1、點燃式和壓燃式內(nèi)燃機 工作過程、燃燒理論、性能分析及參數(shù)調(diào)控,Email: Phone:14,汽車發(fā)動機原理,帥石金,清華大學 汽車工程系, 燃料理化特性決定了內(nèi)燃機混合氣形成和著火方式，是造成內(nèi)燃機不同工作方式的決定因素 燃料熱值（混合氣熱值），既是內(nèi)燃機原理的基礎之一，也是影響動力性和經(jīng)濟性“量”環(huán)節(jié)的主要因素之一(熱化學） 工質(zhì)熱力參數(shù)對循環(huán)熱效率有巨大的影響，是決定內(nèi)燃機動力性、經(jīng)濟性“質(zhì)”環(huán)節(jié)的重要因素 燃油組分對燃燒和排放有重要影響，是發(fā)動機滿足嚴格排放法規(guī)的關鍵環(huán)節(jié)之一,講課內(nèi)容,第一部分：動力輸出與能量利用 第1章 性能指標與影響因素 第2章 燃料、

2、工質(zhì)與熱化學 第3章 工作循環(huán)與能量利用 第4章 換氣過程與進氣充量 第5章 運行特性與整車匹配 第二部分：燃燒與排放 第6章 燃燒的基礎知識 第7章 柴油機混合氣形成與燃燒 第8章 汽油機混合氣形成與燃燒 第9章 有害排放物的生成與控制 第10章 新燃燒方式與替代燃料動力,1.燃料及其理化特性 2.汽油機與柴油機工作模式的差異 3.工質(zhì)及其熱力特性 4.燃燒熱化學,講課內(nèi)容,第一部分：動力輸出與能量利用 第1章 性能指標與影響因素 第2章 燃料、工質(zhì)與熱化學 第3章 工作循環(huán)與能量利用 第4章 換氣過程與進氣充量 第5章 運行特性與整車匹配 第二部分：燃燒與排放 第6章 燃燒的基礎知識 第7

3、章 柴油機混合氣形成與燃燒 第8章 汽油機混合氣形成與燃燒 第9章 有害排放物的生成與控制 第10章 新燃燒方式與替代燃料動力,發(fā)動機替代燃料的分類,替代燃料除石油汽油、柴油以外的烴類/醇類/醚類/酯類/氫氣等燃料,Alkanes or Paraffins- single bonds between carbons - CnH2n+2 Alkenes or Olefins - one or more double bonds between carbons - CnH2n Alkynes or Acetylenes - one or more triple bonds between carb

4、ons - CnH2n-2,烷烴,烯烴,炔烴,甲烷,乙烷,異辛烷,乙烯,丙烯,丁二烯,乙炔,C-C單健,CC雙健,CC三健,多鍵非飽和烴結(jié)合牢固，不易斷鏈，不易自燃 但不飽和烴安定性差，長期存放容易氧化變質(zhì),飽和烴，氧化安定性好；異構體結(jié)構緊湊, 不易斷鏈,不易自燃，理想汽油成分,碳氫(hydrocarbon)燃料的分類,碳氫(hydrocarbon)燃料的分類,環(huán)烷烴,Napthenes C-C單健 CnH2n,環(huán)烷烴屬飽和烴，性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易斷鏈，不易氧化變質(zhì)，較為理想的汽油組分,芳烴,benzene苯,toluene甲苯,naphthalene萘,環(huán)狀結(jié)構緊湊, 不易斷鏈, 不易自燃,

5、Aromatics - one or more ring structures CnH2n-6/12,Alcohols - contain one or more OH groups,醇,甲醇,乙醇,燃料含氧促進燃燒,含氧(oxygenated)燃料的分類,Ethers contain an oxygen atom connected to two alkyl or aryl groups (ROR),醚,甲醇,二甲醚,Esters - chemical compounds derived by reacting an oxoacid with a hydroxyl compound such

