸內的廢氣排除干凈，并吸入更多的新鮮混合氣。對發(fā)動機性能的影響：如果換氣充分，氣缸內混合氣質量較好（相對廢氣較小，新鮮混合氣較多）使燃燒過程加快，燃燒完全，因此可提高發(fā)動機的動力性與經濟性。一、四沖程一、四沖程發(fā)動機的機的換氣氣過程程1.四沖程發(fā)動機的換氣過程：從排氣門打開至進氣門關閉。1)自由排氣階段：排氣門打開至氣缸壓力接近于排氣管壓力；2)強制排氣階段：活塞由上往下將缸內廢氣強制排出；3)進氣階段：進氣門打開至關閉的過程。2.氣門疊開：進排氣門同時開啟的現象合適：可掃氣，增加進氣量；過大；廢氣倒流進氣管。二、四沖程二、四沖程發(fā)動機的充氣系數機的充氣系數1.充氣系數：每循環(huán)實際進入氣缸的新鮮充氣量G與在進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充氣量G0的比值，即進氣狀態(tài)：當時的大氣狀態(tài)（非增壓）三、提高充氣系數的措施三、提高充氣系數的措施1.減少進氣系統(tǒng)的流動損失，提高進氣終了的壓力1)減少空濾器阻力2)減少化油器流動阻力3)減少進氣管的沿程阻力和局部阻力4)減少進氣道阻力5)減少節(jié)氣門處的流動阻力6)改進凸輪的廓線設計，加大進氣門開啟時間與截面2.降低排氣系統(tǒng)的阻力損失，減少缸內殘余廢氣3.減少高溫零件對氣體的加熱4.合理利用動態(tài)效應5.合理選擇配氣相位第五節(jié)第五節(jié)汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程將燃料的化學能轉變?yōu)闊崮艿倪^程,稱為發(fā)動機的燃燒過程。它是發(fā)動機整個工作循環(huán)的主要過程。本節(jié)將介紹汽油的組成與主要性能指標,討論傳統(tǒng)的汽油機燃燒形式,即均勻混合氣的燃燒過程。汽油機燃燒過程的特點:1.燃料與空氣借助于化油器或噴射裝置,在缸外進行混合,混合時間長,混合均勻;2.壓縮終了前通過外源(火花塞)點火,著火時間、地點一定;3.著火后火焰擴散,適當的渦流運動可以加速火焰?zhèn)鞑?4.通過改變混合氣的數量來調節(jié)負荷。一、汽油的組成及主要性能指標(-)燃油簡介汽油與柴油都是用石油煉制的。石油主要包含了碳和氫兩種元素,是各種烴的混合物。加熱范圍為40-250餾出的油料稱為汽油,汽油各種經碳原子的個數為5-9個。直餾法；熱裂化法；催化裂化法。直留汽油和柴油的穩(wěn)定性好,儲存中不易產生膠質,但只能適用于壓縮比較低的發(fā)動機。裂化汽油適用于高壓縮比的發(fā)動機。催化裂化柴油性能較好,可作商品質的柴油使用。(二)汽油的主要性能指標1.汽油的蒸發(fā)性10蒸發(fā)溫度標志汽油的起動性。10%蒸發(fā)溫度低,起動性好,但太低了容易引起氣阻、在油箱和化油器中蒸發(fā)損失增加。該溫度太高,則冷起動困難。50%蒸發(fā)溫度標志汽油的平均蒸發(fā)性。該溫度低,可以縮短暖車時間,但太低了則會導致化油器結冰;太高,則汽油機冷機的過渡特性差。90蒸發(fā)溫度標志中含有難以蒸發(fā)的重質成分,該溫度太高,在燃燒室內易形成雜質,并稀釋潤滑油。2.汽油的抗爆性抗爆性是指汽油在燃燒室內燃燒時抵抗爆燃的能力,其評定指標是辛燒值。在汽油機燃燒過程中,隨著壓縮比及氣缸內氣體溫度提高,可能出現一種不正常的自燃現象,稱為爆震燃燒,簡稱爆燃。汽油辛燒值越高,抗爆性越強,就能承受發(fā)動機采用較高壓縮比而不發(fā)生爆燃,有利于提高汽油機的經濟性。