内燃机原理讲义ppt课件

发动机原理讲义 参考书目 教师信息 信息韩永anyq 471738860讲课缺点内容多 重点不突出 思维跳跃 容易跑题 板书乱 语速快拟改正方法每章后给大家电子版讲义 挑重点讲 常识性的 考试的 奖励笔记 不考勤 若强烈要求 不计入成绩 即使强烈要求 目标 希望大家能了解更多的发动机基本和前沿知识并成为大家的朋友 发动机基本流程 能量转换过程 实际 讲授主线及分值分布 提出发动机的性能指标 t i e 工作循环历程 各种指标的计算方法 一二章 20 25分 介绍燃料特性 燃烧初步 燃烧反应热化学计算 明确为何分为汽油 柴油两种 三章 10 15 据燃料特性讲授汽油机 柴油机的混合气形成 燃烧组织方式 相应的结构措施 各个参数对燃烧 性能的影响规律 四五章 25 30 综合上述知识讲授发动机实际工作中的特性及各种运行指标对特性的影响 六章 25 30分 有害物排放与控制简介 前沿技术简介 5 10分 第一章发动机的性能指标 定义及意义评价发动机优劣的依据 优秀学生干部 超女 亚姐 帅哥VS好发动机 按来源分理论指标 基于理论循环得出的动力性 经济性指标 指示指标 基于缸内实际循环得出的动力性 经济性指标 有效指标 实用指标 发动机实际运行中所表现出的各种性能指标 按评价内容分动力性 PeTtqn经济性指标 热效率 b B 排放指标 NOx PM CO HC 臭味运行指标 冷起动 噪声 加工工艺 可靠性 耐久性 成本决定因素 工作循环过程 燃烧组织 后处理 第一章发动机的性能 发动机优劣对比 综合性 1 1发动机理论循环 理论循环的定义 What How Why 在一定的简化条件下将发动机的实际工作循环按燃烧过程不同抽象为几种典型的热力学可描述的过程 P V T S图 用于获得某些的性能评价指标及各种参数对该指标的影响规律 效率T S 功P V 1 1发动机理论循环 简化条件封闭循环换气过程为定容放热 无物质交换 绝热压缩过程 膨胀过程为绝热 等熵 不考虑传热损失 热源加热燃烧过程为瞬时热源加热 定容或定压 不考虑燃烧过程的时间 燃烧损失 理想工质工质为空气 不考虑成份变化及数量变化 可逆过程循环中无能量的损失只有能量的转换 总熵产为0 可用热力学的循环来表示 1 1发动机理论循环 分类 燃烧过程 定容循环 汽油机 燃烧迅速 上止点 定容 余隙容积 加热 定压循环 大型柴油机 上止点后燃烧 加热缓慢 放热量导致的压力增加与容积增大引起的压力下降抵消 压力维持不变 混和循环 车用高速柴油机 一部分 预混和燃烧 定容燃烧 一部分 扩散燃烧 定压 1 1发动机理论循环 典型热力学过程 可能涉及到的热力学过程为 等熵 等温 燃烧温度控制 NOx 热负荷 定容 定压 1 1发动机理论循环 典型热力学过程 1 1发动机理论循环 理论循环历程 板书 等熵 绝热 压缩 a c工质加热 理想燃烧过程 c z z等熵 绝热 膨胀 z b定容放热 理想换气过程 b a 1 1发动机理论循环 可得到的指标Wt为一次量 其余为引申量 Wt 1 1发动机理论循环 可得到的指标Wt Q1为一次量 其余为二次量 1 1发动机理论循环 各因素对性能的影响 必考内容 1 1发动机理论循环 压缩比影响 1 1发动机理论循环 压缩比影响 1 1发动机理论循环 绝热指数 理论循环热效率随绝热指数的增加而提高 K取决于工质性质 对于双原子分子 空气 K 1 4 多原子气体K 1 33 发动机的混和气K 1 32 1 4 柴油机热效率高的四个要素压缩比高 混和气绝热指数高 泵气损失小 燃烧完全 1 1发动机理论循环 三种循环效率对比 1 1发动机理论循环 三种循环效率对比 1 2发动机实际循环 组成 四行程 进气 压缩 燃烧 膨胀和排气 表达方式通常用气缸内工质的压力随气缸容积 或曲轴转角 的变化图形P V图 或P 图来表示 称为示功图 T S图不适用 不可逆 理解以缸内工质对活塞做功为研究对象的循环描述以热力学过程为研究对象的循环描述 理论 1 2发动机实际循环 示功图分析 功的走向 1 2进气过程 r a 1 2压缩过程 a c 1 2压缩过程 a c 1 2压缩过程 a c 1 2燃烧过程 C Z 1 2膨胀过程 Z B 1 2排气过程 b r 1 2指示指标 指示指标用来评定实际循环质量的好坏 以工质在气缸内对活塞做功为基础 用平均指示压力及指示功率评定循环的动力性 即做功能力 用循环热效率及燃料消耗率评定循环的经济性 分类 1 2动力性指标 循环指示功Wi kJ 一个实际循环工质对活塞所做的有用功 平均指示压力pmi MPa 发动机单位气缸工作容积 L 一个循环所做的指示功 计算方法 测取示功图 P 利用数值积分方法进行计算 1 2动力性指标 1 2动力性指标 1 2经济性指标 1 2经济性指标 热效率与燃油消耗率的关系一小时所作的指示功为Pi 3 6 103 kJ 一小时所消耗的热量为B hu kJ 则热效率 Pi 3 6 103 B hu hu kJ kg 因为bi B Pi 1000所以有Pi B 1000 bi则有热效率 3 6 106 bi hu 1 3机械损失 定义发动机实际循环所做的指示功不可能完全对外输出 功在发动机内部转化过程中必然会有所损失 所消耗在发动机内部的这部分功称为机械损失 用Pm pmm表示 1 3机械损失 组成 1 3机械损失 测定方法 1 3机械损失 测定方法 1 3机械损失 测定方法 1 3机械损失 测定方法4 示功图法热车测取Pe同时测示功图 计算出Pi据公式机械效率 Pe Pi可直接求出所有项目缺点 实验系统复杂昂贵 