内燃机与燃烧分析-上

1内燃机与燃烧分析北京理工大学机械与车辆工程学院发动机试验室李向荣博士副教授1目录一、内燃机原理...........................................................................................................11.1车用内燃机分类与工作原理.........................................................................11.1.1内燃机分类.........................................................................................11.1.2内燃机的优缺点.................................................................................21.1.3内燃机常用术语.................................................................................31.1.4内燃机结构组成.................................................................................71.1.5内燃机型号的编制.............................................................................81.1.6内燃机工作原理...............................................................................101.1.6.1四冲程发动机工作原理........................................................101.1.6.2二冲程发动机工作原理........................................................141.2内燃机的性能指标（详细）.......................................................................161.2.1示功图...............................................................................................161.2.2内燃机指示指标...............................................................................181.2.3内燃机有效指标...............................................................................201.2.4内燃机理想循环...............................................................................231.2.5内燃机实际循环...............................................................................261.2.6内燃机机械损失的测量...................................................................301.2.7内燃机热平衡...................................................................................321.3内燃机的燃烧过程.........................................................错误!未定义书签。1.3.1燃料及其性质......................................................错误!未定义书签。1.3.2汽油机燃烧..........................................................错误!未定义书签。1.3.3柴油机燃烧..........................................................错误!未定义书签。1.3.4内燃机工作循环计算..........................................错误!未定义书签。1.4柴油机的燃油喷射过程(电控柴油机的供油和调节)....错误!未定义书签。1.5汽车与内燃机的匹配要求..............................................错误!未定义书签。1.5.1车用内燃机的要求..............................................错误!未定义书签。1.5.2车用内燃机指标..................................................错误!未定义书签。1.5.3内燃机特性..........................................................错误!未定义书签。二、内燃机试验技术....................................................................错误!未定义书签。22.1内燃机试验台架的组成..................................................