二、汽油機混合氣的形成液體燃料混合氣的形成過程,就是液體燃料在空氣中霧化、蒸發(fā)、擴散并與空氣混合的過程。(一)化油器式汽油機的混合氣形成過程空氣經空氣濾清器進入化油器,在流經喉管時,流速增加,壓力降低,在喉管中形成一定的真空度,將汽油從浮子室經主噴管吸出,被吸出來的汽油正好噴人流過喉管的空氣中,在高速空氣流的沖擊下被霧化成細小顆粒,并不斷蒸發(fā)、擴散,與空氣混合成可燃混合氣。改變設置在喉管后的節(jié)氣門開度,即可改變進入氣缸中的混合氣數量,也就改變了發(fā)動機功率。(二)汽油直接噴射式的混合氣形成過程汽油直接噴射系統(tǒng)混合氣的形成是在進氣管或氣缸中進行的。噴油器將來自供油系統(tǒng)具有一定壓力的汽油噴到各缸進氣道的進氣門前(多點噴射)或噴到節(jié)氣門前方的進氣管內(單點噴射)或直接噴人氣缸(缸內噴射),與來自空氣供給系統(tǒng)的新鮮空氣在缸外(進氣管噴射)或缸內(缸內噴射)相混合形成可燃混合氣。三、汽油機混合氣燃燒過程汽油機的燃燒過程包括著火和燃燒兩部分。從壓縮行程上止點前火花塞點火開始到膨脹行程燃料基本上燒完為止,燃燒持續(xù)較短(約占25-40曲軸轉角),其燃燒過程接近于定容燃燒。(一)燃燒簡介燃燒是燃油中的碳原子和氫原子與空氣的氧原子劇烈氧化反應的過程,并伴有發(fā)熱、發(fā)光的現象。把過量空氣系數a=1,空燃比A/F=14.7的可燃混合氣叫做理論混合氣;a1,A/F14.7的可燃混合氣叫做濃混合氣;a1,A/F14.7的可燃混合氣叫做稀混合氣。(二)汽油機的著火汽油和空氣形成的可燃混合氣必須經過著火階段才能進行燃燒。而著火,是指混合氣的氧化反應加速、溫度升高、以致引起空間某一位置最終有某個火焰出現的過程。在火花塞點火之前,氣缸內已形成了均勻混合氣,混合氣受到缸壁和殘余廢氣的加熱,被壓縮后壓力與溫度升高,并產生緩慢的分解和氧化,處于容易著火狀態(tài)。當火花塞電極間跳火,經歷了高溫著火后,在已燃氣體與未燃的工質之間的一個很窄的范圍(火焰前鋒)內通過活化分子的傳熱和對流而燃燒放熱。火焰基本上以球形的形狀向外擴展。點火能否成功,與火花點火放出的熱量大小和混合氣的濃度有關?；鸹c火放出的熱量太小.混合氣的濃度過濃或過稀.火焰均不能傳播.(三)正常燃燒過程為了提高汽泊機的動力性和經濟性,充人氣缸的可燃混合氣燃燒要完全、及時和正常。因為:只有完全完全燃燒,才能充分利用燃油的熱能;只有及及時燃燒,最高壓力在上止點后1218，才能使燃氣具有更高的溫度和壓力,對活塞的推力大,使熱能更多的轉變?yōu)闄C械功;只有正常正常燃燒,才能保持發(fā)動機穩(wěn)定、可靠的工作。根據壓力變化的特征,把燃燒過程分為三個階段:著火延遲期、急燃期、補燃期。1.著火延遲期從火花塞電極間跳過火花(點1)起,到形成火焰中心(點2)為止的這段時間,稱為著火延遲期。圖中用I階段表示,由于只是在火焰中心附近的局部范圍內有劇烈的氧化反應,因而圖中的壓力線沒有明顯地偏離壓縮線,即沒有明顯的壓力升高現象。2.急燃期從火焰中心形成起,主要部分混合氣燃燒完畢,因而出現最高壓力(點3)為止。這段時間稱為急燃期,圖中用E階段表示。急燃期是燃燒過程的主要階段,它對發(fā)動機性能影響很大。實踐證明,以曲軸轉角計算的壓力升高率為170kPa/()-240kPa/(),且最高壓力出現在上止點后12-18曲軸轉角時,示功圖有最大面積,循環(huán)功最多。這時對應的點火提前角,稱為最佳點火提前角3.