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工程热力学基础
１工质：在工程热力学中，把实现热能与机械功相互转换的工作物质称为工质。燃料燃烧前，工质为空气（柴油机）或空气和汽油的混合气（汽油机）。燃烧后，工质主要是二氧化碳和水蒸气等
２热能的传递方式
热能可由工质通过传导、对流或辐射等方式来进行传递
３热力学第一、第二定律-能量平衡方程
根据热力学第一定律，系统的内能、热量和功三者的转换必然遵守下列方程： dq=du+dw
４理想气体状态方程
对于mkg理想气体，状态方程式为
５气体的热力过程主要有哪几种？
定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程和多变过程
发动机工作循环和性能指标
６理论循环和实际循环的差别？
1）工质是一种理想气体，在整个循环中保持物理和化学性质不变，其状态参量的变化完全遵守理想气体状态方程 pV=mRT。
（2）不考虑实际存在的工质更换及漏气损失，工质是在闭口系统中做封闭循环。
（3）工质在绝热压缩和绝热膨胀过程中工作，与外界不进行热交换。
（4）用定容放热和定容或定压加热来代替实际的换气和燃烧过程。
７发动机的工作次序?
直列：153624 V形：R1-L３-R3-L2_R2-Ｌ１
８发动机实际工作循环哪几个过程组成，哪几个行程组成？
实际工作循环则是由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程所组成的
９发动机的指示性能指标、有效性能指标（有效功率、
有效转矩、有效燃油消耗率）和强化指标（升功率）
指示指标：以工质对活塞所做之功为计算基准的指标。
指示指标不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等各种外来因素的影响，直接反映由燃烧到热功转换工作循环进行的好坏。
有效指标：以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标。
有效指标代表着发动机整机性能，被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣，因而在生产实践中获得广泛的应用
有效功率：从发动机功率输出轴上得到的净功率，用Pe表示
Pe=Pi(指示功率)-Pm(机械损失功率) (kW)
机械损失功率：这些损失的总和所消耗的功率，用Pm表示。
发动机的有效功率Pe，可利用测功器和转速计进行测量计算而定。
有效转矩：发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩，用Te表示。
Te与有效功率Pe的关系为
Te——有效转矩（N·m）；
n——发动机转速（r/min）
有效燃油消耗率：指单位有效功的耗油量，也就是发动机每有效千瓦小时的耗油量，用ge表示，单位(g/kW·h)
当实验测得发动机的有效功率为Pe（kW）及每小时耗油量为mh（kg/h）时，有效油耗率ge为：

升功率：发动机每升工作容积所发出的有效功率称为升功率，用PL表示

可以看出：提高PL的措施是提高pe和n。
PL可用来评价发动机的承载能力、热负荷和机械负荷的应力水平以及发动机工作容积（排量）的利用程度，进一步提高升功率是发动机发展方向的研究课题之一。
PL的大致范围是：
汽油机　20～50（kW/L）
柴油机　18～30（kW/L）
１０发动机机械损失功率的组成部分？
机械损失的组成：
Ø 机械摩擦损失：发动机内部运动件的机械摩擦、搅油及空气动力损失。
Ø 辅助设备（附件）驱动功率的消耗
Ø 泵气损失　
１１影响机械效率的主要因素有哪些？
1．转速（活塞平均速度）的影响
2．负荷的影响
3．润滑油温和冷却水温的影响
4．气缸尺寸及数目的影响
5．加工工艺水平的影响
１２发动机压缩比范围？
汽油机 6-10
柴油机 14-22
增压柴油机 12-15
发动机的换气过程
１３换气过程
• 发动机的换气过程包含排气过程和进气过程。
• 换气过程的任务是：将气缸内上一循环的废气排除干净，为下一循环充入尽可能多的新鲜工质，保证发动机动力周而复始地输出
• 研究换气过程，目的在于了解换气过程的工作状态，分析影响充气量的各种因素，从中寻求减少换气损失和提高充气量的措施
四行程发动机的换气过程始于排气门开启，止于进气门关闭
• 根据气体流动特点，一般将此过程分成四个阶段：
自由换气、强制换气、进气和燃烧室扫气
１４四行程发动机换气过程的阶段划分
自由换气、强制换气、进气和燃烧室扫气
１５充气效率
充气效率ηv：是实际进入气缸的新鲜工质质量m与进气状态下整个气缸容积充满了新鲜工质的质量m0之比值

