第1章發(fā)動機基本知識1.1發(fā)動機的基本工作原理

1.2發(fā)動機的總體構(gòu)造與型號編制規(guī)則

1.3發(fā)動機的性能指標與熱平衡

1.4四沖程發(fā)動機的換氣

1.5汽油機可燃混合氣的形成與燃燒

1.6柴油機可燃混合氣的形成與燃燒

1.7發(fā)動機特性

1.1發(fā)動機的基本工作原理

1.1.1四沖程汽油機的工作原理

1.基本結(jié)構(gòu)如圖1－1所示，單缸四沖程汽油機由油路、進氣門、火花塞、排氣門、凸輪軸、氣門彈簧、氣缸蓋、活塞、氣缸、連桿、曲軸、曲軸箱、噴油器、空氣濾清器等組成。

圖1-1單缸四沖程汽油機構(gòu)造示意圖

2.常用術(shù)語

(1)上、下止點：如圖1-2所示，活塞頂部離曲軸回轉(zhuǎn)中心最遠的位置稱為上止點；活塞頂部離曲軸回轉(zhuǎn)中心最近的位置稱為下止點。

圖1-2發(fā)動機常用術(shù)語示意圖

(2)活塞行程：指上、下止點間的距離S。曲軸的回轉(zhuǎn)半徑R稱為曲柄半徑，顯然S＝2R。曲軸每轉(zhuǎn)一周，活塞移動兩個行程。

(3)氣缸工作容積:指上、下止點間所包容的氣缸容積，用Vh表示,其單位是升（L）。多缸發(fā)動機各缸工作容積的總和稱為發(fā)動機工作容積（俗稱發(fā)動機排量），用VL表示。若發(fā)動機的氣缸數(shù)為i，

則

VL＝iVh

(4)燃燒室容積:指活塞在上止點時，活塞頂部上方的容積，用Vε表示。

(5)氣缸總?cè)莘e：指活塞在下止點時，活塞頂部上方的整個空間，用Va表示。氣缸總?cè)莘e等于氣缸工作容積與燃燒室容積之和，即

Va＝Vh+Vε

(6)壓縮比：指氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比，用ε表示。它表示活塞由下止點運動到上止點時，氣缸內(nèi)氣體被壓縮的程度。壓縮比越大，則壓縮終了時氣缸內(nèi)氣體的壓力和溫度就越高。汽油機的壓縮比一般為8～10，柴油機的壓縮比一般為16～22。

3.工作原理四沖程汽油機的工作循環(huán)是由進氣、壓縮、作功和排氣四個行程組成的。圖1-3為單缸四沖程汽油機的工作循環(huán)示意圖。

1)進氣行程活塞在曲軸帶動下從上止點向下止點運動,此時，進氣門開啟，排氣門關(guān)閉，如圖1-3(a)所示。在活塞移動的過程中，氣缸內(nèi)容積逐漸增大，形成一定真空度，將可燃混合氣吸入氣缸。由于進氣系統(tǒng)有阻力，進氣終了時氣缸內(nèi)氣體的壓力約為0.08～0.09MPa。可燃混合氣被氣缸壁、活塞等高溫零件及前一個循環(huán)留下的高溫殘余廢氣加熱，其溫度可升高到370～400K。

圖1-3單缸四沖程汽油機的工作循環(huán)示意圖

2)壓縮行程進氣行程結(jié)束后，活塞在曲軸的帶動下，從下止點向上止點運動。此時，進、排氣門均關(guān)閉，如圖1-3(b)所示。隨著活塞的移動，氣缸容積不斷減小，氣缸內(nèi)的可燃混合氣不斷被壓縮，其溫度、壓力同時升高。壓縮終了時，氣缸內(nèi)的壓力約為0.6～1.2MPa，溫度可達600～700K。

3)作功行程壓縮行程接近終了時(見圖1-3(c))，安裝在氣缸蓋上的火花塞產(chǎn)生電火花點燃可燃混合氣，可燃混合氣迅速燃燒，氣體的溫度、壓力迅速升高并膨脹，從而推動活塞從上止點向下止點運動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機械能。此時，進、排氣門仍然關(guān)閉。在作功行程中，燃燒氣體的最高壓力可達5～9MPa，最高溫度可達2200～2800K。隨著活塞向下止點移動，氣缸容積不斷增大，氣體壓力和溫度逐漸下降。在作功行程結(jié)束時，壓力約為0.35～0.5MPa，

溫度約為1300～1600K。

4)排氣行程作功行程終了時，排氣門打開，進氣門仍然關(guān)閉，曲軸通過連桿推動活塞從下止點向上止點運動(見圖1-3(d))，廢氣在自身剩余壓力和活塞的推動下，被排出氣缸。當活塞到達上止點時，排氣過程結(jié)束，排氣門關(guān)閉。排氣行程結(jié)束時，在燃燒室內(nèi)殘留少量廢氣，稱為殘余廢氣。因為排氣系統(tǒng)有阻力，所以此時殘余廢氣的壓力比大氣壓力略高，約為0.105～0.12MPa，溫度約為900～1200K。排氣行程終了表示一個工作循環(huán)的結(jié)束，即下一個工作循環(huán)的開始。

1.1.2四沖程柴油機的工作原理四沖程柴油機和四沖程汽油機一樣，每個工作循環(huán)也是由進氣、壓縮、作功和排氣四個行程組成的。但由于柴油機使用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸發(fā)，其自燃溫度卻比汽油低，故可燃混合氣的形成及著火方式等與汽油機有很大區(qū)別。單缸四沖程柴油機的工作原理如圖1-4所示。

圖1-4單缸四沖程柴油機工作的原理(a)進氣行程；(b)壓縮行程；(c)作功行程；(d)排氣行程1—噴油器；2—排氣門；3—進氣門；4—氣缸；5—噴油泵；

6—活塞；7—連桿；

8—曲軸

1)進氣行程在柴油機進氣行程中，進入氣缸的是純空氣。由于柴油機進氣阻力較小，殘余廢氣的溫度較低，因此進氣行程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體的壓力較高，約為0.085～0.095MPa，溫度約為310～340K。

2)壓縮行程柴油機壓縮的是純空氣，且由于柴油機壓縮比高，壓縮終了的溫度和壓力都比汽油機高，壓力可達3～5MPa，溫度可達800～1000K。

3)作功行程作功行程與汽油機有很大不同，在柴油機壓縮行程接近終了時，噴油泵將高壓柴油經(jīng)噴油器呈霧狀噴入氣缸內(nèi)的高溫空氣中，迅速汽化并借助于空氣的渦流運動，與空氣形成可燃混合氣。此時，氣缸內(nèi)的溫度遠高于柴油的自燃溫度(約500K左右)，柴油立即自行著火燃燒，且此后一段時間內(nèi)邊噴油邊燃燒，氣缸內(nèi)的壓力、溫度急劇升高，推動活塞下行作功。此行程中，瞬時壓力可達6～10MPa，瞬時溫度可達1800～2200K；作功行程終了時，壓力約為0.2～0.4MPa，

溫度約為1200～1500K。

4)排氣行程柴油機的排氣行程與汽油機的基本相同。排氣終了時，氣缸的內(nèi)壓力約為0.105～0.12MPa，溫度約為800～1000K。從上述兩種發(fā)動機的工作循環(huán)可知：在四個行程中，只有作功行程產(chǎn)生動力，其它三個行程是為作功行程做準備工作的輔助行程。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)的第一個循環(huán)時，必須有外力使曲軸旋轉(zhuǎn)完成進氣、壓縮行程。發(fā)動機完成作功行程后，可依靠曲軸和飛輪儲存的能量自行完成三個輔助行程，使發(fā)動機工作循環(huán)不斷地持續(xù)下去。

1.2發(fā)動機的總體構(gòu)造與型號編制規(guī)則1.2.1發(fā)動機的總體構(gòu)造

1.曲柄連桿機構(gòu)曲柄連桿機構(gòu)主要由氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸和飛輪等組成。其功用是將燃料燃燒時產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊耐鶑瓦\動的機械能,再通過連桿將活塞的往復運動的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動而對外輸出動力。

2.配氣機構(gòu)

配氣機構(gòu)主要由進氣門、排氣門、搖臂、推桿、凸輪軸和凸輪軸正時齒輪等組成。其功用是使可燃混合氣或空氣適時充入氣缸并及時從氣缸排出廢氣。

3.燃料供給系化油器式汽油供給系主要由汽油箱、汽油泵、汽油濾清器、化油器、空氣濾清器、進排氣歧管、排氣消聲器等組成。電子控制汽油噴射系統(tǒng)主要由汽油箱、電動汽油泵、汽油濾清器、壓力調(diào)節(jié)器、噴油器、空氣濾清器、空氣流量計或進氣壓力傳感器、水溫傳感器、進氣溫度傳感器、曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、氧傳感器、電子控制單元(ECU)、怠速控制閥、進排氣歧管、排氣消聲器等組成。

