內(nèi)燃機與燃燒分析-上

1、內(nèi)燃機與燃燒分析北京理工大學機械與車輛工程學院發(fā)動機試驗室李向榮 博士 副教授35目 錄一、內(nèi)燃機原理11.1車用內(nèi)燃機分類與工作原理11.1.1 內(nèi)燃機分類11.1.2 內(nèi)燃機的優(yōu)缺點21.1.3 內(nèi)燃機常用術語31.1.4 內(nèi)燃機結構組成71.1.5 內(nèi)燃機型號的編制81.1.6 內(nèi)燃機工作原理101.1.6.1 四沖程發(fā)動機工作原理101.1.6.2 二沖程發(fā)動機工作原理141.2內(nèi)燃機的性能指標（詳細）161.2.1 示功圖161.2.2 內(nèi)燃機指示指標181.2.3 內(nèi)燃機有效指標201.2.4 內(nèi)燃機理想循環(huán)231.2.5 內(nèi)燃機實際循環(huán)261.2.6 內(nèi)燃機機械損失的測量301.

2、2.7 內(nèi)燃機熱平衡321.3 內(nèi)燃機的燃燒過程361.3.1 燃料及其性質(zhì)361.3.2 汽油機燃燒381.3.3 柴油機燃燒481.3.4 內(nèi)燃機工作循環(huán)計算561.4柴油機的燃油噴射過程(電控柴油機的供油和調(diào)節(jié))571.5汽車與內(nèi)燃機的匹配要求631.5.1 車用內(nèi)燃機的要求631.5.2 車用內(nèi)燃機指標631.5.3 內(nèi)燃機特性64二、內(nèi)燃機試驗技術682.1內(nèi)燃機試驗臺架的組成682.2內(nèi)燃機專項試驗692.3臺架燃燒分析的主要試驗參數(shù)（詳細）692.4燃燒分析試驗結果的應用692.5車載燃燒分析70一、內(nèi)燃機原理1.1車用內(nèi)燃機分類與工作原理1.1.1 內(nèi)燃機分類發(fā)動機：將其它形式

3、的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能 包括：熱力發(fā)動機；電力發(fā)動機（電動機）；水力發(fā)動機；風力發(fā)動機等。熱力發(fā)動機：將燃料燃燒所釋放的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功熱力發(fā)動機按其能量轉(zhuǎn)換型式的不同可以分成：內(nèi)燃機與外燃機內(nèi)燃機：燃料燃燒后的產(chǎn)物直接推動機械裝置作功的發(fā)動機，如活塞式發(fā)動機、燃氣輪機；外燃機：利用燃料對某一中間物質(zhì)進行加熱，再利用中間物質(zhì)所產(chǎn)生的氣體推動機械裝置作功，如蒸汽機、汽輪機、熱氣機（斯特林發(fā)動機，Stirling）等。通常所說的內(nèi)燃機指往復活塞式內(nèi)燃機。其它類型的內(nèi)燃機還有：燃氣輪機；自由活塞式發(fā)動機（氣墊式、液壓式）；轉(zhuǎn)子式發(fā)動機（三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機：Wankel，汪克爾，德國）；其它特種發(fā)動機。內(nèi)燃機

4、的應用范圍極其廣泛，交通運輸、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、礦山、石油、發(fā)電、船舶等國民經(jīng)濟重要部門與軍用領域所需動力，絕大多數(shù)來自內(nèi)燃機。1.1.2 內(nèi)燃機的優(yōu)缺點內(nèi)燃機的主要優(yōu)點是：1經(jīng)濟性好。它是熱效率最高的熱機，蒸汽機 48中型汽輪機 1420大型汽輪機 1838燃氣輪機 1832內(nèi)燃機 20462外形尺寸小、質(zhì)量輕，便于移動。3功率范圍廣。單機功率可從零點幾干瓦到上萬干瓦，適用范圍廣。其他熱機都達不到這種適應性。4啟動迅速。正常啟動只需幾秒鐘，并能很快地達到全負荷。而蒸汽機從啟動并轉(zhuǎn)變到全負荷往往需要相當長的時間。5水的消耗量少，待別是風冷機根本不需要水，6維護簡單，操作方便。內(nèi)燃機目前仍存在

5、著如下一些缺點；1燃料限制。在內(nèi)燃機中只能直接使用液體燃料或氣體燃料。2廢氣中的有害成分是大氣污染的主要來源。3運轉(zhuǎn)時噪聲大。內(nèi)燃機噪聲是城市噪聲的重要來源。4低速時難以獲得大扭短。而且當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速低于標定轉(zhuǎn)速1314時，就不能保證正常工作。因此以內(nèi)燃機為動力的車輛，必須設置變速機構才能滿足要求。1.1.3 內(nèi)燃機常用術語內(nèi)燃機常用的基本術語：1上止（死）點（TDC）活塞在氣缸中運動所達到的距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠的位置稱上止點。2下止（死）點（BDC）活塞在氣缸中運動所達到的距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近的位置稱下止點。曲軸轉(zhuǎn)角：CA；上止點后x曲軸轉(zhuǎn)角：CA ATDC凸輪軸轉(zhuǎn)角：對于四沖程發(fā)動機，它為曲

6、軸轉(zhuǎn)角的一半3活塞行程（沖程，Stroke）活塞上、下止點之間的距離稱活塞行程，以S表示。對應一個活塞行程，曲軸旋轉(zhuǎn)1804曲柄半徑R曲軸旋轉(zhuǎn)中心到曲柄銷中心之間的距離稱為曲柄半徑，活塞行程與曲柄半徑之間有如下的關系：S2R即活塞行程為曲柄半徑的兩倍。5燃燒室容積活塞在上止點時，其頂部以上與缸蓋底平面之間的空間容積稱燃燒室容積。燃燒室容積是活塞在氣缸中運動所能達到的最小容積。6氣缸總容積活塞在下止點時，其頂部以上與缸蓋底平面之間的空間容積稱氣缸總容積。氣缸總容積是活塞在氣缸中運動所能達到的最大容積。7氣缸工作容積活塞在上止點運動到下止點(或由下止點運動到上止點)所掃過的容積稱為氣缸工作容積。燃

