汽車發動機原理

該書融熱力工程知識與汽車用內燃機原理於一體，全面介紹了汽車發動機的有關知識。給讀者一個關於汽車內燃機動力從原理到運用的全面了解，該書還編入汽車動力領域發展的新成就，可以供在校本科生和汽車工程技術人員參考。

符號說明

第一篇 熱力工程基礎

第1章熱力學第一定律

1．1工程熱力學基本概念

1．1．1 工質及熱力系統

1．1．2 狀態及狀態參數

1．1．3 狀態參數的坐標圖

1．1．4 熱力過程和循環

1．1．5 功和熱量

1．2熱力學第一定律

1．2．1熱力學第一定律的表達式

1．2．2 閉口系統的能量方程

1．2．3 開口系統穩定流動能量方程

1．3 理想氣體的熱力性質

1．3．1 實際氣體和理想氣體

1．3．2理想氣體狀態方程式

1．3．3 理想氣體的比熱容、熱力學能和焓

1．3．4 理想氣體的熵

1．3．5理想混合氣體

1．3．6 濕空氣

1．4 理想氣體的熱力過程

1．4．1 多變過程與基本熱力過程

1．4．2 多變過程

1．4．3 四種基本熱力過程

1．4．4 多變過程的p-z，圖及T-s圖

思考題

習題

第2章熱力學第二定律

2．1 熱機循環

2．1．1 熱力過程的條件和限度問題

2．1．2 熱機循環

2．1．3熱力學第二定律

2．1．4 卡諾循環及熱效率

2．2四衝程發動機的理論循環

2．2．1 對發動機實際工作過程的簡化

2．2．2 理論循環的熱效率和平均指示壓力的計算

2．2．3 理想循環熱效率和平均指示壓力的影響因素

2．2．4 各理想循環熱效率的比較

思考題

習題

第3章燃燒學基礎

3．1 發動機的燃料

3．1．1 汽油

3．1．2 柴油

3．1．3 代用燃料

3．1．4 燃料理化特性引起的發動機工作模式上的差異

3．2 燃燒熱化學

3．2．1 1kg燃料完全燃燒所需的 理論空氣量

3．2．2化學反應速度

3．2．3質量作用定律

3．2．4化學平衡常數及其計算

3．2．5 反應速率的碰撞原理

3．2．6 鏈鎖反應

3．3 化學反應的熱效應

3．3．1熱力學第一定律應用於化學反應

3．3．2 熱效應

3．3．3 生成焓

3．3．4 熱效應與絕熱理論燃燒溫度的計算

3．3．5 絕熱理論燃燒溫度

3．4 燃料電池

3．4．1 燃料電池結構

3．4．2 燃料電池的工作原理

思考題

習題

第4章 傳熱過程

4．1 熱量傳遞過程概述

4．1．1 熱傳遞的概念

4．1．2 熱傳遞的三種基本方式

4．2 導熱過程

4．2．1 導熱現象分析

4．2．2 導熱機理

4．2．3 導熱問題分析過程

4．2．4 一維穩態導熱問題

4．3 對流換熱

4．3．1 對流換熱的計算

4．3．2對流換熱係數的各種關聯式及應用舉例

4．4 輻射換熱

4．4．1 輻射換熱的基本知識

4．4．2 兩物體間的輻射換熱量的計算

4．4．3 氣體輻射

4．4．4 火焰輻射

4．5 發動機換熱分析

4．5．1 發動機中導熱問題的求解方法

4．5．2 燃氣與壁面間的輻射換熱

4．5．3 燃氣與壁面間的瞬時綜合換熱係數

習題

第二篇 動力輸出與能量利用

第5章 發動機實際循環與評價指標

5．1四衝程發動機的實際循環

5．1．1 發動機的實際循環

5．1．2 發動機實際循環與理論循環的比較

5．2 發動機的指示指標

5．2．1 發動機的示功圖

5．2．2 發動機的指示性能指標

5．3 發動機的有效指標

5．3．1 動力性指標

5．3．2 經濟性指標

5．3．3 強化指標

5．4 機械損失與機械效率

5．4．1 機械效率

5．4．2 機械損失的測定

5．4．3 影響機械效率的主要因素

5．4．4 發動機的熱平衡

思考題

第6章 換氣過程與循環充量

6．1四衝程發動機的換氣過程

6．1．1 換氣過程

6．1．2 換氣損失

6．2四衝程發動機的充量係數

6．2．1 充量係數

6．2．2 充量係數與發動機功率、轉矩的關係

6．2．3 影響充量係數的因素

6．2．4 提高發動機充量係數措施

6．3二衝程發動機的換氣過程

6．3．1二衝程發動機的換氣過程

6．3．2二衝程發動機換氣過程的特點

6．3．3二衝程發動機的掃氣方案

6．3．4 換氣效果的評價

