内燃机的工作循环
第一节内燃机的理论循环
内燃机的实际热力循环:是燃料的热能转变为机械能的过程，由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成。在这些过程中，伴随着各种复杂的物理、化学过程，同时，机械摩擦、散热、燃烧、节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在。
内燃机的理论循环:将实际循环进行若干简化，忽略一些次要的影响因素，并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、化学过程〔如可燃混合气的准备与燃烧过程等〕进行简化处理，从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环。
对理论循环进行研究可以达到以下目的：
1)用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，以明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压力为代表的动力性的基本途径。
2)确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。
3)有利于分析比较内燃机不同热力循环方式的经济性和动力性。
建立理论循环的简化假设：
1)以空气作为工作循环的工质，并视其为理想气体，在整个循环中的物理及化学性质保持不变，工质比热容为常数。
2)不考虑实际存在的工质更换以及泄漏损失，工质的总质量保持不变，循环是在定量工质下进行的，忽略进、排气流动损失及其影响。
3)把气缸内的压缩和膨胀过程看成是完全理想的绝热等熵过程，工质与外界不进行热量交换。
4)分别用假想的加热与放热过程来代替实际的燃烧过程与排气过程，并将排气过程即工质的放热视为等容放热过程。
内燃机理论循环的三种形式：等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环。
三种理论循环的热效率分析：
当初始状态一致且加热量及压缩比相同时，等容加热循环的热效率最高，等压加热循环的热效率最低，混合加热循环的热效率介于两者之间；
当最高循环压力pz(或称为最高燃烧压力)相同、加热量相同而压缩比不同时，等压加热循环的热效率最高，等容加热循环的热效率最低，混合加热循环的热效率仍介于两者之间。
由热效率表达式，还可以得到如下结论：
1.提高压缩比εc可以提高热效率ηt，但提高率随着压缩比εc的不断增大而逐渐降
低。
2.增大压力升高比λp可使热效率ηt提高。
3.压缩比εc以及压力升高比λp的增加，将导致最高循环压力pz的急剧上升。
4.增大初始膨胀比ρ0，可以提高循环平均压力，但循环热效率ηt随之降低。
5.等熵指数k增大，循环热效率ηt提高。
内燃机实际工作条件的约束和限制：
1)结构条件的限制
从理论循环的分析可知，提高压缩比εc和压力升高比λp时提高循环热效率ηt起着有利的作用，但将导致最高循环压力pz的急剧升高，从而对承载零件的强度要求更高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动机的使用可靠性，为此只好增加发动机的质量，结果造成发动机体积与制造成本的增加。
2)机械效率的限制
内燃机的机械效率ηm是与气缸中的最高循环压力pz密切相关的。不加限制地提高εc以及λp，将引起ηm的下降。从有效指标上看，将直接导致压缩比εc，以及压力升高比λp提高而带来的收益得而复失。
3)燃烧方面的限制
若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面点火等不正常燃烧的现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也不利于燃烧的高效进行。
柴油机的压缩比εc一般在12～22之间，最高循环压力pz＝7～14 MPa，压力升高比λp在1．3～2．2左右。
汽油机的压缩比εc＝6～12，pz＝3～8.5 MPa，λp在2.0～4.0左右。
第二节内燃机的燃料及其热化学
一、内燃机的燃料
（一）石油燃料
（二）天然气燃料
（三）代用燃料
(一)石油燃料
1、石油中烃的分类
2、石油的炼制方法与燃料
3、柴油和汽油的理化性质
1、石油中烃的分类
从化学结构上看，石油基本上是由脂肪族烃、环烷族烃和芳香族烃等各种烃类组成的混合物。
脂肪族烃包括烷烃和烯烃，烷烃是一种饱和链状分子结构，其中直链式排列的正构烷热稳定性低，在高温下易分裂，滞燃期短，适合作柴油机的燃料；非直链排列的异构烷抗爆性强，自行着火的倾向比正构烷小得多，适合作汽油机的燃料，并且常用异构烷来作为评价汽油燃料抗爆性的标准。烯烃是种不饱和的链状烃，其热值较低，着火性能差，只适合作汽油机的燃料。
环烷族烃的碳原子不是链状而是环状排列，属饱和烃，其热稳定性比脂肪族高，自燃温度较脂肪族高，适合作汽油机的燃料。
芳香族烃具有较高的化学和热稳定性，在高温下分子不易分裂，抗爆燃性能极强，自燃温度比脂肪族烃和环烷族烃高，也适合作汽油机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂。其中，属于芳香烃的α－甲基萘与正十六烷还用作评定柴油机自燃性能(十六烷值)的标准燃料。
2. 石油的炼制方法与燃料
直接蒸馏法：将原油在专用的炼油塔(分馏塔)中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的25％一40％；
裂解法：将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成分。其中，通过加温加压的方法进行裂解的称为热裂解法，使用催化剂(触媒)进行裂解的称为催化裂解法。
表3—2给出了在从原油提炼液体燃料过程中，不同炼制工艺对油料性质的影响。热裂解法虽然工艺简单，但由于所得到的燃油稳定性较差，一般还需要进行催化裂解等炼制过程，以保证质量。值得强调的是，每一种商品燃料都是多种烃类的混合物，而且是各种炼制工艺所得油料的调和产物；近年来，为了提高汽油燃料的辛烷值，大量采用催化重整工艺，即将低辛院值的汽油在铂、镍等催化剂的接触催化下进行重整，使其辛烷值水平得到进一步提高。
3. 柴油和汽油的理化性质
(1)柴油的理化性质与柴油机性能有关的燃料特性是自燃温度、馏程、粘度、含硫
量等，其中，以自燃温度和低温流动性(凝点)影响最大
1)自燃温度
柴油在无外源点火的情况下能够自行着火的性质称之为自燃性，能够使柴油自行着火的最低温度称为自燃温度。柴油的自燃性用十六烷值衡量。
十六烷值的评定需用两种自燃性能截然不同的标准燃料作比较，一种是正十六烷C16H34，自燃性很好，其十六烷值定义为100；另一种是α－甲基萘C11H10，自燃性很差，其十六烷值定义为0。在标准的专用试验机上，分别对待试柴油和一定混合比例的正十六烷与α－甲基萘混合液进行自燃性比较；当两者自燃性相同时，混合液中正十六烷的容积百分比，即为所试柴油的十六烷值。十六烷值高的柴油，其自燃温度低，滞燃期短，有利于发动机的冷起动，适合于高速柴油机使用，但过高十六烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造成排气过程中的碳烟。因此，一般情况下，常限制柴油的十六烷值在65以下。
2)低温流动性(浊点与凝点)
温度降低时，柴油中所含的高分子烷族烃(如石蜡) 和燃料中夹杂的水分开始析出并结晶，使原来呈半透明状的柴油变得浑浊，达到这一状态的温度值就是柴油的浊点。此时尽管柴油仍然具有流动性，但其析出的结晶会堵塞滤清器和油管等；当温度再降低时，柴油即完全凝固，此时的温度称为凝点。
柴油在低于凝点后，无法正常供应与工作；用降凝剂可以降低凝点，但对浊点影响不大。
我国的国标中对轻柴油的标号，即是按照柴油的凝点来规定的。如国产0号柴油凝固点为0℃，适合夏季使用。-20号柴油凝固点为-20℃，适合冬季或寒冷地区使用。
3)化学成分及发热量
燃油的化学成分是用碳、氢、氧、氯四种元素的质量分数表示的，其中碳的质量分数一般在85％以上，而含氮则很少，往往可以忽略不计。1kg燃油完全燃烧所放出的热量叫做燃料的发热量或热值，其单位为kJ／kg。
高热值：计及水蒸气冷凝时放出汽化潜热的发热量；
低热值：不计及汽化潜热的发热量。
在内燃机中，燃油的发热量常用低热值：—般柴油机的低热值为42500～44000kJ／kg。
(2)汽油的理化性质
对于汽油机来说，与其性能有关的燃料特性主要是挥发性和抗爆性。
1)挥发性表示液体燃料汽化的倾向，与燃料的馏分组成、蒸气压、表面张力以及汽化潜热等有关。汽油馏出的温度范围称为馏程。汽油蒸发—般以蒸发馏程中馏出一定比例的燃料时所对应的温度来表示。10％馏出温度越低，则汽油机在低温下越容易起动，但过低的馏出温度，在高温下容易发生气阻；50％馏出温度表示汽油的平均挥发性，是保证汽车加速性和平稳性的重要指标；90％馏出温度和终馏温度过高，易产生积碳并稀释曲轴箱润滑油。一般初馏点为40～80℃，终馏点为180～210℃。
汽油的饱和蒸气压是用标准仪器在一定条件下(38℃)测定的。蒸气压高，挥发性强、汽油机容易起动，但产生气阻倾向和挥发损失也大。一般规定蒸气压在夏季不低于67kPa；、冬季不大于80kPa。
汽油的挥发性应当满足发动机冷起动和暖车过程在内的所有工况的要求，但挥发性过高，会增加因蒸发而形成的有害HC排放物。
2)抗爆性燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性。烷烃抗爆性最差，烯烃次之，环烷烃较好，芳香烃最好。在同一种烃内，轻馏分优于重馏分，异构物优于正构物。从炼制工艺来看，直馏汽油的辛烷值最低，热裂解汽油的辛烷值较低，而催化裂解、重整汽油的辛烷值较高。
