长安大学 内燃机原理电子教案长安大学

发动机原理
绪论
发动机的能量转换：燃料的化学能→热能→机械能
机械能、电能等－高级能源；热能－低级能源
《发动机原理》课研究：热能→机械能（转换效率：理论上小于100%）。

机械能→热能（转换效率：理论上可达100%）。

发动机：内燃机和外燃机
车用发动机：间歇工作式发动机
四个冲程中只有一个冲程做功，做功不连续。

燃气轮机：连续工作式发动机
一分类
（一）种类
1 往复活塞式（普遍）
2 转子式—汪克尔式（The Wankel Engine）
早在19世纪，就有人设想过，但泄漏问题是这种发动机发展的致命弱点。

它结构紧凑，运转平稳，是高速车用发动机的发展方向之一。

1956 年德国工程师汪克尔制造出样机。

目前日本已用于小轿车上，时速200 km/h 左右。

但光泄漏损失就要占30%以上。

目前我国苏杭等地已经生产出了样机。

与往复式比较应特别注意的一点是，往复式活塞在上下止点都稍有短暂的停留，与一般认为的观点相反，运动方向的这些改变并不影响它的效率；也就是说，在这个过程中，并没有什么固有的损失。

旋转式比往复式的优越之处主要是几何形状上的紧凑性及由此而引起的一些优越之处，并非直接在气体动力学和热力学方面有何优越之处。

3 摆动活塞式（Rocking Piston Engine）
1979年日内瓦发动机展览会上，展出了瑞士索罗图恩的萨尔茨曼（W. Salemann ）设计部门的摆动活塞式发动机。

4 斯特林（The Stirling Engine）
1816年由罗伯特-斯特林设想在气缸外部燃烧的一种热力发动机（外燃机），是现代发动机引人注目的一种。

5 自由活塞式（Free Piston Engine）
只相当于涡轮发动机的燃气发生器。

（二）往复活塞式发动机的分类
我们这门课主要研究目前汽车上广泛应用的往复式活塞发动机。

1 按用途分类
（1）灌溉（抽水）用：点工况。

（2）电站用：n = const.，线工况，固定式柴油机或机组。

（3）船舶用：Ne = k n3（螺旋桨曲线），线工况，大型、低速柴油机。

（4）汽车、拖拉机用：变工况-面工况，中小型、高速柴油机。

（5）内燃机车：大型高速柴油机组。

（6）工程机械（矿山机械、建筑、石油钻探）：多变型。

（7）坦克：V型、多缸机。

（8）飞机：星型（径向式），已基本不用。

2 按燃油种类分类
汽油机、柴油机。

3 按点火方式分类
自行着火（压燃式）、外源点火（点燃式）。

4 按工作循环分类
四冲程、二冲程。

5 按冷却方式分类
水冷、风冷。

6 按气缸排列分类
直列式、卧式、V型、星型（径向式）。

7 按气缸数目分类
单缸机、多缸机（2、3、4、5、6、8、10、12、14、16缸…）。

8 按转速分类
（1）低速：n < 500 [r/min]。

（2）中速：500 r/min < n < 1500 [r/min]。

（3）高速：n > 1500 [r/min]。

但没有明确的界限。

9 按增压分类
增压、非增压
10 按能源分类（代用燃料）
压缩天然气、液化天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、二甲醚、氢气、植物油、电瓶、太阳能。

