1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理點(diǎn)燃式和壓燃式內(nèi)燃機(jī)的工作過程、燃燒理論、性能分析以及參數(shù)調(diào)控清華大學(xué) 汽車工程系帥石金 博士Email: Phone:課內(nèi)容第一篇 動(dòng)力輸出與能量利用第1章 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章 燃料與工質(zhì)第3章 循環(huán)分析與能量利用第4章 換氣過程與循環(huán)充量第二篇 燃燒與排放第5章 燃燒的基礎(chǔ)知識(shí)第6章 燃燒過程及混合氣形成第7章 特殊燃燒問題的機(jī)理與對(duì)策第8章 有害排放物的生成與控制第9章 燃燒室與調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇 運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章 柴油機(jī)調(diào)速特性 燃料的理化特性決定了內(nèi)燃機(jī)混合氣形成和著火方式，是造成內(nèi)

2、燃機(jī)不同工作方式的決定因素。 燃料的熱值（尤其是混合氣熱值），既是內(nèi)燃機(jī)原理的基礎(chǔ)之一，也是影響動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性“量”環(huán)節(jié)的主要因素之一。 工質(zhì)的熱力參數(shù)對(duì)循環(huán)熱效率有巨大的影響，是決定內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性“質(zhì)”環(huán)節(jié)的重要因素。 油品對(duì)燃燒和排放有重要影響，是發(fā)動(dòng)機(jī)滿足嚴(yán)格排放法規(guī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。講課內(nèi)容第一篇 動(dòng)力輸出與能量利用第1章 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章 燃料與工質(zhì)第3章 循環(huán)分析與能量利用第4章 換氣過程與循環(huán)充量第二篇 燃燒與排放第5章 燃燒的基礎(chǔ)知識(shí)第6章 燃燒過程及混合氣形成第7章 特殊燃燒問題的機(jī)理與對(duì)策第8章 有害排放物的生成與控制第9章 燃燒室與調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇

3、 運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章 柴油機(jī)調(diào)速特性1. 燃料及其理化特性2. 汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式的差異3. 工質(zhì)及其熱力特性4. 燃燒熱化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的分類發(fā)動(dòng)機(jī)燃料分類:常規(guī)燃料石油制品的液體燃料，即汽油和柴油。代用燃料烴（碳?xì)洌╊?、醇類、醚類、酯?目的：替代能源、環(huán)保要求1）按物態(tài)分類：液體：甲醇CH3OH、乙醇C2H5OH 二甲醚CH3-O-CH3、生物柴油（甲脂）氣體：液化石油氣LPG（丙烷、丁烯）、天然氣CNG、LNG（甲烷） H2、沼氣（CH4）、煤氣（CO）固體：煤粉、水煤漿2）按成份分類：烴燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料（含氧生物燃料）趨勢(shì)：

4、汽車燃料多元化（Diversification）Alternative Fuels“狼”來了？！2020沒有石油內(nèi)燃機(jī)還能轉(zhuǎn)嗎？一次能源二次能源（能源載體）Crude oil 石油Diesel（柴油）Natural gas 天然氣Gasoline（汽油） Coal 煤炭LPG（液化石油氣）Natural gas (CNG)（天然氣）Bio mass 生物能源Methanol（甲醇）Ethanol（乙醇）RME（菜籽油）Nuclear energy 核能Solar energy 太陽能Hydrogen（氫氣）FossilFuels化石燃料AF替代燃料碳?xì)洌℉ydrocarbon）燃料的分類Alk

5、anes or Paraffins- single bonds between carbons - CnH2n+2, e.g. CH4, C2H6Alkenes or Olefins - one or more double bonds between carbons - CnH2nAlkynes or Acetylenes - one or more triple bonds between carbons - CnH2n-2 ,very reactive, higher heating value than alkanes or alkenes烷烴稀烴炔烴甲烷乙烷異辛烷乙烯丙稀丁二烯乙炔碳

6、氫（Hydrocarbon）燃料的分類Aromatics - one or more ring structures CnH2n-6/12Alcohols - contain one or more OH groups芳烴醇苯甲苯萘甲醇乙醇 烴燃料的分子式CnHm （碳?xì)浠衔镆卜Q為烴） C、H占97%98%，其余是S、O、N 而煤中的 “灰分+水” 1760% 烴燃料的分類，主要掌握 以下幾點(diǎn)： C原子數(shù)C越多，化學(xué)穩(wěn)定性越差，物理穩(wěn)定性好，不易蒸發(fā)。（因?yàn)镃越多則鏈越長(zhǎng)，越易斷，但是一個(gè)很大的分子不易蒸發(fā)） 分子結(jié)構(gòu)：（1）“鏈”與“環(huán)” 環(huán)化學(xué)穩(wěn)定性好，不易自燃（2）“直鏈”與“支鏈”（

