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有效功率:
从发动机功率输出轴上得到的净功率,用Pe表示
Pe=Pi(指示功率)-Pm(机械损失功率)(kW)
机械损失功率:
这些损失的总和所消耗的功率,用Pm表示。
发动机的有效功率Pe,可利用测功器和转速计进行测量计算而定。
有效转矩:
发动机工作时,由功率输出轴输出的转矩,用Te表示。
Te与有效功率Pe的关系为
Te——有效转矩(N·
m);
n——发动机转速(r/min)
有效燃油消耗率:
指单位有效功的耗油量,也就是发动机每有效千瓦小时的耗油量,用ge表示,单位(g/kW·
h)
当实验测得发动机的有效功率为Pe(kW)及每小时耗油量为mh(kg/h)时,有效油耗率ge为:
升功率:
发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功率,用PL表示
可以看出:
提高PL的措施是提高pe和n。
PL可用来评价发动机的承载能力、热负荷和机械负荷的应力水平以及发动机工作容积(排量)的利用程度,进一步提高升功率是发动机发展方向的研究课题之一。
PL的大致范围是:
汽油机 20~50(kW/L)
柴油机 18~30(kW/L)
10发动机机械损失功率的组成部分?
机械损失的组成:
Ø
机械摩擦损失:
发动机内部运动件的机械摩擦、搅油及空气动力损失。
辅助设备(附件)驱动功率的消耗
泵气损失
11影响机械效率的主要因素有哪些?
1.转速(活塞平均速度)的影响
2.负荷的影响
3.润滑油温和冷却水温的影响
4.气缸尺寸及数目的影响
5.加工工艺水平的影响
12发动机压缩比范围?
汽油机6-10
柴油机14-22
增压柴油机12-15
发动机的换气过程
13换气过程
•发动机的换气过程包含排气过程和进气过程。
•换气过程的任务是:
将气缸内上一循环的废气排除干净,为下一循环充入尽可能多的新鲜工质,保证发动机动力周而复始地输出
•研究换气过程,目的在于了解换气过程的工作状态,分析影响充气量的各种因素,从中寻求减少换气损失和提高充气量的措施
四行程发动机的换气过程始于排气门开启,止于进气门关闭
•根据气体流动特点,一般将此过程分成四个阶段:
自由换气、强制换气、进气和燃烧室扫气
14四行程发动机换气过程的阶段划分
15充气效率
充气效率ηv:
是实际进入气缸的新鲜工质质量m与进气状态下整个气缸容积充满了新鲜工质的质量m0之比值
根据理想气体状态方程可得:
16提高充气效率的措施有哪些?
一减少进气门处的流动损失
二减小整个进气管道对气流的阻力
三减少对新鲜工质的热传导
四减小排气系统对气流的阻力
五合理选择配气定时
提高充气效率的措施
1 减小进气系统的阻力
1.进气门部分
(1)增大气门直径
(2)增加气门数量
(3)增加气门升程
(4)改善气门处流动阻力
2.进气管道部分
(1)尽量增加管道的截面积;
(2)降低管道内壁的粗糙度;
(3)采用圆形管道;
(4)避免急弯,拐弯处圆弧过渡;
(5)避免截面积急剧变化,利用圆弧过渡;
(6)利用气道形成扫气涡流
3.空气滤清器部分
(1)加大气流通过截面;
(2)采用高效低阻的滤芯结构和材料;
(3)及时清洁和更换滤芯。
4.节气门体部分
该部分除了降低节气门体和节气门的气流阻力外,还要注意对空气流量计的选择。
如热丝式、热膜式流量计的流动阻力相对就小些
2合理选择配气定时
1.可变凸轮轴相位
让整根凸轮轴相对于正时皮带轮旋转一个角度,从而改变开启提前角和关闭延迟角
2.可变配气相位及气门升程
由2个以上的凸轮控制一个气门,因此气门的开闭角度、开闭的快慢、气门升程均可调节,能明显提高充气效率
如丰田的VVT-i,本田的VTEC,现代的CVVT发动机都具有该功能
3利用动态效应
•采用了可变进气道结构(可变进气歧管长度控制)。
4提高压缩比
17配气相位
18i-VTEC与VVT-i
燃料与燃烧
19过量空气系数和空燃比
过量空气系数:
燃烧1kg燃料实际提供的空气量L与理论上所需的空气量L0之比,称为过量空气系数α
空燃比:
与α理念相似,也有将燃烧时空气量与燃料的比例值是用空燃比A/F表示。
20汽油(挥发性、抗爆性-辛烷值)和柴油(低
温流动性、自燃性-十六烷值)的基本特性?
