西安交大周龙保教授《内燃机学(第三版)》期末复习知识点整理

1第二章内燃机的工作指标1.内燃机工作性能指标：动力性能【功率、转矩、转速】；经济性能【燃料与润滑油消耗率】；运转性能【冷起动性能、噪声和排放品质】；耐久可靠性能【大修间隔时间、无故障长期工作能力】2.【P19】指示性能指标：指以工质对活塞做功为基础的指标。【评价工作循环的质量】1)指示功：气缸内完成一个工作循环所得到的有用功Wi；D和S分别为汽缸直径和活塞行程指示功大小由p-V图中闭合曲线所占有的面积求得；增压发动机，由于进气压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，所以应是两部分面积相加。2)平均指示压力平pmi(单位：Pa/MPa)单位气缸容积一个循环做的指示功；平均不变的力，作用在活塞顶，推动活塞移动一个行程所做的功等于Wi；一个工作循环的指示功；：气缸工作容积pmi范围：四冲程增压柴油机：0.9~2.6MPa；四冲程汽油机：0.8~1.5MPa3)指示功率Pi：单位时间内做的指示功；，4)指示热效率：指示功与所消耗的燃料热量的比值；，为得到指示功率所消耗的热量；，B(kg/h)：燃油消耗量；Hu所用燃料的低热值(kJ/kg)5)指示燃油消耗率bi：单位指示功的耗油量（单位：g/(kW*h)）。6)表示实际循环经济性能的与bi之间的关系与bi理论数值：四冲程汽油机0.25~0.40，210~340g/(kW*h)；四冲程柴油机：0.40~0.50，170~210g/(kW*h)nKnlHnpPsmaticsmcuatimeL113013010mitumitKHbe26106.323.有效性能指标：1)有效功率Pe：Pe=Pi-Pm；2)机械损失功率Pm：运动件的摩擦功率以及驱动风扇、机油泵、燃油泵、发电机等附件所消耗的功率；3)机械效率：有效功率/指示功率4)平均有效压力pme：；由式(1)与式(2)得：即反应了发动机单位气功工作容积输出转矩的大小5)升功率PL：在额定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。由式升功率PL是从发动机有效功率角度对其气缸工作容积的利用率做出的总评价，它与pme与n的乘机成正比。PL越大，发动机强化程度越高，发出一定有效功率的发动机尺寸越小。PL是评价一台发动机整机动力性能和强化程度的重要指标之一。【升功率数值：柴油机：20~60；四冲程汽油机：40~90】6)充量系数：若把每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状态(Ps、Ts)下的体积V1，其值一般要比活塞排量Vs小，两者的比值定义为充量系数；表征实际换气过程进行完善程度的参数；式中m1、n1、V1分别为实际进入气缸的新鲜空气的质量、物质的量、在进气管状态(Ps、Ts)下所占有的体积；msh、nsh、Vs分别为在进气管状态下能充满气缸工作容积的空气质量、物质的量及气缸工作容积。7)过量空气系数：燃烧1kg燃料的实际空气量与理论空气量之比；式中，gb为每循环燃料供给量(kg)；l0为单位质量燃料完全燃烧所需的理论空气质量，即化学计量空燃比。是反应混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个指标，应力求减小(小意味着可以向气缸多喷油，吸入气缸的空气的利用率高，发出的功率大)8)有效热效率：；9)有效燃油消耗率be：与bi实际数值：四冲程汽油机0.25~0.32，270~340g/(kW*h)；四冲程柴油机：0.30~0.42，170~210g/(kW*h)34.机械损失与机械效率：活塞与活塞环间的摩擦（45－65％）；轴承与气门机构的摩擦（2－3％）；驱动附属机构（10－20％）；风阻；扫气泵及增压器（10－20％）5.动力与经济性能提升措施：动力性：；经济性：1)增压：由式(3)得，增加吸进空气的密度可以使发动机功率按比例增长。此外，它是改善柴油机经济性、降低比质量、降低废气有害排放、降低排烟、节约原材料的一项最有效的技术措施；汽油机由于受爆燃限制，压缩行程终了时的压力和温度不宜过高，这就限制了增压压力。