发动机原理讲义参考书目邢海涛 13514493008,3527341
,汽车拖拉机发动机,董敬 （教材）
,汽车构造,（上册） 陈家瑞 机械工业出版社 2001
,工程热力学,陈贵堂 北京理工出版社 1998
,内燃机学,周龙保 机械工业出版社 2004
,内燃机原理,蒋德明 中国农业机械出版社 1988
,内燃机原理,刘永长 华中理工出版社 1992
教师信息
信息
– 韩永强 13604409792 hanyq@jlu.edu.cn 471738860
讲课缺点
– 内容多（重点不突出）；思维跳跃（容易跑题）；板书乱、语速快
拟改正方法
– 每章后给大家电子版讲义；挑重点讲（常识性的，考试的）
奖励
– 笔记，不考勤（若强烈要求），不计入成绩（即使强烈要求）
目标：
– 希望大家能了解更多的发动机基本和前沿知识并成为大家的朋友讲授主线及分值分布
提出发动机的 性能指标 （ t,i,e）,工作循环历程,各种指标的 计算方法 （一二章） 20-25分；
介绍 燃料特性,燃烧机理,燃烧反应热化学计算,
明确为何分为汽油、柴油两种（三章）,10-15；
据燃料特性讲授汽油机、柴油机的 混合气形成,燃烧组织 方式，相应的 结构措施,各个 参数 对燃烧、
性能的 影响规律 （四五章） 25-30；
综合上述知识讲授发动机实际工作中的特性及各种运行指标对特性的影响（六章） 25-30分；
有害物排放与控制简介（前沿技术简介） 5-10分。
第一章 发动机的性能指标
定义及意义
– 评价发动机优劣的 依据 （优秀学生干部；超女、亚姐；帅哥 VS好发动机）
按来源分
– 理论指标：基于理论循环得出的动力性、经济性指标 ；
– 指示指标：基于缸内实际循环得出的动力性、经济性指标 ；
– 有效指标（实用指标）：发动机实际运行中所表现出的各种性能指标。
按评价内容分
– 动力性,Pe Ttq n
– 经济性指标,热效率,b,B；
– 排放指标,NOx,PM,CO,HC，臭味
– 运行指标,冷启动、噪声、
– 加工工艺,可靠性、耐久性、成本
决定因素：工作循环过程（燃烧组织）,后处理第一章 发动机的性能
发动机优劣对比 （综合性）
Benz W12 (20/Y) S195 (2W/Y)
动力性 160kW 14kW
经济性 197g/kWh（ 30L/h） 230g/kWh（ 2L/h)
排放 欧 IV(0.32kg/h) Nox，
2g/kW.h
欧 -5？ (0.21kg/h)
15g/kWh
使用特性 35W 2.5K
$1.1 发动机理论循环
理论循环的定义（ What,How,Why）
–在 一定的简化条件 下将发动机的实际工作循环 按燃烧过程不同 抽象为几种典型的热力学可描述的过程,
用于 获得某些的性能评价指标及各种参数对该指标的影响规律 。
$1.1 发动机理论循环
简化条件
– 封闭循环
排气、吸气过程为 定容放热,无物质交换；
– 绝热
压缩过程、膨胀过程为 绝热 （ 等熵 ）,不考虑传热损失；
– 热源加热
燃烧过程为瞬时热源加热（定容或定压）,不考虑燃烧过程的时间损失；
– 理想工质
工质为空气,不考虑成份变化及数量变化；
– 可逆过程
循环中无能量的损失只有能量的转换，总熵产为 0，
可用热力学的循环来表示。
$1.1 发动机理论循环
分类（燃烧 +几种）
– 定容循环 （汽油机）
燃烧迅速、上止点（定容：余隙容积）加热。
– 定压循环 （大型柴油机）
上止点后燃烧、加热缓慢，放热量导致的压力增加与容积增大引起的压力下降抵消，压力维持不变。
– 混和循环 （车用高速柴油机）
一部分（预混和燃烧）定容燃烧、一部分（扩散燃烧）定压。
$1.1 发动机理论循环
典型热力学过程表达形式,P - V 图,T - S 图状态方程（理想气体）,n R TPV?,P 为压力,V 为体积,n 气体的摩尔量,R 与气体成份相关的热力学常数,T 温度典型热力过程在 P - V,T - S 图中的表现及特点
T - S 图中定容过程 曲线的斜率：
vC
TdSdT?；定压过程 曲线斜率,
pC
TdSdT?；因为
CvCp?
所以定容曲线陡峭，而定压过程曲线较平缓。
对于 P - V 图等熵过程
KK
V
V
PPCPV )(
2
1
12 即； 等温过程,CPV?,等温斜率小可能涉及到的热力学过程为：等熵,等温（燃烧温度控制,NOx、
热负荷）,定容、定压
$1.1 发动机理论循环
典型热力学过程
$1.1 发动机理论循环
理论循环历程 （板书）
– 等熵（绝热）压缩,a-c
– 工质加热（理想燃烧过程） c(-z‘)-z
– 等熵（绝热）膨胀,z-b
– 定容放热（理想换气过程）,b-a.
$1.1 发动机理论循环
可得到的指标动力性,理论循环平均压力 tp,单位汽缸工作容积所做的理论循环功
stt VWp?
＝
sV QQ 21?
(J/ 3m ) [ M Pa]
Wt
$1.1 发动机理论循环
可得到的指标经济性,循环热效率（ t? ）,工质所做的循环功 W （ J ）与循环加热量 Q 1 之比。
Q2
Q1 Q1
Q2
1
2
1
21
1
1 QQQ QQQW tt
$1.1 发动机理论循环
各因素对性能的影响 （掌握例题即可）
解析方法及公式,
基于 a 点相同,Q 1 相同（特殊情况除外）,其余参数不变（若有可能） 的 T - S,
P - V 图（尤其是 T - S 图）进行分 析,
1
2
1
21
1
1
Q
Q
Q
QQ
Q
W t
t
2
1
2
S
S
dSTQ
（定容放热线下方面积）
T - S 图中定容过程 曲线的斜率：
vC
T
dS
dT?；定压过程 曲线斜率,
pC
T
dS
dT?；因为
CvCp?
所以定容曲线陡峭，而定压过程曲线较平缓。
对于 P - V 图等熵过程
KK
V
V
PPCPV )(
2
1
12
即； 等温过程,CPV?,等温斜率小
$1.1 发动机理论循环
压缩比影响分析方法（以混和加热循环为例）
设 a 点相同（进气终了状态一样），循环加热量 Q
1
相同 （即 Q1 ’,Q1 ’’ 均相同） 。
据上图有（ Q
2
）
1
> （ Q
2
）
2
&
1
2
1
21
1
1
Q
Q
Q
QQ
Q
W
t
t
& Q1=C
有
t,2?
>
t,1?
，可见理论循环热效率随压缩比的增加而提高。
并不是压缩比越高越好。 当压缩比超过 16 以后随压缩比的增加热效率上升缓慢。
$1.1 发动机理论循环
压缩比影响无论任何循环模式有 t 。
对于汽油机压缩比一般小 于
1 4 （主要受到爆震 限制），提高压缩比有潜力；柴油机压缩比一般大于 18 （保证可靠压燃），若过度提高压缩比得不偿失（平坦,Pz? 热负荷、
机械负荷、噪声?,）。
$1.1 发动机理论循环
绝热指数 K
理论循环热效率随绝热指数的增加而提高。
K取决于工质性质，对于双原子分子（空气） K=1.4，多原子气体 K=1.33，发动机的混和气 K=1.32～ 1.4。
柴油机热效率高的四个要素压缩比高、混和气绝热指数高、
泵气损失小、燃烧完全。
$1.1 发动机理论循环
三种循环效率对比压缩比＝ C,Q
1
＝ C
Q
2,V
<Q
2,m
<Q
2,p
―― >
vt,?
>
mt,?
>
pt,?
$1.1 发动机理论循环
三种循环效率对比
Pz ＝ C,Q
1
＝ C
Q
2,V
>Q
2,m
>Q
2,p
―― >
vt,?
<
mt,?
<
pt,?
$1.2 发动机实际循环
组成（四行程）
– 进气、压缩、燃烧、膨胀和排气。
表达方式
– 通常用气缸内工质的压力随气缸容积（或曲轴转角）的变化图形 P— V图（或 P— Φ ） 图来表示，称为示功图。 (T-S图不适用，不可逆）
$1.2 发动机实际循环
示功图分析 （功的走向）
c z bbbi
- -- - 工质对活塞做的功；正功。
rrabr 1
- -- - 泵气损失；增压机：正功；非增压机：负功
$1.2 进气过程（ r－ a）①作用：吸入新鲜工质，为加入 Q 1 作准备；
②特点：
0 a
a 0
克服进气系统阻力,
0 a
0 a
缸内残余废气加热；
高温机件加热；
汽油机，进气预热。
引起进入的新鲜气体变少，导致充气效率（充量系数） <1 。
参数范围 及可评价性能进气终点的压力 P a 进气终点的温度 Ta,
汽油机 Pa= （ 0,8 ～ 0,90 ）
0?
T a= 340 ～ 3 80K
柴油机 Pa= （ 0,85 ～ 0,95 ）
0?
。 T a=3 00 ～ 34 0K
增压柴油机 Pa= （ 0,9 ～ 1,0 ）
T a=3 20 ～ 38 0K
汽车发动机增压压力
= （ 1,3 ～ 2,8,4,0 ）
0?
柴油机无节气门、进气阻力小且无 进气加热所以 Pa?,Ta?,充量系数 v
$1.2 压缩过程（ a－ c）
①作用,增大工作过程的温差；增大膨胀比，提高热 功转换效率；为燃烧过程创造有利的条件；柴油机，
压缩高温是保证混合气形成及 着火的必要条件。
② 压缩比：
c
a
V
V
C
S
c
cs
V
V
V
VV
1
范围,
汽油机? =7 ～ 10
柴油机? =14 ～ 22
增压柴油机? =12 ～ 15
$1.2 压缩过程（ a－ c）
③特点：多变过程。
开始，
工质壁
，工质吸热,n ˊ
1
＞ K ；
某一瞬间 T
璧
=T
工质
,n ˊ
1
=K ；
后期，由于 T
璧
＜ T
工质
,n ˊ
1
＜ K 。
但在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数则来取而代之,n
1
称为平均压缩多变指数。
n
1
的范围,
汽油机 n
1
=1,32 ～ 1,38
高速柴油机 n
1
=1,38 ～ 1,40
增压柴油机 n
1
=1,35 ～ 1,37
④ n1 的影响因素,
n
1
主要受工质与缸壁间的热交换及工质泄漏情况的影响。
当转速 n ↑→向缸壁的传热量及气缸泄漏量减少 n
1；↑
当负荷↑→气缸温度增高及相对的传热量和泄漏量减少 n
1
↑；
$1.2 压缩过程（ a－ c）
⑤ 压缩终了的参数 及可评价性能
Pc (M P a) Tc ( K)
汽油机 0,8 ～ 2,0 60 0 ～ 75 0
柴油机 3,0 ～ 5,0 75 0 ～ 10 00
增压柴油机 5,0 ～ 8,0 90 0 ～ 11 00
压缩终了压力 P c 可以用于检测气缸泄露情况。用缸压表在要求转速下测量压缩压力，若低于某一阈值则必须换活塞环或采取别的措施。
柴油机压力、温度高于汽油机原因为压缩比高、绝热系数大
$1.2 燃烧过程（ C-Z）
①作用,（ c － z 线）将燃料的化学能转变 为热能，使工质的压力、温度升高。放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。
②要求,燃烧完全、及时。
③ 参数 范围,
P z ( MPa ) T z (K )
汽油机 3.0 ～ 6.5 2200 ～ 2800
柴油机 4,5 ～ 9,0 1800 ～ 2200
增压柴 9,0 ～ 14,0 1 9 00 ～ 2 1 00
④ 参数比较,
柴油机 ε 大 － >P z ↑ 汽油机 混合气热值高、燃烧温度高－ >Tz ↑
$1.2 膨胀过程（ Z-B）
①作用：热向功转换。
②特点,多变过程，比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有补燃等现象。
开始,有补燃对 工质 加热 > 向缸壁散热，
工质 吸热
kn?2?； 某一瞬间 工质达到热平衡,
2n?
=k ；
此后，由于 工质向缸壁散热多,n 2 ˊ＞ k 。
如同压缩过程一样，为简便起见，
在计算中常用一个不变的平均膨胀多变指数 n 2 来取而代之。
$1.2 排气过程（ b－ r）
①作用,将气缸内的废气排除，放出
2Q
为下一循作准备。
②特点：
0 r
0 r
用来克服 排气系统有阻力,
排气 终了的压力 Pr 愈大，说明残留在气缸中的废气就愈多。
排气温度 Tr 低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进行得好。排温 Tr 偏高，应立即查明原因。
③ 参数范围,
排气终了的压力（ M Pa ）、温度（ K ）是汽油机和柴油机 P
r
= （ 1.05 ～ 1.2 ） P
0
汽油机 T r = 9 0 0 ～ 1 100
柴油机 T r =700 ～ 900
$1.2 指示指标
指示指标用来评定实际循环质量的好坏，
以工质在气缸内对活塞做功为基础。
用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性 —— 即做功能力。用循环热效率及燃料消耗率评定循环的经济性。
分类动力性指标,循环指示功 iW,平均指示压力 mip,指示功率 Pi
经济性指标,指示燃料消耗率 bi 和指示热效率 i?
$1.2 动力性指标
循环指示功 Wi（ kJ）：一个实际循环工质对活塞所做的有用功 。
平均指示压力 pmi (MPa)：发动机单位气缸工作容积 (L)一个循环所做的指示功。
计算方法：
– 测取示功图（ P- Φ ），利用数值积分方法进行计算。
4;
2 SD
VVWp s
s
i
mi
d
d
dV
pW i 7 2 00
$1.2 动力性指标
mip
的范围,
汽油机 0,8 ～ 1.5 M P a
柴油机 0,7 ～ 1.1 M P a
增压柴油机 1 ～ 2.5 M P a
$1.2 动力性指标
3 指示功率
i?
,
指示功率 P i （ M P a ）：发动机单位时间所做的指示功。
i?
=
30
...2
60
niVp
i
n
W Smii?
[? w]
式中 W i —— 指示功（ kJ ）；
Vs —— 气缸工作容积（ L ）；
τ —— 行 程数。 四行程 τ = 4 ；
二行程 τ =2 ；
n —— 发动机的转速（ r ／ m in ）；
i —— 发动机的气缸数。
$1.2 经济性指标
1,指示燃料消耗率 b i（简称指示比油耗）,单位指示功的耗油量 通常以每千瓦小时的耗油量表示［ g/ （ k w,h ）］
3
10?
i
ib
hW
g
.
B — 每小燃油消耗量
h
g
2,指示热效率
i?
：实际循环指示功 W i 与所消耗的燃料热量
iQ
之比。
i
i
i
Q
W
$1.2 经济性指标
热效率与燃油消耗率的关系
– 一小时所作的指示功为 Pi× 3.6× 103（ kJ）
– 一小时所消耗的热量为 B× hu（ kJ）
– 则热效率 =Pi× 3.6× 103/(B× hu),hu（ kJ/kg）
– 因为 bi＝ B/Pi× 1000
– 所以有 Pi/B＝ 1000/bi
– 则有热效率＝ 3.6× 106/（ bi× hu）
$1.3 机械损失
定义
– 发动机实际循环所做的指示功不可能完全对外输出，功在发动机内部转化过程中必然会有所损失，所消耗在发动机内部的这部分功称为机械损失。用 Pm,pmm表示。
memimm ppp
eim
30
..,niVp smm?
$1.3 机械损失
组成
①,摩擦损失,活塞及活塞环连杆、曲轴轴承 62~ 75 % 。
配气机构
②,驱动附件损失 水泵风扇 1 0 ~ 2 0 %
机油泵电器设备空调（可选）
③,泵气损失 10~ 20%
机械效率 m?,发动机实际输出的功（有效功）与指示功的比值。
mi
mmmi
mi
me
i
mi
i
e p ppppP PPPP＝
m? p m i
p mm
i
m 11
$1.3 机械损失
测定方法
1,倒拖法发动机与平衡式电力测功器相连。在稳定工况，当冷却水和机油温度到达正常值时，立即切断供油（柴油机）或停止点火（汽油机），同时将电力测功器转换为电动机，倒拖发动机，并尽可能维持冷却水和机油温度不变。电力测功器所 测得的倒拖功率，即为机械损失功率。
缺点,① 必须使用平衡式电力测功器；
②没有燃烧，压力低 摩擦损失小；
③由传热、压缩线和膨胀不重合负功
④由于强制排引起泵气损失增加。
⑤ 也不可用于增压机对于柴油机由于? 大，误差大可达 15~20 %
对于汽油机? =6~7,误差在 5% 左右。
$1.3 机械损失
测定方法
2,灭缸法热车 测定其有效功率 Pe ；然后 灭 一个气缸（例如第一缸）供油，并调整测功器，
使 发动机 回 复到原来的转速，再测定发动机的有效功率
1e?
。两者之差即为停油气缸的指示功率。 依次使各缸熄火，即可测得对应的有效功率
2e?
、
3e?
。
于是可得各缸的指示功率为,
11 eei；
22 eei
将上列各式相加得整机指示功率为
2121 eeeiii i； 式中 i —— 气缸数。
因此，整机的机械损失功率
eim；
211 eeem i
缺点,对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果也不能用于废气涡轮增压发动机 （增压状态改变）
不可用于单缸机
$1.3 机械损失
测定方法
3,油耗线法（又称负荷特性法）
施用前提,指示热效率不变，机械损失功率不变柴油机工作接近这个前提,当 n 不变时，在中小负荷，柴油机的耗油量与指示功率几乎成正比关系。而且
m?
和
i?
不随负荷变化。
某一负荷：
meih 3106.3
空转时：
mih
3106.3?
B
两式相除：
mm
mmme
m
me
p
pp?
即油耗线延长交横坐标相交于 F 则
FO 即为机械损失功率。
缺点：不实用于汽油机
$1.3 机械损失
测定方法
– 4、示功图法
热车
测取 Pe
同时测示功图，计算出 Pi
据公式机械效率＝ Pe/Pi可直接求出所有项目
缺点：实验系统复杂昂贵、需在缸盖上打孔
优点：可适用于任何机型
$1.3 机械损失
影响因素
1,转速 n （或活塞平均速度 Cm ）
发动机转速上升（ Cm 随之加大），致使,
1 ）各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加。
2 ）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加。
3 ）泵气损失加大。
4 ）驱动附件消耗的功多。
一般有 p mm? n ； Pe? n ； Pm? n
2
因此，
men?mP，
。
$1.3 机械损失
影响因素
– 2．摩擦损失
在机械损失中，摩擦损失所占比例最大，达 70％左右。
– 活塞组件 (活塞环、活塞裙部和活塞销 )。
减少措施：减少活塞环数目；减薄活塞环厚度；减少活塞裙部的接触面积；在裙部涂固体润滑膜等。
– 曲轴组件 （主轴颈、连杆轴颈或平衡轴颈及其密封装置） 。
一般润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比。
减少运动件的惯性质量，如减小活塞、活塞销、连杆的质量，可降低轴承负荷并可使轴承宽度和轴径减小。
– 配气机构
减小配气机构运动件质量，降低弹簧负荷，在摇臂与凸轮接触面处加入滚动轴承等。
– 减少措施：相对运动件的接触面积、接触形式（滑－滚）；配合面的加工精度、润滑情况；运动件的质量，配气机构的弹簧刚度。
$1.3 机械损失
影响因素
3,润滑油品质和冷却水温度摩擦损失 ↑ 保持液体油膜大 承载能力 ↑
（ 1 ）机油粘度小 摩擦损失 ↓
承载能力 ↓→油膜易破→干摩擦→损失↑
选用机油粘度的基本原则是,尽量选用粘度较小的。
① 当发动机强化程度高,轴承负荷大时,要选用粘度较大的用油 ;
② 当转速高,配合间隙小时,需要用油流动性好,宜选用粘度较小的用油。
③ 旧机器,轴承间隙较大,应选 用粘度较大的用油。
（ 2 ）冷却水温 直接影响机油温度,机油 温度升高粘度下降,油温和水温应保持在 80 ~95 ℃范围内。
$1.3 机械损失
影响因素（负荷 ）
① 柴油机
n 不变,a 泵气损失基本不变；
b 驱动附件损失基本不变；
c 摩擦损失基本不变。
当负荷 ↑→ Pi ↑,Pm 不变，
i
m
m
1?；
空转时
im
,
0 e
0 m?
②汽油机 量调节、负荷 ↑→ 油门开大 → 泵气损失 ↓
Pm 基本不变
P Z ↑→ 摩擦损失 ↑
空转 时
mp
0?m?
$1.3 机械损失
影响因素
5,气缸直径及行程根据试验，机械损失 平均压力 p mm 与缸径、行程的大致关系为
Pm
mD
SD
K
（经推导可知 在 pm i 不变的前提下,Pi? 2DS? ）
式中 D —— 气缸直径；
S —— 活塞行程；
D m — — 曲轴的平均直径；
K —— 与气缸数和转速有关的常数。
当气缸工作容积一定，而行程、缸径比（ S ／ D ）减小时，例,因活塞平均速度 Cm 值和 相对摩擦面的 A ／ V 值均有所下降，所以机械效率提高。
$1.4 有效指标
定义
– 发动机经济性和动力性指标是以 曲轴对外输出的功率为基础获得的，代表了发动机整机的使用性能性能，
通常称它们为 有效指标 。
分类
– 动力性,Pe,Ttq,n,Pme
– 经济性,be、
– 强化指标,PL,me、强化系数
e?
$1.4 有效指标
动力性指标
1,有效扭矩
tq?
,曲 轴输出的扭矩 （可以实测） 。
n
e
tq
9 5 5 0mN,
2,发动机转速 n,曲轴每分钟转数 [r /m in ] （可以实测）
3,有效功率
e?
：曲轴对外输出的功率，称为有效功率
mie 3101047.0
9550
.
100060
...2?
n
nn
tq
tqtq?
由功率＝扭矩×角速度 （ MP ） 推导出来 。
$1.4 有效指标
动力性指标
4,平均有效压力
mep
( M P a ）：单位气缸工作容积输出的有效功。
s
e
me
V
W
p?
30
..,niV sme
e
[? w]
niV
s
e
me
..
30?
3
1030
.
1 0 4 7.0
s
tq
Vi
..
14.3
iV
s
tq
（ M P a ）
mep
值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强。是评定发动机动力性的重要指标。
范围,
汽油机 0,7 ～ 1.3 M P a
柴油机 0,6 ～ 1.0 M P a
增压柴油机 0.9 ～ 2.2 M P a
柴油机为了保证燃烧充分，空燃比很大，混合气热值低、循环加热量 Q1
低，所以其平均有效压力低。增压后每循环所吸入的混合气量增加，
mep
增加。
$1.4 有效指标
动力性指标
4,转速 n 和活塞平均速度
mC
n 单位时间的做功次数
e
，但n 活塞平均速度
30
,nS
C m
惯性力?,磨损加剧,寿命下降,式中 S —— 活塞行程（ m ）
mC
为表征发动机强化程度的参数。 一 般汽油机〈 18m / s,柴油机〈 13m / s 。
为了提高转速又不使
mC
过大，可减小行程 S,一般用行程缸径比（ S / D ）表示。
但 S / D 值小也会造成燃烧室高度减小,其表面积与容积的比 A / V 值增大，不利于燃烧。当 S / D ＜ 1 时，常称为短行程。
范围,n （ r / m in ）
mC
（ m / s ） S / D
小客车汽油机 5000 ～ 8000 12 ～ 18 0.7 ～ 1.0
载货车汽油机 3600 ～ 4500 10 ～ 15 0.8 ～ 1.2
汽车柴油机 2000 ～ 5000 9 ～ 15 0.75 ～ 1.2
增压柴油机 1500 ～ 4000 8 ～ 12 0.9 ～ 1.3
$1.4 有效指标
经济性指标
1,有效热效率
e?
,有效功
eW
（ J ）与所消耗燃料热量 Q
l
之比值。
6
1
10
6.3
hbQ
W
e
e
e
2,有效燃料消耗率 be,单位有效功的耗油量（简称耗油率）。
1000
e
e
P
B
b
［ g / （ kw,h ）
式中 B —— 每小时的耗油量（ kg ／ h ）；
P e —— 有效功率（ kw ）。
e?
b e [ g/ （ k w,h ） ]
汽油机 0,2 5 ～ 0.3 27 0 ～ 325
柴油机 0,3 ～ 0.45 19 0 一 285
（ be 和
e?
二者的关系在推导时引入一个一小时所消耗的燃油热量和一小时所做的有效功，二者相除及为有效热效率，再进行单位换算及公式叠代即可推出，建议大家推导一下）
$1.4 有效指标
强化指标
① 升功 率
L?
（ k W ／ L ）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。
3030
..