需在缸盖上打孔优点 可适用于任何机型 1 3机械损失 影响因素 1 3机械损失 影响因素2 摩擦损失在机械损失中 摩擦损失所占比例最大 达70 左右 活塞组件 活塞环 活塞裙部和活塞销 减少措施 减少活塞环数目 减薄活塞环厚度 减少活塞裙部的接触面积 在裙部涂固体润滑膜等 曲轴组件 主轴颈 连杆轴颈或平衡轴颈及其密封装置 一般润滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比 减少运动件的惯性质量 如减小活塞 活塞销 连杆的质量 可降低轴承负荷并可使轴承宽度和轴径减小 配气机构减小配气机构运动件质量 降低弹簧负荷 在摇臂与凸轮接触面处加入滚动轴承等 减少措施 相对运动件的接触面积 接触形式 滑 滚 配合面的加工精度 润滑情况 运动件的质量 配气机构的弹簧刚度 1 3机械损失 影响因素 1 3机械损失 影响因素 负荷 1 3机械损失 影响因素 1 4有效指标 定义发动机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为基础获得的 代表了发动机整机的使用性能性能 通常称它们为有效指标 分类动力性 Pe Ttq n Pme经济性 be B 强化指标 PL me 强化系数 1 4有效指标 动力性指标 1 4有效指标 动力性指标 1 4有效指标 动力性指标 1 4有效指标 经济性指标 1 4有效指标 强化指标 1 4有效指标 强化指标 第一章发动机的性能指标 知识点回顾理论循环定义 简化条件 分类 可得到的指标 影响因素实际循环组成 各阶段特点 要求 不同参数的汽油柴油机对比 可得到的指标 各指标的计算方法 机械损失定义 组成及比例 测定方法 影响因素 有效指标 定义 分类及计算公式 强化指标的对比 第二章发动机换气过程 一 概述作用尽可能排除缸内废气并充人尽可能多的新鲜工质 尽量增加每循环进入气缸的新鲜工质量 m1 从而提高功率及强化指标对性能影响影响到汽车的经济性 排放 噪声及乘坐的舒适性等 要求尽可能合理地延长换气时间 发动机换气过程包括排气过程和进气过程 理论上进排气各占180 合计360 曲轴转角 实际上由于发动机转速高 一个行程的历时只有60 6000 2 0 005s时间短充气不足 排气不净 要尽量延长进 排气时间 换气过程 即扩大进 排气的曲轴转角 组成 从排气门开启进气门关闭的整个时期 约占410 480 曲轴转角 一般分作自由排气 强制排气 进气和气门叠开四个阶段 二 几个概念 一 配气定时 配气相位 图进 排气门开 闭相对于曲轴转角的时刻称为配气定时 相位 用相对上 下止点的曲轴转角的环形图来表示则称为配气定时图 二 几个概念 一 配气定时 配气相位 图作用 在活塞上行时排气门有足够大的开启面积 减小排气阻力 减小活塞上行时的阻力 强制排气损失 负功 合理匹配可以减小泵气损失 高温废气迅速排出可减小发动机热负荷 二 几个概念 一 配气定时 配气相位 图作用利用压力差和废气流惯性尽可能排净出废气 作用在活塞下行时进气门有足够大的开启面积 新鲜工质可以顺利流入气缸 冷却燃烧室壁面以降低Ta提高充气效率 二 几个概念 一 配气定时 配气相位 图作用 利用高速气流的惯性和压力差在下止点后继续充气 增加进气量 作用 二 几个概念 二 换 泵气损失图例X k a k kY r k r k k a rW b b r bd r k k a r 二 几个概念 二 换 泵气损失1 定义换气损失 实际换气过程相对于 准 理论循环 理论配气状态下的压缩 燃烧 膨胀过程 换气过程所损失的部分 缺失或负功 W Y X泵气损失 720 CA实际循环中为负值的部分 X Y d换气损失的优化合理匹配排气提前角使得W Y取得最小值 三 充气效率1 定义充气效率 实际进入气缸的新鲜工质量m1与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量ms的比值 2 测量方法利用空气流量计测出发动机实际进气量M1 kg h 计算该工况的理论进气量Ms kg h 二者之比即是 二 几个概念 一 排气过程1 自由排气定义 从排气门打开到气缸压力接近排气管压力所对应的阶段 分段及详解前期 超临界排气 Pb Pr 1 9 废气以声速流经排气门口 与压差无干 C KRT 1 2 400 800 C时 500m s 700m s中期 亚临界排气 1 9 Pb Pr 1 流速低于音速且取决于压差 结束阶段 Pb与Pr趋于一致 废气不能自由排出 需活塞上行推出废气 特点排出废气量与工况 尤其是转速 无关仅取决于缸内状态及排气管阻力 结束标志为压力平衡 时间极短但有近60 的废气在此阶段排出 三 换气过程详解 一 排气过程2 强制排气定义 克服排气系统阻力活塞强制推出废气 二 进气过程定义 活塞下行 缸内容积增加 缸内压力下降 环境压力 缸内压力 进气系统阻力 吸入新鲜工质 特点 初期缸内容积增加 压差不足不进气 进气系统压力急剧下降 压力下降到压差 进气阻力后压力几乎不变 三 换气过程详解 第二节四行程发动机充气效率 一 充气效率影响因素确定一 图例 进气终了气缸容积为Vs Vc ma 气缸工作容积为Vs 令 二 公式推导 一 充气效率影响因素确定 三 影响充气效率的因素 一 充气效率影响因素确定 一 进气终了压力Pa原理性分析 二 各因素对充气效率的影响规律 一 进气终了压力Pa转速影响 不考虑进气迟关的影响 假定均最佳配气 二 各因素对充气效率的影响规律 进气终了压力随转速的变化 汽 n Pa 柴 汽外 一 进气终了压力Pa负荷影响汽油机 