高壓油泵-噴油器的柴油機燃料供給系主要由柴油箱、柴油濾清器、輸油泵、噴油泵、噴油器、空氣濾清器、進排氣歧管、排氣消聲器等組成。柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)分為位置控制式（第一代）、時間控制式（第二代）和共軌控制式（第三代）三種類型。共軌控制式主要由加速踏板位置傳感器、油泵壓力傳感器、電子控制單元(ECU)、燃油壓力傳感器、共軌管、三通閥、高壓油泵、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器等組成。燃料供給系的功用是根據(jù)發(fā)動機的工作要求，定時、定量、定壓提供最佳濃度的可燃混合氣。

4.潤滑系

潤滑系主要由機油泵、集濾器、限壓閥、潤滑油道、機油濾清器、油底殼等組成。其功用是減小摩擦力，減緩機件磨損，并部分地冷卻摩擦零件，清洗摩擦表面。

5.冷卻系冷卻系主要由散熱器、風扇、水泵、水套等組成。其功用是將機件多余的熱量散發(fā)到大氣中，以保持發(fā)動機正常的工作溫度。

6.點火系點火系由火花塞、點火線圈、電子點火控制器或分電器、電子控制單元、高低壓電路等組成。其功用是根據(jù)發(fā)動機的工作要求，定時點燃可燃混合氣。柴油機無點火系。

7.起動系

起動系主要由起動機及其附屬裝置組成。其功用是使靜止的發(fā)動機起動并轉(zhuǎn)入自行運轉(zhuǎn)。

圖1-5上海別克君威轎車2.5L發(fā)動機前剖面圖

圖1-6上海別克君威轎車2.5L發(fā)動機側(cè)剖面圖

圖1-7WD615增壓中冷柴油機縱、橫剖視面圖(a)縱剖面圖；

(b)橫部面圖

1.2.2發(fā)動機的型號編制規(guī)則

GB/T725—1991規(guī)定，發(fā)動機的型號由阿拉伯數(shù)字（以下簡稱數(shù)字）、漢語拼音字母（以下簡稱字母）和GB1883中規(guī)定關(guān)于氣缸布置所規(guī)定的象形字符號組成。發(fā)動機的型號依次包括下列四部分：

1.首部首部由產(chǎn)品系列符號、換代標志符號和地方及企業(yè)代號組成，它由制造廠根據(jù)需要自選相應的字母來表示，但需主管部門或由主管標準化機構(gòu)核準。

2.中部中部由缸數(shù)符號、沖程符號、氣缸排列形式符號和缸徑符號組成。

3.后部后部由結(jié)構(gòu)特征符號和用途特征符號組成，它用字母表示。

4.尾部

尾部由區(qū)分符號組成。同一系列產(chǎn)品因改進等原因需要區(qū)分時，由制造廠選用適當?shù)姆杹肀硎尽０l(fā)動機的型號編制規(guī)則如圖1-8所示。

圖1-8發(fā)動機的型號編制規(guī)則

【例1-1】汽油機的型號編制：

492Q——四缸、直列、四沖程、缸徑92mm、水冷、汽車用。

EQ6100Q—1——東風汽車制造公司生產(chǎn)、直列、四沖程、六缸、缸徑100mm、水冷、汽車用、第一種變型產(chǎn)品。

【例1-2】柴油機的型號編制：

6135Q——6缸、直列、四沖程、缸徑135mm、水冷、車用。

12V135ZG——12缸、氣缸V型排列、四沖程、缸徑135mm、水冷、增壓、工程機械用。

12VE230ZCZ——12缸、氣缸V型排列、二行程、缸徑230mm、水冷、增壓、船用主機左機基本型。

1.2.3國外發(fā)動機型號的含義國外發(fā)動機型號無統(tǒng)一編制規(guī)則，由生產(chǎn)廠家自定。

1.日本豐田汽車公司發(fā)動機型號○□—□①②③①表示區(qū)分符號，用阿拉伯數(shù)字表示。②

表示系列，用一個或多個英文字母表示。

③表示結(jié)構(gòu)特征，用一個或多個英文字母表示。其中：E表示電子控制燃油噴射；T表示渦輪增壓；Z表示機械增壓；F表示頂置雙凸輪軸，由一根皮帶同時驅(qū)動；G表示頂置雙凸輪軸，一根凸輪軸由一根皮帶驅(qū)動，另一根凸輪軸由主動凸輪軸驅(qū)動。

【例1-3】1UZ—FE表示區(qū)分符號是1、UZ系列（V型8缸、進排氣門采用可變配氣相位VVT—I的機構(gòu)）、頂置雙凸輪軸，由一根皮帶同時驅(qū)動的電子控制燃油噴射的發(fā)動機。

【例1-4】3UZ—FE除了區(qū)分符號是3外，其它字母的含義與1UZ—FE相同，但3UZ—FE發(fā)動機的排量是4.3L,而1UZ—FE發(fā)動機的排量是4.0L。

2.瑞典沃爾沃汽車公司發(fā)動機型號□□○□□①②③④⑤①表示所使用的燃料，用英文字母表示，F(xiàn)為汽油機，D為柴油機。②表示發(fā)動機氣缸布置的型式，用英文字母表示，H表示直列臥式，V表示氣缸V布置。③表示發(fā)動機的排量，用阿拉伯數(shù)字表示，單位是升（L）。④表示發(fā)動機的改進型，用英文字母表示。⑤

表示發(fā)動機輸出功率，用阿拉伯數(shù)字表示，單位是馬力（匹）。

【例1-5】DH12D420表示柴油機、氣缸直列臥式、排量12L、經(jīng)改進為D型、功率是420匹的發(fā)動機。

3．奧地利斯太爾汽車公司發(fā)動機型號國產(chǎn)斯太爾重型汽車是引進奧地利斯太爾918系列重型汽車技術(shù)進行生產(chǎn)的，車用發(fā)動機是WD615系列柴油機。WD61500表示的意思如下：

W表示水冷卻式的發(fā)動機，D表示柴油機，6表示氣缸數(shù)量，15表示系列編號（單缸排量，

單位是ml），00表示機型變型編號。

4．美國康明斯發(fā)動機公司發(fā)動機型號 ○□□□○ ①②③④⑤①表示發(fā)動機的缸數(shù)，用阿拉伯數(shù)字表示。②表示發(fā)動機的系列代號，用英文字母表示。③表示廢氣渦輪增壓器，用英文字母T表示。④表示進氣中間冷卻，用英文字母A表示。⑤表示發(fā)動機的排量，用阿拉伯數(shù)字表示，單位是升（L）。

【例1-6】東風汽車公司生產(chǎn)的汽車EQ1108、EQ1118、EQ1141和EQ2100等車型使用美國康明斯柴油機6B5.9、6BT5.9、6BTA5.9，這三種柴油機表示的含義如下：

6B5.9表示B系列、6缸、自然吸氣、排量是5.9L的柴油機。

6BT5.9表示B系列、6缸、廢氣渦輪增壓、排量是5.9L的柴油機。

6BTA5.9表示B系列、6缸、廢氣渦輪增壓、進氣中間冷卻、排量是5.9L的柴油機。

1.3發(fā)動機的性能指標與熱平衡

1.3.1發(fā)動機的性能指標

1.動力性指標動力性指標是表征發(fā)動機作功能力大小的指標。一般用發(fā)動機的有效轉(zhuǎn)矩、有效功率、轉(zhuǎn)速和平均有效壓力等作為評價發(fā)動機動力性好壞的指標。

(1)有效功率：發(fā)動機對外輸出的功率，記作Pe，單位為kW。Pe可用臺架試驗方法測定，也可用測功器測定有效轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，

然后用如下公式計算出：

（1-1）

(2)有效轉(zhuǎn)矩：發(fā)動機對外輸出的轉(zhuǎn)矩，記作Me，單位為N·m。它可通過發(fā)動機臺架試驗來測定，也可用下式進行計算:（1-2）

(3）平均有效壓力：發(fā)動機單位氣缸工作容積發(fā)出的有效功，記作Ｐe。它從發(fā)動機實際輸出功的角度評定氣缸工作容積的利用率。對于氣缸工作總?cè)莘e和一定的發(fā)動機，Ｐe值大，則其對外輸出的功多，扭矩大。所以，Ｐe是發(fā)動機重要的動力性能指標。柴油機Ｐe值的一般范圍為588～980kPa；汽油機Ｐe值的一般范圍為588～1170kPa。