.
n
iV
niV
iV
me
S
Sme
S
e
L
可见，提高 P L 的主要措施是提高 P m e 和 n 或减少冲程数 。衡量发动机容积利用的程度。 目前，比赛用摩托车、赛车均采用短行程的高速发动机。
② 比质量 m e （ kg ／ kw ）是发动机的干质量 m 与所给出的标定功率之比。
它表征质量利用程度和结构紧凑性。
e
e
m
m
③ 范围,
P L （ kW ／ L ） m e （ kg ／ kw ）
汽油机 3 0 ～ 70 1.1 ～ 4.0
汽车柴油机 18 ～ 30 2.5 ～ 9.0
拖拉机柴油机 9 ～ 15 5.5 ～ 16
$1.4 有效指标
强化指标
2,强化系数
me?
·
mC
平 均有效压力
me?
与活塞平均速度
mC
的乘积称为强化系数。 它与活塞单位面积的功率成正比。 其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。
4
30
30
2
D
i
P
Vi
SPnS
nVi
P
CP
e
s
e
s
e
mme
大致范围,
汽油机 8 ～ 17 [ M p a.m /s]
小型高速柴油机 6 ～ 1 1 [ M p a.m /s]
重型汽车柴油机 9 ～ 15 [ M p a.m /s ]
第一章 发动机的性能指标
知识点回顾
– 理论循环
定义、简化条件、分类、可得到的指标、影响因素
– 实际循环
组成，各阶段特点、要求，不同参数的汽油柴油机对比，可得到的指标，各指标的计算方法。
– 机械损失
定义、组成及比例、测定方法、影响因素。
– 有效指标,
定义、分类及计算公式、强化指标的对比。
第二章 发动机换气过程
一、概述
– 作用
尽可能排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质（尽量增加每循环进入气缸的新鲜工质量（ m1）），从而提高功率及强化指标
– 对性能影响
影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒适性等。
– 要求
尽可能合理地延长换气时间：发动机换气过程包括排气过程和进气过程。理论上进排气各占 180° （合计 360 ° ）曲轴转角。
实际上由于发动机转速高，一个行程的历时只有 60/5600*2＝ 0.0054s
时间短充气不足，排气不净。要尽量延长进、排气时间（换气过程 )
即扩大进、排气的曲轴转角。
– 组成：
从排气门开启进气门关闭的整个时期，约占 410o～ 480o曲轴转角。一般分作 自由排气,强制排气,进气 和 气门叠开 四个阶段。
二、几个概念
一） 配气定时（配气相位）图
– 进、排气门开、闭相对于曲轴转角的时刻称为配气定时（相位），用相对上、下止点的曲轴转角的环形图来表示则称为配气定时图。
二、几个概念
一） 配气定时（配气相位）图
– 作用：
①在活塞上行时排气门有足够大的开启面积，减小排气阻力；
②减小活塞上行时的阻力（强制排气损失－负功）；
合理匹配可以减小泵气损失。
③高温废气迅速排出可减小发动机热负荷；
1,排气提前角 30 o ～ 80 o,
从排气门打开到下止点这段曲轴转角。
二、几个概念
一） 配气定时（配气相位）图
– 作用
利用压力差和废气流惯性尽可能排净出废气。
– 作用
在活塞下行时进气门有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入气缸； 冷却燃烧室壁面以降低 Ta(实际 P—V循环图中 a点，
即压缩初始时刻的温度 )，提高充气效率。
2,排气 迟闭角 10 o ～ 35 o,
从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角。
3,进气提前角 0 o ～ 40 o,
从进气门打开到上止点这段曲轴转角。
二、几个概念
一） 配气定时（配气相位）图
– 作用：
利用高速气流的惯性和压力差在下止点后继续充气，增加进气量。
– 作用：
4,进气门迟闭角 40 o ～ 70 o,
从下止点到进气门关闭这段曲轴转角。
5,气门叠开? +?,由于排气门的迟闭和进气门早开存在进、排气门同时开着的现象，称为气门叠开。
扫气作用 清除残余废气,减小残余废气系数；
降低高温零件的温度 （即减小残余废气系数、降低 Ta 提高
V?
）
但 要保证 不应产生废气倒流现象。
二、几个概念
二）换、泵气损失
– 图例
X,k-a-k’-k
Y,r-k’’-r’-k-k’-a-r
W,b-b’-r-b
d,r-k’’-k’-a-r
X：吸气损失 Y：强制排气损失
W：自由排气损失二、几个概念
二）换、泵气损失
1、定义
– 换气损失,实际换气过程相对于“准”理论循环换气过程所损失的部分（缺失或负功）。
W+Y+X
– 泵气损失,体现在实际循环中且为负值的换气损失部分。
X+Y-d
– 换气损失的优化
合理匹配排气提前角使得 W+Y取得最小值。
三）充气效率
1、定义
– 充气效率,实际进入气缸的新鲜工质量 m1与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量 ms的比值。
2、测量方法
– 利用空气流量计测出发动机实际进气量 M1（ kg/h）
– 计算该工况的理论进气量 Ms（ kg/h），二者之比即是。
二、几个概念
v?
Sssss in V
niVm 3060
2
一）排气过程
1,自由排气
– 定义,从排气门打开到气缸压力接近排气管压力所对应的阶段。
– 分段及详解
前期（超临界排气）,Pb/Pr>1.9，废气以声速流经排气门口，
与压差无干。 C=（ KRT） 1/2,400-800° C时,500m/s-700m/s
中期（亚临界排气）,1.9>Pb/Pr>1，流速低于音速且取决于压差。
结束阶段,Pb与 Pr趋于一致，废气不能自由排出，需活塞上行推出废气。
– 特点
排出废气量与工况（尤其是转速）无关仅取决于缸内状态及排气管阻力（结束标志为压力平衡）。
时间极短但有近 60％的废气在此阶段排出。
三、换气过程详解
一）排气过程
2、强制排气
– 定义,克服排气系统阻力活塞强制推出废气。
二）进气过程
– 定义,活塞下行、缸内容积增加、缸内压力下降、环境压力－缸内压力 >进气系统阻力，吸入新鲜工质。
– 特点：
初期缸内容积增加、压差不足不进气，进气系统压力急剧下降
（表现为图中的 r’k段）。
压力下降到压差 >＝进气阻力后压力几乎不变。
三、换气过程详解
一、充气效率影响因素确定
一）、图例第二节 四行程发动机充气效率
二）、公式推导一、充气效率影响因素确定
1,设进气完成后缸内残余废气质量为
rm
，进入新鲜工质质量为
1m
，则进气终了缸内总工质质量
ra mmm 1
，令 残余废气系数
1
m
m
r
。则有
1m
=
r
m
a
1
。
2,令进气终了时汽缸内的总容积
'
aV
（有效进气容积） 与汽缸总容积
aV
的比值为
<1 （因为进气迟闭角，此容积小于 ）
3,有
s
ss
s
a
aa
a
ss
aa
s
a
s
v
V
TR
P
V
TR
P
rVr
V
rm
m
m
m
1)1()1(
'
1
4,因为 PV ＝ mR T,有 P /R T= m/ V ＝； V a /Vc =
,Vs/Vc = (V a - V c )/Vc =
5,将 3 式份子分母同除以 Vc,且对于理想气体有 Ra 为常数，可以推出
1
1
1
a
a
s
s
v
p
p
三）、影响充气效率的因素一、充气效率影响因素确定影响充气效率
v?
的因素有,
环境温度和压力 T s,P s
进气终了的气缸 温度 和 压力 T a,P a
残余废气系数 r,压缩比?
气门正时 引起的有效进气体积系数? 等 。
1a
a
V
V
一）进气终了压力 Pa
– 原理性分析二、各因素对充气效率的影响规律
1
1
1 a
a
s
s
v
p
p
ap v?；
ap
=
as pp；
2
2v
p a
ap?
为气体流动时 引起的压降（ k P a ）。
其中,? —— 管道阻力系数；
—— 进气状态下气体的密度（ kg ／ ms ）；
v —— 管道内气体的流速（ m /s ）。
可见，
ap?
主要取决与管道阻力系数? 与气体的流速 v 。
一）进气终了压力 Pa
– 转速影响（不考虑进气迟关的影响，假定均最佳配气）
二、各因素对充气效率的影响规律
n （? + v ） aa pp v?
进气终了压力随转速的变化（汽）
n
Pa
柴汽外
一）进气终了压力 Pa
– 负荷影响
汽油机（量调节）
– 负荷增加节气门开大，阻力系数小 Pa
增加（主要因素）
– 负荷增加发动机热负荷增加，对进气加热量增加 Ta上升（次要因素）。
– 随负荷增加汽油机充气效率上升
柴油机（质调节）
– 负荷 ↑→阻力不变,Pa基本不变
– 负荷 ↑→Ta略微 ↑
– 柴油机随负荷增加 ηv基本不变或稍 ↓。
二、各因素对充气效率的影响规律
Pe
v?
二）进气迟关角,容积系数
– 影响机理
谐波进气（主要），进气终了容积（次要）。
二、各因素对充气效率的影响规律
惯性效应（单一进气） 波动效应（循环、缸间）
二）进气迟关角,容积系数
– 对充气效率的影响
特定转速下取得最佳值，若可变可获得外包络线
（各转速均为峰值，相当于仅考虑 Pa）。
迟关角越小峰值越靠近低速
压力降＋迟关角共同影响造成的实际发动机充气效率为中间高两端低（低速惯性不足反流，高速惯性未充分利用且压力降过大），汽油机的峰值对应最大扭矩点。
二、各因素对充气效率的影响规律
不同进气迟关角对应的充气效率 实际发动机充气效率随转速变化
n
v?
v?
n
三）进气终了温度 Ta
– Ta高于 To的原因
– Ta对充气效率的影响
– 降低 Ta的措施
排气管与进气管置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角
– 工况对 Ta的影响二、各因素对充气效率的影响规律
① 高温零件加热；
② 残余废气加热；
③ 进气预热 。
vaa
负荷 a ； an （接触时间短）
四）残余废气系数二、各因素对充气效率的影响规律
v,而且使燃烧恶化。
汽油机低负荷运转时 （ m 1,mr 变化不大 )
稀释可燃混合气 燃烧过程缓慢? 经济性和排放 性能变差。
1
1
1 a
a
s
s
v
p
p
五）环境温度 Ts和环境压力 Ps
– 环境温度 Ts
随环境温度的增加，环境温度与缸壁等热部件的温差减小，
Ts/Ta↑，充气效率有所增加。
一般情况下，充气效率与（ Ts/T0） m 成正比,m0.25-0.3.
转速增加，作用时间短,Ts/Ta增加；负荷增加，缸壁温度增加，
Ts/Ta减小。
– 环境压力
Ps对充气效率没有影响。
两端同除以 Ps有，
可见,Pa/Ps在温度相同的情况下为常数，即充气效率不变。
二、各因素对充气效率的影响规律
ssa vPP
221
321 11 CCPRT PCPP ssssa
五）环境温度 Ts和环境压力 Ps
– 冬天与夏天对比（充气效率,m1）
冬天的充气效率低，但功率大（与温度成 0.3次方，而进气量 m1与温度成－ 1次方关系（从密度公式考虑），即温度低,m1增加）。
– 高原与平原对比
充气效率不变
密度变小,m1减小动力性下降二、各因素对充气效率的影响规律
一、总体原则（ 从影响因素出发）
– 减小进气系统阻力：提高 Pa
– 合理匹配配气相位：综合优化有效容积比和惯性进气。
– 减小排气系统阻力：降低残余废气系数
– 减小进气加热：降低 Ta
第三节 提高充气效率的措施
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
1,时面值、角面值（气门开启丰度）
– 定义,整个气门开启过程中开启面积对时间、角度的积分称为时面值、角面值。代表了气门总的开启面积，也可以反应气门开启的丰满程度（流通能力）。
– 与凸轮升程规律（气门升程规律）、气门密封锥角有关。
– 随转速的升高一般的角面值不变化，而时间变短，时面值下降，
换气过程就相对困难（阻力系数 增加）。
二,提高充气效率的措施
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
2,进气马赫数
– 降低 Ma，提高充气效率的措施
增大气门的相对通过面积；
改善气门处的气体流动；
合理的配气相位。
二,提高充气效率的措施进气马赫数 Ma 是 进气门处气体的平均速度
mv
与该处声速 c 的比值。
Ma = mv /c,mv =
t
sv
F
v?
平均流速
mv
：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值 F （ t ）之比,
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
3,气门直径和气门数二,提高充气效率的措施进气门直径 气流通路截面积
v?
。
在双气门（一进一排） d/ D 可达 45 % ～ 50 % ；
Af /1 =0.2 ～ 0.25 。
多气门结构 缸径大于 80m m 时，采用二进二排结构；
缸径小于 80m m 时，采用三进二排结构，可获得最大开启面积。四气门机与两气门机相 比，功率可提高 70 %,扭矩可提高 30 % 。
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
4、气门升程规律二,提高充气效率的措施适当增加气门升程，改进凸轮型线 ；
减小运动件质量，增加零件刚度 ；
在惯性力允许条件下使气门开闭得尽可能快 ；
从而增大时面值，提高通过能力。
最大气门升程与阀盘直径之比 dl / ＝ 0,26 ～ 0.28 。
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
5、减少气门处的流动损失二,提高充气效率的措施气门头部与杆部的过渡要尽量保证流线型 ；
防止产生流动涡流（阻力）；
薄壁化（喇叭口）；
气门封面锥角走向（小角度时面值会小，大角度承压面积减小）
一、减小进气系统阻力
– 减小进气道的阻力
– 谐波进气（可变管长）
根据发动机的转速不同，自动调整进气管长度，从而能够充分利用进气过程中较高的进气谐波，提高充气系数
一般原则为低速、大扭矩时细长（在阻力变化不大情况下提高惯性）、
高速时短粗（惯性不变的情况下减小阻力系数）。
二,提高充气效率的措施为减少进气道内的阻力 管道 的 面积 在 结构 允许 时 要 尽可能 大 ；
（广、直、匀、光） 应避免急剧拐弯； 过渡回角应选择大一些 ；
管道各截面变化要平缓；
表面光洁度要高。
进气管截面一般有三种：圆形、矩形及 D 字形。
截面相同时，圆形阻力最小。
二、合理选择配气正时二,提高充气效率的措施
（ aT,, ）
利用进气迟关角来优化匹配
v?
最大值对应的转速，从而优化最大功率点、最大扭矩点；利用气门叠开角 扫气减小残余废气系数并 降低热负荷、减小 NOx 排放，
且保证不倒流。 合理选择配气定时，保证最好的充气效果，改善发动机性能，
是非常重要的问题。
1 )
v?
曲线相当于在一定的配气定时下，
v?
随转速变化的关系。
当n ① 气流惯性 进气门迟闭角不变?
使一部分可以利用气流惯性进入气缸的气体被关在气缸之外；
v?
② 流动阻力?
当n 气流惯性 又可能使一部分气体被推回进气管?
v?
。
v?
是在某一转速下达到最高值，说明在这个转速下工作，能最好地利用气流的惯性充气。
二、合理选择配气正时二,提高充气效率的措施
（ aT,, ）
2 ) 不同
v?
曲线相当于在不同的配气定时下，
v?
随转速变化的关系。不同的进气迟闭角，
v?
最大值相当的转速不同，一般迟闭角增大
v?
最大值相当的转速也增加 （ 气流速度加大，大的迟闭角可充分利用高速的惯性充气 ） 。
改变进气迟闭角，可以改变
v?
随转速变化的趋向，可用以调整发动机扭矩曲线，满足不同的使用要求 ； 加大进气门迟闭角，高转速时
v?
增加，有利于最大功率的提高，但对低 速和中速性能则不利； 减小过气迟闭角，能防止低速倒喷，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。 对于配气定时不能改变的发动机，应根据常用工况确定进气迟闭角。
合理的排气提前角应当在保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门，
以加大膨胀比，提高热效率。当转速增加时，相应的自由排气时间减小，为降低排气损失，应增加排气提前角。
不同进气迟关角对应的充气效率
n
v?
三,减小排气系统阻力（ r）
– 选择合理的排气消音器（排气管合格的国标为动力性下降小于 5%）。
– 减小残余废气系数。
– 气门叠开扫气。
四、减少进气加热（ Ta）
– 进排气管分布在两侧
– 气门叠开、排气过程等。
二,提高充气效率的措施三,提高充气效率的另一种说法
（一）、降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力。
– 1、降低进气通道的流动阻力
①加大进气门直径；
②增加进气门数目；
③合理设计进气道及气门的结构。
– 目的：增加气门流通截面的面积。
– 2、采用可变进气系统技术
①低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。
②高速时,应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充气效率，以满足动力性要求。
③配合以上变化，对进气门从开启到关闭的持续期（又称作用角）也应进行调整，以实 现最佳的进气定时。
– 如 GM汽车公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及 Ford汽车公司的液压气门驱动机构。
– 3、减少进气管和空气滤清器的阻力
（二）、降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数。
（三）、减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度。
发动机原理讲义第三章 燃料与燃烧需掌握内容
燃料的组成及分类（ C原子数、分子结构对燃料性能的影响）
各种燃料的评价指标及实际意义（燃料的使用特性）
烃类燃料燃烧化学初步计算（理论空气量、
分子变更系数、混和气热值）
第一节 燃料组成及特征
一、燃料的主要分类
– 石油类（烃类）,液态，汽油、（煤油：用于航空发动机）、轻柴油、重柴油
– 气态,CNG,LNG,LPG
– 含氧燃料,甲醇、乙醇、醚类（二甲基乙醚 DME）,
BTL,GTL,CTL（制取燃油）
– 生物油类,大豆油、菜籽油等，可再生资源，太稠、
混合气形成困难、结焦。去除甘油后就可以变稀。
– 氢,好处多多，但主要问题集中在能量密度（贮存：
压缩法、液化法、吸附法）、零部件的脆化和来源 。
仅是能量的载体，非能源。
（红色字体部分由于出现较晚，或应用范围较窄，被称为代用燃料。其出现的主要目地为缓解能源危机和环境污染）
二、石油类燃料特性
1、化学组成：
– 主要成分：碳、氢，占 97~98%；
– 少量元素：硫、氧、氮
其中 O元素可以降低燃烧过程微粒物，烟度下降；
S可以使 n多催化剂中毒，尽量减少。
– 微量元素,K,As,Na,Ca
– 通式：多种碳氢化合物的混合物，通式可表达为 CnHm，通常称为烃。
二、石油类燃料特性
2,C原子数对烃类燃料性能的影响
– 随分子中 C原子个数的增加有：
依次分为天然气、液化石油气、汽油、煤油（航空用）,
轻重柴油、渣油（锅炉用）、沥青（马路用）。
C 相对分子量 密度 沸点 挥发性?
＋粘度 高温稳定性? ＋点燃性? ＋自燃性
用于压燃式燃烧（柴油机）
C 原子数 沸点 品种 分子量 理论物质的变化趋势
C1 常温 天然气 16
C 2~C 4 常温 液化石油气 16~58
C 5~C 1 1 50~200 汽油 95~120
C 1 1~C 19 180~300 煤油 100~180
C 16~ C 23 250~360 轻重柴油 180~200
C 23 360 以上 渣油 220 以上
粘度，自燃性C
C 分子量二、石油类燃料特性
3、分子结构对烃类燃料性能的影响
A 烷属 链 烃 C
n
H
2 n +2
①直链 （正己烷） 呈饱和的开链式结构，常温下化学性质 稳定，在高 温下易 氧化,C 结构越不稳定,滞燃期较短，是柴油燃料的良好成分。
②支链（异辛烷） 支链式,结构 紧凑,在高温下 不易自燃,适合 汽油燃料。
B,烯烃 C
n
H
2n
非饱和开链式结构，有一个二价键，它比烷烃难于自行发火，抗爆性好，但常温下化学安定性差，在长期储存中易于氧化生成胶质 （裂解法炼油中存在） 。
C,炔烃 C
n
H
2n - 2
非饱和开链式结构，有一个三价链。炔烃不存在于原油中，系热裂化生产的中间产物。由于氢不饱和，所以很不稳定。在常温下易分解，储存中因氧化而结胶。含 炔烃多的 产品不宜作为发动机燃料二、石油类燃料特性
3、分子结构对烃类燃料性能的影响
D,环烷烃 C n H 2n 饱和的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和自发火的温度均比直链烷烃为高。环烷烃多的燃油适宜作为汽油机燃料，不适宜作柴油机燃料，环烷烃与烷烃都是石油的重要组成部分。
E,芳香烃 C n H 2n - 6 基本化合物是苯，所有芳香烃都含有苯基的成分。在石油中含量较少，分子结构坚固，热稳定性比环烷烃高，
在高温下分子不易破裂，化学安定性较前者为高，是良好的防爆剂。石油炼制中常使产品的芳香烃增多。
甲基萘是十六烷值为 0 的标准燃料。
第二节 燃料使用特性
一、汽油使用特性
– 1、馏程：蒸发性（挥发性）
定义,馏出某一质量百分比燃油的温度范围。
主要指标,为了评价燃料的 挥发性 （形成混合气的难易程度），以 10
％,50％和 90％的馏出温度作为指标。
（ 1） 10％馏出温度 T10(<75℃ )
– 表征燃料的 起动性 （ T10低容易冷车起动）。
– 但过低，在输送时受发动机温度较高、压力过低部位汽化，形成“气阻”，使发动机断火，影响正常运转。
（ 2） 50％馏出温度 T50(<145℃ )
– 表征 平均蒸发性 。
– T50低?(从较低负荷向较高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合气）暖车时间 +加速性 +工作稳定性均会改善。
（ 3） 90％馏出温度 T90(<195℃ )
标志着燃料中难挥发的重质成分的数量。
当 90 重质成分 易挥发，利于燃烧 ； 当 90 重质成分 不易挥发燃烧而附着在气缸壁上? 形成积碳或流入油底壳? 稀释机油破坏润滑。
第二节 燃料使用特性
一、汽油使用特性
– 2、辛烷值（抗爆性）
辛烷值测定方法：
– 在特殊的单缸试验机（ CFR）上按规定的条件进行。
– 利用两种标准燃料,异辛烷 (2,2,4三甲基戊烷,C8H18)，
辛烷值为 100； 正庚烷 (C7H16)，辛烷值为 0。按不同比例
（体积）混合可得不同辛烷值的标准燃料，（其辛烷值即为异辛烷的体积百分数）。
– 在特定工况下调整压缩比使被测燃料发生临界爆震。
– 找出与被测燃油相同具有抗爆性的标准燃料，则标准燃料 的辛烷值即为被测定汽油的辛烷值。
– 辛烷值高低顺序为烷烃＜烯烃＜（炔烃）＜环烷烃＜芳烃。
辛烷值的分类,马达法 试验值 （ MON） n=900r/min、进气加热（条件苛刻）,研究法 试验值 （ RON） n=600r/min、进气不加热。
– MON<RON。 燃料敏感度 =研究法试验值 -马达法试验值，
表征了燃料对工况的敏感度。
– 通用评价抗爆性的指标,ONI（ 抗爆指数 ）＝
(MON+RON)/2。目前所用汽油的牌号即为该值。
第二节 燃料使用特性
一、汽油使用特性
– 2、辛烷值（抗爆性）
爆震,
– 在汽油机燃烧中，在火焰前锋面未传播到的情况下由于缸内温度（或局部温度）高过而引起的末端混合气自燃（瞬间同时燃烧）,从而引起缸内温度、压力急剧上升并伴随特定敲缸声（压力波在缸内的不断反射）的不正常燃烧状态。
– 轻微爆震时燃烧迅速定容性提高，热效率提高、动力性提高。
– 爆震过强时缸内温度、压力急剧上升发动机的热负荷、机械负荷增加，润滑系统、冷却系统破坏从而引起可预见的重大破坏。
– 现代汽油机中增设爆震传感器，使发动机在临界爆震状态燃烧。
第二节 燃料使用特性
一、汽油使用特性
– 2、辛烷值（抗爆性）
提高辛烷值的方法,
– 加抗爆剂（四乙铅、溴乙烷），由于对后处理器催化剂的毒性强、铅排放，目前已经停用。
– 提高汽油中芳香烃的含量，裂化调制。
– 加调和剂（醚、醇）
第二节 燃料使用特性
二、柴油使用特性 （燃烧机理复杂，影响因素多，性能要求多）
– 1、自燃性（发火性）的指标 —— 十六烷值
测定方法
十六烷值对混合气形成及燃烧过程的影响在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行。
标准燃料 正 十六烷 C 16 H 3 4 十六烷值为 100,易自燃,
— 甲基奈 C 11 H 1 0 其十六烷值定为 0,难 自燃。
按不同比例混合可得不同十六烷值的标准燃料。
当被测定柴油的自燃性 = 标准燃料的自燃性时，则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。
十六烷值与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。
十六烷值 自燃性好? 着火延迟时期 着火后
p
工作柔和。
冷起动性能亦随之改善。
十六烷值过高? 燃料分子量 蒸发性?