量调节 负荷增加节气门开大 阻力系数小Pa增加 主要因素 负荷增加发动机热负荷增加 对进气加热量增加Ta上升 次要因素 随负荷增加汽油机充气效率上升柴油机 质调节 负荷 阻力不变 Pa基本不变负荷 Ta略微 柴油机随负荷增加 v基本不变或稍 二 各因素对充气效率的影响规律 Pe 二 进气迟关角 容积系数影响机理谐波进气 主要 进气终了容积 次要 二 各因素对充气效率的影响规律 惯性效应 单一进气 波动效应 循环 缸间 二 进气迟关角 容积系数对充气效率的影响特定转速下取得最佳值 若可变可获得外包络线 各转速均为峰值 相当于仅考虑Pa 压力降 迟关角共同影响造成的实际发动机充气效率为中间高两端低 低速惯性不足反流 高速惯性未充分利用且压力降过大 迟关角越小峰值越靠近低速汽油机的峰值对应最大扭矩点 二 各因素对充气效率的影响规律 不同进气迟关角对应的充气效率 实际发动机充气效率随转速变化 n n 三 进气终了温度TaTa高于To的原因Ta对充气效率的影响降低Ta的措施排气管与进气管置于气缸两侧 控制进气预热 适当加大气门叠开角工况对Ta的影响 二 各因素对充气效率的影响规律 四 残余废气系数r 二 各因素对充气效率的影响规律 五 环境温度Ts和环境压力Ps环境温度Ts随环境温度的增加 环境温度与缸壁等热部件的温差减小 Ts Ta 充气效率有所增加 一般情况下 充气效率与 Ts T0 m成正比 m 0 25 0 3 转速增加 作用时间短Ts Ta增加 负荷增加缸壁温度增加 Ta Ta减小 环境压力Ps对充气效率没有影响 两端同除以Ps有 可见 Pa Ps在温度相同的情况下为常数 及充气效率不变 二 各因素对充气效率的影响规律 五 环境温度Ts和环境压力Ps冬天与夏天对比 充气效率 m1 冬天的充气效率低 但功率大 与温度成0 3次方 而进气量m1与温度成 1次方关系 从密度公式考虑 即温度低m1增加 高原与平原对比充气效率不变密度变小 m1减小动力性下降 二 各因素对充气效率的影响规律 一 总体原则 从影响因素出发 减小进气系统阻力 提高pa合理匹配配气相位 综合优化有效容积比和惯性进气 减小排气系统阻力 降低残余废气系数减小进气加热 降低Ta 第三节提高充气效率的措施 一 减小进气系统阻力减小气门处的阻力1 时面值 角面值 气门开启丰度 定义 整个气门开启过程中开启面积对时间 角度的积分称为时面值 角面值 代表了气门总的开启面积 也可以反应气门开启的丰满程度 流通能力 与凸轮升程规律 气门升程规律 气门密封锥角有关 随转速的升高一般的角面值不变化 而时间变短 时面值下降 换气过程就相对困难 阻力系数增加 二 提高充气效率的措施 一 减小进气系统阻力减小气门处的阻力2 进气马赫数降低Ma 提高充气效率的措施增大气门的相对通过面积 改善气门处的气体流动 合理的配气相位 二 提高充气效率的措施 一 减小进气系统阻力减小气门处的阻力3 气门直径和气门数 二 提高充气效率的措施 一 减小进气系统阻力减小气门处的阻力4 气门升程规律 二 提高充气效率的措施 一 减小进气系统阻力减小气门处的阻力5 减少气门处的流动损失 二 提高充气效率的措施 一 减小进气系统阻力减小进气道的阻力谐波进气 可变管长 根据发动机的转速不同 自动调整进气管长度 从而能够充分利用进气过程中较高的进气谐波 提高充气系数一般原则为低速 大扭矩时细长 在阻力变化不大情况下提高惯性 高速时短粗 惯性不变的情况下减小阻力系数 二 提高充气效率的措施 二 合理选择配气正时 二 提高充气效率的措施 二 合理选择配气正时 二 提高充气效率的措施 三 减小排气系统阻力 r 选择合理的排气消音器 排气管合格的国标为动力性下降小于5 减小残余废气系数 气门叠开扫气 四 减少进气加热 Ta 进排气管分布在两侧气门叠开 排气过程等 二 提高充气效率的措施 三 提高充气效率的另一种说法 一 降低进气系统的阻力损失 提高气缸内进气终了时的压力 1 降低进气通道的流动阻力 加大进气门直径 增加进气门数目 合理设计进气道及气门的结构 目的 增加气门流通截面的面积 2 采用可变进气系统技术 低速时 采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程 防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流 以便增加转矩 提高燃油经济性 高速时 应具有最大的气门升程和进气门迟闭角 以最大限度地减小流动阻力 充分利用过后充气 提高充气效率 以满足动力性要求 配合以上变化 对进气门从开启到关闭的持续期 又称作用角 也应进行调整 以实现最佳的进气定时 如GM汽车公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及Ford汽车公司的液压气门驱动机构 3 减少进气管和空气滤清器的阻力 二 降低排气系统的阻力损失 以减小缸内的残余废气系数 三 减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热 以降低进气终了时的充量温度 发动机原理讲义 第三章燃料与燃烧 需掌握内容 燃料的组成及分类 C原子数 分子结构对燃料性能的影响 各种燃料的评价指标及实际意义 燃料的使用特性 常用燃料燃烧化学初步计算 理论空气量 分子变更系数 混和气热值 燃烧初步 链式反应 热力自燃 第一节燃料组成及特征 一 燃料的主要分类石油类 烃类 液态 汽油 煤油 用于航空发动机 轻柴油 重柴油 气态 CNG LNG LPG 海底可燃冰 