前

概述¶

• 发动机
  将其他形式的能转化为机械能的机器，包括内燃机、外燃机、喷气式发动机、电动机等等
• 汽车发动机
  • 汽油机、柴油机、天然气发动机
  • 燃料电池发动机+电动机
  • 电动机+动力电池
  • 混合动力发动机（+电动机+动力电池）

内燃机的基本概念¶

• 两大机构和五大系
  曲柄连杆结构、配气机构
  供给系、冷却系、润滑系、点火系、起动系
• 上止点 TDC
• 下止点 BDC
• 曲柄半径 R
• 活塞行程 S=2 R
• 燃烧室容积/余隙容积 \(V_c\)
• 气缸总容积 \(V_a\)
• 气缸的工作容积 \(V_s\)（活塞的上下止点扫过的气缸的容积，也是总的容积减去燃烧室的容积）
• 气缸的排量 \(V_d=iV_s\)
• 压缩比 \(\varepsilon=V_{\mathrm{a}}/V_{\mathrm{c}}\)

汽油机与柴油机的不同：

内燃机的发展趋势¶

内燃机性能指标与影响因素¶

工质对活塞做功及示功图¶

• 指示功倾向于发动机实际上输出的功（不考虑泵气功的情况下就是总功，考虑的情况下就是净指示功）
• 而动力过程功更加倾向于，膨胀和压缩过程（这两个动力的过程）所作的功之和

内燃机动力性指标¶

功¶

指示平均压力¶

定义：单位气缸工作容积所作的循环指示功

• 可以认为是一个假想不变的压力 \(p_{mi}\) 作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作功正好是循环指示功
• 指示平均压力反映发动机作功能力的大小 (单位体积作功量大小 \(J/m^3\)) 和强化程度。使不同发动机的动力性具有可比性
  平均指示压力：

这里实际上是一个压强

功率¶

• 指示功率：\(P_{\mathrm{i}}=in/(30\tau)\cdot W_{\mathrm{i}}=in/(30\tau)\cdot p_{\mathrm{mi}}\cdot V_{\mathrm{s}}\)
• 有效功率：\(P_{\mathbf{e}}=in/(30\tau)\cdot W_{\mathbf{e}}=in/(30\tau)\cdot p_{\mathbf{me}}\cdot V_{s}\)
• 机械损失功率：\(P_{\mathrm{m}}=P_{\mathrm{i}}-P_{\mathrm{e}}\)，\(P_{\mathrm{m}}=in/(30\tau)\cdot p_{\mathrm{mm}}\cdot V_{\mathrm{s}}\)

转矩¶

• 公式：

  \[ T_{\mathrm{tq}}=\frac{i}{\pi\tau}\cdot p_{\mathrm{me}}\cdot V_{s} \]

  可见，转矩与有效平均压力是一一对应的（一个发动机确定时，就是一一对应的）
  压力反应转矩

• 功率与转矩的关系：（功率等于转矩乘以角速度，角速度与转矩有关系）

  \[ P_{\mathrm{e}}=T_{\mathrm{tq}}\cdot\omega=T_{\mathrm{tq}}\cdot\pi n/30=in/(30\tau)\cdot p_{\mathrm{me}}\cdot V_{\mathrm{s}} \]

经济性指标¶

能量转换效率¶

燃料消耗率¶

表示的是产生一千瓦时的功所消耗的燃料的重量（g/kwh）

功率密度¶

转速与活塞平均速度¶

限制的因素

• 惯性力引起的机械
• 应力摩擦 (表面磨损)
• 热负荷
• 充气效率
• 噪声

影响性能指标环节与因素¶

决定动力输出的两大环节¶

• 设单位时间加入发动机的燃料总质量为 B (kg/h)，燃料低热值 (low heat value) 为 H u (kJ/kg)，燃料能量转换的总效率为ηet ，则有效功率Pe 可表示为：

  \[ P_{\mathrm{e}}=\eta_{\mathrm{et}}\cdot B\cdot H_{\mathrm{u}}/3600 \]

• 设单位时间进入发动机的混合气总量为 G m (kg/h)，混合气低热值为 Hum (kJ/kg)，则有效功率Pe 也可表示为：

  \[ P_{\mathrm{e}}=\eta_{\mathrm{et}}\cdot G_{\mathrm{m}}\cdot H_{\mathrm{um}}/3600 \]

其中的 H_um 为与燃料的热值和混合气的浓度直接相关

本小节之后提到的的都是上面这些计算中的参数的计算方式

可燃混合气浓度与热值¶

• 过量空气系数：
  设单位质量燃料完全燃烧所需理论空气量为 l 0，而实际供给的空气量为 l，则 φa 定义为：

  \[ \phi_a=\frac{1kg燃料实际供给的空气量}{完全燃烧需要的理论空气量}=\frac{l}{l_0} \]