粘度 排气冒烟? 及?
ib
。
因此。国产柴油的十六烷值规定在 40 ～ 50 之间。
第二节 燃料使用特性
二、柴油使用特性
– 2、蒸发性 —— 馏程
50 ％馏出温度表征平均蒸发性，低蒸发性好，说明轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。但馏分太轻也不好，因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦着火
p
，柴油机工作粗暴。
90 ％和 95 ％馏出温度标志难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏分过多，不仅蒸发和形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全 （补燃期变长，效率下降） 。
同时 也 容易 进入 油底壳,稀释 滑油 破坏 润滑 。
十六烷值必须与蒸发性相匹配。蒸发性不足而十六烷值高冒烟，热效 率下降（定容性差）；十六烷值不足而蒸发性高则预混合燃烧量过高，机械负荷增加。
第二节 燃料使用特性
二、柴油使用特性
– 3,雾化性（燃油喷射系统参数） — 用粘度评价当其它条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直径 （ S M D,
绍特平均直径：均方根值 ） 也越大，使燃油和空气混合不均匀，
燃烧不及时或不完全，燃油消耗率增加，排气 冒 烟。
喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度。一般轻柴油的运动粘度在 20 C 时为（ 2.5 ～ 8 ）? 10
－ 6
m
2
／ s 。
第二节 燃料使用特性
二、柴油使用特性
– 4、流动性
凝点：指柴油失去流动性开始凝结的温度。
柴油中高分子烷烃和水分析出结晶、混浊（浊点）? 失去流动性? 凝固点。 凝点越低越不容易失去流动性。
我国生产的轻柴油规格，按凝点分为 10
#
,0
#
,- 10
#
,- 20
#
,- 35
#
五级。
冷凝点，供油系统中每分钟流出的燃油量小于等于 20m l 所对应的温度，比凝点高 5 - 7 ° C 。
按照当地当月 10 ％风险率的最低气温选择柴油 。
5,其它指标,
含 S 量、灰分、水分、闪点、胶质等（见 P46 表 3 - 3 ）
第三节 燃烧热化学
需把握的内容
– 理论空气量
摩尔空气量
质量空气量
体积空气量
– 理论分子变更系数
– 混合气热值
摩尔热值
质量热值
体积热值一、理论空气量
定义
– 1kg燃料完全燃烧所需的最低（理论）空气量
计算方法设 1k g 燃料中 C,H,O 的质量分别为
c
g,
h
g,
o
g ； 则；
c
g +
h
g +
o
g =1k g
燃油中的 C,H 完全 燃烧，其化学反应方程式分别是
C ＋ O
2
＝ CO
2
H
2
+
2
1
O
2
=H
2
O
1k m ol C? 1k m ol O
2
1 k m ol H
2
2
1
k m ol O
2
12
c
g
k m ol C?
12
2
o
g
k m ol O
2
2
H
g
k m ol H
2
4
2
o
g
k m ol O
2
则,1k g 燃料完全燃烧所需的氧气量为（
12
c
g
+
4
H
g
-
32
O
g
） k m ol
/
kg
空气中按体积计 O
2
约占 21 ％,N
2
约占 79 ％；空气的分 子量为 28.9 5 。
需空气量
21.0
1
0
L （
12
c
g
+
4
H
g
-
32
O
g
） k m ol
/
k g;
以千克表示的理论空气量,
0
2 8,9 5
0,2 1
L （
12
c
g
+
4
H
g
-
32
O
g
） kg
/
kg ；
以体积表示的理论空气量为
21.0
4.22
L （
12
c
g
+
4
H
g
-
32
O
g
） m
3
/
kg ；
二、过量空气系数
定义（ ɑ）
– 实际提供的空气量 L与理论上所需空气量 L0之比
空燃比
–
A ／ F=
0L空 气 量 ＝燃 料 量
1 时,A /F = 1 4,9
汽油机（? =0.8 ～ 1.2,起动时过量空气系数仅为 0.2 - 0.4 ）
柴油机负荷是靠质调节的（? =1.2 ～ 1.6 ）由于混合气形成不均匀所以? 总是大于 1 的。
一般车用高速柴油机,? =1.2 ～ 1.6 ；增压柴油机,? =1.8 ～ 2.2
三,ɑ>1时的理论分子变更系数
计算方法
1 kg 燃料燃烧前混合气的数量
1M
,汽油机：
rT
M
LM
1
01
（ k m ol/ k g 燃料）
式中；
rTM
为燃料的分子质量 ；
柴油机：液态燃料的体积不及空气的 1/10000,即为纯空气 ；
01 LM
燃烧后产物的质量 M
2
：（由 O
2
,N
2
,CO2,H
2
O 构成，分别求出各自的 m ol 量）
并将
21.0/)
32412
(
0
oHc
ggg
L
代入即可得到
M
2
＝
0
324
L
gg
oH
则理论分子变更系数
1
2
0
M
M
（表征做工能力的强弱，相当于增加工质的量,
在不完全燃烧时理论分子变更系数更大,p
me
更大 ）
汽油机,1
1
1
324
0
0
TM
L
TM
gg
r
r
oH
； 柴油机：
1
324
0
0
L
gg
oH
四,燃料热值与混合气热值
1、燃料热值：
– 1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。
高热值,包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热；
低热值,不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热。
2、混合气热值：
– 单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量（汽油机如下，柴油机去掉燃料部分）。
发动机中每循环放热量取决于混合气热值（单位体积），而非燃料低热值
– 如汽油、甲醇低热值差很多 44000kJ/kg和 27000kJ/kg，而理论混合气热值相差不大 3749kg/m3和 36301/m3。所以烧 E10时合理增加喷油量在发动机结构不变的情况下动力性相差不大。
混合气热值：单位数量的 可燃混合气燃烧所产生的热量。
rT
m i x
M
L
h
M
h
Q
1
0
1?
kJ /km o l
10
L
h
Q m ix
kJ /kg
rT
m ix
M
L
h
Q
4.22
0
kJ /m
3
第四节 燃烧初步
掌握内容
– 燃烧的阶段
着火理论及自燃临界条件
火焰传播定义及速度的影响因素
– 汽油柴油的使用特性与汽、柴油机混合气形成燃烧组织的关系一、着火阶段（自燃）
定义
– 发生明显光、火焰效应前的准备阶段
A、链式反应
– 组成：
链引发、链传播、链中断
– 链引发：
烃类受激（电火花、高温气流）产生自由基（或原子） ――> 活性中心 ――> 促进新反应进行。
– 链传播
自由基与反应物作用：进一步反应，产生新的自由基：
– 1:1：直链反应（不加速）
– 1:多：支链反应（加速、爆炸）
– 链中断
自由基与环境碰撞失去活性 （没电了，玩完了）
反应物浓度急剧消失，自由基找不到促进的对象 （孤立了、没用了）
– 氧化反应的特征
存在形成、积累活性中心的诱导期，长度与反应物特性、浓度、温度、容器边界形状有关一、着火阶段（自燃）
B、热力自燃
– 定义
在 T,P适宜的情况下无外部能量，自身反应自动加速、自发着火过程
– 着火条件
在整个着火过程中每一时刻的反应放热速度（与温度呈指数关系）
大于反应物系统向环境的散热速度（与温度呈线性关系），产生热量积累从而着火。
环境散热为线性函数：
022 TTKq
T 2 为反应系统温度,T 0 为环境温度、
K 为散热系数
a) 临界着火,b) 由于环境温度过低而不着火
c) 散热系数过大而不着火 d) 反应放热速率低而不着火一、着火阶段（自燃）
实际着火过程实际的着火过程（着火半岛）体现出了两种理论的不同作用区域：低温多阶段着火具有链式反应的特点；高温单阶段着火充分表现出了热力自燃理论的表现形式。
一、着火阶段（点燃）
定义：
– 利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并引起火焰传播的着火过程。
电火花的作用
– 提供能量使 T升高
– 电离混合气形成活性中心引发链反应或热积累二、燃烧过程（火焰传播）
定义：
– 火焰前锋面（以火花塞中心为球面的 0.01～ 0.5mm厚度的一层反应中的混合气）前方为未燃混合气、后方为已燃混合气；极大的温度、浓度梯度造成传热、传质使得火焰向前传播。
– 在无紊流或若紊流时传播速度较慢、层流传播；在强紊流时火焰前锋面破裂、形成许多小的反应团、宏观厚度增加、反应面积增加、火焰传播速度极快。
小紊流 大紊流四、汽油、柴油特性引发的燃烧组织
柴油蒸发性差（ T 95>365 ° C ）－ > 在自然状态下依靠环境加热和燃油蒸发很难形成混合气－ > 压缩上止点喷油利用高温、高压促使燃油蒸发，（由于柴油粘 度大、润滑性好）增设高压喷油系统（ 250 - 1800b a r ）
借助外力雾化，采用进气涡流、挤流等形式加强气流运动促进混合。
所以柴油机的混合气形成需要油、气、室的三方配合，才能形成分布不均匀的可燃混合气氧化性好（自燃性强）－ > 压缩点燃（压缩比 > 18 ）＋油膜（滴）
扩散的不均匀燃烧－ > 存在局部缺氧区域（燃油裂解、脱氢）形成干碳烟（ DS ）－ > 冒烟＋积聚形成微粒排放（ PT ）
依靠调整循环供油量（ g b ）即可调整循环放热量 Q 1 － > 无节气门、
充气效率变化很小－ > 靠调节混合气的品质（过量空气系数? ）调节负荷－ > 质调节。
四、汽油、柴油特性引发的燃烧组织
汽油蒸发性好－ > 容易形成混合气－ > 不用额外能量（化油器、低压喷射）－ > 形成? ＝ 1 （保证三效催化 后处理器使得有害物‘ HC,
CO,HC,NOx ’排放最低）的均质混合气。
自燃性差（抗爆性强）－ > 点燃＋（均质混合气）火焰传播燃烧
－ >T? － > NOx? （高温、富氧、作用时间长）＋? ＝ 1 存在局部缺氧－ >C O? 。为了防止过度爆震产生压缩比一般小于 14 。
混合气 品质一定（空燃比及混合气热值一定），必须调节每循环进入的混合气量－ > 存在节气门（充量系数、充气效率下降）－ > 量调节。
发动机原理讲义第四章 汽油机混合气形成及燃烧第一节 汽油机燃烧过程
概述（几个概念）
① 混合气均匀，在气缸外部形成混合气预混合时间长。
1,燃烧过程的特点,② 火花塞放电点火，可控制点火时间、地点、能量。
③ 传播式燃烧，燃烧 和放热速率取决于火焰传播速度。
2,火焰传播速度 U T —— 单位时间内火焰前锋面相对未燃混合气向前推动的距离。用 U T 表示 [ m /s ] 。
3,燃烧速度 U m,单位时间燃烧的混合气质量。
燃烧速度用 U m 表示 [ k g /s],
U m =
dt
dm
=
TT AU
[ k g/s],
式中
—— 未燃混合气密度；
U T —— 火焰传播速度；
—— 火焰前锋面积。
一、汽油机正常燃烧
定义
– 唯一地由火花塞点火且火焰前锋以特定的速度传遍整个燃烧室的过程。
燃烧过程分段
– （ Ⅰ ）着火延迟期；
– （ Ⅱ ）明显燃烧期；
– （ Ⅲ ）后燃期。
一、汽油机正常燃烧
着火延迟期（ 1-2）
– 定义
从火花塞跳火到压力偏离压缩线（出现火焰,5％放热量）的时间或曲轴转角
– 作用
火花塞放电点燃混合气形成火焰核心（链引发）；
– 火花塞放电特性
①两极电压达 10～ 15kV；
②击穿电极间隙的混合气，造成电极间电流通过；
③电火花能量多在 40～ 80mJ；
④局部温度可达 3000K，使电极附近的混合气立即点燃；
⑤形成火焰中心，火焰向四周传播；
⑥气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。
1
2
3 p
一、汽油机正常燃烧
着火延迟期（ 1-2）
– 特点：
燃烧量小，压力升高不明显。
– 要求
尽量缩短着火延迟期并保持稳定。
– 影响滞燃期的因素
1
2
3 p
①燃料，辛烷值↑?
i?
↑；
②缸内温度
i?
、压力
i?；
③混合气浓度（
i,9.0~8.0?
最短）；
④残余废气系数 γ ↑→
i?
↑
⑤点火能量
i?
。
一、汽油机正常燃烧
明显燃烧期（ 2-3）
– 定义
从火焰核心形成（开始燃烧）到最高燃烧压力点（火焰传播到整个燃烧室）对应的曲轴转角或时间。
– 作用
迅速地把大部分燃料的化学能转变为热能；
– 特点
是汽油机燃烧的主要时期，热量利用率高。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好。
– 要求
在压力升高率（平均压力升高率）不过高（ 0.175－ 0.25MPa）（若过高则工作粗暴，机械负荷、热负荷增加对 NOx排放增加）的前提下尽量缩短明显燃烧期（ 20-40° CA）并靠近上止点（ Pmax在 8,12-
15° CA）。
23
23 ppp,
式中 23,pp,23, — 3 点,2 点 的 压力,曲轴 转角 。
1
2
3 p
一、汽油机正常燃烧
后燃期（ 3点以后）
– 定义
从压力最高点到燃料燃烧 90%以上的时间或曲轴转角。
– 作用
①火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧；
②贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧；
③高温分解的燃烧产物（ H2,CO等）重新氧化。
– 特点
燃烧速度慢，远离上止点，热量利用率低。
– 要求
尽量减少后燃期
1
2
3 p
一、汽油机正常燃烧
影响燃烧速度的因素
– 可燃混合气密度
– 火焰前锋面积 AT
利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度，形成不同燃烧组织状态
U m = dtdm = TT AU
和进 U m? 。
一、汽油机正常燃烧
影响燃烧速度的因素
– 火焰传播速度
控制 UT就能控制明显燃烧期的长短及相对曲轴转角的位置。一般在
50～ 80m/s，燃烧时间极短，仅 1～ 2ms
影响火焰传播速度的因素
– 缸内紊流紊流增加速度增加
– 混合气成分
U m = dtdm = TT AU
当? =0.85 ～ 0.95 时,U m 最快，
e?
最大，称为功率混合比。
当? =l.03 ～ 1.l 时，氧气充足燃烧完全，汽油机经济性最好，此混合比称为经济混合比。
当? ＞ 1.3 ～ 1.4 时，火焰难以传播，汽油机不能工作，此种混合比称为火焰传播下限。
当? <0.4 ～ 0,5 时，由于严重缺氧，使火焰不能传播，这种混合比称为火焰传播上限。
注意，混合气火焰传播界限并非常数,它是随条件而变化的，如混合气温度高，点火能量大，气体紊流强等，火焰传播界限就扩大；混合气中废气含量多，界限就变窄。
一、汽油机正常燃烧
影响燃烧速度的因素
影响火焰传播速度的因素
– 残余废气系数残余废气系数增加火焰传播速度下降
– 初始混合气温度、压力初始 T,P增加火焰传播速度提高
U m = dtdm = TT AU
一、汽油机正常燃烧
不规则燃烧
– 分类
循环变动
各缸间燃烧差异
– 循环变动
原因
– 火花塞附近混合气的混合比；气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成的时间不同，即由有效着火时间变动而引起。
危害
– 使空燃比和点火提前角调整不可能都对每一循环处于最佳状态,经济性、
动力性恶化，不正常燃烧倾向增加，整个汽油机性能下降。
影响因素
– ①当 a=0.8～ 0.9时循环燃烧变动最小；
– ②在中等负荷以上变动较小；
– ③加强紊流有助于减少变动，因此转速增加，一般变动减小；
– ④加大点火能量，采用多点点火，情况可有所改善；
– ⑤点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。
一、汽油机正常燃烧
不规则燃烧
– 各缸燃烧差异
原因
– 主要是由于分配不均匀造成的
危害
– 整个汽油机功率下降；耗油率上升；
排放性能恶化
影响因素
– 分配不均匀
气道内的沉积燃油
– 进气歧管的差别
各缸间进气重叠引起的干涉。
– 过量空气系数的影响
各缸混合气成分不同。
– 进气管的设计
任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配一、汽油机正常燃烧
燃烧室壁面淬熄作用
– 原因：接近缸壁的一层气体受冷和碰壁使得链反应中断。
– 影响因素：
①当 a=1左右，熄火厚度最小，混合气变浓、稀此厚度均增加；
②负荷减小时，熄火厚度显著增加；
③燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度均减小。
– 危害：存在大量未燃烧的烃，排气中 HC。
– 解决措施：尽量减小熄火厚度及燃烧室的面容比 A/V、活塞余隙从而降低汽油机的 HC排出量。
$4.1 二、不正常燃烧
分类
– 爆震和表面点火（早燃、后燃）
（一）爆震
– 特征：气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸。
– 原因：处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称末端混合气），
受到压缩和辐射热的作用，加速了先期反应产生了自燃。压力冲击波反复撞击缸壁。
– 影响因素：
1）燃料性质：辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。
2）末端混合气的压力、温度 (压缩比、散热组织）
– ①末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。
– ②提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生；
– ③气缸盖、活塞的材料使用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低,爆燃倾向小，可提高压缩比 0.4～ 0.7单位。
3）火焰前锋传播到末端混合气的时间
– 提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，这有利于避免爆燃。例如，气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大,故没有很大缸径的汽油机）。
$4.1 二、不正常燃烧
危害
– 轻微敲缸时，燃烧定容性改善，发动机功率上升，油耗下降。
– 严重时破坏缸壁表面的附面气膜和油膜（摩擦损失增加；气缸盖和活塞顶温度升高（传热增加）；从而导致冷却系过热，功率降低，耗油率增加。
– 剧烈爆震将造成活塞、气门烧坏，轴瓦破裂，
火花塞绝缘体破裂，润滑油氧化成胶质，活塞环卡死。
$4.1 二、不正常燃烧
（二）表面点火 ----热点点火
– 由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的。点火时刻是不可控制的（早燃、晚燃），常见于压缩比 >9。
1.早燃：火花塞点火之前，炽热表面点燃混合气
– 危害
由于它提前点火而且热点表面比火花大，燃烧速率快气缸压力、
温度增高，发动机工作粗暴；
压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降；
T,P升高；火花塞、活塞等零件过热。
早燃与爆燃相互促进,TP升高诱发爆燃，爆燃促进更多热点形成更剧烈的表面点火。
$4.1 二、不正常燃烧
2.后燃是指在火花塞点火之后，炽热表面或热辐射点燃混合气的现象。
– 与爆燃不同，表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致，没有压力冲击波，“敲缸声”
比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。
影响因素
– 凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切条件，都能促成表面点火。
$4.1 二、不正常燃烧
各种示功图对比
$4.1 三、使用因素对燃烧的影响
分析方法：
– 从边界入手分析边界对燃烧过程因素的影响进而分析出性能变化
最终要分析的性能：
– 1、发动机性能：动力性（ Pe）、经济性（ be）、排放特性（ HC：
壁面淬熄及混合气过浓,NOx：高温、富氧、作用时间,CO：
a<1时或不均匀时）；
– 2、燃烧特性：点火提前角（正比与着火延迟期）、不规则燃烧、
不正常燃烧、壁面淬熄等。
中间因素：
– 燃烧速率（密度,T,P、紊流强度等）
– 燃烧始点（点火提前角,T,P、混合气浓度等等、辛烷值）
使用因素（初始边界）：
– 混合气浓度、点火提前角、转速、负荷、环境参数。
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
1、混合气浓度
– 当 a＝ 0.8~0.9时,UT,Pz,Tz、压力升高率、
Pe均达最高值，且爆燃倾向增加。
– 当 a＝ l.03~1.1时，燃烧完全,UT较快,be最低。最高温度 +富裕空气－ >NOx排放增加。
– 当 a＜ l燃烧不完全 CO增加。
– 当 a＜ 0.8及 a>1.2时,UT下降燃烧不完全 － >
be增加＋ HC排放增加＋工作不稳定。
可见，在均质混合气燃烧中，混合气浓度对燃烧影响极大，必须严格控制。
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
2、点火提前角
– 定义
点火提高角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角。其数值应视燃料性质、转速、负荷、过量空气系数等很多因素而定。
– 要求（弥补滞燃期使燃烧始点发生在特定范围内）
随辛烷值的增加点火提前角增加
随负荷（ T,P）升高点火提前角减小
随转速升高点火提前角增加。
– 点火提前角调整特性
当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机功率（耗油率）随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性。
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
3、转速 (平均紊流强度增加，每循环时间缩短 )
– 点火提前角
一般有,其中 m<1。即随转速的升高以时间计的着火延迟期缩短（紊流强度增加），但以曲轴转角计的着火延迟期增加（每 ° 曲轴转角对应的时间正比与转速的负 1次方）,应该相应加大点火提前角（离心点火提前调节装置）。
– 速燃期
n增加紊流增加，火焰速度大体与转速成正比增加（图 4-16），
因而以秒计的燃烧过程缩短，但由于循环时间亦缩短，一般燃烧过程相对的曲轴转角增加。
– 爆震
转速增加时，火焰速度亦增加，爆燃倾向减小。
m
i nt
,m
i n
1?,
4.1 三、使用因素对燃烧的影响负荷 （负荷增加－ > T,P 增加，充气效率升高，残余废气系数下降）
当负荷 混合气数量 混合气稀释程度 起火界限更窄，火焰速度? 燃烧恶化。
当负荷 气缸的（温度 + 压力） 爆燃的倾向? 。
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
5、大气状况
– 大气压力低，气缸充气量减少（但充气效率不变），则残余废气系数增加，另外，压缩压力低，着火延迟期长和火焰速度慢，则经济性和动力性下降，但爆燃倾向减小。
– 大气温度高，同样气缸充气量下降 （充气效率提高），
经济性、动力性变差，而且容易发生爆燃和气阻。
在炎热地区行车时，应加强冷却系散热能力，用泵油量大的汽油泵。
反之，在寒冷地区行车时，要加强进气系统的预热，增强火花能量等，以保证燃油雾化、点火及起动。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
分类
– 汽油机混合气形成的方式主要有两类：一类是化油器式，另一类是汽油喷射式（ SPI、
MPI,GDI）。除分层燃烧的 GDI发动机外都是预先形成均质混合气（提前喷射、理论混合气）并依靠控制节流阀（节气门）开度来调节混合气数量的。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
– 理想空燃比特性（本课程的混合气状态）
理想化油器特性
a＝ 1
负荷（ Ttq,Pe,pme)
§ 4-2 汽油机混合气的形成
汽油喷射式混合气的形成（理论混合气）
空气系统计量并控制燃烧所必要的空气量。
燃料系统由电动汽油泵向各缸喷嘴及起动喷嘴压送具有一定压力的燃油。
控制系统根据工况（根据信号判断）决定合适的喷射时间（开启时刻及时长）。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
– 空气系统
空气系统用来计量并控制燃烧所必要的空气量。其中空气流量计是进行空气量测量，并将其转换为电信号的关键部分；
空气阀安装在与节流阀并联的旁通空气回路上，在发动机冷机起动且节流阀全闭时，为加速暖机开启旁通回路；发动机的负荷仍由节流阀的开度调节。
常用空气流量传感器有
– ①叶片式；
– ②热线风速（或热膜）式；
– ③卡门涡街式。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
– 燃料系统
（电动汽油泵）是将直流电动机与转子式（或叶轮式）
汽油泵联成一体的结构。
（压力调节器）使喷嘴的供油压力相对于进气管压力总是高出一个恒定值。保证喷嘴针阀两端的压差恒定，
防止因进气管压力变化而引起喷油量变化。
（喷嘴）电磁线圈通电的时间决定了喷油量的多少。
– 多点喷射方式 MPI（ Multi Point Injection）：