CH4的水合物 每立方米可析出164立方米的天然气 保守估计有1 1万亿吨 11 1012t 可够人类使用1000年 含氧燃料 甲醇 乙醇 醚类 二甲基乙醚DME BTL GTL CTL 制取燃油 生物油类 大豆油 菜籽油等 可再生资源 太稠 混合气形成困难 结焦 去除甘油后就可以变稀 氢 好处多多 但主要问题集中在能量密度 贮存 压缩法 液化法 吸附法 零部件的脆化和来源 仅是能量的载体 非能源 红色字体部分由于出现较晚 或应用范围较窄 被称为代用燃料 其出现的主要目地为缓解能源危机和环境污染 二 石油类燃料特性 1 化学组成 主要成分 碳 氢 占97 98 少量元素 硫 氧 氮其中O元素可以降低燃烧过程微粒物 烟度下降 S可以使N多催化剂中毒 尽量减少 微量元素 K As Na Ca通式 多种碳氢化合物的混合物 通式可表达为CnHm 通常称为烃 二 石油类燃料特性 2 C原子数对烃类燃料性能的影响随分子中C原子个数的增加有 二 石油类燃料特性 3 分子结构对烃类燃料性能的影响 二 石油类燃料特性 3 分子结构对烃类燃料性能的影响 第二节燃料使用特性 一 汽油使用特性1 馏程 蒸发性 挥发性 定义 馏出某一质量百分比燃油的温度范围 主要指标 为了评价燃料的挥发性 形成混合气的难易程度 以10 50 和90 的馏出温度作为指标 1 10 馏出温度T10 75 表征燃料的起动性 T10低容易冷车起动 但过低 在输送时受发动机温度较高 压力过低部位汽化 形成 气阻 使发动机断火 影响正常运转 2 50 馏出温度T50 145 表征平均蒸发性 T50低 从较低负荷向较高负荷过渡时 能够及时供应所需的混合气 暖车时间 加速性 工作稳定性均会改善 3 90 馏出温度T90 195 第二节燃料使用特性 一 汽油使用特性2 辛烷值 抗爆性 爆震 在汽油机燃烧中 在火焰前锋面未传播到的情况下由于缸内温度 或局部温度 高过而引起的末端混合气自燃 瞬间同时燃烧 从而引起缸内温度 压力急剧上升并伴随特定敲缸声 压力波在缸内的不断反射 的不正常燃烧状态 轻微爆震时燃烧迅速定容性提高 热效率提高 动力性提高 爆震过强时缸内温度 压力急剧上升发动机的热负荷 机械负荷增加 润滑系统 冷却系统破坏从而引起可预见的重大破坏 现代汽油机中增设爆震传感器 使发动机在临界爆震状态燃烧 第二节燃料使用特性 一 汽油使用特性2 辛烷值 抗爆性 辛烷值测定方法 在特殊的单缸试验机 CFR 上按规定的条件进行 利用两种标准燃料 异辛烷 2 2 4三甲基戊烷 C8H18 辛烷值为100 正庚烷 C7H16 辛烷值为0 按不同比例 体积 混合可得不同辛烷值的标准燃料 其辛烷值即为异辛烷的体积百分数 在特定工况下调整压缩比使被测燃料发生临界爆震 找出与被测燃油相同具有抗爆性的标准燃料 则标准燃料的辛烷值即为被测定汽油的辛烷值 辛烷值高低顺序为烷烃 烯烃 炔烃 环烷烃 芳烃 辛烷值的分类 马达法试验值 MON n 900r min 进气加热 条件苛刻 研究法试验值 RON n 600r min 进气不加热 MON RON 燃料敏感度 研究法试验值 马达法试验值 表征了燃料对工况的敏感度 通用评价抗爆性的指标 ONI 抗爆指数 MON RON 2 目前所用汽油的牌号即为该值 第二节燃料使用特性 一 汽油使用特性2 辛烷值 抗爆性 提高辛烷值的方法 加抗爆剂 四乙铅 溴乙烷 由于对后处理器催化剂的毒性强 铅排放 目前已经停用 提高汽油中芳香烃的含量 裂化调制 加调和剂 醚 醇 第二节燃料使用特性 二 柴油使用特性 燃烧机理复杂 影响因素多 性能要求多 1 自燃性 发火性 的指标 十六烷值测定方法十六烷值对混合气形成及燃烧过程的影响 第二节燃料使用特性 二 柴油使用特性2 蒸发性 馏程 第二节燃料使用特性 二 柴油使用特性3 雾化性 燃油喷射系统参数 用粘度评价 第二节燃料使用特性 二 柴油使用特性4 流动性凝点 指柴油失去流动性开始凝结的温度 第三节燃烧热化学 需把握的内容理论空气量摩尔空气量质量空气量体积空气量理论分子变更系数混合气热值摩尔热值质量热值体积热值 一 理论空气量 定义1kg燃料完全燃烧所需的最低 理论 空气量计算方法 二 过量空气系数 定义 实际提供的空气量L与理论上所需空气量L0之比空燃比 三 1时的理论分子变更系数 计算方法 四 燃料热值与混合气热值 1 燃料热值 1kg燃料完全燃烧所放出的热量 称为燃料的热值 高热值 包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热 低热值 不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热 2 混合气热值 单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量 汽油机如下 柴油机去掉燃料部分 发动机中每循环放热量取决于混合气热值 单位体积 而非燃料低热值如汽油 甲醇低热值差很多44000kJ kg和27000kJ kg 而理论混合气热值相差不大3749kg m3和36301 m3 所以烧E10时合理增加喷油量在发动机结构不变的情况下动力性相差不大 第四节燃烧初步 掌握内容燃烧的阶段着火理论及自燃临界条件火焰传播定义及速度的影响因素汽油柴油的使用特性与汽 柴油机混合气形成燃烧组织的关系 一 着火阶段 点燃 定义发生明显光 火焰效应前的准备阶段A 链式反应组成 链引发 链传播 链中断链引发 烃类受激 电火花 高温气流 产生自由基 或原子 活性中心 促进新反应进行 链传播自由基与反应物作用 