氢燃料内燃机原理与技术 课件 第1-4章 概述、四冲程内燃机结构与原理- 氢燃料供给与混合气形成

CHAPTER01第1章概述内燃机的发展、分类与燃料发展简史从概念到现实分类应用多样化的设计燃料演进从石油到清洁CONTENTS目录1.1内燃机的发展简史从早期探索到广泛应用，见证内燃机技术的演进历程1.2内燃机的分类与应用多样化的设计特性与分类方式，以及广泛应用场景1.3内燃机的燃料从石油基燃料到清洁替代燃料的全面演进1.4氢燃料内燃机的发展概况从概念到现实的技术突破与未来展望学习目标掌握内燃机的历史演进、类型特点与燃料分类4节核心内容SECTION011.1内燃机的发展简史从原始构想到高效低排放技术见证内燃机技术的演进历程早期探索技术突破现代应用HISTORY内燃机发展简史：早期探索与技术突破17世纪荷兰物理学家惠更斯提出使用火药爆炸获取动力的研究，标志着内燃机的早期概念1794年英国人斯特里特提出从燃料燃烧中获取动力，首次提出燃料与空气混合的概念1801-1833年压缩概念提出、氢气内燃机发明、直接利用燃烧压力推动活塞设计出现1860-1862年勒努瓦制造第一台实用煤气机；罗夏提出四冲程工作循环理论1876年德国发明家奥托研制成功第一台往复活塞式四冲程内燃机，采用点火阀点火，功率2.2kW，压缩比2.3，热效率达14%1883-1897年戴姆勒制造汽油机（800转/分）；本茨和戴姆勒发明汽车；狄塞尔研制成功压燃式内燃机（柴油机），热效率达26%关键里程碑：19世纪内燃机从概念走向现实，奥托四冲程发动机和狄塞尔压燃式发动机的发明为现代内燃机奠定了基础MODERNERA&FUTURE内燃机发展简史：现代应用与未来展望现代应用20世纪应用拓展1898年固定式发电机组1903年商船动力1904年舰艇装备1913年内燃机车1920年汽车和农机关键技术发展1926年废气涡轮增压器设计，50年代后普及20世纪60-80年代电子控制技术诞生并成熟未来展望驱动因素20世纪50年代汽车排气污染发现20世纪70年代世界石油危机全球变暖问题广泛关注代用燃料开发以天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油、二甲醚和氢气等为燃料的代用燃料发动机发展趋势把握电动化、智能化、低碳化大趋势，朝更加高效、智能、绿色、低碳的方向迈进混合动力传统动力系统正在经历变革纯电动动力系统电动化转型零碳燃料清洁能源技术创新SECTION021.2内燃机的分类与应用多样化的设计特性与分类方式探索内燃机的多元化应用场景分类方式工作原理应用场景CLASSIFICATION内燃机的分类方式按构造分类往复活塞式直列、V型、径向、对置式旋转活塞式汪克尔转子发动机燃气涡轮喷气式发动机按工作循环分类四冲程曲轴旋转两周(720°)，完成四个行程，汽车领域主导二冲程曲轴旋转一周(360°)，完成两个行程，常见于小功率发动机按气缸数量分类单缸结构简单，小功率应用多缸双缸、三缸、四缸、六缸、八缸、十二缸按燃料类型分类汽油发动机柴油发动机天然气发动机液化石油气发动机醇类燃料发动机、氢气发动机按混合物制备方式分类缸外喷射预混进气道燃油喷射缸内直喷燃油直接喷入气缸按着火方式分类点燃式火花塞点火，如汽油机压燃式压缩自燃，如柴油机设计多样性：不同分类方式展现了内燃机设计的多样性与复杂性，许多发动机可能同时具备多种分类特征WORKINGPRINCIPLE不同工作原理的内燃机往复活塞式内燃机工作原理气缸内混合气燃烧产生高压气体，推动曲柄连杆机构，通过曲轴对外做功，将化学能转化为旋转动能SI汽油机点燃式，火花塞点火CI柴油机压燃式，压缩自燃工作周期四冲程进气-压缩-做功-排气二冲程两个行程完成循环旋转活塞式内燃机特点采用转子活塞驱动偏心机构，取代传统曲柄连杆机构结构转子为三角形，缸体内壁为余摆线，形成三个独立燃烧室应用领域无人机领域军事、民用、科研燃气涡轮发动机燃烧方式采用连续燃烧原理，工作循环在空间上分割至不同组件工作流程空气经压气机增压→燃烧室与燃料混合燃烧→高温高压气体推动涡轮旋转应用领域火力发电航空交通燃烧特性：循环燃烧类型内燃机各阶段在时间上可明确区分；连续燃烧类型各过程同时进行，无明显阶段划分HCCI均质压燃结合汽油机和柴油机的特点RECIPROCATINGENGINETYPES不同类型的往复活塞式内燃机（上）进气道燃油喷射(PFI)工作原理在进气管喷入液态汽油，在进入气缸前预先形成混合均匀的燃料蒸汽与空气混合气。