– 单点喷射方式 SPI（ Sinsle Point Injection）。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
– 控制系统
控制系统的构成见图 4-43。它由各类传感器、执行器及电控单元（ ECU）组成。
需要跛行系统,OBD系统、冗余设计。
两种混合气形成方式的比较 （电控的优点）
– 通电时间计算准确,修正因素多，油量、空气计量准确、控制精度高。
– 燃油正压喷射，气阻概率低＋雾化质量好，改善了燃烧过程，经济性好。
– 取消了化油器喉管，提高了充气效率，有利于改善整机动力性。
– 反馈控制，改善瞬态响应性能，整机加速性能及排放性能好。
– 采用多点喷射，使各缸分配均匀性，避免燃油在进气管中沉积。
§ 4-3 燃烧室（设计要点）
结构紧凑
– 以面容比（ A／ V） ——燃烧室表面积与其容积之比来表征（ A/V值越小）。
火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比。
相对散热损失小，热效率高。
熄火面积小,HC排量少。
具有良好的充气性能
– 主要应考虑进气门、进气道的布置。应允许有较大的进气门直径或进气流通面积，适于多气门布置。
– 进气流线短，转弯少，使混合气尽可能平直、光顺地流入燃烧室。
§ 4-3 燃烧室（设计要点）
– 火花塞位置安排适当
扫除火花塞周围残余废气性要好，使点燃性，低速稳定性好，循环变动小。
火花塞尽量布置在使末端混合气受热少的位置，如排气门附近。
应使由火花塞传播开的火焰面变化分配合理，确保运转平稳。
火焰传播距离应尽可能短。
– 燃烧室形状合理分布
燃烧持续期控制在 60° CA之内；不致过高。
§ 4-3 燃烧室（设计要点）
– 组织适当的紊流运动
增大火焰传播速度；
冷却末端混合气区。
减少循环间的燃烧变动。
减小熄火厚度，降低 HC的排量。
紊流过强会使热损失增加，点火困难，压力上升速度过大。
分类
– 进气涡流：它是利用进气口和进气道的形状，在进气过程中造成气流绕气缸中心线的旋转运动。
– 进气滚流（纵向涡流）：旋转中心线与气缸中心线垂直的流动，宏观的，
多用于分层燃烧。
– 压缩挤流：在接近压缩终点时，利用活塞顶部和缸盖底面之间的狭小间隙 S（称挤气间隙），将混合气挤入主要燃烧室内，形成涡流。
正好在上止点前达到最大，上止点后还有反挤流运动，因此增大挤流强度可以提高明显燃烧期火焰传播速度，缩短燃烧时间；
而且挤流不会引起充气效率降低，受负荷、转速影响较小，曾是汽油机形成紊流的主要途径。
第五章 柴油机混合气形成和燃烧
§ 5-1柴油机燃烧过程
概述：柴油机混合气的形成和燃烧过程特点
– 1、混合气形成特点：
汽缸内部形成混合气：因柴油不易挥发（馏程 250~350℃ ）必须借助喷射设备在上止点附近（ T,P高）喷入气缸，利用喷雾、加热蒸发和气流的冲击作用形成混合气。
混合气形成时间短，只有 15~35゜ CA,n=1500r/min时只有 1.7ms~4ms
混合气形成不均匀 α=f(x.y.z.t)α=0~∞整个燃烧室 α=0~∞，为了照顾弱者总体过量空气系数 >1.2。导致容积利用率低,PL,me低（傻大黑粗）
混合气形成与燃烧紧密相连边混合边燃烧。
– 2、混合气形成方式：
空间雾化混合，燃料喷入燃烧室空间形雾状混合物。要求喷雾与燃烧室形状配合，并利用气流运动。
油膜蒸发混合，燃料大部分顺气流方向喷到燃烧室上，形成一层油膜，油膜受热蒸发，在旋转气流作用下与空气相混合形成可燃混合气。
现代小型高速柴油机上，燃燃油或多或少会喷到燃烧室上形成油膜因此以上两种混合方式兼而有之，只是主次，多少不同。目前多数车用柴油机以空间雾化混合为主。
– 3、燃烧过程特点
油膜（滴）蒸发扩散为主的混合加热循环，存在缺氧区域－ >裂化、脱氢－ >碳烟生成（冒黑烟）、微粒（ PT）排放增加。
§ 5-1柴油机燃烧过程
燃烧过程概述：
– 分为着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期
– 着火延迟期（又称为滞燃期）：
定义：从燃油开始喷入燃烧室内（ A点）至由于开始燃烧而引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧上升（ B点）。
作用：在着火延迟期内，燃烧室内进行着混合气准备的物理和化学过程。
– 物理过程：燃油油滴加热蒸发扩散气化和混合形成可燃混 合气；
– 化学过程：可燃混合气裂解产生醛类（过氧化物兰炎） CO
兰炎产物是 CO,O,OH,H 等或性中心热炎热爆炸（链引发）。
着火延迟期一般为 0.7~3ms。
主要影响因素为此时燃烧室内工质的状态（如 T,P和燃料种类）。
– Tc↑→ τi ↓
– 十六烷值 ↑→τi ↓
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 速燃期：
定义：速燃期为图 5－ l中的 BC段，即从压力脱离压缩线开始急剧上升
（ B点）至达到最大压力（ C点）。
作用：速燃期内，在着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧
P↑↑，接近等容燃烧,评价参数为平均压力升高率和最大压力升高率
（ dp/dφ） max
Δp/Δφ= [kpa/?CA]
急剧上升的压力冲击燃烧室壁，活塞，曲轴等部件诱发缸盖、缸套、
机体等部件变形，振动并辐射出强烈的噪声。因此（ dp/dφ） max应控制在 0.4~0.5 MPa/?CA以下。（ dp/dφ） max的大小主要与着火延迟期内准备好的可燃混合气的数量有关。
要求：在适宜的压力升高率下越多越好
影响因素（滞燃期内形成的混合气量）：
– 缸内温度、压力＋十六烷值－ >影响滞燃期
– 喷油规律、蒸发速率决定在滞燃期内形成的混合气量
– 蒸发速度
BC
BC PP
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 缓燃期：
定义：缓燃期为图 5－ 1中的 CD段，即从最大压力点（ C点）
至最高温度点（ D点）。
作用：速燃期内未燃烧的燃油和后喷入的燃油在具有大量废气的环境中较慢定压燃烧。一边燃烧，一边活塞下行，缸内压力几乎不变或稍有变化（接近等压过程放热量达 70~80%。燃烧室内的最高温度可达 2000K左右，一般在上止点后 20° ～
35° CA处出现。
特点：缸内废气 ↑,氧气 ↓,燃烧条件不利，边混合边燃烧局部高温缺氧燃料裂解形成碳烟 →冒烟、经济性差 ↓。
所以柴油机均在 α>1的条件下工作，使柴油机容积利用率下降。这是其比质量，升功率不如汽油机的原因之一。
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 补燃期：
最高温度点（ D点）至燃油基本燃烧完（ E点）。
补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的 95％～ 99％时，就可以认为补燃期结束，也是整个燃烧过程的结束。
特点：时间短促，混合气不太均，燃烧放出的热量得不到有效利用，排气温度提高，散热损失增大，
对柴油机的经济性不利。此外，后燃还增加了有关零部件的热负荷。
影响因素：重馏份比例（ T90,T95）
– 因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。
§ 5-1柴油机燃烧过程
燃烧放热规律：
– 瞬时放热速率：指在燃烧过程中的某一时刻，单位时间（曲轴转角）内 单位质量混合气 所放出的热量； kJ/
（ kg·° CA） kJ/(kg·s)
– 累积放热百分比：是指从燃烧过程开始至某一时刻
（曲轴转角）为止混合气所放出的热量与每循环混合气放热量的比值。
– 燃烧放热规律：瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。
燃烧放热规律影响到表征燃烧过程中缸内压力、温度的变化，
决定着影响到柴油机的性能；对了解、分析和改进燃烧过程有 着特别重要的作用（热力过程计算）。
– 不同类型柴油机的放热规律曲线形状不同。
§ 5-1柴油机燃烧过程
dQ B /d φ 放热率 总放热量
Q B b
Ⅰ
Ⅱ
a Ⅲ
典型高速柴油机燃烧过程放热率（累积放热量）
第 Ⅰ 阶段 AB为预混合燃烧阶段,放热率一般都很高,历时 3~7° CA,与速燃期相对应 。
第 Ⅱ 阶段 BC为扩散燃烧阶段,放热率逐渐下降,历时约为 40° CA,Ⅰ -Ⅱ 阶段的放热率约为 80%。
第 Ⅲ 阶段 CD为放热的尾巴,可能延至整个膨涨过程放热量约占 20%。
大量研究表明,开始燃烧时刻,放热规律曲线形状和燃烧持续时间是放热规律三要素,燃烧始点最佳是使 Pmax出现在上止点后 7~8° CA,燃烧持续时间最佳为
40° CA（ 25-30° CA） 。
§ 5-1柴油机燃烧过程
柴油机燃烧过程中存在的主要问题
– 空气利用率低 （不均匀导致的）
混合气形成时间短、只有 15~35° CA 1.7~4ms边燃烧边喷油，油滴易被高温废气包围找不到氧，氧找不到油分子；
所以为保证柴油机燃烧比较完全，必须在 α>1条件工作,α>=1.3左右，即最少有 30%的空气量未能完全利用。使柴油机容积利用率低，强化指标差。
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 燃烧噪声 （ 工作粗暴 ）
主要是因为速燃期压力升高率过大 （ Δp/Δφ>0.4
~0.5Mpa/?CA） 产生燃烧噪声使零件负荷 ↑寿命 ↓称柴油机工作粗暴 。
降低柴油机工作粗暴的根本措施是 ↓Δp/Δφ,主要途径有三：
– ① 缩短着火落后期 φi：选十六烷值高的燃料；提高喷油时缸内温度如增压等,推迟喷油 （ 靠近上止点,减小喷油提前角 ） ；
– ② 减小着火延迟期内喷入的油量 （ 选择合适的喷油规律,先少后多 ） ；
– ③ 控制蒸发速度 （ 油膜蒸发缓和 ） ；
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 排气冒黑烟
缓燃期燃油被高温废气包围：高温缺氧 →裂解 →脱氢 →聚合形成碳烟。
–一般在高负荷时发生如汽车加速，爬坡或超载。
减少冒黑烟的措施：
–①增大过量空气系数 α：改进进气系统 ην↑，减少喷油量降低功率使用。
–②组织相对运动：促使油束分散增大混合范围；
热混合作用；增强缸内紊流。
– ③ 提高喷射压力，促进油束雾化。
§ 5-1柴油机燃烧过程
控制噪声与振动的措施
– 噪声来源主要有三个方面：燃烧噪声（主要部分）、机械噪声、空气动力学噪声
– 关于控制噪声与振动的措施，简述如下：
燃烧噪声：减少工作粗暴的措施
机械噪声：运动件的质量、减少间隙、防止共振、
采用吸振材料
气流噪声：优化进排气道结构，防止截面突变；风扇优化；优化消音器；合理匹配配气相位。
隔震：吸音板、隔震垫等。
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 具体措施如下
1、控制燃烧过程来降低燃烧噪声。例如，减小喷油提前角以适当推迟燃烧，减少在着火延迟期内形成的可燃混合气，调 整喷油规律，在着火延迟期内喷入较少燃油等。
2、改进机体等有关零部件的结构，通过试验和计算分析的方法，在尽可能不增加重量的前提下，提高有关部位的刚度，降 低结构振动的振幅和提高共振频率。
3、为减小撞击力，尽可能减小缸套与活塞之间、轴承、传动齿轮等处的间隙。为减小惯性力，应减小运动件的质量，并在可能的情况下，适当降低活塞平均速度。
4、应用吸振减振材料制造薄板零件，如油底壳、缸盖罩等。
在缸体与油底壳之间、缸盖与缸盖罩之间采用较“软”的垫片，
对振动起到阻尼使用。
5、改进消声器的结构、材料；改进空气滤清器、冷却风扇等的设计以及适当调节配气相位，以降低气体动力噪声。
6、遮蔽噪声源，采用对作为主要噪声源的发动机的局部或整体加隔声罩的方法等。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
燃油供给系统构成及核心部件的作用、分类（自己复习构造书）
喷油泵的作用：定时、定量地经高压油管向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油。
喷油器的作用：将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微小的油粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
一、燃油喷射的几个概念
– 1、喷射过程
定义：供油开始至喷油停止的过程，约占 15° ～ 40° 曲轴转角。图 5-12显示了喷油泵端燃油压力 PH、喷油器端燃油压力 Pn
以及针阀升程 h的变化情况。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
分段：喷射延迟阶段,主喷射阶段,喷射结束阶段
喷油延迟阶段：
– 定义：喷油 （ 泵喷油开始 ） 提前角与供油 （ 喷油开始 ） 提前角的差值 。
– 影响因素：
① 转速升高,喷油延迟角加大；
② 高压油管长,压力波传播时间也长,喷油延迟角也会变大 。
主喷射阶段：
– 定义：从喷油开始到嘴端压力急剧下降所对应的时间或曲轴转角 。
– 影响因素：负荷增加主喷射阶段变长 。
喷射结束阶段：
– 定义：从嘴端压力急剧下降到停止喷油 （ 针阀落座 ）
– 特点：压力降低,所喷燃油雾化不好,造成燃烧恶化
§ 5-2 燃油喷射和雾化
2,供油规律及喷油规 律定义,
（ 1 ）几何供油规律：单位时间 （曲轴转角） 内油泵的供油量随时间 （或曲轴转角） 的变化关系。它纯粹是由喷油泵柱塞的几何尺寸和运动规律确定的。
tf
dt
db
p
（ 2 ）喷油规律：即 喷油速率,
单位时间 （曲轴转角） 内喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间 （曲轴转角）
的变化关系；tf
dt
db
b
§ 5-2 燃油喷射和雾化
– 二者的区别：
① 喷油始点迟于供油始点；
② 喷油持续时间较供油持续时间长；
③ 喷油规律的峰值低于供油规律
– 造成区别的原因：
① 燃油的可压缩性,使系统内产生压力波的传播；
② 高压油管的弹性变形引起容积的变化；
③ 压力波的往复反射和叠加的作用 。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
– 3、不正常喷射现象和穴蚀
（ l）二次喷射：在喷射终了喷油器针阀落座以后，在压力波动的影响下再次升起喷油的现象。
危害,①压力低雾化不良，燃烧不完全，碳烟增多，易引起喷孔堵塞；
②时间长燃烧不及时，经济性下降，零部件过热。
解决措施,①尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动；②合理选择参数，如喷油泵柱塞直径、凸轮廓线、出油阀形式及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径、喷油器喷孔尺寸、针阀开启压力等。
易发工况,高速大负荷（加速、爬坡、超载）
§ 5-2 燃油喷射和雾化
（ 2）滴油现象：在喷油器针阀密封正常的情况下，喷射终了时由于系统内的压力下降过慢使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油流出的现象。
危害,喷射压力极低，雾化奇差，积碳、堵塞喷孔
解决措施,合理匹配减压容积，使得压力下降迅速、残余压力 P0降低
（ 3）断续喷射：由于在某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷油器喷出的油量和针阀上升空出的空间油量之和，造成针阀在喷射过程中周期性跳动的现象。
危害,喷射压力低（雾化不良，燃烧不完全，碳烟增多，
易引起喷孔堵塞）、多次起落磨损偶件
解决措施,合理匹配供油规律、喷油规律及管路结构
§ 5-2 燃油喷射和雾化
（ 4）不规则喷射和隔次喷射：供油量过小时，循环喷油量不断变动甚至出现有的循环不喷油的现象。
危害,循环波动增加、怠速不稳、限制最低稳定转速
易发工况,怠速、极小负荷
改进措施：减少高压油管的容积并提高其刚度。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
– （ 5）穴蚀
在油路中存在压力波动－ >出现极低的压力＋喷嘴处的高温－ >形成蒸汽泡－ >高压回来－ >气泡破裂－ >
形成激波（压力很高，足以破坏金属表面）－ >多次冲击形成小孔－ >破坏配合面及密封。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
燃油的雾化和油束特性
– 雾化：
燃油在喷油泵中被压缩后，经高压油管在高压
（ 20～ 180MPa）、高速（ 100～ 400m/s）的作用下，从喷油器喷入燃烧室。燃油与燃烧室高压空气的相对运动中及紊流的作用下，被逐步粉碎分散为直径约 2～ 50um的液滴，由大小不同的液滴组成了油束。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
– 评价指标（油束特性）：
油束几何形状：
– ①油束射程 L（又称为贯穿距离）；
– ②油束的最大宽度 B；
– ③喷雾锥角 β,标志油束的紧密程度。
– ④贯穿率,一部分燃油喷到了燃烧室的壁面。
雾化质量：
– 细度：用液滴平均直径来表示。直径越小，油束雾化越细。
(SMD表示 )
– 均匀度：油束中液滴大小相同的程度及液滴在油束内分布的均匀程度。 (标准方差表示）
LL,?LL 1
§ 5-2 燃油喷射和雾化
影响油束几何形状的主要因素
– 喷射压力
– 喷孔直径和数量
– 喷油器喷孔的长度直径比
– 空气与燃油密度比
– 空气流动状态等。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
混合气形成
– 机理：利用油（喷油系统）、气（燃烧室、进气道设计带来的涡流和紊流）、室（紊流、缸内的高温、高压气体）三方面的能量 雾化、蒸发形成局部可燃混合气。
– 分类：空间雾化（贯穿度小于 1，无着壁）；油膜蒸发（贯穿度远大于 1，大部分燃油着壁，缓慢蒸发）；二者结合（贯穿度略大于
1，少部分着壁，以空间雾化为主。
燃烧室
– 统一式（直接喷射）燃烧室：由气缸盖底平面、活塞项面及气缸壁所形成的统一空间内，活塞顶上均开有深浅不同、形状各异的 凹坑。
开式燃烧室,dk/D＞ 0.65～ 0.8,dk---喉口直径
半开式燃烧室,dk/D= 0.35～ 0.65
– 分割式燃烧室（非直喷）燃烧室：整个燃烧室分隔在两个空间，
主燃烧室设于活塞顶上，副燃烧室则在气缸盖内，其间用通道相连（通道直径 /D小于 0.1）。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
直接喷射式燃烧室
– 结构特点：整个燃烧室由气缸盖底平面、活塞项面及气缸壁所形成的统一空间内，活塞顶上均开有深浅不同、形状各异的凹坑。
– 开式燃烧室的混合气形成主要靠油束与燃烧室形状配合。不组织空气运动或辅以微弱的空气运动。这种燃烧室空气利用率低，但经济性好，主要用在大中型柴油机上。目前汽车、拖拉机柴油机上多采用半开式燃烧室。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
– 半开式燃烧室的空气流动组织
进气涡流
– 切向气道
气道母线与气缸相切，气道形状较平直，在气门前强烈收缩。气流通过切向气道时速度愈来愈快，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。
优点：结构简单，流动阻力较小
缺点：对气口位置敏感。
– 螺旋气道
把气门座上方的气道内腔做成螺旋形，使空气流经气门座时，一部分在气道内部形成绕气门中心的旋转运动，其强度仅与气道本身结构有关。另一部分近于切向气流、顺着气缸壁绕气缸中心线旋转。
优点：螺旋气道能产生较强的进气涡流。
缺点：制造工艺要求高，调试工作量较大。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
2、挤流
– 燃烧室喉口直径及挤气间隙愈小，则挤流愈强。挤涡流与进气涡流相比，它不影响充气效率，但涡流强度较小，且维持时间短，随着活塞向下运动，很快减弱消失。
– 优点：不影响充气效率，与转速关系不大，在压缩上止点附近达到最大值（正好与喷油配合）
– 缺点：持续时间短，尖角出流动最强燃烧反应剧烈，易造成局部高温、热裂
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
– 以 ω型为代表的半开式燃烧室
特点：
– ①采用 3-5孔喷嘴，依靠燃油在空间雾化来实现；
– ②组织进气涡流，加速混合气形成。
主要结构参数：
– ①； 的大小要与贯穿度，涡流互相配合。
– ②； Vk凹坑内燃烧室容积； Vc压缩容积。
相对散热面小，挤流加强，有利于混合；
65.04.0Dd k ； Dd k
85.075.0CK VV CKVV?
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
优缺点：
– 结构简单，相对散热面积小（即燃烧室表面积和其容积之比小），可以获得较高的经济性。
– 散热面积小，压缩终点温度容易建立，压缩比也较低，约为 15-17。它的低温起动性好。
– 开启压力大 20MPa左右．喷油泵易磨损；
– 滞燃期内形成的可燃混合气量多，压升率高，工作粗暴；
– a较大，全负荷在 1.3以上
– 对转速变化较敏感；
– 燃烧温度较高，空气在高温停留的时间又长，故 NOX排放高，比分隔式燃烧室大 30-50％。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
二、分隔式燃烧室
– 分隔式燃烧室是整个燃烧室分隔在两个空间，主燃烧室设于活塞顶上，
副燃烧室则在气缸盖内，其间用通道相连。
– （一）涡流室燃烧室
1、结构特点
– 副燃烧室容积称为涡流室。一般Vk/Vc= 50~80%，通道截面约为活塞面积的 0.9~3.5％。
– 通道方向与活塞顶成一定的角度并与涡流室相切。涡流室通常由两部分组成，上部与气缸盖铸在一起。下部
（包括连接通道）由耐热钢制成，称为“保温镶块”。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
– 混合气形成特点：
①转速增加涡流增加；
②部分燃油在通道口附近靠近壁面处着火；
③二次涡流（燃烧涡流）进一步混合。
④对燃油适应性好。
– 主要优点：
① a较小，全负荷＝ 1.2～ 1.3，最低可到 1.1，空气利用率较高；
②对喷雾质量要求不高，可用轴针式喷嘴，开启压力较低 12～
14MPa；对燃油系的要求低，减少喷嘴堵塞现象（自清洁）。
③对转速变化不敏感，高速性好，最高转速可达 5000r／ min。
④压升率较低，运转平稳；易于调试；使用性能稳定。
– 主要缺点：
①相对散热表面积较大；
②气体二次经过通道节流，流动损失也较大；
③冷起动性差，压缩比为 18～ 23，需要起动辅助装置。
④通道口热负荷很高，容易引起热裂等毛病。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
（二）预燃室燃烧室
– 构造特点：
燃烧室由两个部分组成 Vk/Vc=30～ 40％
预燃室和主燃室用一个或几个小孔（或称喷孔）相连通，小孔总截面积与活塞截面积之 比只有 0.25～ 0.7％。喷油器安装在预燃室中心线附近。
– 混合气形成特点：
①压缩紊流；②燃油喷入预燃室避免与气流正面相撞；③气流将一部分小油粒带向预燃 室的上方形成火源。
– 主要优点：
① a较小，全负荷＝ 1.2～ 1.3，最低可到 1.1，空气利用率较高；
②对喷雾质量要求不高，可用单孔式喷嘴，开后压力较低 12～ 14MPa；对燃油系的要求低，减少喷嘴堵塞现象。
③对转速变化不敏感，高速性好，最高转速可达 5000r／ min。
④压升率较低，运转平稳；排气污染小，易于调试；使用性能稳定。
– 主要缺点：
①流动损失大，散热面积大，散热损失亦较大经济性差，耗油率高。 250～ 285 g／
（ kw.h）。
②冷起动困难。压缩比较高，一般为 18～ 22，需要起动辅助装置。
③低转时噪声大。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
三、燃烧室比较
– ①直喷式：热效率高，省油。问题是对转速较敏感，噪声高；
– ②球型：发展趋势不大，主要是性能难于稳定，低速性能不好。
– ③涡流室：高速性能好，升功率较大，适合小缸径。缺点是经济性差，耗油率较高。起动困难。
– ④预燃室：对燃料供给系要求最低，生产、保养较易。
用于 n＞ 2500～ 3000r／ min的小型高速柴油机上。其能量损失大，耗油率高，起动性差，怠速噪声大。
选择燃烧室时主要的依据是缸径、转速及使用要求，
并要考虑当前制造和使用水平。
§ 5- 4运转因素对燃烧过程的影响
一、燃料性质的影响：
– 十六烷值和馏程是影响燃烧的重要因素。
十六烷值增加工作可以柔和。
馏程燃油易于蒸发和空气混合，缩短着火的物理准备时间。
– 如果燃油的十六烷值较高，但其蒸发性不好，就会造成燃油来不及蒸发，在高温下裂解成炭烟。反之，如果燃油的馏程较低，而着火性能差，也会在着火延迟或中形成大量可燃混合气，着火后一起燃烧，使柴油机工作粗暴。因此，燃油的十六烷值及馏程均要适当，
互相配合。一般高速柴油机燃油的十六烷值大致为
40～ 50，馏程为 200～ 350° C左右。
§ 5- 4运转因素对燃烧过程的影响
二、负荷的影响
– 负荷增加空气量基本不变，循环供油量增加，过量空气系数下降，不完全燃烧现象会增加，
热效率降低，燃烧恶化，排气冒黑烟；
– 缸内温度上升，缩短着火延迟期，使柴油机工作柔和。
– 负荷很小时，由于散热损失相对增加，指示效率稍有下降。
§ 5- 4运转因素对燃烧过程的影响三、转速的影响
① 散热损失与漏气损失减小?,以时间计的?
i；
n 喷油压力 改善燃油的雾化，但以曲轴转角计?