错误!未定义书签。2.2内燃机专项试验..............................................................错误!未定义书签。2.3台架燃烧分析的主要试验参数（详细）......................错误!未定义书签。2.4燃烧分析试验结果的应用..............................................错误!未定义书签。2.5车载燃烧分析..................................................................错误!未定义书签。1一、内燃机原理1.1车用内燃机分类与工作原理1.1.1内燃机分类发动机：将其它形式的能量转变为机械能包括：热力发动机；电力发动机（电动机）；水力发动机；风力发动机等。热力发动机：将燃料燃烧所释放的热能转变为机械功热力发动机按其能量转换型式的不同可以分成：内燃机与外燃机内燃机：燃料燃烧后的产物直接推动机械装置作功的发动机，如活塞式发动机、燃气轮机；外燃机：利用燃料对某一中间物质进行加热，再利用中间物质所产生的气体推动机械装置作功，如蒸汽机、汽轮机、热气机（斯特林发动机，Stirling）等。通常所说的内燃机指往复活塞式内燃机。其它类型的内燃机还有：燃气轮机；自由活塞式发动机（气垫式、液压式）；转子式发动机（三角转子发动机：Wankel，汪克尔，德国）；其它特种发动机。2内燃机的应用范围极其广泛，交通运输、工程机械、农业机械、矿山、石油、发电、船舶等国民经济重要部门与军用领域所需动力，绝大多数来自内燃机。1.1.2内燃机的优缺点内燃机的主要优点是：31．经济性好。它是热效率最高的热机，蒸汽机4％～8％中型汽轮机14％～20％大型汽轮机18％～38％燃气轮机18％～32％内燃机20％～46％2．外形尺寸小、质量轻，便于移动。3．功率范围广。单机功率可从零点几干瓦到上万干瓦，适用范围广。其他热机都达不到这种适应性。4．启动迅速。正常启动只需几秒钟，并能很快地达到全负荷。而蒸汽机从启动并转变到全负荷往往需要相当长的时间。5．水的消耗量少，待别是风冷机根本不需要水，6．维护简单，操作方便。内燃机目前仍存在着如下一些缺点；1．燃料限制。在内燃机中只能直接使用液体燃料或气体燃料。2．废气中的有害成分是大气污染的主要来源。3．运转时噪声大。内燃机噪声是城市噪声的重要来源。4．低速时难以获得大扭短。而且当内燃机转速低于标定转速1／3～1／4时，就不能保证正常工作。因此以内燃机为动力的车辆，必须设置变速机构才能满足要求。1.1.3内燃机常用术语内燃机常用的基本术语：1．上止（死）点（TDC）——活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远的位置称上止点。2．下止（死）点（BDC）——活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最近的位置称下止点。曲轴转角：ºCA；上止点后xº曲轴转角：ºCAATDC凸轮轴转角：对于四冲程发动机，它为曲轴转角的一半3．活塞行程（冲程，Stroke）——活塞上、下止点之间的距离称活塞行程，以S表示。对应一个活塞行程，曲轴旋转180º4．曲柄半径R——曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径，活塞4行程与曲柄半径之间有如下的关系：S＝2R即活塞行程为曲柄半径的两倍。5．燃烧室容积——活塞在上止点时，其顶部以上与缸盖底平面之间的空间容积称燃烧室容积。燃烧室容积是活塞在气缸中运动所能达到的最小容积。6．气缸总容积——活塞在下止点时，其顶部以上与缸盖底平面之间的空间容积称气缸总容积。气缸总容积是活塞在气缸中运动所能达到的最大容积。7．气缸工作容积——活塞在上止点运动到下止点(或由下止点运动到上止点)所扫过的容积称为气缸工作容积。燃烧室容积Vc、气缸总容积Va和气缸工作容积Vh之间存在着如下的关系：Vc＝Va—Vh8．内燃机排量——气缸工作容积与气缸数的乘积就是内燃机排量。以Vh表示：式中D——气缸直径，mm；S——活塞行程，mm，i——气缸数。9．压缩比——气缸总容积与燃烧室容积的比值称为压缩比，压缩比表示在进气冲程中进入气缸中的气体到压缩冲程终了时被压缩的程度。压缩比是一个重要的参数，它对内燃机的性能指标有着举足轻重的影响。5一般车用内燃机的压缩比为：汽油机6—9，最高可达10；柴油机13—20，最高可达22。10．工作循环——内燃机气缸中的气体由进气开始，历经压缩、燃烧、膨胀及排气等一系列的连续过程，这一系列连续过程统称为一个工作循环。11．过量空气系数：燃料完全燃烧时的理论空燃比(A/F)，汽油为14.8(kg/kg)，柴油为14.3(kg/kg)。在发动机中实际燃料燃烧所供给的空气量往往大于理论空气量。燃烧1公斤燃料的实际空气量与理论上所需空气量之比，称为过量空气系数α(Excessaircoefficient)612．充气效率：发动机进入气缸的空气质量m与进气状态下气缸工作容积充满的空气量之比，称为充气效率：hvVm由上式可见，充气效率越大，表示实际进入气缸中的气体量越多，也就是进气过程进行得越完善，气缸工作容积利用得越充分。影响充气效率的因素主要有：（1）进气系统流动阻力；（2）缸内残余废气量；（3）进气系统和气缸壁对充量的加热；（4）配气相位；（5）进、排气系统中的气体波动效应。大致可以归纳为两个方面，即：构造方面的因素和使用方面的因素。构造方面的因素：影响最大的是进气系统的结构型式与尺才，它包括进气管道截面的大小、管道内表面光洁程度、管道弯曲的状况、气门尺寸与个数以及气门升程的7大小等。此外还有进气预热机构。进气预热会降低充气效率。使用方面的因素主要是内燃机的转速与负荷。内燃机的转速对充气系数的影响主要是通过对进气终点压力的影响而起作用。当内燃机转速升高时，进气气流速度上升，使气体压力下降。内燃机负荷对充气