汽车发动机原理2.ppt

汽车发动机原理,点燃式和压燃式内燃机的工作过程、燃烧理论、性能分析以及参数调控,清华大学汽车工程系帅石金博士,Email:sjshuaiPhone讲课内容,第一篇动力输出与能量利用第1章动力经济性能指标与影响因素第2章燃料与工质第3章循环分析与能量利用第4章换气过程与循环充量第二篇燃烧与排放第5章燃烧的基础知识第6章燃烧过程及混合气形成第7章特殊燃烧问题的机理与对策第8章有害排放物的生成与控制第9章燃烧室与调节参数的优化第三篇运行特性与性能调控第10章发动机运行特性与整车匹配第11章柴油机调速特性,燃料的理化特性决定了内燃机混合气形成和着火方式，是造成内燃机不同工作方式的决定因素。燃料的热值（尤其是混合气热值），既是内燃机原理的基础之一，也是影响动力性和经济性“量”环节的主要因素之一。工质的热力参数对循环热效率有巨大的影响，是决定内燃机动力性、经济性“质”环节的重要因素。油品对燃烧和排放有重要影响，是发动机满足严格排放法规的关键环节之一。,讲课内容,第一篇动力输出与能量利用第1章动力经济性能指标与影响因素第2章燃料与工质第3章循环分析与能量利用第4章换气过程与循环充量第二篇燃烧与排放第5章燃烧的基础知识第6章燃烧过程及混合气形成第7章特殊燃烧问题的机理与对策第8章有害排放物的生成与控制第9章燃烧室与调节参数的优化第三篇运行特性与性能调控第10章发动机运行特性与整车匹配第11章柴油机调速特性,1.燃料及其理化特性2.汽油机与柴油机工作模式的差异3.工质及其热力特性4.燃烧热化学,发动机燃料的分类,发动机燃料分类:常规燃料石油制品的液体燃料，即汽油和柴油。代用燃料烃（碳氢）类、醇类、醚类、酯类目的：替代能源、环保要求1）按物态分类：液体：甲醇CH3OH、乙醇C2H5OH二甲醚CH3-O-CH3、生物柴油（甲脂）气体：液化石油气LPG（丙烷、丁烯）、天然气CNG、LNG（甲烷）H2、沼气（CH4）、煤气（CO）固体：煤粉、水煤浆2）按成份分类：烃燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料（含氧生物燃料）趋势：汽车燃料多元化（Diversification）,AlternativeFuels,“狼”来了？！,2020,没有石油内燃机还能转吗？,一次能源,二次能源（能源载体）,Crudeoil石油,Diesel（柴油）,Naturalgas天然气,Gasoline（汽油）,Coal煤炭,LPG（液化石油气）,Naturalgas(CNG)（天然气）,Biomass生物能源,Methanol（甲醇）,Ethanol（乙醇）,RME（菜籽油）,Nuclearenergy核能,Solarenergy太阳能,Hydrogen（氢气）,FossilFuels化石燃料,AF替代燃料,碳氢（Hydrocarbon）燃料的分类,AlkanesorParaffins-singlebondsbetweencarbons-CnH2n+2,e.g.CH4,C2H6AlkenesorOlefins-oneormoredoublebondsbetweencarbons-CnH2nAlkynesorAcetylenes-oneormoretriplebondsbetweencarbons-CnH2n-2,veryreactive,higherheatingvaluethanalkanesoralkenes,烷烃,稀烃,炔烃,甲烷,乙烷,异辛烷,乙烯,丙稀,丁二烯,乙炔,碳氢（Hydrocarbon）燃料的分类,Aromatics-oneormoreringstructuresCnH2n-6/12Alcohols-containoneormoreOHgroups,芳烃,醇,苯,甲苯,萘,甲醇,乙醇,烃燃料的分子式CnHm（碳氢化合物也称为烃）C、H占97%98%，其余是S、O、N而煤中的“灰分+水”1760%烃燃料的分类，主要掌握以下几点：C原子数C越多，化学稳定性越差，物理稳定性好，不易蒸发。（因为C越多则链越长，越易断，但是一个很大的分子不易蒸发）分子结构：（1）“链”与“环”环化学稳定性好，不易自燃（2）“直链”与“支链”（或正烷与异烷）支链（异烷）的化学稳定性好，抗爆好（如正庚烷C7H16，异辛烷C8H18，辛烷值分别为0和100）（3）“饱和”与“不饱和”不饱和则不稳定，贮存中易氧化结胶（如烯烃）（4）“双键”和“单键”单键的化学稳定性差,烃燃料的分子结构与物化特性,燃料碳原子数和分子结构对抗爆性的影响,燃料抗爆性比较：1）环烷烃正烷烃2）异烷烃正烷烃3）烯烃正烷烃4）芳香烃烷烃和烯烃,烷烃,稀烃,环烷烃,芳烃,甲基萘,碳原子数,十六烷值,燃料碳原子数和分子结构对自燃性的影响,热值（能量密度）燃料的热值由C/H比决定,由于H比C的热值高（约3.7:1）,柴油