化油器已被进气道燃油喷射技术替代技术特点每个气缸进气道装备喷油器喷油压力0.3-0.5MPa热气门表面与进气道加热促进燃油蒸发单点喷射进气总管多点喷射进气歧管（现代乘用车广泛应用）缸内燃油直喷(GDI)工作原理直接将燃油喷入气缸内，与吸入的空气混合。喷油嘴通常设置在气缸顶部侧面或顶部中央技术优势喷射压力15-50MPa以上，雾化效果更好精准控制燃油喷射量，实现充分燃烧降低缸内温度，减少爆震倾向，可增加压缩比两种运行模式分层燃烧模式中、小负荷，压缩行程后期喷油，实现稀薄燃烧均质燃烧模式大负荷到全负荷，进气行程早期喷油，形成均质混合气动力性GDI优于PFI燃油经济性GDI提升显著排放处理GDI难度更大RECIPROCATINGENGINETYPES不同类型的往复活塞式内燃机（下）复合喷射(PFI+DI)技术思路发挥进气道喷射和缸内直喷的优点，每个气缸配备两个喷油器，分别布置在进气道和气缸内工作方式将发动机每个循环所需燃油量分为两部分喷射：一部分由进气道喷射形成均质稀混合气；另一部分由缸内喷油器直接喷入燃烧室，火花塞附近适当加浓技术优势启动迅速，燃油雾化程度好，降低冷启动HC排放中等负荷时形成占主体的均质混合气，解决混合气局部过浓和过稀问题压燃式发动机(柴油机)核心特点利用压缩过程中产生的高压与高温促使燃料与空气混合气自燃，无需额外点火装置工作过程进入气缸的是纯空气，压缩至终点时温度可达500-700℃，压力达40-50个大气压活塞接近上止点时，喷油嘴以100-200MPa高压喷射燃油，柴油雾化与高温空气混合后自行着火燃烧应用优势做功能力强，扭矩大燃油效率高商用车首选动力均质压燃(HCCI)发动机关键特征燃料与空气进入气缸前混合均匀无火花点火，压缩自燃低温燃烧，减少NOx和颗粒物排放燃烧速度快，热效率高技术挑战燃烧过程难以精确控制工作范围限制，高/低负荷难维持过渡工况排放控制挑战研究方向可变压缩比技术进气加热控制多燃料混合使用结合传统点火技术SECTION031.3内燃机的燃料从石油基燃料到清洁替代燃料探索内燃机燃料的技术演进石油基燃料替代燃料合成燃料FUELEVOLUTION燃料发展概述早期阶段19世纪前发动机主要燃烧气体燃料19世纪末汽油等原油轻质馏分问世，开发化油器使燃料气化并与空气混合1905年前汽油使用无障碍，高挥发性确保汽车轻松起动石油危机与环保20世纪70年代原油价格急剧攀升，汽油需求激增五倍当前挑战石油供应不确定性，对效率提升构成巨大压力技术进步1907-1915伯顿研发热裂解工艺，重质石油分解为轻质油品1912年电子驱动起动机推出，解决寒冷天气起动难题1923年四乙基铅作为汽油添加剂商业化，提升抗爆性能20世纪30年代末胡德里发现催化裂化技术，生产高品质汽油替代燃料开发生物质燃料甲醇、乙醇、生物柴油等合成燃料合成汽油、合成柴油（焦油沙、页岩油或煤生产）零碳燃料氨气和氢气（长期潜力）环境挑战全球变暖问题引起广泛关注，温室气体排放是气候变化主要因素。需提升内燃机效率，降低温室气体排放，减少石油燃料消耗PETROLEUMFUEL:GASOLINE石油基燃料：汽油基本特性组成由轻馏分碳氢化合物构成的混合物，包括石蜡、环烷、烯烃和芳烃，沸点范围25°C至200°C能量密度拥有极高的化学能量密度，能量储存在碳-氢键和碳-碳键中，燃烧时释放大量热能分类车用汽油-汽车主要燃料航空汽油-飞机专用燃料关键性能指标挥发性馏程T10(启动性能)、T50(加速性能)、T90(燃烧完全性)蒸汽压与蒸发排放和启动性相关抗爆震性辛烷值RON(市区慢速)、MON(高速重负荷)抗爆指数RON和MON的平均值T10温度启动性能较低温度有利于冷启动T50温度加速性能较低温度缩短暖机时间T90温度燃烧完全性较低温度有利于完全燃烧辛烷值抗爆性能异辛烷100，正庚烷0PETROLEUMFUEL:DIESEL石油基燃料：柴油基本特性组成与来源由多种碳氢化合物（碳原子数10-22）组成的混合物，来源包括原油蒸馏、催化裂化、热裂化、加氢裂化、石油焦化等分类轻轻柴油沸点180-370℃，高速柴油机燃料重重柴油沸点350-410℃，中低速柴油机燃料适用领域高速柴油机、燃气轮机、小型锅炉、大型电站锅炉点火、中低速柴油机性能指标蒸发性与黏度馏程曲线描绘燃料在气缸内的汽化程度闪点燃油蒸汽能被点燃的最低温度黏度影响燃油喷射系统表现和雾化过程凝点与十六烷值凝点油品失去流动性开始凝固的温度十六烷值衡量柴油自燃性（正十六烷为100）轻柴油牌号10号10℃0号0℃-10号-10℃-20号-20℃