1-1-40發(fā)動(dòng)機(jī)培訓(xùn)教材

往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣流

主要現(xiàn)象和模型

性能和吸排氣

汽門正時(shí)

氣流的一維模型

氣流的三維模型

第一局部：性能和吸排氣

發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)

吸氣

進(jìn)氣和排氣線路有效面積

聲音原理

進(jìn)氣波的反射

主進(jìn)氣管的震動(dòng)

排氣線路對(duì)容積效率和性能的影響

1．1發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)

火花點(diǎn)火和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的剖面圖

火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)

熱力發(fā)動(dòng)機(jī)是這樣一種機(jī)器，它在每一個(gè)循環(huán)中，系統(tǒng)吸入的氣體體積相等。吸入氣體的體積與不同發(fā)動(dòng)機(jī)〔火花點(diǎn)火或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)〕特定的吸入氣體質(zhì)量相應(yīng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠只燃燒特定質(zhì)量的燃料。

熱力發(fā)動(dòng)機(jī)：一種熱力學(xué)機(jī)器

間隙體積=V

熱力發(fā)動(dòng)機(jī)是一種熱動(dòng)力學(xué)機(jī)器，它將燃燒釋放出的能量Q2-3轉(zhuǎn)化成壓力功〔循環(huán)區(qū)〕?；钊木€性位移通過(guò)曲柄系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。在曲柄軸出口處形成發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。在變速度w下獲得扭矩即生成功〔P=Cw〕

缸徑=A

沖程=2R

位移=∏

四沖程：

*5到1=進(jìn)氣

*1到2=壓縮

*2到3=燃燒

〔燃燒放出熱量Q2-3〕

*3到4=膨脹〔做功沖程〕

*4到1=排氣開始

〔排出的氣體中包括的熱量為Q4-1〕

*1-5=排氣

真實(shí)循環(huán)：

進(jìn)氣

活塞開始從TDC〔上止點(diǎn)〕向下運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)〔BDC〕時(shí)，進(jìn)氣行程開始。當(dāng)活塞到達(dá)TDC前進(jìn)氣門開啟到一定程度?；钊竭_(dá)TDC前進(jìn)氣閥翻開〔IVOBTDC〕的角度約為5-30度曲柄轉(zhuǎn)角。要獲得足夠的流通面積使活塞運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的吸氣量到達(dá)最大，需要此汽門提前。

在活塞到達(dá)下止點(diǎn)后進(jìn)氣閥關(guān)閉。由于氣柱的慣性效應(yīng)，關(guān)閉滯后使更多氣體被吸入。當(dāng)活塞行至BDC后進(jìn)氣門關(guān)閉〔IVCBDC〕在30-80度曲柄轉(zhuǎn)角。

進(jìn)氣：

進(jìn)氣管的大小應(yīng)以獲得最大值功為目標(biāo)。進(jìn)氣行程中平均氣體速度Vg不應(yīng)超過(guò)100m/s。

Vg和活塞平均速度Vp之間的關(guān)系是：

Vpx〔缸徑〕2Npmaxx沖程〔mm〕

Vg=m/sVp=m/s

〔管最小直徑〕230x1000

進(jìn)氣管尺寸例如〔兩汽門發(fā)動(dòng)機(jī)〕

發(fā)動(dòng)機(jī)類型

排氣體積

缸徑

沖程

最大做功速度

平均活塞速度

Vg=100m/s的進(jìn)氣管直徑

升

mm

mm

rpm

m/s

mm

扭矩

1.392

77.2

74.3

5600

13.9

29.0

功率

1.289

75.0

73.0

7200

17.5

31.0

火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣和負(fù)載設(shè)定

進(jìn)氣汽門將進(jìn)氣線與大氣接通。該線路包括以下元件：

節(jié)流蝶形閥

熱絲流量計(jì)

喃射器支持法蘭

過(guò)濾器入口

竄漏回抽

輔助消聲器

充氣增壓

連接管

進(jìn)氣管

進(jìn)氣歧管

空置定量加料器

空氣過(guò)濾器

要獲得最高性能，設(shè)計(jì)這些元件時(shí)一定要使負(fù)載損失最小化。特別是，對(duì)形狀、彎管、接頭和截面的變化以及尺寸的定義一定要精確。

壓縮

雖然進(jìn)氣汽門在活塞到達(dá)BDC后較小角度才關(guān)閉，氣體壓縮在活塞從BDC向TDC移動(dòng)時(shí)已經(jīng)開始。事實(shí)上，活塞的速度低于空氣的速度。汽缸繼續(xù)充氣。

