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第1章汽车发动机工作过程与性能评定第一节汽车发动机换气过程•四行程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期,约占410º~480º曲轴转角。•换气过程包括排气过程和进气过程,换气过程的任务排除废气、充入尽可能多的新鲜工质(新鲜混合气或空气)[排得净,进得多]•固定的配气相位只对一种转速有利。为此,目前轿车上,安装有可变进气系统、可变配气机构(改变相位角、气门升程)或者进气增压系统。一、四行程发动机的换气过程(1)自由排气阶段从排气门在下止点前开启到气缸内压力接近排气管内压力的这一时期,称为自由排气阶段。从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角,一般为40º~80º曲轴转角。由于配气机构惯性力的限制,气门开启与关闭不能太快,需要一定时间,如果活塞到下止点时排气门才开始开启,在开启初期开度极小,废气不能通畅流出,气缸内压力下降缓慢,不能实现充分排气,而且在活塞向上止点回行时会形成较大的反压力,增加排气行程所消耗的功。为此,排气门必须在下止点前开启(图1-1中b′点)。自由排气阶段气体的流动分为超临界状态和亚临界状态。(2)强制排气阶段在这一阶段,气缸内的废气是由活塞上行强制推出。因为要克服排气门、排气道处的阻力,气缸内平均压力比排气管平均压力一般高出10kPa左右。气体的流速越高,此压差越大,消耗的功越多。为了减少排气节流和利用高速气流的惯性排除废气,排气门应在活塞过了上止点后才关闭。从上止点到排气门关闭这段曲轴转角,称为排气迟闭角,一般为10º~30º曲轴转角。(3)进气阶段为保证活塞下行时进气门有足够大的开启面积、新鲜工质顺利流入气缸,进气门也要提前开启,一般为进气提前角为0º~40º曲轴转角。进气门也需在活塞到达下止点后关闭,这样便可利用高速气流的惯性,在上止点后继续进气。而且发动机转速愈高,进气流速愈大,进气门应愈迟关闭。进气迟闭角,一般为40º~80º曲轴转角。将进排气门开闭角度以及相对上下止点的位置画出,称为配气定时图二、四行程发动机的换气损失(1)排气损失排气损失是从排气门提前打开,直到进气行程开始,气缸内压力到达大气压力之前,循环功的损失。它可分为:自由排气损失(图1-3中面积W),是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。强制排气损失(图1-3中面积Y),是由于活塞上行强制推出废气所消耗的功。(2)进气损失进气损失主要是进气过程中,因进气系统的阻力而引起的功的损失。如图1-3中面积X所示。它与排气损失相比相对较小。排气损失与进气损失之和称为换气损失,即图中面积(W+Y+X)。在实际循环示功图中把面积(X+Y-d)相当的负功,称为泵气损失。由于测量上的原因,泵气损失放在机械损失中考虑,而将(W+d)放入热效率中考虑。三、发动机的充气系数•充气系数(充气效率)概念充气系数(充气效率)是实际进入气缸的新鲜工质的量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的量的比值。式中m1、V1—实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积(进气状态);ms、Vs—进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。ssvVVmm11•式中:Ta、Pa——进气终了时的气体温度和压力;Ts、Ps——进气状态的温度和压力;——残余废气系数,即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值;——压缩比。scscvvvv'ssvrvm111aassvTppT•充气系数总是小于1,可以用来评价不同排量发动机的换气过程的好坏。数值越大,换气过程越完善。•影响充气系数的主要因素:111aassvTppT1.进气终了时的压力PaPa对有重要影响,Pa愈高,值愈大Pa=Ps-△Pa式中,△pa为气体流动时,克服进气系统阻力而引起的压降(kPa)。一般可写成△式中——管道阻力系数;——进气状态下气体的密度;v——管道内气体的流速(m/s)。可见,△pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、v高时,△pa增加,使Pa下降。vv22vpa2.