汽油的抗爆性是以辛烷值来表示的。汽油的抗爆性的评价也是基于两种标准燃料：辛烷值为100的抗爆性能较佳的异辛烷C8H18和抗爆性较弱、辛烷值为0的正庚烷C7H16。在专用的试验机上，将所试油料的爆燃强度同标准混合液(异辛烷与正庚烷按一定比例混合的混合液)的爆燃强度相比较，当两者相同时，标准混合液中所含异辛烷的体积分数，即为所试油料的辛烷值。根据试验规范的不同，所得的辛院值分别称为马达法MON或研究法RON辛烷值。我国生产的汽油是按研究法辛烷值RON分级的。
不断提高汽油燃料的辛烷值，以适应发动机强化的需求，是汽车工业对于石油化工工业提出的要求。提高辛烷值的传统方法，是在汽油中添加高效抗爆剂如四乙铅Pb(C2H5)4，但由于该添加剂含铅量高，对人体及环境有较为严重的危害，同时还会使排气催化转换器中的催化剂严重中毒而导致失效，因而逐渐被淘汰。目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先进的炼制工艺和使用高辛烷值的调和剂，如加入甲基叔丁基醚(MTBF)、乙基叔丁基醚(ETBE)或醇类燃料等，以获得较高辛烷值而无其他不利于环保的副作用。
汽油和柴油的物性差异决定了汽油机和柴油机在混合气形成、着火和燃烧上的差异 1）混合气形成
汽油机：柴油机：
外部形成内部形成
均匀混合气非均匀混合气
α较小α较大
量调节（负荷）质调节（负荷）
2）发火方式
汽油机：柴油机：
外源点火自行着火
单火源发火多火源着火
3）燃烧方式
汽油机：柴油机：
以火焰传播方式为主以扩散燃烧方式为主
接近等容燃烧接近先等容后等压燃烧
(二)气体燃料
内燃机所用的气体燃料主要有天然气、液化石油气、氢气、煤气、沼气等。
1.天然气
天然气主要成分为链烷烃化合物的甲烷CH4 (容积比可达95以上)，另外还包括乙烷C2H6以及丙烷C3H8等。天然气的热值和辛烷值均较高，在用作点燃式发动机的燃料时，通过适当的技术措施，如提高发动机的压缩比等，可以接近原发动机的动力性能。同时，天然气又是一种比较洁净的能源，排污低，使用比较方便，特别是压缩天然气(CNG——Compressed Natural Gas)，便于储存，配合相应的基础设施〔如加气站〕的建设，在城市车辆如公共汽车、出租车中具有广阔的应用前景。
2.液化石油气
液化石油气(LPG-Liquefied Petroleum Gas）气或石油炼制过程中生产的石油气，主要成分是丙烷C3H8、丙烯C3H6、丁烷C4H10、丁烯C4H8及其异构物，在常温下加压，可以变成液体燃料，其单位容积热值高于天然气，可以作为汽油机的燃料，还可以获得较好的排放性能
(三)代用燃料
1.醇类燃料
醇类燃料有甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。甲醇可以从天然气、煤、生物质等原料中提
取；乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。醇类燃料是液体燃料，可以沿用传统的石油燃料的运输、贮存系统，相关的基础设施建设投入少，而发动机的动力性与经济性可以接近或超过原有汽油机或柴油机，排气有害成分少，是一种很有发展前景的代用燃料。
2. 植物油燃料
植物油的种类很多，分为可食用与非食用的两大类。大多数植物油的主要化学成分是甘油三酸酯，即由一个分子甘油(丙三醇)和三个脂肪酸分子以酯键连接组成的复合物；植物油的热值均比柴油低。由于植物油加热时易产生分解，少量轻成分挥发，大部分则变成胶状物，因此很难获得蒸馏特性。另外，由于植物油的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以雾化特性差，燃烧不充分，积碳严重。植物油的十六烷值也较低，但经过酯化处理后，其着火性能可以得到改善。
目前，植物油还主要在柴油机上试用。从长远来看，发展非食用植物油作为燃料不足的补充，是很有意义的。
二、燃烧热化学
燃料的燃烧过程就是燃料与空气中的氧进行氧化反应而放出热量的过程。
1.完全燃烧
从理论上说，当氧充分时，燃料中的碳元素以及氢元素可以完全被氧化为二氧化碳和水，而空气中的氮则并不参与任何反应。如考虑一种通用的碳氢化合物，其平均分子组成为CcHhOo (下角c 、h 、o 分别表示相应元素的原子数)，而空气则可以认为是多种理想气体的混合气体，按容积计其组成成分为：氧占20.95％，氮占78.90％，其余0.93％为其他气体。为了方便计算，可忽略其他气体成分，即认为空气中除氧外，其余均为氮，这样对应于1mol 的氧，有（1—0.2095）／0.2095mol ＝3.773mol 的氮。
碳氢燃料在空气中完全燃烧时的化学反应式
1
kg 燃料完全燃烧所需的理论空气量(质量)之比(称为化学计量空燃比)，可以采用下式计算
22222)24(773.32)773.3)(24(N o h c O H h cCO N O o h c O H C o h c -+++=+-++o
H c o h c o h c o h c l o 1612)24(41.3416112)28773.332()24(++-+?=?+?+??+?-+
=
式中，lo 的单位为kg ／kg 。
一般而言，内燃机所用的燃料均为各种碳氢化合物的混合物，难于准确地确定其中C 、H 、O 三种元素的原子数c 、h 及o ，另一方面，这三种主要元素的质量比可以通过化学分析方法得到，分别记为gC 、gH 和gO 。根据定义式，有
化学计量空然比的计算式就可以写出简化式为：
如以体积关系式来计算化学计量空然比（单位：kmol/kg ）,则计算式为：
据统计，国产汽油中C 、H 、O 三种元素的质量分数分别为0.855、0.145和0，而柴油中三种元素的质量分数分别为0.870、0.126和0.004，代入lo 和Lo,就可以求出汽油和柴油的化学计量比。
对于汽油：
对于柴油：
第二节 内燃机的实际循环
通过分析内燃机理论循环和实际循环的差别，可以找到提高内燃机工作过程完善程度的方向。图3-2给出二者的示功图。
12,1216,1216161216c H O c g c h o
h g c h o o g c h o
=++=++=++34.41()38C O o H g g l g =+-()(1 3.773)42 1.193()1211638
C O o H h o c g g L g c h o +-?+==+-?+?+?0.85534.41(0.1450)/14.796/3
0.8551.193(0.1450)/0.513/3o o l kg kg kg kg L kmol kg kmol kg =?+-==?+-=0.8734.41(0.1260.004)/14.177/3
0.8734.41(0.1260.004)/0.492/3o o l kg kg kg kg L kmol kg kmol kg =?+-==?+-=
主要差别
一、不同工质带来的影响
二、换气损失
三、传热损失
四、燃烧损失
一、不同工质带来的影响
理论循环的工质是理想的双原子气体，并假定其物理化学性质在整个循环过程中是不变的。在实际内燃机循环中，燃烧前的工质是由新鲜空气、燃料蒸气和上一循环残余废气等组成的混合气体，燃烧过程中及燃烧后，工质的成分及数量不断发生着变化，三原子气体占多数，其比热容比两原子气体大，且随着温度的上升而增大，在燃烧产物中还存在着一些成分的高温分解以及在膨胀过程中的复合放热现象。
上述因素中，以工质对比热容的影响为最大，其他各项的影响较小一些。由于比热容随温度上升而增大，对于相同的加热量(燃料燃烧放热量)，实际循环所能够达到的最高燃烧温度小于理论循环，其最终的结果是使循环热效率下降，循环所做的有用功减少。例如，对于压缩比为18、过量空气系数为1.5、最高压力为8MPa的混合循环，其理论热效率大致为0.60；当考虑到工质的实际物性时，其热效率将降低到0.51。
从图3—2的内燃机p－v图中可以看出工质对理论循环的影响。由于比热容随温度的增加而增大，燃烧膨胀线和压缩线(虚线所示)，分别低于理论循环的燃烧膨胀线和压缩线(点实线)，其中燃烧膨胀线由于比热容增加的幅度较大而导致下降幅度也大一些。同时，上述曲线所围成的示功图面积也小于理论循环的示功图面积。
二、换气损失
理论循环是闭式循环，没有工质的更换，也没有任何形式的流动阻力损失。在实际循环中，吸入新鲜空气与燃料，然后在合适的时候排出燃烧废气，这是循环过程得以周而复始进行所必不可少的。上述过程是通过换气过程进行的。在这一过程中，为尽可能降低排气阻力，排气门需要提前开启，燃气在膨胀到下止点前从气缸内排出(沿b1d1线)，这将使示功图上的有用功面积减少(图中阴影区)；在排气和吸气行程中，气体在流经进排气管、进排气道以及进排气门时，不可避免地存在着流动阻力损失，也
需要消耗一部分有用功。上述两项之和称为实际循环的换气损失。此外，由于进气压力(压缩始点压力)pa低于大气压力，使整个压缩线ac位于理论压缩线atct的下方。
三、传热损失
理论循环假设与工质相接触的气缸壁面是绝热的，两者间不存在热量的交换，因而没有传热损失。实际上，缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等(统称壁面)与缸内工质直接相接触的表面，始终与工质发生着热量交换。在压缩初期，由于壁面温度高于工质温度，工质受到加热；随着压缩过程的进行，工质的温度在压缩后期将超过壁面温度，热量将由工质流向壁面；随后，进入燃烧以及膨胀期，工质连续不断地向壁面传出热量。这样，与理论循环相比，示功图上减少的有用功面积将大于压缩线下所增加的面积，其差值即为实际循环的传热损失。传热损失的存在，使循环的热效率和循环的指示功都有所下降，同时增加了内燃机受热零件的热负荷。在图3—2中，传热与流动损失的存在，使示功图形状如实线所示。