7、燒室容積Vc、氣缸總容積Va和氣缸工作容積Vh之間存在著如下的關系： VcVaVh8內(nèi)燃機排量氣缸工作容積與氣缸數(shù)的乘積就是內(nèi)燃機排量。以Vh表示：式中 D氣缸直徑，mm； S活塞行程，mm， i氣缸數(shù)。9壓縮比氣缸總容積與燃燒室容積的比值稱為壓縮比，壓縮比表示在進氣沖程中進入氣缸中的氣體到壓縮沖程終了時被壓縮的程度。壓縮比是一個重要的參數(shù)，它對內(nèi)燃機的性能指標有著舉足輕重的影響。一般車用內(nèi)燃機的壓縮比為：汽油機69，最高可達10；柴油機1320，最高可達22。10工作循環(huán)內(nèi)燃機氣缸中的氣體由進氣開始，歷經(jīng)壓縮、燃燒、膨脹及排氣等一系列的連續(xù)過程，這一系列連續(xù)過程統(tǒng)稱為一個工作循環(huán)。11過量空

8、氣系數(shù)：燃料完全燃燒時的理論空燃比(A/F)，汽油為14.8(kg/kg)，柴油為14.3(kg/kg)。在發(fā)動機中實際燃料燃燒所供給的空氣量往往大于理論空氣量。燃燒1公斤燃料的實際空氣量與理論上所需空氣量之比，稱為過量空氣系數(shù)(Excess air coefficient)12充氣效率：發(fā)動機進入氣缸的空氣質(zhì)量m與進氣狀態(tài)下氣缸工作容積充滿的空氣量之比，稱為充氣效率： 由上式可見，充氣效率越大，表示實際進入氣缸中的氣體量越多，也就是進氣過程進行得越完善，氣缸工作容積利用得越充分。影響充氣效率的因素主要有：（1）進氣系統(tǒng)流動阻力；（2）缸內(nèi)殘余廢氣量；（3）進氣系統(tǒng)和氣缸壁對充量的加熱；（4）

9、配氣相位；（5）進、排氣系統(tǒng)中的氣體波動效應。大致可以歸納為兩個方面，即：構造方面的因素和使用方面的因素。構造方面的因素：影響最大的是進氣系統(tǒng)的結構型式與尺才，它包括進氣管道截面的大小、管道內(nèi)表面光潔程度、管道彎曲的狀況、氣門尺寸與個數(shù)以及氣門升程的大小等。此外還有進氣預熱機構。進氣預熱會降低充氣效率。使用方面的因素主要是內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速與負荷。內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速對充氣系數(shù)的影響主要是通過對進氣終點壓力的影響而起作用。當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速升高時，進氣氣流速度上升，使氣體壓力下降。內(nèi)燃機負荷對充氣系數(shù)的影響，在柴油機和汽油機上是不一樣的。柴油機的負荷是依靠噴油泵上供油齒桿的位置來進行調(diào)節(jié)的，其進氣系統(tǒng)的阻力是不隨

10、負荷而變化的，雖然氣缸中氣體溫度有所變化，但這種變化對充氣系數(shù)的影響是微乎其微的。但在汽油機上情況就不同了，汽油機的負荷是根據(jù)化油器上節(jié)氣門的開度來進行調(diào)節(jié)的。而節(jié)氣門開度的大小直接影響進氣系統(tǒng)阻力的大小，隨著汽油機負荷的加大，節(jié)氣門開度也加大，進氣系統(tǒng)阻力減小，使充氣系數(shù)值上升。反之則充氣系數(shù)值下降。至于如何提高充氣系數(shù)，可以從以下兩個方面采取措施：一是減少道氣系統(tǒng)阻力；二是延長進氣時間。減少進氣系統(tǒng)阻力，根據(jù)上面的分橋，不外乎是：加大進氣通道面積，減少通道彎曲及提高進氣道內(nèi)表面的粗糙度等措施。延長進氣時間就是將進氣門開啟和關閉的時間不是選在上、下止點時、而是選在上止點之前和下止點之后。使進

11、氣門開啟的延續(xù)時間不是占有180曲軸轉(zhuǎn)角，而是大子180曲軸轉(zhuǎn)角。車用內(nèi)燃機的充氣系數(shù)值：柴油機0.80.9，汽油機0.750.85。1.1.4 內(nèi)燃機結構組成車用內(nèi)燃機必須具備以下一些機構和系統(tǒng)才能保證正常的工作：兩大機構、六大系統(tǒng)曲柄連桿機構是內(nèi)燃機實現(xiàn)兩個“轉(zhuǎn)換”的主要部分。它的作用是將燃料的熱能轉(zhuǎn)換成機械功；將活塞的直線運動轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，以達到向車輛傳動裝置輸出功率的目的。曲柄連桿機構包括固定件(機體)與運動件(活塞連桿、曲軸)兩大部分，它占據(jù)內(nèi)燃機零件數(shù)的大多數(shù)。配氣機構其作用是按時開啟或關閉氣門或氣口，以保證新鮮混合氣或空氣進入氣缸或?qū)U氣排出氣缸外。燃料供給系汽油機燃料供

12、給系是將汽油和空氣加以混合，井將組成的可燃混合氣供入氣缸；柴油機燃料供給系是將柴油按時噴入氣缸，與進入氣缸的空氣組成可燃混合氣。另外，將燃燒以后的廢氣排出氣缸。潤滑系其作用是保證不間斷地將機油輸送到內(nèi)燃機所有需要潤滑的部位，以減少機件的磨損，降低摩擦功率的損耗，并對零件表面進行清洗和冷卻。冷卻系具作用是將受熱機件的熱量散發(fā)到大氣中去，以保證內(nèi)燃機在最佳溫度狀況下工作。起動系其作用是將內(nèi)燃機由靜止狀態(tài)啟動到自行運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。點火系其作用是按時將汽油機氣缸中的可燃混合氣點燃。1.1.5 內(nèi)燃機型號的編制內(nèi)燃機的名稱與型號：為了在生產(chǎn)、使用與維修中便于識別各種機型，國家標喉(GB72582)內(nèi)燃機產(chǎn)品