进一步反应 产生新的自由基 1 1 直链反应 不加速 1 多 支链反应 加速 爆炸 链中断自由基与环境碰撞失去活性 没电了 玩完了 反应物浓度急剧消失 自由基找不到促进的对象 孤立了 没用了 氧化反应的特征存在形成 积累活性中心的诱导期 长度与反应物特性 浓度 温度 容器边界形状有关 一 着火阶段 自燃 B 热力自燃定义在T P适宜的情况下无外部能量 自身反应自动加速 自发着火过程着火条件在整个着火过程中每一时刻的反应放热速度 与温度呈指数关系 大于反应物系统向环境的散热速度 与温度呈线性关系 产生热量积累从而着火 一 着火阶段 自燃 实际着火过程 一 着火阶段 点燃 定义 利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并引起火焰传播的着火过程 电火花的作用提供能量使T升高电离混合气形成活性中心引发链反应或热积累 二 燃烧过程 火焰传播 定义 火焰前锋面 以火花塞中心为球面的0 01 0 5mm厚度的一层反应中的混合气 前方为未燃混合气 后方为已燃混合气 极大的温度 浓度梯度造成传热 传质使得火焰向前传播 在无紊流或若紊流时传播速度较慢 层流传播 在强紊流时火焰前锋面破裂 形成许多小的反应团 宏观厚度增加 反应面积增加 火焰传播速度极快 小紊流 大紊流 四 汽油 柴油特性引发的燃烧组织 柴油 四 汽油 柴油特性引发的燃烧组织 汽油 发动机原理讲义 第四章汽油机混合气形成及燃烧 第一节汽油机燃烧过程 概述 几个概念 一 汽油机正常燃烧 定义唯一地由火花塞点火且火焰前锋以特定的速度传遍整个燃烧室的过程 燃烧过程分段 着火延迟期 明显燃烧期 后燃期 一 汽油机正常燃烧 着火延迟期 1 2 定义从火花塞跳火到压力偏离压缩线 出现火焰 5 放热量 的时间或曲轴转角作用火花塞放电点燃混合气形成火焰核心 链引发 火花塞放电特性 两极电压达10 15kV 击穿电极间隙的混合气 造成电极间电流通过 电火花能量多在40 80mJ 局部温度可达3000K 使电极附近的混合气立即点燃 形成火焰中心 火焰向四周传播 气缸压力脱离压缩线开始急剧上升 一 汽油机正常燃烧 着火延迟期 1 2 特点 燃烧量小 压力升高不明显 要求尽量缩短着火延迟期并保持稳定 影响滞燃期的因素 一 汽油机正常燃烧 明显燃烧期 2 3 定义从火焰核心形成 开始燃烧 到最高燃烧压力点 火焰传播到整个燃烧室 对应的曲轴转角或时间 作用迅速地把大部分燃料的化学能转变为热能 特点是汽油机燃烧的主要时期 热量利用率高 明显燃烧期愈短 愈靠近上止点 汽油机经济性 动力性愈好 要求在压力升高率 平均压力升高率 不过高 0 175 0 25MPa 若过高则工作粗暴 机械负荷 热负荷增加对NOx排放增加 的前提下尽量缩短明显燃烧期 20 40 CA 并靠近上止点 Pmax在8 12 15 CA 一 汽油机正常燃烧 后燃期 3点以后 定义从压力最高点到燃料燃烧90 以上的时间或曲轴转角 作用 火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧 贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧 高温分解的燃烧产物 H2 CO等 重新氧化 特点燃烧速度慢 远离上止点 热量利用率低 要求尽量减少后燃期 一 汽油机正常燃烧 影响燃烧速度的因素可燃混合气密度火焰前锋面积AT利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合 可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积 以调整燃烧速度 形成不同燃烧组织状态 一 汽油机正常燃烧 影响燃烧速度的因素火焰传播速度控制UT就能控制明显燃烧期的长短及相对曲轴转角的位置 一般在50 80m s 燃烧时间极短 仅1 2ms影响火焰传播速度的因素缸内紊流紊流增加速度增加混合气成分 一 汽油机正常燃烧 影响燃烧速度的因素影响火焰传播速度的因素残余废气系数残余废气系数增加火焰传播速度下降初始混合气温度 压力初始T P增加火焰传播速度提高 一 汽油机正常燃烧 不规则燃烧分类循环变动各缸间燃烧差异循环变动原因火花塞附近混合气的混合比 气体紊流性质 程度在各循环均有变动 致使火焰中心形成的时间不同 即由有效着火时间变动而引起 危害使空燃比和点火提前角调整不可能都对每一循环处于最佳状态 经济性 动力性恶化 不正常燃烧倾向增加 整个汽油机性能下降 影响因素 当a 0 8 0 9时循环燃烧变动最小 在中等负荷以上变动较小 加强紊流有助于减少变动 因此转速增加 一般变动减小 加大点火能量 采用多点点火 情况可有所改善 点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感 一 汽油机正常燃烧 不规则燃烧各缸燃烧差异原因主要是由于分配不均匀造成的危害整个汽油机功率下降 耗油率上升 排放性能恶化影响因素分配不均匀气道内的沉积燃油进气歧管的差别各缸间进气重叠引起的干涉 过量空气系数的影响各缸混合气成分不同 进气管的设计任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配 一 汽油机正常燃烧 燃烧室壁面淬熄作用原因 接近缸壁的一层气体受冷和碰壁使得链反应中断 影响因素 当a 1左右 熄火厚度最小 混合气变浓 稀此厚度均增加 负荷减小时 熄火厚度显著增加 燃烧室温度 压力提高 气缸紊流加强 熄火厚度均减小 