-35号-35℃-50号-50℃十六烷值影响十六烷值高→自燃温度低着火滞燃期短→冷启动好芳烃含量高→十六烷值低应用领域大客车、货车工程机械船舶动力OXYGENATEDFUELS替代燃料：含氧燃料醇基燃料特点C/H比低，碳烟和CO2较少，燃烧产物比热容高，热值较低甲醇(CH3OH)优点：辛烷值高、含氧量50%、便于储运、环境友好缺点：有毒、产生甲醛/甲酸、冷启动困难乙醇(C2H5OH)优点：燃烧充分、运输便捷、兼容性好、来源丰富缺点：做功能力弱、金属腐蚀、冷启动困难丁醇能量密度达汽油91.3%，腐蚀性小，适合现有燃料系统醚类燃料二甲醚(DME)CH3OCH3，常温常压下为无色气体，5个大气压下可液化优点清洁燃烧，不含C-C键十六烷值高于柴油(64)，自燃性好汽化潜热是柴油1.8倍，降低NOx常温下为气体，雾化效果好缺点需高压存储，供给系统压力高低黏度导致润滑不足低热值，能量密度不足酯类燃料生物柴油通过酯化反应将油脂资源转化为脂肪酸甲酯或乙酯来源：植物油、动物油、废弃油脂、微生物油脂特点环保、可再生、可生物降解启动性能佳、燃料性能优良无毒，对环境友好应用常将20%生物柴油与80%传统柴油混合使用（B20），适用于所有柴油机型排放影响除NOx略有增加外，其他主要污染物排放大幅减少应用说明：含氧燃料既可以作为点燃式发动机的替代燃料（100%替代或与汽油混合），也可以在压燃式发动机上与柴油掺烧或作为双燃料之一使用SYNTHETIC&GASEOUSFUELS替代燃料：合成油与气体燃料合成油费托(F-T)合成法德国科学家费希尔与托罗普施发现：合成气(CO和H2)在适宜催化剂和反应条件下能够合成不同碳数的碳氢化合物液体燃料原料来源GTL天然气合成油CTL煤合成油BTL生物质合成油燃料特性直链饱和烃和异构饱和烃十六烷值高，H/C比高芳香烃含量极低，含硫量极低与石化柴油可任意比例互溶阳光燃料生物质合成油(BTL)全生命周期CO2排放几乎为零气体燃料天然气主要成分为甲烷(CH4，85%-99%)，低碳替代燃料CNG压缩天然气(20-30MPa)LNG液化天然气(-163℃)液化石油气(LPG)主要由丙烷与丁烷组成高辛烷值、高热值、清洁环保无需高压储气瓶，转运便捷氢气优质零碳替代燃料，燃烧唯一产物是水辛烷值极高，自燃温度适宜火焰传播速度是汽油6倍氨气不含碳氢元素的载体，便于长期储存和运输的潜在清洁替代燃料E-FUEL电力合成液体燃料(e-fuel)定义与制备原理碳中和合成燃料通过创新技术将水电解产生的氢气与从空气中直接捕获的二氧化碳，经由高效的催化反应转化而成，最终形态包括甲醇、汽油及柴油等液态燃料碳中和特性燃烧过程中产生的二氧化碳源自空气捕集，未增加新的碳排放量，全生命周期实现近似碳中和效果制备流程电解水制氢气捕集CO2催化转化产业链与挑战产业链环节1可再生发电(太阳能、风能等)2氢气制备与储存运输3二氧化碳捕集与利用4合成燃料精制5内燃机实际应用核心优势无缝对接现有加油站基础设施保留内燃机庞大产业供应链无需额外投资建设充电站或加氢站核心挑战成本高昂：以绿色氢气为基础，炼制工艺复杂且成本高。电解水制氢成本较高，导致e-fuel使用成本相较于同级别电动汽车更具挑战性长途运输难以电动化的重型车辆船舶动力对大能量密度需求航空动力对燃料价格相对不敏感SECTION041.4氢燃料内燃机的发展概况从概念到现实的技术演进探索氢燃料内燃机的历史与未来早期探索全球研发未来展望EARLYDEVELOPMENT氢燃料内燃机的早期发展1807年瑞士工程师里瓦兹设计氢气内燃机，依靠氢气与氧气混合燃烧产生动力，并安装在马车上，诞生了世界第一辆氢内燃机汽车1860年勒努瓦取得气体驱动二冲程发动机专利，利用电解水产生的氢气作为能源1933年挪威海德鲁公司利用车载氨气重整技术制取氢气，成功应用于驱动内燃机汽车同年鲁多夫埃伦提出氢气直喷发动机概念，将氢气直接注入燃烧室，避免回火问题1974-1977年日本武藏工业大学推出"武藏"系列氢燃料汽车：武藏1号：四冲程氢发动机+高压储存器武藏2号：氢气歧管喷射+液氢储存技术武藏3号：氢缸内直喷二冲程发动机历史意义：氢气作为内燃机动力的概念几乎与内燃机技术同时诞生，早期探索为后来技术发展奠定了重要基础GLOBALR&D全球汽车制造商的氢燃料内燃机研发美国福特Ford里程碑2001成功推出首款氢燃料内燃机试验车2006在日本正式投产氢燃料V10发动机，用于FordE-450氢燃料公共汽车全球首创成为全球首先正式生产氢燃料发动机的汽车制造商研究