13、名稱和型號編制規(guī)則中對內(nèi)燃機的名稱和型號作了統(tǒng)一規(guī)定。它適用于各種類型的活塞式內(nèi)燃機。特殊用途的內(nèi)燃機需經(jīng)主管部門批準后方可另行編號。該規(guī)定的主要內(nèi)容如下：1內(nèi)燃機名稱按其所使用的主要燃料命名，例如汽油機、柴油機、煤氣機等。2內(nèi)燃機型號由阿拉伯數(shù)碼與漢語拼音字母組成。3內(nèi)燃機型號應能反映它的主要結構，由以下四項內(nèi)容組成；(1)首部：產(chǎn)品系列符號和換代標志符號，由制造廠根據(jù)需要自選相應字母表示經(jīng)主管部門核準。 (2)中部：由缸數(shù)符號、沖程符號、氣缸排列形式符號及缸徑符號組成。 (3)后部：結構特征和用途特征符號，以字母表示。(4)尾部：區(qū)分符號。同一系列產(chǎn)品因改進需要區(qū)分時，由制造廠選用適當符號

14、表示內(nèi)燃機型號的排列順序及符號所代表的意義規(guī)定如下：型號編制舉例如下：195柴油機表示單缸、四沖程、缸徑95mm、水冷、通用型。lE56F汽油機單缸、二沖程、缸徑56mm、風冷。6135Z柴油機6缸、四沖程、缸徑135mm、水冷、增壓。12V135Q柴油機12缸、V型、四沖程、缸徑135mm、水冷、車用。4l00Q4汽油機四缸、四沖程、缸徑100 mm、水冷、汽車用、第四種變型產(chǎn)品。由于歷史或地域上的原因，有些內(nèi)燃機型號的編制與上述規(guī)定不符。例如：CA10B汽油機一CA為長春第一汽車廠的企業(yè)代號，10代表貨車用(車型的種類代號)，B表示第二種變型車。NJ70汽油機NJ為南京汽車廠的企業(yè)代號，7

15、0表示作車用時其標定功率為70馬力。CA72汽油機CA表示第一汽車廠，7代表轎車用(車型種類代號)，2表示排量范圍的汽車參數(shù)代號。S195柴油機S表示雙軸平衡系統(tǒng)，單缸、缸徑為95mm。X2105柴油機X表示“新”(區(qū)別于老l05系列)，2缸、四沖程、缸徑105mm。25Y6l00Q汽油機25表示載重量為2500kg，Y表示越野車用，6缸、四沖程、缸徑100mm、汽車用。1.1.6 內(nèi)燃機工作原理1.1.6.1 四沖程發(fā)動機工作原理四沖程內(nèi)燃機的工作原理：四沖程內(nèi)燃機工作循環(huán)的順序：進氣、壓縮、燃燒、膨脹作功及排氣1進氣過程（第一沖程）：進氣過程是向氣缸內(nèi)充填新鮮氣體的過程。在此過程中，活塞從

16、上止點向下止點移動。此時進氣門打開，排氣門關閉。新鮮氣體通過進氣通道進入氣缸。當活塞到達下止點時，進氣門關閉，進氣過程終了。在自然進氣的內(nèi)燃機中，進氣過程終了時氣缸中的氣體壓力總是低于外界大氣壓力。這是由于以下兩個因素所造成的：(1) 進氣過程有阻力?？諝鉃V清器、進氣管等對進氣氣流產(chǎn)生阻力。(2) 氣體進入氣缸的時間極短，速度極快。以492Q發(fā)動機為例：最大轉(zhuǎn)速4000 rmin，沖程92mm，則進氣所占時間僅為0.0075s，其活塞平均速度為12.3ms，氣流在這樣短的時間內(nèi)，以這樣高的速度進入氣缸，是來不及將氣缸“充滿”的。進氣過程終了時，氣缸中氣體的溫度高于外界大氣溫度，這是因為：(1)

17、 在進氣過程中，進入氣缸的氣體要與進氣管、氣缸壁、氣缸蓋和氣門等高溫零件接觸，在接觸中吸收這些高溫零件的部分熱量。(2) 在排氣過程中，由于有燃燒室容積的存在，不可能將全部廢氣排除干凈(這部分剽余下的廢氣稱為余氣)。因此新鮮氣體不可避免地要與余氣相混合，使新鮮氣體溫度升高。進氣終了時氣缸中的壓力相溫度值如下；一般汽油機 75kPa90kPa，360K400 K。一般柴油機 78kPa93kPa，320K350 K進、排氣門開啟和關閉的時刻，及其開啟的延續(xù)時間以曲軸轉(zhuǎn)角來表示的稱為配氣相位。首先，由于氣門的開度對進氣來說是逐步加大的，氣門提前開啟可以使氣門在活塞到達上止點時已經(jīng)有了一定的開度，當

18、活塞由上止點向下止點運動時，氣流進入氣缸的通道面積加大，進氣阻力減??；氣門延遲關閉是當活塞到達下止點后再往上運動時利用高速氣流的慣性，補充向氣缸內(nèi)充填一部分氣體，以此來達到增大進氣量的目的。從排氣來看，在膨脹沖程接近下止點時，氣體的膨脹功已經(jīng)微乎其微了，而此時氣缸中氣體的壓力仍大于外界大氣壓力，提前開啟排氣門有利于利用氣缸內(nèi)、外壓力差，排出一部分廢氣。當活塞達到上止點時，排氣門仍不關閉，這是利用廢氣高速流動的慣性，增大排出的廢氣量。這樣不僅可以增加廢氣的排出，減小余氣量，而且可以減少排氣所消耗的功。必須注意，在進氣上止點，前一循環(huán)的排氣門和后一循環(huán)的進氣門是在同一時刻同時開啟的，這樣可以改善換

