往復式發動機中的氣流

主要現象和模型

性能和吸排氣

汽門正時

氣流的一維模型

氣流的三維模型

第一局部：性能和吸排氣

發動機循環

吸氣

進氣和排氣線路有效面積

聲音原理

進氣波的反射

主進氣管的震動

排氣線路對容積效率和性能的影響

1．1發動機循環

火花點火和柴油發動機的剖面圖

火花點火發動機壓縮點火發動機

熱力發動機是這樣一種機器，它在每一個循環中，系統吸入的氣體體積相等。吸入氣體的體積與不同發動機〔火花點火或柴油發動機〕特定的吸入氣體質量相應，使發動機能夠只燃燒特定質量的燃料。

熱力發動機：一種熱力學機器

間隙體積=V

熱力發動機是一種熱動力學機器，它將燃燒釋放出的能量Q2-3轉化成壓力功〔循環區〕?；钊木€性位移通過曲柄系統轉化為旋轉動作。在曲柄軸出口處形成發動機扭矩。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

真實循環：

進氣

活塞開始從TDC〔上止點〕向下運動到下止點〔BDC〕時，進氣行程開始。當活塞到達TDC前進氣門開啟到一定程度?；钊竭_TDC前進氣閥翻開〔IVOBTDC〕的角度約為5-30度曲柄轉角。要獲得足夠的流通面積使活塞運動導致的吸氣量到達最大，需要此汽門提前。

在活塞到達下止點后進氣閥關閉。由于氣柱的慣性效應，關閉滯后使更多氣體被吸入。當活塞行至BDC后進氣門關閉〔IVCBDC〕在30-80度曲柄轉角。

進氣：

進氣管的大小應以獲得最大值功為目標。進氣行程中平均氣體速度Vg不應超過100m/s。

Vg和活塞平均速度Vp之間的關系是：

Vpx〔缸徑〕2Npmaxx沖程〔mm〕

Vg=m/sVp=m/s

〔管最小直徑〕230x1000

進氣管尺寸例如〔兩汽門發動機〕

發動機類型

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

火花點火發動機的進氣和負載設定

進氣汽門將進氣線與大氣接通。該線路包括以下元件：

節流蝶形閥

熱絲流量計

喃射器支持法蘭

過濾器入口

竄漏回抽

輔助消聲器

充氣增壓

連接管

進氣管

進氣歧管

空置定量加料器

空氣過濾器

要獲得最高性能，設計這些元件時一定要使負載損失最小化。特別是，對形狀、彎管、接頭和截面的變化以及尺寸的定義一定要精確。

壓縮

雖然進氣汽門在活塞到達BDC后較小角度才關閉，氣體壓縮在活塞從BDC向TDC移動時已經開始。事實上，活塞的速度低于空氣的速度。汽缸繼續充氣。

由于與外部有熱交換，絕熱變換后并不立刻發生壓縮。壓縮開始時，空氣和汽油的混合物溫度比壁溫低，壁向氣體放熱。當氣體壓力上升時，氣體溫度變得比壁溫高。當壓力上升，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〔通過環形墊〕缺乏會導致一定質量的泄漏〔小于1%〕。

由于絕熱變換，壓縮進程結束時的壓力低于理論值。它是一種多方變換。

P.Vγ=常量被P.Vn=常量所代替。

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

例：在體積比為10，多變系數n=1.3，壓縮進程結束時的壓力為20巴，對于絕熱壓縮那么為25巴。

壓縮

〔容積/余隙容積〕

曲柄轉角

汽缸溫度

曲柄轉角

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混合物的燃燒只會在特定溫度和條件下發生。在大氣條件下，看不到反響。

如果混合物的溫度穩步上升，燃料會慢慢氧化，產生二氧化碳、水和一氧化碳。如果條件保持不變，反響會到達最大速度，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，先會緩慢氧化，之后反響加速。如果反響物不消失，反響速度會京戲無窮大。燃燒變為快速燃燒。