補燃期從最高壓力至燃燒基本完成混合氣中汽油蒸發(fā)不良及與空氣混合不均勻時,部分顆粒較大的燃油在火焰前鋒掠過時,只是表層燃油被燃燒,未燃燒的部分需要在補燃期內燃燒。此外,燃燒產物有少部分在高濕的作用下會分解。在膨脹過程中,因工質溫度下降,熱分解產物又可繼續(xù)燃燒、放熱。這就形成了補燃期。補燃是在活塞下行中進行的,這時氣缸容積已明顯擴大,故補燃產生的熱量不能有效地轉變?yōu)楣?反而使排氣溫度增加,熱效率下降。因此,希望盡可能減少補燃。(四)不正常燃燒汽油機的不正常燃燒,包括爆震燃燒和表面點火。1.爆震燃燒(簡稱爆燃)(1)現象與危害汽油機的爆燃現象就是燃燒室內末端混合氣的自燃現象2.危害雖然爆燃時的最高壓力很高,但它是以沖擊波的形式出現,不是以均勻壓力推動活塞,而像用錦頭不斷敲擊活塞似的,不能使燃氣對活塞作功更多。汽車在低速上坡時,允許有很輕微的短時間的爆燃。因為輕微的爆燃可以使燃燒過程縮短,有利于提高有效功率,但是不允許嚴重的爆燃,嚴重的爆燃會有下列危害:1)機件過載2)機件燒損3)性能指標下降（3）預防措施主要有:使用抗爆性強的汽油可以避免爆燃的產生;在汽油中加入少量抗爆添加劑,使用中應根據發(fā)動機的壓縮比選用相應牌號的汽油?？梢酝ㄟ^改變結構因素如減小壓縮比、采用雙火花塞等以及改變運行因素如負荷、轉速等措施。2.表面點火不靠火花塞點火而由燃燒室內熾熱物點燃混合氣的燃燒現象,稱為表面點火。燃燒室內熾熱物如:過熱的火花塞電極、熱的排氣門、熱的燃燒表面沉積物等,由表面點火產生的新的火焰前鋒也以正常的速度傳播。早火：在正?；鸹ㄈc火前的表面點火后火：正?；鸹ㄈc火后的表面點火表面點火的結果是使得缸內壓力急劇升高,噪聲加強,向活塞、缸壁的傳熱增加,活塞缸套間結焦,“早火”相當于將點火提前角提前,“后火”雖有可能加快燃燒速度,但是,表面點火的最大問題是點火的無規(guī)律性,這將導致燃燒過程的不穩(wěn)定與工作過程的粗暴,使動力性、經濟性都受到影響。避免表面點火的有效措施是采用低餾程的燃料與不易結焦的潤滑油。表面點火與爆燃的關系表面點火不同于爆燃,表面點火是由于熱表面點燃混合氣,而爆燃則是由于燃燒室內末端混合氣的自燃產生的。爆燃與表面點火之間又存在相互影響,表面點火會促使爆燃的產生。(五)使用因素對燃燒過程的影響1.進氣初始態(tài)p1,Tl降低進氣初始態(tài)p1,T1,可以避免爆燃與表面點火時產生。2.點火提前角將點火提前角增大,缸內最高壓力、溫度增加,終燃混合氣受到擠壓和熱輻射的影響增強,著火所需的時間減少，爆燃傾向增加；3.混合氣濃度混合氣濃度a0.8-0.9時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，但著火延遲期也最短，且明顯，爆燃傾向增加；4.轉速轉速增加時，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，易產生爆燃的部位在自燃準備尚未完成時，火焰前鋒已到達，爆燃趨勢減弱；5.負荷負荷減少時，殘余廢氣增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?，燃燒的最高溫度壓力下降，爆燃趨勢減弱；6.燃燒沉積物沉積物相當與一個熱源，爆燃和表面點火傾向增加第六節(jié)第六節(jié)柴油機的燃燒過程柴油機的燃燒過程柴油機工作過程的特點:1.吸人氣缸的是新鮮空氣,被壓縮的是新鮮空氣;2.柴油通過高壓噴人氣缸,缸內形成可燃混合氣;3.柴油和空氣混合時間極短;4.缸內混合氣成分不均勻,且不斷變化;5.沒有外源點火,只是靠壓縮自燃;6.