第六章柴油机混合气形成和燃烧
喷油器参数对柴油机混合气形成和燃烧的影响——基于FIRE三维数值模拟
ｓ 质量 源 项 ； 一
一
作 用 在 与 ｉ 向相 垂 直 平 面上 的 方 向 的 方
应力 。
响规律 ， 而为燃 烧过 程 的优 化提 供 了参 考 。 从
１ ３ 能 量守恒 方 程 ．
１ 数 学 模 型
缸 内气体 流 动是 三 维 可 压 缩 粘 性 气 体 流 动 ， 质 用
１ ２ 动量 守恒 方 程 ．
杀 ＋ ｐ“ ｒ 一老 （ （ ） 一 ）
式中 ｕ一 流 体在 方 向的绝 对速 度 ； ｐ 压力 ； 一
过程 进行 多 维 数 值模 拟 已成 为 内燃 机 燃 烧 过 程 分 析 的蘑 要环 节 。本 文利 用 ＦＲ Ｉ Ｅ三 维 数值 模 拟 计 算 软 件 对 ３０ １ ５柴 油 机 缸 内 流 动 与 燃 烧 过 程 进 行 了数 值 模 拟 ， 探 讨 了喷油 器 结 构参 数 对 柴 油 机 燃 烧 特 性 的 影 并
如图 １ 示。 所
，
笛 尔 坐标 （ ＝１ ２， ） ， ３ ；
一
流体 流 进 或 流 出控 制 体 积 边 界 的速 度 ，， 五
＝
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一
，
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（ ） 开女 ｌ Ｐ 眨 ⅡＦ
图 １ 燃 烧 室 结 构 示 意 图
第 １ ２期
开、 活塞 上 行 终 止 的半 个 循 环 ， 模 型 中 未 加 入 进 排 故
气门。
验值 ， 致计 算 结 果 也 存 在 一 定 的误 差 。从 总 体 上 看 导
来 ， 算 结 果 与 试 验 结 果 基 本 吻 合 ， 说 明该 计 算 模 计 这
内燃机原理课后习题与答案
第一章发动机的性能1.简述发动机的实际工作循环过程;1进气过程：为了使发动机连续运转,必须不断吸入新鲜工质,即是进气过程;此时进气门开启,排气门关闭,活塞由上止点向下止点移动;2压缩过程：此时进排气门关闭,活塞由下止点向上止点移动,缸内工质受到压缩、温度;压力不断上升,工质受压缩的程度用压缩比表示;3燃烧过程：期间进排气门关闭,活塞在上止点前后;作用是将燃料的化学能转化为热能,使工质的压力和温度升高,燃烧放热多,靠近上止点,热效率越高;4膨胀过程：此时,进排气门均关闭,高温高压的工质推动活塞,由上止点向下至点移动而膨胀做功,气体的压力、温度也随之迅速下降;5排气过程：当膨胀过程接近终了时,排气门打开,废气开始靠自身压力自由排气,膨胀过程结束时,活塞由下止点返回上止点,将气缸内废气移除;3.提高发动机实际工作循环热效率的基本途径是什么可采取哪些基本措施提高实际循环热效率的基本途径是：减小工质传热损失、燃烧损失、换气损失、不完全燃烧损失、工质流动损失、工质泄漏损失;提高工质的绝热指数κ可采取的基本措施是：⑴减小燃烧室面积,缩短后燃期能减小传热损失;⑵. 采用最佳的点火提前角和供油提前角能减小提前燃烧损失或后燃损失;⑶采用多气门、最佳配气相位和最优的进排气系统能减小换气损失;⑷加强燃烧室气流运动,改善混合气均匀性,优化混合气浓度能减少不完全燃烧损失;⑸优化燃烧室结构减少缸内流动损失;⑹采用合理的配缸间隙,提高各密封面的密封性减少工质泄漏损失;4.什么是发动机的指示指标主要有哪些答：以工质对活塞所作之功为计算基准的指标称为指示性能指标;它主要有：指示功和平均指示压力.指示功率.指示热效率和指示燃油消耗率;5.什么是发动机的有效指标主要有哪些答:以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标;主要有：1发动机动力性指标,包括有效功和有效功率.有效转矩.平均有效压力.转速n和活塞平均速度；2发动机经济性指标,包括有效热效率.有效燃油消耗率；3发动机强化指标,包括升功率PL.比质量me;强化系数PmeCm.6.总结提高发动机动力性能和经济性能的基本途径;①增大气缸直径,增加气缸数②增压技术③合理组织燃烧过程④提高充量系数⑤提高转速⑥提高机械效率⑦用二冲程提高升功率;7.什么是发动机的平均有效压力、油耗率、有效热效率各有什么意义平均有效压力是指发动机单位气缸工作容积所作的有效功;平均有效压力是从最终发动机实际输出转矩的角度来评定气缸工作容积的利用率,是衡量发动机动力性能方面的一个很重要的指标;有效燃油消耗率是单位有效功的耗油量,通常以每千瓦小时有效功消耗的燃料量来表示; 有效热效率是实际循环有效功与所消耗的燃料热量之比值; 有效热效率和有效燃油消耗率是衡量发动机经济性的重要指标;8.发动机的机械损失主要包括哪些摩擦损失,驱动各种附件损失,带动机械增压器损失,泵气损失9.什么是机械效率受哪些因素影响有何意义机械效率是有效功率与指示功率的比值;影响因素：①转速和活塞平均速度②负荷③润滑油温度和冷却水温度,意义：比较机械损失所占比例的大小;10.如何测定机械效率适用于汽油机的是哪种方法为什么通过发动机试验测定,常用方法有示功图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法;倒拖法适用于汽油机;11.