6、 as an alcohol,酯,含氧(oxygenated)燃料的分類,（植物油/脂肪酸 ） （甲醇） （植物油甲酯/生物柴油） （甘油）,自學含氧燃料的理化特性,烴燃料分子結(jié)構、成分與理化特性,1) 烴燃料結(jié)構對理化特性的影響 鏈與環(huán) 環(huán)化學穩(wěn)定性好，不易自燃 直鏈與支鏈(或正烷與異烷)支鏈(異烷)的化學穩(wěn)定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18的辛烷值分別為0和100) 單鍵和多鍵多鍵非飽和烴不易斷鏈，不易自燃，但安定性差，貯存中易氧化結(jié)膠(如烯烴),燃料抗爆性比較： 1) 環(huán)烷烴 正烷烴 2) 烯烴 正烷烴 3) 異烷烴 正烷烴 4) 芳香烴 烷烴/烯烴,烴燃料分子結(jié)構、成

7、分與理化特性,燃料自燃性比較： 1) 環(huán)烷烴 正烷烴 2) 烯烴 正烷烴 3) 芳香烴 烷烴/烯烴 4) 1-甲基奈 壓不著,1) 烴燃料結(jié)構對理化特性的影響 鏈與環(huán) 環(huán)化學穩(wěn)定性好，不易自燃 直鏈與支鏈(或正烷與異烷)支鏈(異烷)的化學穩(wěn)定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18的辛烷值分別為0和100) 單鍵和多鍵多鍵非飽和烴不易斷鏈，不易自燃，但安定性差，貯存中易氧化結(jié)膠(如烯烴),烴燃料成分、分子結(jié)構與理化特性,2) 烴燃料成分對理化特性的影響 C原子數(shù) C越多，化學穩(wěn)定性差，著火溫度低，易自燃；但物理穩(wěn)定性也好，不易氣化 H/C比 燃料熱值由H/C比決定, 由于H比C的熱值

8、高 (約3.7:1)，柴油H/C 柴油Hum H/C大，則排放特性好： CCO、CO2 有害 HH2O 無害 CNG、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 H/C越大，燃料越清潔,發(fā)動機燃料的主要技術指標,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 自燃性對柴油尤其重要，自燃性差，則起動性差，工作粗暴 十六烷值是評價柴油自燃性好壞的指標,十六烷值 Cetane C16H34,Cetane Number CN = 100,Cetane Number CN = 0,甲基萘 Methylnaphthalene C11H10,燃油十

9、六烷值的測量,CFR engine was developed by the American Cooperative Fuel Research Committee. 燃料研究聯(lián)合協(xié)會,Waukesha Engine: F5 - Cetane Method Diesel Fuel Rating Unit,發(fā)動機燃料的主要技術指標,2) 抗爆性：燃料不發(fā)生爆燃(Knocking)的能力 抗爆性對汽油來說非常重要，希望自燃性差，抗爆性好 辛烷值是評價汽油抗爆性好壞的指標,異辛烷 Iso-Octane C8H18,Octane Number 100 ON100,正庚烷 n-Heptane C7H1

10、6,Octane Number 0 ON0,辛烷值馬達法和研究法的測量,RON MON 燃料敏感性Sa RONMON 抗爆指數(shù)Ai=(RON+MON)/2,MON與RON，誰的試驗條件更苛刻？,CN60.96-0.56MON CN68.54-0.59RON,調(diào)整壓縮比,蝸桿軸,專用的帶有爆震傳感器的可變壓縮比單缸發(fā)動機：缸徑/沖程85/115,發(fā)動機燃料的主要技術指標,3) 蒸發(fā)性 (1) 飽和蒸氣壓：在規(guī)定條件下燃油和燃油蒸氣達到平衡狀態(tài)時，燃油蒸氣的壓力(Reid飽和蒸氣壓 RVP) 蒸氣壓高，說明燃油中輕質(zhì)組分多，發(fā)動機冷起動性能好，混合氣形成速度快，有利于燃燒 蒸氣壓過高，在儲存和運輸