C/H汽油C/H汽油Hu（44000）柴油Hu（42500）但就单位质量来看，H燃烧所需要O（空气）多（约是C的3倍），因而理论混合气热值：汽油=柴油若实际中考虑，汽油在a=1，柴油在a1.2工作则有可能混合气热值：汽油柴油,排放特性C/H高，则排放特性差，CCO、CO2有害HH2O无害天然气（NG）、LPG的H含量高（0.25和0.182），所以其CO、黑烟、微粒、CO2低于汽、柴油,燃料C/H比与热值和排放特性的关系,发动机燃料的主要技术指标,1）自燃性：可燃混合气在一定温度、压力条件下自行着火燃烧的能力自燃性对柴油尤其重要，自燃性差，则起动性差，工作粗暴十六烷值是评价柴油自燃性好坏的指标,十六烷值CetaneC16H34,CetanenumberCN=100,CetanenumberCN=0,a甲基萘aMethylnaphtaleneC11H10,燃烧室Combustionchamber,压缩比Compressionratioe,发动机转速Enginespeed,喷油时刻Startofinjection,燃烧始点Startofcombustion,着火延迟Ignitiondelay,着火延迟调整Ignitiondelayadjustment,涡流燃烧室Swirlchamber,可变Variable(7-28),900rpm,13CABTDC,TDC,13CA,改变压缩比Variationofe,燃油十六烷值的测量条件,测量燃料十六烷值和辛烷值的CFR发动机,Adjustmentofcompressionratio调整压缩比,Wormshaft蜗杆轴,CFRenginewasdevelopedbytheAmericanCooperativeFuelResearchCommittee.燃料研究联合协会,专用的带有爆震传感器的可变压缩比单缸发动机。缸径/冲程85/115,发动机燃料的主要技术指标,2）抗爆性：燃料不发生爆燃（Knock）的能力抗爆性对汽油来说非常重要，希望自燃性差，抗爆性好辛烷值是评价汽油抗爆性好坏的指标,异辛烷Iso-OctaneC8H18,Octanenumber100辛烷值100,正庚烷n-HeptaneC7H16,Octanenumber0辛烷值0,辛烷值马达法和研究法的测量条件,着火Ignition,f(e)1926CABTDC,constant13CABTDC,表示在高转速、全负荷情况下的抗爆性,表示加速情况下的抗爆性,RONMONRONMON燃料的敏感性,发动机燃料的主要技术指标,3）蒸发性（1）饱和蒸汽压：在规定条件下燃油和燃油蒸汽达到平衡状态时，燃油蒸汽的压力（Reid饱和蒸汽压RVP）蒸汽压高，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，有利于燃烧蒸汽压过高，在储存和运输过程中易产生蒸发损失，着火的危险性也大蒸汽压过高易在燃油供给系统中形成“气阻”,10个碳原子以上的烃类的饱和蒸汽压接近于0柴油的蒸汽压接近0,发动机燃料的主要技术指标,3）蒸发性（2）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10馏程燃料中含有轻馏分的大概数量，反映汽油机的冷起动性50馏程燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的工作稳定性90馏程燃料中的重质馏分含量，反映汽油机燃烧完全性干点（终馏点）燃料中含有的最重馏分的沸点,每吨石油能产出的油品比例基本是一定的，例如：21%汽油、9%柴油（轻柴油），即汽：柴=7：3。这一比例也决定了两者谁也不可能淘汰对方。,原油不同馏程的碳氢成分及理化特性,原油的蒸馏（Distillation）,蒸馏塔,沥青,润滑油,柴油,煤油,汽油,石油气,原油,原油炼制,催化裂化,烷基化,重整,汽油与柴油组分的差异（欧洲）,芳烃,烯烃,甲基叔丁基醚,烷烃（短链）,环烷烃,烷烃（长链）,烯烃,汽油,柴油,芳烃,燃油组分与排放,燃油组分与排放,（1）硫（Sulfur）硫天然存在于原油中。硫可明显地降低催化转化器中催化剂的功效，同时在高温条件下对氧传感器造成不良影响。高硫燃油会使车载诊断系统（OBD）失灵，使催化转化器监控装置发送错误的诊断码，并向司机发出错误的故障信号。（2）芳烃（Aromatics）芳烃通常是汽油的高辛烷值组分，具有高能量密度。但是，芳烃会导致发动机产生沉积物，增加尾气排放，包括CO2。（3）苯（Benzene）苯是原油中的天然组分，也是催化重整的产物。尽管是高辛烷值组分，但是苯是一种致癌物质。（4）稀烃（Olefins）烯烃是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯烃有热不稳定性，导致它易形成胶质，并沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。