简述汽油机和柴油机工作循环的区别汽油机和柴油机的工作循环同样有进气,压缩,燃烧工作,排气四个过程;它们的不同的点；1汽油机在进气道,进入汽缸内的气体是有一定比例的汽油和空气称做可燃混合气；柴油机在进气道,进入汽缸内的气体是纯净的空气;2在压缩的过程;汽油机与柴油机是没有区别的,只是被压缩的气体,成分不同;3燃烧过程,汽油机与柴油机的区别较大;汽油本身物质燃点较低,经压缩后给一个高压的电火花就将其点燃了,而且燃烧的速度比柴油快；柴油本身物质密度较大,要在高温和高压的条件下才能自行燃烧,经压缩后的纯净空气正好满足了这个条件,这时即刻向汽缸喷入高压油使其燃烧;柴油的热值比汽油高产生的动力比汽油机大;4排气过程基本是一样的;废弃物都是二氧化碳和水,但是由于汽油的燃烧速度太快需要加入抗爆剂,因此排放不如柴油机清洁13.为什么柴油机的热效率要显著高于汽油机1.柴油机的压缩比高,作功时膨胀得更厉害;2.柴油机油气混合时空燃比远大于1,是富氧燃烧,燃料可以充分燃烧;汽油机燃烧的空燃比在1左右,因为没有足够的氧气,汽油不能完全燃烧;14.柴油机工作循环为什么不采用等容加热循环定容加热理想循环又称奥托循环,基于这种循环而制造的煤气机和汽油机是最早的活塞式内燃机;由于煤气机、汽油机和柴油机燃料性质不同,机器的构造也不同,其燃烧过程接近于定容过程,不再有边燃烧边膨胀接近于定压的过程,故而在热力学分析中,奥托循环可以看作不存在定压加热过程的混合加热理想循环;定容加热循环被压缩的是燃料和空气的混合物,要受混合气体自燃温度的限制,存在“爆燃”的问题,效率不会太高;定压加热循环压缩的仅仅是空气,不存在“爆燃”的问题,效率高,所以柴油机采用的是后者而不是前者第二章发动机的换气过程1.为什么发动机进气门迟后关闭、排气门提前开启;提前与迟后的角度与哪些因素有关答：1进气门迟后关闭是为了充分利用高速气流的动能,实现在下止点后继续充气,增加进气量;排气门提前开启是由于配气机构惯性力的限制,若是活塞在下至点时才打开排气门,则在气门开启的初期,开度极小,废气不能通畅流出,缸内压力来不及下降,在活塞向上回行时形成较大的反压力,增加排气行程所消耗的功2提前与迟后的角度与哪些因素有关配气相位的合理选择要从哪几个方面衡量：①充气效率的变化是否符合动力性要求;②换气损失尽可能的小;③能否保证必要的燃烧室扫气作用;④排放指标好;2. 四冲程发动机换气过程包括哪几个阶段,这几个阶段时如何界定的答：1自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力接近于排气管内压力的这个时期;强制排气阶段：废气是由活塞上行强制推出的这个时期; 进气过程：进气门开启到关闭这段时期;气门重叠和燃烧室扫气：由于排气门迟后关闭和进气门提前开启,所以进.排气门同时打开这段时期;3 影响充量系数的主要因素有哪些答：1.进气门关闭时缸内的压力; 2.进气门关闭时缸内气体温度; 3.残余废气量; 4.进排气相位角; 5.发动机压缩比; 6.进气状态;第三章发动机废气涡轮增压3为什么增压后需要采用进气中冷技术答：对增压器出口空气进行冷却,一方面可以进一步提高发动机进气管内空气密度,提高发动机的功率输出,另一方面可以降低发动机压缩始点的温度和整个循环的平均温度,从而降低发动机的排气温度、热负荷和NOx的排放;5 车用发动机采用增压时应注意哪些问题答：1适当降低压缩比,加大过量空气系数;2对供油系统进行结构改造,增加每循环供油率;3合理改进配齐相位;4进排气系统设计要与增压系统的要求一致;5对增压器出口空气进行冷却;7 汽油机增压的技术难点有哪些限制汽油机增压的主要技术障碍时：爆燃、混合气的控制、热负荷和增压器的特殊要求等; 第四章燃料与燃烧化学1 我国的汽油和轻柴油时分别根据哪个指标来确定牌号的答：汽油根据辛烷值来确定牌号；轻柴油按凝点来确定牌号;2 蒸发性不好和太好的汽油,在使用中各有什么缺点和可能产生的问题答：蒸发性过强的汽油在炎热夏季以及大气压力较低的高原和高山地区使用时,容易使发动机的供油系统产生“气阻”,甚至发生供油中断;另外,在储存和运输过程中的蒸发损失也会增加；蒸发性若的汽油,难以形成良好的混合气,这样不仅会造成发动机启动困难,加速缓慢,而且未气化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳定,油耗上升;如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上,还会破坏润滑油膜,甚至窜入曲轴箱稀释润滑油,从而使发动机润滑遭破坏,造成机件磨损增大;3 试述汽油辛烷值和柴油十六烷值的意义;答：辛烷值用来表示汽油的抗爆性,抗爆性时指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力;辛烷值是代表点燃式发动机燃料抗爆性的一个约定数值;在规定条件下的标准发动机试验中通过和标准燃料进行比较来测定;采用和被测定燃料具有相同的抗爆性的标准燃料中异辛烷的体积百分比来表示;柴油十六烷值时用来评定柴油的自燃性;将十六烷值规定为100的正十六烷和规定十六烷值为0的α-甲基萘按不同比列混合得出不同十六烷值的标准燃料,其十六烷值为该混合气中正十六烷的体积百分比;如果某种柴油与某标准燃料的自燃性相同,则该标准燃料的十六烷值即为该柴油的十六烷值;4什么是过量空气系数它与混合气浓度有什么关系答：发动机工作过程中,燃烧1kg燃油实际共给的空气量与理论空气量之比,称为过量空气系数;过量空气系数大于1称为稀混合气,等于1称为标准混合气,小于1称为浓混合气;8 发动机采用代用燃料的意义是什么答：减缓石油消耗速度,改善发动机的动力性和燃油经济性,降低有害物质排放;第五章柴油机混合气的形成与燃烧1.