(4)發(fā)動機轉(zhuǎn)速：發(fā)動機曲軸每分鐘的回轉(zhuǎn)數(shù)，用n表示，單位為r／min。發(fā)動機轉(zhuǎn)速的高低，關(guān)系到單位時間內(nèi)作功次數(shù)的多少或發(fā)動機有效功率的大小，即發(fā)動機的有效功率隨轉(zhuǎn)速的不同而改變。因此，在說明發(fā)動機有效功率的大小時，必須同時指明其相應的轉(zhuǎn)速。在發(fā)動機產(chǎn)品標牌上規(guī)定的有效功率及其相應的轉(zhuǎn)速分別稱作標定功率和標定轉(zhuǎn)速。發(fā)動機在標定功率和標定轉(zhuǎn)速下的工作狀況稱作標定工況。標定功率不是發(fā)動機所能發(fā)出的最大功率，它是根據(jù)發(fā)動機用途而制定的有效功率的最大使用限度。同一種型號的發(fā)動機，當其用途不同時，其標定功率值并不相同。

2.經(jīng)濟性指標

發(fā)動機的經(jīng)濟性指標包括有效熱效率和有效燃油消耗率等。(1)有效熱效率：燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為有效功的百分數(shù)，記作ηe。這說明，為獲得一定數(shù)量的有效功所消耗的熱量越少，有效熱效率越高，發(fā)動機的經(jīng)濟性越好。

(2）有效燃油消耗率:發(fā)動機每輸出1kW·h的有效功所消耗的燃油量，記作ge，單位為g/(kW·h)。有效燃油消耗率越低，

經(jīng)濟性越好。ge可用測功器與油耗儀來測定。

3．強化指標

強化指標是指發(fā)動機承受熱負荷和機械負荷能力的評價指標。評價指標主要是升功率，記作PL。升功率是指發(fā)動機在標定工況下，單位發(fā)動機排量輸出的有效功率。升功率大，表明每升氣缸工作容積發(fā)出的有效功率大，發(fā)動機的熱負荷和機械負荷都高。PL是從發(fā)動機有效功率出發(fā)，對其氣缸工作容積的利用率作總的評價。PL值愈大，則發(fā)動機強化程度愈高。提高PL的主要措施是提高Pe和n。柴油機PL值的一般范圍為11～25.8kW/L；汽油機PL值的一般范圍為22～55kW/L。

4.緊湊性指標緊湊性指標是用來表征發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)緊湊程度的指標，通常用比容積和比質(zhì)量衡量。

(1)比容積：發(fā)動機的外廓體積與其標定功率的比值。

(2)比質(zhì)量：發(fā)動機的干質(zhì)量與其標定功率的比值。干質(zhì)量是指未加注燃油、機油和冷卻液的發(fā)動機質(zhì)量。

比容積和比質(zhì)量越小，發(fā)動機的結(jié)構(gòu)越緊湊。

5.環(huán)境保護指標

環(huán)境保護指標主要指發(fā)動機污染物的排放量和噪聲分貝量。由于它關(guān)系到人類的健康及其賴以生存的環(huán)境，因此各國政府都制定出了嚴格的控制法規(guī)，這是控制機動車排氣污染的有效措施。當前，發(fā)動機污染物的排放量和噪聲分貝量已成為發(fā)動機的重要性能指標。

在發(fā)動機污染物的排放量方面，主要限制一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)及除水以外的任何液體或固體微粒的排放量。目前，除了北京、上海和廣州新增車輛實施國Ⅲ標準(見表1-1)，其他省市執(zhí)行國Ⅱ標準。實施國Ⅲ標準，能大幅降低新車的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物以及顆粒物等污染物的排放總量。據(jù)專家研究，7輛執(zhí)行國Ⅱ標準的汽車，相當于1輛化油器車的污染物排放量，14輛執(zhí)行國Ⅲ標準的汽車，才相當于1輛化油器車的污染物排放量。

表1-1

機動車國Ⅲ標準

機動車國Ⅲ標準與國Ⅱ標準的主要區(qū)別有以下幾方面：

(1)加嚴了污染物排放限值，平均污染物排放量削減50%以上。

(2)改變了部分試驗規(guī)程。

(3)增加了-7℃低溫冷起動試驗要求和雙怠速試驗內(nèi)容。

(4)增加了OBD系統(tǒng)及其功能的要求。OBD系統(tǒng)是OnBoardDiagnostics的縮寫，中文翻譯為“車載自動診斷系統(tǒng)”。這個系統(tǒng)將從發(fā)動機的運行狀況隨時監(jiān)控汽車的尾氣是否超標，若超標，則會馬上發(fā)出警示。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障燈或檢查發(fā)動機警告燈亮，同時動力總成控制模塊（PCM）將故障信息存入存儲器。根據(jù)故障碼的提示，維修人員能迅速、準確地確定故障的性質(zhì)和部位。

(5)增加了在用車符合性檢查及其判定規(guī)程。

(6)對試驗用燃料提出了更嚴格的要求。噪聲是指對人的健康造成不良影響及對學習、工作和休息等正?；顒影l(fā)生干擾的聲音。由于汽車是城市中的主要噪聲源之一，而發(fā)動機又是汽車的主要噪聲源，因此控制發(fā)動機的噪聲就顯得十分重要。我國機動車噪聲控制的范圍在90～115dB之間。

6.可靠性指標可靠性指標是表征發(fā)動機在規(guī)定的使用條件下，正常持續(xù)工作能力的指標?？煽啃杂卸喾N評價方法，如首發(fā)故障行駛里程、平均故障間隔里程、主要零件的損壞率等。

7.耐久性指標

耐久性指標是指發(fā)動機的主要零件磨損到不能繼續(xù)正常工作的極限時間，通常用發(fā)動機的大修里程，即發(fā)動機從出廠到第一次大修之間汽車行駛的里程數(shù)來衡量。大修里程的長短與發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點、強化程度、零件的材料及加工精度和使用條件等諸多因素有密切關(guān)系。

1.3.2發(fā)動機的熱平衡在發(fā)動機的氣缸中，燃料燃燒后所放出的總熱量，只有25%～40%轉(zhuǎn)化為有效功。其他部分均以不同方式散失于外界。燃料燃燒發(fā)出的總熱量在有效功和各種損失之間的分配利用情況，稱為發(fā)動機的熱平衡。它通常由實驗測定。研究熱平衡對改善發(fā)動機的熱力過程與設計、使用都有重要的意義。燃料燃燒發(fā)出的總熱量QI大體分配如下：

(1)化為有效功的熱量Qe。Qe愈大，即轉(zhuǎn)化為有效功的熱量愈多，發(fā)動機熱效率愈高。對于汽油機，Qe與QI的比值為20%～30%；對于柴油機，Qe與QI的比值為30%～40%。

(2)傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量Qs。冷卻介質(zhì)指冷卻水或冷卻空氣以及潤滑油等。在這部分損失的熱量中，包括工作循環(huán)中的工質(zhì)向氣缸壁及燃燒室壁的傳熱損失，廢氣通過排氣道時傳給冷卻介質(zhì)的熱量，由機械摩擦產(chǎn)生而傳給冷卻介質(zhì)的熱量。

(3)廢氣帶走的熱量Qr。廢氣排出時，溫度很高，所以廢氣帶走的熱量占大多數(shù)。對于汽油機，Qr與QI的比值為40%～45%；對于柴油機，Qr與QI的比值為是35%～40%。柴油機的燃氣膨脹充分，排氣溫度低。所以，柴油機廢氣帶走的熱量比汽油機的少。

(4)其它熱損失QL。這部分包括所有未計及的熱損失，如輻射熱損失、不完全燃燒損失等。QL與QI的比值約為5%。1.3.3機械損失

1.機械損失的組成

1)發(fā)動機內(nèi)部運動件的摩擦損失摩擦損失約占整個機械損失的60%～75%。在摩擦損失中，活塞和活塞環(huán)與氣缸壁間的摩擦所占比例最大。因其摩擦面積大，相對速度高，潤滑又不好；其次是軸承與軸頸之間的摩擦；氣門傳動機構(gòu)的摩擦等。

2)驅(qū)動附屬機構(gòu)的損耗這部分損失約占全部損失的10%～20%。它包括驅(qū)動配氣機構(gòu)、冷卻水泵、風扇、機油泵、

噴油泵、調(diào)速器、點火裝置等的損耗。

3)泵氣損失進、排氣過程所消耗的功在測定機械損失時很難分離出去，所以把它包括在機械損失中。它約占全部機械損失的10%～20%。機械損失功率可通過發(fā)動機臺架試驗測定。

常用的試驗方法有倒拖法和滅缸法。

2.機械效率

有效功率Pe和指示功率Pi(在單位時間內(nèi)，發(fā)動機完成一個工作循環(huán)工質(zhì)對活塞所作的功)的比值，稱為機械效率，記作ηm。

ηm用于比較各種不同發(fā)動機的機械損失大小。ηm值愈高，說明機械損失愈小，發(fā)動機性能愈好。

3.影響機械損失的主要因素

1)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速n升高時，機械損失的各組成部分均有顯著的增加。n升高，各摩擦面間的相對速度加大，而且運動件的慣性力加大，使活塞的側(cè)壓力和軸承負荷增加，因此，機械損失增加。