混合與燃燒重疊進行;7.質調節(jié),即負荷和轉速不是通過進氣節(jié)流,而是通過燃料量來調節(jié);對柴油機燃燒的基本要求:1.燃燒及時。這將影響作功的質量、放熱量的有效利用;2.燃燒完全。這會影響到放熱量、作功和排放。因此,對于柴油機來說,及時形成可燃混合氣最為重要。本節(jié)將先介紹柴油的主要性能指標,再闡述柴油機的混合氣形成與燃燒過程,各種燃燒室特點,發(fā)動機排放污染與控制。一、柴油的主要性能指標1.著火性柴油的著火性是指柴油的自燃能力,其評定指標是十六燒值,十六統(tǒng)值越高著火性越好。著火性好的柴油,噴人氣缸后能及時著火燃燒,柴油機工作柔和,冷起動性能也隨之改善;若著火佳能差,燃燒前所需的物理、化學準備時間長,著火后壓力升高率過高,導致柴油機工作粗暴2.蒸發(fā)性柴油的蒸發(fā)性用館程表示。將柴油加熱,分別測定蒸發(fā)出50%、90%和95%的餾出溫度。50%餾出的溫度低,說明這種燃燒輕館分多,蒸發(fā)性好,有利于混合氣的形成和燃燒。但若輕館分過多,著火前蒸發(fā)油氣過多,會使柴油機工作粗暴。90%和95%館出溫度標志柴油中所含難于蒸發(fā)的重館分。重館分過多,在氣缸中不易蒸發(fā),與空氣混合不均勻,則燃燒不完全。易產生冒煙和積炭。3.粘度柴油的粘度用來表示柴油的霧化性。粘度低,則容易形成混合氣。若粘度過低,會加劇噴油泵及噴油器之間的精密偶件表面之間的磨損;若粘度過高,流動阻力增加,柴油從噴油器噴出時的霧化性差,不易形成均勻的混合氣。因而,柴油應具有適中的粘度。4.凝點柴油的凝點用來表示柴油的低溫流動性。它是指柴油冷卻到開始失去流動性的溫度。國產輕柴油的牌號是按凝點編定的,如0號柴油的凝點為0。好的柴油應具有低的凝點。若凝點過高,不利于燃燒的正常供給,尤其在低溫條件下工作。可能造成油路堵塞。選用柴油時,一般要求其凝點比最低工作環(huán)境溫度低3-5以上。二、柴油機混合氣的形成柴油機混合氣的形成,是指燃料自噴人氣缸至著火及燃燒的整個階級中所發(fā)生的破碎、霧化、汽化并與空氣之間相互滲透和擴散的過程,它直接決定著燃燒質量。由于柴油的蒸發(fā)性差,因此柴油機采用高壓噴射的方法,即在壓縮行程接近終了時,借助噴油器將柴油噴人燃燒室,與氣缸中高溫、高壓的空氣混合形成可燃混合氣。經過一系列物理化學準備后,著火燃燒;隨后,混合氣的形成與燃燒便重疊進行,即一邊噴油、混合和一邊燃燒。柴油機的混合氣形成與汽油機相比有兩個最顯著的特點:混合氣形成在氣缸內部;混合氣形成時間較短。柴油機浪合氣形成的理想過程應該是：燃料噴人燃燒室后在盡可能短的時間內與周圍空氣均勻霧化、混合,形成可燃混合氣;著火后繼續(xù)噴人的燃料應及時得到足夠的空氣和混合能量,以便迅速混合,力求避免燃料直接進入高溫缺氧區(qū)域,引起裂化。柴油機混合氣形成依靠兩方面作用:燃料噴霧;組織空氣運動。(一)形成混合氣的兩種基本方式按混合氣形成的原理分,柴油機可燃混合氣的形成方式有兩種:空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合。1.空間霧化混合方式直接將柴油噴射到燃燒室空間,經霧化、蒸發(fā)與空氣混合,形成霧狀混合物的方式,稱為空間霧化混合方式?？臻g霧化混合方式的優(yōu)點:混合氣形成速度快,燃燒過程比較穩(wěn)定,對轉速范圍的適應性強。其缺點:燃料在著火以前形成的混合氣較多,使燃燒過程較為粗暴,并生成較多的NOx。若油滴蒸發(fā)、霧化速度不及燃燒速度快,將產生不完全燃燒。2.