增压后，功率提高仅在30%~40%之间。2)合理组织燃烧，提高循环指示效率：同时改善动力性和经济性。需要从研究内燃机工作循环入手，深入分析在整个热工转换过程中，各种热力损失的大小及其分布，掌握各种因素对热力损失的影响程度。3)改善换气过程，提高气缸的充量系数：同样大小的气缸容积，在相同的进气状态下若能吸入更多的新鲜空气，则可容许喷入更多的燃料，在同样的燃烧条件下可以获得更多的有用功。措施：多气门、可变气门正时与升程、可变进气管长度。4)提高发动机的转速增加转速可以增加单位时间内每个气缸做功的次数，因而可提高发动机的功率输出；与此同时，发动机的比质量也随之下降。转速的增长不同程度上受燃烧恶化、充量系数和机械效率急剧降低，零件使用寿命和可靠性降低以及发动机振动、噪声加剧等限制。5)提高机械效率：主要靠结构、工艺上采取措施减少其摩擦损失及驱动水泵、油泵等附属机构所消耗的功率以及改善发动机的润滑、冷却来实现。6)采用二冲程第三章内燃机工作循环内燃机通过排气过程排出已燃废气，通过进气过程吸入新鲜空气或空气与燃料的混合气，为下一循环做好准备；通过活塞的压缩行程，将混合气的温度压力提高到一个合适的水平，然后燃料以点燃或压燃的方式开始燃烧释放出热能。在燃料燃烧的过程中，缸内工质被加热，温度和压力得到进一步的提升，在活塞通过上止点后的膨胀行程对外做功，从而将燃料燃烧所产生的热能转化为机械能。1.内燃机理论循环的比较：1)三种理论循环的热效率都与压缩比有关，提高压缩比可以提高循环热效率。提高压缩比可以提高工质的最高燃烧温度，扩大循环的温度阶梯，从而使循环热效率增加，但循环热效率增加率随着压缩比的提高而逐渐减小。42)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，是循环的最高温度和压力增加，从而提高燃料热量的利用率，及循环热效率。3)增大初始膨胀比，使等压部分加热量增加，将导致混合加热循环热效率的降低，因为这部分热量是在活塞下行的膨胀过程中加入的，做功能力较低。4)所有提高内燃机理论循环热效率的措施，以及增加循环始点的进气压力，降低进气温度，增加循环供油量(gb，即循环加热量)等措施，均有利于循环平均压力的提高。循环名称循环热效率循环平均压力循环特点等容加热加热过程在等容条件下迅速完成，热效率仅与压缩比有关(对应于汽油机)等压加热加热过程在等压条件下完成，负荷的增加(初始膨胀比)使循环热效率下降混合加热介于上述两者之间注：为等熵指数，为压缩比，压力升高比，为初始膨胀比，为循环加热量，为工质质量2.内燃机实际工作条件的限制：1)结构强度的限制：提高内燃机的压缩比和压力升高比对提高循环热效率和平均压力均起着有利的作用，但和的增加将导致最高燃烧压力和压力升高率的升高，使发动机的负荷水平、振动和噪声大大增加。2)机械效率的限制：内燃机的机械效率与气缸中的最高燃烧压力密切相关，相同转速下，的增加不仅会使活塞与气缸之间的摩擦损失增加，也使得活塞、连杆等运动件的质量及其惯性力增加，轴承的承压面积加大，从而进一步增加发动机的摩擦损失，因此不加限制地提高或，将导致机械效率的下降，从有效性能指标上看，使得由压缩比和提高而获得的收益得而复失。3)燃烧方面的限制：若压缩比过高，汽油机易产生爆燃、表面点火等不正常燃烧后的现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩容积变得很小，燃烧室的设计和制造难度增加，也不利于混合气的形成和燃烧的高效进行。单纯的增加供油量，将导致燃料的不完全燃烧，发动机会出现动力性下降、热效率降低等现象。4)排放方面的限制：循环供油量的增加受实际吸入气缸内的空气量的限制，否则可能会出现冒烟、HC和CO排放激增等不良现象。同样，压缩比和压力升高比的增加，会使最高燃烧温度和压力上升，发动机的NOx的排放物会增加。3.实际循环：1)工质改变损失(P43)：二氧化碳、水蒸气等三原子气体成分增加，使工质的比热容增大，且随着温度的升高而增大，导致实际气体温度下降。