四、燃烧损失
根据理论循环对燃烧过程的处理，燃烧是外界热源向工质在一定条件下的加热过程；燃烧(加热)速度根据加热方式的不同而有差异，如在等容加热条件下，热源向工质的加热速度极快，可以在容积不变条件下瞬时完成；在等压加热条件下，加热的速度是与活塞的运动速度相配合的，以保持缸内压力不变。实际的燃烧过程需要经历着火准备、火焰传播与扩散、后燃等环节，燃烧速度受到多种因素的制约，与理论循环有很大的差异，这种差异所造成的与燃烧有关的损失，主要体现在以下两个方面。
1. 燃烧速度的有限性
由于实际上燃料的燃烧速度是有限的，燃烧的进行需要足够的时间，这就造成了内燃机实际循环中的一个重要的损失——燃烧速度的有限性所形成的损失，它带来了以下几方面的不利影响：
(1)压缩负功增加为了提高热效率，必须使燃烧能够在上止点后不久即告结束，为此就需要在上止点前提前喷入燃油或进行点火。这样，实际的燃烧过程在上止点前就已经开始，从而造成了压缩负功的增加。
(2)最高压力下降由于传热损失的存在、燃烧速度的有限性以及活塞在上止点后由上行变为下行运动而使气缸体积膨胀，使得压力升高率明显低于理论循环值，于是实际循环的最高压力有所下降。
(3)初始膨胀比减小理论循环假定全部热量是在某一点(zt点，见图3—2)前完全加热(燃烧)完毕，压力达到最大，而后进入膨胀过程；而实际的燃烧过程则由于传热损失、不完全燃烧、后燃以及活塞运动等因素，使初始膨胀比ρ0减小(z’z’1＜z’tzt）。
以上种种影响因素，使得实际的燃烧过程偏离理论循环的等容和等压过程，增加了压缩耗功，减少了膨胀有用功，最终使指示热效率和平均指示压力与理论循环相比均有明显的降低。
2．后燃以及不完全燃烧损失
理论循环中认为，加热过程结束之后即转入绝热膨胀过程。在实际过程中，经常由于供油系统供油不及时、混合气准备不充分、燃烧后期氧气不足等原因而导致燃烧速度减缓，仍有部分燃油在气缸压力达到最高点后继续进行燃烧，称之为后燃。根据发动机转速以及混合气的不同情况，后燃可能持续到上止点后40°～80°(CA)才结束，但也有可能一直拖延到排气门打开之时。除此之外，还有少量燃油由于未来得及燃烧而直接排出机外，从而引起不完全燃烧损失。后燃期间，热功转换效率由于膨胀比小而大大降低，不完全燃烧更直接导致了燃料化学能的损失。
燃烧损失是一个不容忽略的损失。为了计及该损失的大小，引入燃烧效率的概念。为
此，将内燃机视为一个开口系统，该系统与周围环境(大气)交换热量和机械功；由燃料和空气组成的反应物流入系统，流出系统的是燃烧产物(废气)。燃烧效率的定义为：燃料在该系统内经燃烧反应所释放出的总热量与燃料所能释放的总能量之比。图3—3是不同型式内燃机的燃烧效率随当量燃空比的变化情况、当量燃空比定义为混合气的实际燃空比与该燃料化学计量燃空比之比，它是过量空气系数的倒数。
汽油机采用稀混合气时，其燃烧效率通常在95％-98％的范围内；而当混合气加浓后，出于空气中缺氧使燃料燃烧不完全，燃烧效率下降，且下降幅度随混合气的变浓而增大。
柴油机由于一直运行在混合气较稀的状态，其燃烧效率相对较高，大约为98％。
第三节内燃机循环的热力学模型
对内燃机的热力学过程，特别是缸内的热力学过程进行模拟计算，在内燃机的研究与开发初期是非常有用的。它不仅可以预测所设计发动机的初步性能，进行多方案的比较，以期获得最佳的设计方案，而且也可以对结构参数与运行参数进行优化，对发动机的寿命和可靠性进行预测，以减少试验的工作量，缩短发动机的设计周期，节省开发研究费用。
内燃机工作过程的模拟预测计算，最早采用的是热力计算法，它是建立在简单热力学关系基础之上的一种近似的、半经验的估算方法。该方法可以对内燃机的工作过程进行估算，但其精度和应用范围都受到了很大的限制。20世纪60年代以后，随着内燃机数值模拟技术的不断完善和计算机技术的进步，有关数值模拟方面的研究也不断深入，新的理论不断涌现，极大促进了设计手段的更新和设计观念的变革。与此同时，用于内燃机的商品化软件陆续推出，其功能也不断完善，从零维模型到多维模型，从整机到分部件、分系统的计算软件，从性能预测到强度分析等等不一而足。
热力学模型：以热力学基本概念为基础，不涉及内燃机中各种热力学参数在空间场的不均匀性问题以及工作过程的细节，又称为零维模型，较为常用。其基本的思路是：从内燃机工作循环各系统内所发生的物理过程出发，用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学描述，通过编制计算机程序，得到气缸内各参数随时间(或曲轴转角)的变化规律；然后，通过相应的计算公式，计算出发动机的宏观性能参数。
一、模型的假定
1)不考虑气缸内各点的压力、温度与浓度场的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混合，缸内的状态是均匀的，亦即为单区过程。
2)工质为理想气体，其比热容、内能仅与气体的温度和气体的组成有关。
3)气体流入与流出气缸为准稳定流动，不计流入或流出时的动能。
4)不计及进气系统内压力和温度波动的影响。
5)缸内工质在封闭过程中无泄漏。
二、基本的微分方程组
将气缸壁面、活塞顶面以及缸盖底面所围成的容积作为一个热力学系统，如图3—4所示。对该变容积热力学系统分别应用热力学第一定律、质量守恒定律以及气体状态方程，经过适当的变换，得到计算内燃机工作过程的通用方程组如下
下标含义: B-burn w-Wall s-suck e-exhaust
参数含义: T-temperature m-mass Q-Quantity of heat
式中，下标s 表示通过进气门流人气缸的气体参数，下标e
表示通过排气门流出气缸的气体参数，下标B 表示燃料燃烧放热
项，下标w 表示通过壁面与热力学系统间发生的热量交换。其余
无下标的各项，分别表示气缸内的有关参数，而λ为瞬时过量空
气系数，其意义见下文。
为了使得计算顺利进行，假定加入系统的能量或质量为正，
离开系统的能量或质量为负。同时，假设内能为温度和成分的函
数，并以λ来反映混合气的组成成分，则有
有关约束条件的计算要点：
1)气缸工作容积根据活塞连杆机构运动学的几何关系式导出
式中，Vs 、εc 和λs(曲柄连秆比)可根据发动机的结构参数确定。
2)工质流入、流出气缸的质量流量，可根据流体力学中气体流经节流过程
的计算关系式推出，其一般形式为
（3—11）
式中，下标I 表示流动上游参数；φ与A 分别为气门处的流量系数与流通截面积，可分别根据试验结果与几何关系确定；Ψs,e 为流函数，与上下游的压力差即流动状态有关，其通用计算式为
式中，下标Ⅱ代表流动下游参数。
)()
(1?
λλ???????d d u m d dm u h d dm h d dm d dV p d dQ d dQ T u m d dT e e s s w B ??--++-+??=?
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dV ,,,,16s e s e s e s e dm A d n μ?=???ψ???????????? ??+≤I II +??? ??+??? ??+≥I II ??????????+???? ??-???? ??-=ψ-+-I I I I 11111212121212112k k k k k k k p p k k k k p p k k p p p p k k
3)工质与活塞顶面、气缸内壁面及缸盖底面的传热量计算式为
（3—12）
式中，各换热表面积Fi 可根据活塞位移情况以及发动机的几何参数确定；壁面温度Twi 根据统计值选定；换热系数α有多种经验或半经验的回归公式，实际应用时根据所研究对象的具体情况选定一种
4)燃料的燃烧放热过程用一个简化的代用燃烧放热规律来代替实际过程，即认为燃料是按照一定的函数形式进行燃烧放热的，并且在代用过程中所放出的总热量以及所产生的结果(性能指标)与实际过程是一致的。常用的函数有余弦函数以及韦伯(Weibe)函数等，其中，韦伯函数是应用较广泛的一种，其形式为
（3—13）
式中，ηu 为燃烧效率，取决于燃烧方式，而三个主要参数(燃烧始点φ0、燃烧持续期φz 以及燃烧品质指数m)也与内燃机的类型有关，其中m 的变化范围为0.2～3.0，取决于燃烧放热的速率与方式。
5)工质物性的计算。为了方便起见，用一个简化关系式来计算物性参数，如较为常用的Justi 公式
kJ ／kgmol （3—14）
该式适用于混合气较稀的柴油机，而汽油机由于存在不完全燃烧、高温分解等特殊现象，其计算式较为复杂一些。
在得到内能或焓的计算式之后，其他的物性参数均可以通过基本热力学关系式推导得到，这样，方程组(3—6)、(3—7)、(3—8)中的物性参数均可以求出。
6) 瞬时过量空气系数λ定义为缸内瞬时空燃比与化学计量空燃比的比值，而瞬时空燃比则是某一瞬时缸内的空气质量与该瞬时缸内累计燃料质量之比，即
（3—15）
对于首次迭代计算或缸内无残余废气时，可将其瞬时过量空气系数定为一个较大值，如104。
三、缸内实际工作过程的计算
应用以上建立的微分方程组(3—6)、(3—7)、(3—8)，结合补充的各种约束条件，即可对内燃机的实际工作过程进行模拟计算。计算一般从压缩始点(进气门关闭时刻)开始，依次完成一个完整循环。当再次回到计算始点时，比较两次计算结果，如达不到精度要求，则将计算得到的始点参数作为初始参数重新计算，直到满足要求。 ()∑
--=3
161i wi i w T T F n d dQ α?1908.6001908.6+???? ??-???