在火花點火發動機中，火花引起快速燃燒。該反響區再擴展到新的混合物中。該區叫火焰前沿。氣態物質被分成兩局部：一局部為燃燒后的氣體，另一局部為新鮮氣體。

新鮮混合氣體應是完全同質的：它是一種預混合火焰。會以次音速〔爆燃〕或超音速〔爆炸〕傳播。在火花點火發動機中，燃燒都是爆燃型的，但在爆震開始時情況除外。

排出氣體再循環〔EGR〕

此技術的使用主要是為在局部負荷時減少NOx。

它也可用于在全負荷時用冷卻的EGR啟動再循環。這種情況下，通過顯著提高辛烷需求〔爆震減少〕可使EGR率到達5-20%，缺點是功率會下降〔對于自然吸氣發動機-可通過渦流增壓進行補償〕。

EGR加上渦流增壓可以更好地控制排氣溫度。

EGR會極大降低燃燒速度。隨著混合物〔緩慢〕燃燒，循環中的最高溫度會下降，Nox的排放也減少〔Nox的產生與溫度直接相關〕。

燃燒效率低〔由于溫度較低〕可得到較低的泵動損失的補償，因為發動機中新鮮空氣流量減少了。

熱力系統

恒量物質通過真實或假設界限與其余局部隔離。

由轉換得到的功：·一個封閉循環內的總能量為：

容積

其中

其中：

熱量

壓力

功

理論上的主要循環：

火花點火循環壓縮點火循環

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決定于兩個參數：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

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。但在火花點火引擎中，壓縮比受爆震限制。此外也可通過提高γ提高熱力效率，這可通過降低燃油-空氣當量比實現。

燃油-空氣當量比的影響

比較：理論循環-真實循環

理論循環

實際過程并不完全按理論規律進行，因此實際過程與理論過程是不同的：

進氣回路和排氣回路間有壓力損失

真實循環

壓縮和膨脹不是完全絕熱的，因為它們與外界有熱交換，

燃燒并不是發生在恒定容積下

容積

我們可以看到“低壓〞環，即進氣和排氣進程之間的區域，以及“高壓〞環，即壓縮、燃燒和膨脹進程。

真實循環過程：指示功、指示的平均有效壓力、循環效率

指示功Ｗ：

氣壓作用于活塞產生的指示功為：

Ｗi＝外表高壓環-外表抽氣環

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的位移〔引擎時間〕：

循環效率或形狀效率ηc

它是測得的Imep和用理論循環計算出的Imep的比值。它根據容積效率而變化。最大值為0.8。

發動中的能量分配

發動機中的能量分配

燃燒imep

規那么公式：

摩擦

排氣時的熱排出

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

對外交換：？？

Imep：測量汽缸內的瞬壓和檢查活塞位置

Bmep：測量扭矩

Bmep=4*Pi*扭矩/位移

冷卻：測量通過發動機的冷卻液體流量和該過程中的熱量

排出物：測量吸入的氣流量，燃燒的燃料量和

排氣的溫度

Fmep=Imep-Bmep：假設通過油排放能量

Qcomb:測量注入的燃油量：Qcomb=Qinj*Pci

對外交換

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

火花點火發動機中的排放物

排氣溫度圖

等溫輪廓線幾乎是垂直的，因為火花點火引擎使用的燃油-空氣當量比為1。此參數限定了燃燒溫度。

Bmep的增加導致排氣中熱焓流的增加。

Pme(bar)