以柱塞式喷油泵为例简述柴油机燃料喷射过程柱塞式喷油泵一般由柴油机曲轴的定时齿轮驱动,固定在喷油泵体上的活塞式输油泵由喷油泵的凸轮轴驱动,当柴油机工作时,输油泵从油箱洗出柴油,经油水分离器除去柴油中的水分,再经燃油滤清器,滤清柴油中的杂质,然后送入喷油泵,在喷油泵内,柴油经过增压和计量之后,经高压油管供入喷油器,最后通过喷油器将柴油喷入燃烧室;喷油泵前端装有喷油提前角调节器,后端与调速器组成一体,输油泵供给的多余柴油及喷油器顶部的回油均流回油管返回油箱3 什么时供油提前角和喷油提前角解释两者的关系以及对柴油机性能的影响;答：供油系统的理论供油始点到上止点为止,曲轴转过的角度叫供油提前角;喷油器的针阀开始升起也就是喷油始点到上止点间曲轴转过的角度叫喷油提前角;供油提前角的大小决定了喷油提前角,供油提前角越大,喷油提前角约到;但两者并不同步增大,两者之差称为喷油延迟角;影响：发动机转速越高,高压油管越长,喷油延迟角越大,它越大,在着火期间喷入的油越多,低压油喷入气缸的量增多,燃油雾化变差,燃烧不充分,易产生积碳堵塞喷油孔的现象,降低柴油机的性能;5 柴油机有哪些异常喷射现象和他们可能出现的工况简述二次喷射产生的原因和危害及消除方法;答：柴油机有二次喷射、断续喷射、不规则喷射、隔次喷射和滴油这几种异常喷射现象;二次喷射易发生在高速、大负荷工况下；断续喷射常发生于某一瞬间喷油泵的供油量小于喷油器喷出的油量和填充针阀上升空出空间的油量之和;不规则喷射和隔次喷射易发生在柴油机怠速工况下;二次喷射是在压力波动影响下针阀落座后再次升起造成的;由于二次喷射是在燃油压力较低的情况下喷射的,导致这部分燃油雾化不良,燃烧不完全,碳烟增多,并易引起喷孔积炭堵塞;此外,二次喷射还使整个喷射持续时间拉长,则燃烧过程不能及时进行,造成经济性下降,零部件过热等不良后果; 为避免出现不正常喷射现象,应尽可能地缩短高压油管的长度,减小高压容积,以降低压力波动,减小其影响;并合理选择喷射系统的参数;7.试述柴油机燃烧过程,说明压力升高率的大小对柴油机性能的影响柴油机燃烧过程：着火延迟期、速燃期、缓燃期和补燃期影响：过大的压力升高率会使柴油机工作粗暴,噪声明显增加,运动零部件受到过大冲击载荷,寿命缩短；过急的压力升高会导致温度明显升高,使氮氧化物生成量明显增加8.燃烧放热规律三要素是什么什么是柴油机合理的燃烧放热规律答：一般将燃烧放热始点相位、放热持续期和放热率曲线的形状称为放热规律三要素; 合理的放热规律是：燃烧要先缓后急;在初期的燃烧放热要缓慢以降低NOx的排放,在中期要保持快速燃烧放热以提高动力性和经济性能,在后期要尽可能缩短燃烧以便降低烟度和颗粒的排放;9.简述柴油机的混合气形成的特点和方式柴油机在进气过程中进入燃烧室的是纯空气,在压缩过程接近终了时才被喷入,经一定准备后既自行着火燃烧;由于柴油机的混合气形成的时间比汽油机短促得多,而且柴油的蒸发性和流动性都较汽油差,使得柴油难以在燃烧前彻底雾化蒸发并与空气均匀混合,因而柴油机可燃混合气的品质较汽油机差;因此柴油机不得不采用较大的过量空气系数,使喷入燃烧室内的柴油能够燃烧得比较完全柴油机混合气形成方式从原理上来分,有空间雾化混合和油膜蒸发混合两种10.简述直喷式燃烧室柴油机的性能特点,并与分隔式燃烧室柴油机进行比对;直喷式燃烧室柴油机的性能特点：1燃烧迅速,所以经济性好,燃油消耗率低,但工作粗暴,压升率高,燃烧噪声大2燃烧室结构简单,表面积与体积的比小,散热损失小,没有主副燃烧室的流动损失,冷启动性能好,经济性好3对喷射系统要求较高4NOx排放量较分隔式燃烧室高特别在高负荷区；微粒排放量较低5对转速变化较为敏感分隔式燃烧室柴油机的性能特点：1主要靠强烈的空气运动来保证较好的混合气质量,空气利用率较高α=1.22随转速的提高,空气运动强度增大,高速下性能较好3对喷射系统要求较低4结构复杂,表面积与体积的比大,散热损失和流动损失大,比直喷式燃烧室柴油机效率低,经济性差5由于散热损失大使起动性能变差6先在副燃烧室着火,主燃烧室压力上升缓慢,工作平稳,燃烧噪声小,但对经济性不利7对燃油不太敏感,有较强的适应性8除低负荷下的碳烟排放量大外,其余由于直喷式11柴油机燃烧过程优化的基本原则是什么答：1油-气-燃烧室的最佳配合;2控制着火落后其内混合气生成量;3合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动;4紧凑的燃烧室形状;5加强燃烧期间和燃烧后期的扰流;6优化运转参数;12 什么是柴油机合理的喷油规律答：喷射开始时段的喷油率不能太高,以便控制着火落后期内形成的可燃混合气量,降低初期放热率,防止工作粗暴;在燃烧开始后,应有较高的喷油率以期缩短喷油持续期,加快燃烧速率,同时尽可能减少喷油系统中的燃油压力波动,以防止不正常喷射现象;第六章汽油机混合气的形成与燃烧1.