根据理想气体状态方程可得：

１６提高充气效率的措施有哪些？
一减少进气门处的流动损失
二减小整个进气管道对气流的阻力
三减少对新鲜工质的热传导
四减小排气系统对气流的阻力
五合理选择配气定时
提高充气效率的措施
1　减小进气系统的阻力
1．进气门部分
（1）增大气门直径
（2）增加气门数量
（3）增加气门升程
（4）改善气门处流动阻力
2．进气管道部分
（1）尽量增加管道的截面积；
（2）降低管道内壁的粗糙度；
（3）采用圆形管道；
（4）避免急弯，拐弯处圆弧过渡；
（5）避免截面积急剧变化，利用圆弧过渡；
（6）利用气道形成扫气涡流
3．空气滤清器部分
(1)加大气流通过截面；
(2)采用高效低阻的滤芯结构和材料；
(3)及时清洁和更换滤芯。
4．节气门体部分
该部分除了降低节气门体和节气门的气流阻力外，还要注意对空气流量计的选择。如热丝式、热膜式流量计的流动阻力相对就小些
2 合理选择配气定时
1．可变凸轮轴相位
让整根凸轮轴相对于正时皮带轮旋转一个角度，从而改变开启提前角和关闭延迟角
2．可变配气相位及气门升程
由2个以上的凸轮控制一个气门，因此气门的开闭角度、开闭的快慢、气门升程均可调节，能明显提高充气效率
如丰田的VVT-i，本田的VTEC，现代的CVVT发动机都具有该功能
3 利用动态效应
• 采用了可变进气道结构（可变进气歧管长度控制）。
4 提高压缩比
１７配气相位
１８i-VTEC与VVT-i
燃料与燃烧
１９过量空气系数和空燃比
过量空气系数：燃烧1kg燃料实际提供的空气量L与理论上所需的空气量L0之比，称为过量空气系数α
空燃比：与α理念相似，也有将燃烧时空气量与燃料的比例值是用空燃比A/F表示。
􀂃
２０汽油（挥发性、抗爆性-辛烷值）和柴油（低
温流动性、自燃性-十六烷值）的基本特性?
挥发性：汽油的挥发性常用蒸馏曲线相对地评定。在汽油规格中，以10%，50%，90%等馏分的馏出温度作为汽油挥发性的主要指标
10%蒸发温度标志燃油的起动性，10%蒸发温度低，则起动性好
50%馏出温度标志汽油的平均挥发性，发动机起动后，其温度逐步上升到正常运转温度的时间称为暖车时间
90%的馏出温度标志着燃料中含有难于挥发的重质成分的数量，此温度越低，表明燃料中重质成分少，挥发性好，有利于完全燃烧
• 汽油机的最低起动温度、气阻和蒸发损耗等方面的相对性能可根据10%馏出温度来预测；
• 平均挥发性、暖车时间、加速性以及工作稳定性可根据汽油的50%馏出温度评估；
• 燃料中重质成分的数量、燃烧冒烟、对机油的稀释程度可根据90%的馏出温度来评估。
抗爆性：燃料的抗爆性是指燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力。燃料 抗爆性好，有利于提高发动机的压缩比，改善发动机的经济性
评定汽油的抗爆性指标是辛烷值。辛烷值高，则抗爆震能力强 柴油机
低温流动性
• 温度降低时，柴油开始析出固态石蜡而呈混浊状态的温度称为浊点。
• 温度继续下降，柴油失去流动性能的温度称为凝点。
• 柴油达到浊点时，虽然仍具有流动性，但石蜡结晶颗粒容易阻塞滤清器和油路。从流动性考虑，希望柴油的凝点低，凝点与浊点的温差小。
自燃性
柴油机是依靠燃料自燃发火而燃烧的。它要求燃料有好的自燃性。
一般十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。它与发动机的粗暴及起动性均有密切关系
十六烷值高的柴油，其着火延迟期短，气缸中形成的混合气少，燃烧所释放的热量也少，发动机工作平稳；同时冷起动性亦能随之改善。反之，发动机将工作粗暴，起动性能也变差
在选用柴油时不应单纯地追求高十六烷值,通常要求柴油的十六烷值应在45～60之间
２１汽油和柴油的选用？
• 在选用时，根据发动机的压缩比来选择其相应使用的汽油：
Ø 90号的汽油适用于压缩比小于9.0的发动机；
Ø 93号汽油适用于压缩比9.0～10.0的发动机；
Ø 97号汽油则适用于压缩比高于10.0发动机。
选用柴油时，应按凝点不同分，按最低环境温度来选用。
10号轻柴油——适合于有预热设备的高速柴油机上使用；
0号轻柴油——适合于最低气温在4℃以上的地区使用；
-10号轻柴油——适合于最低气温在-5℃以上的地区使用；
-20号轻柴油——适合于最低气温在-14℃以上的地区使用；
-35号轻柴油——适合于最低气温在-29℃以上的地区使用；
-50号轻柴油——适合于最低气温在-44℃以上的地区使用
柴油机混合气的形成和燃烧
２２柴油机和汽油机相比，混合气形成有哪些特点？