7、或正烷與異烷）支鏈（異烷）的化學(xué)穩(wěn)定性好，抗爆好（如正庚烷C7H16，異辛烷C8H18，辛烷值分別為0和100）（3）“飽和”與“不飽和”不飽和則不穩(wěn)定，貯存中易氧化結(jié)膠（如烯烴）（4）“雙鍵”和“單鍵”單鍵的化學(xué)穩(wěn)定性差烴燃料的分子結(jié)構(gòu)與物化特性燃料碳原子數(shù)和分子結(jié)構(gòu)對(duì)抗爆性的影響燃料抗爆性比較：1）環(huán)烷烴 正烷烴2）異烷烴 正烷烴3）烯烴 正烷烴4）芳香烴 烷烴和烯烴烷烴稀烴環(huán)烷烴芳烴甲基萘碳原子數(shù)十六烷值燃料碳原子數(shù)和分子結(jié)構(gòu)對(duì)自燃性的影響 熱值（能量密度）燃料的熱值由C/H比決定, 由于H比C的熱值高（約3.7:1）, 柴油C/H 汽油C/H 汽油Hu（ 44000） 柴油Hu （42

8、500）但就單位質(zhì)量來看，H燃燒所需要O（空氣）多（約是C的3倍），因而 理論混合氣熱值：汽油=柴油 若實(shí)際中考慮，汽油在a =1，柴油在 a 1.2工作 則有可能混合氣熱值：汽油 柴油 排放特性 C/H高，則排放特性差， CCO、CO2 有害 HH2O 無害天然氣（NG）、LPG的H含量高（0.25和0.182），所以其CO、黑煙、微粒、CO2低于汽、柴油燃料C/H比與熱值和排放特性的關(guān)系發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的主要技術(shù)指標(biāo)1）自燃性：可燃混合氣在一定溫度、壓力條件下自行著火燃燒的能力 自燃性對(duì)柴油尤其重要，自燃性差，則起動(dòng)性差，工作粗暴 十六烷值是評(píng)價(jià)柴油自燃性好壞的指標(biāo)十六烷值CetaneC16H3

9、4HCCHHHH. . . . . . .HCCHHHHCetane numberCN = 100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3Cetane numberCN = 0a甲基萘a MethylnaphtaleneC11H10燃燒室 Combustion chamber壓縮比 Compression ratio e發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 Engine speed噴油時(shí)刻 Start of injection燃燒始點(diǎn) Start of combustion著火延遲 Ignition delay著火延遲調(diào)整 Ignition delay adjustment渦流燃燒室 Swirl chamber可變 V

10、ariable (7 - 28)900 rpm13 CA BTDCTDC13 CA改變壓縮比 Variation of e燃油十六烷值的測(cè)量條件測(cè)量燃料十六烷值和辛烷值的CFR發(fā)動(dòng)機(jī)Adjustment ofcompression ratio調(diào)整壓縮比Worm shaft蝸桿軸CFR engine was developed by the American Cooperative Fuel Research Committee.燃料研究聯(lián)合協(xié)會(huì)專用的帶有爆震傳感器的可變壓縮比單缸發(fā)動(dòng)機(jī)。缸徑/沖程85/115發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的主要技術(shù)指標(biāo)2）抗爆性：燃料不發(fā)生爆燃（Knock）的能力 抗爆性對(duì)汽油來

11、說非常重要，希望自燃性差，抗爆性好 辛烷值是評(píng)價(jià)汽油抗爆性好壞的指標(biāo)CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH異辛烷Iso-OctaneC8H18 Octane number 100辛烷值100正庚烷n-HeptaneC7H16 Octane number 0辛烷值0CCCCCHHHHHHHHH辛烷值馬達(dá)法和研究法的測(cè)量條件運(yùn)行條件 Operaitions馬達(dá)法辛烷值MON研究法辛烷值RON發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 Engine speed900 rpm600 rpm著火 Ignitionf (e)1926 CA BTDCconstant13 CA BTDC混合氣預(yù)熱 Pre-heating of mi

12、xture149 Cnone空氣預(yù)熱 Pre-heating of air38 C52 C壓縮比 Compression ratio e可調(diào)整的adjustable表示在高轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷情況下的抗爆性 表示加速情況下的抗爆性 RON MONRONMON燃料的敏感性發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的主要技術(shù)指標(biāo)3）蒸發(fā)性（1）飽和蒸汽壓：在規(guī)定條件下燃油和燃油蒸汽達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，燃油蒸汽的壓力（Reid飽和蒸汽壓 RVP） 蒸汽壓高，說明燃油中輕質(zhì)組分多，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能好，混合氣形成速度快，有利于燃燒 蒸汽壓過高，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中易產(chǎn)生蒸發(fā)損失，著火的危險(xiǎn)性也大 蒸汽壓過高易在燃油供給系統(tǒng)中形成“氣阻”10個(gè)碳原子

