一．发动机的定义：
发动机是将其它形式的能量转变为机械能的机器
二．发动机的分类：
1. 按使用燃料分：汽油机、柴 油机等。
2. 按工作循环分：四冲程发动机、二冲程发动机。
3. 按气门位置分：顶置气门式发动机、侧置气门式发动机。
4. 按气缸排列分：直列式发动机、v型发动机。
5. 按气缸数分：单缸发动机、多缸发动机。
三．发动机的总体结构：
发动机由“两大机构五大系统”组成
1. 两大机构：曲柄连杆机构、配气机构。
2. 五大系统：冷却系、润滑系、燃料供给系、点火系（柴油机没有点火系）、起动系
1．1曲柄连杆机构：
作用：将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。
组成：由气缸体和曲轴箱组、活塞连杆组、曲轴飞轮组组成
1. 2配气机构
•作用：使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸中排出废气。
•组成：它由进气门、排气门、挺杆、推杆、摇臂、凸轮轴、正时齿轮等组成
2. 1冷却系
• 作用：把受热零件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。
• 组成：它由水泵、散热器、风扇、分水管、水套等组成。
2. 2润滑系
• 作用： 润滑、冷却、清洗、密封等。
• 组成：由机油泵、滤清器、限压阀、油道等组成。
2.3燃料供给系
柴油机
作用：向气缸内供应纯空气并在规定时刻向气缸内喷入柴油，燃烧后排出废气。
组成：由燃油箱、喷油泵、喷油器、进、排气管、滤清器等组成。
2.4汽油机点火系
作用：按规定时刻及时点燃气缸内的混合气。
组成：由蓄电池、分电器、点火线圈、火花塞等组成。
2.5起动系
1. 作用：使静止的发动机起动。
2. 组成：由起动机及附属装置组成。
四、基本术语
1.上止点：活塞离曲轴回转中心最远处；
2.下止点：活塞离曲轴回转中心处；
3.活塞行程（S）:上、下两止点间的距离（mm） S=2R；
4.冲程：活塞油一个止点到另一个止点运动一次的过程；
5.气缸工作容积（Vh）：活塞从上止点到下止点所让出的空间的容积（L）；
6.发动机工作容积（Vl）动机所有气缸工作容积之和，也叫发动机的排量。
Vl = Vh * i i =气缸数
7.燃烧室容积（）：活塞在上止点时，活塞顶上面的空间容积。
8.气缸总容积（Va）：活塞在下止点时，活塞顶上面的空间容积。
9.压缩比（）：气缸总容积与燃烧室容积的比值
ε= Va/ Vc=（Vh+ Vc）/ Vc=1+ Vh/ Vc
五、 四冲程柴油机工作原理
每个循环也由进气、压缩、作功、排气四个冲程组成。但由于柴油的性质与汽油不同，其混合气形成的方式、着火方式与汽油机也不同。下述不同点：
1. 进气冲程－进入气缸的是纯空气；
2 . 压缩冲程－压缩比大，压缩终了的压力、温度高。
3. 作功冲程－压缩冲程末，高压柴油呈雾状喷入气缸内，自行燃烧作功，最高压力5-10Mpa；
4.排气冲程－与汽油机基本相同。压力0.105-0.125Mpa，温度800-1000K。
六、 汽油机与柴油机的相同点与不同点
相同点:
1 .每个工作循环曲轴转两周，每一冲程曲轴转半周，进气冲程进气门开，排气冲程排气门开，其余两个冲程进、排气门均光。
2.四个冲程中，只有作功冲程产生动力，其余三个冲程消耗能量。
3.必须用外力起动。