二优缺点
（一）优点
1 有效热效率高
蒸汽机11～16%，蒸汽轮机30%，汽油机30%，柴油机40%，增压柴油机46%以上。

2 功率范围广
Ne = 0.6～35000 [kW]。

3 比重量小，升功率大（体积小、重量轻）
比重量：柴油机3.7 [kg/kW]，车用汽油机1.37 [kg/kW]。

4 起动性好
可很快达到全负荷。

（二）缺点
1 对燃料要求高：石油紧张，汽油、柴油价格高，要求一定的标号。

2 噪声、排污。

3 结构较复杂。

三现代发动机的发展
60年代以前：动力性，可靠性，耐久性。

70～80年代：经济性，动力性。

90 年代口号：清洁，经济，安全。

1 相关学科日益增多，学科之间相互渗透。

2 标准化，系列化，通用化（三化）。

3 新材料，新工艺，新产品。

4 使用计算机设计、计算零部件及其配合，精密、准确、优化。

5 设计、零部件生产商：分散→集中→分散。

由分散的小公司到集中的大型脱拉斯，如今又分散到小公司，其主要原因是优化产品，节省开支，降低成本。

甚至象丰田、宝马这样的超级企业有时也需合作开发新产品。

6 电控应用日益增多，混合气制备更加完善。

7 检测设备与手段先进。

8 低排放的代用燃料发动机正在普及，零排放的正在开发并进入实用。

四本课程的研究对象和任务
（一）对象
本课程以性能指标作为研究对象。

深入到工作过程的各个阶段，分析影响性能指标的各种因素，找出规律，研究提高性能指标的措施与途径。

（二）性能指标
1 动力性指标：功率、扭矩、转速。

2 经济性指标：燃料和润滑油的消耗量及消耗率。

3 运转性指标：冷起动性、噪声和排气品质。

衡量发动机的质量，还要考虑可靠性，耐久性，加工容易，操纵维修方便，
成本核算等，全面综合评定。

（三）工作过程
发动机冲程（四个）：吸气→压缩→做功→排气。

热力过程（五个）：吸气→压缩→燃烧→膨胀→排气。

燃烧→膨胀：能量转换过程。

（四）任务
研究热力过程，热力循环，整机性能。

明确基本概念，基本技能。

培养综合分析问题的能力。

（五）单位制
我国的法定计量单位。

第一章 发动机工作循环及性能指标
§1-1 发动机理想循环概述
一 实际循环向理想循环的简化
（一）实际循环（以车用柴油机为例）
如图所示为车用柴油机的实际工作循环，它由5个过程组成。

其中：0p 为环境大气压力。

1 进气过程0-1：00p p p p <→>。

2 压缩过程1-2：p ↑，T ↑。

初期：工质吸热；后期：工质放热。

3 燃烧过程2-3-4：p ↑↑，T ↑↑。

4 膨胀过程4-5：p ↓，T ↓。

初期：工质放热；后期：工质吸热。

5 排气过程5-0：0p p >。

（二）实际循环的简化
1 忽略进、排气过程。

2 压缩、膨胀过程（复杂的多变过程）简化为可逆绝热（定熵）过程。

3 燃烧过程简化为定容加热过程（2-3）和定压加热过程（3-4）。

4 排气放热简化为定容放热过程。

5 假定工质为定比热容的理想气体。

二 理想循环及其分析比较
（一）混合加热循环 — 车用柴油机的理想循环
1 循环特征参数 （1）压缩比
ε=v v 12
（2）压力升高比
λ=p p 32
（3）预胀比
ρ=v v 43
2 热效率
ηt v
v p
w q q q q q q ==-=-
+012121111 计算得：
ηε
λρλλρt k k k =-⋅--+--11
1111()()
3 分析
（1）ε为定值
λ↑ → ηt ↑；ρ↑ → ηt ↓。

ρ = 1 → ηt = const .（汽油机，定容加热循环）。

（2）ε↑ → ηt ↑；当 ε = 20 左右时，ε↑ → ηt ↑ 不大。

柴油机 ε = 12～22。

提高压缩比ε，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，所以可以提高发动机的热效率ηt 。

ηt ↑→e N ↑，e g ↓。

（二）定容加热循环（奥托Otto 循环）—
汽油机的理想循环
1 热效率
因为：预胀比 ρ==v v 4
3
1，
所以：热效率 11
1--=k t ε
η。

2 分析
ρ = 1 → ηt = const.。

ε↑→ηt ↑；当 ε = 10 左右时，ε↑→ηt ↑不大。

且汽油机容易爆燃，因此，汽油机 ε = 6～12。

（三）定压加热循环（笛塞尔Diesel 循环）— 船舶用柴油机的理想循环
1 热效率
因为：压力升高比λ==
p
p
3
2
1，
所以：热效率
)1
(
1
1
1
1-
-
-
=
-ρ
ρ
ε
η
k
k
k
t。