火花點火發動機中的排放物

如果我們認為容積和燃燒效率即不決定于引擎速度也不決定于負荷，那么等流輪廓線應是雙曲線的，因為

柴油和火花點火引擎：排氣中的熱含量

柴油：燃油-空氣比可變，因此Tex可變火花點火：燃油-空氣比=1，因此Tex=常量

火花點火引擎3000轉/分

直噴柴油引擎2000轉/分

排氣溫度

流動率

柴油和火花點火發動機：排氣中的熱含量

熱含流量=質量流量*Cp*Tex

非增壓柴油機：第一種方法流量不變，但T可變

火花點火：流量可變但Tex不變，因為燃油-空氣比不變

火花點火發動機：全負荷時能量平衡

熱釋放組成〔%〕

未燃燒未完全燃燒排熱水的熱傳遞

摩擦功率計功率泵動損失與外部的對流

能量分布

燃料能量100%

〔100%〕

性能〔1〕-前言

發動機的性能由功率計〔液壓或渦流式〕或DC機記錄。

我們對不同工況下的發動機的扭矩以及發動機的速度進行監視。將結果用曲線和數據表表示。參數對應的條件是發動機速度或發動機負載〔燃油量，以mm3/沖程為單位，節流閥體的位置，X軸線〕。

一同記錄的還有其它許多參數，尤其是燃油消耗量。此方法可以給出系統〔發動機〕中引進的能量，并計算出總的效率〔將此能量與軸上測量到的Bmep的直接相比的比值〕。如果我們知道了空氣/燃油比〔通過排氣分析〕，就可能得到進氣的氣流量。

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

以下列圖為主要等式以及相關說明。

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：扭矩通過連接到功率計臂上的一個負載傳感器測量。實際使用時為方便起見，可采用2個臂長。如果我們用一米長的臂，力直接等于發動機扭矩〔FxL〕，單位為m.daN。用其它長度，將力轉換為功率，用KW/10000rpm表示，此長度等于60〔2πx10〕=0.995m，力用daN表示。

性能〔3〕-修正系數

修正后的功率和扭矩

發動機發送的能量是吸入空氣質量流的凾數。如前所知，活塞式發動機是容量式系統，而質量流量決定于測試時周圍大氣條件。比方，如果我們要比較某兩天的全負載性能，必須考慮到環境條件的變化使用修正系數。此公式由ECE-89，CEE/E-88/195〔適用于汽油發動機〕，ISO1585/D，ECER85〔適用于柴油發動機〕給出。例如，汽油發動機的修正系數為：

其中，Pas=枯燥的大氣壓=總壓力-蒸氣壓力，單位：mbar

Tadm=進口溫度〔上游過濾器〕，單位：℃

性能〔3〕-修正系數

修正后的功率和扭矩

發動機發送的能量是吸入空氣質量流量的凾數。如前所知，活塞式發動機是容量式系統，而質量流量決定于測試時周圍大氣條件。比方，如果我們要比較某兩天的全負載性能，必須考慮到環境條件的變化使用修正系數。此公式由ECE-89，CEE/E-88/195〔適用于汽油發動機〕，ISO1585/D，ECER85〔適用于柴油發動機〕給出。例如，汽油發動機的修正系數為：

其中，Pas=枯燥的大氣壓=總壓力-蒸氣壓力，單位：mbar

Tadm=進口溫度〔上游過濾器〕，單位：℃

性能〔4〕-燃油消耗

消耗：

具體消耗：

它是每小時每單位功率的燃油流量。

如果在發動機發出功率Pb〔單位kW〕時，在時間T〔秒〕內所用油的質量為mc，那么

這是總效率，燃油質量乘以較低的燃油的發熱量〔PCI〕除以消耗時間就是功率Pi。此功率與在軸上測出的功率Pb相比就是總效率。由于PCI=42000Kj/kg，我們發現

性能〔5〕-Bmep

平均有效壓力〔Bmep〕：

Bmep等于軸上的能量與發動機能力〔V〕的比值。對于四沖程發動機，發動機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動機而不必管它們的容量。對于二沖程發動機，我們必須用2π代替4π，因為它每一循環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主要決定于發動機速度，發動機的負載影響有限。以下列圖為一2升4缸發動機〔無輔助設施〕的Fmep相對發動機速度的變化情況。

性能〔7〕-容積效率

進氣流量可用流量計〔膜式，文丘里管式，CUSSN式層流計，ROOTS表….〕測量，或用燃油流量和空氣/燃油比計算。

，Pc：燃油燃燒功率;qc：燃油流量，g/s;r:濃度

第一種方