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?=????λd d dm d d dm l B s o 1
根据缸内实际过程在各个阶段的不同特点，上述微分方程组呈现出不同的简化形式。可以采用不同的处理方法。
1．闭式阶段
根据热力学系统的划分状况，在整个内燃机工作循环中，气缸可分为封闭阶段〔依
次可以分为压缩期、燃烧期及膨胀期〕以及开式阶段(工质更换阶段)两个阶段。其中，在封闭阶段的三个不同期间，压缩期与膨胀期在微分方程组的形式上是相同的，不同的仅是缸内质量上的差异。在这一时期，由于工质内的质量无变化，质量守恒方程项赂去，这样能量守恒方程就变换为
（3—16）
该方程与气体状态方程联立，即可对内燃机气缸内的气体状态进行求解，相对于开式过程[见式(3—6)]而言，这一方程要简单得多。
对于燃烧过程来说，工质的质量由于燃料的燃烧而发生变化，而燃料的燃烧过程变化规律 是预先给定的(如韦伯代用燃烧放热规律)，故质量守恒方程项则为
（3—17）
对于瞬时过量空气系数的变化情况，不难推导出
（3—18）
这样，能量守恒方程中的各项均可以依次求出，从而可以求出燃烧过程中的缸内状态参数。
2．开式阶段
从排气门开启至进气门关闭为开式阶段，又称充量更换过程。由于通过缸内热力学
系统边界有气体流入或流出，该阶段的数学求解较为复杂一些，其中，在求解流经进、排气门的气体流量时，需要已知进、排气管内的热力学状态，这就涉及到内燃机的另一个过程——进排气管系内的热力学计算(见下一节)。同时，充量更换阶段的另一个问题是工质成分在换气过程中的变化，根据瞬时过量空气系数的定义，并假定排气时燃料(以折合燃料的形式出现，因为实际上燃料已经燃烧完毕)和空气是成比例地排出气缸的，我们可以推导出
（3—19）
该式将缸内气体成分的变化与进气流量关联起来，使能量方程各项均可以求出，从而使方程组得以封闭。
四、进排气过程的计算
进排气过程热力学参数的计算，不仅是求解工作过程其他各项热力学参数所必需的，而且对于了解进排气过程的压力及温度波动情况、预测及验证进排气系统的设计结果、进行增压发动机的增压匹配计算等，也是十分重要的。
对于进(排)气过程计算的最简单的方法是容积法，又称充满－排空法，即把仅(排)气管系看成是与原有管道容积相当的一个简单容器，而容器内的压力变化完全是由气体的充???? ??-??? ????=???d dV p d dQ T u m d dT w 1???d dQ Hu d dm d dm B B 1==??λd dQ Hu m l m d d B B o s 2-=??λd dm m l d d s B o 1=
填和排空决定的，把一些存在压力降的过程(如空气滤清器、气门、消声器等)当作节流元件。这样，对于简化后的简单容积系统，可以分别列出质量守恒方程、能量守但方程以及气体状态力程，其形式与求解缸内参数的微分力程组相似，从而可以解出进(排)气系统的质量、压力、气体温度等热力学参数。对于多缸发动机，还存在着如何根据发火间隔，将流入各缸的气体合理分配以及将各缸流出的气体流量引入排气系统中的问题。
五、内燃机性能的计算
按照上述数值模拟计算方法，可以求出气缸内的压力、温度随曲轴转角的变化
关系，以及在整个循环中气缸内工质质量、瞬时过量空气系数的变化情况，如图3—5所示。这是一个低速增压柴油机的计算结果，该图的上半部分画出了气缸压力和温度随曲轴转角的变化，图中可见温度T 在排气门开启后因提前排气而迅速下降，以及进气门开启后由于冷空气流入进行扫气而产生的第二次更迅速的下降。图的下半部分为缸内质量、流出质量、流人质量以及瞬时过量空气系数λ的变化曲线。
在压缩阶段，m 保持不变，随后由于
燃料的加入而质量稍有增加，在膨胀期
达到最大值。在排气重叠期降低到最小
值，此后由于新鲜充量的流入又再次升
高。在气门重叠期，流入的空气质量与
缸内质量之差即相当于扫气空气量。瞬
时过量空气系数在压缩期为215，在燃
烧期由于燃料的加入而很快下降，燃烧
结束后其值降为2.1，且在进气门开启
前一直保持不变，而当进气门开启后，
由于新鲜空气的流入而再度增大。
此外，为了求出内燃机的有效性能参
数，需要确定机械损失的大小，即平均机
械损失压力或机械效率的大小。尽管有许多研究者提出了较多的公式，但目前尚无通用计算式，一般要考虑到转速、气缸直径、负荷、增压压力、润滑油温度等影响，计算式为
（3—20）
式中，a 、b 、c 、d 为与发动机类型有关的系数。
在平均机械损失压力确定之后，可以根据第二章的有关计算公式，得到内燃机有效功率、有效热效率、有效燃油消耗率、平均有效压力以及充量系数等值。
()a cp bV D p me m d mm ++=
《汽车构造》作业及答案 第四章汽油机燃油系统 4-1 用方框图表示，并注明汽油机燃料供给系统各组成的名称，燃料供给、空气供给及废气排出的路线。 4-2 结合理想化油器的特征曲线，说明现代化油器各供油装置的功用。 答： 现代化油器有以下几个部分组成：1，主供油系统：在一般情况下提供油料。2，启动系统：在启动时提供油料。3，怠速系统：在怠速时提供油料。4，大负荷加浓系统：在大负荷时提供油料。5，加速系统：在加速时瞬时提供油料。 4-3 说明主供油装置是在什么样的负荷范围内起作用？在此范围内，随着节气门开度的逐渐加大，混合气浓度怎样变化？它的构造和工作原理如何？ 答：除了怠速情况和极小负荷情况下，主供油系统都起作用。在其工作范围内，随着节气门开度的逐渐加大，混合气浓度逐渐减小。它主要由主量孔，空气量孔，通气管和主喷管组成。它主要是通过空气量孔引入少量空气，适当降低吸油量真空度，借以适当地抑制汽油流量的增长率，使混合气的规律变为由浓变稀，以符合理想化油器特性的要求。 4-4 说明怠速装置是在什么样的情况下工作的？它的构造和工作原理如何? 答：怠速装置是在怠速和很小负荷的情况下工作的！它主要是由怠速喷口，怠速调整螺钉，怠速过渡孔，怠速空气量孔，怠速油道和怠速量孔组成。发动机怠速时，在怠速喷口真空度的作用下，浮子室中的汽油经主量孔和怠速量孔，流入怠速油道，与从怠速空气量孔进入的空气混合成泡沫状的油液自怠速喷口喷出。 4-5 说明起动装置是在什么情况下工作的？它的构造和工作原理如何？ 答：起动装置是在发动机在冷启动状态下起作用的，它是在喉管之前装了一个阻风门，由弹簧保持它经常处于全开位置。发动期启动前，驾驶员通过拉钮将阻风门关闭，起动机带动曲轴旋转时，在阻风门后面产生很大的真空度，使主供油系统和怠速系统都供油，从而产生很浓的混合气。 4-6 加浓装置是在什么样的情况下起作用的？机械加浓装置和真空加浓装置的构造和工作原理如何？ 答：它是在大负荷和全负荷的情况下工作的。对于机械加浓装置，在浮子室内装有加浓量孔和加浓阀，加浓量孔和主量孔并联，加浓阀上方有与拉杆连在一起的推杆，而拉杆又通过摇臂与节气门主轴相连。当节气门开启时，要比转动，带动拉杆和推杆一同向下运动，只有当节气门开度达到80%---85%时，推杆才开始顶开加浓阀，于是汽油便从浮子室经加浓阀和加浓量孔流入主喷管，于从主量孔来的汽油汇合，一起由主喷管喷出。对于真空加浓系统，有活塞式和膜片式，用得最多的是前者。其构造为：浮子室上端有一个空气缸，活塞与推杆相连，推杆上有弹簧。空气缸的下方借空气通道与喉管前面的空间相连，空气缸上方有空气通道通到节气门后面。在中等负荷时，如果发动机转速不是很低，喉管前面的压力几乎等与大气压力；而节气门后的压力则比大气压力小的多，因此在真空度的作用下，活塞压缩了弹簧以后处于最上面的位置。此时，加浓阀被弹簧压紧在进油口上，即真空式加浓系统不起作用。当转变到大负荷时，节气门后面的压力增加，则真空度间小道不能克服弹簧的作用力，于是弹簧伸张使推杆和活塞下落，推开加浓阀，额外的汽油经加浓量孔流入主喷管中，以补充主量孔出油的不足，使混合气加浓。 4-7 说明加速装置的功用、构造和工作原理。 答：加速装置是在加速或者超车时，供给浓混合气，使发动机的功率迅速增加。它有活塞式和膜片式两种，使用较多
1.发动机的定义。 燃料在机器内部燃烧而将化学能转化为热能，再通过气体膨胀做功将其转化为机械能输出的机械设备。 2.发动机发展历经的三个阶段。 ①20世纪70年代之前（提高生产力） 目标：追求良好的动力性能。 措施：提高压缩比，提高转速。 指标：最高车速、加速性能、最大爬坡能力。三个指标均取决于发动机及其它动力装置。 ②20世纪70~80年代（石油危机） 目标：追求良好的经济性能。 措施：降低油耗、增大升功率、减轻比重量。 指标：百公里油耗。 ③20世纪80年代后期（环境污染） 目标：追求良好的环保性能。主要解决排放与噪声问题。 3.常规汽车能源和新型替代能源有哪些，各有何特点? ①汽油机：汽油和空气混合经压缩由火花塞点燃。 ②柴油机：柴油和空气混合经压缩自行着火燃烧。 ③天然气发动机LNG ④液化石油气发动机LPG ⑤酒精发动机 ⑥双燃料、多燃料发动机 4.热力系统基本概念; 在热力学中，将所要研究的对象从周围物体中隔离出来，构成一个热力系统。 系统以外的一切物质，称为外界，热力系统和外界的分界面，称为界面。5.热力学第一定律的实质; 当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变，只是能量的形式发生了变化—能量守衡。吸收的能量-散失的能量=储存能量的变化量 6.理想气体的四个基本热力过程; ①定容过程：热力过程进行中系统的容积（比容）保持不变的过程。 ②定压过程：热力过程进行中系统的压力保持不变。 ③定温过程：热力过程进行中系统的温度保持不变 ④绝热过程：热力过程进行中系统与外界没有热量的传递 7.四行程发动机的实际工作循环过程； 进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀过程、排气过程 8.发动机实际循环向理论循环的简化条件； ①忽略进、排气过程（r-a,b-r), 排气放热简化为定容放热过程； ②压缩、膨胀过程（复杂的多变过程）简化为绝热过程； ③把燃料燃烧加热燃气的过程简化成工质从高温热源的吸热过程，分为定容 加热过程（c～z’）和定压加热过程（z’～z）； ④假定工质为定比热的理想气体。