2 分析
（1）ε为定值ρ↑→ηt↓。

（2）ρ为定值ε↑→ηt↑。

（四）三种理想循环热效率的比较
1 初态1相同，压缩比ε相同，加热量q1相同
ηηη
t v t m t p
,,,
>>
2 初态1相同，最高压力p max、最高温度T max相同，放热量q2相同
ηηη
t v t m t p
,,,
<<
§1-2 发动机实际循环
发动机理想循环加上各项损失后，即可分析发动机的实际循环。

一工质改变损失
（一）工质性质
理论上：理想气体，双原子气体。

实际上：燃烧前：燃料+空气；
燃烧后：燃烧产物。

（二）比热容
理论上：定比热容。

实际上：温度T↑→比热容C↑。

（三）高温分解
例：
C + O → CO +热量[+ O]→ CO2+ 热量
式中：CO 为中间产物，CO2为最终产物。

若遇高温，则会发生复分解反应，即高温分解：
CO2→ CO + O - 热量
这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。

二传热、流动损失
（一）传热损失
理论上：压缩、膨胀过程为绝热过程。

实际上：大量热量通过气缸壁传给冷却水或空气。

传热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的30%以上。

因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。

（二）流动损失
理论上：闭口系统，没有气体流动损失。

实际上：进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、燃烧涡流损失。

三换气损失
理论上：忽略进、排气过程。

实际上：进、排气门提前开启，迟后关闭。

而且有流动阻力。

换气损失中逆向循环所包围的面积为泵气损失。

泵气损失包含在换气损失 之中。

四 时间损失
理论上：定容加热瞬间完成，定压加热速度与活塞运行速度密切配合。

实际上：燃烧需要时间。

五 补燃损失
理论上：加热瞬间停止，膨胀过程无加热。

实际上：虽然大部分（80%以上）燃料在燃烧过程中燃烧掉，但仍有小部分燃 料会拖到膨胀线上才燃烧，做功效果变差，热效率下降。

六 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。

§1-3 热平衡
总热量： Q T = G T h u 分别转化为
一 有效功的热量 Q E
e E N Q 3106.3⨯= [kJ/h]（ 1 [kW/h] = 36
103.⨯ [kJ]） 只有这部分热量做了功，是有用的，所以希望越大越好。

一般，柴油机：
30～40% ；汽油机：20～30%。

令
q Q Q e e
T
=
二 传递给冷却介质的热量 Q S
T
S
s S S S Q Q q t t c G Q =-=)
(12 式中：G s 为发动机冷却介质的每小时流量 [ kg/h ]，c s 为冷却介质比热容 [ kJ/kg ·℃ ]，t 1、t 2为冷却介质的进、出口温度 [℃]。

三 废气带走的热量Q R
Q G G c t c t q Q Q R r k pr p r R
E
=+-=()()
21 式中：G r 为燃料量 [ kg/h ]，G k 为空气量 [ kg/h ]，c pr 为废气比热容 [ kJ/kg ·℃ ]， c p 为空气比热容 [ kJ/kg ·℃ ]，t 1、t 2为进、排气温度 [℃]。

四 燃料不完全燃烧的热损失Q B
Q Q q
Q
Q
B T r b
B
T
=-=
()
1η
式中：ηr为燃料效率。

五其它热量损失Q L
Q Q Q Q Q Q q q q q q q L T E S R B l t e s r b
=-+++=-+++
()()
发动机热平衡方程式：
q q q q q
e s r b l
++++=1
§1-4 指示指标
p-V图p-φ图
发动机性能指标：指示指标，有效指标。