i
。
②
v
b
g 燃烧占曲轴转角加大
i
。
n 涡流弱? 喷油压力低，雾化混合不好，漏气损失和散热损失
i
。
§ 5- 4运转因素对燃烧过程的影响
四、供油提前角的影响。
– 过大的供油提前角会增加压缩负功，使油耗增高，功率下降。
– 供油提前角太小，则燃油不能在上止点附近迅速燃烧，补燃增加，
虽然压升率及最高压力较低，但排气温度增加，冷却系热损失增加，热效率显著下降。
– 最佳供油提前角，此时功率最高，耗油率最小。但往往噪声和污染较大。故选择柴油机供油提前角须根据机型、转速、油耗、排污以及噪声等由试验确定。其大致范围是上止点前 15～ 35° CA。
,汽车拖拉机发动机,董敬 （教材）
,汽车构造,（上册） 陈家瑞 机械工业出版社 2001
,工程热力学,陈贵堂 北京理工出版社 1998
,内燃机学,周龙保 机械工业出版社 2004
,内燃机原理,蒋德明 中国农业机械出版社 1988
,内燃机原理,刘永长 华中理工出版社 1992
教师信息
信息
– 韩永强 13604409792 hanyq@jlu.edu.cn 471738860
讲课缺点
– 内容多（重点不突出）；思维跳跃（容易跑题）；板书乱、语速快
拟改正方法
– 每章后给大家电子版讲义；挑重点讲（常识性的，考试的）
奖励
– 笔记，不考勤（若强烈要求），不计入成绩（即使强烈要求）
目标：
– 希望大家能了解更多的发动机基本和前沿知识并成为大家的朋友讲授主线及分值分布
提出发动机的 性能指标 （ t,i,e）,工作循环历程,各种指标的 计算方法 （一二章） 20-25分；
介绍 燃料特性,燃烧机理,燃烧反应热化学计算,
明确为何分为汽油、柴油两种（三章）,10-15；
据燃料特性讲授汽油机、柴油机的 混合气形成,燃烧组织 方式，相应的 结构措施,各个 参数 对燃烧、
性能的 影响规律 （四五章） 25-30；
综合上述知识讲授发动机实际工作中的特性及各种运行指标对特性的影响（六章） 25-30分；
有害物排放与控制简介（前沿技术简介） 5-10分。
第一章 发动机的性能指标
定义及意义
– 评价发动机优劣的 依据 （优秀学生干部；超女、亚姐；帅哥 VS好发动机）
按来源分
– 理论指标：基于理论循环得出的动力性、经济性指标 ；
– 指示指标：基于缸内实际循环得出的动力性、经济性指标 ；
– 有效指标（实用指标）：发动机实际运行中所表现出的各种性能指标。
按评价内容分
– 动力性,Pe Ttq n
– 经济性指标,热效率,b,B；
– 排放指标,NOx,PM,CO,HC，臭味
– 运行指标,冷启动、噪声、
– 加工工艺,可靠性、耐久性、成本
决定因素：工作循环过程（燃烧组织）,后处理第一章 发动机的性能
发动机优劣对比 （综合性）
Benz W12 (20/Y) S195 (2W/Y)
动力性 160kW 14kW
经济性 197g/kWh（ 30L/h） 230g/kWh（ 2L/h)
排放 欧 IV(0.32kg/h) Nox，
2g/kW.h
欧 -5？ (0.21kg/h)
15g/kWh
使用特性 35W 2.5K
$1.1 发动机理论循环
理论循环的定义（ What,How,Why）
–在 一定的简化条件 下将发动机的实际工作循环 按燃烧过程不同 抽象为几种典型的热力学可描述的过程,
用于 获得某些的性能评价指标及各种参数对该指标的影响规律 。
$1.1 发动机理论循环
简化条件
– 封闭循环
排气、吸气过程为 定容放热,无物质交换；
– 绝热
压缩过程、膨胀过程为 绝热 （ 等熵 ）,不考虑传热损失；
– 热源加热
燃烧过程为瞬时热源加热（定容或定压）,不考虑燃烧过程的时间损失；
– 理想工质
工质为空气,不考虑成份变化及数量变化；
– 可逆过程
循环中无能量的损失只有能量的转换，总熵产为 0，
可用热力学的循环来表示。
$1.1 发动机理论循环
分类（燃烧 +几种）
– 定容循环 （汽油机）
燃烧迅速、上止点（定容：余隙容积）加热。
– 定压循环 （大型柴油机）
上止点后燃烧、加热缓慢，放热量导致的压力增加与容积增大引起的压力下降抵消，压力维持不变。
– 混和循环 （车用高速柴油机）
一部分（预混和燃烧）定容燃烧、一部分（扩散燃烧）定压。
$1.1 发动机理论循环
典型热力学过程表达形式,P - V 图,T - S 图状态方程（理想气体）,n R TPV?,P 为压力,V 为体积,n 气体的摩尔量,R 与气体成份相关的热力学常数,T 温度典型热力过程在 P - V,T - S 图中的表现及特点
T - S 图中定容过程 曲线的斜率：
vC
TdSdT?；定压过程 曲线斜率,
pC
TdSdT?；因为
CvCp?
所以定容曲线陡峭，而定压过程曲线较平缓。
对于 P - V 图等熵过程
KK
V
V
PPCPV )(
2
1
12 即； 等温过程,CPV?,等温斜率小可能涉及到的热力学过程为：等熵,等温（燃烧温度控制,NOx、
热负荷）,定容、定压
$1.1 发动机理论循环
典型热力学过程
$1.1 发动机理论循环
理论循环历程 （板书）
– 等熵（绝热）压缩,a-c
– 工质加热（理想燃烧过程） c(-z‘)-z
– 等熵（绝热）膨胀,z-b
– 定容放热（理想换气过程）,b-a.
$1.1 发动机理论循环
可得到的指标动力性,理论循环平均压力 tp,单位汽缸工作容积所做的理论循环功
stt VWp?
＝
sV QQ 21?
(J/ 3m ) [ M Pa]
Wt
$1.1 发动机理论循环
可得到的指标经济性,循环热效率（ t? ）,工质所做的循环功 W （ J ）与循环加热量 Q 1 之比。
Q2
Q1 Q1
Q2
1
2
1
21
1
1 QQQ QQQW tt
$1.1 发动机理论循环
各因素对性能的影响 （掌握例题即可）
解析方法及公式,
基于 a 点相同,Q 1 相同（特殊情况除外）,其余参数不变（若有可能） 的 T - S,
P - V 图（尤其是 T - S 图）进行分 析,
1
2
1
21
1
1
Q
Q
Q
Q
W t
t
2
1
2
S
S
dSTQ
（定容放热线下方面积）
T - S 图中定容过程 曲线的斜率：
vC
T
dS
dT?；定压过程 曲线斜率,
pC
T
dS
dT?；因为
CvCp?
所以定容曲线陡峭，而定压过程曲线较平缓。
对于 P - V 图等熵过程
KK
V
V
PPCPV )(
2
1
12
即； 等温过程,CPV?,等温斜率小
$1.1 发动机理论循环
压缩比影响分析方法（以混和加热循环为例）
设 a 点相同（进气终了状态一样），循环加热量 Q
1
相同 （即 Q1 ’,Q1 ’’ 均相同） 。
据上图有（ Q
2
）
1
> （ Q
2
）
2
&
1
2
1
21
1
1
Q
Q
Q
Q
W
t
t
& Q1=C
有
t,2?
>
t,1?
，可见理论循环热效率随压缩比的增加而提高。
并不是压缩比越高越好。 当压缩比超过 16 以后随压缩比的增加热效率上升缓慢。
$1.1 发动机理论循环
压缩比影响无论任何循环模式有 t 。
对于汽油机压缩比一般小 于
1 4 （主要受到爆震 限制），提高压缩比有潜力；柴油机压缩比一般大于 18 （保证可靠压燃），若过度提高压缩比得不偿失（平坦,Pz? 热负荷、
机械负荷、噪声?,）。
$1.1 发动机理论循环
绝热指数 K
理论循环热效率随绝热指数的增加而提高。
K取决于工质性质，对于双原子分子（空气） K=1.4，多原子气体 K=1.33，发动机的混和气 K=1.32～ 1.4。
柴油机热效率高的四个要素压缩比高、混和气绝热指数高、
泵气损失小、燃烧完全。
$1.1 发动机理论循环
三种循环效率对比压缩比＝ C,Q
1
＝ C
Q
2,V
<Q
2,m
<Q
2,p
―― >
vt,?
>
mt,?
>
pt,?
$1.1 发动机理论循环
三种循环效率对比
Pz ＝ C,Q
1
＝ C
Q
2,V
>Q
2,m
>Q
2,p
―― >
vt,?
<
mt,?
<
pt,?
$1.2 发动机实际循环
组成（四行程）
– 进气、压缩、燃烧、膨胀和排气。
表达方式
– 通常用气缸内工质的压力随气缸容积（或曲轴转角）的变化图形 P— V图（或 P— Φ ） 图来表示，称为示功图。 (T-S图不适用，不可逆）
$1.2 发动机实际循环
示功图分析 （功的走向）
c z bbbi
- -- - 工质对活塞做的功；正功。
rrabr 1
- -- - 泵气损失；增压机：正功；非增压机：负功
$1.2 进气过程（ r－ a）①作用：吸入新鲜工质，为加入 Q 1 作准备；
②特点：
0 a
a 0
克服进气系统阻力,
0 a
0 a
缸内残余废气加热；
高温机件加热；
汽油机，进气预热。
引起进入的新鲜气体变少，导致充气效率（充量系数） <1 。
参数范围 及可评价性能进气终点的压力 P a 进气终点的温度 Ta,
汽油机 Pa= （ 0,8 ～ 0,90 ）
0?
T a= 340 ～ 3 80K
柴油机 Pa= （ 0,85 ～ 0,95 ）
0?
。 T a=3 00 ～ 34 0K
增压柴油机 Pa= （ 0,9 ～ 1,0 ）
T a=3 20 ～ 38 0K
汽车发动机增压压力
= （ 1,3 ～ 2,8,4,0 ）
0?
柴油机无节气门、进气阻力小且无 进气加热所以 Pa?,Ta?,充量系数 v
$1.2 压缩过程（ a－ c）
①作用,增大工作过程的温差；增大膨胀比，提高热 功转换效率；为燃烧过程创造有利的条件；柴油机，
压缩高温是保证混合气形成及 着火的必要条件。
② 压缩比：
c
a
V
V
C
S
c
cs
V
V
V
VV
1
范围,
汽油机? =7 ～ 10
柴油机? =14 ～ 22
增压柴油机? =12 ～ 15
$1.2 压缩过程（ a－ c）
③特点：多变过程。
开始，
工质壁
，工质吸热,n ˊ
1
＞ K ；
某一瞬间 T
璧
=T
工质
,n ˊ
1
=K ；
后期，由于 T
璧
＜ T
工质
,n ˊ
1
＜ K 。
但在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数则来取而代之,n
1
称为平均压缩多变指数。
n
1
的范围,
汽油机 n
1
=1,32 ～ 1,38
高速柴油机 n
1
=1,38 ～ 1,40
增压柴油机 n
1
=1,35 ～ 1,37
④ n1 的影响因素,
n
1
主要受工质与缸壁间的热交换及工质泄漏情况的影响。
当转速 n ↑→向缸壁的传热量及气缸泄漏量减少 n
1；↑
当负荷↑→气缸温度增高及相对的传热量和泄漏量减少 n
1
↑；
$1.2 压缩过程（ a－ c）
⑤ 压缩终了的参数 及可评价性能
Pc (M P a) Tc ( K)
汽油机 0,8 ～ 2,0 60 0 ～ 75 0
柴油机 3,0 ～ 5,0 75 0 ～ 10 00
增压柴油机 5,0 ～ 8,0 90 0 ～ 11 00
压缩终了压力 P c 可以用于检测气缸泄露情况。用缸压表在要求转速下测量压缩压力，若低于某一阈值则必须换活塞环或采取别的措施。
柴油机压力、温度高于汽油机原因为压缩比高、绝热系数大
$1.2 燃烧过程（ C-Z）
①作用,（ c － z 线）将燃料的化学能转变 为热能，使工质的压力、温度升高。放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。
②要求,燃烧完全、及时。
③ 参数 范围,
P z ( MPa ) T z (K )
汽油机 3.0 ～ 6.5 2200 ～ 2800
柴油机 4,5 ～ 9,0 1800 ～ 2200
增压柴 9,0 ～ 14,0 1 9 00 ～ 2 1 00
④ 参数比较,
柴油机 ε 大 － >P z ↑ 汽油机 混合气热值高、燃烧温度高－ >Tz ↑
$1.2 膨胀过程（ Z-B）
①作用：热向功转换。
②特点,多变过程，比压缩过程更为复杂，除有热交换和漏气损失外，还有补燃等现象。
开始,有补燃对 工质 加热 > 向缸壁散热，
工质 吸热
kn?2?； 某一瞬间 工质达到热平衡,
2n?
=k ；
此后，由于 工质向缸壁散热多,n 2 ˊ＞ k 。
如同压缩过程一样，为简便起见，
在计算中常用一个不变的平均膨胀多变指数 n 2 来取而代之。
$1.2 排气过程（ b－ r）
①作用,将气缸内的废气排除，放出
2Q
为下一循作准备。
②特点：
0 r
0 r
用来克服 排气系统有阻力,
排气 终了的压力 Pr 愈大，说明残留在气缸中的废气就愈多。
排气温度 Tr 低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进行得好。排温 Tr 偏高，应立即查明原因。
③ 参数范围,
排气终了的压力（ M Pa ）、温度（ K ）是汽油机和柴油机 P
r
= （ 1.05 ～ 1.2 ） P
0
汽油机 T r = 9 0 0 ～ 1 100
柴油机 T r =700 ～ 900
$1.2 指示指标
指示指标用来评定实际循环质量的好坏，
以工质在气缸内对活塞做功为基础。
用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性 —— 即做功能力。用循环热效率及燃料消耗率评定循环的经济性。
分类动力性指标,循环指示功 iW,平均指示压力 mip,指示功率 Pi
经济性指标,指示燃料消耗率 bi 和指示热效率 i?
$1.2 动力性指标
循环指示功 Wi（ kJ）：一个实际循环工质对活塞所做的有用功 。
平均指示压力 pmi (MPa)：发动机单位气缸工作容积 (L)一个循环所做的指示功。
计算方法：
– 测取示功图（ P- Φ ），利用数值积分方法进行计算。
4;
2 SD
VVWp s
s
i
mi
d
d
dV
pW i 7 2 00
$1.2 动力性指标
mip
的范围,
汽油机 0,8 ～ 1.5 M P a
柴油机 0,7 ～ 1.1 M P a
增压柴油机 1 ～ 2.5 M P a
$1.2 动力性指标
3 指示功率
i?
,
指示功率 P i （ M P a ）：发动机单位时间所做的指示功。
i?
=
30
...2
60
niVp
i
n
W Smii?
[? w]
式中 W i —— 指示功（ kJ ）；
Vs —— 气缸工作容积（ L ）；
τ —— 行 程数。 四行程 τ = 4 ；
二行程 τ =2 ；
n —— 发动机的转速（ r ／ m in ）；
i —— 发动机的气缸数。
$1.2 经济性指标
1,指示燃料消耗率 b i（简称指示比油耗）,单位指示功的耗油量 通常以每千瓦小时的耗油量表示［ g/ （ k w,h ）］
3
10?
i
ib
hW
g
.
B — 每小燃油消耗量
h
g
2,指示热效率
i?
：实际循环指示功 W i 与所消耗的燃料热量
iQ
之比。
i
i
i
Q
W
$1.2 经济性指标
热效率与燃油消耗率的关系
– 一小时所作的指示功为 Pi× 3.6× 103（ kJ）
– 一小时所消耗的热量为 B× hu（ kJ）
– 则热效率 =Pi× 3.6× 103/(B× hu),hu（ kJ/kg）
– 因为 bi＝ B/Pi× 1000
– 所以有 Pi/B＝ 1000/bi
– 则有热效率＝ 3.6× 106/（ bi× hu）
$1.3 机械损失
定义
– 发动机实际循环所做的指示功不可能完全对外输出，功在发动机内部转化过程中必然会有所损失，所消耗在发动机内部的这部分功称为机械损失。用 Pm,pmm表示。
memimm ppp
eim
30
..,niVp smm?
$1.3 机械损失
组成
①,摩擦损失,活塞及活塞环连杆、曲轴轴承 62~ 75 % 。
配气机构
②,驱动附件损失 水泵风扇 1 0 ~ 2 0 %
机油泵电器设备空调（可选）
③,泵气损失 10~ 20%
机械效率 m?,发动机实际输出的功（有效功）与指示功的比值。
mi
mmmi
mi
me
i
mi
i
e p ppppP PPPP＝
m? p m i
p mm
i
m 11
$1.3 机械损失
测定方法
1,倒拖法发动机与平衡式电力测功器相连。在稳定工况，当冷却水和机油温度到达正常值时，立即切断供油（柴油机）或停止点火（汽油机），同时将电力测功器转换为电动机，倒拖发动机，并尽可能维持冷却水和机油温度不变。电力测功器所 测得的倒拖功率，即为机械损失功率。
缺点,① 必须使用平衡式电力测功器；
②没有燃烧，压力低 摩擦损失小；
③由传热、压缩线和膨胀不重合负功
④由于强制排引起泵气损失增加。
⑤ 也不可用于增压机对于柴油机由于? 大，误差大可达 15~20 %
对于汽油机? =6~7,误差在 5% 左右。
$1.3 机械损失
测定方法
2,灭缸法热车 测定其有效功率 Pe ；然后 灭 一个气缸（例如第一缸）供油，并调整测功器，
使 发动机 回 复到原来的转速，再测定发动机的有效功率
1e?
。两者之差即为停油气缸的指示功率。 依次使各缸熄火，即可测得对应的有效功率
2e?
、
3e?
。
于是可得各缸的指示功率为,
11 eei；
22 eei
将上列各式相加得整机指示功率为
2121 eeeiii i； 式中 i —— 气缸数。
因此，整机的机械损失功率
eim；
211 eeem i
缺点,对汽油机，由于停缸会使进气情况改变，往往得不到正确结果也不能用于废气涡轮增压发动机 （增压状态改变）
不可用于单缸机
$1.3 机械损失
测定方法
3,油耗线法（又称负荷特性法）
施用前提,指示热效率不变，机械损失功率不变柴油机工作接近这个前提,当 n 不变时，在中小负荷，柴油机的耗油量与指示功率几乎成正比关系。而且
m?
和
i?
不随负荷变化。
某一负荷：
meih 3106.3
空转时：
mih
3106.3?
B
两式相除：
mm
mmme
m
me
p
pp?
即油耗线延长交横坐标相交于 F 则
FO 即为机械损失功率。
缺点：不实用于汽油机
$1.3 机械损失
测定方法
– 4、示功图法
热车
测取 Pe
同时测示功图，计算出 Pi
据公式机械效率＝ Pe/Pi可直接求出所有项目
缺点：实验系统复杂昂贵、需在缸盖上打孔
优点：可适用于任何机型
$1.3 机械损失
影响因素
1,转速 n （或活塞平均速度 Cm ）
发动机转速上升（ Cm 随之加大），致使,
1 ）各摩擦副间相对速度增加，摩擦损失增加。
2 ）曲柄连杆机构的惯性力加大，活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加。
3 ）泵气损失加大。
4 ）驱动附件消耗的功多。
一般有 p mm? n ； Pe? n ； Pm? n
2
因此，
men?mP，
。
$1.3 机械损失
影响因素
– 2．摩擦损失
在机械损失中，摩擦损失所占比例最大，达 70％左右。
– 活塞组件 (活塞环、活塞裙部和活塞销 )。
减少措施：减少活塞环数目；减薄活塞环厚度；减少活塞裙部的接触面积；在裙部涂固体润滑膜等。
– 曲轴组件 （主轴颈、连杆轴颈或平衡轴颈及其密封装置） 。
一般润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比。
减少运动件的惯性质量，如减小活塞、活塞销、连杆的质量，可降低轴承负荷并可使轴承宽度和轴径减小。
– 配气机构
减小配气机构运动件质量，降低弹簧负荷，在摇臂与凸轮接触面处加入滚动轴承等。
– 减少措施：相对运动件的接触面积、接触形式（滑－滚）；配合面的加工精度、润滑情况；运动件的质量，配气机构的弹簧刚度。
$1.3 机械损失
影响因素
3,润滑油品质和冷却水温度摩擦损失 ↑ 保持液体油膜大 承载能力 ↑
（ 1 ）机油粘度小 摩擦损失 ↓
承载能力 ↓→油膜易破→干摩擦→损失↑
选用机油粘度的基本原则是,尽量选用粘度较小的。
① 当发动机强化程度高,轴承负荷大时,要选用粘度较大的用油 ;
② 当转速高,配合间隙小时,需要用油流动性好,宜选用粘度较小的用油。
③ 旧机器,轴承间隙较大,应选 用粘度较大的用油。
（ 2 ）冷却水温 直接影响机油温度,机油 温度升高粘度下降,油温和水温应保持在 80 ~95 ℃范围内。
$1.3 机械损失
影响因素（负荷 ）
① 柴油机
n 不变,a 泵气损失基本不变；
b 驱动附件损失基本不变；
c 摩擦损失基本不变。
当负荷 ↑→ Pi ↑,Pm 不变，
i
m
m
1?；
空转时
im
,
0 e
0 m?
②汽油机 量调节、负荷 ↑→ 油门开大 → 泵气损失 ↓
Pm 基本不变
P Z ↑→ 摩擦损失 ↑
空转 时
mp
0?m?
$1.3 机械损失
影响因素
5,气缸直径及行程根据试验，机械损失 平均压力 p mm 与缸径、行程的大致关系为
Pm
mD
SD
K
（经推导可知 在 pm i 不变的前提下,Pi? 2DS? ）
式中 D —— 气缸直径；
S —— 活塞行程；
D m — — 曲轴的平均直径；
K —— 与气缸数和转速有关的常数。
当气缸工作容积一定，而行程、缸径比（ S ／ D ）减小时，例,因活塞平均速度 Cm 值和 相对摩擦面的 A ／ V 值均有所下降，所以机械效率提高。
$1.4 有效指标
定义
– 发动机经济性和动力性指标是以 曲轴对外输出的功率为基础获得的，代表了发动机整机的使用性能性能，
通常称它们为 有效指标 。
分类
– 动力性,Pe,Ttq,n,Pme
– 经济性,be、
– 强化指标,PL,me、强化系数
e?
$1.4 有效指标
动力性指标
1,有效扭矩
tq?
,曲 轴输出的扭矩 （可以实测） 。
n
e
tq
9 5 5 0mN,
2,发动机转速 n,曲轴每分钟转数 [r /m in ] （可以实测）
3,有效功率
e?
：曲轴对外输出的功率，称为有效功率
mie 3101047.0
9550
.
100060
...2?
n
nn
tq
tqtq?
由功率＝扭矩×角速度 （ MP ） 推导出来 。
$1.4 有效指标
动力性指标
4,平均有效压力
mep
( M P a ）：单位气缸工作容积输出的有效功。
s
e
me
V
W
p?
30
..,niV sme
e
[? w]
niV
s
e
me
..
30?
3
1030
.
1 0 4 7.0
s
tq
Vi
..
14.3
iV
s
tq
（ M P a ）
mep
值大，说明单位气缸工作容积对外输出的功多，做功能力强。是评定发动机动力性的重要指标。
范围,
汽油机 0,7 ～ 1.3 M P a
柴油机 0,6 ～ 1.0 M P a
增压柴油机 0.9 ～ 2.2 M P a
柴油机为了保证燃烧充分，空燃比很大，混合气热值低、循环加热量 Q1
低，所以其平均有效压力低。增压后每循环所吸入的混合气量增加，
mep
增加。
$1.4 有效指标
动力性指标
4,转速 n 和活塞平均速度
mC
n 单位时间的做功次数
e
，但n 活塞平均速度
30
,nS
C m
惯性力?,磨损加剧,寿命下降,式中 S —— 活塞行程（ m ）
mC
为表征发动机强化程度的参数。 一 般汽油机〈 18m / s,柴油机〈 13m / s 。
为了提高转速又不使
mC
过大，可减小行程 S,一般用行程缸径比（ S / D ）表示。
但 S / D 值小也会造成燃烧室高度减小,其表面积与容积的比 A / V 值增大，不利于燃烧。当 S / D ＜ 1 时，常称为短行程。
范围,n （ r / m in ）
mC
（ m / s ） S / D
小客车汽油机 5000 ～ 8000 12 ～ 18 0.7 ～ 1.0
载货车汽油机 3600 ～ 4500 10 ～ 15 0.8 ～ 1.2
汽车柴油机 2000 ～ 5000 9 ～ 15 0.75 ～ 1.2
增压柴油机 1500 ～ 4000 8 ～ 12 0.9 ～ 1.3
$1.4 有效指标
经济性指标
1,有效热效率
e?
,有效功
eW
（ J ）与所消耗燃料热量 Q
l
之比值。
6
1
10
6.3
hbQ
W
e
e
e
2,有效燃料消耗率 be,单位有效功的耗油量（简称耗油率）。
1000
e
e
P
B
b
［ g / （ kw,h ）
式中 B —— 每小时的耗油量（ kg ／ h ）；
P e —— 有效功率（ kw ）。
e?
b e [ g/ （ k w,h ） ]
汽油机 0,2 5 ～ 0.3 27 0 ～ 325
柴油机 0,3 ～ 0.45 19 0 一 285
（ be 和
e?
二者的关系在推导时引入一个一小时所消耗的燃油热量和一小时所做的有效功，二者相除及为有效热效率，再进行单位换算及公式叠代即可推出，建议大家推导一下）
$1.4 有效指标
强化指标
① 升功 率
L?
（ k W ／ L ）是发动机每升工作容积所发出的有效功率。
3030
..
