内燃机原理2.doc

3. 进、排气相位角对充量系数的影响当进气晚关角，但 因此，存在一个最有利的进气、排气晚关角当排气晚关角，但4. 其它因素的影响1）或 2）3）或（影响不太大） 4）燃料汽化 4.4 稳流条件下充量系数随专速的变化规律一. 进气速度特性及其对发动机动力性和专速稳定性的影响进气速度特性：发动机在油量调节结构位置不变时，充量系数随转速变化的规律。1. 进气外特性对动力性能的影响由知：（当不变时）所以，对于负荷量调节的汽油机，发动机的进气外特性决定了全负荷时的转矩和功率，即决定了发动机的最大动力性能（最高车速、最大加速度和最大爬坡能力）。对于负荷质调节的柴油机，虽然其最大动力性能取决于每循环喷入气缸内的燃油量，但由速度外特性决定的最大充气量，也制约了柴油机允许喷入的极限油量，也即可能达到的最大动力性能。2. 速度特性与运转稳定性图4-12 汽、柴油机的进气速度特性曲线（a）汽油机；（b）柴油机汽油机由于存在节气门和喉管（用化油器时），进气阻力大，随转速增加，充量系数下降，节气门开度越小，充量系数随转速下降的速度越快；柴油机无节气门和喉管，进气阻力小，充量系数变化较小。二. 各因素对进气速度特性线变化趋势的影响1. 稳流条件下曲线的变化规律图4-13 汽油机稳流条件下进气速度特性线的变化过程图4-14 图4-14不同进气晚关角对发动机标定转速和动力性能的影响1) 燃料汽化的影响 基本不随转速而变化，使充量系数曲线降为曲线A2) 进气温升的影响 低速时，因加热时间长，而使偏高；高速时则低一些。B曲线3) 流动总阻力的影响 随转速平方而增加，使曲线从B变为C。图4-13 去就汽油机稳流条件下进气速度特性的变化过程4) 进气晚关角的影响 只有在一个转速处具有最佳值，曲线D。2. 进气晚关角与发动机的高、低速性能在图4-13中，各转速下均具有最佳进气晚关角的C曲线，实际是具有单一进气晚关角的各条D曲线的外包络线，图4-14中，D2比D1线的晚关角大，其低速进气性能降低而高速进气性能改善。4.5 进、排气系统的动态效应一. 管道中压力波传播的基础知识1. 音速与压力波速静止介质中，压力波传播的速度就是该介质状态下的音速：压力波速为： 式中，v为流体运动速度2. 压力单波及其基本关系式压力单波：管中某一点（包括边界点）向左、右两方以波速c传播的“扰动”叫做压力单波。向右传播的波叫右行波，反之叫左行波。右行单波：左行单波：3. 密波（压缩波）与疏波（膨胀波）压力波传到之处，其效果是使该处压力上升叫密波，反之叫疏波。4. 边界条件与反射波封闭端：，即 ，这说明封闭端出现了全反射。开口端：，即 ，这说明开口端出现了全负反射。二. 单缸机进气管中的动态效应及利用 进气的动态效应，是指进气管中压力波传播对气门端进气压力的影响，合理利用其影响，可增大循环充量。进气管内的动态效应分本循环压力波的动态效应和上循环压力波的动态效应。1. 本循环压力波的动态效应本循环产生的进气压力波来回传播对循环充量的影响，叫做本循环压力波的动态效应。进气门开启初期，由于活塞向下运动以及气流的惯性，气缸内产生很大的负压，进气管内也产生很大的负压，新鲜充量从进气管外端流入，同时从气缸内传出膨胀波，通过气门通道沿进气管向开口端传播，速度为：，当膨胀波达到开口端后，又从开口端向气缸方向反射回压缩波，气门口由发出压力波到接收反射波所需时间。设气门开启时间为，则有两种情况： ，第一次反回的压缩波达到气门端时，进气门已关闭，对进气无影响； ，第一次反回的压缩波在进气后期到达，可加大进气后期ps值而使值加大。2. 上循环压力波的动态效应图4-16 单缸机本循环进气动态效应的压力波示意图上循环的压力波动如果到本循环进气时仍未消失，将会对本循环进气产生直接的影响，此即上循环压力波的动态效应。若本循环进气时，正巧上循环残余正压波达到，对进气将产生有利影响，反之，则产生不利影响。图4-18 上循环压力波的动态效应示意图进气门口的压力波动频率为，进气门开启频率为，从图 知，当q=1.5，2.5，时，正巧是残余压缩波达到，故对的提高有利。三、 单缸机排气管中的动态效应四、 多缸机各缸进气不均匀问题进气充量不均匀将产生如下问题： 功率下降和经济性恶化； 降低个别气缸的寿命； 低速低负荷运转不稳定。多缸机由于进、排气总管和歧管相连，可能出现“进气干涉”和“排气干涉”现象。4.5 发动机的增压利用各种方法提高发动机的进气压力，增大循环充量，以达到加大输出功率的目的，这就是发动机增压。一、 增压度与增压比1. 增压度：发动机增压前后，标定工况的输出功率增值与原功率的比值，即图3-27 废气涡论增压系统图4-22 机械增压系统式中，Peo、Pek增压前后标定工况的功率 pmek、pmeo增压前后标定工况的平均有效压力2. 