挥发性:
汽油的挥发性常用蒸馏曲线相对地评定。
在汽油规格中,以10%,50%,90%等馏分的馏出温度作为汽油挥发性的主要指标
10%蒸发温度标志燃油的起动性,10%蒸发温度低,则起动性好
50%馏出温度标志汽油的平均挥发性,发动机起动后,其温度逐步上升到正常运转温度的时间称为暖车时间
90%的馏出温度标志着燃料中含有难于挥发的重质成分的数量,此温度越低,表明燃料中重质成分少,挥发性好,有利于完全燃烧
•汽油机的最低起动温度、气阻和蒸发损耗等方面的相对性能可根据10%馏出温度来预测;
•平均挥发性、暖车时间、加速性以及工作稳定性可根据汽油的50%馏出温度评估;
•燃料中重质成分的数量、燃烧冒烟、对机油的稀释程度可根据90%的馏出温度来评估。
抗爆性:
燃料的抗爆性是指燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力。
燃料抗爆性好,有利于提高发动机的压缩比,改善发动机的经济性
评定汽油的抗爆性指标是辛烷值。
辛烷值高,则抗爆震能力强柴油机
低温流动性
•温度降低时,柴油开始析出固态石蜡而呈混浊状态的温度称为浊点。
•温度继续下降,柴油失去流动性能的温度称为凝点。
•柴油达到浊点时,虽然仍具有流动性,但石蜡结晶颗粒容易阻塞滤清器和油路。
从流动性考虑,希望柴油的凝点低,凝点与浊点的温差小。
自燃性
柴油机是依靠燃料自燃发火而燃烧的。
它要求燃料有好的自燃性。
一般十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。
它与发动机的粗暴及起动性均有密切关系
十六烷值高的柴油,其着火延迟期短,气缸中形成的混合气少,燃烧所释放的热量也少,发动机工作平稳;
同时冷起动性亦能随之改善。
反之,发动机将工作粗暴,起动性能也变差
在选用柴油时不应单纯地追求高十六烷值,通常要求柴油的十六烷值应在45~60之间
21汽油和柴油的选用?
•在选用时,根据发动机的压缩比来选择其相应使用的汽油:
90号的汽油适用于压缩比小于9.0的发动机;
93号汽油适用于压缩比9.0~10.0的发动机;
97号汽油则适用于压缩比高于10.0发动机。
选用柴油时,应按凝点不同分,按最低环境温度来选用。
10号轻柴油——适合于有预热设备的高速柴油机上使用;
0号轻柴油——适合于最低气温在4℃以上的地区使用;
-10号轻柴油——适合于最低气温在-5℃以上的地区使用;
-20号轻柴油——适合于最低气温在-14℃以上的地区使用;
-35号轻柴油——适合于最低气温在-29℃以上的地区使用;
-50号轻柴油——适合于最低气温在-44℃以上的地区使用
柴油机混合气的形成和燃烧
22柴油机和汽油机相比,混合气形成有哪些特点?
23柴油机的两种混合气形成方式及各自特点
空间雾化混合气的优点是混合气形成速度快,燃烧过程比较稳定,对转速范围的适应性强。
其缺点是燃料在着火以前形成的混合气量较多,使燃烧过程较为粗暴,并生成较多的NOX
油膜蒸发混合方式比空间雾化混合方式所得到的混合气更均匀
•其缺点是油膜蒸发的速度受壁温、油膜厚度和气流运动的影响很大,燃烧不及空间雾化稳定。
当燃烧室壁温较低时,混合气形成慢,冷起动困难,怠速及小负荷时HC排放高。
•这种方式形成的混合气比例越高,燃烧越柔和,排气中NOX含量也越低。
空间雾化混合
油膜蒸发混合
绝大部分燃料以较高的压力被喷射到燃烧室空间中,散布于空气中
利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到燃烧室壁面上
燃料在空气中呈细小油粒状
燃料在壁面上形成油膜
细小油滴以液相与空气混合,形成不均匀混合气(液相混合)
油膜蒸发,燃油蒸气与空气混合,形成相对均匀的混合气(气相混合)
大量细小油滴受热汽化,在着火延迟期内形成的可燃混合气数量较多,多点大面积同时着火
散布在空间的少量燃油,在着火延迟期内形成少量可燃混合气,着火面积小
初期燃烧的放热速率很高,以后逐渐减慢
受油膜蒸发速率的影响,燃烧放热速率呈前低后高的规律
24柴油机常见燃烧室类型及主要性能比较?