方向氢燃料缸内直喷技术德国奔驰Mercedes发展历程1978开发出第一辆氢燃料样车近年纳入"HYPASS"研究课题，开展氢气缸内喷射试验技术路线氢气与空气均匀混合后从发动机进气管吸入气缸德国宝马BMW研发历程1978开始涉足氢燃料内燃机汽车研发2007推出宝马氢7系列豪华高性能轿车技术参数功率191kW扭矩390N·m续航里程液氢可支持车辆行驶201公里马自达与日本马自达1991研发出氢转子发动机原型车2004展示搭载RENESIS氢转子发动机的RX-8武藏工业大学成功研制出九种不同型号的液氢动力车自20世纪80年代起，浙江大学、吉林工业大学、天津大学等开始研究，21世纪更多机构涉足纯氢内燃机领域；但与国际水平仍存在显著差异。中国CHALLENGES&RENAISSANCE氢燃料内燃机的技术挑战与复兴技术难题回火混合气不均匀导致的剧烈回火问题早燃氢气在点火前提前燃烧，影响正常工作爆震燃烧速度过快导致爆震现象动力不足功率输出和扭矩相对较低基础设施挑战车载储氢技术高压储氢(20-30MPa)液氢储存(-163℃)储氢罐体积和重量大氢气基础设施加氢站数量有限氢气运输和储存成本高制氢技术有待完善研发暂停由于技术难题和基础设施不完善，福特、奔驰、宝马等国际知名汽车公司纷纷暂停了氢发动机的研发工作复兴契机材料科学快速发展化工技术突破机械加工精度提升氢能产业逐步健全双碳推动碳达峰碳中和目标推动氢内燃机视为成本较低的动力碳中和解决方案康明斯、道依茨等国际企业发布研发计划一汽解放、玉柴、潍柴等国内企业点火成功未来应用航空领域船舶动力电力生产传统汽车行业SUMMARY全章思维导图总结1.1内燃机的发展简史早期探索17世纪概念→1794年燃料空气混合技术突破1801-1897：燃气机、汽油机、柴油机现代应用1898-1920：发电、船舶、机车、汽车未来展望电动化、智能化、低碳化关键技术增压技术、电子控制、代用燃料1.2内燃机的分类与应用分类方式构造、循环、气缸、燃料、着火方式往复活塞式汽油机、柴油机、HCCI旋转活塞式汪克尔转子发动机燃气涡轮连续燃烧，航空与发电喷射技术PFI、GDI、复合喷射1.3内燃机的燃料石油基燃料汽油、柴油的理化特性含氧燃料醇类(甲醇、乙醇、丁醇)醚类与酯类DME、生物柴油合成油与气体F-T合成、天然气、氢气e-fuel碳中和合成燃料1.4氢燃料内燃机早期发展1807年里瓦兹第一辆氢汽车全球研发福特、奔驰、宝马、马自达技术挑战回火、早燃、爆震、动力不足复兴契机材料科学、双碳目标未来应用航空、船舶、电力、汽车4节核心内容21页详细讲解完整知识体系CHAPTER02第2章四冲程内燃机结构与原理01内燃机基本结构02工作循环与性能评价03氢燃料内燃机FourStrokeInternalCombustionEngineStructureandPrincipleSECTION2.1内燃机基本结构与原理两大机构机体组与曲柄连杆机构将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，实现能量转换配气机构精确控制进排气门的启闭时序，确保燃料与空气的适时混合五大系统燃料供给点火系统冷却系统润滑系统起动系统核心要点：内燃机是一个结构精妙且功能复杂的热力机械，通过两大机构和五大系统的相互依存、协同工作，共同构建了内燃机高效且复杂的运行机制，使其成为推动现代工业发展和交通运输进步的重要动力来源。BASICSTRUCTURE四冲程内燃机的基本结构机体组与曲柄连杆机构通过活塞、连杆与曲轴的协同作用，将气缸内部燃料燃烧产生的压力能转化为旋转机械能，完成能量转换的初步阶段。机体组：气缸体、气缸盖、油底壳曲柄连杆：活塞、连杆、曲轴、飞轮配气机构精确掌控着气缸进气门与排气门的启闭时序，确保燃料与空气的适时混合以及燃烧废气的顺畅排出，其精准度和可靠性对内燃机的整体性能有着决定性影响。气门组：进气门、排气门、气门弹簧驱动组：凸轮轴、挺柱、正时链五大系统燃料供给系统：负责将燃料以适宜的压力、流量和时刻注入气缸，与空气混合后形成可燃混合物进行燃烧，其设计优劣直接关系到内燃机的燃料经济性、动力输出以及尾气排放水平。点火系统：通过产生高压电火花来点燃可燃混合气，是确保燃烧过程顺利进行的关键环节（仅限于点燃式内燃机）。冷却系统：利用循环冷却液来吸收并带走内燃机运行时产生的热量，确保机器维持在最佳工作温度范围内。润滑系统：通过泵送机油至各摩擦界面，有效减少磨损，延长内燃机的使用寿命。