2)發(fā)動機的負荷發(fā)動機的負荷通常是指發(fā)動機的阻力矩大小。由于平均有效壓力正比于扭矩，故常用它來表示負荷。有時也用功率或其百分數(shù)來表示負荷。由于機械損失的主要成分是摩擦損失，而摩擦損失主要取決于機件的相對運用速度，故轉(zhuǎn)速一定由負荷減少（發(fā)動機的阻力矩減少，相應地減少油門開度）時，機械損失的有效功率基本不變，而指示功率減少很多，使發(fā)動機的機械效率下降。當有效功率為零時，指示功率全部用來克服機械損失的功率，機械效率為零。

3)潤滑油的品質(zhì)和冷卻液的溫度潤滑油的粘度直接影響摩擦損失的大小。粘度大，摩擦損失大，但其承載能力強，易于保持液體潤滑狀態(tài)。潤滑油的粘度不僅與其品種牌號有關(guān)，還受溫度的影響，溫度升高，粘度減小。選用潤滑油的粘度應根據(jù)發(fā)動機的性能和使用條件，在保證潤滑可靠的前提下，盡量選用粘度較小粘度隨溫度的變化小的潤滑劑。

冷卻液的溫度直接影響著潤滑油的溫度，也就影響摩擦損失的大小。當油溫偏低時，因其粘度增大，所以機械損失功率增加，正如發(fā)動機在冷起動和暖車過程中，機械損失功率特別大；當油溫偏高時，因其粘度降低，摩擦表面的油膜被破壞，出現(xiàn)半干摩擦狀態(tài)，所以摩擦損失增加。在使用中，應嚴格保持發(fā)動機的潤滑油和冷卻液的溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。如水溫一般為85～95℃。為減小摩擦損失，還應特別注意機油濾清器的保養(yǎng)，

按規(guī)定更換潤滑油。

1.4四沖程發(fā)動機的換氣

1.4.1四沖程發(fā)動機換氣過程分析

1．換氣過程發(fā)動機上一個循環(huán)的排氣門開啟直到下一個循環(huán)的進氣門關(guān)閉的整個時期，稱為四沖程發(fā)動機的換氣過程，它約占410°～480°曲軸轉(zhuǎn)角。根據(jù)氣體的流動特點，換氣過程可分為自由排氣、

強制排氣和進氣三個階段，如圖1-9所示。

圖1-9換氣過程中氣缸和排氣管內(nèi)壓力變化及進排氣門的開啟面積

(1）自由排氣階段。排氣門開始開啟到氣缸內(nèi)壓力接近于排氣管內(nèi)壓力的時期，稱為自由排氣階段。此階段一般在下止點前開始，為了減小排氣所消耗的功及在排氣行程開始時，排氣門有較大的開度，排氣門應提前開啟，一般提前40°～80°的曲軸轉(zhuǎn)角開啟，即排氣門提前角，用φp1表示。

(2）強制排氣階段。上行的活塞將廢氣強制排出的階段，稱為強制排氣階段。如果排氣門在活塞到達上止點時關(guān)閉，則在活塞接近上止點時，排氣門的開度已經(jīng)很小，這會增大排氣阻力，使氣缸內(nèi)殘余廢氣量增加，且增加排氣所消耗的功，因此，排氣門一般遲關(guān)10°～30°的曲軸轉(zhuǎn)角，即排氣遲后角，用φp2表示。整個過程的持續(xù)時間相當于轉(zhuǎn)角230°～290°。

(3）進氣過程。在強制排氣的后期，當活塞處于上止點前某一曲軸轉(zhuǎn)角時，進氣門就開始打開；當活塞到達上止點，進氣行程開始時，進氣門已有較大的開啟面積，可使新鮮氣體順利充入氣缸。從進氣門打開到上止點這段曲軸轉(zhuǎn)角，稱為進氣提前角φj1，一般為10°～30°。當進氣行程結(jié)束，活塞到下止點后某一曲軸轉(zhuǎn)角時，進氣門關(guān)閉。其目的是利用氣流的慣性與壓力差(p0～p)繼續(xù)向氣缸內(nèi)充氣，增加充氣量。進氣遲后角φj2為40°～80°。整個進氣過程持續(xù)時間相當于曲軸轉(zhuǎn)角230°～290°。由于排氣門遲后關(guān)閉，進氣門提前開啟而存在著進、排氣門同時開啟的現(xiàn)象，稱為氣門疊開。氣門疊開期間進氣管、氣缸、排氣管連通起來，可以利用氣流壓力差和慣性清除缸內(nèi)廢氣，增加進氣量。非增壓發(fā)動機的氣門疊開角為20°～60°曲軸轉(zhuǎn)角。若氣門疊開角過大，可能會引起廢氣倒流入進氣管的現(xiàn)象。將進氣門、排氣門的實際開閉時刻用相對于上、下止點位置的曲軸轉(zhuǎn)角的環(huán)形圖表示，稱為配氣相位圖，如圖1-10所示。

圖1-10非增壓發(fā)動機的配氣相位圖

2．換氣損失與泵氣損失1）換氣損失換氣損失分排氣損失和進氣損失兩部分，

如圖1-11所示。

圖1-11四沖程發(fā)動機的換氣損失

（1）排氣損失。從排氣門提前打開到進氣行程開始，缸內(nèi)壓力達到進氣管內(nèi)壓力前循環(huán)功的損失，稱為排氣損失。它可以分為自由排氣損失和強制排氣損失。自由排氣損失：由于排氣門提前打開，排氣壓力線從b′點開始偏離理論循環(huán)膨脹線而引起膨脹功的減少，圖中用面積W表示。強制排氣損失：活塞將廢氣推出所消耗的功，圖中用面積Y表示。若排氣提前角φp1增大，則面積W增大，而面積Y相應減??；反之，若φp1減小，則W減小，Y增大。最有利的φp1應使面積(W+Y)為最小，即排氣損失最小。(2)進氣損失。進氣過程中克服進氣系統(tǒng)的阻力所消耗的功，稱為進氣損失，圖中用面積X表示。它比排氣損失小。

進氣損失與排氣損失之和，

即為換氣損失，用面積(W+X+Y)表示。

2）泵氣損失

泵氣損失是換氣損失的一部分，

用面積(X+Y-d)表示。

1.4.2充氣系數(shù)在發(fā)動機進氣過程中，實際進入氣缸的新鮮充量與在進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的比值，稱為充氣系數(shù)，用符號ηv表示，即式中：ΔG、Δm——實際進氣氣缸的新鮮充量的重量、質(zhì)量；

ΔＧ0、Δm0——進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的重量、質(zhì)量。所謂進氣狀態(tài)，是指空氣濾清器后進氣管內(nèi)的氣體狀態(tài)。為測量上的方便，在非增壓發(fā)動機上一般都采用當時的大氣狀態(tài)。在增壓發(fā)動機上采用增壓器出口狀態(tài)。由式(1-3)可見，充氣系數(shù)與氣缸容積無關(guān)，因而，可用來評定不同排量的發(fā)動機換氣過程的良好程度。ηv的值越大，說明每循環(huán)實際充氣量越多，每循環(huán)可燃燒的燃料隨之增加，因而單位氣缸工作容積的有效功及發(fā)動機的扭矩和功率也越大,發(fā)動機的動力性好。因此，總是希望ηv值高。但對于非增壓的發(fā)動機來說，ηv總是小于1的。因為進氣終了的壓力總是低于大氣壓力，進氣終了的溫度總是高于大氣的溫度。實際發(fā)動機的充氣系數(shù)多用實驗方法測定。一般非增壓的發(fā)動機在全負荷工況工作時汽油機的ηv數(shù)值的大致范圍為0.75～0.85；柴油機的ηv數(shù)值的大致范圍為0.75～0.90。實踐證明：提高充氣系數(shù)可增加發(fā)動機的功率和扭矩。在使用中保持充氣系數(shù)ηv正常的措施如下：

(1）加強日常維護，保持空氣濾清器的清潔，按規(guī)定更換濾芯。

(2）在低溫使用發(fā)動機時，要對進氣管進行加熱。

(3）要定期檢查與調(diào)整配氣相位，使之符合要求。

(4）進氣管接頭連接完好，防止進氣管凹癟、破損、堵塞和老化。1.4.3可變進氣管控制系統(tǒng)

1．控制原理發(fā)動機工作時，由于進氣過程具有間歇性和周期性，空氣在進氣管內(nèi)流動時會產(chǎn)生一種壓力波，這種壓力波對發(fā)動機的進氣量會產(chǎn)生一定的影響。如，在進氣門關(guān)閉前夕，傳到進氣門處的正壓波可以以較高壓力將空氣送入氣缸內(nèi)，起到了增壓作用，從而達到了提高進氣量的效果。進氣管長度、直徑等進氣系統(tǒng)參數(shù)都會改變進氣壓力波，因而適當?shù)卣{(diào)整和控制這些參數(shù)，