6．3．5 影響掃氣效率的因素

思考題

第7章 發動機廢氣渦輪增壓

7．1 發動機增壓的基本方法與原理

7．1．1 增壓的概念

7．1．2 增壓發動機的特點

7．1．3 增壓的衡量指標

7．1．4 增壓的結構形式及分類

7．2 廢氣渦輪增壓器的基本結構和工作原理

7．2．1 徑流式渦輪的工作原理

7．2．2離心式壓氣機的工作原理與特性

7．3 廢氣渦輪增壓的類型與廢氣能量的利用

7．3．1 廢氣渦輪增壓的類型

7．3．2 廢氣能量的利用

7．3．3 定壓系統與脈衝系統的比較和選擇

7．4 廢氣渦輪增壓對發動機性能的影響

7．4．1 廢氣渦輪增壓對發動機動力性和經濟性的影響

7．4．2 改善廢氣渦輪增壓發動機轉矩特性的途徑

7．4．3 廢氣渦輪增壓對發動機其他性能的影響

7．5 汽油機增壓

7．5．1 汽油機增壓的特點

7．5．2 汽油機渦輪增壓的主要技術措施

7．5．3 汽油機廢氣渦輪增壓器

的布置

思考題

第三篇 燃燒與排放

第8章 汽油機混合氣的形成和燃燒

8．1 汽油機燃燒過程

8．1．1 正常燃燒過程

8．1．2 不規則燃燒

8．1．3 不正常燃燒

8．1．4 運轉因素對燃燒的影響

8．2 汽油機混合氣製備原理

8．2．1 汽油機理想混合氣特性

8．2．2 化油器式供油系統混合氣的形成原理

8．2．3 電控燃油噴射式供油系統混合氣的形成

8．3 汽油機的燃燒室

8．3．1 汽油機對燃燒室的要求

8．3．2 傳統汽油機燃燒室

8．3．3 汽油機稀薄燃燒系統

思考題

第9章 柴油機混合氣的形成和燃燒

9．1 柴油機燃燒與放熱

9．1．1 柴油機燃燒過程

9．1．2 柴油機燃燒放熱規律

9．2 柴油機混合氣的形成原理

9．2．1 燃油的噴射與霧化

9．2．2 燃燒室與混合氣形成

9．2．3 柴油機的預混合燃燒

9．3 燃燒過程的優化

9．3．1 燃燒過程優化的基本原則

9．3．2 燃油噴射過程的優化

9．3．3 燃燒室的對比及選型

思考題

第10章 發動機的排放與雜訊控制

10．1 發動機有害排放物的生成及危害

10．1．1 發動機排放污染的現狀

10．1．2 發動機排放污染物的危害

10．1．3 發動機排放污染物的生成機理

10．2 影響汽油機有害排放物生成的主要因素及控制

10．2．1 影響因素

10．2．2 機內凈化技術

10．2．3 機外凈化技術

10．3 影響柴油機有害排放物生成的主要因素及控制

10．3．1 柴油機有害排放物生成的特點

10．3．2 影響因素

10．3．3 機內凈化技術

10．3．4 機外凈化技術

10．4 發動機排放標準與測試

10．4．1 排放標準

10．4．2 排放物測定

10．5 發動機雜訊來源與控制

10．5．1 發動機雜訊的來源

10．5．2 雜訊控制措施

思考題

第四篇 運行特性與性能調控

第11章 發動機運行特性與匹配技術

11．1 發動機的特性

11．1．1 工況、工況平面與功率標定

11．1．2 發動機運行特性及其分析方法

11．2 發動機性能測試

11．2．1 台架試驗設備

11．2．2 功率和油耗的測量

11．2．3 試驗方法及數據處理

11．3 發動機運行特性與汽車匹配

11．3．1 發動機的速度特性與汽車動力性匹配

11．3．2車用柴油機的調速特性

11．3．3 發動機的負荷特性、萬有特性與汽車經濟性匹配

11．3．4 混合動力驅動技術

思考題

第12章 發動機性能與參數調控技術

12．1 發動機調控技術的發展

12．1．1 傳統的機一液調控裝置

12．1．2 電子控制系統在發動機中的應用

12．1．3 發動機(汽車)管理中心

12．2 汽油機的計算機管理系統

12．2．1 控制功能

12．2．2 燃油噴射的控制

12．2．3 綜合控制策略

12．3 電子控制技術在柴油機上的應用

12．3．1電子控制燃油噴射系統的種類

12．3．2 控制參數及控制策略

思考題

參考文獻

往複活塞式內燃機所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油(diesel)。由於汽油和柴油具有不同的性質，因而在發動機的工作原理和結構上有差異。