危害 存在大量未燃烧的烃 排气中HC 解决措施 尽量减小熄火厚度及燃烧室的面容比A V 活塞余隙从而降低汽油机的HC排出量 4 1二 不正常燃烧 分类爆震和表面点火 早燃 后燃 一 爆震特征 气缸内发出特别尖锐的金属敲击声 亦称之敲缸 原因 处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气 常称末端混合气 受到压缩和辐射热的作用 加速了先期反应产生了自燃 压力冲击波反复撞击缸壁 影响因素 1 燃料性质 辛烷值高的燃料 抗爆燃能力强 2 末端混合气的压力 温度 压缩比 散热组织 末端混合气的压力和温度增高 则爆燃倾向增大 提高压缩比 则气缸内压力 温度升高 爆燃易发生 气缸盖 活塞的材料使用轻金属 由于其导热性好 末端混合气压力 温度低 爆燃倾向小 可提高压缩比0 4 0 7单位 3 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 这有利于避免爆燃 例如 气缸直径大时 火焰传播距离增加 爆燃倾向增大 故没有很大缸径的汽油机 4 1二 不正常燃烧 危害轻微敲缸时 燃烧定容性改善 发动机功率上升 油耗下降 严重时破坏缸壁表面的附面气膜和油膜 摩擦损失增加 气缸盖和活塞顶温度升高 传热增加 从而导致冷却系过热 功率降低 耗油率增加 剧烈爆震将造成活塞 气门烧坏 轴瓦破裂 火花塞绝缘体破裂 润滑油氧化成胶质 活塞环卡死 4 1二 不正常燃烧 二 表面点火 热点点火由燃烧室内炽热表面 如排气门头部 火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等 点燃混合气的并形成火焰传播 点火时刻是不可控制的 早燃 晚燃 常见于压缩比 9 1 早燃 火花塞点火之前 炽热表面点燃混合气危害由于它提前点火而且热点表面比火花大 燃烧速率快气缸压力 温度增高 发动机工作粗暴 压缩功增大 向缸壁传热增加 致使功率下降 待商榷 T P升高 火花塞 活塞等零件过热 早燃与爆燃相互促进 TP升高诱发爆燃 爆燃促进更多热点形成更剧烈的表面点火 4 1二 不正常燃烧 2 后燃是指在火花塞点火之后 炽热表面或热辐射点燃混合气的现象 与爆燃不同 表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致 没有压力冲击波 敲缸声 比较沉闷 主要是由活塞 连杆 曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成 影响因素凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切条件 都能促成表面点火 4 1二 不正常燃烧 各种示功图对比 4 1三 使用因素对燃烧的影响 分析方法 从边界入手分析边界对燃烧过程因素的影响进而分析出性能变化最终要分析的性能 1 发动机性能 动力性 Pe 经济性 be 排放特性 HC 壁面淬熄及混合气过浓 NOx 高温 富氧 作用时间 CO a 1时或不均匀时 2 燃烧特性 最佳点火提前角 正比于着火延迟期 不规则燃烧 不正常燃烧 壁面淬熄等 中间因素 燃烧速率 密度 T P 紊流强度等 燃烧始点 点火提前角 T P 混合气浓度等等 辛烷值 使用因素 初始边界 混合气浓度 点火提前角 转速 负荷 环境参数 4 1三 使用因素对燃烧的影响 1 混合气浓度当a 0 8 0 9时 UT Pz Tz 压力升高率 Pe均达最高值 且爆燃倾向增加 当a l 03 1 1时 燃烧完全 UT较快 be最低 最高温度 富裕空气 NOx排放增加 当a l燃烧不完全CO增加 当a 0 8及a 1 2时 UT下降燃烧不完全 be增加 HC排放增加 工作不稳定 可见 在均质混合气燃烧中 混合气浓度对燃烧影响极大 必须严格控制 4 1三 使用因素对燃烧的影响 2 点火提前角定义点火提高角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角 其数值应视燃料性质 转速 负荷 过量空气系数等很多因素而定 要求 弥补滞燃期使燃烧始点发生在特定范围内 随辛烷值的增加点火提前角增加随负荷 T P 升高点火提前角减小随转速升高点火提前角增加 点火提前角调整特性当汽油机保持节气门开度 转速以及混合气浓度一定时 汽油机功率 耗油率 随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性 4 1三 使用因素对燃烧的影响 4 1三 使用因素对燃烧的影响 3 转速 平均紊流强度增加 每循环时间缩短 点火提前角一般有 其中m 1 即随转速的升高以时间计的着火延迟期缩短 紊流强度增加 但以曲轴转角计的着火延迟期增加 每 曲轴转角对应的时间正比与转速的负1次方 应该相应加大点火提前角 离心点火提前调节装置 速燃期n增加紊流增加 火焰速度大体与转速成正比增加 图4 16 因而以秒计的燃烧过程缩短 但由于循环时间亦缩短 一般燃烧过程相对的曲轴转角增加 爆震转速增加时 火焰速度亦增加 爆燃倾向减小 4 1三 使用因素对燃烧的影响 4 1三 使用因素对燃烧的影响 5 大气状况大气压力低 气缸充气量减少 但充气效率不变 则残余废气系数增加 另外 压缩压力低 着火延迟期长和火焰速度慢 则经济性和动力性下降 但爆燃倾向减小 大气温度高 同样气缸充气量下降 充气效率提高 经济性 动力性变差 而且容易发生爆燃和气阻 在炎热地区行车时 应加强冷却系散热能力 用泵油量大的汽油泵 反之 在寒冷地区行车时 