4.工作循环基本内容相似，主要机件的运动相同，结构基本相同。
不同点：
1. 混合气的形成方式不同：
汽油机是缸外混合；
柴油机是缸内混合；
2.着火方式不同：
汽油机点燃式；
柴油机是压燃式。
第二节 发动机的换气过程
本节主要是要求学生了解换气过程的进行情况，分析影响充气量的因素，找出减少换气损失、提高充气系数的因素。
定义：发动机的排气过程和进气过程统称为换气过程。
任务：尽可能将缸内的废气排除干净，并吸入更多的新鲜混合气。
对发动机性能的影响：如果换气充分，气缸内混合气质量较好（相对废气较小，新鲜混合气较多）使燃烧过程加快，燃烧完全，因此可提高发动机的动力性与经济性。
一、四冲程发动机的换气过程
1.四冲程发动机的换气过程：从排气门打开至进气门关闭。
1)自由排气阶段：排气门打开至气缸压力接近于排气管压力；
2)强制排气阶段：活塞由上往下将缸内废气强制排出 ；
3) 进气阶段：进气门打开至关闭的过程。
2.气门叠开：进排气门同时开启的现象
合适：可扫气，增加进气量；
过大；废气倒流进气管。
二、四冲程发动机的充气系数
1. 充气系数：每循环实际进入气缸的新鲜充气量ΔG与在进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充气量ΔG0的比值，即
• ηv = ΔG/ΔG0
进气状态：当时的大气状态（非增压）
三、提高充气系数的措施
1.减少进气系统的流动损失，提高进气终了的压力
1)减少空滤器阻力
2)减少化油器流动阻力
3)减少进气管的沿程阻力和局部阻力
4)减少进气道阻力
5)减少节气门处的流动阻力
6)改进凸轮的廓线设计，加大进气门开启时间与截面
2.降低排气系统的阻力损失，减少缸内残余废气
3.减少高温零件对气体 的加热
4.合理利用动态效应
5.合理选择配气相位
第三节 柴油机的燃烧过程
柴油机工作过程的特点:
1.吸人气缸的是新鲜空气,被压缩的是新鲜空气;
2. 柴油通过高压喷人气缸,缸内形成可燃混合气;
3.柴油和空气混合时间极短;
4.缸内混合气成分不均匀,且不断变化;
5.没有外源点火,只是靠压缩自燃;
6.混合与燃烧重叠进行;
7.质调节,即负荷和转速不是通过进气节流,而是通过燃料量来调节;
对柴油机燃烧的基本要求:
1.燃烧及时。这将影响作功的质量、放热量的有效利用;
2.燃烧完全。这会影响到放热量、作功和排放。
因此,对于柴油机来说,及时形成可燃混合气最为重要。
本节将先介绍柴油的主要性能指标,再阐述柴油机的混合气形成与燃烧过程,各种燃烧室特点,发动机排放污染与控制。
一、柴油的主要性能指标
1.着火性
柴油的着火性是指柴油的自燃能力,其评定指标是十六烧值,十六统值越高着火性越好。
着火性好的柴油,喷人气缸后能及时着火燃烧,柴油机工作柔和,冷起动性能也随之改善;
若着火佳能差,燃烧前所需的物理、化学准备时间长,着火后压力升高率过高,导致柴油机工作粗暴
2.蒸发性
柴油的蒸发性用馆程表示。将柴油加热,分别测定蒸发出50%、90%和95%的馏出温度。
50%馏出的温度低,说明这种燃烧轻馆分多,蒸发性好,有利于混合气的形成和燃烧。但若轻 馆分过多,着火前蒸发油气过多,会使柴油机工作粗暴。
90%和95%馆出温度标志柴油中所 含难于蒸发的重馆分。重馆分过多,在气缸中不易蒸发,与空气混合不均匀,则燃烧不完全。易产生冒烟和积炭。
3.粘度
柴油的粘度用来表示柴油的雾化性。
粘度低,则容易形成混合气。若粘度过低,会加剧喷油泵及喷油器之间的精密偶件表面之间的磨损;