进气终了的温度进气终了的温度Ta高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是:1)新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。2)新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。3)在化油器式汽油机上,为了使液体燃料在进气管中蒸发,以便均匀地与空气混合而进入气缸,一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热,故空气经过进气管时受热而温度升高。措施:将高温排气管与进气管分置于气缸两侧,控制进气预热,适当加大气门叠开角等,均有利于降低Ta。转速和负荷对Ta的影响1)转速:当负荷不变而转速增加时,由于新鲜工质与缸壁等接触时间短,传热量少,所以Ta稍有下降。2)负荷:当转速不变而增加发动机负荷时,缸壁等零件温度升高,Ta有所上升。3.残余废气系数1)增加,降低,燃烧恶化,油耗、排放增加,2)压缩比提高,残余废气系数减小。3)排气压力高,废气多,充气效率降低。4)排气系统阻力大,排气压力高,废气多。v4.配气定时由的计算公式可见,由于进气门迟闭而<1,新鲜充量的容积减小,但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑ξPa具有最大值。5.压缩比压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而有所增加。v四、改善充气效率的措施•进气系统:空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。减少各段通道的阻力,增大其流通能力,是提高充气效率,改善发动机性能的主要途径。一、进气门1.时面值气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门开启时间长,开启断面大,则气门开启时面值大,气流通过能力越强,阻力越小。增大进气门头部直径,减小气门头部锥角,增大气门升程,延长气门开启时间,均可扩大气门开启时面值。2.进气马赫数M进气马赫数M是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比,即M=Vm/C。M是决定气流流动性质的重要参数。M值反映气体流动和气门结构尺寸的关系,对充气效率有重要的影响。根据一系列试验可知,在正常的配气定时条件下,当超过一定数值时,大约在0.5左右,充气效率急剧下降。因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值,以达到提高充气效率的目的。3.气门直径和气门数进气门直径增大,扩大气流通路截面积增加,ηv提高。双气门(一进一排):进气门直径可达活塞直径的45%~50%,气门与活塞面积之比为0.2~0.25,进气门比排气门大15%~20%。受结构限制,进一步增大比例已很困难。多气门结构:缸径大于80mm时,采用二进二排结构;缸径小于80mm时,采用三进二排结构。四气门机与二气门机相比,功率可提高70%,扭矩可提高30%,且响应性比增压机好,故是汽车发动机高功率化的有力措施。4.气门升程气门升程增加、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尽可能快,以增大时面值,提高充气效率。最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.26~0.28。5.减少气门处的流动损失二、进气道和进气管保证足够的流通面积,避免转弯及截面突变,改善表面的光洁程度。汽油机:燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用。柴油机:形成进气涡流。高转速、大功率时,进气管宜短粗;中、低速,进气管宜细长。三、空气滤清器•合理选择配气定时在配气定时各参数中,进气门迟闭角的改变,对充气效率ηv影响最大。ηv在某一转速下达到最高值,此转速下能最好地利用气流的惯性充气。进气迟闭角增大,ηv最大值对应的转速增加排气提前角:保证排气损失最小的前提下,尽量晚开排气门。转速增加,排气提前角增大。气门叠开角:可以增加循环充量,提高充气效率,降低高温零件的热负荷,减少NOx。第二节汽油发动机燃烧过程一、混合气浓度表示方法空燃比=空气量/燃油量混合气分:稀混合气理想混合气(汽油14.7,柴油14.5)浓混合气混合气浓度表示方法:过量空气系数、空燃比二、汽油机的燃烧过程•汽油机的理想循环为定容加热循环。