•直喷式燃烧室:
(l)开式燃烧室
(2)半开式燃烧室
•分隔式燃烧室
(1)涡流室燃烧室
(2)预燃室燃烧室
对比项目
直喷式燃烧室
分隔式燃烧室
开式燃烧室
半开式燃烧室
涡流室燃烧室
预燃室燃烧室
主
要
性
能
特
点
pme/MPa
高
较高
较低
低
be/g/kW·
h
190~
210~240
235~275
245~290
NOX
PM
HC
燃烧噪声
最高
起动
容易
较容易
难
最难
适应转速/r/min
≤1500
≤4000
≤5000
≤3500
适应缸径/mm
≥200
≤150
≤100
(或160~200)
25柴油机的燃烧过程可以分哪几个阶段?
滞燃期(着火延迟期)速燃期缓燃期补燃期
27柴油机异常喷射现象有哪几种?
二次喷射滴油现象断续喷射不规则喷射和隔次喷射气穴与穴蚀
汽油机混合气的形成和燃烧
28汽油机中的动力性、经济性和排放物CO、HC、NOX随过量空气系数的变化关系如何?
29反馈控制的概念P116
30爆震
•爆震(燃烧):
特征是气缸内发出清脆的金属敲击声,亦称之敲缸。
•爆震产生的原因是;
在正常火焰传播的过程中,处在最后燃烧位置上的那部分末端混合气受到压缩和接受辐射热能,加速了先期反应而自燃。
这部分自燃混合气的燃烧速度极快,火焰速度可达300m/s,甚至1000m/s以上,使局部压力、温度增高,并伴随有冲击波
汽油机不允许在严重爆震燃烧的情况下工作
影响爆震的因素
•燃料性质:
辛烷值高的燃料抗爆震能力强。
•末端混合气的压力和温度:
末端混合气的压力和温度增高,则爆震倾向增大。
例如,提高压缩比,则气缸内压力、温度升高,容易发生爆震。
•火焰前锋传播到末端混合气的时间:
提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离,都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间,这有利于避免爆震。
31过量空气系数α对汽油机燃烧的进行有何影响?
最大功
率混合气与经济混合气的α值为多少?
为什么?
•改变过量空气系数α值时,火焰传播速度发生变化,影响燃烧过程。
(1)功率混合气:
当α=0.85~0.95时,火焰传播速度最快,这种浓度的混合气将使发动机发出最大功率,故称为功率混合气。
但爆震倾向加大。
此时有效耗油率较高。
(2)经济混合气:
当α=1.05~1.15时,火焰传播速度仍较高,混合气中的氧气足够使燃料完全燃烧,此时发动机的热效率最高,有效耗油率最低,故称经济混合气。
汽车行驶的大部分时间是汽油机处于中等负荷下工作,这时使用经济混合气可提高其燃料经济性。
(3)过浓、过稀混合气
•当汽油机混合气过浓时,由于空气不足,燃料燃烧不完全,将引起排气管冒黑烟,严重时将使未燃的油分子一遇到空气中的氧分子就急骤燃烧起来,造成排气管放炮。
此时,一氧化碳CO、碳氢化合物HC排放增加,氮氧化合物NOX排放较少;
•若混合气过稀,则由于火焰传播速度缓慢,易使燃烧不稳定,补燃量增加,燃烧过程延续到排气冲程终了,这时HC、CO排放量减少,但NOX排放量增加。
32电控汽油喷射系统中空气流量的检测方法有哪几种?
一类是直接测量方式,它直接通过空气流量传感器测量空气量,又可以分为质量流量检测方式和体积流量检测方式。
另一类是间接测量方式
33汽油机的燃烧过程阶段划分?
1滞燃期(着火延迟期)2急燃期(明显燃烧期)3补燃期(后然期)
34常用燃烧室形状有哪几种?
•浴盆形燃烧室
•楔形燃烧室
•半球形燃烧室
•多球形燃烧室
•L形燃烧室
发动机特性
35汽油机和柴油机的负荷调节方法有何区别?
36发动机的负荷特性曲线变化趋势分析及原因
37如何利用负荷特性求任意工况的ge?
38汽油机的速度特性曲线变化趋势分析及原因
39发动机的外特性?