四衝程汽油機工作原理

汽油機是將空氣與汽油以一定的比例混合成良好的混合氣，在吸氣衝程被吸入汽缸，混合氣經壓縮點 火燃燒而產生熱能，高溫高壓的氣體作用於活塞頂部，推動活塞作往複直線運動，通過連桿、曲軸飛輪機構對外輸出機械能。四衝程汽油機在進氣衝程、壓縮衝程、做功衝程和排氣衝程內完成一個工作循環。

(1) 吸氣衝程(intake stroke)

活塞在曲軸的帶動下由上止點移至下止點。此時進氣門開啟，排氣門關閉，曲軸轉動180°。在活塞移動過程中，汽缸容積逐漸增大，汽缸內氣體壓力從pr逐漸降低到pa，汽缸內形成一定的真空度，空氣和汽油的混合氣通過進氣門被吸入汽缸，並在汽缸內進一步混合形成可燃混合氣。由於進氣系統存在阻力，進氣終點 (圖中a 點)汽缸內氣體壓力小於大氣壓力0 p ，即pa= (0.80～0.90) 0 p 。進入汽缸內的可燃混合氣的溫度，由於進氣管、汽缸壁、活塞頂、氣門和燃燒室壁等高溫零件的加熱以及與殘餘廢氣的混合而升高到340～400K。

(2) 壓縮衝程(compression stroke)

壓縮衝程時，進、排氣門同時關閉。活塞從下止點向上止點運動，曲軸轉動180°。活塞上移時，工作容積逐漸縮小，缸內混合氣受壓縮后壓力和溫度不斷升高，到達壓縮終點時，其壓力pc可達800～2 000kPa，溫度達600～750K。在示功圖上，壓縮行程為曲線a～c。

(3) 做功衝程(power stroke)

當活塞接近上止點時，由火花塞點燃可燃混合氣，混合氣燃燒釋放出大量的熱能，使汽缸內氣體的壓力和溫度迅速提高。燃燒最高壓力pZ達3 000～6 000kPa，溫度TZ達2 200～2 800K。高溫高壓的燃氣推動活塞從上止點向下止點運動，並通過曲柄連桿機構對外輸出機械能。隨著活塞下移，汽缸容積增加，氣體壓力和溫度逐漸下降，到達 b 點時，其壓力降至300～500kPa，溫度降至1 200～1 500K。在做功衝程，進氣門、排氣門均關閉，曲軸轉動180°。在示功圖上，做功行程為曲線c-Z-b。

(4) 排氣衝程(exhaust stroke)

排氣衝程時，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，活塞從下止點向上止點運動，曲軸轉動180°。排氣門開啟時，燃燒后的廢氣一方面在汽缸內外壓差作用下向缸外排出，另一方面通過活塞的排擠作用向缸外排氣。由於排氣系統的阻力作用，排氣終點r 點的壓力稍高於大氣壓力，即pr=(1.05～1.20)p0。排氣終點溫度Tr=900～1100K。活塞運動到上止點時，燃燒室中仍留有一定容積的廢氣無法排出，這部分廢氣叫殘餘廢氣。

四衝程柴油機工作原理

四衝程柴油機和汽油機一樣，每個工作循環也是由進氣衝程、壓縮衝程、做功衝程和排氣衝程組成。由於柴油機以柴油作燃料，與汽油相比，柴油自燃溫度低、黏度大不易蒸發，因而柴油機採用壓縮終點壓燃著火，也叫壓燃式點火，其工作過程及系統結構與汽油機有所不同.

(1) 進氣衝程

進入汽缸的工質是純空氣。由於柴油機進氣系統阻力較小，進氣終點壓力pa= (0.85～0.95)p0，比汽油機高。進氣終點溫度Ta=300～340K，比汽油機低。

(2) 壓縮衝程

由於壓縮的工質是純空氣，因此柴油機的壓縮比比汽油機高(一般為ε=16～22)。壓縮終點的壓力為3 000～5 000kPa，壓縮終點的溫度為750～1 000K，大大超過柴油的自燃溫度(約520K)。

(3) 做功衝程

當壓縮衝程接近終了時，在高壓油泵作用下，將柴油以10MPa左右的高壓通過噴油器噴入汽缸燃燒室中，在很短的時間內與空氣混合后立即自行發火燃燒。汽缸內氣體的壓力急速上升，最高達5 000～9 000kPa，最高溫度達1 800～2 000K。由於柴油機是靠壓縮自行著火燃燒，故稱柴油機為壓燃式發動機。

(4) 排氣衝程

柴油機的排氣與汽油機基本相同，只是排氣溫度比汽油機低。一般Tr=700～900K。對於單缸發動機來說，其轉速不均勻，發動機工作不平穩，振動大。這是因為四個衝程中只有一個衝程是做功的，其他三個衝程是消耗動力為做功做準備的衝程。為了解決這個問題，飛輪必須具有足夠大的轉動慣量，這樣又會導致整個發動機質量和尺寸增加。採用多缸發動機可以彌補上述不足。現代汽車用多採用四缸、六缸和八缸發動機。