指示指标：以工质在气缸内对活塞做功为基础，评价工作循环的质量。

有效指标：以曲轴上得到的净功率为基础，评价整机性能。

示功图：发动机缸内压力p随气缸容积V（p-V图）或曲轴转角φ（p-φ图）变化的图示。

一指示功和平均指示压力
（一）指示功W i
一个循环工质对活塞所做的有用功。

应该：非增压：21F F F i -=；增压：21F F F i +=。

因为：F 2不容易测量，实际将F 2归到机械损失中考虑。

所以：F F i =1。

b a F W i i ⋅⋅=
式中：a b ,为横、纵座标比例尺。

指示功大，说明：①气缸工作容积大；②热功转换有效程度大。

为突出后者，比较不同大小发动机的热功转换有效程度，引入平均有效压力的概念。

（二）平均指示压力p i
单位气缸工作容积所做的指示功。

它是一个假想的动力性参数：
p W V i i h
=
式中：h V 为每缸工作容积。

981~686,=柴i p [kPa]，1180~784,=汽
i p [kPa]。

二 指示功率N i
单位时间所做的指示功。

若：缸数i ，每缸工作容积V h [m 3]，冲程数τ，平均指示压力p i [Pa]，转速n [r/min]（[rpm]）。

则：
N W i n p V i n
i i i h =⋅⋅⋅=
60230ττ [W] =⨯-p V i n
i h 30103τ
[kW]
若：每缸工作容积V h [L]，平均指示压力 p i [bar]。

则：
N p V i n
i i h =
300τ
[kW] 三 指示比油耗和指示热效率 （一）指示比油耗g i
单位指示功率的耗油量。

g G N i T i
=⨯103 [g/kW ·h]
式中：G T 为每小时耗油量 [ kg/h ]。

（二）指示热效率ηi
ηi i
i
W Q =
式中：Q i 为做W i 指示功所消耗的热量。

ηi i u
g h =⨯36106
.
式中：h u 为燃料的低热值。

50.0~43.0,=柴i η，200~170,=柴i g [g/kW ·h]。

40.0~25.0,=汽i η，340~230,=汽i g [g/kw ·h]。

§1-5 有效指标
一 有效功率和机械损失功率 （一）有效功率N e
单位时间所做的有效功。

N p V i n e e h =⨯-30103τ
[kW]
式中：p e 为平均有效压力。

（二）机械损失功率N m
发动机内部损耗的功率。

机械损失包括：发动机内部摩擦损失；驱动附件损耗，如：机油泵、燃油泵、扫气泵、冷却水泵、风扇、配气机构；和泵气损失等。

N p V i n m m h =⨯-30103τ
[kW]
N N N e i m =-
式中：p m 为平均机械损失压力。

二 有效扭矩M e
功率输出轴输出的扭矩。

602n
M N e e π= [W]
3
10602⨯=n
M e π [kW] ≈M n
e 9550
[kW]
三 平均有效压力p e
单位气缸工作容积所做的有效功。

由于：
N p V i n e e h =⨯-30103τ [kW]
N p V i n i i h =⨯-30103τ
[kW]
所以：
p p N N e i e
i =
p p p e i m =-
p M V i e e h =314.
τ
[kPa] p M e e ∝
883~588,=柴
e p [kPa]，981~588,=汽e p [kPa]。