油膜蒸發(fā)混合方式將柴油順著氣流的運動方式,涂到燃燒室壁面,形成油膜,油膜受熱蒸發(fā),并與空氣混合形成均勻混合氣的方式,稱為油膜蒸發(fā)混合方式。燃燒室壁溫、油膜厚度和空氣與油膜的相對速度是混合氣形成的決定性因素。油膜蒸發(fā)混合方式的優(yōu)點:完全是氣相混合,通過油膜的蒸發(fā)和吹拂氣流的旋轉運動還可以實現分層燃燒,做到既無碳煙,又可控制燃燒速度,限制燃燒壓力的急劇升高,從而控制噪聲和傳動裝置的機械負荷,通過軸針式噴油嘴的截面的控制可改善噪聲和減少NOx同時對噴油系統(tǒng)要求降低。其缺點:油膜蒸發(fā)的速度受壁溫、油膜厚度和氣流運動的影響很大。因此,對供油、進氣和燃燒室匹配要求較高,燃燒不及空間霧化穩(wěn)定,冷起動性能差、怠速及低負荷時HC排放較高。(二)影響混合氣形成的主要因素影響混合氣形成的主要因素包括:燃料噴霧、氣流運動、燃燒室結構等。1.燃料的噴霧對混合氣形成的影響利用噴油器將柴油噴散成細粒的過程,稱為柴油的噴霧或霧化。（1）油束的形成經高壓油管的燃油以高壓從噴油器的噴孔噴入氣缸,由于空氣阻力及高速流動時的內部擾動而被粉碎成細小油漓,增加了空氣接觸氧化的機會在靜止的壓縮空氣中,從噴油嘴中噴人氣缸的油束形狀如圖所示,油束的外緣區(qū)油滴直徑細小且稀疏,油滴速度越向外越低。油束核心部分不能完全粉碎,油滴直徑較大,霧化不良,且很稠密。(2)衡量油束霧化質量的三個參數:1)油束的射程L2)霧化質量霧3)油束的錐角（3）影響油束的特性因素1）噴油器的結構噴油器結構方面的主要影響因素是噴孔的大小和噴油器頭部的結構形狀。減小噴孔直徑,霧化質量得到改善,但容易引起噴孔堵塞。2)噴油壓力噴油器的噴油壓力越高,油束的速度越高,所受擾動越大,霧化質量越好,但這除了要消耗更多的能量外,高壓油管容易破裂,噴油器容易磨損。3)缸內介質反壓力氣缸內介質反壓力增大時,射程減小,而油束錐角增大,總的來說,對霧化性能影響不大。4)噴油泵凸輪形狀噴油泵凸輪形狀曲線越陡,在高壓油管內越容易建立高壓,噴油越迅速,霧化性能得到改善。5)轉速發(fā)動機轉速增加,相對噴油時間需要縮短,噴油速度加快,霧化質量提高。6)燃油粘度燃油粘度越大,油滴越不易分散,霧化質量越差。另外,對霧化質量的要求要視各種燃燒室的結構而有所不同。一般都是根據燃燒方式而尋求燃燒室形狀、空氣運動和噴油系統(tǒng)的最佳匹配。2.空氣運動對混合氣形成的影響為了更有效地形成可燃混合氣,改善燃燒過程,通常要組織空氣的運動。組織空氣運動的形式有:(1)進氣渦流(2)擠氣渦流(3)燃燒渦流三、柴油機的燃燒過程柴油機的燃燒過程,是從壓縮行程上止點前噴油開始到作功行程燃燒終了為止的整個過程。它所占時間很短(約為5070曲軸轉角,高速柴油機只有0.003s-0.006s)，整個過程非常復雜。(-)柴油機的著火柴油機利用柴油化學安定性差,易自燃的特點,采用壓縮自燃的方式使可燃混合氣著火。在壓縮行程末期將柴油噴入氣缸,形成可燃混合氣,它的著火需要具備兩個條件:1.合適的混合氣濃度。2.合理的混合氣溫度。（二）油機的燃燒過程柴油機的燃燒過程可分為四個階段:著火延遲期速燃期緩燃期補燃期1.著火延遲期(滯燃期)從噴油開始(點1)到壓力脫離壓縮線開始急劇上升(點2)止,這一階段稱為著火延遲期。圖中的線12段所示。著火延遲期的長短,主要取決于噴油時氣缸內的溫度。受壓縮的空氣溫度愈高,著火延遲期愈短。在發(fā)動機冷起動、冷卻水控制的溫度過低、氣缸漏氣等情況下,著火延遲期都會加長。發(fā)動機正常工作時,在著火延遲期內噴人的柴油量約占循環(huán)供油量的30%-40%。