13、以上的烴類的飽和蒸汽壓接近于0柴油的蒸汽壓接近0發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的主要技術(shù)指標(biāo)3）蒸發(fā)性（2）餾程：燃油在規(guī)定條件下蒸餾出某一百分比的溫度范圍 初餾點(diǎn) 燃料中含有的最輕餾分的沸點(diǎn)，但不能判斷輕餾分的含量 10餾程 燃料中含有輕餾分的大概數(shù)量，反映汽油機(jī)的冷起動(dòng)性 50餾程 燃料的平均蒸發(fā)性能，反映汽油機(jī)的工作穩(wěn)定性 90餾程 燃料中的重質(zhì)餾分含量，反映汽油機(jī)燃燒完全性 干點(diǎn)（終餾點(diǎn)） 燃料中含有的最重餾分的沸點(diǎn) 每噸石油能產(chǎn)出的油品比例基本是一定的，例如：21%汽油、9%柴油（輕柴油）， 即 汽：柴= 7： 3。 這一比例也決定了兩者誰也不可能淘汰對(duì)方。原油不同餾程的碳?xì)涑煞旨袄砘匦栽偷恼麴s（D

14、istillation）蒸餾塔瀝青潤(rùn)滑油柴油煤油汽油石油氣原油原油煉制催化裂化烷基化重整汽油與柴油組分的差異（歐洲）芳烴烯烴甲基叔丁基醚烷烴（短鏈）環(huán)烷烴烷烴（長(zhǎng)鏈）烯烴汽油柴油芳烴燃油組分與排放燃油組分與排放（1） 硫（Sulfur） 硫天然存在于原油中。硫可明顯地降低催化轉(zhuǎn)化器中催化劑的功效，同時(shí)在高溫條件下對(duì)氧傳感器造成不良影響。高硫燃油會(huì)使車載診斷系統(tǒng)（OBD）失靈，使催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)控裝置發(fā)送錯(cuò)誤的診斷碼，并向司機(jī)發(fā)出錯(cuò)誤的故障信號(hào)。 （2）芳烴（Aromatics） 芳烴通常是汽油的高辛烷值組分，具有高能量密度。但是，芳烴會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生沉積物，增加尾氣排放，包括CO2。（3） 苯（B

15、enzene） 苯是原油中的天然組分，也是催化重整的產(chǎn)物。盡管是高辛烷值組分，但是苯是一種致癌物質(zhì)。（4） 稀烴（Olefins） 烯烴是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯烴有熱不穩(wěn)定性，導(dǎo)致它易形成膠質(zhì)，并沉積在進(jìn)氣系統(tǒng)中，影響燃燒效果，增加排放?；顫娤N蒸發(fā)排放到大氣中會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引起光化學(xué)污染。 講課內(nèi)容第一篇 動(dòng)力輸出與能量利用第1章 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章 燃料與工質(zhì)第3章 循環(huán)分析與能量利用第4章 換氣過程與循環(huán)充量第二篇 燃燒與排放第5章 燃燒的基礎(chǔ)知識(shí)第6章 燃燒過程及混合氣形成第7章 特殊燃燒問題的機(jī)理與對(duì)策第8章 有害排放物的生成與控制第9章 燃燒室與

16、調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇 運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章 柴油機(jī)調(diào)速特性1. 燃料及其理化特性2. 汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式的差異3. 工質(zhì)及其熱力特性4. 燃燒熱化學(xué)1）混合氣形成方式不同汽油易氣化，在低溫（氣缸外）下蒸發(fā)，預(yù)制成均勻混合氣柴油難氣化，用高壓噴霧粉碎，高溫空氣（氣缸內(nèi)）促其霧化2）著火及燃燒方式不同汽油難自燃，易點(diǎn)燃，用高壓電火花點(diǎn)燃 預(yù)混合氣體中的火焰?zhèn)鞑??？稍赼 =1的條件下完全燃燒柴油易自燃，壓縮著火（壓燃） 擴(kuò)散燃燒，即邊噴-邊混-邊燃，所以自燃但不會(huì)爆燃 為了完全燃燒，必須a 1.0（1.2）3）負(fù)荷調(diào)節(jié)方式不同汽油機(jī)預(yù)混合， a基本保持不變