活泼烯烃蒸发排放到大气中会产生光化学反应，进而引起光化学污染。,讲课内容,第一篇动力输出与能量利用第1章动力经济性能指标与影响因素第2章燃料与工质第3章循环分析与能量利用第4章换气过程与循环充量第二篇燃烧与排放第5章燃烧的基础知识第6章燃烧过程及混合气形成第7章特殊燃烧问题的机理与对策第8章有害排放物的生成与控制第9章燃烧室与调节参数的优化第三篇运行特性与性能调控第10章发动机运行特性与整车匹配第11章柴油机调速特性,1.燃料及其理化特性2.汽油机与柴油机工作模式的差异3.工质及其热力特性4.燃烧热化学,1）混合气形成方式不同汽油易气化，在低温（气缸外）下蒸发，预制成均匀混合气柴油难气化，用高压喷雾粉碎，高温空气（气缸内）促其雾化2）着火及燃烧方式不同汽油难自燃，易点燃，用高压电火花点燃预混合气体中的火焰传播。可在a=1的条件下完全燃烧柴油易自燃，压缩着火（压燃）扩散燃烧，即边喷-边混-边燃，所以自燃但不会爆燃为了完全燃烧，必须a1.0（1.2）3）负荷调节方式不同汽油机预混合，a基本保持不变，量调节（质不变）柴油机循环空气量不变，a变化（1），质调节,汽油机与柴油机工作模式的差异,注意：汽油机和柴油机的工作模式不是绝对不变的！GDI和HCCI就是例证。,讲课内容,第一篇动力输出与能量利用第1章动力经济性能指标与影响因素第2章燃料与工质第3章循环分析与能量利用第4章换气过程与循环充量第二篇燃烧与排放第5章燃烧的基础知识第6章燃烧过程及混合气形成第7章特殊燃烧问题的机理与对策第8章有害排放物的生成与控制第9章燃烧室与调节参数的优化第三篇运行特性与性能调控第10章发动机运行特性与整车匹配第11章柴油机调速特性,1.燃料及其理化特性2.汽油机与柴油机工作模式的差异3.工质及其热力特性4.燃烧热化学,工质的主要热力参数,1）理论气体状态方程,摩尔数在一定条件下反映体积的大小,通用气体常数8.315kJ/kmol.K,2）比热容与等熵指数,cp,cV随温度T上升而增加k随温度T上升而下降,工质的主要热力参数,分子物理学：分配到分子每一个自由度的热量是相同的。则分子自由度（原子数），cp和cV，kk越大，cp和cV越小，相同加热量下，工质温升越高，循环热效率高。,讲课内容,第一篇动力输出与能量利用第1章动力经济性能指标与影响因素第2章燃料与工质第3章循环分析与能量利用第4章换气过程与循环充量第二篇燃烧与排放第5章燃烧的基础知识第6章燃烧过程及混合气形成第7章特殊燃烧问题的机理与对策第8章有害排放物的生成与控制第9章燃烧室与调节参数的优化第三篇运行特性与性能调控第10章发动机运行特性与整车匹配第11章柴油机调速特性,1.燃料及其理化特性2.汽油机与柴油机工作模式的差异3.工质及其热力特性4.燃烧热化学,燃烧热化学,要解决的问题：燃烧时需要多少空气；发出多少热量；燃烧前后工质的变化。,设1kg燃料中有gC公斤C、gH公斤H、gO公斤O,燃烧热化学,1）燃料完全燃烧所需空气量燃烧过程就是燃料中可燃成分与空气中的氧发生氧化放热反应的过程。燃料的主要成分：C、H、O设：1kg燃料中有gC公斤C、gH公斤H、gO公斤O，即：kg（1）1kg燃料完全燃烧需要O2为：而O2在空气中的质量百分比为23.2%（实际中是测量空气流量），即需空气量为：也称之为“质量化学计量比”（Stoichiometricratio）,燃烧热化学,（2）1kg燃料完全燃烧需要O2摩尔（mol）为：而O2在空气中的摩尔百分比为21.0%，即需空气量为：也称之为“摩尔化学计量比”（Stoichiometricratio）,2）分子变化系数,汽油机1.071.12柴油机1.031.06柴油机a大，有些空气不参加反应汽油H含量大，燃后体积增大多一些,3）残余废气系数残余废气系数r是进气过程结束时，缸内的残余废气量与新鲜充量的质量比。式中，mr每循环每缸的残余废气质量m1每循环每缸的新鲜充量质量一般无EGR的机型r值范围如下：汽油机0.060.16，柴油机0.030.06增压柴油机0.000.03汽油机r偏高是因为,小，和低负荷时进气节流强使新鲜充量下降增压柴油机r小是因为扫气效果强,燃烧热化学,4）可燃混合气热值定义：单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量（kJ/kg或kJ/m3）。Hu（低热值）表示燃料的能量密度；(Hum)V代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积时发出功率越高（即pme高）。也可用单位摩尔体积发出的热量表示：,燃烧热化学,(kJ/kmol),(kJ/kg),(kJ/m3),汽油机与柴油机混合气热值的计算,（1）预混合汽油机,