由于并未著火,壓力沒有明顯地偏離壓縮線。2.速燃期(急燃期)從壓力偏離壓縮線的點2開始到最高壓力點為3止,這一階段稱為速燃期。圖中的線23段所示。缸內的多個火焰中心一旦著火后,著火延遲期中已噴人缸內的柴油幾乎一齊燃燒,在很短的時間內,產生很高的壓力,使缸內的壓力升高率很大,而這個時間又很短,接近于等容燃燒。這階段的放熱量為循環(huán)放熱量的1/3左右,產生的最高壓力達5.4Mpa8.8MPa最高壓力約在壓縮行程后615的曲軸轉角處出現3.緩燃期從最高壓力點3開始到氣缸內工質溫度達到最高點4為止,這一階段稱為緩燃期。圖中的線34段所示。這一階段內有較多的柴油燃燒,同時氣缸的容權在不斷地增加,結果是氣缸內溫度繼續(xù)增高,工質的壓力幾乎不變、稍有上升或稍有下降,接近于等壓燃燒。這階段結束時的放熱量約占循環(huán)放熱量的70-80%,最高溫度為1970K-2270K,最高溫度點出現在上止后2035的曲軸轉角處。4.補燃期(后燃期)從出現最高溫度點4開始到柴油基本燒完為止,這一階段稱為補燃期。當放熱量已達循環(huán)放熱量的9597%時,即認為補燃期結束。柴油機中柴油與空氣形成混合氣的時間很短,不容易充分蒸發(fā)和混合均勻?？傆幸恍┤加筒荒芗皶r燃燒,拖延到膨脹過程中繼續(xù)進行,形成補燃。補燃的熱量是活塞已遠離上止點才放出,作功的效果差,且使排氣溫度增高,耗油率加大。所以,使用中應著重從保證噴霧質量,保持壓縮終了的溫度和壓力方面采取措施,來減少補燃。四、影響柴油機燃燒過程的主要因素1.燃油性質燃油的蒸發(fā)、著火性能過好,反而會容易導致工作粗暴。因而,一般高速柴油機用燃油的十六統(tǒng)值在4060之間,而對于揮發(fā)性而言,希望餾程范圍較窄,要求大部分燃油在250-350范圍內揮發(fā),盡量減少其中過輕和過重的館分的比例2.噴油定時發(fā)動機噴油提前角減小,燃油噴人氣缸時,缸內的壓力和溫度相對提高,著火延遲期縮短,燃燒平穩(wěn)。但減小太多,同時會使燃燒過程拖后,導致熱效率下降。3.噴油規(guī)律噴油器不同的噴油規(guī)律對燃燒過程的影響很大。若噴油率“先急后緩”,則初期放熱率高,壓力升高率增大,工作粗暴,但熱效率升高。而噴油率“先緩后急”,則初期放熱量少,壓力升高率、缸內最高燃燒壓力都下降,熱效率也下降。因此,在選用時,應根據具體要求綜合考慮。4.霧化質量提高霧化質量，可以加速可燃混合氣的形成，加快燃燒速度，縮短著火延遲期。5.燃燒室內的工質運動和換氣質量適當組織工質的運動,可以提高燃油的蒸發(fā)速度,促進可燃混合氣的形成,空氣運動可以促使油束分散,增大混合的范圍,加快燃燒速率,改善經濟性。但是,組織進氣渦流要消耗能量,還會使充氣效率降低。擠氣渦流在工作過程中衰減較快,它的影響效果相對小些。另一方面,渦流過強,散熱損失也會增加,當燃燒室工作溫度較低時,會導致著火延遲期的增長。改善換氣過程,提高充氣效率,對于促進可燃混合氣的形成、改善燃燒和排放都是有利的。6.燃燒室的熱力狀態(tài)發(fā)動機燃燒室的熱力狀態(tài)主要取決于進氣狀況、壓縮比、燃燒室及冷卻狀態(tài)等因素。增加缸內的壓力和溫度，有利于可燃混合氣的形成和燃燒7.轉速發(fā)動機轉速升高時,雖然由于工作溫度的升高而改善了燃燒,但因高壓油管內燃油壓力波的傳播速度不變,所以,噴油角及噴油持續(xù)期將隨之增大,最終導致放熱率滯后,熱效率降低,排氣溫度升高,煙度增大。因此,隨著轉速的升高,應將供油提前角增大。8.