四 升功率和比重量 （一）升功率N l
单位气缸工作容积所发出的功率。

N N iV l e
h
=
=⨯-p n
e 30103τ
[kW/L]
（二）比重量G e
发动机净重量G 与所发出有效功率N e 的比值。

G G
N e e
= [kg/kW] N l ↑，G e ↓ → 发动机强化程度高。

26~11,=车柴l N [kW/L]，9~4,=车柴e G [kg/kW]。

15~9,=拖柴l N [kW/L]， 16~5.5,=拖柴e G [kg/kW]。

55~22,=汽l N [kW/L]， 4~35.1,=汽e G [kg/kw]。

可见，汽油机的强化程度要比柴油机的高。

五 有效比油耗和有效热效率 （一）有效比油耗g e
单位有效功率的耗油量。

g G N e T
e
=⨯103 [g/kW ·h]
式中：G T 为每小时耗油量 [ kg/h ]。

（二）有效热效率ηe
ηe e
e
W Q = 式中：Q e 为做W e 有效功所消耗的热量。

ηe e u
g h =⨯36106
.
40.0~30.0,=柴e η，285~218,=柴e g [g/kW ·h]。

30.0~20.0,=汽e η，380~285,=汽
e g [g/kW ·h]。

由此可见，柴油机的热效率比汽油机的高，经济性比汽油机好。

§1-6 机械损失
一 机械效率ηm
对于不同类型的发动机，绝对损失大的，其相对损失却不一定也大。

必须有一个衡量标准，故引进机械效率的概念。

有效功率与指示功率的比值。

ηm e i e i m i m
i
N N p p N N p p ===-=-
11 N N e i m ⇒→↑η 性能好，所以应尽量提高ηm 。

85.0~7.0,=柴m η，9.0~7.0,=汽m η。

二 机械损失的测定
（一）倒拖法 — 只能在电力测功机上试验
在压缩比不很高的汽油机上得到广泛应用。

发动机与电力测功机相连。

起动发动机，冷却水温度、机油温度达正常值。

然后使发动机在给定工况下稳定运转。

切断发动机的供油（N p i i ==00,）。

将电力测功机转换为电动机使用，在给定转速下倒拖发动机，并维持冷却水温度和机油温度不变。

由于此时N N m e =-，因此从电力测功机上所测得的倒拖功率N e 即为发动机在该工况下的机械损失功率N m 。

（二）灭缸法 — 仅适用于多缸机
当发动机调整到以给定工况稳定运转后，先测出整个发动机的有效功率N e 。

之后，在柴油机油门拉杆或齿条位置、或汽油机节气门开度固定不动的情况下，停止向某一气缸供油或点火。

调整测功机，使发动机恢复到原来的转速，重新测定有效功率N e ,1（其余五个气缸的有效功率），N e ,1必然小于N e （一缸熄火），两者之差即为灭掉缸的指示功率N N N i e e ,,11=-。