起动系统：承担着内燃机的初始启动任务，通过外部动力使曲轴达到必要的旋转速度，进而通过点火或喷油程序使内燃机自主运行。MECHANISMI机体组与曲柄连杆机构机体组的结构机体组作为内燃机的关键支撑与密封基础，由气缸体、气缸盖、油底壳及连接件组成。气缸体：各功能部件的安装平台，承受活塞往复运动的侧向压力和惯性力气缸盖：封闭气缸顶部，与活塞围成燃烧室油底壳：储存润滑油并密封曲轴箱活塞组件活塞组件置于气缸内部，直接承受气体压力并促成能量转换。活塞本体活塞环活塞销能量转换过程：活塞承受燃烧气体压力→通过活塞销传给连杆→连杆推动曲轴旋转→输出旋转机械能MECHANISMI机体组与曲柄连杆机构曲柄飞轮组件将连杆传递的力转化为曲轴的旋转力矩，驱动外部负载。曲轴：通过主轴颈安装在主轴承座内，将力转化为旋转力矩飞轮：储存与释放能量，凭借较大转动惯量确保运转平稳性平衡块：平衡惯性力及力矩，减少振动与噪声连杆组件将活塞的往复直线运动转变为摆动，并将力传递给曲轴。能量转换过程：活塞承受燃烧气体压力→通过活塞销传给连杆→连杆推动曲轴旋转→输出旋转机械能MECHANISMII配气机构配气机构控制气缸内气体进出与换气过程的关键装置，确保内燃机高效、有序地完成每一个工作周期。气门组件进气门、排气门、气门座圈、气门导管、气门油封、气门弹簧气门驱动组件凸轮轴、挺柱（或摇臂）、推杆、正时链（或齿轮、皮带）、带轮传动比与同步凸轮轴与曲轴的传动比为1:2，确保气门在曲轴转至特定角度时准确开启与关闭动力传递过程：曲轴正时带轮→正时链→凸轮轴正时带轮→顶置凸轮轴→挺柱→气门SYSTEMI燃料供给系统燃料供给系统内燃机运行的动力源泉，对确保燃料的稳定供给、混合气的精准制备起着决定性作用。燃料储存与输送油箱或储气罐、燃油泵等部件，将燃油加压输送至喷射组件燃料喷射与调节喷油嘴以雾状形态喷入进气歧管或气缸，与空气充分混合形成可燃混合气电子控制喷射根据发动机实际运行状况精准调整燃料喷射量、喷射时机及喷射模式协同工作：配气机构确保气缸内气体的精细调控，燃料供给系统确保混合气的精准制备，两者共同影响内燃机的动力输出、燃油经济性及排放水平。SUPPORTINGSYSTEMS点火·冷却·润滑·起动系统点火系统触发气缸内混合气燃烧的关键系统，确保点燃式内燃机正常启动、平稳运行及高效燃烧。电源供给：蓄电池或发电机提供直流电能点火线圈：产生高达数万伏的击穿电压火花塞：电火花点燃混合气正时控制：ECU精确调整点火时刻冷却系统确保内燃机内部各部件在最佳温度区间内运行，预防过热损害。循环回路：水泵驱使冷却介质在发动机与散热器间循环节温器控制：冷起动时小循环加速预热，高温时大循环散热润滑系统保障运动部件间实现高效润滑、减轻磨损、延长使用寿命。润滑油泵：抽取并加压输送润滑油滤清器：过滤杂质与颗粒物润滑方式：压力润滑（轴承）+飞溅润滑（气缸壁）起动系统实现内燃机从静止到运转状态转变的关键部件。起动过程：点火开关→起动继电器→起动马达→飞轮齿圈→曲轴旋转起动条件：曲轴达到必要的旋转速度后，通过点火或喷油使内燃机自主运行WORKINGPRINCIPLE四冲程内燃机的工作原理1进气行程进气门打开，排气门关闭。活塞自上止点向下止点移动，气缸内部空间扩张产生负压，驱动空气通过空气滤清器进入进气道，与雾化燃油混合形成可燃混合气，通过开启的进气门迅速流入气缸内。活塞运动：上止点→下止点2压缩行程进气门和排气门均关闭。活塞自下止点向上止点移动，气缸容积逐渐减小，对封闭在其中的混合气进行压缩，使其压力和温度急剧升高，为后续的点火燃烧创造极为有利的条件。压缩比是重要参数。活塞运动：下止点→上止点3做功行程进气门和排气门均关闭。当活塞逼近上止点时，火花塞产生电火花点燃混合气（点燃式），火焰迅速传播，产生高温高压燃气推动活塞向下移动，将化学能转化为机械能。能量转换：化学能→机械能4排气行程排气门打开，进气门关闭。活塞自下止点向上止点移动，将燃烧后的废气从气缸中排出。排气门在活塞到下止点前提前开启，利用缸内残余高压废气促进排气。活塞运动：下止点→上止点工作循环特点：曲轴旋转两圈（720°），完成一个工作循环，但只有一个行程做功。气缸数越多，发动机运转越平稳。SECTION2.2内燃机循环及性能评价示功图通过缸压传感器采集不同曲轴转角的压力数据，绘制p-φ图和p-V图，用于燃烧分析。工作循环理论循环的三种形式：定容加热循环、定压加热循环、混合加热循环，以及理论循环与实际循环的差异。性能指标指示性能指标和有效性能指标，包括功率、热效率、燃油消耗率等关键参数。