5由于工质的比热容随着温度的升高而增大，对于相同的热量（燃料燃烧的放热量），实际循环所能达到的最高燃烧温度和气缸压力均小于理论循环的，使循环做功能力和热效率下降（热量被气体吸走，变成废气排出，没有用来做工）。2)传热、流动损失：理论上：压缩膨胀为绝热过程、闭口系统没有气体流动损失实际上：大量热通过气缸壁传给冷却水或空气；进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失；3)换气损失：排气门提前开启造成的膨胀损失、强制排气的推出功损失和吸气过程的吸气功损失，统称为换气损失。理论上：忽略进排气损失实际上：进排气门提前开启延迟关闭，且有流动阻力4)燃烧损失(P45)：、燃烧速度的有限性（时间损失）：a)压缩负功增加：为了使燃烧能够在上止点附近完成，燃料的燃烧在上止点前开始，由此造成了压缩负功的增加；b)最高压力的下降：由于燃烧速度的有限性，等容加热部分达不到瞬时完成加热的要求，再加上活塞在上止点后的下行运动使工质体积膨胀，实际循环的压力升高率有限，使得实际循环的最高压力下降，循环的平均压力和做功能力下降。c)膨胀功减少：由于理论循环假设等容加热是瞬时完成的，其余热量是在等压的条件下于某一点前完全加入，而后进入绝热膨胀过程，而实际循环的燃烧持续期长，部分热量是在膨胀行程的后期加入，这部分热量的做功能力低，循环获得的膨胀功减少。不完全燃烧损失：会有很少一部分燃油由于附着到燃烧室壁面、熄火等原因，没有燃烧或没有完全燃烧，以未燃HC、CO和碳烟颗粒等形式排出机外，此外还存在一定的高温分解。5)泄漏损失：理论上:闭口系统，无泄漏。实际上:活塞气环不会100%严密密封，总会有些气体窜到曲轴箱中，造成损失。4.内燃机的燃料：1)柴油：自燃性：十六烷值（十六烷值高，自然温度低，滞燃期短，有利于冷起动，过高则容易裂解，增加碳烟）低温流动性：凝点2)汽油：挥发性：10％馏出温度：起动性；50％馏出温度：平均蒸发性－－暖车、加速性、工作稳定性；90％馏出温度：难以挥发的重质成分；抗爆性：辛烷值；6第四章内燃机的换气过程1.本章要求：内燃机性能很大程度上依赖其换气过程的完善程度，为提高动力性和经济性指标，需要研究减少排气流动阻力损失、提高充量系数和各缸均匀性的措施及方法。理解：配气相位，充气效率和影响因素。掌握：四冲程发动机的换气过程和换气损失。2.换气过程的任务：将缸内空气排出干净,并充入尽量多的新鲜充量；换气过程进行的完善程度是提高发动机动力性的重要因素。3.换气过程（5个阶段）1)自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的这个时期，称为自由排气阶段（排出60%~70%的废气）排气门提前开，一般排气提前角设计为30-80°CA曲轴转角。超临界排期阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，因此高速机中，应加大排气提前角（时间相对减少）；一般汽油机的排气提前角小些，柴油机的大些，增压柴油机的更大一些。2)强制排气阶段：气缸内压力下降到接近排气管内压力时（下止点后10~30°CA），压力差很小，废气需依靠活塞上行被强制推出。3)进排气重叠阶段：由于排气门迟后关闭，进气门提前开启，因此存在进排气门同时打开的现象，称为气门叠开，也称扫气阶段，清除残余废气，增加进气。对于自然吸气发动机，若气门叠开角过大，会出现部分气体倒流的现象；对于点燃式发动机，由于采用节气门来调节发动机的功率，进气管内压力总是低于大气压力，在低负荷节气门开度小时更是如此，若进气门提前角过大，高温废气有可能倒流进入进气管，引起进气管回火，故这类发动机的气门叠开角一般都比较小；无论点燃式还是压燃式，转速高的发动机宜采用较大的气门叠开角和气门开启持续期，以提高发动机的充量系数。增压柴油机，因其进气压力高，可采用较大的气门重叠角，一般为80-160°。一方面可有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸的新鲜充量；另一方面，还可以用新鲜充量冷却燃烧室内汽缸盖、排气门、活塞顶、缸套等高温部件，调节排气温度，从而减小发动机及增压器受热严重且冷却困难的关键零部件的热负荷，对提高发动机可靠性