11、過程中易產(chǎn)生蒸發(fā)損失，著火的危險性大；也容易在燃油供給系統(tǒng)中形成“氣阻Choking”,10個碳原子以上烴類的飽和蒸氣壓接近于0柴油的蒸氣壓接近0,夏季蒸氣壓(3月8月)： 65 kPa 冬季蒸氣壓(9月2月)： 88 kPa,發(fā)動機燃料的主要技術指標,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 燃料中含有的最輕餾分的沸點，但不能判斷輕餾分的含量 10餾程(T10) 燃料中含有輕餾分的大概數(shù)量，反映汽油機的冷起動性 50餾程(T50) 燃料的平均蒸發(fā)性能，反映汽油機的工作穩(wěn)定性 90餾程(T90) 燃料中的重質(zhì)餾分含量，反映汽油機燃燒完全性 干點（終餾點

12、） 燃料中含有的最重餾分的沸點,駕駛性指數(shù),蒸發(fā)駕駛性指數(shù),每噸石油能產(chǎn)出的油品比例基本是一定的(中國柴:汽=2:1), 這一比例也決定了兩者誰也不可能淘汰對方,不同餾程碳氫成分及理化特性,發(fā)動機燃料的主要技術指標,4) 低溫流動性 液體燃料的低溫流動性是指在低溫條件下，燃料在發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)中能否順利地進行泵送和通過燃料過濾器，從而保證發(fā)動機正常供油。 “濁點”是油品在規(guī)定的冷卻過程中，開始析出石蠟結(jié)晶的最高溫度。 “冷濾點”是在200mm水柱抽力下，1min內(nèi)20mL油樣不能完全通過一個350目金屬濾網(wǎng)過濾器時的最高溫度。 “傾點”是燃料在規(guī)定的冷卻過程中，能夠流動的最低溫度。 “凝點”

13、是燃料在規(guī)定的冷卻過程中，石蠟結(jié)晶析出、長大，互相連接成三維網(wǎng)狀結(jié)構，把油包在其中，使油失去流動性的最高溫度。,我國采用凝點作為柴油的標號：10、5、0、-10、-20、-35、-50,傾 點,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，同時在高溫條件下對氧傳感器造成不良影響。高硫燃油會使車載診斷系統(tǒng)(OBD)失靈，使催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)控裝置發(fā)送錯誤的診斷碼，并向司機發(fā)出錯誤的故障信號。 2) 烯烴(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，導致它易形成膠質(zhì)，并沉積在進氣系統(tǒng)中，影響燃燒效果，增加排放?；顫娤?/p>

14、烴蒸發(fā)排放到大氣中會產(chǎn)生光化學反應，進而引起光化學污染。 3) 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，芳烴會導致發(fā)動機產(chǎn)生沉積物，增加尾氣排放，包括CO2。 4) 苯(Benzene) 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)。,世界燃油規(guī)范,汽油質(zhì)量要求,世界燃油規(guī)范,柴油質(zhì)量要求,中國內(nèi)燃機學會“油品與清潔燃料”分會,1.燃料及其理化特性 2.汽油機與柴油機工作模式的差異 3.工質(zhì)及其熱力特性 4.燃燒熱化學,講課內(nèi)容,第一部分：動力輸出與能量利用 第1章 性能指標與影響因素 第2章 燃料、工質(zhì)與熱化學 第

15、3章 工作循環(huán)與能量利用 第4章 換氣過程與進氣充量 第5章 運行特性與整車匹配 第二部分：燃燒與排放 第6章 燃燒的基礎知識 第7章 柴油機混合氣形成與燃燒 第8章 汽油機混合氣形成與燃燒 第9章 有害排放物的生成與控制 第10章 新燃燒方式與替代燃料動力,1) 混合氣形成方式不同 汽油易氣化，缸外低壓噴射蒸發(fā)，與空氣形成預制均質(zhì)混合氣 柴油難氣化，缸內(nèi)高壓噴霧成細小液滴，與空氣形成非均質(zhì)(分層)混合氣 2) 著火及燃燒方式不同 汽油難自燃，易點燃(SI)，用高壓電火花點燃 預混燃燒，火焰?zhèn)鞑?。可在a =1的條件下完全燃燒 柴油難點燃，易壓燃(CI) 擴散燃燒，即邊噴-邊混-邊燃，為了完全燃