增压比：标定工况时，增压器压气机压缩空气后的压力pb与压缩前的压力po之比，即二、 增压方法与原理1. 废气涡论增压图 四冲程涡轮增压发动机的理论示功图特点：直接利用废气能量，不仅不消耗额外功率，且对活塞做泵气正功；增压器与发动机是柔性连接，便于安装布置。2. 机械增压3. 组合增压系统4. 气波增压系统三、 废气涡轮增压机的能量平衡与利用图中面积aczzba表示动力过程功，面积543a5表示泵气正功。pb、pk、p0分别是压气机出口平均压力，涡轮机入口平均压力和大气压力。1) 发动机排气中的可利用能量 排气过程中，若废气能一直膨胀到大气压力f点，其所作之功就是废气最大可利用能，以面积bflb表示。若想由f点再绝热作功，由于已低于大气压p0，排气已不可能。 排气过程中，活塞推排废气所作之功由面积54215表不。 扫气部分具有的能量也转入排气中，以面积3gi23表示。 此处，不要把排气中可利用的总能量和废气的最大可用能混为一谈。2) 燃烧废气可用能中，相当于面积be5b减面积eeffe的部分是损耗了；而面积3gg43则是扫气部分的能量损失。3) 根据能量平衡原理，涡轮机输出功(面积epgife)应与压气机压缩功(面积agiOa)相等。二者共同面积部分的功量dgiOd抵消后，燃烧废气回收的能量edOfe正好用于支付增压机的泵气正功和扫气的能量损失。四、 废气涡轮增压系统的两种基本类型1. 定压涡轮增压系统所有各缸的排气岐管都通向一个体积较大的排气总管，基本能保证涡轮机入口压力恒定。2. 脉冲涡轮增压系统将各缸岐管中的脉冲气流直接导入涡轮机中，以尽量减小定压系统废气汇集到总管时出现较大不可逆膨胀的能量损失。但是，各缸歧管独自接入涡轮，结构庞杂，也无法布置。实际上是将排气互不重叠的几个缸合为一组，由较细的公用排气管导入涡轮。图示的六缸机，就是将相位相隔240。曲轴转角，排气互不干扰的三个缸(1、2、3缸和4、5、6缸)合为一组，共两组，称为三脉冲系统。这样一来，废气仍保持脉冲波的变速状态冲击涡轮。涡轮机前的压力是脉动变化的，其能量利用比定压系统好。3. 两种系统的比较 1） 定压系统由于废气流入总管造成强烈的节流和不可逆膨胀损失，可用能利用率低。特别在降低增压比、加大喷嘴环的流通截面时，涡轮机前的总管压力pk下降，能量损失更大。脉冲系统正是为了降低这一损失而开发的。由于不存在大容积的集气总管，理论上应不出现不可逆膨胀损失。增压比愈低，定压系统损失的能量比例愈大，两种系统能量利用率的差距就愈显著。2） 脉冲系统对扫气作用有明显的好处。因为气门重叠的扫气期中，脉冲系统已基本排空，pk值处于低谷；而定压系统由于pk波动不大，所以扫气压差pbpk要低于脉冲系统。3） 定压系统由于有较大容积的集气总管，所以动态过程的响应比脉冲系统慢，对加速性能，排污性能都不利。此外，低速时，定压系统增压比降低，能量利用率更不如脉冲系统，因此低速转矩特性也变差。 4） 从涡轮机的效率来看，脉冲系统绝热效率要低于定压系统。这是因为，定压系统在涡轮前的压力恒定，喷嘴环为全周稳定人流；而脉冲系统在涡轮前的压力与温度都周期陛变动，进入叶片的气流方向也周期性改变，从而造成局部气流的撞击损失，有时还出现郎分进气损失。 5） 脉冲系统的瞬时最大流量要高于定压系统的稳定流量，因此脉冲涡轮的尺寸较大，排气管结构复杂，有的装用脉冲系统的多缸机，不得不采用几个增压器。五涡轮增压柴油机性能分析1. 涡轮增压柴油机的性能优势1) 提高动力性能2) 改善经济性3) 改善排放性4) 降低燃烧噪声及排气噪声5) 降低制造成本2. 涡轮增压柴油机的性能弱点1) 增大热负荷与机械负荷2) 低速转矩特性与动态性能下降3) 小型车用增压器效率偏低六汽油机涡轮增压技术的难点及解决措施1. 汽油机增压的难点1) 爆燃倾向增大2) 热负荷加重3) 增压器布置困难4) 动态响应迟缓加大5) 对增压器要求更高2. 解决措施1) 采用汽油机点控技术2) 增压中冷3) 采用增压压力控制系统 4.7 二冲程发动机的换气过程一 二冲程发动机的换气过程与性能特点1 换气过程二冲程发动机的换气过程分三个阶段：1） 自由排气阶段从排气孔开启的oe起，大约到扫气孔开启的os止。排气孔刚打开时，缸内压力约03O6MPa，燃气以音速流出，稍后变为亚音速自由排气。到扫气孔打开时，压力已降到011O13MPa，逐步过渡到强制排气状态。自由排气阶段时间很短，但却排出燃气总量的70%80。2） 扫气与强制排气阶段 从扫气孔开启的0s起，到扫气孔关闭的od止。此阶段利用扫气压力将废气强制排出缸外，同时也由扫气孔将曲轴箱中的新鲜充量充入气缸，完成向气缸的充气过程。也就是说，缸内的扫气与进气基本上是同步进行的。