由于與外部有熱交換，絕熱變換后并不立刻發(fā)生壓縮。壓縮開始時(shí)，空氣和汽油的混合物溫度比壁溫低，壁向氣體放熱。當(dāng)氣體壓力上升時(shí)，氣體溫度變得比壁溫高。當(dāng)壓力上升，熱交換的方向改變：氣體溫度比壁溫高。氣體向壁和冷卻劑〔空氣或液體〕放熱。

此外，密封〔通過(guò)環(huán)形墊〕缺乏會(huì)導(dǎo)致一定質(zhì)量的泄漏〔小于1%〕。

由于絕熱變換，壓縮進(jìn)程結(jié)束時(shí)的壓力低于理論值。它是一種多方變換。

P.Vγ=常量被P.Vn=常量所代替。

指數(shù)n值通常會(huì)小于絕熱系數(shù)γ〔n-1.3而γ那么=1.4〕。系數(shù)n可由LogP/logV圖V估計(jì)。

例：在體積比為10，多變系數(shù)n=1.3，壓縮進(jìn)程結(jié)束時(shí)的壓力為20巴，對(duì)于絕熱壓縮那么為25巴。

壓縮

〔容積/余隙容積〕

曲柄轉(zhuǎn)角

汽缸溫度

曲柄轉(zhuǎn)角

壓縮

壓

力

溫度

壓力

汽缸壓力

壓縮

燃燒-綜述

以一定比例混合的燃料和空氣的均質(zhì)混合物的燃燒只會(huì)在特定溫度和條件下發(fā)生。在大氣條件下，看不到反響。

如果混合物的溫度穩(wěn)步上升，燃料會(huì)慢慢氧化，產(chǎn)生二氧化碳、水和一氧化碳。如果條件保持不變，反響會(huì)到達(dá)最大速度，之后又因反響物的減少缺乏而減速。

如果混合物溫度上升到某一燃燒的臨界最低溫度，先會(huì)緩慢氧化，之后反響加速。如果反響物不消失，反響速度會(huì)京戲無(wú)窮大。燃燒變?yōu)榭焖偃紵?/p>

在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，火花引起快速燃燒。該反響區(qū)再擴(kuò)展到新的混合物中。該區(qū)叫火焰前沿。氣態(tài)物質(zhì)被分成兩局部：一局部為燃燒后的氣體，另一局部為新鮮氣體。

新鮮混合氣體應(yīng)是完全同質(zhì)的：它是一種預(yù)混合火焰。會(huì)以次音速〔爆燃〕或超音速〔爆炸〕傳播。在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒都是爆燃型的，但在爆震開始時(shí)情況除外。

排出氣體再循環(huán)〔EGR〕

此技術(shù)的使用主要是為在局部負(fù)荷時(shí)減少NOx。

它也可用于在全負(fù)荷時(shí)用冷卻的EGR啟動(dòng)再循環(huán)。這種情況下，通過(guò)顯著提高辛烷需求〔爆震減少〕可使EGR率到達(dá)5-20%，缺點(diǎn)是功率會(huì)下降〔對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)-可通過(guò)渦流增壓進(jìn)行補(bǔ)償〕。

EGR加上渦流增壓可以更好地控制排氣溫度。

EGR會(huì)極大降低燃燒速度。隨著混合物〔緩慢〕燃燒，循環(huán)中的最高溫度會(huì)下降，Nox的排放也減少〔Nox的產(chǎn)生與溫度直接相關(guān)〕。

燃燒效率低〔由于溫度較低〕可得到較低的泵動(dòng)損失的補(bǔ)償，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)中新鮮空氣流量減少了。

熱力系統(tǒng)

恒量物質(zhì)通過(guò)真實(shí)或假設(shè)界限與其余局部隔離。

由轉(zhuǎn)換得到的功：·一個(gè)封閉循環(huán)內(nèi)的總能量為：

容積

其中

其中：

熱量

壓力

功

理論上的主要循環(huán)：

火花點(diǎn)火循環(huán)壓縮點(diǎn)火循環(huán)

恒定容積壓縮

容積及壓力不變的壓縮

恒定壓力壓縮

1：絕熱變換3：等容變換4：等壓變換

理論上的熱力效率

缸徑=A

固定容積

理論熱力效率ηt決定于兩個(gè)參數(shù)：即

壓縮比τ，即

其中，V=位移，v=余隙容積

以及比熱比γ

ηt表達(dá)式為

功

ηt=

釋放的熱

理論熱力效率：

那么

T4和T1為T3和T2的泛凾數(shù)

其中，τ=10，γ=1.4,那么ηt=0.60

理論熱力效率：推論

從理論公式看，提高壓縮比可提高熱力效率。但在火花點(diǎn)火引擎中，壓縮比受爆震限制。此外也可通過(guò)提高γ提高熱力效率，這可通過(guò)降低燃油-空氣當(dāng)量比實(shí)現(xiàn)。