19、氣質(zhì)量。此進、排氣門同時打開所對應的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣門重疊角。氣門重疊角必須根據(jù)內(nèi)燃機具體情況通過試驗來確定。重疊角過小，達不到預期的改善換氣質(zhì)量的目的，過大則可能產(chǎn)生廢氣倒流現(xiàn)象，降低了內(nèi)燃機的性能指標。配氣相位要根據(jù)內(nèi)燃機的使用工況和常用轉(zhuǎn)速來確定。車用內(nèi)燃機的配氣相位通常是按中等轉(zhuǎn)速來確定的，即保證在此轉(zhuǎn)速下充氣系數(shù)達到最大值，稱為低速調(diào)整。前面所述充氣系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關系中，充氣系數(shù)在某一中等轉(zhuǎn)速達到最大值就是這個道理。內(nèi)燃機的配氣相位常用配氣相位圖來表示。2壓縮過程（第二沖程）?；钊上轮裹c向上運動，此時進、排氣門都關閉。隨著活塞上行，氣缸中氣體被壓縮，氣體的壓力和溫度不斷上升。當活塞到達

20、上止點，氣缸中氣體的壓力和溫度達到了壓縮過程中的最大值。3燃燒與膨脹作功過程（第三沖程）。在壓縮過程終了時，氣體在燃燒室中被點燃，快速的燃燒使燃燒室中的氣體壓力與溫度急劇上升，從而推動活塞由上止點向下運動，通過連桿而推動曲軸旋轉(zhuǎn)作功，直到活塞到達下止點，膨脹作功過程結束。4排氣過程（第四沖程）。由于曲軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)而推動活塞繼續(xù)上移，此時排氣門打開，開始了排氣過程?；钊竭_上止點，排氣門關閉排氣過程終了。隨著曲軸旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)下一次工作循環(huán)。汽油機與柴油機工作原理上的差別：汽油機與柴油機的工作循環(huán)都是由進氣、壓縮、燃燒、膨脹與排氣等過程組成。但由于它們所使用的燃料(汽油與柴油)的物理、化學性質(zhì)(如粘度

21、、蒸發(fā)性、燃點等)的差別，在促使燃料蒸發(fā)、組織燃料蒸氣與空氣的混合方法上，在使混合氣著火的方式上，都有著重大的區(qū)別。首先，在使燃料霧化并與空氣形成混合氣的方式上，汽油機為預混燃燒（汽油直噴除外），因此送入氣缸里的混合氣是非常均勻的。柴油機在壓縮過程終了時，氣缸中空氣的壓力和溫度達到了較大值(壓力3.5MPa4.5MPa、溫度750 K1000 K)，此時由燃科供給系通過噴油器將燃料噴入氣缸，由于噴射壓力很高(10 MPa以上)，噴孔直徑很小，噴入的油珠極細，在空氣的高溫下很快蒸發(fā)成燃料蒸氣，并迅速與空氣混合成混合氣。由于柴油與空氣形成混合氣的時間很短(在壓縮上止點附近很小的曲袖轉(zhuǎn)角范圍內(nèi))混合

22、空間很小(在燃燒室容積內(nèi))，因此柴油機混合氣的混合質(zhì)量比汽油機的要差，是很不均勻的。稱為擴散燃燒其次，在點火方法上，汽油機有專門的點火系。由火花塞點燃可燃混合氣。而柴油機沒有專門的點火裝置。在壓縮終了時，邊噴油、邊混合。由于柴油機壓縮比大，壓縮終點氣缸里氣體溫度比汽油機高出許多，它已超出了柴油的自燃溫度，在氣缸中某些區(qū)域(在此區(qū)域內(nèi)燃料與空氣的混合比最適合著火)就自行著火燃燒。由于柴油機是壓縮后自行著火的，因此柴油機又稱壓燃式內(nèi)燃機。1.1.6.2 二沖程發(fā)動機工作原理二沖程內(nèi)燃機的工作循環(huán)與四沖程內(nèi)燃機相同，也是由進氣、壓縮、燃燒、膨脹作功與排氣等過程組成。但是二沖程內(nèi)燃機的工作循環(huán)是在曲軸

23、旋轉(zhuǎn)360度，活塞進行兩個行程的期間內(nèi)完成的。如圖12所示，氣缸上有三個氣孔，左側為換氣孔，右側下面的孔為進氣孔，右側上面的孔為排氣孔。此三個孔的開、閉由活塞控制。在第一行程，活塞由下止點開始向上運動。當活塞在下止點時，進氣孔被關閉，排氣孔與換氣孔被打開，上一循環(huán)的廢氣通過排氣排出，氣缸壓力降至最低，此時曲軸箱容積最小，曲軸箱內(nèi)壓力上升，在壓差作用下，新鮮混合氣經(jīng)換氣孔由曲軸箱流入氣缸，開始了換氣過程(圖12d所示)。隨著活塞上行，換氣孔與排氣孔相繼關閉，混合氣在氣缸中被壓縮(圖12a所示)。壓縮過程一直延續(xù)到活塞到達上止點為止，此時火花塞跳火點燃混合氣，開始了燃燒過程(圖12c所示)。在第一

24、行程中，當活塞向上運動到一定位置時，活塞下端讓開了進氣孔(圖12b所示)。由于曲油箱容積增大，壓力下降，新鮮混合氣便由進氣孔進入曲軸箱。在第二行程，活塞由上止點向下運動。在混合氣被點燃后，開始了燃燒過程，氣缸中壓力迅速上升，推動活塞向下運動進入了膨脹作功過程。在活塞下行到一定位置時，活塞上端讓開了排氣孔(圖l2d)，燃燒后的廢氣由此孔排出氣缸外，緊接著換氣孔打開，新鮮混合氣由曲軸箱經(jīng)換氣孔進入氣缸。此時，向氣缸填充新鮮混合氣和向氣缸外排除廢氣同時進行，這就是換氣過程。換氣過程可以利用新鮮混合氣充入氣缸來進一步驅(qū)除廢氣。由上述分析可見，在排氣孔與換氣孔同時開啟的換氣過程中，既有利于驅(qū)除廢氣，同時