汽油机的外特性是在节气门全开时测得的,曲线上每一点表示它在此转速下的最大功率及转矩,所以代表发动机最高动力性能,所有发动机都需要做外特性曲线
车用汽油机外特性
转矩Te曲线
•Te=k2(ηv/α)ηmηi
•在节气门开度一定时,α值基本不随转速而变化,汽油机Te大小主要决定于ηvηmηi随n的变化。
•ηv是在某一中间转速时最大,这时因为在此转速下能最好地利用惯性进气,当转速低于或高于此转速时。
ηv都将降低
•ηi的变化是在某一中间转速略为凸起。
在较低转速下,因缸内气流扰动减弱,火焰传播速度减低,散热及漏气损失增加,使ηi降低;
转速高时,燃烧所占的曲轴转角大,燃烧效率低,也使ηi降低。
不过它的变化比较平坦,对Te影响较小。
•转速增加,消耗于机械损失的功增加,因此ηm随转速上升而下降。
•综合而言,当转速由低速开始上升时,由于ηv、ηi上升,Te有所增加,对应于某一转速时,Te达最大值。
转速继续提高,由于ηv、ηm同时下降,因此Te随转速升高而较快地下降,即Te曲线变化变陡
功率Pe曲线
•当转速从很低值增加时,由于Te和转速同时增加,P=Ten/9550迅速上升;
•直至转矩达到最高点后,再继续提高转速,则Pe上升逐渐缓慢;
•至某一转速Ten达到最大值时,Pe亦不能再增加;
•若转速再上升,由于Te的降低已超过了转速上升的影响,所以功率Pe反而下降。
有效燃油消耗ge曲线
•综合ηi、ηm的变化,ge在某一中间转速时最低;
当转速高于此转速时,则因ηi、ηm同时下降而ge上升。
当转速低于此转速,因ηi上升弥补了ηm的下降,ge亦增加。
•由于进气管动态效应影响到ηv随n的变化规律,因而Te、ge等随n变化的曲线也常呈某些波动现象。
40柴油机装调速器的必要性?
(1)由柴油机的速度特性已知,其有效转矩曲线随转速变化平缓。
因此,柴油机外界阻力矩的少量变化,就会引起柴油机转速的较大变化。
又由喷油泵速度特性,转速升高,循环供油量增加。
(2)发动机在标定转速附近运转时,如果忽然卸去负荷会造成转速大幅上升,循环供油量也迅速增加,发动机转速进一步快速上升,甚至超过允许限度而出现飞车事故。
因此,柴油机上必须有防止超速的装置。
(3)汽车发动机在怠速工况运转时,若发动机负载突然增加,怠速将会下降,循环供油量也下降,转速进一步下降,最终导致怠速运转不稳定,甚至熄火。
因此柴油机必须有保证怠速稳定的装置
41发动机的万有特性?
为了能在一张图上较为全面地表示发动机性能,经常应用多参数的特性曲线称为万有特性
汽油机与柴油机万有特性的比较
•最低油耗偏高,经济区偏小;
等燃油消耗线在低速区向大负荷收敛,说明汽油机低速、低负荷工作时,燃油消耗率较高;
•等功率曲线随转速升高而斜穿等燃油消耗线,故当Pe一定时,转速愈高愈费油;
汽油机(n一定)的△ge/△Te或△ge/△Pme比柴油机大,说明变工况工作时平均油耗偏高。
•柴油机万有特性与汽油机相比:
最低燃油消耗偏低,经济区较宽;
等耗油率线在高低速均不收敛,变化比较平坦;
等功率线向高速延
•伸时,耗油率变化不大。
CA6102汽油机万有特性 EQD6102—1型柴油机
万有特性
万有特性的应用
•可以方便地查到内燃机在任何点(Te,n)工作时的Pe、ge、Pme以及发动机最经济负荷和转速。
•等燃油消耗率曲线的形状及分布情况,对内燃机使用经济性有很大影响。
等燃油消耗率曲线内层为最经济区,曲线愈向外,经济性愈差。
如果等燃油消耗率曲线横向较长,表示内燃机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下油耗较小。
如果等燃油消耗率曲线纵向较长,则发动机负荷变化较大而转速变化较小情况下的燃油消耗较小。
对于常用于中等负荷、中等转速工况的车用内燃机,希望其最经济区处于万有特性中部,等燃油消耗率曲线横向较长。
对于转速变化范围较小而负荷变化范围较大的工程机械用内燃机,希望最经济区在标定转速附近,等燃油消耗率曲线纵向较长些。
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