燃油-空氣當(dāng)量比的影響

比較：理論循環(huán)-真實(shí)循環(huán)

理論循環(huán)

實(shí)際過(guò)程并不完全按理論規(guī)律進(jìn)行，因此實(shí)際過(guò)程與理論過(guò)程是不同的：

進(jìn)氣回路和排氣回路間有壓力損失

真實(shí)循環(huán)

壓縮和膨脹不是完全絕熱的，因?yàn)樗鼈兣c外界有熱交換，

燃燒并不是發(fā)生在恒定容積下

容積

我們可以看到“低壓〞環(huán)，即進(jìn)氣和排氣進(jìn)程之間的區(qū)域，以及“高壓〞環(huán)，即壓縮、燃燒和膨脹進(jìn)程。

真實(shí)循環(huán)過(guò)程：指示功、指示的平均有效壓力、循環(huán)效率

指示功Ｗ：

氣壓作用于活塞產(chǎn)生的指示功為：

Ｗi＝外表高壓環(huán)-外表抽氣環(huán)

指示平均有效壓力〔imep〕：

它是作用于活塞的恒壓值，是指相同指示功值下掃過(guò)的位移〔引擎時(shí)間〕：

循環(huán)效率或形狀效率ηc

它是測(cè)得的Imep和用理論循環(huán)計(jì)算出的Imep的比值。它根據(jù)容積效率而變化。最大值為0.8。

發(fā)動(dòng)中的能量分配

發(fā)動(dòng)機(jī)中的能量分配

燃燒imep

規(guī)那么公式：

摩擦

排氣時(shí)的熱排出

熱損失：冷卻

Imep=Bmep+Fmep

Bmep：軸上獲得的有效功–Fmep摩擦中能量損失的等效壓力

能量平衡：確定法和困難

對(duì)外交換：？？

Imep：測(cè)量汽缸內(nèi)的瞬壓和檢查活塞位置

Bmep：測(cè)量扭矩

Bmep=4*Pi*扭矩/位移

冷卻：測(cè)量通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液體流量和該過(guò)程中的熱量

排出物：測(cè)量吸入的氣流量，燃燒的燃料量和

排氣的溫度

Fmep=Imep-Bmep：假設(shè)通過(guò)油排放能量

Qcomb:測(cè)量注入的燃油量：Qcomb=Qinj*Pci

對(duì)外交換

摩擦造成的能量損失的主要局部是通過(guò)油排放的。但這局部能量卻包括在通過(guò)水/油交換器的冷卻液體中。

火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中的排放物

排氣溫度圖

等溫輪廓線幾乎是垂直的，因?yàn)榛鸹c(diǎn)火引擎使用的燃油-空氣當(dāng)量比為1。此參數(shù)限定了燃燒溫度。

Bmep的增加導(dǎo)致排氣中熱焓流的增加。

Pme(bar)

火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中的排放物

如果我們認(rèn)為容積和燃燒效率即不決定于引擎速度也不決定于負(fù)荷，那么等流輪廓線應(yīng)是雙曲線的，因?yàn)?/p>

柴油和火花點(diǎn)火引擎：排氣中的熱含量

柴油：燃油-空氣比可變，因此Tex可變火花點(diǎn)火：燃油-空氣比=1，因此Tex=常量

火花點(diǎn)火引擎3000轉(zhuǎn)/分

直噴柴油引擎2000轉(zhuǎn)/分

排氣溫度

流動(dòng)率

柴油和火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)：排氣中的熱含量

熱含流量=質(zhì)量流量*Cp*Tex

非增壓柴油機(jī)：第一種方法流量不變，但T可變

火花點(diǎn)火：流量可變但Tex不變，因?yàn)槿加?空氣比不變

火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)：全負(fù)荷時(shí)能量平衡

熱釋放組成〔%〕

未燃燒未完全燃燒排熱水的熱傳遞

摩擦功率計(jì)功率泵動(dòng)損失與外部的對(duì)流

能量分布

燃料能量100%

〔100%〕

性能〔1〕-前言

發(fā)動(dòng)機(jī)的性能由功率計(jì)〔液壓或渦流式〕或DC機(jī)記錄。

我們對(duì)不同工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩以及發(fā)動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行監(jiān)視。將結(jié)果用曲線和數(shù)據(jù)表表示。參數(shù)對(duì)應(yīng)的條件是發(fā)動(dòng)機(jī)速度或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載〔燃油量，以mm3/沖程為單位，節(jié)流閥體的位置，X軸線〕。