若粘度过高,流动阻力增加,柴油从喷油器喷出时的雾化性差,不易形成均匀的混合气。因而,柴油应具有适中的粘度。
4.凝点
柴油的凝点用来表示柴油的低温流动性。它是指柴油冷却到开始失去流动性的温度。
国产轻柴油的牌号是按凝点编定的,如0号柴油的凝点为0℃。好的柴油应具有低的凝点。若 凝点过高,不利于燃烧的正常供给,尤其在低温条件下工作。可能造成油路堵塞。选用柴油 时,一般要求其凝点比最低工作环境温度低3℃-5℃以上。
二、柴油机混合气的形成
柴油机混合气的形成,是指燃料自喷人气缸至着火及燃烧的整个阶级中所发生的破碎、雾 化、汽化并与空气之间相互渗透和扩散的过程,它直接决定着燃烧质量。
由于柴油的蒸发性 差,因此柴油机采用高压喷射的方法,即在压缩行程接近终了时,借助喷油器将柴油喷人燃烧 室,与气缸中高温、高压的空气混合形成可燃混合气。经过一系列物理化学准备后,着火燃烧; 随后,混合气的形成与燃烧便重叠进行,即一边喷油、混合和一边燃烧。
柴油机的混合气形成与汽油机相比有两个最显著的特点:
混合气形成在气缸内部;
混合气形成时间较短。
柴油机浪合气形成的理想过程应该是：燃料喷人燃烧室后在尽可能短的时间内与周围空气均匀雾化、混合,形成可燃混合气;着火后继续喷人的燃料应及时得到足够的空气和混合能量, 以便迅速混合,力求避免燃料直接进入高温缺氧区域,引起裂化。
柴油机混合气形成依靠两方面作用:
燃料喷雾;
组织空气运动。
(一) 形成混合气的两种基本方式
按混合气形成的原理分,柴油机可燃混合气的形成方式有两种:
空间雾化混合和油膜蒸发混合。
1.空间雾化混合方式
直接将柴油喷射到燃烧室空间,经雾化、蒸发与空气混合,形成雾状混合物的方式,称为空 间雾化混合方式。
空间雾化混合方式的优点:
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:
燃料在着火以前形成的混合气较多,使燃烧过程较为粗暴,并生成较多的NOx。 若油滴蒸发、雾化速度不及燃烧速度快,将产生不完全燃烧。
2.油膜蒸发混合方式
将柴油顺着气流的运动方式,涂到燃烧室壁面,形成油膜,油膜受热蒸发,并与空气混合形 成均匀混合气的方式,称为油膜蒸发混合方式。
燃烧室壁温、油膜厚度和空气与油膜的相对速度是混合气形成的决定性因素。
油膜蒸发混合方式的优点:
完全是气相混合,通过油膜的蒸发和吹拂气流的旋转运动还可以实现分层燃烧,做到既无碳烟,又可控制燃烧速度,限制燃烧压力的急剧升高,从而控制噪声 和传动装置的机械负荷,通过轴针式喷油嘴的截面的控制可改善噪声和减少NOx同时对喷 油系统要求降低。
其缺点:
油膜蒸发的速度受壁温、油膜厚度和气流运动的影响很大。因此, 对供油、进气和燃烧室匹配要求较高,燃烧不及空间雾化稳定,冷起动性能差、怠速及低负荷时 HC排放较高。
(二) 影响混合气形成的主要因素
影响混合气形成的主要因素包括:燃料喷雾、气流运动、燃烧室结构等。
1.燃料的喷雾对混合气形成的影响
利用喷油器将柴油喷散成细粒的过程,称为柴油的喷雾或雾化。
（1） 油束的形成
经高压油管的燃油以高压从喷油器的喷孔喷入气缸,由于空气阻力及高速流动时的内部扰动而被粉碎成细小油漓,增加了空气接触氧化的机会在静止的压缩空气中,从喷油嘴中喷人气缸的油束形状如图所示,油束的外缘区油滴直径细小且稀疏,油滴速度越向外越低。油束核心部分不能完全粉碎,油滴直径较大,雾化不良,且很稠密。