.
n
iV
niV
iV
me
S
Sme
S
e
L
可见，提高 P L 的主要措施是提高 P m e 和 n 或减少冲程数 。衡量发动机容积利用的程度。 目前，比赛用摩托车、赛车均采用短行程的高速发动机。
② 比质量 m e （ kg ／ kw ）是发动机的干质量 m 与所给出的标定功率之比。
它表征质量利用程度和结构紧凑性。
e
e
m
m
③ 范围,
P L （ kW ／ L ） m e （ kg ／ kw ）
汽油机 3 0 ～ 70 1.1 ～ 4.0
汽车柴油机 18 ～ 30 2.5 ～ 9.0
拖拉机柴油机 9 ～ 15 5.5 ～ 16
$1.4 有效指标
强化指标
2,强化系数
me?
·
mC
平 均有效压力
me?
与活塞平均速度
mC
的乘积称为强化系数。 它与活塞单位面积的功率成正比。 其值愈大，发动机的热负荷和机械负荷愈高。
4
30
30
2
D
i
P
Vi
SPnS
nVi
P
CP
e
s
e
s
e
mme
大致范围,
汽油机 8 ～ 17 [ M p a.m /s]
小型高速柴油机 6 ～ 1 1 [ M p a.m /s]
重型汽车柴油机 9 ～ 15 [ M p a.m /s ]
第一章 发动机的性能指标
知识点回顾
– 理论循环
定义、简化条件、分类、可得到的指标、影响因素
– 实际循环
组成，各阶段特点、要求，不同参数的汽油柴油机对比，可得到的指标，各指标的计算方法。
– 机械损失
定义、组成及比例、测定方法、影响因素。
– 有效指标,
定义、分类及计算公式、强化指标的对比。
第二章 发动机换气过程
一、概述
– 作用
尽可能排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质（尽量增加每循环进入气缸的新鲜工质量（ m1）），从而提高功率及强化指标
– 对性能影响
影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒适性等。
– 要求
尽可能合理地延长换气时间：发动机换气过程包括排气过程和进气过程。理论上进排气各占 180° （合计 360 ° ）曲轴转角。
实际上由于发动机转速高，一个行程的历时只有 60/5600*2＝ 0.0054s
时间短充气不足，排气不净。要尽量延长进、排气时间（换气过程 )
即扩大进、排气的曲轴转角。
– 组成：
从排气门开启进气门关闭的整个时期，约占 410o～ 480o曲轴转角。一般分作 自由排气,强制排气,进气 和 气门叠开 四个阶段。
二、几个概念
一） 配气定时（配气相位）图
– 进、排气门开、闭相对于曲轴转角的时刻称为配气定时（相位），用相对上、下止点的曲轴转角的环形图来表示则称为配气定时图。
二、几个概念
一） 配气定时（配气相位）图
– 作用：
①在活塞上行时排气门有足够大的开启面积，减小排气阻力；
②减小活塞上行时的阻力（强制排气损失－负功）；
合理匹配可以减小泵气损失。
③高温废气迅速排出可减小发动机热负荷；
1,排气提前角 30 o ～ 80 o,
从排气门打开到下止点这段曲轴转角。
二、几个概念
一） 配气定时（配气相位）图
– 作用
利用压力差和废气流惯性尽可能排净出废气。
– 作用
在活塞下行时进气门有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入气缸； 冷却燃烧室壁面以降低 Ta(实际 P—V循环图中 a点，
即压缩初始时刻的温度 )，提高充气效率。
2,排气 迟闭角 10 o ～ 35 o,
从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角。
3,进气提前角 0 o ～ 40 o,
从进气门打开到上止点这段曲轴转角。
二、几个概念
一） 配气定时（配气相位）图
– 作用：
利用高速气流的惯性和压力差在下止点后继续充气，增加进气量。
– 作用：
4,进气门迟闭角 40 o ～ 70 o,
从下止点到进气门关闭这段曲轴转角。
5,气门叠开? +?,由于排气门的迟闭和进气门早开存在进、排气门同时开着的现象，称为气门叠开。
扫气作用 清除残余废气,减小残余废气系数；
降低高温零件的温度 （即减小残余废气系数、降低 Ta 提高
V?
）
但 要保证 不应产生废气倒流现象。
二、几个概念
二）换、泵气损失
– 图例
X,k-a-k’-k
Y,r-k’’-r’-k-k’-a-r
W,b-b’-r-b
d,r-k’’-k’-a-r
X：吸气损失 Y：强制排气损失
W：自由排气损失二、几个概念
二）换、泵气损失
1、定义
– 换气损失,实际换气过程相对于“准”理论循环换气过程所损失的部分（缺失或负功）。
W+Y+X
– 泵气损失,体现在实际循环中且为负值的换气损失部分。
X+Y-d
– 换气损失的优化
合理匹配排气提前角使得 W+Y取得最小值。
三）充气效率
1、定义
– 充气效率,实际进入气缸的新鲜工质量 m1与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量 ms的比值。
2、测量方法
– 利用空气流量计测出发动机实际进气量 M1（ kg/h）
– 计算该工况的理论进气量 Ms（ kg/h），二者之比即是。
二、几个概念
v?
Sssss in V
niVm 3060
2
一）排气过程
1,自由排气
– 定义,从排气门打开到气缸压力接近排气管压力所对应的阶段。
– 分段及详解
前期（超临界排气）,Pb/Pr>1.9，废气以声速流经排气门口，
与压差无干。 C=（ KRT） 1/2,400-800° C时,500m/s-700m/s
中期（亚临界排气）,1.9>Pb/Pr>1，流速低于音速且取决于压差。
结束阶段,Pb与 Pr趋于一致，废气不能自由排出，需活塞上行推出废气。
– 特点
排出废气量与工况（尤其是转速）无关仅取决于缸内状态及排气管阻力（结束标志为压力平衡）。
时间极短但有近 60％的废气在此阶段排出。
三、换气过程详解
一）排气过程
2、强制排气
– 定义,克服排气系统阻力活塞强制推出废气。
二）进气过程
– 定义,活塞下行、缸内容积增加、缸内压力下降、环境压力－缸内压力 >进气系统阻力，吸入新鲜工质。
– 特点：
初期缸内容积增加、压差不足不进气，进气系统压力急剧下降
（表现为图中的 r’k段）。
压力下降到压差 >＝进气阻力后压力几乎不变。
三、换气过程详解
一、充气效率影响因素确定
一）、图例第二节 四行程发动机充气效率
二）、公式推导一、充气效率影响因素确定
1,设进气完成后缸内残余废气质量为
rm
，进入新鲜工质质量为
1m
，则进气终了缸内总工质质量
ra mmm 1
，令 残余废气系数
1
m
m
r
。则有
1m
=
r
m
a
1
。
2,令进气终了时汽缸内的总容积
'
aV
（有效进气容积） 与汽缸总容积
aV
的比值为
<1 （因为进气迟闭角，此容积小于 ）
3,有
s
ss
s
a
aa
a
ss
aa
s
a
s
v
V
TR
P
V
TR
P
rVr
V
rm
m
m
m
1)1()1(
'
1
4,因为 PV ＝ mR T,有 P /R T= m/ V ＝； V a /Vc =
,Vs/Vc = (V a - V c )/Vc =
5,将 3 式份子分母同除以 Vc,且对于理想气体有 Ra 为常数，可以推出
1
1
1
a
a
s
s
v
p
p
三）、影响充气效率的因素一、充气效率影响因素确定影响充气效率
v?
的因素有,
环境温度和压力 T s,P s
进气终了的气缸 温度 和 压力 T a,P a
残余废气系数 r,压缩比?
气门正时 引起的有效进气体积系数? 等 。
1a
a
V
V
一）进气终了压力 Pa
– 原理性分析二、各因素对充气效率的影响规律
1
1
1 a
a
s
s
v
p
p
ap v?；
ap
=
as pp；
2
2v
p a
ap?
为气体流动时 引起的压降（ k P a ）。
其中,? —— 管道阻力系数；
—— 进气状态下气体的密度（ kg ／ ms ）；
v —— 管道内气体的流速（ m /s ）。
可见，
ap?
主要取决与管道阻力系数? 与气体的流速 v 。
一）进气终了压力 Pa
– 转速影响（不考虑进气迟关的影响，假定均最佳配气）
二、各因素对充气效率的影响规律
n （? + v ） aa pp v?
进气终了压力随转速的变化（汽）
n
Pa
柴汽外
一）进气终了压力 Pa
– 负荷影响
汽油机（量调节）
– 负荷增加节气门开大，阻力系数小 Pa
增加（主要因素）
– 负荷增加发动机热负荷增加，对进气加热量增加 Ta上升（次要因素）。
– 随负荷增加汽油机充气效率上升
柴油机（质调节）
– 负荷 ↑→阻力不变,Pa基本不变
– 负荷 ↑→Ta略微 ↑
– 柴油机随负荷增加 ηv基本不变或稍 ↓。
二、各因素对充气效率的影响规律
Pe
v?
二）进气迟关角,容积系数
– 影响机理
谐波进气（主要），进气终了容积（次要）。
二、各因素对充气效率的影响规律
惯性效应（单一进气） 波动效应（循环、缸间）
二）进气迟关角,容积系数
– 对充气效率的影响
特定转速下取得最佳值，若可变可获得外包络线
（各转速均为峰值，相当于仅考虑 Pa）。
迟关角越小峰值越靠近低速
压力降＋迟关角共同影响造成的实际发动机充气效率为中间高两端低（低速惯性不足反流，高速惯性未充分利用且压力降过大），汽油机的峰值对应最大扭矩点。
二、各因素对充气效率的影响规律
不同进气迟关角对应的充气效率 实际发动机充气效率随转速变化
n
v?
v?
n
三）进气终了温度 Ta
– Ta高于 To的原因
– Ta对充气效率的影响
– 降低 Ta的措施
排气管与进气管置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角
– 工况对 Ta的影响二、各因素对充气效率的影响规律
① 高温零件加热；
② 残余废气加热；
③ 进气预热 。
vaa
负荷 a ； an （接触时间短）
四）残余废气系数二、各因素对充气效率的影响规律
v,而且使燃烧恶化。
汽油机低负荷运转时 （ m 1,mr 变化不大 )
稀释可燃混合气 燃烧过程缓慢? 经济性和排放 性能变差。
1
1
1 a
a
s
s
v
p
p
五）环境温度 Ts和环境压力 Ps
– 环境温度 Ts
随环境温度的增加，环境温度与缸壁等热部件的温差减小，
Ts/Ta↑，充气效率有所增加。
一般情况下，充气效率与（ Ts/T0） m 成正比,m0.25-0.3.
转速增加，作用时间短,Ts/Ta增加；负荷增加，缸壁温度增加，
Ts/Ta减小。
– 环境压力
Ps对充气效率没有影响。
两端同除以 Ps有，
可见,Pa/Ps在温度相同的情况下为常数，即充气效率不变。
二、各因素对充气效率的影响规律
ssa vPP
221
321 11 CCPRT PCPP ssssa
五）环境温度 Ts和环境压力 Ps
– 冬天与夏天对比（充气效率,m1）
冬天的充气效率低，但功率大（与温度成 0.3次方，而进气量 m1与温度成－ 1次方关系（从密度公式考虑），即温度低,m1增加）。
– 高原与平原对比
充气效率不变
密度变小,m1减小动力性下降二、各因素对充气效率的影响规律
一、总体原则（ 从影响因素出发）
– 减小进气系统阻力：提高 Pa
– 合理匹配配气相位：综合优化有效容积比和惯性进气。
– 减小排气系统阻力：降低残余废气系数
– 减小进气加热：降低 Ta
第三节 提高充气效率的措施
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
1,时面值、角面值（气门开启丰度）
– 定义,整个气门开启过程中开启面积对时间、角度的积分称为时面值、角面值。代表了气门总的开启面积，也可以反应气门开启的丰满程度（流通能力）。
– 与凸轮升程规律（气门升程规律）、气门密封锥角有关。
– 随转速的升高一般的角面值不变化，而时间变短，时面值下降，
换气过程就相对困难（阻力系数 增加）。
二,提高充气效率的措施
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
2,进气马赫数
– 降低 Ma，提高充气效率的措施
增大气门的相对通过面积；
改善气门处的气体流动；
合理的配气相位。
二,提高充气效率的措施进气马赫数 Ma 是 进气门处气体的平均速度
mv
与该处声速 c 的比值。
Ma = mv /c,mv =
t
sv
F
v?
平均流速
mv
：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值 F （ t ）之比,
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
3,气门直径和气门数二,提高充气效率的措施进气门直径 气流通路截面积
v?
。
在双气门（一进一排） d/ D 可达 45 % ～ 50 % ；
Af /1 =0.2 ～ 0.25 。
多气门结构 缸径大于 80m m 时，采用二进二排结构；
缸径小于 80m m 时，采用三进二排结构，可获得最大开启面积。四气门机与两气门机相 比，功率可提高 70 %,扭矩可提高 30 % 。
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
4、气门升程规律二,提高充气效率的措施适当增加气门升程，改进凸轮型线 ；
减小运动件质量，增加零件刚度 ；
在惯性力允许条件下使气门开闭得尽可能快 ；
从而增大时面值，提高通过能力。
最大气门升程与阀盘直径之比 dl / ＝ 0,26 ～ 0.28 。
一、减小进气系统阻力
– 减小气门处的阻力
5、减少气门处的流动损失二,提高充气效率的措施气门头部与杆部的过渡要尽量保证流线型 ；
防止产生流动涡流（阻力）；
薄壁化（喇叭口）；
气门封面锥角走向（小角度时面值会小，大角度承压面积减小）
一、减小进气系统阻力
– 减小进气道的阻力
– 谐波进气（可变管长）
根据发动机的转速不同，自动调整进气管长度，从而能够充分利用进气过程中较高的进气谐波，提高充气系数
一般原则为低速、大扭矩时细长（在阻力变化不大情况下提高惯性）、
高速时短粗（惯性不变的情况下减小阻力系数）。
二,提高充气效率的措施为减少进气道内的阻力 管道 的 面积 在 结构 允许 时 要 尽可能 大 ；
（广、直、匀、光） 应避免急剧拐弯； 过渡回角应选择大一些 ；
管道各截面变化要平缓；
表面光洁度要高。
进气管截面一般有三种：圆形、矩形及 D 字形。
截面相同时，圆形阻力最小。
二、合理选择配气正时二,提高充气效率的措施
（ aT,, ）
利用进气迟关角来优化匹配
v?
最大值对应的转速，从而优化最大功率点、最大扭矩点；利用气门叠开角 扫气减小残余废气系数并 降低热负荷、减小 NOx 排放，
且保证不倒流。 合理选择配气定时，保证最好的充气效果，改善发动机性能，
是非常重要的问题。
1 )
v?
曲线相当于在一定的配气定时下，
v?
随转速变化的关系。
当n ① 气流惯性 进气门迟闭角不变?
使一部分可以利用气流惯性进入气缸的气体被关在气缸之外；
v?
② 流动阻力?
当n 气流惯性 又可能使一部分气体被推回进气管?
v?
。
v?
是在某一转速下达到最高值，说明在这个转速下工作，能最好地利用气流的惯性充气。
二、合理选择配气正时二,提高充气效率的措施
（ aT,, ）
2 ) 不同
v?
曲线相当于在不同的配气定时下，
v?
随转速变化的关系。不同的进气迟闭角，
v?
最大值相当的转速不同，一般迟闭角增大
v?
最大值相当的转速也增加 （ 气流速度加大，大的迟闭角可充分利用高速的惯性充气 ） 。
改变进气迟闭角，可以改变
v?
随转速变化的趋向，可用以调整发动机扭矩曲线，满足不同的使用要求 ； 加大进气门迟闭角，高转速时
v?
增加，有利于最大功率的提高，但对低 速和中速性能则不利； 减小过气迟闭角，能防止低速倒喷，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。 对于配气定时不能改变的发动机，应根据常用工况确定进气迟闭角。
合理的排气提前角应当在保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门，
以加大膨胀比，提高热效率。当转速增加时，相应的自由排气时间减小，为降低排气损失，应增加排气提前角。
不同进气迟关角对应的充气效率
n
v?
三,减小排气系统阻力（ r）
– 选择合理的排气消音器（排气管合格的国标为动力性下降小于 5%）。
– 减小残余废气系数。
– 气门叠开扫气。
四、减少进气加热（ Ta）
– 进排气管分布在两侧
– 气门叠开、排气过程等。
二,提高充气效率的措施三,提高充气效率的另一种说法
（一）、降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力。
– 1、降低进气通道的流动阻力
①加大进气门直径；
②增加进气门数目；
③合理设计进气道及气门的结构。
– 目的：增加气门流通截面的面积。
– 2、采用可变进气系统技术
①低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。
②高速时,应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充气效率，以满足动力性要求。
③配合以上变化，对进气门从开启到关闭的持续期（又称作用角）也应进行调整，以实 现最佳的进气定时。
– 如 GM汽车公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及 Ford汽车公司的液压气门驱动机构。
– 3、减少进气管和空气滤清器的阻力
（二）、降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数。
（三）、减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度。
发动机原理讲义第三章 燃料与燃烧需掌握内容
燃料的组成及分类（ C原子数、分子结构对燃料性能的影响）
各种燃料的评价指标及实际意义（燃料的使用特性）
烃类燃料燃烧化学初步计算（理论空气量、
分子变更系数、混和气热值）
第一节 燃料组成及特征
一、燃料的主要分类
– 石油类（烃类）,液态，汽油、（煤油：用于航空发动机）、轻柴油、重柴油
– 气态,CNG,LNG,LPG
– 含氧燃料,甲醇、乙醇、醚类（二甲基乙醚 DME）,
BTL,GTL,CTL（制取燃油）
– 生物油类,大豆油、菜籽油等，可再生资源，太稠、
混合气形成困难、结焦。去除甘油后就可以变稀。
– 氢,好处多多，但主要问题集中在能量密度（贮存：
压缩法、液化法、吸附法）、零部件的脆化和来源 。
仅是能量的载体，非能源。
（红色字体部分由于出现较晚，或应用范围较窄，被称为代用燃料。其出现的主要目地为缓解能源危机和环境污染）
二、石油类燃料特性
1、化学组成：
– 主要成分：碳、氢，占 97~98%；
– 少量元素：硫、氧、氮
其中 O元素可以降低燃烧过程微粒物，烟度下降；
S可以使 n多催化剂中毒，尽量减少。
– 微量元素,K,As,Na,Ca
– 通式：多种碳氢化合物的混合物，通式可表达为 CnHm，通常称为烃。
二、石油类燃料特性
2,C原子数对烃类燃料性能的影响
– 随分子中 C原子个数的增加有：
依次分为天然气、液化石油气、汽油、煤油（航空用）,
轻重柴油、渣油（锅炉用）、沥青（马路用）。
C 相对分子量 密度 沸点 挥发性?
＋粘度 高温稳定性? ＋点燃性? ＋自燃性
用于压燃式燃烧（柴油机）
C 原子数 沸点 品种 分子量 理论物质的变化趋势
C1 常温 天然气 16
C 2~C 4 常温 液化石油气 16~58
C 5~C 1 1 50~200 汽油 95~120
C 1 1~C 19 180~300 煤油 100~180
C 16~ C 23 250~360 轻重柴油 180~200
C 23 360 以上 渣油 220 以上
粘度，自燃性C
C 分子量二、石油类燃料特性
3、分子结构对烃类燃料性能的影响
A 烷属 链 烃 C
n
H
2 n +2
①直链 （正己烷） 呈饱和的开链式结构，常温下化学性质 稳定，在高 温下易 氧化,C 结构越不稳定,滞燃期较短，是柴油燃料的良好成分。
②支链（异辛烷） 支链式,结构 紧凑,在高温下 不易自燃,适合 汽油燃料。
B,烯烃 C
n
H
2n
非饱和开链式结构，有一个二价键，它比烷烃难于自行发火，抗爆性好，但常温下化学安定性差，在长期储存中易于氧化生成胶质 （裂解法炼油中存在） 。
C,炔烃 C
n
H
2n - 2
非饱和开链式结构，有一个三价链。炔烃不存在于原油中，系热裂化生产的中间产物。由于氢不饱和，所以很不稳定。在常温下易分解，储存中因氧化而结胶。含 炔烃多的 产品不宜作为发动机燃料二、石油类燃料特性
3、分子结构对烃类燃料性能的影响
D,环烷烃 C n H 2n 饱和的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和自发火的温度均比直链烷烃为高。环烷烃多的燃油适宜作为汽油机燃料，不适宜作柴油机燃料，环烷烃与烷烃都是石油的重要组成部分。
E,芳香烃 C n H 2n - 6 基本化合物是苯，所有芳香烃都含有苯基的成分。在石油中含量较少，分子结构坚固，热稳定性比环烷烃高，
在高温下分子不易破裂，化学安定性较前者为高，是良好的防爆剂。石油炼制中常使产品的芳香烃增多。
甲基萘是十六烷值为 0 的标准燃料。
第二节 燃料使用特性
一、汽油使用特性
– 1、馏程：蒸发性（挥发性）
定义,馏出某一质量百分比燃油的温度范围。
主要指标,为了评价燃料的 挥发性 （形成混合气的难易程度），以 10
％,50％和 90％的馏出温度作为指标。
（ 1） 10％馏出温度 T10(<75℃ )
– 表征燃料的 起动性 （ T10低容易冷车起动）。
– 但过低，在输送时受发动机温度较高、压力过低部位汽化，形成“气阻”，使发动机断火，影响正常运转。
（ 2） 50％馏出温度 T50(<145℃ )
– 表征 平均蒸发性 。
– T50低?(从较低负荷向较高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合气）暖车时间 +加速性 +工作稳定性均会改善。
（ 3） 90％馏出温度 T90(<195℃ )
标志着燃料中难挥发的重质成分的数量。
当 90 重质成分 易挥发，利于燃烧 ； 当 90 重质成分 不易挥发燃烧而附着在气缸壁上? 形成积碳或流入油底壳? 稀释机油破坏润滑。
第二节 燃料使用特性
一、汽油使用特性
– 2、辛烷值（抗爆性）
辛烷值测定方法：
– 在特殊的单缸试验机（ CFR）上按规定的条件进行。
– 利用两种标准燃料,异辛烷 (2,2,4三甲基戊烷,C8H18)，
辛烷值为 100； 正庚烷 (C7H16)，辛烷值为 0。按不同比例
（体积）混合可得不同辛烷值的标准燃料，（其辛烷值即为异辛烷的体积百分数）。
– 在特定工况下调整压缩比使被测燃料发生临界爆震。
– 找出与被测燃油相同具有抗爆性的标准燃料，则标准燃料 的辛烷值即为被测定汽油的辛烷值。
– 辛烷值高低顺序为烷烃＜烯烃＜（炔烃）＜环烷烃＜芳烃。
辛烷值的分类,马达法 试验值 （ MON） n=900r/min、进气加热（条件苛刻）,研究法 试验值 （ RON） n=600r/min、进气不加热。
– MON<RON。 燃料敏感度 =研究法试验值 -马达法试验值，
表征了燃料对工况的敏感度。
– 通用评价抗爆性的指标,ONI（ 抗爆指数 ）＝
(MON+RON)/2。目前所用汽油的牌号即为该值。
第二节 燃料使用特性
一、汽油使用特性
– 2、辛烷值（抗爆性）
爆震,
– 在汽油机燃烧中，在火焰前锋面未传播到的情况下由于缸内温度（或局部温度）高过而引起的末端混合气自燃（瞬间同时燃烧）,从而引起缸内温度、压力急剧上升并伴随特定敲缸声（压力波在缸内的不断反射）的不正常燃烧状态。
– 轻微爆震时燃烧迅速定容性提高，热效率提高、动力性提高。
– 爆震过强时缸内温度、压力急剧上升发动机的热负荷、机械负荷增加，润滑系统、冷却系统破坏从而引起可预见的重大破坏。
– 现代汽油机中增设爆震传感器，使发动机在临界爆震状态燃烧。
第二节 燃料使用特性
一、汽油使用特性
– 2、辛烷值（抗爆性）
提高辛烷值的方法,
– 加抗爆剂（四乙铅、溴乙烷），由于对后处理器催化剂的毒性强、铅排放，目前已经停用。
– 提高汽油中芳香烃的含量，裂化调制。
– 加调和剂（醚、醇）
第二节 燃料使用特性
二、柴油使用特性 （燃烧机理复杂，影响因素多，性能要求多）
– 1、自燃性（发火性）的指标 —— 十六烷值
测定方法
十六烷值对混合气形成及燃烧过程的影响在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行。
标准燃料 正 十六烷 C 16 H 3 4 十六烷值为 100,易自燃,
— 甲基奈 C 11 H 1 0 其十六烷值定为 0,难 自燃。
按不同比例混合可得不同十六烷值的标准燃料。
当被测定柴油的自燃性 = 标准燃料的自燃性时，则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。
十六烷值与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。
十六烷值 自燃性好? 着火延迟时期 着火后
p
工作柔和。
冷起动性能亦随之改善。
十六烷值过高? 燃料分子量 蒸发性?