燃烧放热规律：通过实测缸内压力数据，根据能量守恒方程和经验传热公式计算，用以判断发动机的燃烧状况，是燃烧诊断的有效手段。CYCLEANALYSIS示功图与工作循环示功图通过缸压传感器采集不同曲轴转角的压力数据，用于燃烧分析。p-φ图：缸内压力随曲轴转角的变化曲线p-V图：缸内压力随气缸容积的变化曲线测量系统：缸压传感器、电荷放大器、光电编码器、燃烧分析仪理论循环基于对实际循环的适度简化，构建便于定量分析的假想循环模型。定容加热循环：点燃式发动机，燃烧过程近似于定容过程定压加热循环：船用低速柴油机，燃烧主要发生在膨胀过程混合加热循环：车用高速柴油机，兼有定容和定压燃烧特征CYCLEANALYSIS示功图与工作循环理论循环与实际循环的差异实际循环过程中出现的多种不可逆损失导致差异。工质的影响：实际工质比热容随温度升高而增大，导致实际燃烧温度下降传热损失：工质与燃烧室壁面之间存在热量交换，降低循环热效率换气损失：进排气过程中的泵气损失和提前排气损失燃烧损失：燃烧速度有限性导致的时间损失和不完全燃烧损失节流与泄露损失：进气管节流效应和工质泄漏损失PERFORMANCEINDICATORS内燃机性能评价指标指示性能指标以工质对活塞做功为基础，根据示功图计算求得。指示功Wi一个工作循环工质向活塞传递的有用功，由p-V图中闭合曲线包围的面积表示平均指示压力pmi单位气缸容积每循环的指示功，反映热功转换的有效程度指示功率Pi单位时间内所做的指示功指示热效率ηi指示功与所消耗燃料低热值的比值，反映能量转化效率指示燃油消耗率bi单位指示功的耗油量，与指示热效率成反比有效性能指标扣除机械损失后，通过曲轴输出的功率，通常采用台架试验获得。有效功率Pe转矩和旋转角速度的乘积，通过测功机测量平均有效压力pme单位气缸工作容积每循环所做的有效功，评定动力性能升功率PL每升气缸工作容积所发出的有效功率，评定强化程度有效热效率ηe有效功与所消耗燃料热量的比值，衡量经济性有效燃油消耗率be单位有效功的耗油量，评价经济性的重要指标PERFORMANCEINDICATORS内燃机性能评价指标机械损失1、摩擦损失：缸套与活塞及环组之间的摩擦、轴承与气门机构的摩擦等，占主导部分。2、驱动损失：驱动水泵、机油泵、喷油泵以及冷却风扇等各类附件。3、泵气损失：进气与排气过程中的损失。机械损失功率指示功率减去有效功率机械效率有效功率除以指示功率SECTION2.3氢燃料内燃机的结构与原理结构特点氢燃料内燃机在部分结构设计上展现出与传统内燃机显著不同的特点，这些特点和差异主要归因于氢气特殊的物理属性、化学性质以及燃烧特性。氢燃料供给系统：储氢罐（I-IV型）、高压储氢技术、专用喷嘴点火系统：冷型火花塞、小间隙设计（≤0.3mm）、点火能量控制燃烧系统：紧凑燃烧室、低压缩比、屋顶型缸盖设计、进气滚流材料与密封：抗氢脆材料、多层密封结构、曲轴箱通风系统工作原理工作循环分为四个主要阶段：进气、压缩、做功和排气，但其每个阶段都有独特的物理和化学过程。进气行程：将氢气与空气的混合气精准引入气缸，控制空燃比压缩行程：缸内直喷可采用更高压缩比，避免早燃和回火做功行程：氢气低热值约120MJ/kg，燃烧速度快速，预防爆震排气行程：排出清洁的水蒸气，以及少量氮氧化物（NOx）H₂ENGINESTRUCTURE氢燃料内燃机的结构特点氢燃料供给系统储氢技术高压储氢（70MPa）、液态储氢、固态储氢储氢瓶类型I-IV型：纯金属到非金属内衬纤维全缠绕喷射方式缸外喷射（PFI）和缸内直喷（DI）点火与燃烧系统火花塞设计冷型火花塞、小间隙设计（≤0.3mm）、点火能量10-20mJ燃烧室设计紧凑燃烧室、低压缩比、屋顶型缸盖形成进气滚流材料优化耐高温、抗氢脆材料，减小活塞顶岸间隙排气与后处理系统排放特性主要排放水蒸气和少量NOx，无需处理HC、CONOx减排技术废气再循环（EGR）等技术控制高温NOx生成密封设计耐氢橡胶或塑料材质、多层密封结构、曲轴箱通风系统设计核心：氢燃料内燃机需针对氢气的特殊性质（低分子量、高扩散性、快速燃烧、低点火能量）进行专门设计。H₂ENGINEPRINCIPLE氢燃料内燃机的工作原理1进气行程将氢气与空气的混合气精准引入气缸。关键点：控制空燃比，确保混合气均匀性2压缩行程压缩氢气和空气混合物，提高压力和温度。优势：缸内直喷可采用更高压缩比3做功行程火花塞点燃气缸内的氢气与空气混合气。特性：低热值120MJ/kg，燃烧速度快速4排气行程将燃烧产物（主要是清洁的水蒸气）高效排出气缸。