1循环热效率：循环功和循环加热量之比 2循环平均压力：单位汽缸工作容积所做的循环功 3压缩比：气缸的总容积与气缸压缩容积之比 4指示功;一个实际循环工质对活塞所做的有用功称为循环指示功 5平均指示压力：发动机单位气缸工作容积一个循环所做的指示功 6指示功率：发动机单位时间所做的指示功 7指示热效率：实际循环指示功Wi与所消耗的燃料热量Qi之比。 8指示燃油消耗率：单位指示功的耗油量通常以每千瓦小时的耗油量表示［g/（kw.h）］。 9有效功率：曲轴对外输出的功率，称为有效功率 10有效扭矩：发动机工作时，由功率输出轴输出的扭矩 11平均有效压力：单位气缸工作容积输出的有效功 12有效热效率：有效功We（J）与所消耗燃料热量Ql之比值。 13有效燃油消耗率：单位有效功的耗油量 14升功率：是发动机每升工作容积所发出的有效功率。 15比质量：是发动机的干质量m与所给出的标定功率之比，它表征质量利用程度和结构紧凑性。 16强化系数：平均有效压力Pme与活塞平均速度Cm的乘积称为强化系数 17机械效率：有效功率Pe和指示功率Pi的比 18气门叠开：由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，导致进、排气门同时开启的现象。 19换气损失: 换气损失=排气损失+进气损失。 20泵气损失：主要指活塞在强制排气过程和进气过程中所造成的损失。 21充气效率：充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值. 22残余废气系数：进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸中新鲜充量的比值。 23进气马赫数：进气马赫数是进气门处气体的平均速度与该处声速c的比值。 24过量空气系数：提供的空气量L与理论上所需空气量L0之比，称为过量空气系数。 25燃料的低热值：1kg燃料完全燃烧所放出的热量，不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热。26理论混合气热值：单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量。 27火焰传播速度：火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度 28燃烧速度：单位时间燃烧的混合气量 29爆震燃烧：处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称末端混合气），受到压缩和辐射热的作用，加速了先期反应产生了自燃。压力冲击波反复撞击缸壁。气缸内 发出特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸。 30表面点火：由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。 31点火提前角：点火提前角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角。 32喉管真空度：指化油器喉管最小截面处因气体流速加大而产生的负压。 33进气管真空度：指节气门后进气管中的负压 34喷油泵速度特性：喷油泵油量控制机构（齿条或拉杆）位置固定，循环供油量随喷油泵转速度变化的关系 35供油规律：指单位时间（或转角）喷油泵的供油量随时间（或转角）的变化关系 36喷油规律：单位时间（或转角）喷油器喷火燃烧室内的燃油量随时间（或转角）的变化关系
第4章练习题 一、解释术语 1、不规则燃烧 2、点火提前角 3、空燃比 二、选择题 1．提高汽油机的压缩比，要相应提高所使用汽油的（） A、热值 B、点火能量 C、辛烷值 D、馏程 2．汽油机的燃烧过程是（） A、温度传播过程 B、压力传播过程 C、热量传播过程 D、火焰传播过程 3、汽油机混合气形成过程中，燃料（）、燃料蒸汽与空气之间的扩散同步进行。 A、喷射 B、雾化 C、蒸发 D、混合 4、下面列出的（）属于汽油机的燃烧特点。 A、空气过量 B、有时缺氧 C、扩散燃烧 D、混合气不均匀 5、汽油机爆震燃烧的根本原因是远端混合气（） A、自燃 B、被火花塞点燃 C、火焰传播不到 D、被压缩 6、汽油机的火焰速度是（） A、燃烧速度 B、火焰锋面移动速度 C、扩散速度 D、气流运动速度 7、提高压缩比使汽油机的爆震倾向加大，为此，可采取（）的措施。 A、减小喷油提前角 B、减小点火提前角 C、加大喷油提前角 D、加大点火提前角 三、填空题 1、根据汽油机燃烧过程中气缸压力变化的特点，可以将汽油机燃烧过程分为、和三个阶段。 2、汽油机混合气的形成方式可以分为和两种。 3、压缩比是发动机热效率的重要因素。但高压缩比会给汽油机增加的趋 势。
4、对液态燃料，其混合气形成过程包括两个基本阶段： 和。 5、燃油的雾化是指燃油喷入_________________后被粉碎分散为细小液滴的过程。 6、发动机转速增加时，应该相应地____________点火提前角。 7、在汽油机上调节负荷是通过改变节气门开度来调节进入气缸_______________的多 少。 四、简答题 1、P—φ图上画出汽油机正常燃烧，爆震燃烧和早燃的示功图，并简要说明它们的区别？ 2. 用示功图说明汽油机点火提前角过大、过小，对燃烧过程和发动机性能的影响。 3. 汽油机燃烧室组织适当的紊流运动的作用有哪些？
理想循环：为了了解内燃机热能利用的完善程度，能量相互转换的效率，寻求提高热量利用率的途径，在不是其基本物理、化学过程特征的前提下，将内燃机的实际循环进行若干简化，使其近似乎于所讨论的实际循环，而又简化了实际变化纷繁的物理、化学过程，从而提出一种便于作定量分析的假想循环，称为“理想循环”。 实际循环与理想循环差异主要有：1、工质不同2、气体流动阻力3、涡流与节流损失4、传热损失5、燃烧不及时，后燃及不完全燃烧损失6、漏气损失； 压缩比：压缩比是一个描述工质容积变化和压缩程度的参数，定义为压缩始点容积比上压缩终点容积。 按什么原则取定压缩比： 压缩比的上限：a、对点燃式内燃机（如汽油机，煤气机），在缸内被压缩的是空气与燃料的混合物，上限受到可燃混合气早燃或爆燃的限制。因此，上限取值应考虑到燃料的性质，传热条件及燃烧室结构等因素。 b.对压燃式发动机（如柴油机,上限受到机械负荷Pc、Pz，噪声、排放（温度高,NOX上升；高温下CO2分解形成CO）的限制。当压缩比上升到一定程度时，压缩比上升的程度明显减少，太高反而得不偿失。 压缩比的下限：a、对点燃式内燃机,在满足上限的限制下,尽量使压缩比高些；b、对压燃式发动机（如柴油机），应保证压缩终点的温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。 多变压缩指数影响因素：1、曲轴转速2、气缸尺寸3、周壁散热强度及充量扰动的速度； 多变膨胀指数影响因素：转速、燃烧速度、气缸尺寸、负荷等。 示功图：把内燃机在1个循环中气缸工质状态的变化，表示为压力与容积的关系图（p-V图）或压力与曲轴转角的关系图称为示功图。 示功图作用：示功图直接表示了内燃机作功的大小，除此之外，还包含了许多反映内燃机性能的信息和数据，是评价分析内燃机性能的主要手段。 内燃机的指示参数是用以表征燃料燃烧释放出来的热能转变为机械能完善程度的一组参数，只考虑了气缸内因燃烧不完全和传热等方面所引起的热量损失，而没有考虑各运动副间所存在的摩擦损失、泵气损失和辅助机械损失等。内燃机的指示参数主要包括内燃机的平均指示压力pi、指示功率Ni、指示效率ηi以及指示油耗率gi。 指示压力的影响因素：增压度、过量空气系数、换气质量、油气混合完善程度、燃烧完善程度 机械损失功率：摩擦、泵气、压气机或扫气泵、辅助机械损失功率 指示效率及指示油耗率影响因素：燃料热能释放好坏、热量损失大小、热能转换有效程度 内燃机的有效参数包括平均有效压力pe、有效功率Ne、有效效率ηe及有效油耗率ge。它们与指示参数的不同之处就是除指示参数考虑的热力损失外，还考虑了机械损失。 内燃机性能：动力性、经济性、排放性、可靠性、运转性。 提高内燃机性能的措施：1、采用增压技术2、合理组织燃烧过程，提高循环指示效率3、改善换气过程，提高气缸的充气系数4、提高发动机的转速5、提高内燃机的机械效率6、采用二冲程提高升功率。 机械效率：在内燃机工作过程中，经曲轴输出的有效功率Ne总小于活塞所获得