说明汽油机燃烧过程各阶段的主要特点,以及对它们的要求燃烧过程：1着火落后期：它对每一循环都可能有变动,有时最大值是最小值的数倍;要求：为了提高效率,希望尽量缩短着火落后期,为了发动机稳定运行,希望着火落后期保持稳定2明显燃烧期：压力升高很快,压力升高率在0.2-0.4MPa/°;希望压力升高率合适3后燃期：湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料,以及附在气缸壁面上的混合气层继续燃烧;希望后燃期尽可能的短;2.爆燃燃烧产生的原因是什么它会带来什么不良后果答：燃烧室边缘区域混合气也就是末端混合气燃烧前化学反应过于迅速,以至在火焰锋面到达之前即以低温多阶段方式开始自然,引发爆燃; 爆燃会给柴油机带来很多危害,发生爆燃时,最高燃烧压力和压力升高率都急剧增大,因而相关零部件所受应力大幅增加,机械负荷增大；爆燃时压力冲击波冲击缸壁破坏了油膜层,导致活塞、气缸、活塞环磨损加剧,爆燃时剧烈无序的放热还使气缸内温度明显升高,热负荷及散热损失增加,这种不正常燃烧还使动力性和经济性恶化;3.爆燃和早燃有什么区别答：早然是指在火花塞点火之前,炽热表面点燃混合气的现象;爆燃是指末端混合气在火焰锋面到达之前即以低温多阶段方式开始自然的现象;早燃会诱发爆燃,爆燃又会让更多的炽热表面温度升高,促使更加剧烈的表面点火;两者相互促进,危害更大;另外,与爆燃不同的时,表面点火即早燃一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致,没有压力冲击波,敲缸声比较沉闷,主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生震动而造成;4.爆燃的机理是什么如何避免发动机出现爆燃答：爆燃着火方式类似于柴油机,同时在较大面积上多点着火,所以放热速率极快,局部区域的温度压力急剧增加,这种类似阶越的压力变化,形成燃烧室内往复传播的激波,猛烈撞击燃烧室壁面,使壁面产生振动,发出高频振音即敲缸声; 避免方法：适当提高燃料的辛烷值；适当降低压缩比,控制末端混合气的压力和温度；调整燃烧室形状,缩短火焰前锋传播到末端混合气的时间,如提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离;5.何谓汽油机表面点火防止表面点火有什么主要措施答：在汽油机中,凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面点燃混合气的现象,统称为表面点火;防止措施：1适当降低压缩比;2选用沸点低的汽油和成焦性小的润滑油;3要避免长时间的低负荷运行和汽车频繁加减速行驶;4应用磷化合物为燃油添加剂使沉积物中的铅化物成为磷酸铅从而使碳的着火温度提高到560℃且氧化缓慢,放出热量少,从而减少表面点火的产生;6.何谓汽油机燃烧循环变动燃烧循环变动对汽油机性能有何影响如何减少燃烧循环变动答：燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征,是指发动机以某一工况稳定运转时,这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化,具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同; 影响：由于存在燃烧循环变动,对于每一循环,点火提前角和空燃比等参数都不可能调整到最佳,因而使发动机油耗上升、功率下降,性能指标得不到充分优化;随着循环变动加剧,燃烧不正常甚至失火的循环次数逐渐增多,碳氢化合物等不完全燃烧产物增多,动力性、经济性下降;同时,由于燃烧过程不稳定,也使振动和噪声增大,零部件寿命下降,当采用稀薄燃烧时,这种循环变动情况加剧; 减少措施：1尽可能使фa=0.8～1.0,此时的循环变动最小;2适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性,进而改善循环变动;3改善排气过程,降低残余废气系数γ;4避免发动机工作在低负荷、低转速工况下;5多点点火有利于减少循环变动;6提高点火能量,优化放电方式,采用大的火花塞间隙;7 提高汽油机压缩比对提高性能有何意义如何保证在汽油机上使用较高的压缩比提高压缩比可以提高汽油机的功率和经济性,特别是对经济性有显著的作用;但压缩比过高,会导致汽油机爆燃,所以应该合理的设计燃烧室,缩短火焰传播行程,合理选用火花塞位置;适当利用湍流,降低终燃混合气温度等11 在汽油机上燃烧均质稀混合气有什么优点它所面临的主要困难时什么目前解决的途径有哪些答：优点：混合气均匀,燃烧较完全;对燃油共给及喷射系统没特别高的要求; 困难：1为防止爆燃采用较低压缩比导致热效率较低;2浓混合气的比热容比低导致热效率低;3只能用进气管节流方式对混合气量进行调节即所谓量调节使得泵气损失较大;4在化学剂量比附近燃烧,导致有害排放特别是NOx排放较高;5用三元催化转换器的汽油机,它的过量空气系数фa 必须控制在1左右,从而限制其性能进一步提高;解决途径：采用稀薄燃烧汽油机;一类是非直喷式稀燃汽油机,包括均质稀燃和分层稀燃式汽油机,另一类是缸内直喷式稀燃汽油机;12.