内燃机学1——学习要点与问题

学习要点与问题

第二章内燃机的工作指标

概述与示功图

第一节内燃机指标体系

一、动力性指标

转矩Ttq（标定工况Ttqn）

转矩适应性系数KT=Ttqmax/Ttqn

标定功率Pe

◆十五分钟功率

◆一小时功率

◆十二小时功率

◆持续功率

标定转速n

二、经济性指标

◆燃油消耗率 be g/kW.h

◆机油消耗率 bo g/kW.h

第二节指示性能指标 (★)

●内燃机的指示指标是指工质对活塞做功为基础的指标；

●其中，只考虑了因燃烧不完全和传热方面引起的热量损失，没有考虑

各运动摩擦副之间所存在的摩擦损失；

●指示指标主要有：Wi、pmi、Pi、bi、ηit

第三节机械损失

一、两个概念：机械损失功率、平均机械损失压力；

二、机械损失的组成

三、影响因素分析：(1) 增压、压缩比ε(2) 转速n或活塞平均速度Vm

(3)负荷(4) 润滑油粘度 (5) 气缸尺寸和数目 (6) 工艺水平

四、测试方法及特点

第四节有效性能指标 (★)

●是指曲轴输出的相关指标；

●pme (公式推导)、Pe、ηet 、be ；

●两个重要的概念：

◆充量系数：φc

◆过量空气系数：φa

第五节提高内燃机动力性能与经济性能的途径 (★)

（1）转速n ；（2）冲程数τ；（3）进气密度ρs 与增压中冷；

（4）充量系数φc；（5）过量空气系数φa ；（6）循环指示效率ηit （7）机械效率ηm

第三章燃料与热化学

引言

柴油与汽油性质的不同是造成柴油机与汽油机各种特征不同的根本原因之一。

第一节内燃机燃料的分类

从形态上分成三类：液体、气体、固体燃料

石油产品的优点：

石油产品成分：烷烃、烯烃、芳香烃、含氧有机物、硫、其它

沸点与蒸馏曲线：

◆汽油蒸馏曲线上有3个特征点：10%、50%和90%馏出温度：

?如果10%点太高，会造成汽油机冷起动的困难；太低则容易

造成蒸发损失和在燃油系统中产生气泡。影响10%点的主要

因素是丁烷和异戊烷等在汽油中的含量；

?如果50%点太高，会影响汽油机冷态运转的性能；

?如果90%点太高，燃油燃烧不完全而造成润滑油稀释和燃烧

室结炭；

◆由于柴油是喷在高度压缩的热空气中，柴油的蒸馏曲线并不重要。

重要的是蒸馏曲线终点即终馏点的温度。柴油终馏点的温度太高、

会由于燃油燃烧不完全而造成润滑油稀释和碳烟的形成。

1kg燃油完全燃烧所放出的热量叫做燃料的发热量或热值，其单位为kJ/kg

第二节柴油的性质（★重点内容）

我国的柴油是以凝点来标号的。

柴油在无外源点火的情况下能够自行着火的性质称之为自燃性。

能够使柴油自行着火的最低温度称为自燃温度。柴油的自燃性用十六烷值衡量。

用两种自燃性能截然不同的标准燃料作比较：

?一种是正十六烷C16H34，自燃性很好，其十六烷值定义为100；

?一种是α-甲基萘，自燃性很差，其十六烷值定义为0。

十六烷值高的柴油，其自燃温度低，滞燃期短，有利于发动机的冷起动，适合于高速柴油机使用。

过高十六烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造成排气过程中的碳烟。

第三节汽油的性质（★重点内容）

燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性。汽油的抗爆性是以辛烷值来表示的。

我国生产的汽油是按研究法辛烷值RON分级的。一般有90#、93#、97#几种规格。

两种标准燃料：异辛烷、正庚烷

第四节燃料的燃烧（热化学）

燃烧所需空气量的一般计算方法。

柴油、汽油：?0 =1/0.23*(8/3gc+8gH - gO) kg/(1kg燃料)柴油14.3；

汽油14.8

第五节 内燃机的代用燃料

种类，各种代用燃料的特性

第四章 内燃机工作循环

理论循环的假设

1) 工质为理想气体，成分不变； 2) 无换气； 3) 无燃烧，（用加热过程代替）；

4) 等熵压缩、膨胀； 5) 无泄漏； 6) 无传热、散热问题； 7) 无流动损失问题等。

第一节 内燃机理论循环 1)

)1(11111112-+---=-=-ρλλλρεηk q q k k t ◇ 提高压缩比，可以提高工质的最高温度，从而提高了,但提高率逐渐降低。 ◇ 增大压力升高比可以增加混合加热循环中等容部分的加热量，提高了热