負荷發(fā)動機負荷增加,缸內工作溫度升高,著火延遲期縮短,燃燒得到改善。當負荷過高時,空燃比減小,容易導致燃燒不完全并冒煙,由于在緩燃期中噴人的燃油隨負荷的增加而增加,因而易使補燃期增長。五、柴油機的燃燒室由于柴油機的混合氣形成和燃燒都是在燃燒室內進行的,所占的時間又非常短促,因此要求燃燒室形狀、空氣運動和噴油系統(tǒng)之間的最佳匹配。燃燒室的造型和噴油器的布置確定了混合氣的形成方式,根據這兩個特性可以將燃燒室分為分隔式燃燒室和直噴式(統(tǒng)一式)燃燒室,這兩類燃燒室造型的特性又可以進一步區(qū)分。(一)分隔式燃燒室分隔式燃燒室的一般特征是:1.燃燒室至少分成兩個部分;2.由各室之間的空氣流動形成可燃混合氣。分隔式柴油機的燃燒速度比直噴式柴油機慢,其運轉比較平穩(wěn),但固有熱量與流動損耗使得熱效率降低,為了追求高的熱效率,轎車用柴油機向直噴式燃燒室發(fā)展。(二)直噴式燃燒室(統(tǒng)一式燃燒室)直噴式燃燒室的一般特征是:1.燃燒室不分開,大都以凹坑形式出現在活塞或缸蓋上;2.通過噴射(油束)形成混合氣;3.在進氣過程中通過切向氣道、螺旋氣道或導氣屏產生的渦流運動促進混合氣形成。六、發(fā)動機的排放污染與控制發(fā)動機工作時會排放一些對人體和環(huán)境有害的成分。主要有:一氧化碳C0；未燃燒的碳氫化合物HC；氮的氧化物N0 x；浮游的微小顆糙。（一）放污染物的形成與危害1.一氧化碳CO一氧化碳產生的原因,主要是由于燃燒時氧氣相對不足,燃油中的碳不能與足夠的氧結合、燃料燃燒不完全而產生的。當CO的含量在百萬分之一容積濃度以上時,隨著濃度的增加,會引起頭痛、嘔吐、昏厥、甚至死亡。2.氧化氮NOx氧化氮NOx產生的原因,是由于在燃燒過程高溫高壓的作用下,空氣中的氧和氮可以生成NO和少量的NO2。NO在進入大氣后又氧化成NO2,統(tǒng)稱為NOx。壓縮比大時,NOx含量增多。NOx可經呼吸進入人體肺部,與肺中的水汽結合生成稀硝酸,損害人體健康。此外HC加上NOx在陽光照射下,會形成光化學煙霧,可剌激人的眼睛,引起肺炎、肺氣腫及致癌效應。3.碳化氫HC碳化氫HC的產生,主要是未燃的燃料、裂解反應的中間產物。試驗證明,壓縮終了燃燒室壁面之間間隙很小的地方,如活塞與缸蓋的擠氣間隙處、第一道活塞環(huán)與活塞頂之間、火花塞絕緣瓷與邊電極之間,這些縫隙中的混合氣及燃燒室壁附面層的混合氣往往得不到燃燒。隨廢氣排出的部分,形成了對大氣的污染。此外,使用中混合氣過濃、過稀、霧化不良、斷火等產生的燃燒不良或不能燃燒,也會造成HC的增加。從浮子室油面通大氣處、油箱加油口處蒸發(fā)的汽油對污染的影響,試驗證明,它約占汽油機總排放污染量的18左右。此外,從曲軸箱通風口冒出的HC煙氣,也增加了排放污染。在柴油機上,因為柴油的蒸發(fā)能力差,HC主要是由于燃燒不完全產生的。碳化氫有剌激性氣味,已經證明HC在動物身上有致癌效應。此外,HC還是光化學煙霧的組成部分。4、微粒微粒的主要組成是直徑0.0001mm的碳粒,其他還有少量的硫酸鹽類微校。柴油機燃燒過程的微粒排放比較嚴重。汽油機的碳粒排放很少。但是,用含鉛汽油時,微粒中有鉛的化合物。(二)控制排氣污染的措施1.前處理對燃料和空氣在進入發(fā)動機氣缸前進行處理的方式,稱為前處理。2.機內凈化為了減少排氣污染物,而改進設計發(fā)動機供給系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、點火或噴油系統(tǒng)等的方式,稱為機內凈化。3.后處理