25、也不可避免地造成一部分新鮮混合氣在換氣過程中隨同廢氣一同被徘出氣缸外。二沖程內(nèi)燃機與四沖程內(nèi)燃機相比較，具有如下的優(yōu)、缺點：1升功率高。當氣缸數(shù)i、氣缸直徑D、活塞行程S與轉(zhuǎn)速n相同時，二沖程內(nèi)燃機所發(fā)出的功率理論上是四沖程內(nèi)燃機的兩倍(實際上由于行程損失，約為四沖程內(nèi)燃機的1.51.7倍)。2由于作功頻率是四沖程內(nèi)燃機的兩倍；工作平穩(wěn)性較好，可以采用較小的飛輪。3全部或部分采用氣口換氣，使配氣機構簡化，因而結構簡單、使用維修方便。4熱損失較小，冷啟動比較容易。但是，二沖程內(nèi)燃機也存在著一些嚴重的缺點：1由于換氣質(zhì)量差，燃燒條件變壞，使燃油消耗率偏高。特別是二沖程汽油機有一部分新鮮混合氣在換氣

26、過程就隨廢氣排出氣缸外。排氣污染嚴重。2由于作功頻率高，熱負荷較高，機體與活塞工作溫度高(活塞頂?shù)钠骄鶞囟纫人臎_程內(nèi)燃機的高出5060)。3由于作用于曲柄連桿機構上的力總是朝向一個方向，這對于清除積碳及潤滑都是極其不利的。由于2、3兩點原因，二沖程內(nèi)燃機的工作壽命和工作可靠性都不如四沖程內(nèi)燃機。由于存在著上述的缺點，二沖程內(nèi)燃機在車輛上的使用遠不如四沖程內(nèi)燃機那樣普遍。但由于它結構簡單、質(zhì)量輕、維修方便而較廣泛用于摩托車上。1.2內(nèi)燃機的性能指標（詳細）1.2.1 示功圖氣缸內(nèi)壓力隨工作容積或曲軸轉(zhuǎn)角變化曲坐標因稱為示功圖(Indicator diagram)。發(fā)動機示功圖有兩種基本形式以氣

27、缸工作容積為獨立變量的稱為PV示功圖。以曲軸轉(zhuǎn)角為獨立變量的稱為P示功圖。示功圖是借助于專門的儀器從氣缸內(nèi)部測得的。示功圖是了解氣缸內(nèi)部工作過程，探索各種因素對工作過程影響的重要資料。示功圖的形狀和發(fā)動機的工作狀況、工作過程的特點及燃燒室結構型式有關并直接影響發(fā)動機的性能指標。四沖程廢氣渦輪增壓發(fā)動機的PV示功圖(圖13)和非增壓的基本相似。不同方面有兩點：(1)工質(zhì)參數(shù)高。增壓時，進入氣缸的新鮮氣體是由壓氣機供給的壓縮氣體，其壓力和溫度都高于外界大氣的壓力和溫度。另一方面，由于每循環(huán)進氣量增加，可使參加燃燒的燃料量相應增加，而這又相當于給每循環(huán)的熱量增加，使氣體的溫度、壓力都隨之上升。(2)

28、進氣壓力線高于排氣壓力線。二沖程發(fā)動機的PV示功圖(圖14)與四沖程發(fā)動機相比，只有換氣過程(進氣和排氣)有所不同。二沖程發(fā)動機沒有單獨的進、排氣沖程。1.2.2 內(nèi)燃機指示指標根據(jù)示功圖求得的動力性指標和經(jīng)濟性指標稱為指示指標。它們反映氣缸內(nèi)工質(zhì)的(示功圖的)作功能力和熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ男省?1)指示功每循環(huán)的指示功(indicated work)由pV示功圖的壓力閉合曲線包圍的面積來確定。圖15表示四沖程和二沖程發(fā)動機的示功圖的作功面積。由圖可見，四沖程非增壓發(fā)動機的示功圖(圖15(a)由兩部分面積組成，其中F1代表有用功(十)，是由壓縮和膨脹沖程獲得的功，F(xiàn)2代表損失功()，是進氣沖程和排

29、氣沖程消耗的功，它也稱泵氣損失功。為了試驗測量的方便，常將泵氣損失功歸屬于機械損失功中。因此，每循環(huán)的指示功相當于面積F1代表的功，即 四沖程增壓發(fā)動機(圖15(b)由于進氣沖程的壓力高于排氣沖程的壓力，則泵氣功(相當于F2)為正功。二沖程發(fā)動機示功圖的整個面積F，代表指示功。(2)平均指示壓力氣缸尺寸一定時，指示功和平均指示壓力(indiated mean effective pressure簡寫I.M.E.P.)成正比，即 (N.m)式中 pi平均指示壓力(Pa)； Vh氣缸工作容積(m3)。(3)指示功率每循環(huán)占用的時間：每缸的指示功率為：(4)指示熱效率和指示燃油消耗率指示熱效率： Q

30、i氣缸內(nèi)工質(zhì)的加熱量指示燃油消耗率： 1.2.3 內(nèi)燃機有效指標(1) 有效功率發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，由于內(nèi)部有機械損失，所以，曲軸輸出的功率總是小于氣缸內(nèi)發(fā)出的指示功率，即有效功率：式中 Ne有效功率(brake output)，即從曲鈾輸出的功率 Nm機械損失功率(Mechanical losses)，內(nèi)燃機的機械損失功率為： 其中，NT-發(fā)動機運動零件的摩擦功率，如活塞和活塞環(huán)對氣缸壁的摩擦，等等； Na-帶動輔件消耗的功率，如水泵、機油泵、噴油泵、風扇及電機等； Np-泵氣損失功率； Nc-驅(qū)動機械增壓器或換氣泵消耗的功率； Nh-發(fā)動機運動件和空氣的摩擦損失功率，如連桿、飛輪等。上表數(shù)據(jù)中，