量利用率，从而提高了循环热效率。

◇ 压缩比以及压力升高比的增加，将导致最高循环压力pz 的急剧上升。 ◇ 初始膨胀比可以提高循环平均压力，但等压部分加热量增加，导致循环

热效率下降。

◇ 绝热指数k 增大，循环热效率上升。

2) 内燃机实际工作条件的约束和限制：

结构条件的限制、机械效率的限制、燃烧方面的限制。

第二节 内燃机实际循环

实际循环与理论循环的区别

1）工质 ：（1）工质成分（2）工质比热容（3）高温分解（4）燃烧前后分子数发生变化

2）传热损失、3）涡流和节流损失、4）换气损失、5）燃烧时间损失（燃烧、喷油速度）

6）燃烧损失（后燃、不完全燃烧）、7）泄漏损失

第三节 压缩、膨胀多变指数分析

1) 压缩平均多变指数分析

2) 膨胀平均多变指数分析

分析的原则和方法要掌握。

第四节 传热与热平衡

1) 影响传热损失的因素

气缸几何尺寸的影响、燃烧室型式、冷却介质温度、增压、工况

2) 热平衡

QT=Qe+Qw+Qr+Qb+Qs

第五章内燃机的换气过程

第一节概述

燃烧过程对换气过程的要求：排气充分、干净；吸气充足；泵气损失小。

第二节四冲程内燃机的换气过程

一、排气阶段

1、排气提前角：一般范围：（30-80度曲轴转角）

原因：排气门开启需要时间、利用缸内压力排气、减小活塞上行时的排气阻力 2、自由排气

由于气缸内外的压力差的作用而导致的排气阶段，称为自由排气。

3．强制排气阶段

缸内的气体被活塞强制推出的过程是强制排气阶段

排气过程缸内压力高于排气管内压力，排气系统有阻力：气门、气道、消声器、净化器等，

排气迟闭及排气迟闭角：利用排气的流动惯性实现过后排气、避免在上止点附近增加排气阻力、迟闭角过大会导致排气倒流

二、进气过程

从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程

1、进气提前

进气门在上止点前开启，称进气提前，提前的角度称进气提前角。（10-40度曲轴转角）

为活塞下行吸气作好流通面积的准备

减少活塞负功

2、进气过程的气体状态变化

活塞下行，首先残余废气膨胀，直至缸内压力低于进气管压力，才开始进气。

三、气门叠开和燃烧室扫气过程

1、气门叠开现象

进气门提前开和排气门延迟关闭造成进排气门同时开启的状态，称为气门叠开。叠开状态持续的角度是气门叠开角。

2、气门叠开的作用

扫气：利用新鲜充量扫除废气，代价是有部分新鲜充量直接排出，降低排气温度(涡轮)。

冷却：冷却活塞、缸盖、气门缸套。

3、气门叠开角的大小

汽油机：新鲜充量是油气混合气，叠开角过大会排出混合气，废气倒流造成回火。

柴油机：叠开角可较大，增强扫气和冷却效果

四、换气损失

定义：理论循环换气功和实际循环换气功之差。

1 、非增压内燃机的换气损失

2 、增压内燃机的换气损失

3 、排气损失

4 、进气损失

5 、泵气损失与泵气功

非增压发动机换气示功图

五、配气相位

六、充量系数

内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量m1与以进气管状态（温度、压力等）充满气缸的工作容积的理论充量之比；

七、提高充量系数的措施

1、降低进气阻力，提高Pa

1) 降低进气门处的流动损失

◇加大进气门直径，受到缸径限制，进气门直径大于排气门直径

◇增加进气门数目

2) 采用可变进气技术

理想的配气系统：气门升程和进气门迟闭角可随工况调整

高速时：增加升程和迟闭角，利用惯性过后充气

低速时：减小升程和迟闭角，以免倒流

3) 减少进气管和滤清器的阻力

2、降低排气阻力，减小Φr

3、减少对充量的加热，降低Ta

第三节二冲程内燃机的换气过程

三个阶段

自由排气阶段

扫气与强制排气阶段

过后排气与过后充气阶段

与四冲程的比较

换气质量评价参数：

扫气系数：留在气缸内的新鲜充量与缸内气体总量的比值

扫气系数越大说明残余废气越少

过量扫气系数：每循环实际流过扫气口的气体质量于扫气状态下气缸工作容积的充量质量之比

过量扫气系数小，说明浪费的新鲜充量少，所作无用功也少

对于理想换气系统的要求，应当是在尽可能小的过量扫气系数的前提下，获得尽可能高的扫气系数，降低残余废气系数。

第六章内燃机增压

一、增压技术概述

增压对发动机性能的影响：动力性、经济性、排放性能

发动机增压的优缺点

优点：升功率高，提高了动力性；降低单位功率的造价；排气噪声降低；具有高原恢复功率的能力；压力升高比降低，降低燃烧噪声；技术适应性广缺点：机械负荷和热负荷增加，可靠性受到挑战；低速扭矩特性不好；加速性不好