因为
N N N N N N N N N i i i x e m e m e e ,,,,,()()11111=-=+-+=--。

逐次灭缸，则
整台发动机的指示功率为N N N i i x
e e i x =∑-=1(),，其中x 为总缸数。

如果各缸负荷均匀，则仅测一个缸，即灭火一次即可，N x N N i e e =-(),1。

这样，整个发动机的机械损失功率为N N N m i e =-，机械效率为ηm e i N N =/。

其它还有示功图法，油耗线法等。

三 影响机械效率的因素 (一) 转速
其中：c m 为活塞平均运行速度。

p m 与c m 几乎呈直线关系；ηm 与n 似呈二次方关系。

n ↑→惯性力↑→活塞对缸壁的侧压力↑→轴承负荷↑；
→各摩擦副相对速度↑ → 摩擦损失↑； →泵气损失↑，驱动附件损耗↑。

→p m ↑→ηm ↓。

若要提高转速来强化发动机，则ηm 将成为主要障碍之一。

（二）负荷
发动机的负荷 — 柴油机：油门拉杆或齿条位置；汽油机：节气门开度。

转速n 一定，负荷↓时，发动机燃烧剧烈程度↓，平均指示压力p i ↓；而由于转速不变，平均机械损失压力p m 基本保持不变。

则ηm m
i p p =-
↓
↓1，机械效率下降。

当发动机怠速运转时，有效功率N e =0，指示功率N i 全部用来克服机械损失功率N m 。

即N N i m =，因此，ηm =0。

由于车用柴油机普遍在高转速、较低负荷下工作，机械效率下降严重。

因此，机械效率对于车用柴油机尤为重要。

（三）润滑油品质和冷却水温度
润滑油粘度影响润滑效果，润滑油温度影响润滑油粘度，冷却水温度影响润滑油温度，即冷却水、润滑油温度通过润滑油粘度间接影响润滑效果。

水冷发动机的冷却水温应保持在80~95℃。

1 润滑油粘度（牌号）↓，冷却水温度↑→润滑油温度↑→润滑油粘度↓→润滑效果↑→摩擦↓→N p m m ,↓→ηm ↑。

2 润滑油粘度（牌号）↓↓，冷却水温度↑↑→润滑油温度↑↑→润滑油粘度↓↓→油膜破裂趋势↑↑→摩擦↑↑→N p m m ,↑↑→ηm ↓↓。

3 润滑油中杂质↑→摩擦↑→N p m m ,↑→ηm ↓。

要求：定期保养、清洗机油滤清器，5000～10000公里换机油。

§1-7 燃烧热化学
一 燃料的完全燃烧 （一）理论空气量0L
1 目的：1 kg 燃料完全燃烧所需要的空气量L 0。

2 已知条件：1 kg 燃料中所含g C kg 碳，g H kg 氢气，g O kg 氧气。

汽油：g C =0855. [kg/kg]，g H =0145. [kg/kg]，g O =0 [kg/kg]。

柴油：g C =087
. [kg/kg]，g H =0126. [kgkg]，g O =0004. [kg/kg]。

3 化学反应方程式
C O CO +→22
H O H O 2221
2
+→
4 需要总的O 2量
C O CO +→22 H O H O 2221
2+→
1 kmol 1 kmol 1 kmol 1 kmol 1
2
kmol 1 kmol
1 kg 11
2 kmol 112 kmol 1 kg 14 kmol 1
2 kmol
g C kg g C 12 kmol g C 12 kmol g H kg g H 4 kmol g H
2
kmol
5 燃料中所含的O 2量
g O [kg] = g O
32
[kmol]
6 所需空气中的O 2量 = 总的O 2量－燃料中所含的O 2量
7 所需空气量（目的） （1）kmol
空气中氧气成分约占21%，所以：
)32
412(21.010O
H C g g g L -+=
[kmol/kg] （2）kg
空气的折合分子量为28.95，即 1 kmol 空气 = 28.95 kg 空气，所以：
)32
412(21.095.280O H C g g g L -+= [ kg/kg ]
（3）m 3
1 kmol 空气 = 22.4 m 3
空气，所以：
)32
412(21.04.220O H C g g g L -+= [m 3/kg]
（二）过量空气系数和空燃比
1 过量空气系数 α
α=L L 0
=
燃烧燃料实际供给的空气量
完全燃烧燃料理论上所需要的空气量
11kg kg 表示混合气的浓稀程度。

α大→混合气稀；α小→混合气浓。

一般，柴油机：α > 1；汽油机：α ≤ 1。

2 空燃比 A /F
A F L /=α0
=空气量
燃料量
表示混合气的浓稀程度。

A /F 大→混合气稀，A /F 小→混合气浓。

（三）分子变更系数
1 理论分子变更系数μ0
μ02
1
=M M
=燃烧后工质的摩尔数燃烧前工质的摩尔数
μ0↑→容积变化大→膨胀做功好→ηt ↑。

（1）完全燃烧
μα00
1432=++
g g L H O
（2）不完全燃烧
μαα000
10211432=+
-++
.()L g g L H O
2 实际分子变更系数μ
μμ=++=
++M M M M r
r
r r 2101 式中：M r 为1 kg 燃料燃烧后残余废气的摩尔数，r M L r =/α0为残余废气系
数。

二 燃料的不完全燃烧 （一）α ≤ 1 — 汽油机
1 假设燃料中的C 燃烧全部生成了CO 和CO 2。

其中CO 是中间产物，即不完 全燃烧产物。

CO 2是最终产物，即完全燃烧产物。

2
CO CO C g g g +=
2 化学反应方程式
C O CO +→1
2
2
C O CO +→22
H O H O 2221
2+→
3 需要总的O 2量
C O CO +
→12
2 C O CO +→
2
2
g CO kg g CO 24 kmol g CO
12
kmol g CO 2 kg g CO 212 kmol g CO 212
kmol
g CO kg
g g C CO -2
24
kmol g CO
12 kmol
H O H O 2221
2+→
g H kg g H 4 kmol g H
2
kmol
4 燃料中所含的O 2量
g O [kg] = g O
32
[kmol]
5 空气中的O 2量 = 总的O 2量－燃料中所含的O 2量
0211
2412432
022.()αL g g g g g C CO CO H O =-++-
021*********
02
.()αL g g g g g C H O C CO =+--+
=-+=+-0212424102112432
002.[.()]L g g L g g g C CO C H O
所以：
g g L CO C 22402110=-⨯-.()α
g L CO =⨯-2402110.()α
g g g C CO CO =+2
6 分析
（1）当L L =0时，α = 1，A F L /=0 g g g CO CO C ==02,
（2）α↓→g g g CO CO C ><02,
（3）α↓→使g g C CO =时
02
=CO g ，C 全部生成CO 。