31、汽油機偏低限，柴油機偏高限。另外，影響機械損失的因素還有：壓縮比；轉(zhuǎn)速；負荷；機油粘度（發(fā)動機的熱狀態(tài)）。(2) 機械效率指示功率轉(zhuǎn)換為有效功率的百分比以機械效率(mechanical efficiency)表示，即 (3) 平均有效壓力平均有效壓力(brake mean effective pressure， BMEP)與有效功率同樣有如下關系： （每缸）(4) 有效扭矩發(fā)動機的輸出有效扭矩與有效功率和轉(zhuǎn)速的關系： (kW)(5) 有效熱效率和有效燃油消耗率評價整個發(fā)動機工作經(jīng)濟性的指標是有效熱效率(brake thermal efficiency)和有效燃油消耗率be(ge)(effect

32、ive specific fuel consumption)。有效熱效率表示加入發(fā)動機的熱量中，轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ陌俜直取?(6) 性能參數(shù)之間的關系 因此，提高內(nèi)燃機功率的主要途徑為：提高指示熱效率；提高機械效率；提高每循環(huán)進氣量；提高轉(zhuǎn)速；在有效燃燒條件下降低。1.2.4 內(nèi)燃機理想循環(huán)內(nèi)燃機的實際熱力循環(huán)是燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的過程，在進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣等過程中，由燃料與空氣組成的工質(zhì)，無論在質(zhì)或量上都時刻發(fā)生著變化，伴隨著各種復雜的物理、化學過程，同時，機械摩擦、散熱、燃燒、節(jié)流等引起的一系列不可逆損失也大量存在，要準確地從理論上描述內(nèi)燃饑的實際過程，在目前條件下還是十分困難的

33、。為了分析內(nèi)燃機中燃料熱能利用的完善程度及其主要影響因索進而為提高能量利用率指明方向，通常將實際循環(huán)進行若干簡化，忽略些次要的影響因素。并對其中變化復雜、難于進行細致分析的物理、化學過程如可燃混合氣的準備與燃燒過程等)進行簡化處理，從而得到便于進行定量分析的假想循環(huán)或簡化循環(huán)，通常稱之為內(nèi)燃機的理論循環(huán)。通過對理論循環(huán)進行研究可以達到以下目的：1)用簡單的公式來闡明內(nèi)燃機工作過程中各基本熱力參數(shù)間的關系，以明確提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟性和以平均壓力為代表的動力性的基本途徑。2)確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷實際內(nèi)燃機經(jīng)濟性和工作過程進行的完善程度以及改進潛力。3)有利于分析比較內(nèi)燃機

34、不同熱力循環(huán)方式的經(jīng)濟性和動力性。在進行理論循環(huán)研究之前，首先必須對內(nèi)燃機的實際過程進行必要的簡化假設：1)以空氣作為工作循環(huán)的工質(zhì)，為理想氣體，在整個循環(huán)中的物理及化學性質(zhì)保持不變，工質(zhì)比熱容為常數(shù)。2)不考慮實際存在的工質(zhì)更換以及泄漏損失，工質(zhì)的總質(zhì)量保持不變，循環(huán)是在定量工質(zhì)下進行的，忽略進、排氣流動損失及其影響。3)把氣缸內(nèi)的壓縮和膨脹過程看成是完全理想的絕熱等熵過程，工質(zhì)與外界不進行熱量交換。4)分別用假想的加熱與放熱過程來代替實際的燃燒過程與排氣過程，并將排氣過程即工質(zhì)的放熱視為等容放熱過程。根據(jù)對燃燒過程即加熱方式的不同假設，可以得到不同的理論循環(huán)。理論循環(huán)的假設越符合實際情況，

35、則分析得到的結論也越接近于實際。內(nèi)燃機的理論循環(huán)有三種形式，分別是等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)和混合加熱循環(huán)。圖3l是三種理論循環(huán)的示功圖，其中，圖31a為等容加熱循環(huán)，圖31b為等壓加熱循環(huán)，圖3lc為混合加熱循環(huán)。表31給出了上述各種理論循環(huán)的熱效率分析表達式以及有關特點。根據(jù)上述三種理論循環(huán)的熱效率表達式不難得出：當初始狀態(tài)一致且加熱量及壓縮比相同時，等容加熱循環(huán)的熱效率最高，等壓加熱循環(huán)的熱效率最低，混合加熱循環(huán)的熱效率介于兩者之間；當最高循環(huán)壓力Pz(或稱為最高燃燒壓力，爆發(fā)壓力，爆壓)相同、加熱量相同而壓縮比不同時，等壓加熱循環(huán)的熱效率最高，等容加熱循環(huán)的熱效率最低，混合加熱循環(huán)的熱

36、效率仍介于兩者之間。同時，分析上述熱效率表達式，還可以得到如下結論：1)提高壓縮比可以提高工質(zhì)的最高溫度，擴大了循環(huán)的溫度階梯，增加了內(nèi)燃機的膨脹比，從而提高了熱效率，但提高率隨著壓縮比的不斷增大而逐漸降低。2)增大壓力升高比可以增加混合加熱循環(huán)中等容部分的加熱量，提高了熱量利用率，因而可使熱效率提高。3)壓縮比以及壓力升高比的增加，將導致最高循環(huán)壓力的急劇上升。4)增大初始膨脹比，可以提高循環(huán)平均壓力，但由于等壓部分加熱量的增加，導致循環(huán)熱效率隨之降低，因為這部分熱量是在膨脹比不斷降低的情況下加入的，做功能力下降。5)等熵指數(shù)增大，循環(huán)熱效率提高。以上從理論循環(huán)中所得到的結論，在用于指導實踐

37、時，必須考慮到內(nèi)燃機實際工作條件的約束和限制：1)結構條件的限制 盡管從理論循環(huán)的分析可知，提高壓縮比和壓力升高比時提高循環(huán)熱效率起著有利的作用，但將導致最高循環(huán)壓力的急劇升高，從而對承載零件的強度要求更高，這勢必縮短發(fā)動機的使用壽命，降低發(fā)動機的使用可靠性，對于上述參數(shù)的選擇必須根據(jù)具體情況權衡利弊而定。2)機械效率的限制 內(nèi)燃機的機械效率是與氣缸中的最高循環(huán)壓力Pz密切相關的，因為該值決定了曲柄連桿機構的質(zhì)量、慣性力以及主要承壓面積的大小等。不加限制地提高壓縮比以及壓力升高比將引起的下降。從有效指標上看，將直接導致壓縮比以及壓力升高比提高而帶來的收益得而復失。這一點，對于本來壓縮比已經(jīng)很高