增压方式：机械增压、废气涡轮增压、气波增压、复合增压

两个概念：增压度、增压压比

二、废气涡轮增压器

1 涡轮增压器的组成与结构

涡轮：由叶轮及涡轮壳体组成，其作用是利用废气能量做功，带动压气机工作；压气机：由叶轮及其壳体组成，与涡轮叶轮同轴，作用是对空气做功，增加其压力，提高其密度；

中间体(轴承体)：由径向轴承和止推轴承及润滑和密封等部分组成，其作用是支撑叶轮转子，并对轮轴进行润滑、冷却和密封。

2 离心式压气机的工作原理：

把气流路径分为4段：

进气道：速度↑、温度↓、压力↓；

工作轮：速度↑、温度↑、压力↑；

扩压器：速度↓、温度↑、压力↑；

涡壳：速度↓、温度↑、压力↑；

绝热效率

压气机的工作参数

流量：通过压气机的气体质量流量，kg/s,

压比πc：压气机出口压力与进口压力之比（绝对压力）

转速：压气机叶轮的转速，与涡轮同速，r/min,

绝热效率：等熵压缩功与实际压缩功之比，表征实际过程进行的完善程度。

ηkad = Wkad/Wk

压气机的流量特性：画图说明

两种损失：

摩擦损失，随流量增加而增加，使高速度情况下曲线变得更陡；

撞击损失，偏离设计点，不沿工作轮、扩压器的入口角进入，有夹角，发生撞击，是形成抛物线的主要原因

喘振：压气机转速一定时，流量减小到一定程度发生的一种不正常流动现象，对柴油机和增压器都是有害的。叶轮由于振动损坏，发动机会熄火。

3 径流式涡轮的工作原理

涡轮的功用是将排气所拥有的能量尽可能多地转化为涡轮旋转的机械功；

余速损失：从涡轮排出的气体仍然具有一定的速度，且该部分动能不能在涡轮中得到利用而直接进入排气管，故通常将该部分动能称为余速损失，也称余项损失；

热力过程及绝热效率

排气能量转换为机械功的有效程度，即效率。

涡轮的特性参数

膨胀比：涡轮进口压力与出口压力之比。

涡轮转速：与压气机同轴，转速相等

相似流量：是马赫数的函数，

相似转速：是马赫数的函数，

三、涡轮增压系统

涡轮增压系统一般是指涡轮增压器与进排气管的组合，决定了废气能量的利用方式和涡轮的工作方式。一般有两种：等压增压与脉冲增压

组成：涡轮、压气机、轴；

平衡运转：功率平衡；转速平衡；流量平衡。

压气机的调整修正方法

◇流量范围的选择；

◇喘振线位置的移动

◇压气机堵塞的控制

增压改造

◇压缩比：适当降低，受爆压与爆燃的限制；

◇适当加大过量空气系数，降低热负荷；

◇供油系统：循环供油量需增加；

◇配气系统：配气相位；

◇进排气系统：进排气管；

◇增压中冷

四、汽油机增压的特殊问题

◇爆燃

增压后进气温度压力的提高使爆燃倾向增加，因此要采取措施，降低进气温度。具体有：增压中冷、降低压缩比、降低增压比等。

◇热负荷

汽油机过量空气系数小，燃气温度高，排温可达800-900度。

◇高转速

现代汽油机转速可达5000—6000r/min，甚至更高，要求压气机流量范围宽。

第一节汽油机的燃烧过程与特点

一．点火过程

二．燃烧过程

三．燃烧过程按燃烧质量划分

四．火焰传播速度

五．着火界限或可燃范围

六．不同工况下的燃烧过程的特点

第二节燃烧稳定性

1．现象

2．危害

3．表征参数

4．主要原因

5．降低措施

汽油机燃烧的特点

第三节非正常燃烧

一．爆燃

1．现象

2．外部特征

3．原因

4．强烈爆燃对发动机工作的影响

5．燃料抗爆性能的评定（辛烷值）

6．影响爆燃的主要结构和运转因素

7．防止爆燃的方法（实际发动机常采用的措施）二．表面点火

第四节汽油机燃烧室

一．一般设计要求

二．设计要点

1．压缩比

2．燃烧室面容比F/V

3．火花塞位置及其性能

4．燃烧室内的适当强度的气流运动

5．燃烧室的优化途径

三．典型燃烧室比较

第五节稀薄燃烧与分层燃烧

一．均质燃烧的缺点

二．稀燃、分层、缸内直喷的优点

三．典型的缸内直喷燃烧系统简介

柴油机燃烧过程

学习要点

1.柴油机的燃烧过程。

2.熟悉各阶段的特征及主要影响和决定因素。