可以有效地利用進氣壓力波提高充氣效率。

2．控制方法

對于由一定長度和直徑的進氣歧管、進氣總管和氣室組成的進氣系統(tǒng)，在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可以增加進氣量和發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩，但不能同時兼顧高、低轉(zhuǎn)速時的進氣量和轉(zhuǎn)矩。為了充分利用進氣波動效應，電控燃油噴射的發(fā)動機采用了諧波進氣控制系統(tǒng)(ACIS)，即可變進氣管系統(tǒng)。實驗證明，在中低轉(zhuǎn)速時，較細長的進氣管充氣效果較好；而在高轉(zhuǎn)速時，粗短的進氣管充氣效果較好。因此，對于采用多點燃油噴射系統(tǒng)的汽油機來說，可以按照氣體壓力波傳播的特點設計進氣道，使進氣道的長度、形狀都可以改變?？衫眠M氣動態(tài)效應來提高充氣效率。

1)進氣管長度可變結(jié)構(gòu)圖1-12為一種能根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化而自動改變進氣管有效長度的進氣控制系統(tǒng)示意圖。當發(fā)動機中低速運轉(zhuǎn)時，電腦5指令轉(zhuǎn)換閥3關(guān)閉，空氣沿彎曲而細長的進氣管進入氣缸，細長的進氣管增強了氣流的慣性，提高了進氣速度，進氣量增多；當發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)換閥3開啟，空氣直接進入短粗的進氣管，

短粗的進氣管阻力小，使進氣量增多。

圖1-12進氣管長度可變結(jié)構(gòu)1—空氣濾清器；

2—節(jié)氣門；

3—轉(zhuǎn)換閥；

4—轉(zhuǎn)換閥控制機構(gòu)；

5—電腦

2）進氣管截面可變結(jié)構(gòu)圖1-13為一種能根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化而自動改變進氣管有效截面的進氣控制系統(tǒng)示意圖。圖中顯示每個氣缸：有4個氣門(兩個進氣門和兩個排氣門)，2個進氣門各配有一個進氣管道，其中一個進氣管道中裝有進氣轉(zhuǎn)換閥。當發(fā)動機低轉(zhuǎn)速中、小負荷工作時，轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉，發(fā)動機進氣管道的有效截面變小，此時進氣流速提高，進氣慣性增大，可提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩；當發(fā)動機高轉(zhuǎn)速大負荷工作時，電腦指令轉(zhuǎn)換閥開啟，兩條進氣管道同時工作，此時進氣截面增加，進氣阻力減小，充氣量增加，可提高發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時的動力性。

圖1-13進氣管截面可變結(jié)構(gòu)

1.4.4增壓技術(shù)及其作用增壓技術(shù)是將空氣預先壓縮后送入氣缸，是增加進氣量、提高充氣系數(shù)的一項技術(shù)措施。由于進氣量的增加，可相應地增加燃油供油量，從而增加發(fā)動機的功率。同時，增壓還可以改善燃油經(jīng)濟性。實踐證明，在汽車發(fā)動機上采用渦輪增壓或機械增壓，當汽車以正常的經(jīng)濟車速行駛時，不僅可以獲得相當好的燃油經(jīng)濟性，而且還會因發(fā)動機功率的增加而得到駕駛員所期望的良好的加速性。

1．增壓的種類增壓有機械增壓、渦輪增壓和氣波增壓等三種基本類型。實現(xiàn)空氣增壓的裝置稱為增壓器。各種增壓類型所用的增壓器分別稱為機械增壓器、渦輪增壓器和氣波增壓器。機械增壓器由發(fā)動機曲軸經(jīng)齒輪增速器驅(qū)動，或由曲軸齒形傳動帶輪經(jīng)齒形傳動帶及電磁離合器驅(qū)動。

渦輪增壓器是將發(fā)動機排出的廢氣引入渦輪機，利用廢氣所包含的能量推動渦輪機葉輪旋轉(zhuǎn)，并帶動與其同軸安裝的壓氣機葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機內(nèi)增壓后進入氣缸。渦輪增壓也稱廢氣渦輪增壓，渦輪增壓器與發(fā)動機沒有機械的聯(lián)系。氣波增壓器中有一個特殊形狀的轉(zhuǎn)子，由發(fā)動機曲軸帶輪經(jīng)傳動帶驅(qū)動。在轉(zhuǎn)子中發(fā)動機排出的廢氣直接與空氣接觸，

利用排氣壓力波使空氣受到壓縮，

以提高進氣壓力。

2．渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理

車用渦輪增壓器由離心式壓氣機和徑流式渦輪機及中間體三部分組成(見圖1-14)。增壓器軸5通過兩個浮動軸承9支承在中間體14內(nèi)。中間體內(nèi)有潤滑和冷卻軸承的油道，還有防止?jié)櫥吐┤雺簹鈾C或渦輪機中的密封裝置等。

圖1-14渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)

1）離心式壓氣機如圖1-14所示，離心式壓氣機由進氣道6、壓氣機葉輪3、無葉式擴壓管2及壓氣機蝸殼1等組成。葉輪包括葉片和輪轂，并由增壓器軸5帶動旋轉(zhuǎn)。當壓氣機旋轉(zhuǎn)時，空氣經(jīng)進氣道進入壓氣機葉輪，并在離心力的作用下沿著壓氣機葉片之間形成的流道，從葉輪中心流向葉輪的周邊?？諝鈴男D(zhuǎn)的葉輪獲得能量，使其流速、壓力和溫度均有較大的增高，然后進入無葉式擴壓管。擴壓管為漸擴形流道，空氣流過擴壓管時減速增壓，溫度也有所升高。即在擴壓管中，空氣所具有的大部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。壓氣機葉輪由鋁合金精密鑄造，蝸殼也用鋁合金鑄造。

2）徑流式渦輪機渦輪機是將發(fā)動機排氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的裝置。徑流式渦輪機由蝸殼、噴管、葉輪和出氣道等組成。如圖1-14所示，渦輪機殼13的進口與發(fā)動機排氣管相連，發(fā)動機排氣經(jīng)渦輪機殼引導進入葉片式噴管。噴管是由相鄰葉片構(gòu)成的漸縮形流道。排氣流過噴管時降壓、降溫、增速、膨脹，使排氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。由噴管流出的高速氣流沖擊葉輪10，并在葉片所形成的流道中繼續(xù)膨脹作功，推動葉輪旋轉(zhuǎn)。

渦輪機葉輪經(jīng)常在900℃高溫的排氣沖擊下工作，并承受巨大的離心力作用，所以采用鎳基耐熱合金鋼或陶瓷材料制造。用質(zhì)量輕并且耐熱的陶瓷材料可使渦輪機葉輪的重量大約減輕2/3，渦輪增壓加速滯后的問題也在很大程度上得到改善。

1.5汽油機可燃混合氣的形成與燃燒

1.5.1車用汽油

1.使用性能

1）汽油的蒸發(fā)性汽油的蒸發(fā)性可通過燃料的蒸餾試驗來測定。將100mL的汽油按規(guī)定的方法進行加熱使其沸騰，然后將汽油蒸氣通過冷凝裝置冷卻為液體，從冷凝管中流出的第一滴汽油時的溫度，到蒸餾結(jié)束時的最高溫度，就是汽油的“沸點范圍”。餾出10mL、50mL、90mL時的溫度分別稱為10%、50%、90%蒸發(fā)溫度。

10%蒸發(fā)溫度表示汽油中含輕質(zhì)餾分的多少，它在冷起動時就有可能使較多的汽油蒸氣與空氣混合形成可燃混合氣，從而使發(fā)動機容易起動。

50%蒸發(fā)溫度表明汽油中中間餾分的多少,它表示汽油的平均蒸發(fā)性,影響汽油機的預熱時間、加速性能和工作穩(wěn)定性。

90%蒸發(fā)溫度和終餾點表示汽油中重質(zhì)餾分含量的多少。此溫度越低，表明汽油中重餾分含量越少，越有利于可燃混合氣均勻分配到各氣缸，

同時也可使汽油的燃燒更為完全。

2）燃料的熱值燃料的熱值是指1kg燃料完全燃燒后所產(chǎn)生的熱量。汽油的熱值約為44000kJ/kg。

3）抗爆性抗爆性是指汽油在汽油機內(nèi)燃燒時不產(chǎn)生爆燃的性能，它是汽油的一項主要性能指標。汽油抗爆性的評價指標通常用辛烷值表示。汽油的辛烷值愈高，其抗爆性愈好，使發(fā)動機有可能采用較高的壓縮比，