２３ 柴油机的两种混合气形成方式及各自特点
空间雾化混合气的优点是混合气形成速度快，燃烧过程比较稳定，对转速范围的适应性强。其缺点是燃料在着火以前形成的混合气量较多，使燃烧过程较为粗暴，并生成较多的NOX
油膜蒸发混合方式比空间雾化混合方式所得到的混合气更均匀
• 其缺点是油膜蒸发的速度受壁温、油膜厚度和气流运动的影响很大，燃烧不及空间雾化稳定。当燃烧室壁温较低时，混合气形成慢，冷起动困难，怠速及小负荷时HC排放高。
• 这种方式形成的混合气比例越高，燃烧越柔和，排气中NOX含量也越低。
空间雾化混合
油膜蒸发混合
绝大部分燃料以较高的压力被喷射到燃烧室空间中，散布于空气中
利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到燃烧室壁面上
燃料在空气中呈细小油粒状
燃料在壁面上形成油膜
细小油滴以液相与空气混合，形成不均匀混合气（液相混合）
油膜蒸发，燃油蒸气与空气混合，形成相对均匀的混合气（气相混合）
大量细小油滴受热汽化，在着火延迟期内形成的可燃混合气数量较多，多点大面积同时着火
散布在空间的少量燃油，在着火延迟期内形成少量可燃混合气，着火面积小
初期燃烧的放热速率很高，以后逐渐减慢
受油膜蒸发速率的影响，燃烧放热速率呈前低后高的规律

２４柴油机常见燃烧室类型及主要性能比较？
• 直喷式燃烧室 ：（l） 开式燃烧室 （2）半开式燃烧室
• 分隔式燃烧室 （1）涡流室燃烧室（2）预燃室燃烧室

对比项目
直喷式燃烧室
分隔式燃烧室
开式燃烧室
半开式燃烧室
涡流室燃烧室
预燃室燃烧室
主
要
性
能
特
点
pme/MPa
高
较高
较低
低
be/g/kW·h
190～
210～240
235～275
245～290
NOX
高
较高
低
低
PM
较低
高
低
低
HC
较低
高
低
低
燃烧噪声
最高
较高
低
低
起动
容易
较容易
难
最难
适应转速/r/min
≤1500
≤4000
≤5000
≤3500
适应缸径/mm
≥200
≤150
≤100
≤100
（或160～200）