3) 排气或进气的补充阶段 对于曲轴箱扫气机型而言，从扫气孔关闭的od起，到排气门关闭的oc为止，还要补充进行部分排气；而对于利用排气门直流扫气的机型，可以使排气门关闭之后，扫气孔才关闭。这时，可以充分利用扫气的惯性来补充进气以提高充量系数。2二冲程机与四冲程机相比有下述特点1） 二冲程机进、排气重叠时期(扫气期)可长达换气时期的7080，而换气过程总延续角又比四冲程机小得多。以上两点表明，二冲程机换气时间既短，而新鲜充量与废气又长期掺混，所以换气质量不高，残余废气系数虫较大，又有大量新气流失。2） 二冲程机由于下止点前65。75。就开始排气，所以膨胀作功到此基本终止(只保持低压作功段)。这一点相当于有效工作行程减小，再加之扫气要耗费较多的能量，所以其指示热效率明显低于四冲程机，燃油消耗率较高。3） 二冲程机变工况运行时，换气过程变化较大，易于偏离优化匹配状态，所以二冲程机变工况运行时的性能较差。 4)二冲程汽油机由于扫气时新鲜混合气的逸出，不仅使经济性变差，也使HC排放量增加。图4-33 曲轴箱扫气式二冲程发动机结构与相位图二 扫气系统基本类型1. 横流扫气特点：排气口与扫气口排列在气缸相对两壁上，气口中心线相互平行或通过气缸中心。 结构简单、制造方便，扫、排气口布置在气缸两侧，对减小内燃机长度尺寸有利。 换气效果不好，扫气孔开启后，气流易形成涡流，使废气不易排出，以及旁通损失较大。 气缸、活塞受热不均匀，易产生变形；扫气压力使活塞单边磨损2. 回流扫气特点：扫气口不是正对着排气口设置，扫气效果比横流扫气好的多。3. 直流扫气特点：扫气空气的主流沿气缸轴线运动，新鲜空气与废气不相混，换气品质最好。 活塞受扫气空气冷却，工作条件好。 可实现过后充气。 结构复杂。三 换气质量的评价指标1. 扫气系数s换气结束后留在气缸内的新鲜充量的质量m1与缸内工质总质量m0之比值，即式中，没m1和r分别是残余废气量与残余废气系数。图4-35 各种扫气形式的扫气效率1完全扫气；2直流式扫气3回流式扫气；4横流式扫气该指标直接反映了废气清除的好坏。2. 过量扫气系数（给气比）b每循环由扫气孔流出的新鲜充量的质量mk与按气缸排量计算的理论充量的质量的比值。可按大气压力或扫气压力来计算。该指标反映了每循环消耗新气量的多少。3. 充量系数c对二冲程机，要求在尽可能小的过量扫气系数之下，获得尽可能高的扫气效率。第五章 燃烧基础知识5.1 燃烧现象及其分类一、 燃烧现象一个完整的燃烧过程应包括着火和燃烧两部分。燃烧：是指燃与氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。燃烧过程中往往伴有复杂的传热、传质、化学反应和流动现象。 着火：是指可燃混合气在一定的压力p、温度T、浓度a条件下，其氧化反应速度突然加速，以至出现火焰的现象。 内燃机中燃烧的两个特点：非稳定燃烧；高速燃烧。二、 燃烧现象分类两种燃烧方式比较：扩散燃烧速度取决于燃料与空气的混合速度；预混合燃烧速度取决于化学反应速度（即T、a）扩散燃烧能完全燃烧的a1 .2，且在a6.8（空燃比大于100）时也能稳定燃烧，预混合燃烧的a=0.81.2，难以稀燃。扩散燃烧易产生碳烟，燃烧为“有焰燃烧“，而预混合燃烧无碳粒燃烧问题，火焰呈均匀透明的蓝色，因此也称“无焰燃烧”。预混合燃烧由于燃前已形成可燃混合气，有回火的危险；而扩散燃烧一般无此危险。5.2 可燃混合气的着火与着火理论一、 热着火理论1 着火条件假定容积为V的封闭容器中装有混合均匀的可燃混合气，环境温度为T0，反应放热量与容器向外散走的热量分别为q1、q2，则单位时间内反应放热量为：式中，C1与分子反应热及气体压力有关的系数 E反应活化能单位时间通过容器壁向外散走的热量为：式中，A传热系数 F容器表面积 T可燃混合气瞬时平均温度热着火理论认为，着火的原因在于热量的累积，当放热速率大于散热速率时可能着火。上述反应存在以下三种可能：1)时，肯定着火2) 相切时，处于I临界着火条件，Tc称为临界温度。3) 时，不可能着火。2 影响着火的因素 压力的影响 压力Tc a的影响 a=1时，Tc出现最低值，存在混合气着火的浓度上限和下限 燃料特性的影响二链式着火理论热着火理论是建立在分子碰撞理论的基础上的。由于（液体）燃料分子结构复杂，若完全燃烧需要许多氧分子与燃料分子间同时进行反应，这样多的分子同时碰撞的机会很少。着火的热理论并不能解释所有的着火现象。链式着火理论认为，高温并不是引起着火的唯一原因，只要以某种方式激发出活性中心就能引起着火。1链式反应的分类1) 直链反应 一个活性中心进行一次反应只产生一个新的活性中心，即整个反应以恒定速度进行。 2) 支链反应 一个活性中心进行一次反应产生两个及两个以上的活性中心，这样链反应就发生了分支，即反应可加速进行。快速燃烧和爆炸可看作是支链反应的结果。 