有利于提高發(fā)動機的熱效率。

4）氧化安定性

汽油的氧化安定性是指熱穩(wěn)定性，

即防止生成高溫沉積物的能力。

2.車用汽油標準

1）我國車用無鉛汽油標準按照GB17930—1999《車用無鉛汽油》標準,我國車用無鉛汽油按研究法辛烷值（RON）劃分為90號、93號和95號三個牌號,其對應的抗爆指數(shù)不小于85、88和90。為了與國際接軌，隨后又增加了97號汽油。符合GB17930—1999《車用無鉛汽油》標準的汽油稱為高標準清潔汽油。

2）我國車用乙醇汽油標準乙醇汽油是指在不添加含氧化合物的液體烴中加入一定量變性燃料乙醇后形成的點燃式內(nèi)燃機的燃料。

車用乙醇汽油按研究法辛烷值（RON）劃分為90號、

93號、

95號和97號。

3.車用汽油的選用

(1)使用汽車廠家規(guī)定的汽油牌號。

(2)根據(jù)發(fā)動機壓縮比來選擇汽油牌號，壓縮比越大，汽油的牌號越高。

(3)注意汽油質(zhì)量是影響汽車技術(shù)性能和汽車排放的重要因素。

(4)區(qū)分季節(jié)，選擇汽油的蒸氣壓，冬季應選擇蒸氣壓較大的汽油，夏季應選擇蒸氣壓較小的汽油。

(5)在儲存和使用中應注意防火、

防爆，

避免中毒。

1.5.2可燃混合氣的形成過程

1.化油器式汽油機可燃混合氣的形成過程空氣經(jīng)空氣濾清器進入化油器，流經(jīng)喉管時，流速增加，壓力降低，在喉管中形成一定的真空度，將汽油從浮子室經(jīng)主噴管吸出，被吸出來的汽油正好噴入流過喉管的空氣中，在高速空氣流的沖擊下被霧化成細小顆粒，并不斷蒸發(fā)、擴散，與空氣混合成可燃混合氣。

2.電子控制汽油噴射式可燃混合氣的形成過程現(xiàn)代汽油機大多數(shù)為進氣道間歇式多點噴射系統(tǒng)（MPI）。在排氣行程末和進氣行程初，在發(fā)動機電子控制單元（ECU）的控制下，噴油器噴射出來的霧狀汽油在進氣門前方的進氣道中或直接噴入氣缸(缸內(nèi)噴射)，與空氣進行初步混合后，經(jīng)進氣門進入氣缸，在氣缸內(nèi)汽油又不停地進行著吸熱、蒸發(fā)、汽化與空氣進一步混合，直至壓縮行程接近終了，才形成良好的可燃混合氣。

1.5.3可燃混合氣的濃度表示方法

1.空燃比空燃比就是混合氣中所含空氣質(zhì)量(kg)與燃料質(zhì)量(kg)的比值，即

理論上，1kg汽油完全燃燒需要空氣14.7kg，即空燃比為14.7。這種空燃比的混合氣稱為理論混合氣。若可燃混合氣的空燃比小于14.7，則稱為濃混合氣，若空燃比大于14.7，則稱為稀混合氣。應當指出，對于不同燃料，其理論空燃比數(shù)值是不同的。

2.過量空氣系數(shù)

過量空氣系數(shù)是在燃燒過程中，實際供給的空氣質(zhì)量與理論上燃料完全燃燒時所需的空氣質(zhì)量之比，也等于實際空燃比與理論空燃比之比，

即

由上面的定義式可知：無論使用何種燃料，α＝1的可燃混合氣即為理論混合氣(又稱為標準混合氣)；α＜1的為濃混合氣；α＞1的則為稀混合氣?？扇蓟旌蠚獾臐舛葘Πl(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性有很大影響。理論混合氣(α=1)——理論上推算的完全燃燒的混合氣濃度。實際上，由于時間和空間條件的限制，汽油不可能及時與空氣絕對均勻混合，實現(xiàn)完全燃燒。稀混合氣(α>1)——可以保證所有的汽油分子獲得足夠的空氣而實現(xiàn)完全燃燒，因而經(jīng)濟性最好，故稱為經(jīng)濟混合氣。常用經(jīng)濟混合氣的α值多在1.05～1.15范圍內(nèi)。若混合氣過稀(α>1.15)，則會因空氣量過多，燃燒速度減慢，熱量損失加大，從而導致發(fā)動機過熱，動力性和經(jīng)濟性變差。濃混合氣(α<1)——由于汽油分子相對較多，混合氣燃燒速度快、壓力大、熱損失小，發(fā)動機輸出功率大，因此稱其為功率混合氣，其α值多在0.85～0.95范圍內(nèi)。功率混合氣中空氣相對較少，不能完全燃燒，因此經(jīng)濟性較差。若混合氣過濃(α<0.88)，則燃燒很不完全，產(chǎn)生大量的CO，并在高溫高壓的作用下析出游離的碳，導致發(fā)動機排氣冒黑煙，放炮，燃燒室積炭，動力性和經(jīng)濟性變差，排放污染加劇。1.5.4發(fā)動機工況對可燃混合氣濃度的要求發(fā)動機工況是發(fā)動機在某一時刻運行狀況的簡稱，它可用該時刻發(fā)動機輸出的有效功率和發(fā)動機轉(zhuǎn)速表示。但通常用負荷和發(fā)動機轉(zhuǎn)速來表示發(fā)動機工況。負荷是指發(fā)動機在某一轉(zhuǎn)速下發(fā)出的有效功率與相同轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大有效功率的比值，用百分數(shù)表示。發(fā)動機的負荷也可用節(jié)氣門的開度來表示。如節(jié)氣門全關(guān)，負荷為零；節(jié)氣門全開，負荷為100%。在汽車行駛的大部分時間內(nèi)，發(fā)動機是在中等負荷下工作的。如轎車發(fā)動機的負荷經(jīng)常為40%～80%，貨車發(fā)動機的負荷則為70%～80%。

1.怠速和小負荷工況

怠速是指發(fā)動機對外無功率輸出的工況，作功行程產(chǎn)生的動力只用來克服發(fā)動機的內(nèi)部阻力，維持發(fā)動機以最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。電控汽油機怠速轉(zhuǎn)一般為700～900r/min。在怠速工況下，進入氣缸內(nèi)的混合氣很少，氣缸內(nèi)殘余廢氣對混合氣稀釋嚴重，使燃燒速度減慢甚至熄火；又因轉(zhuǎn)速低，空氣流速小，汽油霧化，汽化不良，與空氣混合不均勻，使混合氣燃燒不良甚至熄火。因此，要求供給少量的濃混合氣(α=0.6～0.8)。發(fā)動機的負荷在25%以下的稱為小負荷。由于小負荷時，節(jié)氣門略開，混合氣的數(shù)量和品質(zhì)有所提高，廢氣對混合氣的稀釋作用也有所減弱，因而混合氣濃度可以略為減小(α=0.7～0.9)。

2.中等負荷工況

發(fā)動機的負荷在25%～85%之間的稱為中等負荷。由于節(jié)氣門開度較大，故進入氣缸的混合氣數(shù)量增多，燃燒條件較好。此外，由于發(fā)動機大部分的時間處在中等負荷下工作，為提高發(fā)動機的經(jīng)濟性，應供給較稀的可燃混合氣(α=0.9～1.1)。

3.大負荷和全負荷工況發(fā)動機的負荷在85%以上和100%的分別稱為大負荷和全負荷。此時，為了克服較大的外部阻力，或加速行駛，要求發(fā)動機發(fā)出盡可能大的功率。因此，必須將節(jié)氣門開大到接近全開或全開，供給濃的可燃混合氣(α=0.85～0.95)。1.5.5正常燃燒過程高速汽油機的燃燒過程持續(xù)時間很短。通常借助展開示功圖分析汽油機的燃燒過程。展開示功圖的橫坐標為曲軸轉(zhuǎn)角￠，縱坐標為氣缸內(nèi)氣體壓力p，故展開示功圖也稱為p-￠圖。為研究方便，可根據(jù)展開示功圖上壓力變化的特征，

將汽油機的燃燒過程劃分為三個階段，如圖1-15所示。

圖1-15汽油機的燃燒過程Ⅰ—著火延遲期；Ⅱ—急燃期；Ⅲ—補燃期；θ—點火提前角1—開始點火；

2—形成火焰中心；

3—最高壓力點

1.著火延遲期

著火延遲期是指從電火花點火開始到火焰中心形成的階段。如圖1-15中的Ⅰ線段所示，火花塞在1點跳火，火焰出現(xiàn)在2點稍前，氣缸壓力線在2點開始偏離壓縮壓力線。這一階段約占整個燃燒時間的15%左右。著火延遲期內(nèi)，混合氣進行著火準備。汽油機在壓縮過程中，是燃料與空氣的無效混合氣受到壓縮，燃燒與空氣中的氧已經(jīng)開始進行化學反應，并且隨著混合氣的溫度和壓力的升高，反應逐漸加速。在火花塞跳火以后，電火花的高能量，使火花塞間隙處混合氣的溫度急劇升高，極大地加速了燃料的氧化反應，經(jīng)過一段時間以后，形成了明顯燃燒的火焰核心。在著火延遲期中，僅在混合氣的局部有熱量放出和積累(火花塞電極附近的較小范圍內(nèi))，對整個氣缸的壓力影響很小。因此，氣缸壓力較壓縮壓力無明顯變化。