要加强进气系统的预热 增强火花能量等 以保证燃油雾化 点火及起动 4 2汽油机混合气的形成 分类汽油机混合气形成的方式主要有两类 一类是化油器式 另一类是汽油喷射式 SPI MPI GDI 除分层燃烧的GDI发动机外都是预先形成均质混合气 提前喷射 理论混合气 并依靠控制节流阀 节气门 开度来调节混合气数量的 4 2汽油机混合气的形成 理想空燃比特性 本课程的混合气状态 负荷 Ttq Pe pme 4 2汽油机混合气的形成 汽油喷射式混合气的形成 理论混合气 空气系统计量并控制燃烧所必要的空气量 燃料系统由电动汽油泵向各缸喷嘴及起动喷嘴压送具有一定压力的燃油 控制系统根据工况 根据信号判断 决定合适的喷射时间 开启时刻及时长 4 2汽油机混合气的形成 空气系统空气系统用来计量并控制燃烧所必要的空气量 其中空气流量计是进行空气量测量 并将其转换为电信号的关键部分 空气阀安装在与节流阀并联的旁通空气回路上 在发动机冷机起动且节流阀全闭时 为加速暖机开启旁通回路 发动机的负荷仍由节流阀的开度调节 常用空气流量传感器有 叶片式 热线风速 或热膜 式 卡门涡街式 4 2汽油机混合气的形成 燃料系统 电动汽油泵 是将直流电动机与转子式 或叶轮式 汽油泵联成一体的结构 压力调节器 使喷嘴的供油压力相对于进气管压力总是高出一个恒定值 保证喷嘴针阀两端的压差恒定 防止因进气管压力变化而引起喷油量变化 喷嘴 电磁线圈通电的时间决定了喷油量的多少 多点喷射方式MPI MultiPointInjection 单点喷射方式SPI SinslePointInjection 4 2汽油机混合气的形成 控制系统控制系统的构成见图4 43 它由各类传感器 执行器及电控单元 ECU 组成 需要跛行系统 OBD系统 冗余设计 两种混合气形成方式的比较 电控的优点 通电时间计算准确 修正因素多 油量 空气计量准确 控制精度高 燃油正压喷射 气阻概率低 雾化质量好 改善了燃烧过程 经济性好 取消了化油器喉管 提高了充气效率 有利于改善整机动力性 反馈控制 改善瞬态响应性能 整机加速性能及排放性能好 采用多点喷射 使各缸分配均匀性 避免燃油在进气管中沉积 4 3燃烧室 设计要点 结构紧凑以面容比 A V 燃烧室表面积与其容积之比来表征 A V值越小 火焰传播距离小 不易爆燃 可提高压缩比 相对散热损失小 热效率高 熄火面积小 HC排量少 具有良好的充气性能主要应考虑进气门 进气道的布置 应允许有较大的进气门直径或进气流通面积 适于多气门布置 进气流线短 转弯少 使混合气尽可能平直 光顺地流入燃烧室 4 3燃烧室 设计要点 火花塞位置安排适当扫除火花塞周围残余废气性要好 使点燃性 低速稳定性好 循环变动小 火花塞尽量布置在使末端混合气受热少的位置 如排气门附近 应使由火花塞传播开的火焰面变化分配合理 确保运转平稳 火焰传播距离应尽可能短 燃烧室形状合理分布燃烧持续期控制在60 40 CA之内 不致过高 4 3燃烧室 设计要点 组织适当的紊流运动增大火焰传播速度 冷却末端混合气区 减少循环间的燃烧变动 减小熄火厚度 降低HC的排量 紊流过强会使热损失增加 点火困难 压力上升速度过大 分类进气涡流 它是利用进气口和进气道的形状 在进气过程中造成气流绕气缸中心线的旋转运动 进气滚流 纵向涡流 旋转中心线与气缸中心线垂直的流动 宏观的 多用于分层燃烧 压缩挤流 在接近压缩终点时 利用活塞顶部和缸盖底面之间的狭小间隙S 称挤气间隙 将混合气挤入主要燃烧室内 形成涡流 正好在上止点前达到最大 上止点后还有反挤流运动 因此增大挤流强度可以提高明显燃烧期火焰传播速度 缩短燃烧时间 而且挤流不会引起充气效率降低 受负荷 转速影响较小 曾是汽油机形成紊流的主要途径 第五章柴油机混合气形成和燃烧 5 1柴油机燃烧过程概述 柴油机混合气的形成和燃烧过程特点1 混合气形成特点 汽缸内部形成混合气 因柴油不易挥发 馏程250 350 必须借助喷射设备在上止点附近 T P高 喷入气缸 利用喷雾 加热蒸发和气流的冲击作用形成混合气 混合气形成时间短 只有15 35 CA n 1500r min时只有1 7ms 4ms混合气形成不均匀 f x y z t 0 整个燃烧室 0 为了照顾弱者总体过量空气系数 1 2 导致容积利用率低 PL me低 傻大黑粗 混合气形成与燃烧紧密相连边混合边燃烧 2 混合气形成方式 空间雾化混合 燃料喷入燃烧室空间形雾状混合物 要求喷雾与燃烧室形状配合 并利用气流运动 油膜蒸发混合 燃料大部分顺气流方向喷到燃烧室上 形成一层油膜 油膜受热蒸发 在旋转气流作用下与空气相混合形成可燃混合气 现代小型高速柴油机上 燃燃油或多或少会喷到燃烧上形成油膜因此以上两种混合方式兼而有之 只是主次 多少不同 目前多数车用柴油机以空间雾化混合为主 3 燃烧过程特点油膜 滴 蒸发扩散为主的混合加热循环 存在缺氧区域 裂化 脱氢 碳烟生成 冒黑烟 微粒 PT 排放增加 5 1柴油机燃烧过程 燃烧过程概述 分为着火延迟期 又称为滞燃期 速燃期 缓燃期和补燃期着火延迟期 又称为滞燃期 定义 从燃油开始喷入燃烧室内 A点 至由于开始燃烧而引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧上升 B点 作用 在着火延迟期内 燃烧室内进行着混合气准备的物理和化学过程 物理过程 燃油油滴加热蒸发扩散气化和混合形成可燃混合气 化学过程 可燃混合气裂解产生醛类 过氧化物兰炎 CO兰炎产物是CO O OH H等或性中心热炎热爆炸 链引发 着火延迟期一般为0 7 3ms 