38、的柴油機來說更為明顯。3)燃燒方面的限制 若壓縮比定得過高，汽油機將會產(chǎn)生爆燃、表面點火等不正常燃燒現(xiàn)象。對于柴油機而言，過高的壓縮比將使壓縮終了的氣缸容積變得很小，對制造工藝的要求極為苛刻，燃燒室設計的難度增加，也不利于燃燒的高效進行。目前，柴油機的壓縮比一般在1222之間，最高循環(huán)壓力在714MPa，壓力升高比在1.32.2左右。汽油機的壓縮比在612，最高循環(huán)壓力38.5MPa，壓力升高比在24。1.2.5 內(nèi)燃機實際循環(huán)內(nèi)燃機的實際循環(huán)與理論循環(huán)相比，存在著許多不可逆損失，往往達不到理論循環(huán)的熱效率和循環(huán)平均壓力值。分析實際循環(huán)與理論循環(huán)之間的不可逆損失，有助于攀捏兩者之間的差異，從而

39、為提高內(nèi)燃機工作過程的完善程度指明努力的方向。這些損失有：一、工質(zhì)不同的影響；二、換氣損失；三、傳熱損失；四、燃燒損失；五、流動損失；六、工質(zhì)泄露損失為了說明這些差異和各種損失情況，圖32給出了以混合循環(huán)自然吸氣式柴油機為例的理論循環(huán)與實際循環(huán)示功圖，其差別分別闡述如下。一、工質(zhì)不同帶來的影響理論循環(huán)的工質(zhì)是理想的雙原子氣體，并假定其物理化學性質(zhì)在整個循環(huán)過程中是不變的在實際內(nèi)燃機循環(huán)中，燃燒前的工質(zhì)是由新鮮空氣、燃料蒸氣和上一循環(huán)殘余廢氣等組成的混合氣體，燃燒過程中及燃燒后，工質(zhì)的成分及數(shù)量不斷發(fā)生著變化，三原子氣體占多數(shù)，其比熱容比兩原子氣體大，且隨著溫度的上升而增大，在燃燒產(chǎn)物中還存在著

40、一些成分的高溫分解以及在膨脹過程中的復合放熱現(xiàn)象。上述因素中，以工質(zhì)對比熱容的影響為最大，其他各項的影響較小一些。這就意味著由于比熱容隨溫度上升而增大，對于相同的加熱量(燃料燃燒放熱量)，實際循環(huán)所能夠達到的最高燃燒溫度小于理論循環(huán)，其最終的結果是使循環(huán)熱效率下降，循環(huán)所做的有用功減少：例如，對于壓縮比為18、過量空氣系數(shù)為1.5、最高壓力為8MPa的混合循環(huán)，其理論熱效率大致為060；當考慮到工質(zhì)的實際物性時，其熱效率將降低到0.51。從圖32的內(nèi)燃機pV圖中可以看出工質(zhì)對理論循環(huán)的影響。由于比熱容隨溫度的增加而增大，燃燒膨脹線和壓縮線(虛線所示)分別低于理論循環(huán)的燃燒膨脹線和壓縮線(點實線

41、)，其中燃燒膨脹線由于比熱容增加的幅度較大而導致下降幅度也大一些。同時，上述曲線所圍成的示功圖面積也小于理論循環(huán)的示功圖面積。二、換氣損失理論循環(huán)是閉式循環(huán)，沒有工質(zhì)的更換也沒有任何形式的流動阻力損失。在實際循環(huán)中，吸入新鮮空氣與燃料，排氣時排出燃燒廢氣，這是循環(huán)過程得以周而復始進行所必不可少的。為盡可能降低排氣阻力，排氣門需要提前開啟，燃氣在膨脹到下止點前從氣缸內(nèi)排出(沿b1d1線)，這將使示功圖上的有用功面積減少(因中陰影區(qū))；在掃氣和吸氣行程中，氣體在流經(jīng)進排氣管、進排氣道以及進排氣門時，不可避免地存在著流動阻力損失，也需要消耗一部分有用功。上述兩項之和稱為實際循環(huán)的換氣損失。此外，由于

42、進氣壓力(壓縮始點壓力)pa低于大氣壓力，使整個壓縮線ac位于理論壓縮線atct的下方。三、傳熱損失理論循環(huán)假設與工質(zhì)相接觸的氣缸壁面是絕熱的，兩者間不存在熱量的交換，因而沒有傳熱損失。實際上，缸套內(nèi)壁面、活塞頂面以及氣缸蓋底面等(統(tǒng)稱壁面)與缸內(nèi)工質(zhì)直接相接觸的表面，始終與工質(zhì)發(fā)生著熱量交換。在壓縮初期，由于壁面溫度高于工質(zhì)溫度，工質(zhì)受到加熱；隨著壓縮過程的進行，工質(zhì)的溫度在壓縮后期將超過壁面溫度，熱量將由工質(zhì)流向壁面；隨后，進入燃燒以及膨脹期，工質(zhì)連續(xù)不斷地向壁面?zhèn)鞒鰺崃?。這樣，與理論循環(huán)相比，示功圖上減少的有用功面積將大于壓縮線下所增加的面積，其差值即為實際循環(huán)的傳熱損失。傳熱損失的存在

43、，使循環(huán)的熱效率和循環(huán)的指示功都有所下降，同時增加了內(nèi)燃機受熱零件的熱負荷。在圖32中，傳熱與流動損失的存在，使示功圖形狀如實線所示。四、燃燒損失根據(jù)理論循環(huán)對燃燒過程的處理，燃燒是外界熱源向工質(zhì)在一定條件下的加熱過程。燃燒(加熱)速度根據(jù)加熱方式的不同而有差異，如在等容加熱條件下，熱源向工質(zhì)的加熱速度極快，可以在容積不變條件下瞬時完成；在等壓加熱條件下，加熱的速度是與活塞的運動速度相配合的，以保持缸內(nèi)壓力不變。實際的燃燒過程需要經(jīng)歷著火準備、火焰?zhèn)鞑ヅc擴散、后燃等環(huán)節(jié)，燃燒速度受到多種因素的制約，與理論循環(huán)有很大的差異，這種差異所造成的與燃燒有關的損失，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。1燃燒速度的有