一同記錄的還有其它許多參數(shù)，尤其是燃油消耗量。此方法可以給出系統(tǒng)〔發(fā)動(dòng)機(jī)〕中引進(jìn)的能量，并計(jì)算出總的效率〔將此能量與軸上測(cè)量到的Bmep的直接相比的比值〕。如果我們知道了空氣/燃油比〔通過(guò)排氣分析〕，就可能得到進(jìn)氣的氣流量。

測(cè)量出進(jìn)/出口水的溫度以及冷卻劑的流量，我們就可以確定進(jìn)入冷卻回路的排熱量。

以下列圖為主要等式以及相關(guān)說(shuō)明。

性能〔2〕-功率和扭矩

功率和扭矩

未修正功率：

Clu為米.牛頓

ω為弧度每秒

Pb用瓦特表示

其中，

注：扭矩通過(guò)連接到功率計(jì)臂上的一個(gè)負(fù)載傳感器測(cè)量。實(shí)際使用時(shí)為方便起見，可采用2個(gè)臂長(zhǎng)。如果我們用一米長(zhǎng)的臂，力直接等于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩〔FxL〕，單位為m.daN。用其它長(zhǎng)度，將力轉(zhuǎn)換為功率，用KW/10000rpm表示，此長(zhǎng)度等于60〔2πx10〕=0.995m，力用daN表示。

性能〔3〕-修正系數(shù)

修正后的功率和扭矩

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)送的能量是吸入空氣質(zhì)量流的凾數(shù)。如前所知，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是容量式系統(tǒng)，而質(zhì)量流量決定于測(cè)試時(shí)周圍大氣條件。比方，如果我們要比較某兩天的全負(fù)載性能，必須考慮到環(huán)境條件的變化使用修正系數(shù)。此公式由ECE-89，CEE/E-88/195〔適用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)〕，ISO1585/D，ECER85〔適用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)〕給出。例如，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的修正系數(shù)為：

其中，Pas=枯燥的大氣壓=總壓力-蒸氣壓力，單位：mbar

Tadm=進(jìn)口溫度〔上游過(guò)濾器〕，單位：℃

性能〔3〕-修正系數(shù)

修正后的功率和扭矩

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)送的能量是吸入空氣質(zhì)量流量的凾數(shù)。如前所知，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是容量式系統(tǒng)，而質(zhì)量流量決定于測(cè)試時(shí)周圍大氣條件。比方，如果我們要比較某兩天的全負(fù)載性能，必須考慮到環(huán)境條件的變化使用修正系數(shù)。此公式由ECE-89，CEE/E-88/195〔適用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)〕，ISO1585/D，ECER85〔適用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)〕給出。例如，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的修正系數(shù)為：

其中，Pas=枯燥的大氣壓=總壓力-蒸氣壓力，單位：mbar

Tadm=進(jìn)口溫度〔上游過(guò)濾器〕，單位：℃

性能〔4〕-燃油消耗

消耗：

具體消耗：

它是每小時(shí)每單位功率的燃油流量。

如果在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出功率Pb〔單位kW〕時(shí)，在時(shí)間T〔秒〕內(nèi)所用油的質(zhì)量為mc，那么

這是總效率，燃油質(zhì)量乘以較低的燃油的發(fā)熱量〔PCI〕除以消耗時(shí)間就是功率Pi。此功率與在軸上測(cè)出的功率Pb相比就是總效率。由于PCI=42000Kj/kg，我們發(fā)現(xiàn)

性能〔5〕-Bmep

平均有效壓力〔Bmep〕：

Bmep等于軸上的能量與發(fā)動(dòng)機(jī)能力〔V〕的比值。對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)We等于：

，在此Bmep為：

或用更常見的單位：

Bmep的概念使我們可以比較不同發(fā)動(dòng)機(jī)而不必管它們的容量。對(duì)于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，我們必須用2π代替4π，因?yàn)樗恳谎h(huán)中只有一次膨脹沖程。

性能〔6〕-Fmep

平均摩擦壓力〔Fmep〕：

平均摩擦壓力定義為：

Fmep主要決定于發(fā)動(dòng)機(jī)速度，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載影響有限。以下列圖為一2升4缸發(fā)動(dòng)機(jī)〔無(wú)輔助設(shè)施〕的Fmep相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)速度的變化情況。

性能〔7〕-容積效率

進(jìn)氣流量可用流量計(jì)〔膜式，文丘里管式，CUSSN式層流計(jì)，ROOTS表….〕測(cè)量，或用燃油流量和空氣/燃油比計(jì)算。

，Pc：燃油燃燒功率;qc：燃油流量，g/s;r:濃度

第一種方