链成长链分支（热量） 链中断3) 退化支链反应一个活性中心先通过直链反应产生一个新的活性中心和过氧化物或醛，当过氧化物或醛发生分解时，则引起新的支链反应。因此它的总反应速度比支链反应慢。但仍有自动加速的特点。 4) 断链反应 当活性中心与容器壁面或惰性气体分子碰撞时，其活化能被吸收，导致反应中断。 2烃燃料的链式反应着火 1) 低温多阶段着火经历三个阶段：冷焰诱导期冷焰阶段蓝焰阶段2) 高温单阶段着火5.3 预制均匀混合气的火花点火与火焰传播一 火花点火过程和点火能量图 常规高压线圈点火系统工作时电流和电压的变化1 火花点火过程击穿阶段电弧放电阶段 电弧放电的电压较低(50100V)，电流仍较高，电弧中心区温度在6000K左右，但离子化程度较低(约1)，由于辐射和电极散热的原因，能量损失50，持续时间约100s。辉光放电阶段 这一阶段的特征是电流低于1A，在阴极上有较大的电压降(300500V)，温度下降至3000K左右，离子化程度很低(低于001)。火核形成 汽油机正常工作时，火花出现数百微秒后，可以在电极周围形成直径约l2mm的火(焰)核，并以层流火焰状态向周围扩展，即燃烧过程开始。一定的火核的形成被认为是点火成功。2 点火能量影响最小点火能量的因素：1） 电极间隙s 存在一最佳值2） 过量空气系数 存在点火浓限和稀限。对于汽油机：为1.3，为0.5。二 预制均匀混合气中的火焰传播1 层流火焰火焰传播速度：火焰前锋面在法线方向上相对于未燃混合气的移动速度。 若燃烧放热量为QB，混合气质量为m，混合气密度为m，火焰前锋表面积为FL,混合气热值为Hum，则放热速率dQBdt和燃烧速率dmdt分别为：层流火焰传播速度很低，远不能满足实际发动机燃烧的要求。不同燃料的层流火焰传播速度不同。2 湍流火焰湍流会使火焰前锋面出现皱折，表面积明显增大，同时加速火焰前锋面的传热传质过程和化学反应速度。5.4 液体燃料的雾化和扩散燃烧图5-18 单个油滴的蒸发与燃烧模型一 液体燃料的喷射与雾化图5-16 液体燃料的喷射与雾化1 油束的形成2 喷雾特性参数图5-19 喷雾过程分两个阶段：液柱阶段和分裂雾化阶段。1） 贯穿距离2） 喷雾锥角3） 喷雾粒径评价指标：平均粒径、索特（Sauter）粒径和粒径分布。索特粒径：SMD=二 油滴的蒸发与燃烧1 单个油滴的蒸发与燃烧油滴表面受热汽化与空气混合在混合气浓度合适的地方着火形成一球状燃烧区在火焰面上进行空气与燃料的混合与燃烧。油滴的扩散燃烧速度完全取决于燃油蒸气和空气向火焰面的扩散速度。2 油束及油滴群的蒸发与燃烧实验研究表明：油滴粒径40m时，各油滴独立 燃烧即扩散燃烧方式。油滴群的着火与整个燃烧室内的宏观空燃比无关，只要在油滴周围存在适合燃烧的空燃比区域，就能在一点或多点同时着火。实际柴油机着火开始于油束头部。5.5 燃烧放热规律一、 燃烧放热速率燃烧放热速率：1kmol混合气在单位时间（或单位曲轴转角）的燃烧放热量。记为即： 散热速率 对工质的加热速率二 累积放热速率由燃烧始点到某一刻为止，已发生的全部燃烧放热量与循环供油量B 之比，即：第六章 燃烧过程及混合气形成6.1 实际发动机的燃烧过程及放热规律一、 汽油机燃烧过程1着火落后期（A-B）2 明显燃烧期（B-C）图6-2 pmax出现位置对示功图影响图6-1 汽油机燃烧过程3 后燃期（C-D）要求后燃期尽可能短，整个燃烧持续期应在400600曲轴转角。二、 柴油机的燃烧过程1 着火落后期（滞燃期A-B）2 速燃期（B-C）3 缓燃期（C-D）4 后燃期（D-E）燃料在较低膨胀比下放热，热量不能有效利用，且增加了散热损失，；后燃增加了活塞组件的热负荷；排温升高，应尽量缩短后燃期。三、 合理的燃烧放热规律1 放热规律三要素燃烧放热始点、放热持续期和放热率曲线的形状为放热规律三要素。放热始点决定了放热率曲线距压缩上止点的位置，在持续期和放热率形状不变的前提下，也就决定了放热率中心(指放热率曲线包围的面心)距上止点的位置。放热持续期的长短，一定程度上是理论循环等压放热预膨胀比值大小的反映，是决定循环热效率的一个极为关键的因素。对有害排放量也有较大的影响。放热率曲线形状决定了前后放热量的比例，对噪声(dpd)、振动和排放量都有很大的影响。在放热始点和循环喷油量不变的条件下，形状的变化，既影响放热曲线面心的位置，也影响放热持续期的长短，间接对循环热效率等性能指标产生影响。2 理想的燃烧放热规律及其控制 (1)放热始点的要求及控制 放热始点位置应保证最大燃烧压力出现在上止点后100150。汽油机：用点火提前角ig控制放热始点柴油机：喷油提前角fj和i(i)控制放热始点。汽油机的最佳ig需随转速及真空度增加（负荷下降）而提前；柴油机的最佳fj需随负荷及转速增大而提前，但实际上由于负荷提前量较小，一般未予控制。