粘度 排气冒烟? 及?
ib
。
因此。国产柴油的十六烷值规定在 40 ～ 50 之间。
第二节 燃料使用特性
二、柴油使用特性
– 2、蒸发性 —— 馏程
50 ％馏出温度表征平均蒸发性，低蒸发性好，说明轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。但馏分太轻也不好，因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦着火
p
，柴油机工作粗暴。
90 ％和 95 ％馏出温度标志难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏分过多，不仅蒸发和形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全 （补燃期变长，效率下降） 。
同时 也 容易 进入 油底壳,稀释 滑油 破坏 润滑 。
十六烷值必须与蒸发性相匹配。蒸发性不足而十六烷值高冒烟，热效 率下降（定容性差）；十六烷值不足而蒸发性高则预混合燃烧量过高，机械负荷增加。
第二节 燃料使用特性
二、柴油使用特性
– 3,雾化性（燃油喷射系统参数） — 用粘度评价当其它条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直径 （ S M D,
绍特平均直径：均方根值 ） 也越大，使燃油和空气混合不均匀，
燃烧不及时或不完全，燃油消耗率增加，排气 冒 烟。
喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度。一般轻柴油的运动粘度在 20 C 时为（ 2.5 ～ 8 ）? 10
－ 6
m
2
／ s 。
第二节 燃料使用特性
二、柴油使用特性
– 4、流动性
凝点：指柴油失去流动性开始凝结的温度。
柴油中高分子烷烃和水分析出结晶、混浊（浊点）? 失去流动性? 凝固点。 凝点越低越不容易失去流动性。
我国生产的轻柴油规格，按凝点分为 10
#
,0
#
,- 10
#
,- 20
#
,- 35
#
五级。
冷凝点，供油系统中每分钟流出的燃油量小于等于 20m l 所对应的温度，比凝点高 5 - 7 ° C 。
按照当地当月 10 ％风险率的最低气温选择柴油 。
5,其它指标,
含 S 量、灰分、水分、闪点、胶质等（见 P46 表 3 - 3 ）
第三节 燃烧热化学
需把握的内容
– 理论空气量
摩尔空气量
质量空气量
体积空气量
– 理论分子变更系数
– 混合气热值
摩尔热值
质量热值
体积热值一、理论空气量
定义
– 1kg燃料完全燃烧所需的最低（理论）空气量
计算方法设 1k g 燃料中 C,H,O 的质量分别为
c
g,
h
g,
o
g ； 则；
c
g +
h
g +
o
g =1k g
燃油中的 C,H 完全 燃烧，其化学反应方程式分别是
C ＋ O
2
＝ CO
2
H
2
+
2
1
O
2
=H
2
O
1k m ol C? 1k m ol O
2
1 k m ol H
2
2
1
k m ol O
2
12
c
g
k m ol C?
12
2
o
g
k m ol O
2
2
H
g
k m ol H
2
4
2
o
g
k m ol O
2
则,1k g 燃料完全燃烧所需的氧气量为（
12
c
g
+
4
H
g
-
32
O
g
） k m ol
/
kg
空气中按体积计 O
2
约占 21 ％,N
2
约占 79 ％；空气的分 子量为 28.9 5 。
需空气量
21.0
1
0
L （
12
c
g
+
4
H
g
-
32
O
g
） k m ol
/
k g;
以千克表示的理论空气量,
0
2 8,9 5
0,2 1
L （
12
c
g
+
4
H
g
-
32
O
g
） kg
/
kg ；
以体积表示的理论空气量为
21.0
4.22
L （
12
c
g
+
4
H
g
-
32
O
g
） m
3
/
kg ；
二、过量空气系数
定义（ ɑ）
– 实际提供的空气量 L与理论上所需空气量 L0之比
空燃比
–
A ／ F=
0L空 气 量 ＝燃 料 量
1 时,A /F = 1 4,9
汽油机（? =0.8 ～ 1.2,起动时过量空气系数仅为 0.2 - 0.4 ）
柴油机负荷是靠质调节的（? =1.2 ～ 1.6 ）由于混合气形成不均匀所以? 总是大于 1 的。
一般车用高速柴油机,? =1.2 ～ 1.6 ；增压柴油机,? =1.8 ～ 2.2
三,ɑ>1时的理论分子变更系数
计算方法
1 kg 燃料燃烧前混合气的数量
1M
,汽油机：
rT
M
LM
1
01
（ k m ol/ k g 燃料）
式中；
rTM
为燃料的分子质量 ；
柴油机：液态燃料的体积不及空气的 1/10000,即为纯空气 ；
01 LM
燃烧后产物的质量 M
2
：（由 O
2
,N
2
,CO2,H
2
O 构成，分别求出各自的 m ol 量）
并将
21.0/)
32412
(
0
oHc
ggg
L
代入即可得到
M
2
＝
0
324
L
gg
oH
则理论分子变更系数
1
2
0
M
M
（表征做工能力的强弱，相当于增加工质的量,
在不完全燃烧时理论分子变更系数更大,p
me
更大 ）
汽油机,1
1
1
324
0
0
TM
L
TM
gg
r
r
oH
； 柴油机：
1
324
0
0
L
gg
oH
四,燃料热值与混合气热值
1、燃料热值：
– 1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。
高热值,包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热；
低热值,不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热。
2、混合气热值：
– 单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量（汽油机如下，柴油机去掉燃料部分）。
发动机中每循环放热量取决于混合气热值（单位体积），而非燃料低热值
– 如汽油、甲醇低热值差很多 44000kJ/kg和 27000kJ/kg，而理论混合气热值相差不大 3749kg/m3和 36301/m3。所以烧 E10时合理增加喷油量在发动机结构不变的情况下动力性相差不大。
混合气热值：单位数量的 可燃混合气燃烧所产生的热量。
rT
m i x
M
L
h
M
h
Q
1
0
1?
kJ /km o l
10
L
h
Q m ix
kJ /kg
rT
m ix
M
L
h
Q
4.22
0
kJ /m
3
第四节 燃烧初步
掌握内容
– 燃烧的阶段
着火理论及自燃临界条件
火焰传播定义及速度的影响因素
– 汽油柴油的使用特性与汽、柴油机混合气形成燃烧组织的关系一、着火阶段（自燃）
定义
– 发生明显光、火焰效应前的准备阶段
A、链式反应
– 组成：
链引发、链传播、链中断
– 链引发：
烃类受激（电火花、高温气流）产生自由基（或原子） ――> 活性中心 ――> 促进新反应进行。
– 链传播
自由基与反应物作用：进一步反应，产生新的自由基：
– 1:1：直链反应（不加速）
– 1:多：支链反应（加速、爆炸）
– 链中断
自由基与环境碰撞失去活性 （没电了，玩完了）
反应物浓度急剧消失，自由基找不到促进的对象 （孤立了、没用了）
– 氧化反应的特征
存在形成、积累活性中心的诱导期，长度与反应物特性、浓度、温度、容器边界形状有关一、着火阶段（自燃）
B、热力自燃
– 定义
在 T,P适宜的情况下无外部能量，自身反应自动加速、自发着火过程
– 着火条件
在整个着火过程中每一时刻的反应放热速度（与温度呈指数关系）
大于反应物系统向环境的散热速度（与温度呈线性关系），产生热量积累从而着火。
环境散热为线性函数：
022 TTKq
T 2 为反应系统温度,T 0 为环境温度、
K 为散热系数
a) 临界着火,b) 由于环境温度过低而不着火
c) 散热系数过大而不着火 d) 反应放热速率低而不着火一、着火阶段（自燃）
实际着火过程实际的着火过程（着火半岛）体现出了两种理论的不同作用区域：低温多阶段着火具有链式反应的特点；高温单阶段着火充分表现出了热力自燃理论的表现形式。
一、着火阶段（点燃）
定义：
– 利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并引起火焰传播的着火过程。
电火花的作用
– 提供能量使 T升高
– 电离混合气形成活性中心引发链反应或热积累二、燃烧过程（火焰传播）
定义：
– 火焰前锋面（以火花塞中心为球面的 0.01～ 0.5mm厚度的一层反应中的混合气）前方为未燃混合气、后方为已燃混合气；极大的温度、浓度梯度造成传热、传质使得火焰向前传播。
– 在无紊流或若紊流时传播速度较慢、层流传播；在强紊流时火焰前锋面破裂、形成许多小的反应团、宏观厚度增加、反应面积增加、火焰传播速度极快。
小紊流 大紊流四、汽油、柴油特性引发的燃烧组织
柴油蒸发性差（ T 95>365 ° C ）－ > 在自然状态下依靠环境加热和燃油蒸发很难形成混合气－ > 压缩上止点喷油利用高温、高压促使燃油蒸发，（由于柴油粘 度大、润滑性好）增设高压喷油系统（ 250 - 1800b a r ）
借助外力雾化，采用进气涡流、挤流等形式加强气流运动促进混合。
所以柴油机的混合气形成需要油、气、室的三方配合，才能形成分布不均匀的可燃混合气氧化性好（自燃性强）－ > 压缩点燃（压缩比 > 18 ）＋油膜（滴）
扩散的不均匀燃烧－ > 存在局部缺氧区域（燃油裂解、脱氢）形成干碳烟（ DS ）－ > 冒烟＋积聚形成微粒排放（ PT ）
依靠调整循环供油量（ g b ）即可调整循环放热量 Q 1 － > 无节气门、
充气效率变化很小－ > 靠调节混合气的品质（过量空气系数? ）调节负荷－ > 质调节。
四、汽油、柴油特性引发的燃烧组织
汽油蒸发性好－ > 容易形成混合气－ > 不用额外能量（化油器、低压喷射）－ > 形成? ＝ 1 （保证三效催化 后处理器使得有害物‘ HC,
CO,HC,NOx ’排放最低）的均质混合气。
自燃性差（抗爆性强）－ > 点燃＋（均质混合气）火焰传播燃烧
－ >T? － > NOx? （高温、富氧、作用时间长）＋? ＝ 1 存在局部缺氧－ >C O? 。为了防止过度爆震产生压缩比一般小于 14 。
混合气 品质一定（空燃比及混合气热值一定），必须调节每循环进入的混合气量－ > 存在节气门（充量系数、充气效率下降）－ > 量调节。
发动机原理讲义第四章 汽油机混合气形成及燃烧第一节 汽油机燃烧过程
概述（几个概念）
① 混合气均匀，在气缸外部形成混合气预混合时间长。
1,燃烧过程的特点,② 火花塞放电点火，可控制点火时间、地点、能量。
③ 传播式燃烧，燃烧 和放热速率取决于火焰传播速度。
2,火焰传播速度 U T —— 单位时间内火焰前锋面相对未燃混合气向前推动的距离。用 U T 表示 [ m /s ] 。
3,燃烧速度 U m,单位时间燃烧的混合气质量。
燃烧速度用 U m 表示 [ k g /s],
U m =
dt
dm
=
TT AU
[ k g/s],
式中
—— 未燃混合气密度；
U T —— 火焰传播速度；
—— 火焰前锋面积。
一、汽油机正常燃烧
定义
– 唯一地由火花塞点火且火焰前锋以特定的速度传遍整个燃烧室的过程。
燃烧过程分段
– （ Ⅰ ）着火延迟期；
– （ Ⅱ ）明显燃烧期；
– （ Ⅲ ）后燃期。
一、汽油机正常燃烧
着火延迟期（ 1-2）
– 定义
从火花塞跳火到压力偏离压缩线（出现火焰,5％放热量）的时间或曲轴转角
– 作用
火花塞放电点燃混合气形成火焰核心（链引发）；
– 火花塞放电特性
①两极电压达 10～ 15kV；
②击穿电极间隙的混合气，造成电极间电流通过；
③电火花能量多在 40～ 80mJ；
④局部温度可达 3000K，使电极附近的混合气立即点燃；
⑤形成火焰中心，火焰向四周传播；
⑥气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。
1
2
3 p
一、汽油机正常燃烧
着火延迟期（ 1-2）
– 特点：
燃烧量小，压力升高不明显。
– 要求
尽量缩短着火延迟期并保持稳定。
– 影响滞燃期的因素
1
2
3 p
①燃料，辛烷值↑?
i?
↑；
②缸内温度
i?
、压力
i?；
③混合气浓度（
i,9.0~8.0?
最短）；
④残余废气系数 γ ↑→
i?
↑
⑤点火能量
i?
。
一、汽油机正常燃烧
明显燃烧期（ 2-3）
– 定义
从火焰核心形成（开始燃烧）到最高燃烧压力点（火焰传播到整个燃烧室）对应的曲轴转角或时间。
– 作用
迅速地把大部分燃料的化学能转变为热能；
– 特点
是汽油机燃烧的主要时期，热量利用率高。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好。
– 要求
在压力升高率（平均压力升高率）不过高（ 0.175－ 0.25MPa）（若过高则工作粗暴，机械负荷、热负荷增加对 NOx排放增加）的前提下尽量缩短明显燃烧期（ 20-40° CA）并靠近上止点（ Pmax在 8,12-
15° CA）。
23
23 ppp,
式中 23,pp,23, — 3 点,2 点 的 压力,曲轴 转角 。
1
2
3 p
一、汽油机正常燃烧
后燃期（ 3点以后）
– 定义
从压力最高点到燃料燃烧 90%以上的时间或曲轴转角。
– 作用
①火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧；
②贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧；
③高温分解的燃烧产物（ H2,CO等）重新氧化。
– 特点
燃烧速度慢，远离上止点，热量利用率低。
– 要求
尽量减少后燃期
1
2
3 p
一、汽油机正常燃烧
影响燃烧速度的因素
– 可燃混合气密度
– 火焰前锋面积 AT
利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度，形成不同燃烧组织状态
U m = dtdm = TT AU
和进 U m? 。
一、汽油机正常燃烧
影响燃烧速度的因素
– 火焰传播速度
控制 UT就能控制明显燃烧期的长短及相对曲轴转角的位置。一般在
50～ 80m/s，燃烧时间极短，仅 1～ 2ms
影响火焰传播速度的因素
– 缸内紊流紊流增加速度增加
– 混合气成分
U m = dtdm = TT AU
当? =0.85 ～ 0.95 时,U m 最快，
e?
最大，称为功率混合比。
当? =l.03 ～ 1.l 时，氧气充足燃烧完全，汽油机经济性最好，此混合比称为经济混合比。
当? ＞ 1.3 ～ 1.4 时，火焰难以传播，汽油机不能工作，此种混合比称为火焰传播下限。
当? <0.4 ～ 0,5 时，由于严重缺氧，使火焰不能传播，这种混合比称为火焰传播上限。
注意，混合气火焰传播界限并非常数,它是随条件而变化的，如混合气温度高，点火能量大，气体紊流强等，火焰传播界限就扩大；混合气中废气含量多，界限就变窄。
一、汽油机正常燃烧
影响燃烧速度的因素
影响火焰传播速度的因素
– 残余废气系数残余废气系数增加火焰传播速度下降
– 初始混合气温度、压力初始 T,P增加火焰传播速度提高
U m = dtdm = TT AU
一、汽油机正常燃烧
不规则燃烧
– 分类
循环变动
各缸间燃烧差异
– 循环变动
原因
– 火花塞附近混合气的混合比；气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成的时间不同，即由有效着火时间变动而引起。
危害
– 使空燃比和点火提前角调整不可能都对每一循环处于最佳状态,经济性、
动力性恶化，不正常燃烧倾向增加，整个汽油机性能下降。
影响因素
– ①当 a=0.8～ 0.9时循环燃烧变动最小；
– ②在中等负荷以上变动较小；
– ③加强紊流有助于减少变动，因此转速增加，一般变动减小；
– ④加大点火能量，采用多点点火，情况可有所改善；
– ⑤点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。
一、汽油机正常燃烧
不规则燃烧
– 各缸燃烧差异
原因
– 主要是由于分配不均匀造成的
危害
– 整个汽油机功率下降；耗油率上升；
排放性能恶化
影响因素
– 分配不均匀
气道内的沉积燃油
– 进气歧管的差别
各缸间进气重叠引起的干涉。
– 过量空气系数的影响
各缸混合气成分不同。
– 进气管的设计
任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配一、汽油机正常燃烧
燃烧室壁面淬熄作用
– 原因：接近缸壁的一层气体受冷和碰壁使得链反应中断。
– 影响因素：
①当 a=1左右，熄火厚度最小，混合气变浓、稀此厚度均增加；
②负荷减小时，熄火厚度显著增加；
③燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度均减小。
– 危害：存在大量未燃烧的烃，排气中 HC。
– 解决措施：尽量减小熄火厚度及燃烧室的面容比 A/V、活塞余隙从而降低汽油机的 HC排出量。
$4.1 二、不正常燃烧
分类
– 爆震和表面点火（早燃、后燃）
（一）爆震
– 特征：气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸。
– 原因：处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称末端混合气），
受到压缩和辐射热的作用，加速了先期反应产生了自燃。压力冲击波反复撞击缸壁。
– 影响因素：
1）燃料性质：辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。
2）末端混合气的压力、温度 (压缩比、散热组织）
– ①末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。
– ②提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生；
– ③气缸盖、活塞的材料使用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低,爆燃倾向小，可提高压缩比 0.4～ 0.7单位。
3）火焰前锋传播到末端混合气的时间
– 提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，这有利于避免爆燃。例如，气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大,故没有很大缸径的汽油机）。
$4.1 二、不正常燃烧
危害
– 轻微敲缸时，燃烧定容性改善，发动机功率上升，油耗下降。
– 严重时破坏缸壁表面的附面气膜和油膜（摩擦损失增加；气缸盖和活塞顶温度升高（传热增加）；从而导致冷却系过热，功率降低，耗油率增加。
– 剧烈爆震将造成活塞、气门烧坏，轴瓦破裂，
火花塞绝缘体破裂，润滑油氧化成胶质，活塞环卡死。
$4.1 二、不正常燃烧
（二）表面点火 ----热点点火
– 由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的。点火时刻是不可控制的（早燃、晚燃），常见于压缩比 >9。
1.早燃：火花塞点火之前，炽热表面点燃混合气
– 危害
由于它提前点火而且热点表面比火花大，燃烧速率快气缸压力、
温度增高，发动机工作粗暴；
压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降；
T,P升高；火花塞、活塞等零件过热。
早燃与爆燃相互促进,TP升高诱发爆燃，爆燃促进更多热点形成更剧烈的表面点火。
$4.1 二、不正常燃烧
2.后燃是指在火花塞点火之后，炽热表面或热辐射点燃混合气的现象。
– 与爆燃不同，表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致，没有压力冲击波，“敲缸声”
比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。
影响因素
– 凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切条件，都能促成表面点火。
$4.1 二、不正常燃烧
各种示功图对比
$4.1 三、使用因素对燃烧的影响
分析方法：
– 从边界入手分析边界对燃烧过程因素的影响进而分析出性能变化
最终要分析的性能：
– 1、发动机性能：动力性（ Pe）、经济性（ be）、排放特性（ HC：
壁面淬熄及混合气过浓,NOx：高温、富氧、作用时间,CO：
a<1时或不均匀时）；
– 2、燃烧特性：点火提前角（正比与着火延迟期）、不规则燃烧、
不正常燃烧、壁面淬熄等。
中间因素：
– 燃烧速率（密度,T,P、紊流强度等）
– 燃烧始点（点火提前角,T,P、混合气浓度等等、辛烷值）
使用因素（初始边界）：
– 混合气浓度、点火提前角、转速、负荷、环境参数。
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
1、混合气浓度
– 当 a＝ 0.8~0.9时,UT,Pz,Tz、压力升高率、
Pe均达最高值，且爆燃倾向增加。
– 当 a＝ l.03~1.1时，燃烧完全,UT较快,be最低。最高温度 +富裕空气－ >NOx排放增加。
– 当 a＜ l燃烧不完全 CO增加。
– 当 a＜ 0.8及 a>1.2时,UT下降燃烧不完全 － >
be增加＋ HC排放增加＋工作不稳定。
可见，在均质混合气燃烧中，混合气浓度对燃烧影响极大，必须严格控制。
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
2、点火提前角
– 定义
点火提高角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角。其数值应视燃料性质、转速、负荷、过量空气系数等很多因素而定。
– 要求（弥补滞燃期使燃烧始点发生在特定范围内）
随辛烷值的增加点火提前角增加
随负荷（ T,P）升高点火提前角减小
随转速升高点火提前角增加。
– 点火提前角调整特性
当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机功率（耗油率）随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性。
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
3、转速 (平均紊流强度增加，每循环时间缩短 )
– 点火提前角
一般有,其中 m<1。即随转速的升高以时间计的着火延迟期缩短（紊流强度增加），但以曲轴转角计的着火延迟期增加（每 ° 曲轴转角对应的时间正比与转速的负 1次方）,应该相应加大点火提前角（离心点火提前调节装置）。
– 速燃期
n增加紊流增加，火焰速度大体与转速成正比增加（图 4-16），
因而以秒计的燃烧过程缩短，但由于循环时间亦缩短，一般燃烧过程相对的曲轴转角增加。
– 爆震
转速增加时，火焰速度亦增加，爆燃倾向减小。
m
i nt
,m
i n
1?,
4.1 三、使用因素对燃烧的影响负荷 （负荷增加－ > T,P 增加，充气效率升高，残余废气系数下降）
当负荷 混合气数量 混合气稀释程度 起火界限更窄，火焰速度? 燃烧恶化。
当负荷 气缸的（温度 + 压力） 爆燃的倾向? 。
4.1 三、使用因素对燃烧的影响
5、大气状况
– 大气压力低，气缸充气量减少（但充气效率不变），则残余废气系数增加，另外，压缩压力低，着火延迟期长和火焰速度慢，则经济性和动力性下降，但爆燃倾向减小。
– 大气温度高，同样气缸充气量下降 （充气效率提高），
经济性、动力性变差，而且容易发生爆燃和气阻。
在炎热地区行车时，应加强冷却系散热能力，用泵油量大的汽油泵。
反之，在寒冷地区行车时，要加强进气系统的预热，增强火花能量等，以保证燃油雾化、点火及起动。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
分类
– 汽油机混合气形成的方式主要有两类：一类是化油器式，另一类是汽油喷射式（ SPI、
MPI,GDI）。除分层燃烧的 GDI发动机外都是预先形成均质混合气（提前喷射、理论混合气）并依靠控制节流阀（节气门）开度来调节混合气数量的。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
– 理想空燃比特性（本课程的混合气状态）
理想化油器特性
a＝ 1
负荷（ Ttq,Pe,pme)
§ 4-2 汽油机混合气的形成
汽油喷射式混合气的形成（理论混合气）
空气系统计量并控制燃烧所必要的空气量。
燃料系统由电动汽油泵向各缸喷嘴及起动喷嘴压送具有一定压力的燃油。
控制系统根据工况（根据信号判断）决定合适的喷射时间（开启时刻及时长）。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
– 空气系统
空气系统用来计量并控制燃烧所必要的空气量。其中空气流量计是进行空气量测量，并将其转换为电信号的关键部分；
空气阀安装在与节流阀并联的旁通空气回路上，在发动机冷机起动且节流阀全闭时，为加速暖机开启旁通回路；发动机的负荷仍由节流阀的开度调节。
常用空气流量传感器有
– ①叶片式；
– ②热线风速（或热膜）式；
– ③卡门涡街式。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
– 燃料系统
（电动汽油泵）是将直流电动机与转子式（或叶轮式）
汽油泵联成一体的结构。
（压力调节器）使喷嘴的供油压力相对于进气管压力总是高出一个恒定值。保证喷嘴针阀两端的压差恒定，
防止因进气管压力变化而引起喷油量变化。
（喷嘴）电磁线圈通电的时间决定了喷油量的多少。
– 多点喷射方式 MPI（ Multi Point Injection）：
– 单点喷射方式 SPI（ Sinsle Point Injection）。
§ 4-2 汽油机混合气的形成
– 控制系统
控制系统的构成见图 4-43。它由各类传感器、执行器及电控单元（ ECU）组成。