• 空燃比α

  \[ \alpha(\text{或}l)=\frac{\text{混合气中空气质量}}{\text{混合气中燃料质量}}=\frac{A}{F}=\phi_{\mathrm{a}}l_{0} \]

• 燃空比φ ‘

  \[ \phi^{\prime}=\frac{1}{\alpha}=\frac{F}{A}=\frac{1}{(\phi_{\mathrm{a}}l_{0})} \]

• 可燃混合气热值 Hum
  单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量 (kJ/kg 或 kJ/m 3 )

  \[ H_{\mathrm{um}}=\frac{m\cdot H_{\mathrm{u}}}{m+m\cdot l}=\frac{H_{\mathrm{u}}}{1+l}=\frac{H_{\mathrm{u}}}{1+\phi_{\mathrm{a}}l_{0}} \]

混合气 (进气) 充量¶

能量转换效率¶

算是上面的一个小结

\(\eta_it\) 为指示效率，\(\eta_et\) 为有效效率，图与上面的说法一一对应的

最后将所有的式子带入最初的公式中，计算得到的效率为

对于直接加入燃料的压燃式（柴油机）来说，直接使用下面的公式就可以计算（虽然两个公式对于两种内燃机都是适用的）

有效燃油消耗率

做题¶

内燃机燃料、工质与热化学¶

燃料及其理化特性¶

燃料的选择¶

分类¶

燃料主要技术指标¶

• 燃料在一定温度、压力条件下自行着火燃烧的能力
  • 自燃性对压燃式发动机尤其重要，自燃性差，则起动性差，工作粗暴
  • 十六烷值是评价柴油及各种燃料自燃性好坏的指标，CN
• 两种指标的物质：
  • 正十六烷：\(C_{16}H_{34}\), CN=100
  • α－甲基萘：CN=0
• 十六烷值的测量使用测试的机器：
• 
  • 首先调节压缩比，使得待测的在指定的着火点着火
  • 之后调节两种指示物的比例（保持压缩比不变），使得与待测的着火点相同，c 16 的百分比（体积分数）就是十六烷值

• 燃料对内燃机发生爆燃(Knocking)的抵抗能力
  • 抗爆性对点燃式发动机非常重要，希望自燃性差，抗爆性好
  • 辛烷值是评价汽油及各种燃料抗爆性好坏的指标，ON
• 两种指标物质：
  • 异辛烷，ON=100
  • 正庚烷：ON=0
• 辛烷值马达法和研究法的测量
  • 
  • 马达法辛烷值MON：测定条件较苛刻，反映汽车在高速的高负荷下的抗爆性
  • 研究法测量：在慢速行驶时的抗爆性（RON）
  • RON > MON(大多数燃料)
  • 燃料敏感性Sa＝RON－MON
  • 抗爆指数：Ai=(RON+MON)/2

• 燃油和燃油蒸气达到平衡状态时，燃油蒸气的压力（饱和蒸气压）
  • 蒸气压高，说明燃油中轻质组分多，发动机冷起动性能好, 混合气形成速度快，有利于燃烧
  • 但是当蒸气压过高时，在运输的过程中会导致产生蒸发损失
• 馏程：燃油在规定条件下蒸馏出某一百分比的温度(范围)
  • 初馏点：燃料中含有的最轻馏分的沸点，但不能判断轻馏分的含量。（燃料是一个混合物）
  • 10% 馏出温度（\(T_{10}\)）：燃料中含有轻馏分的大概数量，反映汽油机的冷起动性，但过低会导致气阻。
  • 50% 馏出温度（\(T_{50}\)）：燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的暖机时间、加速性和工作稳定性。
  • 90% 馏出温度（\(T_{90}\)）：燃料中的重质馏分含量，反映汽油机燃烧完全性，过高容易导致积碳。
  • 干点（终馏点）：燃料中含有的最重馏分的沸点。

• 液体燃料的低温流动性是指在低温条件下，燃料在内燃机燃料供给系统中能否顺利地进行泵送和通过燃料过滤器，从而保证发动机正常供油的能力。
  • 浊点：是油品在规定的冷却过程中，开始析出石蜡结晶的最高温度。
  • 冷滤点：是在 200mm 水柱抽力下，1min 内 20mL 油样不能完全通过一个 350 目金属滤网过滤器时的最高温度（最佳判据）。
  • 倾点：是燃料在规定的冷却过程中，油样能够流动的最低温度。
  • 凝点：是燃料在规定的冷却过程中，石蜡结晶析出、长大，互相连接成三维网状结构，把油包在其中，使油失去流动性的最高温度。
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