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。
一、单项选择题 1、高速柴油机的实际循环接近于（ D ） A、定压加热循环 B、定容加热循环 C、定温加热循环 D、混和加热循环 2、增加排气提前角会导致（ C ） A、自由排气损失增加 B、强制排气损失增加 C、提前排气损失增加 D、换气损失增加 3、汽油机早燃的原因是混和气（ C ） A、自燃 B、被火花塞点燃 C、被炽热表面点燃 D、被废气点燃 4、对自然吸气的四冲程内燃机，提高充气效率的措施中有（ D ） A、提高进气气流速度 B、加大进气迟闭角 C、提高进气管内压力 D、合理选择进气迟闭角 5、为了保证新鲜工质顺利流入气缸，在活塞运动到上止点之前就打开气门。 从气门开启到上止点之间的角度称为（ B ） A、排气门提前角 B、进气提前角 C、排气迟闭角 D、进气迟闭角 6、单位时间内燃烧的混合气数量是汽油机的（ C ） A、火焰速度 B、点火速度 C、燃烧速度 D、混合速度 7、柴油机混合气形成的过程中，不使用的辅助手段是（ D ） A、大压缩比 B、高压喷射 C、进气运动 D、加热进气道 8、压力升高率用于评价（ B ） A、着火延迟期 B、速燃期 C、缓燃期 D、后燃期 9、四冲程发动机实际排气过程的持续长度（ C ） A、小于180°曲轴转角 B、等于180°曲轴转角 C、大于180°曲轴转角 D、不小于180°曲轴转角 10、发动机的工况变化取决于其所带动的工作机械的（ A ） A、运转情况 B、功率情况 C、速度情况 D、传动情况 11、柴油机出现不正常喷射的各种原因中包括（ C ） A、高压油管过细 B、油管壁面过厚 C、喷油压力过高 D、喷油数量过多 12、描述发动机负荷特性时，不能代表负荷的参数是（ A ） A、转速 B、功率 C、扭矩 D、油门位置 13、汽油机的燃烧过程人为地分为（ C ） A、5个阶段 B、4个阶段 C、3个阶段 D、2个阶段 14、实际发动机的膨胀过程是（ C ） A、定压过程 B、定温过程 C、多变过程 D、绝热过程 15、发动机的整机性能用有效指标表示，因为有效指标以（ D ） A、燃料放出的热量为基础 B、气体膨胀的功为基础 C、活塞输出的功率为基础 D、曲轴输出的功率为基础 16、为了评价发动机进、排气过程中所消耗的有用功，引入的参数是（ A ） A、泵气损失 B、传热损失 C、流动损失 D、机械损失 17、柴油机间接喷射式燃烧室类型中包括下面列出的（ D ） A、半开式燃烧室 B、开式燃烧室 C、统一室燃烧室 D、预燃室燃烧室
第一章绪论 内燃机的发展，至今已有一百多年的历史。经过不断改进和提高，现已发展到比较完善的程度。由于它的热效率高、适应性好、功率范围广，已广泛应用于工业、农业、交通运输业和国防建设事业。因此对于它的发展历程、用途以及一些基本知识做个简要的介绍！ 第一节内燃机在经济建设中的作用 广义而言，内燃机是指燃料直接在机器内部燃烧的发动机，包括往复活塞式柴油机、汽油机、燃气轮机和喷气式发动机等。燃料在机器外部燃烧的发动机称外燃机，包括蒸汽机、蒸汽轮机以及核动力装置等。蒸汽轮机和核动力装置主要用于大型远洋船舶和大型军用舰艇上。 在航空动力方面，燃气轮机和喷气式发动机几乎是唯一的动力装置。但是，燃气轮机在水、陆方面的应用尚未获得大量推广。虽然燃气轮机具有重量轻、尺寸小、结构简单、扭矩特性好、振动小以及排气中有害气体少等一系列优点。但是，它的热效率低，燃料消耗率高，特别是在部分负荷时更明显。虽在大功率时已有明显改善，在中、小功率时尚不能与柴油机相比． 汽油机由于具有升功率高、噪音低、振动小以及对负荷变化的反应迅速等优点，在小客车上的应用占压倒优势。目前世界上的小客车数量很大，所以汽油机的产量也很高。此外，汽油机也用于中、小型载重汽车、摩托艇、小型农业、林业机械中。但是，由于汽油机所用燃料的价格和燃料的消耗率比柴油机高，因此，在其它经济领域，就不能与柴油机相竞争。
在内河船舶和工程机械力面，柴油机几乎是唯一的原动机。在铁路机车方面，蒸汽机车在国外已被淘汰，在我国已停止生产正逐步被柴油机车和电力机车所代代替，而且机车用柴油机的功率不断增长。目的，单机功率一般已达3000kW左右，最高的可达4600kW。 在远洋海轮方面，柴油机也是主要动力。据1984年统计，全世界当年生产的大型船舶有1007艘，其中99％是用柴油机驱动的。在25万吨以下的船舶中，柴油机是目前最经济的动力装置，其数量更是占压倒多数。 在军用舰艇方面，近年来，各国均在大力发展核能动力及燃气轮机动力装置，但在轻型舰艇上，柴油机仍优势。在水面舰艇中的猎潜艇、导弹快艇、鱼雷快艇、巡逻艇、扫雷艇、登陆艇以及大部分常规潜艇和各种军辅船等仍以柴油机为主要动力，只有少数的水面舰艇则采用柴油机—燃气轮机联合动力装置。 柴油机还广泛用于移动式电站和备用电站。随着大功率中速柴油机的发展，柴油机在固定式电站的应用已逐渐得到推广。现代大功力中速柴油机已能经济地使用于发电量为10万千瓦的电站，而且不久，柴油机电站的发电量将要达到20万千瓦。 由于柴油机的使用范围如此广泛，世界各国柴油机的产量十分巨大，并不断增长。在各经济部门和国防工业中，柴油机都占有极其重要的地位。它对实现我国四个现代化将起十分重要的作用。 第二节内燃机的发展简史 1824年，卡诺(Sadi Carnot)曾发表了热力发动机的经典理论——卡诺原理。过了半个世纪以后，即1876年，德国人奥托(Nicolaus Auguest Otto)才发明了四冲程煤气机。当时该机压缩比约为2.5，其热效率为10～12%，此后的十八年间垄断了市场，承袭了当时处于全盛时期的蒸汽机的宝座。 1883年，法国任达木烈尔(G·Daimler)制成了用热管点火的立式汽油机，在当时内燃机的最高转速也只不过200r/min，而他制作的汽油机竟达到1000r/min，1887年该机装在汽车上使用。与此同时，法国人奔驰(K·Benz)也开始研究高速内燃机。1890年左右，他应用了电火花点火法，使汽油机达到了与现今车用汽油机几乎相同的型式，高速机获得了迅速地发展。现在汽油机的转速为4000～5000r/min是很平常的，最高的已达到12000r/min。 在1897年,法国人鲁道夫·狄赛尔(Rudorf·Diesel)最早制成了柴油机。该机在转速为172r/min时,发出14.7kW，其热效率达26.2％，这在当时已是最高的热效率了。从此以后，柴油机得到迅速发展，1903年首先装在船上，四年后即1907年，用于潜艇的正反转的柴油机试验成功。1912年装在远洋货轮上的柴油机首次远航试验起功。该船载重7000T(吨)，航速11kn(节)，柴油机的缸径D＝530mm，活塞行程S＝780mm，在140r/min时，输出功率Ne ＝1471kW。 在1926年就有人设计出利用排气能量将进气压缩的废气涡轮增压器。但由于当时未能制造出性能良好的增压器而使增压技术多年得不到普及和推广。第二次世界大战后，随着人们对废气涡轮的研究，在耐热材料和压气机方面取得了显著的进展。另一方面，由于生产技术的发展，于是从1950年左右起，才开始在柴油机上采用增压方式。而如今的船用柴油机几乎已达到“无机不增压”的程度，因为增压后，柴油机的功率能提高1～3倍。废气涡轮增压对提高柴油机的性能作出了重大的贡献。 [大事记] 1824年，卡诺（法国工程师）发表了热力发动机的经典理论--卡诺原理。 1866年，奥托（德国工程师）提出了四冲程内燃机的"奥托循环"理论。 1879年，奔驰（德国工程师）首次研制成功火花塞点火内燃机。
第四章复习思考题 1.说明汽油机燃烧过程各阶段的主要特点。 答：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：早燃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?防止表面点火的主要措施有哪些? 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