16、燒， 必須a 1.0（1.2） 3) 負荷調(diào)節(jié)方式不同 汽油機預混合， a基本保持不變，量調(diào)節(jié) 柴油機分層混合， a變化范圍大（0），質(zhì)調(diào)節(jié),汽油機與柴油機工作模式的差異,homogeneous mixture,stratified mixture,思考：柴油能采用點燃方式嗎？汽油能采用壓燃方式嗎？,Mixture Homogeneous 均質(zhì)混合氣,Spark Ignition 火花點火,Mixture Stratified 分層混合氣,Compression Ignition 壓縮著火,SI 常規(guī)汽油機,HCCI,GDI,CI 柴油機,內(nèi)燃機混合氣形成和燃燒模式組合,Gasoline Di

17、rect Injection 汽油缸內(nèi)直噴,Homogeneous Charge Compression Ignition 均質(zhì)充量壓燃,1.燃料及其理化特性 2.汽油機與柴油機工作模式的差異 3.工質(zhì)及其熱力特性 4.燃燒熱化學,講課內(nèi)容,第一部分：動力輸出與能量利用 第1章 性能指標與影響因素 第2章 燃料、工質(zhì)與熱化學 第3章 工作循環(huán)與能量利用 第4章 換氣過程與進氣充量 第5章 運行特性與整車匹配 第二部分：燃燒與排放 第6章 燃燒的基礎知識 第7章 柴油機混合氣形成與燃燒 第8章 汽油機混合氣形成與燃燒 第9章 有害排放物的生成與控制 第10章 新燃燒方式與替代燃料動力,工質(zhì)的主要

18、熱力參數(shù),比熱容與比熱容比(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,由分子物理學可知：分配到分子每一個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,1.燃料及其理化特性 2.汽油機與柴油機工作模式的差異 3.工質(zhì)及其熱力特性 4.燃燒熱化學,講課內(nèi)容,第一部分：動力輸出與能量利用 第1章 性能指標與影響因素 第2章 燃料、工質(zhì)與熱化學 第3章 工作循環(huán)與能量利用 第4章 換氣過程與進氣充量 第5章 運行特性與整車匹配 第二部分：燃燒與排放 第6章 燃燒的基礎知識 第7章 柴油機混合氣

19、形成與燃燒 第8章 汽油機混合氣形成與燃燒 第9章 有害排放物的生成與控制 第10章 新燃燒方式與替代燃料動力,燃燒熱化學,要解決的問題：燃燒需要多少空氣；發(fā)出多少熱量；燃燒前后工質(zhì)的變化,設1kg燃料中有gC公斤C、gH公斤H、gO公斤O,H燃燒需要氧氣是C的三倍,C燃燒后體積不變H燃燒后體積增大,燃燒熱化學,1) 燃料完全燃燒所需空氣量 設： (1) 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%，即需空氣量為（實際中是測量空氣流量） ： 也稱之為 “質(zhì)量化學計量比”（mass stoichiometric ratio）,燃燒熱化學,(2) 1 kg燃料完全燃燒需

20、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 “摩爾化學計量比”（mole stoichiometric ratio）,2) 分子變化系數(shù),汽油機 1.071.12 柴油機 1.031.06，因為： 汽油H含量大，燃后體積增大多一些 柴油機a大，有些空氣不參加反應，其前后體積不變,3) 殘余廢氣(residual gas)系數(shù) 殘余廢氣系數(shù)r是進氣過程結(jié)束時，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)每缸殘余廢氣質(zhì)量 m1每循環(huán)每缸新鮮充量質(zhì)量 一般無廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation,簡稱EGR）的機型r值范圍如下： 汽油機：0.060.16，柴油機：0.030.06 增壓柴油機：0.000.03 汽油機r偏高是因為小，壓縮容積大， 低負荷時進氣節(jié)流強使新鮮充量下降 增壓柴油機r小是因為掃氣效果強,燃燒熱化學,廢氣再循環(huán)率： 式中，mr每缸廢氣再循環(huán)質(zhì)量,4) 可燃混合氣熱值 定