此时的过量空气系数称为临界α值。

记为αcr 。

所以：
αcr
C
g L =-
⨯1240210
. （4）α↓↓→αα<cr
此时理论上g g C CO <，析出炭粒。

一般柴油机的72.0~6.0=cr α。

（二）α > 1 — 柴油机
混合气混合不均匀，局部过浓或过稀，造成燃烧不完全。

缸内情况十分复杂。

三 燃料和可燃混合气的热值 （一）燃料的热值
1 kg 燃料完全燃烧所产生的热量 [ kJ ]。

高热值：加入水的汽化潜热的热值。

低热值h u ：不加入水的汽化潜热的热值。

发动机缸内高温，水只能以气态存在，故应取不加入水的汽化潜热的热值， 即低热值。

汽油：44100=u h [kJ/kg]，柴油：42500=u h [kJ/kg]。

（二）可燃混合气的热值
H h M u u
=1
[kJ/kmol]
§1-8 发动机混合气的着火和燃烧方式
一 混合气的着火
（一）柴油机 — 低温多级自燃 1 t 1阶段 — 混合阶段
在压缩过程终了时，燃料喷入气缸内形成可燃混合气。

燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。

混合阶段，为着火做准备。

2 t 2阶段 — 第一级反应
燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。

经过t 1
时间后，反应加剧，出现冷火焰，缸内压力超过压缩压力。

在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。

要求混合气较浓，α = 0.4～0.5。

3 t3阶段—第二级反应
温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心，出现蓝火焰。

混合气稀得多，α略小于1。

++时间后—第三级反应
4 t t t
123
活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现热火焰。

混合气更稀，α≈ 1。

++—着火延迟期。

t t t
123
（二）汽油机—高温单级点燃
1 压缩的是燃料与空气的混合气体，在此过程中，已经进行了一些化学反应。

2 火花点火，局部温度高达20000℃以上，该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基，迅速反应出现热火焰，瞬间扩大到整个燃烧室内。

所以，汽油机着火过程：
压缩混合气→点火（经短暂着火延迟期）→热火焰。

三燃烧方式
（一）同时爆炸燃烧
取某一部分为系统，着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。

即相只随t（时间）座标变化，而不随x（位移）座标变化，为单相系，均匀系。

柴油机上，由于混合气分配不均匀，总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近），取这一部分为系统，则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。

汽油机上，由于火焰有传播速度（虽然很快，但相对同时爆炸燃烧却很小），传播逐次进行，故显然不是同时爆炸燃烧。

但火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下，可实现同时爆炸燃烧，从而形成火焰中心。

（二）逐渐爆炸燃烧
汽油机：火焰传播。

两相系：混合气相（未燃区）、燃烧产物相（已燃区）。

加热从火花塞开始，紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热，使氧化或活性中心增多，发生燃烧。

燃烧又加热下一层…，一层一层传播。

燃烧主要在火焰前锋面内进行。

火焰前锋面前方的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧。

（三）扩散燃烧
柴油机的燃烧方式，三相—燃料相、空气相、燃烧产物相。

柴油燃点比汽油低，但在日常生活中汽油却比柴油易燃，原因就在于汽油的挥发性好，油与空气形成混合气较快，物理准备过程已经就绪，一点即燃。

柴油机中燃烧的快慢却主要取决于物理准备过程进行的快慢。

油滴遇热蒸发形成燃料蒸汽，然后才能燃烧，并非油滴与空气接触就可燃烧。

为防止燃烧产物将油滴与空气隔开，将组织空气相对于油滴的气流运动，将燃烧产物抛在后面。

第二章发动机的换气过程
燃烧是做功之本，燃烧需要空气与燃料。

重量比体积比
燃料： 1 1 液态
空气：15 1000 气态
燃料受机械控制，容易加入。

而气缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。

因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。

§2-1 四冲程发动机的换气过程
一配气定时
与工程热力学中介绍的不同，进排气门的开启、关闭也需要时间，故：
在下止点前排气 — 排气提前角40︒～80︒ ；
在上止点后关闭 — 排气迟闭角10︒～35︒；
在上止点前吸气 — 进气提前角 0︒～40︒；
在下止点后关闭 — 进气迟闭角40︒～80︒；
进气提前角+排气迟闭角 — 气门叠开角。