内燃机原理 1.1784 年英国发明家 J·瓦特发明了蒸汽机。根据德国人 N·A·奥托和 R·狄赛尔提 出的内燃机循环, 于1876 年和 1897 年分别推出了汽油机和柴油机。 2.今后值得研究的主要问题：(一)内燃机燃烧问题的研究，(二)降低内燃机排放与噪声的 研究，(三)内燃机代用燃料及新型燃料的研究，(四)内燃机电子控制技术的研究，(五)内燃机工作过程模拟及其优化的研究，(六)内燃机增压技术的研究，(七)提高内燃机可靠性与耐久性的研究，(八)内燃机低摩擦、低磨损的研究。 3. （1）图( b) 等容循环, 加热过程是在等容条件下进行的。气体从a点开始绝热压缩到c点, 自c 点等容吸热至z点, 气体从z点绝热膨胀到b点, 最后沿ba 线等容散热再回到a点完成一个工作循环。等容循环也叫奥托循环。 （2）图 ( c) 等压循环,加热过程是在等压条件下进行的，等压循环也叫狄赛尔循。气体从a 点开始绝热压缩到c点, 自c 点定压加热至z 点, 气体从z 点绝热膨胀到b 点, 最后沿ba 线定容散热再回到a 点完成一个工作循环。 （3）图( a) 混合循环,。气体从a 点开始绝热压缩到c点, 自c点定容加热至y点, 自y点定压加热至z点，气体从z 点绝热膨胀到b 点, 最后沿ba 线等容散热再回到a 点完成一个工作循环。 4.实际循环与理论循环相比,热效率较低,循环作的功也较小, 具体表现在如下几个方面： 1 .工质不同：理想循环工质是理想气体新鲜空气，比热不随温度变化。实际循环工质 是空气和燃烧产物的混合物,它们的比热随温度升高而上升,加热量相同, 实际循环达到的最高温度比理想循环低。燃烧过程中及燃烧后,工质的成分变为燃烧产物,成分有变化,容积数量即物质的量也发生变化;1300K高温分解。 2 .气体流动阻力：实际循环每个循环工质必须更换,工质在进、排气行程中流经进、排 气管, 进、排气道和进、排气门, 有一定流阻损失。气缸中和分开式燃烧室的柴油机中, 空气流入和流出燃气副室, 也都会引起一定的流阻损失。 3 .传热损失：理想循环中,假设工质与气缸盖、活塞顶、气缸壁等受热件没有热交换。 实际循环,必须对这些受热件进行有效的冷却才能保证内燃机的可靠运转, 部分热量从冷却系统中传出去, 使循环的热效率和循环的比功都有所下降。 4 .燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失：燃烧不可能是瞬时的, 它必然需要一定的时 间才能完成这一过程。 5 .漏气损失：理想循环中, 工质的数量是完全不变的。在实际循环中, 活塞环与气缸 壁之间常有微量工质漏出, 一般约为总量的0 .2%。
第一章 第二章 思考题 1．分析上止点误差对内燃机工作过程分析的影响,有几种确定上止点的方法,倒拖示功图法为什么要考虑热力损失角的影响。给出一种确定上止点方法的步骤。P9~13 步骤按照1、静态测定法的步骤 3.直喷式柴油机以动力性、经济性为优化目标与以动力性、经济性、排放x NO 与噪声综合性能为优化目标组织燃烧有什么不同,试分析之。P24~25 图 6.采用稳流气道实验台能进行哪些零部件性能试验？试验中测量哪些参数,简介测量方法,用哪些量来评价系统的进气性能？ 进、排气管,气缸盖,消声器等;测量方法:等压差法,等流量法(分别简述)P35~36 试验中测量的参数:气门升程、气道流动压力降△P 1、气体的体积流量Q 、风速仪转速n D ,流动气体温度t 评价参数:P36 8．汽油机与直喷柴油机采用四气门后,试从影响性能的诸方面探讨与两气门相比有何优点与存在的缺点。(结合第2、3、5等章内容综述)P42、待完善 第三章第四章 思考题 2.使用理想的空燃比特性场(或过量空气系数a φ特性场)会取得怎样的汽油机性能P62对汽油机而言过浓或过稀混合气、、、、1、1~1、3之间(性能);按负荷、转速变化分析图3-6为什么说就是a φ的较理想的特性场？(它就是综合考虑动力性、经济性、排放性能得出的,当在小负荷,低转速时,为了保证怠速稳定性及起动与加速,应适当加浓混合气0、8~0、9;当汽油机在部分负荷范围内运行时,应供给较稀的混合气1、05~1、15,当发动机在大负荷、高转速运转时,也需要较浓的混合气0、85~0、95)电喷汽油机为什么不采用图3-6模式,而在大部分工况用闭环1≈α模式控制(内燃机学99或高等内燃机原理P62) 11、简述汽油机电控喷油的喷油量控制的实现方法？ 电控器根据发动机转速与表示发动机负荷的空气流量决定喷油脉宽的基本值,冷却液温度、进气温度等都就是用来对喷油脉宽修正的条件参数。喷油量取决于喷油器的开启时间,即由送到喷油器电磁线圈的控制脉宽的宽度决定,因此ECU 控制此脉冲宽度就可以控制供油。节气门开度传感器信号对于怠速工况判断、过渡工况喷油量补偿就是必须的。p97~P99 欧3、4(国3、4)电控系统有那些基本功能的控制系统。喷油量控制精度有那些影响因素？ 电控喷油系统、电控节气门系统,电控点火系统,OBD 车载诊断系统,怠速控制系统,燃油蒸发系统,二次空气系统等。 喷油量控制精度的影响因素:喷油脉宽,喷油嘴流量分组,冷却水温度,进气温度,空燃比,海拔高度,
航空发动机原理与构造知识点 1.热力系 2.热力学状态参数 3.热力学温标表示方法 4.滞止参数在流动中的变化规律 5.连续方程、伯努利方程 6.激波 7.燃气涡轮发动机分类及应用 8.燃气涡轮喷气发动机即使热机也是推进器 9.涡喷发动机结构、组成部件及工作原理 10.涡扇发动机结构、组成部件及工作原理 11.涡桨发动机结构、组成部件及工作原理 12.涡轴发动机结构、组成部件及工作原理 13.EPR、EGT、涡轮前燃气总温含义 14.喷气发动机热力循环（理想循环、实际循环） 15.最佳增压比、最经济增压比 16.热效率、推进效率、总效率 17.喷气发动机推力指标 18.发动机中各部件推力方向 19.喷气发动机经济指标 20.涡扇发动机中N1、涡扇发动机涵道比的定义 21.涡扇发动机的优缺点及质量附加原理 22.发动机的工作原理（涡喷、涡扇、涡轴和涡桨） 23.发动机各主要部件功用和原理，各部件热力过程和热力循环 24.进气道的分类及功用 25.总压恢复系数和冲压比的定义 26.超音速进气道三种类型 27.超音速进气道工作原理（参数变化） 28.离心式压气机组成部件 29.离心式压气机增压原理 30.离心式压气机优缺点 31.轴流式压气机组成部件 32.轴流式压气机优缺点 33.压气机叶片做成扭转的原因 34.压气机基元级速度三角形及基元级增压原理 35.扭速 36.多级轴流式压气机特点 37.喘振现象原因及防喘措施（原因） 38.轴流式压气机转子结构形式、优缺点 39.鼓盘式转子级间连接形式 40.叶片榫头类型、优缺点
41.减振凸台的作用以及优缺点 42.压气机级的流动损失 43.多级轴流压气机流程形式，机匣结构形式 44.压气机喘振现象、根本原因、机理过程 45.压气机防喘措施、防喘措施原理 46.燃烧室的功用和基本要求 47.余气系数、油气比、容热强度的定义 48.燃烧室出口温度分布要求 49.燃烧室分类及优缺点 50.环形燃烧室的分类及区别 51.燃烧室稳定燃烧的条件和如何实现 52.燃烧室分股进气作用 53.燃烧室的组成基本构件及功用 54.旋流器功用 55.涡轮的功用和特点（与压气机比较） 56.涡轮叶片的分类和结构 57.一级涡轮为何可以带动更多级压气机 58.提高涡轮前温度措施 59.带冠叶片优缺点 60.间歇控制定义、发动机在起动巡航、停车时间隙变化情况 61.如何实现涡轮主动间隙控制 62.涡轮叶片冷却方式 63.喷管功用 64.亚音速喷管工作原理（参数变化） 65.亚音速喷管三种工作状态（亚临界、临界和超临界）的判别 66.超音速喷管形状 67.发动机噪声源及解决措施 68.发动机的基本工作状态 69.发动机特性（定义、表述） 70.涡喷发动机稳态工作条件（4个）举例说明如何保持稳态工作 71.稳态下涡轮前温度随转速变化规律 72.剩余功率的定义 73.发动机加速的条件 74.联轴器的分类及作用 75.封严装置的作用、基本类型 76.双转子、三转子支承方案 77.中介支点、止推支点作用 78.封严件作用和主要类型 79.燃油系统功用和主要组件功用 80.燃油泵分类和特点 81.燃油喷嘴分类和特点 82.发动机控制系统分类 83.滑油系统功用、主要部件及分类，滑油性能指标 84.起动过程的定义
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？答：（1）指示性能指标是以工质对活塞做功为基础的指标。能评定工作循环进行的好坏。有效性能指标是以曲轴的有效输出为基础的指标，能表示曲轴的有效输出。 （2）动力性能指标：功率、转矩、转速、平均有效压力、升功率。 （3）功率：内燃机单位时间内做的有效功。转矩：力与力臂之积。转速：内燃机每分钟的转数。Pe=Ttq.n/9550 （4）经济性能指标：有效热效率，有效燃油消耗率be。 （5）有效热效率:实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量之比值。ηet=We/Q1 有效燃油消耗率：单位有效功的耗油量。关系：be=3.6*106/ηet。Hu 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？答平均有效压力是一个假想不变的压力，其作用在活塞顶上使活塞移动一个行程所做的功等于每循环所做的有效功，升功率是在标定的工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。区别：前者只反应输出转矩的大小，后者是从发动机有效功率的角度对其气缸容积的利用率作出的总评价，它与Pme和n的乘积成正比。（Pl=Pme·n/30T） 2-5充量系数的定义是什么？充量系数的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？答（1）充量系数每个循环吸入气缸的空气量换算成的进气管状态下的体积。