分析过量空气系数和点或提前交对燃烧过程的影响答：当a=0.8-0.9时,由于燃烧温度最高,火焰传播速度最大,Pe达最大值,但爆燃倾向增大;当a=1.03-1.1时,由于燃烧完全,有效燃油消耗率最低,使用a<1的浓混合气工作,由于必然会产生不完全燃烧,所以CO排放量明显上升,当a<0.8或a>1.2时,火焰速度缓慢,部分燃料可能来不及完全燃烧,因而经济性差,HC排放量增多且工作不稳定; 点火过迟,则燃烧延长到膨胀过程,燃烧最高压力和温度下降,传热损失增多,排气温度升高,热效率降低,但爆燃倾向减小,NOx升高,功率、排放量降低;点火提前角对汽油机的经济性影响较大;据统计,如果点火提前角偏离最佳位置5°曲轴转角热效率下降1%；偏离转角10°曲轴转角,热效率下降5%；偏离20°曲轴转角,热效率下降16%;13 何谓稀燃、层燃系统稀燃、层燃对汽油机有何益处答：稀燃系统就是均质预混合气燃烧,通过采用改进燃烧室、高湍流、高能点火等技术使汽油机的稳定燃烧界限超过α=17的系统；分层燃烧系统就是在α更大的情况下,均质混合气难以点燃,为了提高稀燃界限,通过不同的气流运动和供油方法,在火花塞附近形成具有良好着火条件的较浓的可燃混合气,而周边是较稀混合气和空气,分层燃烧低汽油机可稳定工作在α=20～25范围内; 好处：使燃油消耗率降低,且提高排放性能;14 电控汽油喷射系统与化油器相比有何优点答：1可以对混合气空燃比进行精确控制,使发动机在任何公开下都处于最佳工作状态,特别。
发动机原理每章思考题与习题
第二章思考题与习题2-1 内燃机的动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类？表示动力性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？2-2 怎样求取发动机的指示功率、有效功率、平均指示压力和平均有效压力?2-3 机械效率的定义是什么?2-4 平均有效压力和升功率在作为评定发动机的动力性能方面有何区别?2-5 充量系数的定义是什么? Φc的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？2-6 试推导由吸入的空气量来计算平均有效压力的解析式及升功率的解析式，并分析提高发动机升功率的途径。
2-7 影响be的因素有哪些？降低be的途径有哪些？2-8 过量空气系数Φa的定义是什么？在实际发动机上怎样求得?2-9 内燃机的机械损失由哪些部分组成?详细分析内燃机机械损失的测定方法，其优、缺点及适用场合。
2-10 要设计一台六缸四冲程高速柴油机，设平均指示压力Pmi＝0.85 MPa，平均机械损失压力Pmm=0.15 MPa，希望在2000r／min时能发出的功率为73.5kW。
1)为将活塞平均速度控制在8m／s，缸径行程比取多大合适？2)为使缸径行程比为1：1.2，缸径与行程取多大?2-11 有一台6135Q－1柴油机，D×S＝135mm×140 mm，6缸，在2200r／min时，发动机发出的有效功率为154kW。
be＝217g／(kW·h)。
1) 求发动机的Pme、Ttq、和ηet。
2) 当ηm＝0.75时，试求bi、ηit、Pi和Pm的值。
3) 当ηit、Φc、Φa均未变，ηm由0.75提高到0.8，此时PL、Pe和be的值。
4) 若通过提高Φc使Pe提高到160kW，而ηit、Pm均未变化，则Pi、ηm、be值是多大?5) 通过以上计算，你可以得出哪些结论?第三章思考题与习题3-1 研究理论循环的目的是什么?柴油机的理论循环与实际循环有何区别？3-2 试推导混合加热理论循环热效率的表达式。
汽油机燃烧过程、柴油及机燃烧过程
第二节 汽油机混合气的形成与燃烧一．汽油机混合气的形成1.化油器式汽油机混合气的形成汽油机的不同工况，对混合气成分的要求也不同。
化油器式汽油机的可燃混合气，是在气缸外部由化油器形成的，并通过节气门开度不同控制混合气的量，从而实现混合气的量调节。
1）发动机不同工况对混合气的要求理想的化油器，能够在满足最佳性能要求的前提下，使混合气成分随负荷（或混合气量）的变化而变化，如图3－1所示。
2）化油器的工作原理为满足发动机不同工况对混合气的要求，化油器设有主供油装置、怠速供油装置、加速供油装置、加浓供油装置和起动供油装置等。
2．电子控制燃油喷射汽油机混合气的形成电子控制的汽油喷射系统，以发动机转速和空气量为依据，由ECU 接受来自各个传感器的信号，如：进气量、曲轴转角、发动机转速、加速减速、冷却水温度、过气温度、节气门开度及排气中氧含量等，经处理后，将控制信号送到喷油器，通过控制喷油器开闭时间的长短，控制供油量，使达到最佳空燃比，以适应发动机运行工况的要求。
常用的多点燃油喷射系统示意图如图3－6所示。
二．汽油机正常燃烧过程当汽油机压缩行程接近终了时，由火花塞跳火形成火焰中心，点燃可燃混合气，火焰以一定速度传播到整个燃烧室，燃烧混合气。
1. 正常燃烧进行情况在混合气的燃烧过程中，火焰的传播速度及火焰前锋的形状均没有急剧变化，这种燃烧现象称为正常燃烧。
根据高速摄影摄取的燃烧图，或激光吸收光谱仪来分析燃烧过程。
如图3－7所示，为汽油机燃烧过程的展开示功图，它以发动机曲轴转角为横坐标，气缸内气体压力为纵坐标。
图中虚线表示只压缩不点火的压缩线。