影响柴油机着火落后期的因素喷油初期燃烧室内的温度压力，；喷油始点的位置。（2）放热持续期的要求及控制要求：放热持续期越短越好，汽油机：，柴油机：控制：对汽油机，放热持续期主要取决于火焰传播速度和火花塞到燃烧室最远点的距离。 对柴油机，放热持续期首先取决于喷油持续角的大小，其次取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。（3）放热规律曲线形状的影响及控制对于汽油机，点火点位置要适宜，燃烧持续期不过长，放热率曲线宜先缓后急；对于柴油机，滞燃期要缩短，速燃期不过急，缓燃期要加快，后燃期不过长。四、 柴油机与汽油机燃烧过程的比较6.2 柴油机燃油喷射及混合气形成原理一、 喷油系统与喷油特性1喷油系统1） 对喷油系统的要求：能产生足够高的喷油压力、以保证燃料良好的雾化混合燃烧。实现所要求的喷油规律，以保证合理的燃烧放热规律和良好的综合性能；精确控制每个循环的喷油量，且各缸间的喷油量和喷油时间相同，即达到均量、型时的要求；在各种工况下避免出现不利的异常喷射现象。图6-13 喷射过程2） 喷射过程供油提前角=喷油提前角+喷油延迟角2 供油规律与喷油规律1） 供油规律角供油速率（或供油速率）：单位凸轮转角（或单位时间）由喷油泵供入高压油路中的燃油量称为角供油速率（或供油速率）供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时间）变化的关系。2） 喷油规律喷油速率：单位凸轮转角（或单位时间）由喷油器喷入燃烧室内的燃油量称为角喷油速率（或喷油速率）喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时间）变化的关系。3） 供油规律与喷油规律不一致的原因燃油的可压缩性）管路容积变化）管路中的压力波动3 异常喷射现象1）二次喷射2）滴油现象3）断续喷射4）不规则喷射和隔次喷射5）气穴现象二、 内燃机缸内气流运动内燃机缸内气流运动可分为涡流、挤流、滚流和湍流。（一） 涡流 （分进气涡流和压缩涡流）1 进气涡流1）进气涡流产生条件：气门口速度有变化，总的合速度相对于气缸中心点的动量矩不为零。2）产生进气涡流的方法a. 带导气屏的进气门 强制空气从导气屏的前面流出，依靠气缸壁面的约束，产生旋转气流，改变导气屏的包角和安装角均可改变涡流强度。b. 切向气道d 组合式进气系统2 压缩涡流（二） 挤流挤流在柴油机和汽油机上都得到了广泛的应用。（三） 湍流在气缸中形成的无规则的小尺度气流运动称为湍流。（四） 滚流在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流称为滚流(trumble)。滚流在压缩过程中衰减较少，在活塞接近于压缩上止点时，大尺度的滚流破碎成许多小尺度的涡流和湍流，可大大改善燃烧过程。三、 柴油机的混合气形成方式1 混合气形成方式1）空间雾化混合将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油与空气之间的相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气的方式称为空间雾化混合。2）油膜蒸发混合2 空气运动对混合气形成的影响混合气形成步骤：将燃油喷射雾化 喷射的燃料与空气混合，方式有二种，一种是“油找气”的混合，另一种是组织空气运动。空气运动对混合气形成的影响：促使油束分散，增大混合范围 热混合作用。3 两种混合方式比较6.3 汽油机理想混合气特性及其制备原理一、 理想混合气特性1 功率混合气与经济混合气功率混合气：汽油机在转速和节气门位置不变时，获得最大功率时所对应的混合气。经济混合气：汽油机在转速和节气门位置不变时，燃油消耗最低时所对应的混合气。2 理想混合气的要求（1） 经济混合气与功率混合气特性线a. 当负荷下降时，、b. 中、大负荷时，c. 当节气门开度40%后，起动、怠速条件下，d. 负荷不变时，、随转速变化不大。（2） 理想负荷特性曲线a 负荷特性：转速不变时，发动机的性能参数随负荷而变化的规律。b 理想负荷特性线：在节气门全开时获得功率混合气，从而达到最大功率，而其它点都达到最经济时，则此线就是理想负荷特性线。c 通过发动机台架试验制取理想负荷特性线的步骤：固定转速，作出每个节气门位置的负荷特性线鱼沟曲线将每个节气门位置的小鱼沟曲线画在一张图上，然后取其外包络线，此即该转速的最经济负荷特性线。从85%节气门开度逐步调整到功率混合气，则得到最大功率值，所得曲线为理想负荷特性线。（3） 理想混合气特性将理想负荷特性线上各点对应的值，作出图或开度线，此即为该转速下的理想混合气特性线。