2.急燃期急燃期是指從火焰中心形成開始到氣缸內(nèi)出現(xiàn)最高壓力為止的階段。如圖1-15中的Ⅱ線段所示，在此期間，從穩(wěn)定的火源向周圍進行火焰?zhèn)鞑?，形成火焰前峰。在火焰前峰?nèi)，可燃混合氣進行急劇的化學反應，溫度迅速提高，可燃混合氣迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵a(chǎn)物?；鹧媲胺逡阅骋换鹧娴膫鞑ニ俣仍谖慈蓟旌蠚庵型七M。在火焰前峰通過以后，大部分的反應結(jié)束。在這個階段，火焰燒遍整個燃燒室，故也稱火焰?zhèn)鞑r期。由于混合氣的主要部分在急燃期內(nèi)燃燒完畢，燃料熱能的絕大部分在急燃期間放出，因此氣缸的溫度、壓力迅速升高。急燃期是燃燒過程的主要階段，其放熱量和放熱規(guī)律直接影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和發(fā)動機工作的粗暴程度。

3.補燃期補燃期是指從最高壓力出現(xiàn)到燃油基本上完全燃燒的階段。如圖1-15中的Ⅲ淺段所示，它從3點開始，終點很難判斷。在此階段，主要是少量未燃燒的燃油、不完全燃燒的中間產(chǎn)物，以及貼附在氣缸壁面的混合氣層繼續(xù)燃燒放熱。由于汽油機的燃燒溫度很高，壓力又較低，因此某些燃燒產(chǎn)物(如CO2、H2O)在第Ⅱ階段因高溫作用而離解產(chǎn)生H2、O2、CO，在膨脹行程溫度下降以后又部分復合放出熱量。由于補燃期混合氣的燃燒速率下降和活塞向下止點加速移動，故氣缸內(nèi)壓力從3點開始下降。補燃期是處在膨脹行程中，燃燒放熱量得不到充分利用，因此為了提高發(fā)動機的熱效率，補燃量應盡可能減少。

1.5.6不正常燃燒

1.爆震燃燒

1）現(xiàn)象與危害在汽油機的燃燒過程中，燃燒室內(nèi)有明顯的火焰前鋒在推進?；鹧媲胺降奈慈蓟旌蠚馐艿揭讶蓟旌蠚鈴娏业膲嚎s和熱輻射作用，其壓力和溫度都急劇增高。如果火焰前鋒到達以前，未燃混合氣已達到它的自燃溫度而自行著火，形成新的火焰中心，產(chǎn)生新的火焰?zhèn)鞑?，則這種現(xiàn)象稱為爆燃。爆燃時，爆燃形成的火焰中心向外傳播的速度達100～300m／s，使未燃混合氣瞬間燃燒完畢，氣體的容積來不及膨脹，局部溫度和壓力猛烈增加，和周圍的氣體壓力不平衡而產(chǎn)生沖擊波。這種沖擊波以超音速傳播，撞擊燃燒室壁，發(fā)出頻率達3000～5000Hz的尖銳的金屬敲擊聲。

因而，汽油機的爆燃現(xiàn)象就是燃燒室內(nèi)末端混合氣的自燃現(xiàn)象。雖然爆燃時的最高壓力很高，但它是以沖擊波的形式出現(xiàn)的(是以均勻壓力推動活塞)，像用榔頭不斷敲擊活塞似的，不能使燃氣對活塞作功更多。汽車在低速上坡時，允許有很輕微的短時間的爆燃。因為輕微的爆燃可以使燃燒過程縮短，有利于提高有效功率。但是不允許嚴重的爆燃，嚴重的爆燃會有下列危害：

(1)機件過載。強烈爆燃時的沖擊波使缸壁、缸蓋、活塞、連桿、曲軸等機件過載，使機件變形，

甚至使機件損壞。

(2)機件燒損。爆燃時，汽油機燃燒終了的溫度可達2000～2500℃，而活塞頂、燃燒室壁及氣缸壁的溫度僅為200～300℃。除了冷卻水的作用外，能夠維持這樣低溫度的原因是在這些壁面上形成了氣體的附面層，它起了隔熱的作用。強烈爆燃的沖擊波會破壞這一附面層，使機件直接與高溫燃氣接觸，而嚴重爆燃時局部燃氣溫度可達到4000℃以上，從而使活塞頭部和氣門等機件燒損。

(3)性能指標下降。嚴重爆燃時的局部高溫，產(chǎn)生嚴重的熱分解現(xiàn)象，燃燒產(chǎn)物分解為CO、H2、O2、NO及游離碳的現(xiàn)象增多。游離碳已不能再燃燒，形成排氣冒煙。CO、H2、O2等在膨脹過程中重新燃燒，使補燃增加，排氣溫度增高，附面層被破壞，向缸壁散出的熱量增加，發(fā)動機過熱，有效功率降低，有效耗油率增加。嚴重爆燃時，即使機件沒有損壞，其壽命也會降低。試驗表明，嚴重爆燃時，氣缸的磨損量比正常燃燒時的大27倍左右。

2)預防措施在發(fā)動機的設計和使用中，應采取各種措施來防止爆燃的產(chǎn)生。預防發(fā)動機產(chǎn)生爆燃的措施主要有：使用抗爆性強的汽油可以避免爆燃的產(chǎn)生，應根據(jù)發(fā)動機的壓縮比選用相應牌號的汽油；也可以通過改變結(jié)構(gòu)因素(如減小壓縮比、采用雙火花塞等)以及改變運行因素(如負荷、

轉(zhuǎn)速等)措施。

2.表面點火不靠火花塞點火而由燃燒室內(nèi)熾熱物點燃混合氣的燃燒現(xiàn)象，稱為表面點火。它是由燃燒室內(nèi)熾熱物作為點火源而形成的新的著火現(xiàn)象，是一種不正常的燃燒現(xiàn)象。燃燒室內(nèi)熾熱物有過熱的火花塞電極、熱的排氣門、熱的燃燒表面沉積物等。由表面點火產(chǎn)生的新的火焰前鋒以正常的速度傳播。表面點火將導致燃燒過程的不穩(wěn)定與工作過程的粗暴，使動力性、經(jīng)濟性都受到影響。避免表面點火的有效措施是采用低餾程的燃料與不易結(jié)焦的潤滑油。

表面點火不同于爆燃，表面點火是由于燃燒室內(nèi)的熾熱點，點燃了混合氣，而爆燃則是由于燃燒室內(nèi)末端混合氣的自燃產(chǎn)生的。爆燃與表面點火之間又存在相互影響，表面點火會促使爆燃的產(chǎn)生。

1.5.7使用因素對燃燒過程的影響

1.進氣初始態(tài)p1,T1

降低進氣初始態(tài)p1,T1，可以避免爆燃與表面點火的產(chǎn)生。從這一點來看，汽油機實現(xiàn)增壓的難度比柴油機要大。

2.點火提前角點火提前角增大，缸內(nèi)最高壓力、溫度增加，終燃混合氣受到擠壓和熱輻射的影響增強，其自行著火所需的時間減少，這個作用比由缸內(nèi)壓力和溫度的升高所引起的火焰速度的加快要明顯，故爆燃傾向增加。因而，為避免爆燃的產(chǎn)生，往往減小點火提前角。

3.混合氣濃度混合氣濃度α=0.8～0.9時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，但終燃混合氣的著火延遲期最短。試驗表明，此時著火延遲期變短起主要的作用，因而爆燃傾向最大，α減小(濃度增加)時，點火提前角應滯后。

4.轉(zhuǎn)速發(fā)動機的轉(zhuǎn)速增加時，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，從而燃燒速度加快，易產(chǎn)生爆燃的部位在自燃準備尚未完成時，火焰前鋒已經(jīng)到達，

爆燃趨勢減弱。

5.負荷

發(fā)動機的負荷減小時,殘余廢氣的稀釋作用增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?，燃燒的最高溫度與壓力下降，使爆燃的傾向減小。

6.燃燒沉積物的影響附于燃燒室壁面的沉積物相當于一個熱源，可對終燃混合氣起到加熱的作用，因此可能會使爆燃和表面點火的傾向增大。

1.6柴油機可燃混合氣的形成與燃燒

1.6.1柴油的主要性能與選用

1.性能柴油是在260～350℃的溫度范圍內(nèi)，在石油中提煉出來的碳氫化合物。柴油的發(fā)火性、蒸發(fā)性、粘度和凝點對柴油機的正常工作有很大影響。