燃烧过程的进行是连续的，为分析方便，按其压力变化的特征，可人为地将汽油机的燃烧过程分为着火延迟期、明显燃烧期和补燃期三个阶段，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。
1）着火延迟期从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止的这段时间，称为着火延迟期。
如图3－7中I 阶段所示。
从火花塞跳火开始到上止点的曲轴转角，称为点火提前角，用θig 表示。
【学习】第五章柴油机混合气形成和燃烧
fp — 柱塞面积 [ mm ]；
Wp — 柱塞速度 [ ml/degPA ]。
几何供油规律与喷油规律不同。
整理课件
供油规律和喷油规律
两产定者生义的差：差 异异 的： 原因：
喷燃供油始的规点可律滞压：后缩单于性位供时油间始内点喷 油喷系泵油统的持内供续产油时生量间压随较力时长波间的的传变播化 关最高系大压。喷油油管速的率弹较性低变形 油曲器喷线喷油的入规形燃律状烧：有室单一内位定的时的燃间变油内化量喷 随时间的变化关系。
整理课件
三 气流运动对混合气形成的影响
（一） 气流运动的作用
整理课件
（二） 气流运动
1、 进气涡流 使进气气流相对于气缸中心产生一个力，形成涡流。 （1） 切向气道 特点: 气道母线与气缸相切。 优点: 结构简单，气流阻力小 缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。 （2） 螺旋气道 特点: 进气道呈螺旋型。 优点: 能产生强烈的进气涡流。 缺点: 工艺要求高，制造、调试难度较高
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50
油 束 射 程m m
(a)
10 0
油 束 射 程m m 50
(b)
2
3
3 .3
3.5 m s
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（四） 喷油规律
单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角） 的变化规律。
1 、喷油延迟角 喷油提前角 — 开始喷油 上止点的曲轴转角。 ’ — 上止点 停止喷油的曲轴转角。 喷油延迟角’ — 开始喷油 停止喷油的曲
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二 、喷油泵速度 特性及其校正
（一） 节流作用 1 理论上 （不存在节流） 2 实际上 （存在节流） 所以，实际供油比理
论供油时间长，供油量 大。
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发动机燃烧着火过程
4．后燃期 从缓燃期终点D到燃料基本燃烧完毕（累计放热率 X>95%）的E点称为后燃期。由于柴油机混合气形成时间 短，油气混合极不均匀，总有一些燃料不能及时燃烧，拖 到膨胀期间继续燃烧，特别是在高负荷时，过量空气少， 后燃现象比较严重。后燃期内的燃烧放热，由于远离上止 点进行，热量不能有效利用，并增加了散热损失，使柴油 机经济性下降。此外，后燃还增加了活塞组的热负荷以及 使排气温度升高。 因此，应尽量缩短后燃期，减少后燃所占的百分比。 柴油机燃烧时，空气是过量的，只是混合不匀造成局部缺 氧。因此，加强缸内气体运动，可以加速后燃期的混合气 形成和燃烧速度，而且会使碳烟及不完全燃烧成分加速氧 化。
若能保证汽油机正常工作，着火落后期的长短对汽油 机性能影响不大，这一点与柴油机不同，因为汽油机性能 主要取决于何时着火而不是何时点火。 对着火落后期的要求主要是要稳定并尽可能短。稳定 是指每循环中的 ϕi长短不要离散过大，这就使B点的位置 相对稳定，由此使最高燃烧压力pmax所对应的角度相对稳 定，发动机循环波动率（见后述）不致于过大。所谓 ϕi尽 可能短是因为，过长会使ϕ i 的大小不稳定。考虑到pmax 出 现在上止点稍后为最佳时刻，一般使B点出现在上止点前 12-15 °较为合适。
1） 汽油机的点火提前规律 对于汽油机，最佳θig角将随转速的上升而加大，称为 转速提前；而又随进气管真空度的上升（负荷下降）而加 大，称为真空提前。图6-6 表示了最佳θig在n及负荷变化时 的变化规律。这是因为，在节气门开度不变时，各个转速 的着火落后期均变化不大。但转速上升后，相同落后期所 占的转角将正比增加，于是高转速时的着火落后角显著加 大。为保证最大压力点相位大致不变，必定要加大θig角。 在转速不变时，随着节气门的减小，进气管真空度上升， 残余废气系数φr将加大，使得燃烧速度下降。这样，着火 落后期和燃烧持续期都加大，就要求点火提前以保证加热 中心接近上止点位置。 化油器式汽油机设有机械的转速和真空提前装置来保 证上述要求。电控汽油喷射机型则直接靠点火提前角的 MAP图来加以精确控制。
单元六 柴油机燃料供给系
进油管接头
喷油器体
针阀
针阀体
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重庆电子工程职业学院
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构造：