3.明确柴油机着火延迟期的重要性及因素影响的分析方法。

4.柴油机燃烧过程与汽油机的差别。

5.扩散燃烧与预混合燃烧（各自燃烧组织的关键点）。

6.能根据燃料等的差别分析燃烧及燃烧组织的差别。

7.放热规律三要素。

8.能通过放热规律的差别，分析燃烧的变化。

9.如何通过合理组织燃烧组织，提高经济性？

10. 明确任何结论都是有条件的。目的不同（如：经济性、排放），结论也不同（最佳着火提前角）。

柴油机燃烧组织与燃烧室

学习要点

1.组织柴油机燃烧的核心问题（加快油气混合速度）

2.燃油喷射、缸内气流、燃烧室形状匹配的原则（保证快速混合要求）。

3.燃油喷雾的特征。

4.缸内气流的成分以及加强缸内流动的主要目的（油气混合）。

5.缸内涡流的作用（热分层、促进混合）。

6.促进混合的各种作用能量

7.油气主要混合方式。

8.各类燃烧室柴油机的结构特点。

9.各类燃烧室柴油机的燃烧匹配、混合气形成的特点。

10.各类燃烧室柴油机的性能特点。

11.改善燃烧性能的途径。

1.柴油机的着火延迟期与汽油机的滞燃期有何不同？

2.为什么说柴油机的着火延迟期对柴油机的性能影响要大？

3.如果柴油机的过量空气系数在柴油的可燃范围之外，还能正常燃烧吗？

4.为什么柴油机的循环变动不很严重？

5.为什么一般柴油机的最高燃烧压力要高于汽油机？

6.柴油机的预混合燃烧阶段与汽油机燃烧有何不同，它主要取决于什么因素？

7.柴油机的燃烧粗暴与汽油机的爆燃有何异同点？

8.为什么一般柴油机的最高燃烧温度要低于汽油机？

9.为什么柴油机等容燃烧放热的比例小于汽油机？

10.为什么柴油机排放容易有C颗粒？

11.C烟是在哪个阶段开始出现的？

12.从经济角度讲，柴油机燃烧的核心问题是什么？

13.柴油机组织缸内气流的主要目的是什么？

14.风冷柴油机燃烧柔和还是水冷柴油机燃烧柔和？

第九章柴油机燃油喷射

学习要点

1．泵-管-嘴系统的燃油喷射过程。

2．理论供油规律与实际喷油规律的差别及主要影响因素。

3．喷油过程阶段划分以及各阶段的主要影响因素。

4．二次喷射的原因、常见工况、后果、判别方法以及若干类解决措施。

5．空泡与穴蚀的定义，产生的原因、常见工况、后果、判别方法以及若干类解决措施。

6．不稳定喷射的定义，产生的原因、常见工况、后果、判别方法以及若干类解决措施。

7．最佳喷油时刻与设计的目标（最佳是有条件的）。

8．喷射的稳定性与柴油机工作的稳定性。

9．柱塞泵的速度特性，形成的原因以及对柴油机工作的影响。

1．为什么出油阀会滞后打开？影响因素有哪些？2．为什么针阀会滞后打开？主要影响因素有哪些？3．针阀重量大对柴油机性能有何影响？

4．为什么初始喷油阶段，针阀会抖动？

5．为什么喷油持续期大于供油持续期？

6．为什么喷油量 < 供油量？

7．何谓“二次喷射”？

8．二次喷射产生的原因？

9．出现二次喷射常见的供油系统类型及常见工况？10．出现二次喷射的后果及原因？

11．判断“二次喷射”的方法是什么？

12．应该从什么角度出发解决“二次喷射”问题？

第十一章内燃机特性与匹配

学习要点

12.造成汽油机、柴油机特性不同的主要因素。

13.内燃机的稳定性与转矩适应性系数。

14.柴油机及汽油机外特性、速度特性的主要差别。

15.柴油机及汽油机负荷特性的主要差别。

16.内燃机万有特性的绘制方法。

17.内燃机万有特性与速度、负荷特性的转换关系。

18.利用万有特性进行经济性分析的方法。

19.内燃机与汽车经济性的区别、联系与匹配。。

20.改善汽车经济性的途径

第十二章内燃机工作过程计算

学习要点

21.各类内燃机性能计算模型的定义与特点。

22.内燃机工作过程计算的基本假设与基本微分方程。

23.内燃机工作过程计算方法及有关因素的考虑方法。

24.内燃机燃烧放热规律。

25.内燃机各阶段的计算特点。

26.内燃机计算流程。

27.内燃机进排气总管内流动计算的方法。

28.汽油机采用双区模型的原因及处理方法。