图6-28 理想负荷特性线的制取二、 混合气制备原理1 理想化油器特性在化油器和汽油机的结构参数不变时，只与喉口真空度有关（或节气门开度成正比），所以化油器只能调制出一条理想混合气特性曲线。发动机的理想混合气特性线是一族，因此，化油器制备原理不能满足理想混合气精确调控的要求，只能折中。2 简单化油器特性进气流量： （1）喷油量： （2）式中，是喉管处绝对压力。 油量孔前后压力差喉口及喷口处流量系数 喉口及喉口面积 空气及燃油密度而 所以 将代入（2）式得： （3）由（1）、（3）式得：曲线特点：时不供油3 现代化油器特性的获取低怠速区值过大，需增加怠速供油系统使其能圆滑过度到主喷油段主供油区值过小，加补偿油井来校正大负荷区值过大，需加加浓装置。第七章 特殊燃烧问题的机理与对策7.1 汽油机的不正常燃烧与燃料的抗爆性能一、 爆燃1 爆燃现象汽油机在某种条件（如压缩比过高）下出现压力及压力升高比值急剧波动，火焰传播速度和火焰前峰面形状发生急剧的改变，此种燃烧现象称为爆燃。2 爆燃的外部特征敲缸 功率下降、转速下降、工作不稳定、排气冒黑烟等 冷却系统过热 缸盖温度上升。3 产生爆燃的原因其中，火焰核心形成到正常火焰传播到终燃混合气为止所需的时间 火焰核心形成到终燃混合气自然所需时间汽油机的爆燃现象就是终燃混合气的自然现象；爆燃取决于终燃混合气的温度-压力-时间历程；爆燃最容易在离正常燃烧最远及温度最高的地方发生；爆燃在低速、节气门全开时最易发生。4 爆燃的危害性发动机输出功率和热效率降低 气缸、气缸盖、活塞等的过热零件的应力增加 润滑情况变坏、积炭严重5 发动机主要结构与运转因素对爆燃的影响1) 运转因素的影响（1） 点火提前角节气门开度、转速、空燃比不变时，（2） 转速、负荷（进气温度、冷却水温、空燃比不变）（3） 混合气浓度最大功率混合气时，爆燃倾向最大（4） 燃烧室沉积物的影响沉积物温度较高，在进气及压缩过程中不断加热混合气。沉积物是热的不良导体，从而提高终燃混合气的温度沉积物本身有体积，因而提高了压缩比。2) 结构因素的影响（1） 气缸直径（2） 火花塞位置（3） 气缸盖和活塞材料（4） 燃烧室结构6 防止爆燃的措施二、 燃料的抗爆性及其评价指标燃料对发动机发生爆燃的抵抗能力叫燃料的抗爆性。1 辛烷值及其相关指标马达法辛烷值（MON）研究法辛烷值（RON）燃料灵敏度=RON-MON抗爆指数=（MON+RON）/22. 提高燃料辛烷值的方法加入铅类抗爆添加剂；加入非铅类抗爆添加剂：醇、醚等；调整汽油成分。三、 表面点火及防止措施表面点火：凡是不依靠电火花点火，而是由于炙热表面点燃混合气而引起的不正常燃烧。防止措施：使用抗爆性高的燃料降低终燃混合气的温度、压力提高火焰传播速度或缩短火焰传播距离。7.2 汽油机的不规则燃烧汽油机的不规则燃烧是指各循环之间的燃烧变动和各缸之间的燃烧差异，前者称为循环波动，后者称为各缸工作的不均匀性。一 汽油机的循环波动1 循环波动的现象及危害危害：发动机性能指标得不到充分优化，循环波动加剧时会出现燃烧不正常甚至熄火，导致排放恶化，动力、经济性下降，振动、噪声加大。2 循环波动的评价指标一般用的循环波动率来评价，即： 的平均值 的标准偏差3 产生循环波动的原因两个原因：火花塞附近混合气成分波动和气体运动状态的波动。4 循环波动的影响因素及改善措施1）的影响。在最小2）油气混合均匀度3）的影响4）发动机工况。低速（大）、低负荷（湍流强度低）时波动大5）提高点火能量或多点点火。二汽油机各缸工作不均匀性1）产生原因：混合气充量不均匀；混合气成分混合不均匀2）评价指标：不均匀度Di表示第i缸的工作不均匀性。 各缸充气系数的平均值 第i缸充气系数3） 危害：很难找到对各缸都最佳的，使动力、经济、排放性等指标难以优化，噪声、振动也加大。7.3 柴油机的燃烧噪声与冷起动一、 柴油机的燃烧噪声1 燃烧噪声产生机理燃烧气体的动力载荷与高频振动是引起燃烧噪声的主要原因。1) 气体动力载荷燃烧噪声主要是在速燃期内产生的。当气缸压力急剧增加时，燃烧室壁面及活塞、曲轴等相关零部件受到强烈的动力载荷，其性质相当于敲击。通过机件振动向外辐射高频噪声。2) 气体高频振动燃烧引起缸内压力急剧变化，压力波在气缸内往复传播形成气体的高频振动。2 影响因素1） 压力升高率、最高燃烧压力、压力升高比2） 零件的自振频率其中，压力升高率影响最大，应小于0.4Mpa/CA0.与压力升高比有关的影响因素： 喷油提前角的影响：喷油提前角增大，燃烧噪声增大；燃烧方式环境温度和起动转速对压缩终点温度的影响冷起动和怠速怠速敲缸3 降低燃烧噪声的措施1） 缩短着火落后期：用辛烷值高的燃料、减小喷油提前角、提高冷却水温度和进气温度等。2） 减少着火落后期内的喷油量：降低喷油速率、采用预喷射等3） 减少着火落后期内形成的可燃混合气数量：如采用球形油膜蒸发混合。