(2)衡量油束雾化质量的三个参数:
1)油束的射程L
2)雾化质量 雾
3)油束的锥角β
（3） 影响油束的特性因素
1）喷油器的结构
喷油器结构方面的主要影响因素是喷孔的大小和喷油器头部的结构形状。减小喷孔直径,雾化质量得到改善,但容易引起喷孔堵塞。
2)喷油压力
喷油器的喷油压力越高,油束的速度越高,所受扰动越大,雾化质量越好,但这除了要消耗更多的能量外,高压油管容易破裂,喷油器容易磨损。
3)缸内介质反压力
气缸内介质反压力增大时,射程减小,而油束锥角增大,总的来说,对雾化性能影响不大。
4)喷油泵凸轮形状
喷油泵凸轮形状曲线越陡,在高压油管内越容易建立高压,喷油越迅速,雾化性能得到改善。
5)转速
发动机转速增加,相对喷油时间需要缩短,喷油速度加快,雾化质量提高。
6)燃油粘度
燃油粘度越大,油滴越不易分散,雾化质量越差。 另外,对雾化质量的要求要视各种燃烧室的结构而有所不同。一般都是根据燃烧方式而寻求燃烧室形状、空气运动和喷油系统的最佳匹配。
2.空气运动对混合气形成的影响
为了更有效地形成可燃混合气,改善燃烧过程,通常要组织空气的运动。组织空气运动的形式有:
(1) 进气涡流
(2) 挤气涡流
(3) 燃烧涡流
三、柴油机的燃烧过程
柴油机的燃烧过程,是从压缩行程上止点前喷油开始到作功行程燃烧终了为止的整个过 程。它所占时间很短(约为50°－70°曲轴转角,高速柴油机只有0.003s-0.006s)，整个过程非常复杂。
(一)柴油机的着火
柴油机利用柴油化学安定性差,易自燃的特点,采用压缩自燃的方式使可燃混合气着火。 在压缩行程末期将柴油喷入气缸,形成可燃混合气,它的着火需要具备两个条件:
1.合适的混合气浓度。
2.合理的混合气温度。
（二）油机的燃烧过程
柴油机的燃烧过程可分为四个阶段:
着火延迟期
速燃期
缓燃期
补燃期
1. 着火延迟期(滞燃期)
从喷油开始(点1)到压力脱离压缩线开始急剧上升(点2)止,这一阶段称为着火延迟期。图中的线12 段所示。
着火延迟期的长短,主要取决于喷油时气缸内的温度。受压缩的空气温度愈高,着火延迟期愈短。在发动机冷起动、冷却水控制的温度过低、气缸漏气等情况下, 着火延迟期都会加长。发动机正常工作时,在着火延迟期内喷人的柴油量约占循环供油量的30%-40%。由 于并未着火,压力没有明显地偏离压缩线。
2. 速燃期(急燃期)
从压力偏离压缩线的点2开始到最高压力点为3止,这一阶段称为速燃期。图中的线23段所示。
缸内的多个火焰中心一旦着火后,着火延迟期中已喷人缸内的柴油几乎一齐燃烧,在很短的时间内,产生很高的压力,使缸内的压力升高率很大,而这个时间又很短,接近于等容燃烧。这阶段的放热量为循环放热量的1/3左右,产生的最高压力达5.4Mpa－8.8MPa 最高压力约在压缩行程后6°－15°的曲轴转角处出现。
3. 缓燃期
从最高压力点3开始到气缸内工质温度达到最高点4为止,这一阶段称为缓燃期。图中的线34段所示。
这一阶段内有较多的柴油燃烧,同时气缸的容权在不断地增加,结果是气缸内温度继续增高,工质的压力几乎不变、稍有上升或稍有下降,接近于等压燃烧。这阶段结束时的放热量约占循环放热量的70％-80%,最高温度为1970K-2270K,最高温度点出现在上止后20°－35°的曲轴转角处。
4. 补燃期(后燃期)
从出现最高温度点4开始到柴油基本烧完为止,这一阶段称为补燃期。