二 换气过程
（一）排气过程
1 自由排气阶段 A
靠缸内压力将气体挤出气缸。

排开：p p '>>→p p '=。

式中：p 为缸内压力，p '为排气管内压力。

2 强制排气阶段 B
靠活塞上行将废气挤出气缸。

p p '=→排闭
3 超临界排气 C
排开：p p '>>→p p '=9.1
在气阀最小截面处，气体流速等于该地音速 a kRT = [m/s]。

其流量与压差（p p '-）无关，只决定于排气阀开启面积和气体状态。

4 亚临界排气 D
p p '=9.1→排闭
其流量取决于压差（p p '-）。

（二）进气过程和气门叠开角
-）使新鲜介质进入缸内。

由于节流作用，缸内产生负压；（p p
1 气阀叠开角
（1）非增压：20︒～60︒ CA。

太大（引起）→废气回流进气道；太小→扫气作用不明显。

（2）增压：110︒～140︒ CA。

进气管压力↑，扫气明显，气阀叠开角可以增大很多。

如6135型柴油机：非增压：40︒，增压：124︒。

2 扫气的作用
（1）清除废气，增加气缸内的新鲜充量。

（2）降低排气温度。

（3）降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。

三换气损失
理论循环换气功与实际循环换气功之差。

如图：换气损失功—X+（Y+W），其中（W+Y）。

为排气损失功，X为进气损失功。

（一）排气损失功Y
W是因排气门提前开启而损失的膨胀功，称为自由排气损失。

Y是活塞作用在废气上的推出功，称为强制排气损失功。

排气提前角↑→ W↑，Y↓。

综合效果，要求（Y+W）↓，故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min。

对应排气提前角亦有一个最佳值，n↑→（W+Y）min↑。

（二）进气损失功X
进气损失功小于排气损失功，即X < Y。

（三）泵气损失功（X+Y-D）
在实际示功图中，把（W+d）归到指示功中考虑，而把泵气损失功（X+Y-d）归到机械损失中考虑。

§2-2 四冲程发动机的充气效率
一 充气效率
（一）定义
为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度，不受气缸工作容积V h 的影响，引入充气效率ηv 的概念。

由于有进气阻力等因素的影响，实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。

二者之比称为充气效率ηv ，即：
作容积的新鲜充量
进气状态下充满气缸工量实际进入气缸的新鲜充=v η ηv h
G G m m V V ==≈∆∆∆∆001 式中：∆∆G m V ,,1为实际充量的重量、质量和体积；∆∆G m V 001,,为理论充量的重量、质量和体积。

进气状态
非增压：空气滤清器后进气管内的气体状态，通常取为当地的大气状态。

增 压：增压器出口状态。

严格地说，充气效率应为：
缸工作容积的新鲜充量
以标准大气状态充满气量实际进入气缸的新鲜充=v η 更合理。

这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的比值就等于其充气效率之比。

否则，按照前头的定义式，大气温度越高，充气效率反而会越高，讲起来似乎无法接受。

而且也不具备可比性。

（二）实际测量
h v V V '
'=1η 理论流量
实际流量= 式中：1V '为实际测量流量 [m 3/h]。

]/[03.0602
1000][31h m n i V n i L V V h h =⋅⋅⋅=' 充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。

柴油机：0.75～0.90，汽油机：0.70～0.85。

二 充气效率的分析式
充入气缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量－缸内残余废气质量
（一）进气门关闭时缸内气体的总质量
a h c a V V m ρ)('+=
式中：V c 为余隙容积，h V '为进气门关闭时缸内工作容积，ρa 为进气终了缸内气体密度。

（二）排气门关闭时缸内残余废气的质量
m V r r r =ρ
式中：V r 为排气门关闭时缸内容积，ρr 为排气门关闭时缸内残余废气密度。

（三）充入气缸的新鲜充量
r r a h c h v V V V V ρρρη-'+=)(0
式中：ρ0为大气状态下气体密度。

（四）充气效率的分析式
0)(ρρρηh r r a h c v V V V V m m -'+=∆∆= 0ρρρc
h r c r a c h c V V V V V V V -'+= 式中：ε为压缩比，c
h V V +=1ε；e ε为有效压缩比，εε<'+=e c h e V V 1，一般εe =(.08～09.)ε；V V r c ≈。

若假设εεe =，有：
ηερρερv a r =--()10
带入理想气体状态方程式，得：。