17、，量調(diào)節(jié)（質(zhì)不變）柴油機(jī)循環(huán)空氣量不變， a變化（1），質(zhì)調(diào)節(jié)汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式的差異注意：汽油機(jī)和柴油機(jī)的工作模式不是絕對(duì)不變的！GDI和HCCI就是例證。講課內(nèi)容第一篇 動(dòng)力輸出與能量利用第1章 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章 燃料與工質(zhì)第3章 循環(huán)分析與能量利用第4章 換氣過程與循環(huán)充量第二篇 燃燒與排放第5章 燃燒的基礎(chǔ)知識(shí)第6章 燃燒過程及混合氣形成第7章 特殊燃燒問題的機(jī)理與對(duì)策第8章 有害排放物的生成與控制第9章 燃燒室與調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇 運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章 柴油機(jī)調(diào)速特性1. 燃料及其理化特性2. 汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式的差異

18、3. 工質(zhì)及其熱力特性4. 燃燒熱化學(xué)工質(zhì)的主要熱力參數(shù)1）理論氣體狀態(tài)方程摩爾數(shù)在一定條件下反映體積的大小通用氣體常數(shù)8.315kJ/kmol.K2）比熱容與等熵指數(shù) cp, cV 隨溫度T上升而增加 k 隨溫度T上升而下降工質(zhì)的主要熱力參數(shù) 分子物理學(xué)：分配到分子每一個(gè)自由度的熱量是相同的。則分子自由度（原子數(shù)），cp和cV，k k越大，cp和cV越小，相同加熱量下，工質(zhì)溫升越高，循環(huán)熱效率高。講課內(nèi)容第一篇 動(dòng)力輸出與能量利用第1章 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與影響因素第2章 燃料與工質(zhì)第3章 循環(huán)分析與能量利用第4章 換氣過程與循環(huán)充量第二篇 燃燒與排放第5章 燃燒的基礎(chǔ)知識(shí)第6章 燃燒過程及混

19、合氣形成第7章 特殊燃燒問題的機(jī)理與對(duì)策第8章 有害排放物的生成與控制第9章 燃燒室與調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化第三篇 運(yùn)行特性與性能調(diào)控第10章 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性與整車匹配第11章 柴油機(jī)調(diào)速特性1. 燃料及其理化特性2. 汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式的差異3. 工質(zhì)及其熱力特性4. 燃燒熱化學(xué)燃燒熱化學(xué)要解決的問題：燃燒時(shí)需要多少空氣；發(fā)出多少熱量；燃燒前后工質(zhì)的變化。設(shè)1kg燃料中有g(shù)C公斤C、gH公斤H、gO公斤O燃燒熱化學(xué)1）燃料完全燃燒所需空氣量燃燒過程就是燃料中可燃成分與空氣中的氧發(fā)生氧化放熱反應(yīng)的過程。燃料的主要成分：C、H、O設(shè)：1kg燃料中有g(shù)C公斤C、gH公斤H、gO公斤O，即： kg（1）

20、1 kg燃料完全燃燒需要O2為：而O2在空氣中的質(zhì)量百分比為23.2%（實(shí)際中是測(cè)量空氣流量），即需空氣量為：也稱之為“質(zhì)量化學(xué)計(jì)量比”（Stoichiometric ratio）燃燒熱化學(xué)（2）1 kg燃料完全燃燒需要O2摩爾（mol）為：而O2在空氣中的摩爾百分比為21.0%，即需空氣量為：也稱之為“摩爾化學(xué)計(jì)量比”（Stoichiometric ratio）2）分子變化系數(shù)汽油機(jī) 1.071.12 柴油機(jī) 1.031.06 柴油機(jī)a大，有些空氣不參加反應(yīng) 汽油H含量大，燃后體積增大多一些3）殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù)r是進(jìn)氣過程結(jié)束時(shí)，缸內(nèi)的殘余廢氣量與新鮮充量的質(zhì)量比。式中，mr每循環(huán)每缸的殘余廢氣質(zhì)量 m1每循環(huán)每缸的新鮮充量質(zhì)量 一般無EGR的機(jī)型r值范圍如下： 汽油機(jī)0.060.16，柴油機(jī)0.030.06 增壓柴油機(jī)0.000.03 汽油機(jī)r偏高是因?yàn)?小，和低負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣節(jié)流強(qiáng)使新鮮充量下降 增壓柴油機(jī)r小是因?yàn)閽邭庑Ч麖?qiáng)燃燒熱化學(xué)4）可燃混合氣熱值定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積可燃混合氣發(fā)出的熱量（kJ/kg或kJ/m3）。Hu（低熱值）表示燃料的能量密度；(Hum)V代表混合氣的能量密度，越高則相同工作容積時(shí)發(fā)出功率越高（即pme高）。也可用單位摩爾體積發(fā)出的熱量表示：燃燒熱化