当放热量已达循环放热量的95％－97%时,即认为补燃期结束。 柴油机中柴油与空气形成混合气的时间很短,不容易充分蒸发和混合均匀。总有一些燃油不能及时燃烧,拖延到膨胀过程中继续进行,形成补燃。补燃的热量是活塞已远离上止点才 放出,作功的效果差,且使排气温度增高,耗油率加大。所以,使用中应着重从保证喷雾质量, 保持压缩终了的温度和压力方面采取措施,来减少补燃。
四、影响柴油机燃烧过程的主要因素
1.燃油性质
燃油的蒸发、着火性能过好,反而会容易导致工作粗暴。因而,一般高速柴油机用燃油的 十六统值在40－60之间,而对于挥发性而言,希望馏程范围较窄,要求大部分燃油在250℃-350℃范围内挥发,尽量减少其中过轻和过重的馆分的比例。
2. 喷油定时
发动机喷油提前角减小,燃油喷人气缸时,缸内的压力和温度相对提高,着火延迟期缩短,燃烧平稳。但减小太多,同时会使 燃烧过程拖后,导致热效率下降。
3. 喷油规律
喷油器不同的喷油规律对燃烧过程的影响很大。若喷油率“先急后缓”,则初期放热率高,压力升高率增大,工作粗暴,但热效率升高。而喷油率“先缓后急”,则初期放热量少,压力升高率、缸内最高燃烧压力都下降,热效率也下降。因此,在选用时,应根据具体要求综合考虑。
4. 雾化质量
提高雾化质量，可以加速可燃混合气的形成，加快燃烧速度，缩短着火延迟期。
5. 燃烧室内的工质运动和换气质量
适当组织工质的运动,可以提高燃油的蒸发速度, 促进可燃混合气的形成,空气运动可以促使油束分散,增大混合的范围,加快燃烧速率,改善经 济性。但是,组织进气涡流要消耗能量,还会使充气效率降低。挤气涡流在工作过程中衰减较快,它的影响效果相对小些。另一方面,涡流过强,散热损失也会增加, 当燃烧室工作温度较低时,会导致着火延迟期的增长。
改善换气过程,提高充气效率,对于促进可燃混合气的形成、改善燃烧和排放都是有利的。
6.燃烧室的热力状态
发动机燃烧室的热力状态主要取决于进气状况、压缩比、燃烧室及冷却状态等因素。增加缸内的压力和温度，有利于可燃混合气的形成和燃烧。
7.转速
发动机转速升高时,虽然由于工作温度的升高而改善了燃烧,但因高压油管内燃油压力波 的传播速度不变,所以,喷油角及喷油持续期将随之增大,最终导致放热率滞后,热效率降 低,排气温度升高,烟度增大。因此,随着转速的升高,应将供油提前角增大。
8.负荷
发动机负荷增加,缸内工作温度升高,着火延迟期缩短,燃烧得到改善。当负荷过高时,空燃比减小,容易导致燃烧不完全并冒烟,由于在缓燃期中喷人的燃油随负荷的增加而增加,因 而易使补燃期增长。
五、柴油机的燃烧室
由于柴油机的混合气形成和燃烧都是在燃烧室内进行的,所占的时间又非常短促,因此要求燃烧室形状、空气运动和喷油系统之间的最佳匹配。燃烧室的造型和喷油器的布置确定了混合气的形成方式,根据这两个特性可以将燃烧室分为分隔式燃烧室和直喷式(统一式)燃烧室,这两类燃烧室造型的特性又可以进一步区分。
(一) 分隔式燃烧室
分隔式燃烧室的一般特征是:
1.燃烧室至少分成两个部分;
2.由各室之间的空气流动形成可燃混合气。
分隔式柴油机的燃烧速度比直喷式柴油机慢,其运转比较平稳,但固有热量与流动损耗使得热效率降低,为了追求高的热效率,轿车用柴油机 向直喷式燃烧室发展。
(二)直喷式燃烧室(统一式燃烧室)
直喷式燃烧室的一般特征是:
1.燃烧室不分开,大都以凹坑形式出现在活塞或缸盖上;
2.通过喷射(油束)形成混合气;
3.在进气过程中通过切向气道、螺旋气道或导气屏产生的涡流运动促进混合气形成。