• 针阀偶件（针阀及针阀 体）：高压油腔、承压锥 面、密封锥面、喷孔等。 • 调压装臵：调压弹簧、调 压螺钉护帽、顶杆等。
顶杆
调压螺钉
调压弹簧 回油管
• 喷油器体：进油管（带缝 隙式滤清器）、回油管接 头、定位销等。
回油口
出油口
盖 进油口
滤清器工作原理：
限压阀
使柴油通过滤纸，将杂质 过滤，同时，使流向改变， 利用惯性将水滴沉积下来。
壳体 滤芯
安装位臵：串联在输油泵和 喷油泵之间。
放油螺塞 中心杆
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常用柴油滤清器的种类：
单级柴油滤清器 双级柴油滤清器
单级柴油滤清器
油水分离 器
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供给系组成简图
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供给系油路
燃烧室
高压油路：喷油泵出口→喷油器 油压：10MPa以上，喷油泵建立 低压油路：油箱→喷油泵入口 油压：0.15～0.3Mpa，输油 泵建立 回油回路
喷油器 喷油泵 溢流阀 柴油滤清器 输油泵 油箱
柱塞套
柱塞
③柱塞头部斜槽的位臵不同，改变供油
量的方法也不同。
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柱塞偶件
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（2）喷油泵的泵油过程
进油过程：柱塞下行，当柱塞把 柱塞套上的进油孔打开后，柴 油经油孔进入泵油室。 供油过程：柱塞上行关闭进油孔 后，泵油室内的油压迅速升高， 推开出油阀，高压柴油经出油 阀进入高压油管。 回油过程：柱塞继续上行，当柱 塞上的斜槽与回油孔相通时， 高压油经回油孔流回低压油腔， 出油阀关闭，供油结束。
汽车发动机原理与汽车理论基本课件第六章
第一节 燃油喷射与雾化
一、喷油系统 1、作用及要求 作用： 定时定量并按一定规律向柴油机各缸供给高压燃油。
要求： 1) 产生足够高的喷油压力； 2) 实现所要求的喷油规律； 3) 对于确定的运转状况，精确控制喷油 量； 4) 避免出现异常喷射现象。
2、喷油系统的工作原理 1. 柱塞式喷油泵供油系统
图６-32 负荷对着火延迟期的影响
三、转速的影响 • 转速提高，压缩终了压力提高；雾化质量提高； 空气涡流增强，利于混合气的形成与燃烧。但转 速不宜过高（充气效率下降，循环供油量增加）， 使热效率下降、排气污染严重。
二、负荷的影响
当负荷增加时，循环供油量增加(空气量基本不变)，过量空气系数α减小，单位容积内混和 气燃烧放出的热量增加，引起缸内温度上升，缩短着火延迟期，使柴油机工作柔和。图６-３２为 负荷对着火延迟期的影响。但是，由于循环供油量加大，以及喷油延续角增加，使总的燃烧过程 加长，并且α减小，不完全燃烧现象也会增加，均引起效率降低。负荷过大，α值太小，因空气不 能满足需要，燃烧恶化，排气冒黑烟，柴油机经济性会进一步下降。
图5-14 温度与压力对着火落后期的影响
速燃期
（二）速燃期 速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线开始急剧上升(B 点)）到出现最高压力(C点). 特点：形成多个火焰中心，持续喷油，即随喷随燃。压力 急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）。
影响： 压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好； 压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工
（四） 补燃期
从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为补燃 期。
补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达 到循环总放热量的95％—99％时，可认为补燃期结束。 即整个燃烧过程结束。
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工质的做功能力： 燃烧期间工质质量m变化很小，故令
➢对工质的加热率：
dU md m uvd cT
dQ d dU d dW d
➢工质对活塞做功：
dW pdV
又pVmR, TRcp cv, kcp cv
➢燃烧后气缸压力变化率：
ddpkV1ddQkVpddV
dp/d (工质做功能力)，与燃烧规律和膨胀速率有关
度
/%
粒径分布
粒子直径/nm
高温：在预混合火焰温度2000~2400K范围内出现峰值； 在扩散火焰区缺氧
未氧化 PM。
T>2400K时：PM
实验结果
C原子不易凝聚；
已形成的碳烟氧化。
由
HC 向碳 烟的 转换 率
计算结果
急速加热到1700K以上时，聚乙炔及碳蒸 汽成为中间产物而生成碳烟
➢危害：致癌物；大气可见度
燃烧温度/K
火焰温度 Tf/K
当量比
气缸压力 p/MPa