２５柴油机的燃烧过程可以分哪几个阶段？
滞燃期（着火延迟期） 速燃期 缓燃期 补燃期
２７ 柴油机异常喷射现象有哪几种？
二次喷射 滴油现象 断续喷射 不规则喷射和隔次喷射 气穴与穴蚀
汽油机混合气的形成和燃烧
２８汽油机中的动力性、经济性和排放物CO、HC、NOX随过量空气系数的变化关系如何？

２９反馈控制的概念 P116
３０爆震
• 爆震（燃烧）：特征是气缸内发出清脆的金属敲击声，亦称之敲缸。
• 爆震产生的原因是；在正常火焰传播的过程中，处在最后燃烧位置上的那部分末端混合气受到压缩和接受辐射热能，加速了先期反应而自燃。这部分自燃混合气的燃烧速度极快，火焰速度可达300m/s，甚至1000m/s以上，使局部压力、温度增高，并伴随有冲击波
汽油机不允许在严重爆震燃烧的情况下工作
影响爆震的因素
• 燃料性质：辛烷值高的燃料抗爆震能力强。
• 末端混合气的压力和温度：末端混合气的压力和温度增高，则爆震倾向增大。例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，容易发生爆震。
• 火焰前锋传播到末端混合气的时间：提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，这有利于避免爆震。
３１过量空气系数α对汽油机燃烧的进行有何影响？最大功
率混合气与经济混合气的α值为多少？为什么？
• 改变过量空气系数α值时，火焰传播速度 发生变化，影响燃烧过程。
（1）功率混合气：当α=0.85～0.95时，火焰传播速度最快，这种浓度的混合气将使发动机发出最大功率，故称为功率混合气。但爆震倾向加大。此时有效耗油率较高。
（2）经济混合气 ：当α=1.05～1.15时，火焰传播速度仍较高，混合气中的氧气足够使燃料完全燃烧，此时发动机的热效率最高，有效耗油率最低，故称经济混合气。汽车行驶的大部分时间是汽油机处于中等负荷下工作，这时使用经济混合气可提高其燃料经济性。
（3）过浓、过稀混合气
• 当汽油机混合气过浓时，由于空气不足，燃料燃烧不完全，将引起排气管冒黑烟，严重时将使未燃的油分子一遇到空气中的氧分子就急骤燃烧起来，造成排气管放炮。此时，一氧化碳CO、碳氢化合物HC排放增加，氮氧化合物NOX排放较少；
• 若混合气过稀，则由于火焰传播速度缓慢，易使燃烧不稳定，补燃量增加，燃烧过程延续到排气冲程终了，这时HC、CO排放量减少，但NOX排放量增加。
３２电控汽油喷射系统中空气流量的检测方法有哪几种？
一类是直接测量方式，它直接通过空气流量传感器测量空气量，又可以分为质量流量检测方式和体积流量检测方式。另一类是间接测量方式
３３汽油机的燃烧过程阶段划分？ 1 滞燃期（着火延迟期）2 急燃期（明显燃烧期）3 补燃期（后然期）
３４常用燃烧室形状有哪几种？
• 浴盆形燃烧室
• 楔形燃烧室
• 半球形燃烧室
• 多球形燃烧室
• L形燃烧室
发动机特性
３５ 汽油机和柴油机的负荷调节方法有何区别？
３６发动机的负荷特性曲线变化趋势分析及原因
３７如何利用负荷特性求任意工况的ge？
３８汽油机的速度特性曲线变化趋势分析及原因
３９发动机的外特性？
汽油机的外特性是在节气门全开时测得的，曲线上每一点表示它在此转速下的最大功率及转矩，所以代表发动机最高动力性能，所有发动机都需要做外特性曲线