主要影响因素为此时燃烧室内工质的状态 如T P和燃料种类 Tc i 十六烷值 i 5 1柴油机燃烧过程 速燃期 定义 速燃期为图5 l中的BC段 即从压力脱离压缩线开始急剧上升 B点 至达到最大压力 C点 作用 速燃期内 在着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧P 接近等容燃烧 评价参数为平均压力升高率和最大压力升高率 dp d max p kpa CA 急剧上升的压力冲击燃烧室壁 活塞 曲轴等部件诱发缸盖 缸套 机体等部件变形 振动并辐射出强烈的噪声 因此 dp d max应控制在0 4 0 5MPa CA以下 dp d max的大小主要与着火延迟期内准备好的可燃混合气的数量有关 要求 在适宜的压力升高率下越多越好影响因素 滞燃期内形成的混合气量 缸内温度 压力 十六烷值 影响滞燃期喷油规律 蒸发速率决定在滞燃期内形成的混合气量蒸发速度 缓燃期 定义 缓燃期为图5 1中的CD段 即从最大压力点 C点 至最高温度点 D点 作用 速燃期内未燃烧的燃油和后喷入的燃油在具有大量废气的环境中较慢定压燃烧 一边燃烧 一边活塞下行 缸内压力几乎不变或稍有变化 接近等压过程放热量达70 80 燃烧室内的最高温度可达2000K左右 一般在上止点后20 35 CA处出现 特点 缸内废气 氧气 燃烧条件不利 边混合边燃烧局部高温缺氧燃料裂解形成碳烟 冒烟 经济性差 所以柴油机均在 1的条件下工作 使柴油机容积利用率下降 这是其比质量 升功率不如汽油机的原因之一 5 1柴油机燃烧过程 5 1柴油机燃烧过程 补燃期 最高温度点 D点 至燃油基本燃烧完 E点 补燃期的终点很难准确地确定 一般当放热量达到循环总放热量的95 99 时 就可以认为补燃期结束 也是整个燃烧过程的结束 特点 时间短促 混合气不太均 燃烧放出的热量得不到有效利用 排气温度提高 散热损失增大 对柴油机的经济性不利 此外 后燃还增加了有关零部件的热负荷 膨胀过程的多变指数 影响因素 重馏份比例 T90 T95 因此 应尽量缩短补燃期 减少补燃期内燃烧的燃油量 5 1柴油机燃烧过程 燃烧放热规律 瞬时放热速率 指在燃烧过程中的某一时刻 单位时间 曲轴转角 内单位质量混合气所放出的热量 kJ kg CA kJ kg s 累积放热百分比 是指从燃烧过程开始至某一时刻 曲轴转角 为止混合气所放出的热量与每循环混合气放热量的比值 燃烧放热规律 瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系 燃烧放热规律影响到表征燃烧过程中缸内压力 温度的变化 决定着影响到柴油机的性能 对了解 分析和改进燃烧过程有着特别重要的作用 热力过程计算 不同类型柴油机的放热规律曲线形状不同 5 1柴油机燃烧过程 典型高速柴油机燃烧过程放热率 累积放热量 第 阶段AB为予混合燃烧阶段 放热率一般都很高 历时3 7 CA 与速燃期相对应 第 阶段BC为扩散燃烧阶段 放热率逐渐下降 历时约为40 CA 阶段的放热率约为80 第 阶段CD为放热的尾巴 可能延至整个膨涨过程放热量约占20 大量研究表明 开始燃烧时刻 放热规律曲线形状和燃烧持续时间是放热规律三要素 燃烧始点最佳是使Pmax出现在上止点后7 8 CA 燃烧持续时间最佳为40 CA 25 30 CA 5 1柴油机燃烧过程 柴油机燃烧过程中存在的主要问题空气利用率低 不均匀导致的 混合气形成时间短 只有15 35 CA1 7 4ms边燃烧边喷油 油滴易被高温废气包围找不到氧 氧找不到油分子 不均匀 边混合边燃烧 气包油 油包气 所以为保证柴油机燃烧比较完全 必须在 1条件工作 1 3左右 即最少有30 的空气量未能完全利用 使柴油机容积利用率低 强化指标差 5 1柴油机燃烧过程 燃烧噪声 工作粗暴 主要是因为速燃期压力升高率过大 p 0 4 0 5Mpa CA 产生燃烧噪声使零件负荷 寿命 称柴油机工作粗暴 降低柴油机工作粗暴的根本措施是 p 主要途径有三 缩短着火落后期 i 选十六烷值高的燃料 提高喷油时缸内温度如增压等 推迟喷油 靠近上止点 减小喷油提前角 减小着火延迟期内喷入的油量 选择合适的喷油规律 先少后多 控制蒸发速度 油膜蒸发缓和 5 1柴油机燃烧过程 排气冒黑烟缓燃期燃油被高温废气包围 高温缺氧 裂解 脱氢 聚合形成碳烟 一般在高负荷时发生如汽车加速 爬坡或超载 减少冒黑烟的措施 增大过量空气系数 改进进气系统 减少喷油量降低功率使用 组织相对运动 促使油束分散增大混合范围 热混合作用 增强缸内紊流 提高喷射压力 促进油束雾化 5 1柴油机燃烧过程 控制噪声与振动的措施噪声来源主要有三个方面 燃烧噪声 主要部分 机械噪声 空气动力学噪声关于控制噪声与振动的措施 简述如下 燃烧噪声 减少工作粗暴的措施机械噪声 运动件的质量 减少间隙 防止共振 采用吸振材料气流噪声 优化进排气道结构 防止截面突变 风扇优化 优化消音器 合理匹配配气相位 隔震 吸音板 隔震垫等 5 1柴油机燃烧过程 具体措施如下1 控制燃烧过程来降低燃烧噪声 例如 减小喷油提前角以适当推迟燃烧 减少在着火延迟期内形成的可燃混合气 调整喷油规律 在着火延迟期内喷入较少燃油等 2 改进机体等有关零部件的结构 通过试验和计算分析的方法 在尽可能不增加重量的前提下 提高有关部位的刚度 降低结构振动的振幅和提高共振频率 3 为减小撞击力 尽可能减小缸套与活塞之间 轴承 传动齿轮等处的间隙 为减小惯性力 应减小运动件的质量 并在可能的情况下 适当降低活塞平均速度 4 应用吸振减振材料制造薄板零件 如油底壳 缸