二、 柴油机的冷起动1 冷起动困难的原因1） 压缩终点的温度过低。与环境温度、起动转速和燃烧室结构有关。2） 可燃混合气形成过慢3） 润滑油粘度增加、蓄电池性能下降。三、 改善冷起动的措施1） 选择合适的起动转速2） 适当增加循环喷油量3） 适当推迟喷油提前角4） 采用预热方式5） 采用高性能燃料6） 采用预热方法第八章 有害排放物的生成与控制8.1 有害排放物的生成机理与影响因素一、 有害排放物的种类及危害 排气污染物：CO、HC、NOx、SOx、微粒 非排气污染物：因曲轴箱窜气、燃油系统油气挥发。目前，排放法规限制的是：CO、HC、NOx和微粒共四种。1 CO的危害使血液的输氧能力大大降低，导致心脏、大脑等重要器官严重缺氧，出现头晕、头痛、呼吸困难甚至死亡。2 NOx的危害为褐色有毒气体，对眼、鼻、呼吸道以及肺部有强刺激作用；是形成光化学烟雾的主要成分。光化学烟雾：NOx和HC在强烈阳光照射下经过一系列的链式反应，会生成臭氧（O3）和过氧酰基硝酸盐，即光化学烟雾。这种氧化性很强的烟雾，会使人感到眼睛刺痛，呼吸道感到强烈刺激，头晕及呕吐。光化学烟雾中的O3是强氧化剂，它能使植物变黑甚至枯死，人暴露在其中一小时以上会引起哮喘、慢性中毒等。3 HC的危害饱和烃对人体危害不大，稀烃有麻醉作用，对黏膜有刺激；是形成光化学烟雾的重要物质。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃及其衍生物有强烈的致癌作用。醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。4 微粒及碳烟微粒的主要成分是碳、有机物质和硫酸盐。粒径在2.5m的微粒对人体和大气环境危害最大，对呼吸系统有害，引发哮喘等症状，还具有致癌作用。二 有害排放物的评定指标浓度排放量：mg/m3质量排放量：g/h，g/测试循环比排放量； g/(kW.h)，g/km三 有害排放物的生成机理1 NOxNOx中主要是NO，仅有少量的NO2。生成NO有三条途径：高温NO、激发NO和燃料NO。产生高温NO的三要素：高温、富氧和一定的反应时间。高温NO是NO的主要生成来源。2 CO是一种不完全燃烧产物，其生成主要与混合气浓度有关。来源于：燃料不完全燃烧已燃烧产物的CO2在高温下分解，生成CO排气过程中的未燃HC不完全氧化产生少量的CO。3 HCHC在汽油和柴油中的生成机理不同。（1） HC在汽油机中的生成机理a. 不完全燃烧怠速、高负荷、失火、汽车加减速时产生。b. 壁面淬熄效应及缝隙效应壁面淬熄效应：指温度低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却，使活化分子的能量被吸收。燃烧链反应中断，在壁面形成厚约0.10.2mm的不完全燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量未燃HC。直喷式柴油机空燃比对有害排放物生成的影响汽油机空燃比对有害排放物生成的影响c. 壁面油膜和积炭的吸附。（2） HC在柴油机中的生产机理a. 混合不均匀b. 喷油器压力室容积的影响（3） 非排气HC的生成a. 曲轴箱窜气b. 燃油蒸发4 微粒及炭烟的生成机理一般认为：炭烟是烃类燃料在 高温缺氧条件下裂解生成的。四 有害排放物生成的影响因素1 过量空气系数的影响1） 对汽油机的影响 CO和HC随空燃比的增大，急剧下降，超过后，逐渐达到最低值；但空燃比过稀(过大)时，因燃烧不稳定甚至失火次数增多，导致HC又有所回升。从降低CO和HC的角度来说，应避免在的区域运转，但汽油机的最大功率出现在，怠速和冷起动时加浓到08或更低，因而又是难以避免的。NOx的变化规律与HC和CO不同。在附近，NO，生成量最高，过浓过稀都会降低。 2） 对柴油机的影响CO排放一般很低，不到汽油机的1/10，只在时才开始急剧增加。在后，HC排放略有上升，但仍比汽油机低许多。后炭烟急剧上升。NOx的生成规律与汽油机相同，但生成量低于汽油机，且峰值比汽油机略向稀区偏移。2 点火及喷油时刻的影响汽油机点火提前角推迟，可使循环的最高温度、压力降低，减少NOx的生成量，同时由于排气温度的升高，HC在排气中继续燃烧，其含量减少。但过迟会因燃烧速度慢而使HC增多，并使发动机动力性能和经济性能变差。点火提前角对CO生成量的影响很小。柴油机喷油提前角减少，循环最高温度下降，NOx减少，但会引起柴油机烟度增加，功率下降。3 运转工况汽油机：在怠速及小负荷工况时，进入气缸的新鲜空气量少，废气相对增多，化油器供给的混合气偏浓，且燃烧温度低，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧，是CO增多；因燃烧室温度低，壁面激冷现象严重，HC含量增多。