􀂃 车用汽油机外特性
转矩Te曲线
• Te=k2 (ηv /α) ηmηi
• 在节气门开度一定时，α值基本不随转速而变化，汽油机Te大小主要决定于ηvηmηi 随n的变化。
• ηv是在某一中间转速时最大，这时因为在此转速下能最好地利用惯性进气，当转速低于或高于此转速时。ηv都将降低
• ηi的变化是在某一中间转速略为凸起。在较低转速下，因缸内气流扰动减弱，火焰传播速度减低，散热及漏气损失增加，使ηi降低；转速高时，燃烧所占的曲轴转角大，燃烧效率低，也使ηi降低。不过它的变化比较平坦，对Te影响较小。
• 转速增加，消耗于机械损失的功增加，因此ηm随转速上升而下降。
• 综合而言，当转速由低速开始上升时，由于ηv、 ηi上升，Te有所增加，对应于某一转速时， Te达最大值。转速继续提高，由于ηv 、 ηm同时下降，因此Te随转速升高而较快地下降，即Te曲线变化变陡
功率Pe曲线
• 当转速从很低值增加时，由于Te和转速同时增加，P = Ten/9550迅速上升；
• 直至转矩达到最高点后，再继续提高转速，则Pe上升逐渐缓慢；
• 至某一转速Ten达到最大值时，Pe亦不能再增加；
• 若转速再上升，由于Te的降低已超过了转速上升的影响，所以功率Pe反而下降。
有效燃油消耗ge曲线
• 综合ηi、ηm的变化，ge在某一中间转速时最低；当转速高于此转速时，则因ηi、ηm 同时下降而ge上升。当转速低于此转速，因ηi上升弥补了ηm 的下降， ge亦增加。
• 由于进气管动态效应影响到ηv随n的变化规律，因而Te、 ge等随n变化的曲线也常呈某些波动现象。
４０柴油机装调速器的必要性？
（1）由柴油机的速度特性已知，其有效转矩曲线随转速变化平缓。因此，柴油机外界阻力矩的少量变化，就会引起柴油机转速的较大变化。又由喷油泵速度特性，转速升高，循环供油量增加。
（2）发动机在标定转速附近运转时，如果忽然卸去负荷会造成转速大幅上升，循环供油量也迅速增加，发动机转速进一步快速上升，甚至超过允许限度而出现飞车事故。因此，柴油机上必须有防止超速的装置。
（3）汽车发动机在怠速工况运转时，若发动机负载突然增加，怠速将会下降，循环供油量也下降，转速进一步下降，最终导致怠速运转不稳定，甚至熄火。因此柴油机必须有保证怠速稳定的装置
４１发动机的万有特性？
为了能在一张图上较为全面地表示发动机性能，经常应用多参数的特性曲线称为万有特性
汽油机与柴油机万有特性的比较
• 最低油耗偏高，经济区偏小；等燃油消耗线在低速区向大负荷收敛，说明汽油机低速、低负荷工作时，燃油消耗率较高；
• 等功率曲线随转速升高而斜穿等燃油消耗线，故当Pe一定时，转速愈高愈费油；汽油机（n一定）的△ ge/△Te或△ ge /△Pme 比柴油机大，说明变工况工作时平均油耗偏高。
• 柴油机万有特性与汽油机相比：最低燃油消耗偏低，经济区较宽；等耗油率线在高低速均不收敛，变化比较平坦；等功率线向高速延
• 伸时，耗油率变化不大。
CA6102汽油机万有特性　　　EQD6102—1型柴油机
万有特性

万有特性的应用
• 可以方便地查到内燃机在任何点（Te,n）工作时的Pe 、 ge、Pme以及发动机最经济负荷和转速。
• 等燃油消耗率曲线的形状及分布情况，对内燃机使用经济性有很大影响。等燃油消耗率曲线内层为最经济区，曲线愈向外，经济性愈差。如果等燃油消耗率曲线横向较长，表示内燃机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下油耗较小。如果等燃油消耗率曲线纵向较长，则发动机负荷变化较大而转速变化较小情况下的燃油消耗较小。对于常用于中等负荷、中等转速工况的车用内燃机，希望其最经济区处于万有特性中部，等燃油消耗率曲线横向较长。对于转速变化范围较小而负荷变化范围较大的工程机械用内燃机，希望最经济区在标定转速附近，等燃油消耗率曲线纵向较长些。