44、限性由于實際上燃料的燃燒速度是有限的，燃燒的進行需要足夠的時間，這就造成了內(nèi)燃機實際循環(huán)中的一個重要的損失燃燒速度的有限性所形成的損失，它帶來了以下幾方面的不利影響：(1)壓縮負功增加 為了提高熱效率，必須使燃燒能夠在上止點后不久即告結束，為此就需要在上止點前提前噴入燃油或進行點火。這樣，實際的燃燒過程在上止點前就已經(jīng)開始，從而造成了壓縮負功的增加。(2)最高壓力下降 由于傳熱損失的存在、燃燒速度的有限性以及活塞在上止點后由上行變?yōu)橄滦羞\動而使氣缸體積增大，使得壓力升高率明顯低于理論循環(huán)值，于是實際循環(huán)的最高壓力有所下降。(3)初始膨脹比減小 理論循環(huán)假定全部熱量是在某一點(zt點，見圖32)

45、前完全加熱(燃燒)完畢，壓力達到最大，而后進入膨脹過程；而實際的燃燒過程則由于傳熱損失、不完全燃燒、后燃以及活塞運動等因素，使初始膨脹比減小(zz1ztzt)。以上種種影響因素，使得實際的燃燒過程偏離理論循環(huán)的等容和等壓過程，增加了壓縮耗功，減少了膨脹有用功，最終使指示熱效率和平均指示壓力與理論循環(huán)相比均有明顯的降低。2后燃以及不完全燃燒損失理論循環(huán)中認為，加熱過程結束之后即轉(zhuǎn)入絕熱膨脹過程。在實際過程中，經(jīng)常由于供油系統(tǒng)供油不及時、混合氣準備不充分、燃燒后期氧氣不足等原因而導致燃燒速度減緩，仍有部分燃油在氣缸壓力達到最高點后繼續(xù)進行燃燒，稱之為后燃。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及混合氣的不同情況，后燃可

46、能持續(xù)到上止點后40。一80。(CA)才結束，但也有可能一直拖延到排氣門打開之時。除此之外，還有少量燃油由于未來得及燃燒而直接排出機外，從而引起不完全燃燒損失。后燃期間，熱功轉(zhuǎn)換效率由于膨脹比小而大大降低，不完全燃燒更直接導致了燃料化學能的損失。燃燒損失是一個不容忽略的損失。為了計及該損失的大小，有必要引入燃燒效率的概念。為此，將內(nèi)燃機視為一個開口系統(tǒng)，該系統(tǒng)與周圍環(huán)境(大氣)交換熱量和機械功；由燃料和空氣組成的反應物流入系統(tǒng)，流出系統(tǒng)的是燃燒產(chǎn)物(廢氣)。燃燒效率的定義為：燃料在該系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)燃燒反應所釋放出的總熱量與燃料所能釋放的總能量之比。具體的計算式建立在化學熱力學基礎上。圖33是不同型式

47、內(nèi)燃機的燃燒效率隨當量燃空比的變化情況當量燃空比定義為混合氣的實際燃空比與該燃料化學計量燃空比之比，它是過量空氣系數(shù)的倒數(shù)?？梢?，汽油機采用稀混合氣時，其燃燒效率通常在9598的范圍內(nèi)；而當混合氣加濃后，由于空氣中缺氧使燃料燃燒不完全，燃燒效率下降，且下降幅度隨混合氣的變濃而增大。相對而言，柴油機由于一直運行在混合氣較稀的狀態(tài)，其燃燒效率相對較高，大約為98。1.2.6 內(nèi)燃機機械損失的測量機械損失的測定方法有好幾種，但要借以獲得較精確的數(shù)值還是困難的。1示功圖法運用傳感器測取示功圖，從中算出指示功Pi值，然后用測功機測出有效功率，從而可以算出機械損失功Pm，值，這種直接測定方法是在真實的試驗

48、工況下進行的，從理論上講也完全符合機械損失的定義，但試驗結果的正確程度住往決定于示功圖測錄的正確程度，其中最大的誤差來源于p圖或pV圖上活塞上止點位置不易正確地確定。2倒拖法這種方法在具有電力測功器的試驗條件下方可進行。試驗時，發(fā)動機與電力測功器相連，當發(fā)動機以給定工況穩(wěn)定運行，冷卻水、機油溫度到達正常數(shù)值時，切斷對發(fā)動機的供油，將電力測功器轉(zhuǎn)換為電動機，以給定轉(zhuǎn)速倒拖發(fā)功機，并且維持冷卻水和機油溫度不變，這樣測得的倒拖功率即為發(fā)動機在該工況下的機械損失功率。與實際運行情況相比，首先，氣缸內(nèi)不進行燃燒過程，氣缸內(nèi)不進行燃燒過程，作用在活塞上的氣體壓力在膨張行程中大幅度下降，使活塞、連桿、曲軸的

49、摩擦損失有所減少；其次，按這種方法求出的摩擦功率中含有不應該有的泵氣功這一項，且由于排氣過程中溫度低、密度大，使泵氣功比實際的還大；再次，倒拖在膨脹、壓縮行程中，由于充量向氣缸壁的傳熱損失，以致于pV圖上膨脹線和壓縮線不重合而處于它的下方，出現(xiàn)了圖26上所示的負功面積。實際上，在測量該工況的有效功率時，這部分傳熱損失已被考慮在內(nèi)。這三種因素的綜合結果是：倒拖時所消耗的功率要超過柴袖機在給定工況工作時的實際機械損失，在低壓縮比發(fā)動機中，誤差大約為5，在高壓縮比發(fā)動機中，誤差有時可高達(1520)因而此方法在測定汽油機機械損失時得到較廣泛的應用。3滅缸法此法僅適用于多缸發(fā)動機。當內(nèi)燃機調(diào)整到給定工況穩(wěn)定工作后，先測出其有