1）柴油的發(fā)火性柴油的發(fā)火性是指其自燃能力。柴油的發(fā)火性可用“十六烷值”來表示，十六烷值高的柴油，自燃溫度低，發(fā)火性好，蒸發(fā)性差，凝點高。汽車柴油機所用柴油的十六烷值應不低于40～50，但過高的十六烷值對一般柴油機來說也不適宜。當十六烷值高于65時，柴油中R部分十六烷值燃燒時容易析出黑色固體的碳粒子，使燃燒不完全，排氣管冒黑煙，柴油的消耗增加。

2）柴油的蒸發(fā)性柴油蒸發(fā)性的好壞對可燃混合氣的形成有一定的影響，即影響著火落后期內(nèi)的柴油蒸發(fā)數(shù)量及燃燒完全的程度。柴油的蒸發(fā)性常由蒸餾試驗確定，就是將一定數(shù)量的柴油加熱，分別測定蒸發(fā)出50%、90%、95%餾分時的溫度，并分別定名為50%餾出的溫度、90%餾出的溫度和95%餾出的溫度。餾出的溫度越低，

柴油的蒸發(fā)性越好。

3）柴油的粘度柴油的粘度是表示其稀稠程度和流動難易程度的。若粘度過高，柴油濾清沉淀困難，流動阻力大，噴進燃燒室內(nèi)的油粒直徑較大，使噴霧射程遠、錐角小，影響霧化和混合氣的均勻性，燃料難以充分燃燒，從而使排氣冒黑煙，油耗增加。若柴油粘度過小，會增加噴油泵和噴油器內(nèi)精密配合件的磨損。柴油的粘度與溫度有很大關(guān)系，溫度越低，粘度越大。冬季柴油的粘度會增大，

在使用中應根據(jù)具體情況適當加以預熱。

4）柴油的凝點與牌號柴油的凝點（凝固點）是指柴油冷卻到開始失去流動性的溫度。好的柴油應具有較低的凝點，凝點過高，對柴油機燃料系工作有不利的影響，特別是在低溫下可能會造成中斷供油，使柴油機無法工作。根據(jù)車用柴油標準GB/T19147—2003的規(guī)定，車用柴油按凝點分為七個牌號：

10號車用柴油——適用于有預熱設備的柴油機；

5號車用柴油——適合于風險率為10%的最低氣溫在8℃以上的地區(qū)使用；

0號車用柴油——適合于風險率為10%的最低氣溫在4℃以上的地區(qū)使用；

-10號車用柴油——適合于風險率為10%的最低氣溫在-5℃以上的地區(qū)使用；

-20號車用柴油——適合于風險率為10%的最低氣溫在-14℃以上的地區(qū)使用；

-35號車用柴油——適合于風險率為10%的最低氣溫在-29℃以上的地區(qū)使用；

-50號車用柴油——適合于風險率為10%的最低氣溫在-44℃以上的地區(qū)使用。

2.車用柴油使用時的注意事項

使用柴油時，須防止錯用汽油或混入汽油，以致引起柴油機起動困難。在嚴寒條件下，若用普通柴油不能起動，

則可用起動燃料幫助發(fā)動。

1.6.2柴油機混合氣的形成過程柴油機采用高壓噴射的方法，即在壓縮行程接近終了時，借助噴油器將柴油噴入燃燒室，與氣缸中高溫、高壓的空氣混合形成可燃混合氣。經(jīng)過一系列的物理、化學準備后，著火燃燒；

隨后，混合氣的形成與燃燒便重疊進行，

即一邊噴油、

混合，一邊燃燒。

柴油機混合氣的形成與汽油機相比有兩個顯著的特點：混合氣形成在氣缸內(nèi)部；混合氣形成時間較短。從噴油開始到噴油結(jié)束，約占15°～30°曲軸轉(zhuǎn)角。當柴油機的轉(zhuǎn)速為2000r／min時，15°的曲軸轉(zhuǎn)角相當于(1／8000s)，在如此短的時間內(nèi)，混合氣的形成是極不充分的，也極不均勻。為了使噴入氣缸中的柴油盡可能燃燒完全，在柴油機中常使用α>1的稀混合氣。但α過大會影響柴油機的動力性，一般高速柴油機的α值為1.2～1.6，增壓柴油機的α值為1.8～2.2。

柴油機混合氣形成的理想過程應該是燃料噴入燃燒室后在盡可能短的時間內(nèi)與周圍空氣均勻霧化、混合，形成可燃混合氣；著火后繼續(xù)噴入的燃料應及時得到足夠的空氣和混合能量，以便迅速混合，力求避免燃料直接進入高溫缺氧區(qū)域，引起裂化。柴油機混合氣的形成依靠兩方面，即燃料噴霧和組織空氣運動?？諝膺\動可以促使柴油很快在整個燃料室空間均勻分布，加速了混合氣的形成。柴油機可燃混合氣的形成方式有兩種：空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合。

1.6.3柴油機的燃燒過程柴油機的燃燒過程，是從壓縮行程上止點前噴油開始到作功行程燃燒終了為止的整個過程。它所占的時間很短（約為50°～70°曲軸轉(zhuǎn)角，高速柴油機只有0.003～0.006s），整個過程非常復雜。

我們把它分為四個階段（如圖1-16所示）。

圖1-16柴油機燃燒過程

1.著火延遲期（滯燃期）吸入氣缸的空氣壓縮到A點時，開始噴油。這時缸內(nèi)壓縮空氣的溫度已高達723～1073K，遠遠超過柴油的自燃溫度（573K）。但柴油并不立即著火，而是遲后一個著火落后角。因為噴入的柴油要經(jīng)過噴射分布、受熱蒸發(fā)、擴散與空氣混合，并需氧化反應進行到一定程度，才能自燃著火，形成火源。形成的火源一般不止一個，且位置不固定。著火延遲期的長短受氣缸內(nèi)的溫度與壓力等因素的影響，是控制與改善整個燃燒過程的關(guān)鍵。受壓縮的空氣溫度愈高，著火延遲期愈短。在發(fā)動機冷起動、冷卻水控制的溫度過低、氣缸漏氣等情況下，著火延遲期都會加長。發(fā)動機正常工作時，在著火延遲期內(nèi)噴入的柴油量約占循環(huán)供油量的30%～40%。由于并未著火，故壓力沒有明顯地偏離壓縮線。

2.速燃期（急燃期）

從壓力偏離壓縮線的B點開始到最高壓力點Ｃ為止，這一階段稱為速燃期，如圖1-16中的Ⅱ線段所示。缸內(nèi)的多個火焰中心一旦著火，著火延遲期中已噴入缸內(nèi)的柴油幾乎就會一齊燃燒，在很短的時間內(nèi)，產(chǎn)生很高的壓力，使缸內(nèi)的壓力升高率很大，而這個時間又很短，接近于等容燃燒。這個階段的放熱量為循環(huán)放熱量的1/3左右，產(chǎn)生的最高壓力達5.4～8.8MPa，最高壓力約在壓縮行程后6°～15°的曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。

3.緩燃期從最高壓力點C開始到氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度達到最高溫度點D為止，這一階段稱為緩燃期，如圖1-16中的Ⅲ線段所示。這一階段內(nèi)有較多的柴油燃燒，同時氣缸的容積在不斷地增加，從而使氣缸內(nèi)溫度繼續(xù)增高，工質(zhì)的壓力幾乎不變(稍有上升或稍有下降)，接近于等壓燃燒。這個階段結(jié)束時的放熱量約占循環(huán)放熱量的70％～80%，最高溫度可達1970～2270K，最高溫度點出現(xiàn)在上止點后20°～35°的曲軸轉(zhuǎn)角處。

4.補燃期（后燃期）從出現(xiàn)最高溫度點D開始到柴油基本燒完為止，這一階段稱為補燃期。如圖1-16中的Ⅳ段所示，當放熱量已達循環(huán)放熱量的95％～97%時，即認為補燃期結(jié)束。柴油機中，柴油與空氣形成混合氣的時間很短，不容易充分蒸發(fā)和混合均勻，總有一些燃油不能及時燃燒，拖延到膨脹過程中繼續(xù)進行，形成補燃。補燃的熱量是活塞已遠離上止點才放出的，作功的效果差，且使排氣溫度增高，耗油率加大。所以，使用中應著重從保證噴霧質(zhì)量、保持壓縮終了的溫度和壓力方面采取措施，來減少補燃。

1.7發(fā)

動

機

特

性

1.7.1速度特性發(fā)動機的節(jié)氣門位置不變時，其性能指標隨轉(zhuǎn)速的變化而變化的關(guān)系，稱為發(fā)動機的速度特性。發(fā)動機沿速度特性工作時，相當于駕駛員將加速踏