排放：清洁燃烧，几乎不含有害成分氢气燃烧特性低热值约120MJ/kg燃烧速度快速高效点火能量较低燃烧产物主要为水燃烧反应与排放2H₂+O₂→2H₂O+热量主要排放：水蒸气次要排放：少量NOx（高温生成）环保优势：氢燃料内燃机几乎不产生CO₂及其他有害气体排放，是一种清洁的动力解决方案。CHAPTERSUMMARY全章思维导图总结第2章四冲程内燃机结构与原理2.1内燃机基本结构与原理两大机构机体组与曲柄连杆机构配气机构五大系统燃料供给点火冷却润滑起动四冲程工作原理进气压缩做功排气2.2内燃机循环及性能评价示功图p-φ图p-V图理论循环定容加热循环定压加热循环混合加热循环性能指标指示指标有效指标2.3氢燃料内燃机结构特点氢燃料供给系统点火系统燃烧系统排气与后处理材料与密封工作原理进气压缩做功排气通过本章学习，全面掌握四冲程内燃机的结构组成、工作原理、性能评价及氢燃料内燃机技术第3章氢燃料内燃机换气与增压换气过程四冲程循环与气门控制增压技术提升进气密度与功率输出EGR系统废气再循环降低排放CHAPTER03HydrogenFuelInternalCombustionEngineBreathingandBoostingCONTENTS本章目录3.1四冲程氢内燃机换气换气过程的四个阶段换气损失的分类与影响3.2进气增压增压的概念与衡量参数废气涡轮增压系统详解机械增压与电动增压氢内燃机增压特殊性3.3废气再循环技术EGR系统的工作原理机械控制与电子控制3.4充气效率及影响因素充气效率的概念与计算影响因素与提升措施CHAPTER3.1四冲程氢内燃机换气Four-StrokeHydrogenEngineGasExchange01换气过程自由排气·强制排气·进气·气门叠开02换气损失排气损失·进气损失·优化措施3.1.1四冲程氢内燃机换气换气过程1自由排气阶段定义：排气门开启到气缸压力与排气管压力趋于一致特点：缸内废气自行排出，不需借助外力参数：排气提前角δ=30~80oCA效果：排出废气量可达60%以上2强制排气阶段定义：废气被上行的活塞强制推出特点：气缸内压力略高于排气管压力（约10kPa）参数：排气晚关角γ=10~35oCA目的：利用气流惯性更有效排出废气3进气过程提前角α：上止点前0~40oCA开启迟闭角β：下止点后40~70oCA关闭目的：保证开启面积，利用气流惯性增加进气量4气门叠开过程定义：进气门和排气门同时打开的现象重叠角：气门重叠角=α+δ非增压：20~80oCA|增压：80~160oCA氢内燃机：约35oCA（防止氢泄漏）配气相位示意图气门叠开的作用•利用气流压差和惯性清除残余废气•增加进气量，降低高温零件温度•注意：不应产生废气回流现象3.1.2四冲程氢内燃机换气换气损失排气损失①自由排气损失W因排气门提前打开，排气压力线偏离理想循环膨胀线，引起膨胀功的减少。排气提前角越大，自由排气损失越大。②强制排气损失Y活塞将废气推出所消耗的功。减小排气系统阻力及排气门处的流动损失是降低排气损失的主要方法。优化策略：最有利的排气提前角应使面积W+Y之和最小进气损失③进气损失X由于进气系统的阻力，进气过程的气缸压力低于进气管压力而产生的损失。与排气损失相比相对较小。泵气损失自然吸气内燃机：面积Y+X-u表示的负功即为泵气损失。增压内燃机：理论上能获得正功，但实际仍存在泵气损失。换气损失示意图氢内燃机进气损失的影响功率输出降低：减少进入气缸的氢气量，影响燃烧效率和发动机功率输出燃油经济性下降：需消耗更多氢气补偿功率降低，提高运行成本排放污染物增多：可能导致燃烧不完全，增加未燃氢气排放氢内燃机进气损失优化措施创新进气道设计提升气门控制技术应用增压技术精确控制氢气供给CHAPTER3.2进气增压IntakeSupercharging&Turbocharging01增压概念定义·参数·优势02增压方式涡轮·机械·电动03增压系统结构与工作原理3.2.1进气增压进气增压的概念增压技术定义将内燃机进气（空气）预先进行压缩，再供入气缸，以提高进气密度并相应增加进气量的一种技术。使得燃烧室内能够容纳更多的新鲜空气，为燃烧更多燃料提供可能，最终增强发动机的升扭矩与升功率性能。