中等负荷时，化油器供给经济混合气，CO、HC较少，NOx较多。大负荷时，NOx较多，CO增多，但排气温度高，HC在排气中继续燃烧，其排放量下降。柴油机：怠速时，由于燃料分布不均匀，使局部混合气过浓，CO多但比汽油机排放量少；满负荷时，排放物主要是NOx和炭烟，且炭烟生成量比汽油机的大得多。总起来看：柴油机的HC和CO排放仅有汽油机的1/51/10；而NOx的排放量，在中小负荷时远低于汽油机，大负荷时与汽油机接近；但柴油机的微粒排放确是汽油机没有的。因此，汽油机以降低CO、HC和NOx为主要控制目标，而柴油机以降低微粒和NOx为主要控制目标。8.2 排放法规及测试方法排放法规的两个核心内容：排放限值和检测方法一 概述1 工况法与怠速法1） 怠速法：测量汽车在怠速工况下排放污染物的一种方法。一般仅测CO和HC。特点：简便易行、测试装置价格便宜和便于携带以及试验时间短；但测量精度低，测量结果缺乏全面性和代表性。主要作为环保部门对在用车的排放监测及汽修厂对车辆排放性能的简易评价。2） 工况法：将若干汽车常用工况和排放污染物较重的工况组合成一个或若干个测试循环，试验 时测取汽车在整个测试循环中的排放水平。特点：检测结果能较全面地反映汽车排放水平，但试验设备价格贵。一般用于新车的认证许可检测。2 轻型车与重型车一般地：总质量在4003500kg范围内、乘员在912人以下、最高车速50km/h以上的车辆作为轻型车；总质量在3500kg以上的作为重型车。轻型车的排放检测要求在底盘测功机上进行；重型车的排放检测在发动机台架上进行。3 排放限值型式认证试验限值和产品一致性试验限值。二 排放法规目前，世界上的排放法规主要有三个体系，即美国、日本和欧洲体系。我国是参照欧洲法规而制定的。1 轻型车排放法规1） 美国排放法规目前用的是FTP-75测试循环。试验时要求被测车辆在200C300C的恒温条件下放置12小时以上。整个测试循环分4段，即过渡（冷起动）阶段，稳定阶段，发动机熄火10min,然后再重复一次过渡（热起动）阶段。2） 欧洲排放法规目前采用的测试循环是：ECE15+EUDC。由若干段等加速、等减速、等速和怠速工况组成。分为两个部分，第一部分也称城市工况(city cycle)，由反复4次的15工况(ECE一15)构成，是1970年制定的，模拟市内道路行驶状况；1992年起加上了反映城郊高速公路行驶状况的城郊工况(EUDC，extra urban driving cycle)的第二部分，最高车速提高到120kmh(对于功率小于30kW的小型汽车可降为90kmh)。3） 日本法规目前采用10.15工况（三个10工况和一个15工况）测试循环。4） 各种法规的对比5） 我国排放法规目前采用15工况+EUDC测试循环2 重型车排放法规车用汽油机：我国采用9工况法。由一个怠速和8个等速、加速、减速和挂档滑行等工况组成，试验时发动机转速为2000rpm，每个工况运行60s。车用柴油机：我国从2000年开始采用13工况法：怠速10%负荷中间转速25%负荷中间转速50%中间转速负荷75%负荷中间转速1005负荷中间转速怠速100%额定转速75%额定转速50%额定转速25%额定转速怠速。三 排放检测的取样系统8.3 排放污染物的机内净化技术一 汽油机的机内净化技术1 推迟点火时间2 采用EGR技术仅对降低NOx有效。汽油机在大负荷时，采用EGR将使混合气变稀，最大功率下降；中等负荷时采用EGR 将使混合气过稀，燃烧不完全，使燃油消耗量增加，HC排放增多；怠速和小负荷时使用EGR，将使发动机燃烧不稳定甚至失火。3 燃烧系统优化设计4 提高点火能量5 电控汽油喷射技术二 柴油机的机内净化技术由于柴油机排气后处理技术大多还未达到实用的阶段，因此，废气净化主要靠机内净化。控制废气排放的指导思想：抑制预混合燃烧以降低NOx排放，促进扩散燃烧以降低微粒和改善热效率。1 推迟喷油时间推迟喷油提前角可有效地抑制NOx的排放，且方法简便易行。随喷油提前角的推迟，NOx显著降低，但同时燃油耗率和微粒恶化。 2 采用EGR的效果及存在的问题存在的问题：需使用比汽油机更大量的EGR才能有效降低NOx。 中大负荷时，采用EGR使油耗、烟度增加。柴油机排气中的SO2，最终会生成硫酸，对EGR系统的管路、阀门以及气缸壁面形成腐蚀，并使润滑油恶化排气中的微粒流回气缸，附在摩檫面上或混入润滑油里，导致摩檫面的异常磨损。3 增压及增压中冷4 改善喷油特性1） 合理的喷油规律2） 提高喷油压力3） 柴油机电控喷油系统5 改进燃烧方法和燃烧室6 改善燃料特性及新型清洁燃料8.4 排放污染物的机外净化技术一 汽油机排气后处理技术1 热反应器使CO和HC