V1与活塞排量Vs之比（Φc =V1/Vs）（2）充量系数高地反映换气过程进行完 善程度。 2-8 过量空气系数的定义是什么？在实际发动机上怎样求得？ 1）过量空气系数：燃烧1kg燃料的实际空气量与理论空气量之比。（2）实际发动机中Φa 可由废气分析法求得，也可用仪器直接测得；对于自然吸气的四冲程内燃机，也可由耗油量与耗气量按下式求的（Φa=Aa/BLo ） 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。答（1）机械损失组成：1活塞与活塞环的摩擦损失。2轴承与气门机构的摩擦损失。3.驱动附属机构的功率消耗。4风阻损失。5驱动扫气泵及增压器的损失。（2）机械损失的测定：1示功图法：由示功图测出指示功率Pi，从测功器和转速计读数中测出有效功率Pe，从而求得Pm,pm及ηm 的值。优：在发动机真实工作情况下进行，理论上完全符合机械损失定义。缺：示功图上活塞上止点位置不易正确确定，多缸发动机中各缸存在一定的不均匀性。应用：上止点位置能精确标定的场合。 2倒拖法：发动机以给定工况稳定运行到冷却水，机油温度达正常值时，切断对发动机供油，将电力测功器转换为电动机，以给定转速倒拖发动机，并且维持冷却水和机油温度不变。这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。缺点：1倒拖工况与实际运行情况相比有差别2求出的摩擦功率中含有不该有的Pp这一项。3在膨胀，压缩行程中，p-v图上膨胀线与压缩线不重合。4上述因素导致测量值偏高。应用：汽油机机械损失的测定。 3灭缸法：在内燃机给定工况下测出有效功率Pe，然后逐个停止向某一缸供油或点火，并用减少制动力矩的办法恢复其转速。重新测定其有效功率。则各缸指示
第四章 汽油机混合气形成和燃烧 汽油机与柴油机相比主要有如下特点: 汽油机 柴油机 1 点燃式。 压燃式。 2 τi 影响小。 τi 影响大。 3 进入汽缸的是混合气，混合时间长。 进入汽缸的是新鲜空气，混合时间短。 4 T max 高，热负荷大。 p max 高，机械负荷大。 5 压缩比低，ε = 6～10。 压缩比高，ε = 12～22。 6 有爆燃问题。 有工作粗暴问题。 7 组织气流运动的目的是为了 组织气流运动的目的是为了 加速火焰传播，防止爆燃。 促进燃油与空气更好地混合。 §4-1 汽油机混合气形成 一、混合气形成过程 1 喉口流速↑ → P ↓ → 雾化效果↑ 2 节气门开度↑ → 喉口真空度?p n ↑, 进气管真空度?p i ↓ → 从 ??p p n i <到??p p n i > 3. 节气门开度一定, n ↑ →
?p n ↑, ?p i ↑ 4. 节气门开度↓，n ↑ → ?p n ↑ → 蒸发性↑ 进气温度↑ → 蒸发性↑ 二、理想化油器特性与供油系校正 （一） 理想化油器特性 各种工况下满足最佳性能要求的理想混合比 — 试验结果。 1 影响因素 （1） 转速n — 影响较小。 （2） 负荷 — 影响大。 2 空燃比A F /=空气质量 燃料质量 经济混合气 A / F = 17 功率混合气 A / F = 12～14 怠速混合气 A / F = 10～12.4 （1） 常用工况 — 中等负荷要求提供经济混合气。 （2） 负荷 > 90% 以及怠速, 低速下 — 加浓。 （二） 简单化油器特性 单纯依靠喉口真空度? p n 决定供油量的化油器。 节气门开度变化 → A/F 变化 ?p n ↑ → A/F ↓ — 混合气浓 与理想化油器有差异, 不能满足 汽油机要求。 （三） 主供油系校正
内燃机原理课后题
内燃机学课后题 第二章：内燃机的工作指标 2-7 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？ 2-8 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？ 2-9 机械效率的定义是什么？ 2-10 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？ 2-11 充量系数的定义是什么？的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？ 2-12 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。 2-13 影响b e 的因素有哪些？降低b e 的途径有哪些？ 2-14 过量空气系数的定义是什么？在实际发动机上怎样求得？ 2-15 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。 2-16 要设计一台六缸四冲程高速柴油机，设平均指示压力，平均机械损失压力，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？ 2-17 有一台6135Q-1柴油机，D×S=135mm×140mm，6缸，在2200r/min时，发动机发出的有效功率为154kW，b e =217g/(kW·h)。 1）求发动机的p me 、T tq 和。
2）当时，试求、、和的值。 3）当、、均未变，由0.75提高到0.8，此时P L 、P e 和b e 的值。 4）若通过提高使P e 提高到160kW，而、均未变化，则、、b e 值是多大？ 5）通过以上计算，你可以得出哪些结论？ 2-17试述机械损失的测定方法。 第三章：内燃机的工作循环 3-1 研究理论循环的目的是什么？柴油机的理论循规蹈矩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。 3-3 从理论循环中可以得到哪些结论？在指导实际工作时要受到哪些限制？ 3-4 简述发动机实际循环向理想循环的简化条件。 3-5 在初态相同、最高压力和温度相同、放热量相同的前提下，在发动机理想循环P-V图上比较混合、定容和定压加热循环的热效率。 3-6说明提高压缩比可以提高发动机热效率和功率的原因。 3-7 为什么汽油机的压缩比不宜过高？ 3-8 做出四冲程非增压柴油机理想循环和实际循环P-V图，并标明各项损失。 3-9 汽油及柴油的重要理化指标各有哪些？ 3-10 什么是汽油的辛烷值？提高汽油燃料辛烷值的方法有哪些？ 3-11 汽油机上使用甲醇与汽油的混合燃料，其中甲醇与汽油的质量分数分别为15%和85%，试求出这种燃料的化学计量空燃比。 3-12 内燃机的实际循环与理想循环相比，存在着哪些损失？试述各种损失及其形成原因。 3-13 何谓内燃机的燃烧效率？汽油机与柴油机的燃烧效率有何不同？ 3-14 绘出非增压内燃机气缸内工作过程的计算框图。
For personal use only in study and research; not for commercial use 第四章曲柄连杆机构 一、课程内容与考核点 4-1 掌握汽车发动机曲柄连杆机构的各组成部分的构造与工作原理 4-2 了解曲柄连杆机构的运动与受力状况以及多缸发动机的工作循环 4-3 活塞连杆组 4-4 曲轴飞轮组 二、复习题 一、填空题 1.气缸体的结构形式有、、三种。 2.四缸四冲程发动机的作功顺序一般是或；六缸四冲程发动机作功顺序一般是或。 3.曲柄连杆机构的主要零件可分为、和三个组。 4.机体组包括、、、等；活塞连杆组包括、、、、等；曲轴飞轮组包括、等。 5.活塞销与销座及连杆小头的配合有及二种形式。 6.油环的结构形式有和二种。 7.气环的截面形状主要有、、、、、几种。 8.气缸套有和两种。干式气缸套壁厚为，湿式气缸套壁厚为。 9.在安装扭曲环时，还应注意将其内圈切槽向，外圈切槽向，不能装反。 10．曲轴前端装有驱动配气凸轮轴的，驱动风扇和水泵的，止推片等，有些中小型发动机的曲轴前端还装有，以便必要时用人力转动曲轴。 11．飞轮边缘一侧有指示气缸活塞位于上止点的标志，用以作为调整和检查正时和正时的依据。 12.V8发动机全支承式曲轴的主轴径数为。 13．活塞环切口形状有、、、。其中二冲程发动机使用的是。 二、选择题 1.曲轴上的平衡重一般设在（）。 A、曲轴前端 B、曲轴后端 C、曲柄上 2.外圆切槽的扭曲环安装时切槽（）。 A、向上 B、向下 3.四冲程发动机曲轴，当其转速为3000r/min时，则同一气缸的进气门，在1min时间内开闭次数应该是（）。 A、3000次 B、1500次 C、750次 4.曲轴正时齿轮与凸轮轴正时齿轮的传动比是（）。 A、1∶1 B、1∶2 C、2∶1 5. 直列四冲程六缸发动机相邻作功气缸的曲拐夹角为（）。 A.180° B. 90° C.120° 6.某四缸四行程汽油机的工作顺序为1-2-4-3，当第一缸作功时第三缸为( )。 A.压缩行程 B.进气行程 C.排气行程 D.作功行程 7.为减小活塞的热变形，活塞的形状是( )。 A.头部上大下小的阶梯形或截锥形，裙部上大下小的截锥形，且头部直径大于裙部 B.头部上小下大的阶梯形或截锥形，裙部上小下大的截锥形，且头部直径小于裙部 C.头部上小下大的阶梯形或截锥形，裙部上小下大的截锥形，且头部直径大于裙部