需要跛行系统,OBD系统、冗余设计。
两种混合气形成方式的比较 （电控的优点）
– 通电时间计算准确,修正因素多，油量、空气计量准确、控制精度高。
– 燃油正压喷射，气阻概率低＋雾化质量好，改善了燃烧过程，经济性好。
– 取消了化油器喉管，提高了充气效率，有利于改善整机动力性。
– 反馈控制，改善瞬态响应性能，整机加速性能及排放性能好。
– 采用多点喷射，使各缸分配均匀性，避免燃油在进气管中沉积。
§ 4-3 燃烧室（设计要点）
结构紧凑
– 以面容比（ A／ V） ——燃烧室表面积与其容积之比来表征（ A/V值越小）。
火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比。
相对散热损失小，热效率高。
熄火面积小,HC排量少。
具有良好的充气性能
– 主要应考虑进气门、进气道的布置。应允许有较大的进气门直径或进气流通面积，适于多气门布置。
– 进气流线短，转弯少，使混合气尽可能平直、光顺地流入燃烧室。
§ 4-3 燃烧室（设计要点）
– 火花塞位置安排适当
扫除火花塞周围残余废气性要好，使点燃性，低速稳定性好，循环变动小。
火花塞尽量布置在使末端混合气受热少的位置，如排气门附近。
应使由火花塞传播开的火焰面变化分配合理，确保运转平稳。
火焰传播距离应尽可能短。
– 燃烧室形状合理分布
燃烧持续期控制在 60° CA之内；不致过高。
§ 4-3 燃烧室（设计要点）
– 组织适当的紊流运动
增大火焰传播速度；
冷却末端混合气区。
减少循环间的燃烧变动。
减小熄火厚度，降低 HC的排量。
紊流过强会使热损失增加，点火困难，压力上升速度过大。
分类
– 进气涡流：它是利用进气口和进气道的形状，在进气过程中造成气流绕气缸中心线的旋转运动。
– 进气滚流（纵向涡流）：旋转中心线与气缸中心线垂直的流动，宏观的，
多用于分层燃烧。
– 压缩挤流：在接近压缩终点时，利用活塞顶部和缸盖底面之间的狭小间隙 S（称挤气间隙），将混合气挤入主要燃烧室内，形成涡流。
正好在上止点前达到最大，上止点后还有反挤流运动，因此增大挤流强度可以提高明显燃烧期火焰传播速度，缩短燃烧时间；
而且挤流不会引起充气效率降低，受负荷、转速影响较小，曾是汽油机形成紊流的主要途径。
第五章 柴油机混合气形成和燃烧
§ 5-1柴油机燃烧过程
概述：柴油机混合气的形成和燃烧过程特点
– 1、混合气形成特点：
汽缸内部形成混合气：因柴油不易挥发（馏程 250~350℃ ）必须借助喷射设备在上止点附近（ T,P高）喷入气缸，利用喷雾、加热蒸发和气流的冲击作用形成混合气。
混合气形成时间短，只有 15~35゜ CA,n=1500r/min时只有 1.7ms~4ms
混合气形成不均匀 α=f(x.y.z.t)α=0~∞整个燃烧室 α=0~∞，为了照顾弱者总体过量空气系数 >1.2。导致容积利用率低,PL,me低（傻大黑粗）
混合气形成与燃烧紧密相连边混合边燃烧。
– 2、混合气形成方式：
空间雾化混合，燃料喷入燃烧室空间形雾状混合物。要求喷雾与燃烧室形状配合，并利用气流运动。
油膜蒸发混合，燃料大部分顺气流方向喷到燃烧室上，形成一层油膜，油膜受热蒸发，在旋转气流作用下与空气相混合形成可燃混合气。
现代小型高速柴油机上，燃燃油或多或少会喷到燃烧室上形成油膜因此以上两种混合方式兼而有之，只是主次，多少不同。目前多数车用柴油机以空间雾化混合为主。
– 3、燃烧过程特点
油膜（滴）蒸发扩散为主的混合加热循环，存在缺氧区域－ >裂化、脱氢－ >碳烟生成（冒黑烟）、微粒（ PT）排放增加。
§ 5-1柴油机燃烧过程
燃烧过程概述：
– 分为着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期
– 着火延迟期（又称为滞燃期）：
定义：从燃油开始喷入燃烧室内（ A点）至由于开始燃烧而引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧上升（ B点）。
作用：在着火延迟期内，燃烧室内进行着混合气准备的物理和化学过程。
– 物理过程：燃油油滴加热蒸发扩散气化和混合形成可燃混 合气；
– 化学过程：可燃混合气裂解产生醛类（过氧化物兰炎） CO
兰炎产物是 CO,O,OH,H 等或性中心热炎热爆炸（链引发）。
着火延迟期一般为 0.7~3ms。
主要影响因素为此时燃烧室内工质的状态（如 T,P和燃料种类）。
– Tc↑→ τi ↓
– 十六烷值 ↑→τi ↓
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 速燃期：
定义：速燃期为图 5－ l中的 BC段，即从压力脱离压缩线开始急剧上升
（ B点）至达到最大压力（ C点）。
作用：速燃期内，在着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧
P↑↑，接近等容燃烧,评价参数为平均压力升高率和最大压力升高率
（ dp/dφ） max
Δp/Δφ= [kpa/?CA]
急剧上升的压力冲击燃烧室壁，活塞，曲轴等部件诱发缸盖、缸套、
机体等部件变形，振动并辐射出强烈的噪声。因此（ dp/dφ） max应控制在 0.4~0.5 MPa/?CA以下。（ dp/dφ） max的大小主要与着火延迟期内准备好的可燃混合气的数量有关。
要求：在适宜的压力升高率下越多越好
影响因素（滞燃期内形成的混合气量）：
– 缸内温度、压力＋十六烷值－ >影响滞燃期
– 喷油规律、蒸发速率决定在滞燃期内形成的混合气量
– 蒸发速度
BC
BC PP
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 缓燃期：
定义：缓燃期为图 5－ 1中的 CD段，即从最大压力点（ C点）
至最高温度点（ D点）。
作用：速燃期内未燃烧的燃油和后喷入的燃油在具有大量废气的环境中较慢定压燃烧。一边燃烧，一边活塞下行，缸内压力几乎不变或稍有变化（接近等压过程放热量达 70~80%。燃烧室内的最高温度可达 2000K左右，一般在上止点后 20° ～
35° CA处出现。
特点：缸内废气 ↑,氧气 ↓,燃烧条件不利，边混合边燃烧局部高温缺氧燃料裂解形成碳烟 →冒烟、经济性差 ↓。
所以柴油机均在 α>1的条件下工作，使柴油机容积利用率下降。这是其比质量，升功率不如汽油机的原因之一。
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 补燃期：
最高温度点（ D点）至燃油基本燃烧完（ E点）。
补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的 95％～ 99％时，就可以认为补燃期结束，也是整个燃烧过程的结束。
特点：时间短促，混合气不太均，燃烧放出的热量得不到有效利用，排气温度提高，散热损失增大，
对柴油机的经济性不利。此外，后燃还增加了有关零部件的热负荷。
影响因素：重馏份比例（ T90,T95）
– 因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。
§ 5-1柴油机燃烧过程
燃烧放热规律：
– 瞬时放热速率：指在燃烧过程中的某一时刻，单位时间（曲轴转角）内 单位质量混合气 所放出的热量； kJ/
（ kg·° CA） kJ/(kg·s)
– 累积放热百分比：是指从燃烧过程开始至某一时刻
（曲轴转角）为止混合气所放出的热量与每循环混合气放热量的比值。
– 燃烧放热规律：瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。
燃烧放热规律影响到表征燃烧过程中缸内压力、温度的变化，
决定着影响到柴油机的性能；对了解、分析和改进燃烧过程有 着特别重要的作用（热力过程计算）。
– 不同类型柴油机的放热规律曲线形状不同。
§ 5-1柴油机燃烧过程
dQ B /d φ 放热率 总放热量
Q B b
Ⅰ
Ⅱ
a Ⅲ
典型高速柴油机燃烧过程放热率（累积放热量）
第 Ⅰ 阶段 AB为预混合燃烧阶段,放热率一般都很高,历时 3~7° CA,与速燃期相对应 。
第 Ⅱ 阶段 BC为扩散燃烧阶段,放热率逐渐下降,历时约为 40° CA,Ⅰ -Ⅱ 阶段的放热率约为 80%。
第 Ⅲ 阶段 CD为放热的尾巴,可能延至整个膨涨过程放热量约占 20%。
大量研究表明,开始燃烧时刻,放热规律曲线形状和燃烧持续时间是放热规律三要素,燃烧始点最佳是使 Pmax出现在上止点后 7~8° CA,燃烧持续时间最佳为
40° CA（ 25-30° CA） 。
§ 5-1柴油机燃烧过程
柴油机燃烧过程中存在的主要问题
– 空气利用率低 （不均匀导致的）
混合气形成时间短、只有 15~35° CA 1.7~4ms边燃烧边喷油，油滴易被高温废气包围找不到氧，氧找不到油分子；
所以为保证柴油机燃烧比较完全，必须在 α>1条件工作,α>=1.3左右，即最少有 30%的空气量未能完全利用。使柴油机容积利用率低，强化指标差。
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 燃烧噪声 （ 工作粗暴 ）
主要是因为速燃期压力升高率过大 （ Δp/Δφ>0.4
~0.5Mpa/?CA） 产生燃烧噪声使零件负荷 ↑寿命 ↓称柴油机工作粗暴 。
降低柴油机工作粗暴的根本措施是 ↓Δp/Δφ,主要途径有三：
– ① 缩短着火落后期 φi：选十六烷值高的燃料；提高喷油时缸内温度如增压等,推迟喷油 （ 靠近上止点,减小喷油提前角 ） ；
– ② 减小着火延迟期内喷入的油量 （ 选择合适的喷油规律,先少后多 ） ；
– ③ 控制蒸发速度 （ 油膜蒸发缓和 ） ；
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 排气冒黑烟
缓燃期燃油被高温废气包围：高温缺氧 →裂解 →脱氢 →聚合形成碳烟。
–一般在高负荷时发生如汽车加速，爬坡或超载。
减少冒黑烟的措施：
–①增大过量空气系数 α：改进进气系统 ην↑，减少喷油量降低功率使用。
–②组织相对运动：促使油束分散增大混合范围；
热混合作用；增强缸内紊流。
– ③ 提高喷射压力，促进油束雾化。
§ 5-1柴油机燃烧过程
控制噪声与振动的措施
– 噪声来源主要有三个方面：燃烧噪声（主要部分）、机械噪声、空气动力学噪声
– 关于控制噪声与振动的措施，简述如下：
燃烧噪声：减少工作粗暴的措施
机械噪声：运动件的质量、减少间隙、防止共振、
采用吸振材料
气流噪声：优化进排气道结构，防止截面突变；风扇优化；优化消音器；合理匹配配气相位。
隔震：吸音板、隔震垫等。
§ 5-1柴油机燃烧过程
– 具体措施如下
1、控制燃烧过程来降低燃烧噪声。例如，减小喷油提前角以适当推迟燃烧，减少在着火延迟期内形成的可燃混合气，调 整喷油规律，在着火延迟期内喷入较少燃油等。
2、改进机体等有关零部件的结构，通过试验和计算分析的方法，在尽可能不增加重量的前提下，提高有关部位的刚度，降 低结构振动的振幅和提高共振频率。
3、为减小撞击力，尽可能减小缸套与活塞之间、轴承、传动齿轮等处的间隙。为减小惯性力，应减小运动件的质量，并在可能的情况下，适当降低活塞平均速度。
4、应用吸振减振材料制造薄板零件，如油底壳、缸盖罩等。
在缸体与油底壳之间、缸盖与缸盖罩之间采用较“软”的垫片，
对振动起到阻尼使用。
5、改进消声器的结构、材料；改进空气滤清器、冷却风扇等的设计以及适当调节配气相位，以降低气体动力噪声。
6、遮蔽噪声源，采用对作为主要噪声源的发动机的局部或整体加隔声罩的方法等。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
燃油供给系统构成及核心部件的作用、分类（自己复习构造书）
喷油泵的作用：定时、定量地经高压油管向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油。
喷油器的作用：将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微小的油粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
一、燃油喷射的几个概念
– 1、喷射过程
定义：供油开始至喷油停止的过程，约占 15° ～ 40° 曲轴转角。图 5-12显示了喷油泵端燃油压力 PH、喷油器端燃油压力 Pn
以及针阀升程 h的变化情况。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
分段：喷射延迟阶段,主喷射阶段,喷射结束阶段
喷油延迟阶段：
– 定义：喷油 （ 泵喷油开始 ） 提前角与供油 （ 喷油开始 ） 提前角的差值 。
– 影响因素：
① 转速升高,喷油延迟角加大；
② 高压油管长,压力波传播时间也长,喷油延迟角也会变大 。
主喷射阶段：
– 定义：从喷油开始到嘴端压力急剧下降所对应的时间或曲轴转角 。
– 影响因素：负荷增加主喷射阶段变长 。
喷射结束阶段：
– 定义：从嘴端压力急剧下降到停止喷油 （ 针阀落座 ）
– 特点：压力降低,所喷燃油雾化不好,造成燃烧恶化
§ 5-2 燃油喷射和雾化
2,供油规律及喷油规 律定义,
（ 1 ）几何供油规律：单位时间 （曲轴转角） 内油泵的供油量随时间 （或曲轴转角） 的变化关系。它纯粹是由喷油泵柱塞的几何尺寸和运动规律确定的。
tf
dt
db
p
（ 2 ）喷油规律：即 喷油速率,
单位时间 （曲轴转角） 内喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间 （曲轴转角）
的变化关系；tf
dt
db
b
§ 5-2 燃油喷射和雾化
– 二者的区别：
① 喷油始点迟于供油始点；
② 喷油持续时间较供油持续时间长；
③ 喷油规律的峰值低于供油规律
– 造成区别的原因：
① 燃油的可压缩性,使系统内产生压力波的传播；
② 高压油管的弹性变形引起容积的变化；
③ 压力波的往复反射和叠加的作用 。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
– 3、不正常喷射现象和穴蚀
（ l）二次喷射：在喷射终了喷油器针阀落座以后，在压力波动的影响下再次升起喷油的现象。
危害,①压力低雾化不良，燃烧不完全，碳烟增多，易引起喷孔堵塞；
②时间长燃烧不及时，经济性下降，零部件过热。
解决措施,①尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动；②合理选择参数，如喷油泵柱塞直径、凸轮廓线、出油阀形式及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径、喷油器喷孔尺寸、针阀开启压力等。
易发工况,高速大负荷（加速、爬坡、超载）
§ 5-2 燃油喷射和雾化
（ 2）滴油现象：在喷油器针阀密封正常的情况下，喷射终了时由于系统内的压力下降过慢使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油流出的现象。
危害,喷射压力极低，雾化奇差，积碳、堵塞喷孔
解决措施,合理匹配减压容积，使得压力下降迅速、残余压力 P0降低
（ 3）断续喷射：由于在某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷油器喷出的油量和针阀上升空出的空间油量之和，造成针阀在喷射过程中周期性跳动的现象。
危害,喷射压力低（雾化不良，燃烧不完全，碳烟增多，
易引起喷孔堵塞）、多次起落磨损偶件
解决措施,合理匹配供油规律、喷油规律及管路结构
§ 5-2 燃油喷射和雾化
（ 4）不规则喷射和隔次喷射：供油量过小时，循环喷油量不断变动甚至出现有的循环不喷油的现象。
危害,循环波动增加、怠速不稳、限制最低稳定转速
易发工况,怠速、极小负荷
改进措施：减少高压油管的容积并提高其刚度。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
– （ 5）穴蚀
在油路中存在压力波动－ >出现极低的压力＋喷嘴处的高温－ >形成蒸汽泡－ >高压回来－ >气泡破裂－ >
形成激波（压力很高，足以破坏金属表面）－ >多次冲击形成小孔－ >破坏配合面及密封。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
燃油的雾化和油束特性
– 雾化：
燃油在喷油泵中被压缩后，经高压油管在高压
（ 20～ 180MPa）、高速（ 100～ 400m/s）的作用下，从喷油器喷入燃烧室。燃油与燃烧室高压空气的相对运动中及紊流的作用下，被逐步粉碎分散为直径约 2～ 50um的液滴，由大小不同的液滴组成了油束。
§ 5-2 燃油喷射和雾化
– 评价指标（油束特性）：
油束几何形状：
– ①油束射程 L（又称为贯穿距离）；
– ②油束的最大宽度 B；
– ③喷雾锥角 β,标志油束的紧密程度。
– ④贯穿率,一部分燃油喷到了燃烧室的壁面。
雾化质量：
– 细度：用液滴平均直径来表示。直径越小，油束雾化越细。
(SMD表示 )
– 均匀度：油束中液滴大小相同的程度及液滴在油束内分布的均匀程度。 (标准方差表示）
LL,?LL 1
§ 5-2 燃油喷射和雾化
影响油束几何形状的主要因素
– 喷射压力
– 喷孔直径和数量
– 喷油器喷孔的长度直径比
– 空气与燃油密度比
– 空气流动状态等。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
混合气形成
– 机理：利用油（喷油系统）、气（燃烧室、进气道设计带来的涡流和紊流）、室（紊流、缸内的高温、高压气体）三方面的能量 雾化、蒸发形成局部可燃混合气。
– 分类：空间雾化（贯穿度小于 1，无着壁）；油膜蒸发（贯穿度远大于 1，大部分燃油着壁，缓慢蒸发）；二者结合（贯穿度略大于
1，少部分着壁，以空间雾化为主。
燃烧室
– 统一式（直接喷射）燃烧室：由气缸盖底平面、活塞项面及气缸壁所形成的统一空间内，活塞顶上均开有深浅不同、形状各异的 凹坑。
开式燃烧室,dk/D＞ 0.65～ 0.8,dk---喉口直径
半开式燃烧室,dk/D= 0.35～ 0.65
– 分割式燃烧室（非直喷）燃烧室：整个燃烧室分隔在两个空间，
主燃烧室设于活塞顶上，副燃烧室则在气缸盖内，其间用通道相连（通道直径 /D小于 0.1）。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
直接喷射式燃烧室
– 结构特点：整个燃烧室由气缸盖底平面、活塞项面及气缸壁所形成的统一空间内，活塞顶上均开有深浅不同、形状各异的凹坑。
– 开式燃烧室的混合气形成主要靠油束与燃烧室形状配合。不组织空气运动或辅以微弱的空气运动。这种燃烧室空气利用率低，但经济性好，主要用在大中型柴油机上。目前汽车、拖拉机柴油机上多采用半开式燃烧室。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
– 半开式燃烧室的空气流动组织
进气涡流
– 切向气道
气道母线与气缸相切，气道形状较平直，在气门前强烈收缩。气流通过切向气道时速度愈来愈快，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。
优点：结构简单，流动阻力较小
缺点：对气口位置敏感。
– 螺旋气道
把气门座上方的气道内腔做成螺旋形，使空气流经气门座时，一部分在气道内部形成绕气门中心的旋转运动，其强度仅与气道本身结构有关。另一部分近于切向气流、顺着气缸壁绕气缸中心线旋转。
优点：螺旋气道能产生较强的进气涡流。
缺点：制造工艺要求高，调试工作量较大。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
2、挤流
– 燃烧室喉口直径及挤气间隙愈小，则挤流愈强。挤涡流与进气涡流相比，它不影响充气效率，但涡流强度较小，且维持时间短，随着活塞向下运动，很快减弱消失。
– 优点：不影响充气效率，与转速关系不大，在压缩上止点附近达到最大值（正好与喷油配合）
– 缺点：持续时间短，尖角出流动最强燃烧反应剧烈，易造成局部高温、热裂
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
– 以 ω型为代表的半开式燃烧室
特点：
– ①采用 3-5孔喷嘴，依靠燃油在空间雾化来实现；
– ②组织进气涡流，加速混合气形成。
主要结构参数：
– ①； 的大小要与贯穿度，涡流互相配合。
– ②； Vk凹坑内燃烧室容积； Vc压缩容积。
相对散热面小，挤流加强，有利于混合；
65.04.0Dd k ； Dd k
85.075.0CK VV CKVV?
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
优缺点：
– 结构简单，相对散热面积小（即燃烧室表面积和其容积之比小），可以获得较高的经济性。
– 散热面积小，压缩终点温度容易建立，压缩比也较低，约为 15-17。它的低温起动性好。
– 开启压力大 20MPa左右．喷油泵易磨损；
– 滞燃期内形成的可燃混合气量多，压升率高，工作粗暴；
– a较大，全负荷在 1.3以上
– 对转速变化较敏感；
– 燃烧温度较高，空气在高温停留的时间又长，故 NOX排放高，比分隔式燃烧室大 30-50％。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
二、分隔式燃烧室
– 分隔式燃烧室是整个燃烧室分隔在两个空间，主燃烧室设于活塞顶上，
副燃烧室则在气缸盖内，其间用通道相连。
– （一）涡流室燃烧室
1、结构特点
– 副燃烧室容积称为涡流室。一般Vk/Vc= 50~80%，通道截面约为活塞面积的 0.9~3.5％。
– 通道方向与活塞顶成一定的角度并与涡流室相切。涡流室通常由两部分组成，上部与气缸盖铸在一起。下部
（包括连接通道）由耐热钢制成，称为“保温镶块”。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
– 混合气形成特点：
①转速增加涡流增加；
②部分燃油在通道口附近靠近壁面处着火；
③二次涡流（燃烧涡流）进一步混合。
④对燃油适应性好。
– 主要优点：
① a较小，全负荷＝ 1.2～ 1.3，最低可到 1.1，空气利用率较高；
②对喷雾质量要求不高，可用轴针式喷嘴，开启压力较低 12～
14MPa；对燃油系的要求低，减少喷嘴堵塞现象（自清洁）。
③对转速变化不敏感，高速性好，最高转速可达 5000r／ min。
④压升率较低，运转平稳；易于调试；使用性能稳定。
– 主要缺点：
①相对散热表面积较大；
②气体二次经过通道节流，流动损失也较大；
③冷起动性差，压缩比为 18～ 23，需要起动辅助装置。
④通道口热负荷很高，容易引起热裂等毛病。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
（二）预燃室燃烧室
– 构造特点：
燃烧室由两个部分组成 Vk/Vc=30～ 40％
预燃室和主燃室用一个或几个小孔（或称喷孔）相连通，小孔总截面积与活塞截面积之 比只有 0.25～ 0.7％。喷油器安装在预燃室中心线附近。
– 混合气形成特点：
①压缩紊流；②燃油喷入预燃室避免与气流正面相撞；③气流将一部分小油粒带向预燃 室的上方形成火源。
– 主要优点：
① a较小，全负荷＝ 1.2～ 1.3，最低可到 1.1，空气利用率较高；
②对喷雾质量要求不高，可用单孔式喷嘴，开后压力较低 12～ 14MPa；对燃油系的要求低，减少喷嘴堵塞现象。
③对转速变化不敏感，高速性好，最高转速可达 5000r／ min。
④压升率较低，运转平稳；排气污染小，易于调试；使用性能稳定。
– 主要缺点：
①流动损失大，散热面积大，散热损失亦较大经济性差，耗油率高。 250～ 285 g／
（ kw.h）。
②冷起动困难。压缩比较高，一般为 18～ 22，需要起动辅助装置。
③低转时噪声大。
§ 5-3 混合气形成和燃烧室
三、燃烧室比较
– ①直喷式：热效率高，省油。问题是对转速较敏感，噪声高；
– ②球型：发展趋势不大，主要是性能难于稳定，低速性能不好。
– ③涡流室：高速性能好，升功率较大，适合小缸径。缺点是经济性差，耗油率较高。起动困难。
– ④预燃室：对燃料供给系要求最低，生产、保养较易。
用于 n＞ 2500～ 3000r／ min的小型高速柴油机上。其能量损失大，耗油率高，起动性差，怠速噪声大。
选择燃烧室时主要的依据是缸径、转速及使用要求，
并要考虑当前制造和使用水平。
§ 5- 4运转因素对燃烧过程的影响
一、燃料性质的影响：
– 十六烷值和馏程是影响燃烧的重要因素。
十六烷值增加工作可以柔和。
馏程燃油易于蒸发和空气混合，缩短着火的物理准备时间。
– 如果燃油的十六烷值较高，但其蒸发性不好，就会造成燃油来不及蒸发，在高温下裂解成炭烟。反之，如果燃油的馏程较低，而着火性能差，也会在着火延迟或中形成大量可燃混合气，着火后一起燃烧，使柴油机工作粗暴。因此，燃油的十六烷值及馏程均要适当，
互相配合。一般高速柴油机燃油的十六烷值大致为
40～ 50，馏程为 200～ 350° C左右。
§ 5- 4运转因素对燃烧过程的影响
二、负荷的影响
– 负荷增加空气量基本不变，循环供油量增加，过量空气系数下降，不完全燃烧现象会增加，
热效率降低，燃烧恶化，排气冒黑烟；
– 缸内温度上升，缩短着火延迟期，使柴油机工作柔和。
– 负荷很小时，由于散热损失相对增加，指示效率稍有下降。
§ 5- 4运转因素对燃烧过程的影响三、转速的影响
① 散热损失与漏气损失减小?,以时间计的?
i；
n 喷油压力 改善燃油的雾化，但以曲轴转角计?
i
。
②
v
b
g 燃烧占曲轴转角加大
i
。
n 涡流弱? 喷油压力低，雾化混合不好，漏气损失和散热损失
i
。
§ 5- 4运转因素对燃烧过程的影响
四、供油提前角的影响。
– 过大的供油提前角会增加压缩负功，使油耗增高，功率下降。
– 供油提前角太小，则燃油不能在上止点附近迅速燃烧，补燃增加，
虽然压升率及最高压力较低，但排气温度增加，冷却系热损失增加，热效率显著下降。
– 最佳供油提前角，此时功率最高，耗油率最小。但往往噪声和污染较大。故选择柴油机供油提前角须根据机型、转速、油耗、排污以及噪声等由试验确定。其大致范围是上止点前 15～ 35° CA。