➢PM生成特点：
4
8
3
6
2
4
1
2
0
0
1.5 15
1.0
10
0.5
5
碳烟生成过程早于NO的生 成
Tf
采样位置
2400 x
2200
p
x=29
z
y=0
2000
z=0
1800
Soot
燃烧初期生成 中期和后期氧化；
NOx PM排量 碳烟生成后被氧化80程0度
➢
凡是改善蒸发雾化条件均使 i
➢ 2、速燃期：压力脱离压缩线~最高压力点pz
➢ 在 i内形成的可燃混合气同时燃烧 预混合燃烧
➢ 特点：p、T ，pz 13MPa以上，影响NOx
➢
评价粗暴程度：平均压力升高率
➢ 影响因素： i内形成的可燃混合气量 i内喷入量
ppcc pbb0.4~0.5MP /a
3、缓燃期：最高压力点~最高温度点 喷射过程结束，边喷边燃烧 扩散燃烧阶段； 主要影响碳烟排放。
§6-2 燃烧过程
一、燃烧阶段的划分 由示功图分为四个阶段： 1、着火延迟期（ i） ：喷油开始~压力脱离压缩线； 混合气形成的物理过程： 喷雾 分散 蒸发 汽化 混合 化学过程：局部可燃混合气先期化学反应 自燃。
i ，dp/d ，粗暴，NOx
➢ 影响因素：燃料的十六烷值 ， i ；
➢
温度、压力 ， i ；
➢ 快速NO生成条件：浓混合气 燃烧火焰带内>化学平衡浓度的O、OH等活性中心为主的中间生成物、 燃料中的碳和氢生成的碳氢化合物，以及HCN、CN、NH等中间反应物参与反应的结果 。
➢ 热力NO是在火焰下游区产生；
➢ 快速NO是在火焰带前急速生成，对温度依赖性小，与混合气浓度直接相关，快速NO的生成速度比热 力NO快。
d d d
工质 吸热率
dU dW dQW
d d d
放热率
瞬时累计放热百分 比
累计放热率x： 从燃烧过程开始至任一时刻为止燃烧所放出的累积 热量与每循环燃料燃烧总热量之比。
影响因素：燃烧室结构，及其内部气流状态；
喷射方式——高压喷射，先导喷射等
xQ 1 B
2 dQ Bd
QB0 gbHu 1 d
600
CO CO2
400
200
NO/10-6
Soot 摩尔分数/% CO.CO2 摩尔分数/%
0
0
-20
TDC
20
40
曲轴转角/°CA
0 60
因此，组织好扩散燃烧，是控制碳烟的有效措施。 一般，加速碳烟氧化的措施，使NOx 。
➢PM控制的基本原理：由PM和NOx形成领域， ➢ 控制火焰领域内混合气的浓度和温度。
特点：p,气缸V 散热损失，排温； 热效率
尽可能减小补燃期
二、燃烧放热规律： 放热速率随时间（曲轴转角）变化规律； 组织燃烧过程的关键 影响性能、排放。 瞬时放热率：燃烧过程中任一时刻，单位时间内（每度曲轴转角）燃烧所放出的热量。
由能量守恒律和热一定律 ：
放热率 dQB dQ dQW 传热率
第六章柴油机混合气形成和燃烧
§6-1 柴油机能量转换特点
柴油机以，循环热效率。 混合气形成和燃烧特点： 混合气形成时间极短； 混合气空间时间分布极不均匀； 燃料喷射过程和燃烧过程同时存在。 质调节：输出功，喷油量 ；喷射期间，散热损失；反之极短时间内快速喷射燃烧粗暴; 发动机性能放热功率喷油规律混合气形成
微粒
燃料分子
空气分子 中间产物
不完全燃烧
微粒核
碳核的形成 凝集+表面生长
粒子状 微粒
生成锁状、结合 +表面生长
➢ 生成条件：高温缺氧；
➢ 缺氧：空燃比为5.25~5.65的比较浓的狭窄范围；
➢
接近火焰 高温缺氧；
➢
部分氧化和热分解
➢
生成各种低级不饱和烃类
➢
脱氢、聚合成碳核(2nm)
粒子 数相 对频
控制燃烧过程 放热规律的三要素：
燃烧始点 喷射时刻；
放热规律曲线形状 喷射规律；
燃烧持续时间 扩散速率
➢燃烧室内部气流特性，和燃料喷射方式的优化匹配是控制柴油机燃烧放热规律的主要手段。
三、柴油机的有害排放物和振动噪声 CO和HC的生成机理与汽油机相同，但 a>1，缝隙激冷效应小，故其排放小。 柴油机有害排放物：NOx, PM, 且二者矛盾。 CO2 1) NOx的生成机理: 根据燃料及其混合气形成方式分为： 热力NO(Themal NO)和快速NO（Prompt NO） 热力NO产生条件：高温、富氧、滞留时间 汽油机
➢ 危害：1）与HC一起产生光化学烟雾——植物枯死
➢
2）破坏地球大气层（O3层）
2）碳烟的生成机理
1．碳烟的生成过程
碳烟：可溶性有机成分（SOF）和不可溶成分；
由燃烧时生成的含碳粒子
及其表面上吸附的多种有
机物组成。
生成过程：
高温环境下 热分解形成
低级碳氢化合物 没有与空气
分子
再接触的部分最终变成微粒。
➢具体措施： ➢ 促进碳烟的氧化过程 组织燃烧室内的气流运动， 促进紊流混合； ➢促进喷雾的量比 局部过量空气系数
PCCI 燃烧域
传统燃烧域 NOx 生成领域
温度 /K
图 7-5 柴油机 NOx 和微粒生成领域
四、柴油机排放控制策略 抑制与混合燃烧过程 NOx，促进扩散燃烧 PM
特点：空气量减少，燃烧产物 ，活塞 ，燃烧缓慢 不均匀混合气的燃烧 空燃比偏大，才有可能 完全燃烧 空气利用率低 ，PL，比重量<汽油机。
影响因素：混合气形成速度 燃料与空气的扩散速度 燃烧室内气流特性及强度 燃烧室。
4、补燃期：Tmax~基本燃烧完 释放总放热量的95%~99%时，补燃期结束。 燃烧时间短促，混合气不均匀； 膨胀中燃烧后燃； 高速大负荷时严重。