•汽油机燃料的燃烧是点燃式燃烧。正常燃烧过程进行情况,通常测取燃烧过程的展开示功图研究燃烧过程。在燃烧压力线上,1点为火花塞跳火点,2点为出现火焰中心,3为最高压力点。将燃烧过程分为三个阶段:着火落后期、明显燃烧期和补燃期。•着火落后期(滞燃期、诱导期)从火花塞跳火到形成火焰中心时的时间或曲轴转角。特点:1)火花放电时两极电压达10~15kV,局部温度可达3000K,加快了混合气的氧化反应速度。2)此阶段缸内压力无明显升高。着火落后期的长短与以下因素有关:1)混合气成分混合气过量空气φat=0.8~0.9时,着火落后期最短。2)开始点火时的缸内气体温度和压力开始点火时缸内气体温度和压力越高,着火落后期越短。3)缸内气体流动加强紊流运动,会加快混合气的氧化反应速度,着火落后期缩短。4)火花能量加大火花能量,着火落后期缩短。5)残余废气量残余废气对燃烧反应起阻碍作用,使着火落后期变长,所以应尽量减少残余废气。点火提前角:是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。可用其表示点火时刻。•明显燃烧期(急燃期)从形成火焰中心到最高压力出现。在均值混合气中,当火焰中心形成之后,火焰向四周传播,形成一个近似球面的火焰层,即火焰前锋,从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播,直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。火焰传播速度:火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。车用汽油机,燃烧室的火焰传播速度可达50-80m/s。常用平均压力升高率λp〔kPa/(º)〕表征压力变化的急剧程度。式中:△p—明显燃烧期始点和终点的气体压力差(kPa);△θ—明显燃烧期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差(CAº)。汽油机的λp在200~400kPa/(º)范围内。pp明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期。明显燃烧期愈短,愈靠近上止点,汽油机经济性、动力性愈好,但可能导致压力升高率值过高,工作粗暴,对排污亦不利。一般明显燃烧期约占20~40º曲轴转角,燃烧最高压力出现在上止点后12~15º曲轴转角,λp=175~250kpa/(º)为宜。•补燃期(后燃期)从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期。在此阶段参加燃烧的燃料主要有1)火焰前锋后未及时燃烧燃料再燃烧。2)贴附在缸壁未燃混合气层的部分燃烧。壁面温度低,对火焰具有熄火作用,这样在熄火存在大量未燃烃,在随后的膨胀中部分未燃烃继续燃烧。3)高温分解的燃烧产物(H2、O2、CO等)重新氧化。燃烧产物CO2、H2O中,有少部分在高温的作用下,分解成H2、O2、CO等产物,在膨胀过程中,因工质温度下降,热分解产物又继续燃烧、放热。这种燃烧已远离上止点,应尽量减少。三、汽油发动机的不正常燃烧汽油发动机的正常燃烧是指由火花塞跳火点燃可燃混合气,形成火焰中心,火焰按一定的速率连续地传播到整个燃烧室空间。若汽油发动机可燃混合气燃烧不是由火花塞点燃或火焰传播速率不正常的即为不正常燃烧,汽油发动机的不正常燃烧主要有爆燃和表面点火。1.爆燃(1)爆燃产生的原因末端混合气自燃(2)爆燃的危害汽油发动机允许有轻微的、短时间爆燃。因为轻微的爆燃可以提高火焰传播速度,缩短燃烧过程所占用的时间,有利于提高有效热效率。但不允许严重的爆燃,严重的爆燃会有下列危害。①机件过载②机件烧损③动力性、经济性下降④发动机磨损加剧⑤排气冒黑烟,补燃增加,排气温度增加⑥噪声大(3)影响爆燃的因素①燃料的性质辛烷值高的燃料抗爆燃能力强。使用抗爆剂可有效地提高燃料的抗爆燃能力,但有些抗爆剂要受环保和发动机排放污染净化装置的制约,因此近年来各国都对含铅汽油的使用有一定控制。西方发达国家早已大量使用无铅汽油,我国已于2000年7月1日起禁止销售使用含铅汽油。②末端混合气的压力和温度末端混合气的压力和温度增高,则爆燃倾向增大。提高压缩比,则气缸内压力、温度升高,爆燃易发生;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
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