增压度TdTd=(Pwa-Pwb)/Pwb增压后的功率与增压前的功率之比增压比TrTr=(Po-Pi)/Pi增压后的空气压力与增压前的空气压力之比增压发动机分类低增压≤1.5Tr中增压1.5~2.5Tr高增压2.5~3.5Tr超高增压>3.5Tr增压技术优势轻量化设计减少缸数或缩减气缸直径，降低排量，减小整机尺寸和重量提升热效率减少燃油消耗，降低排气中的污染物含量优化扭矩特性特别是在低转速区间提升扭矩表现降低制造成本降低单位功率的制造成本高原适应性在高原等低压低氧环境下，弥补发动机功率损失3.2.2进气增压进气增压的方式废气涡轮增压工作原理通过废气驱动涡轮进而压缩进气，利用内燃机排放的废气能量，转速可达数万至数十万转/分钟优势•利用废气能量，不额外消耗机械功•技术成熟，效率高，成本低廉局限性•低速转矩受限（废气能量不足）•瞬态响应慢（加速延迟）机械增压工作原理通过内燃机曲轴直接驱动压气机，经齿轮增速器或传动带驱动优势•低速工况增压效果突出•匹配简单，结构紧凑•瞬态响应好局限性•消耗发动机功率•燃油消耗率略高电动增压工作原理采用高速电动机作为动力源，直接驱动增压压气机优势•不受排气能量影响•响应快，消除涡轮迟滞•控制精确局限性•成本高•需48V或更高电压电源应用现状：废气涡轮增压以其技术成熟度高、效率高及成本低的优势，在汽车内燃机领域得到了广泛应用3.2.3增压系统的类型（一）废气涡轮增压器结构与工作原理涡轮增压器类型轴流式废气沿旋转轴线方向流动，适用于大流量废气径流式废气沿径向流动，适用于小流量，车用常用径流式涡轮增压器结构①径流式涡轮机包括蜗壳、喷管、叶轮、出气道。废气经喷嘴环流入叶轮，大部分能量转变为机械能②离心式压气机包括进气道、叶轮、扩压器、蜗壳。空气经叶轮压缩后进入扩压器，动能转变为压力能③中间体轴承装置（浮动轴承、推力轴承）、密封装置、润滑及冷却油道涡轮增压器结构示意图径流式涡轮机离心式压气机3.2.3增压系统的类型（二）废气能量利用与增压压力调节废气能量利用①定压增压系统所有废气接入一根排气总管，压力波动小，基本保持恒定。大排量柴油机常用废气能量利用②脉冲增压系统涡轮进口处承受显著压力波动，排气管短而细。小排量汽油机常用脉冲增压系统单涡轮双涡管3.2.3增压系统的类型（二）废气能量利用与增压压力调节增压压力调节增压空气冷却增压空气温度每下降10℃，供气量提升10%～18%空-空中冷器风冷式，冷却效率高，安装位置限制多水-空中冷器水冷式，布置灵活，冷却效率相对较低废气旁通阀低转速时关闭，充分利用废气能量；高转速时开启，控制增压压力膜片式废气旁通阀电机控制式废气旁通阀可变截面涡轮增压器即可变喷嘴涡轮增压器，是一种通过调节涡轮喷嘴环的流通截面积来优化排气流通特性的涡轮增压器3.2.3增压系统的类型（三）两级涡轮增压系统串联式两级涡轮增压系统小涡轮增压器（高压级）+大涡轮增压器（低压级），设旁通阀调节废气流量并联式两级涡轮增压系统两个规格相同的涡轮增压器，每个独立服务一组气缸，避免排气干涉3.2.3增压系统的类型（四）机械增压系统机械增压器类型①罗茨式主要由罗茨转子、传动齿轮、同步齿轮、压缩机动力轮、壳体、进气口和排气口等组成；外压缩，附加能量损失大，排气温度较高，增压效率低；结构简单、工作可靠、使用寿命长，低速转矩特性和瞬态响应性好。罗茨转子类型：两叶、三叶和四叶②螺旋式主要由一对啮合的螺旋形转子构成；内压缩，增压效率高，运行相对安静平稳，气体泄漏和损失特性相对较小；需要进行精密加工，制造成本较高。主要由驱动装置和离心压气机组成；增压效率更高、体积更小，摩擦和噪声更低；增压后空气的温度高，需加中冷器降低温度。③

离心式3.2.3增压系统的类型（五）电动辅助增压与复合增压系统电动辅助增压系统①电辅助涡轮增压器eTurbo电机与废气涡轮增压器设计成一体，辅助电机可兼作电动机或发电机②电动增压器eBooster主要由电机和压气机组成，在发动机低转速时的运行效果最佳复合增压系统①电动-涡轮复合增压器由涡轮增压器和电动压气机串联组成，电动压气机作为低压级，废气涡轮增压器作为高压级；改善涡轮增压器响应滞后、低速转矩不足、加速性差等问题②机械-涡轮复合增压器由涡轮增压器和机械增压器串联组成；低速由机械增压提供大部分的增压压力，中低转速联合工作，高转速机械增压器分离，防止消耗内燃机功率3.2.4点燃式内燃机增压点燃式内燃机增压挑战爆震风险增加：压缩终点压力与温度上升，显著增加爆震可能性热负荷加剧：压缩比低，混合气过量空气系数小，燃烧温度和排气温度较高系统更复杂：转速变化范围大，空气流量变化大，匹配难度增加响应延迟：进气系统惯性作用，增压器加速反应迟缓改进措施•采用高辛烷值燃料或添加剂，结合电控燃油喷射与缸内直喷技术•适度降低压缩比，设计更紧凑的燃烧室•采用爆震传感器实时探测，调整点火提前角实现自适应控制•对增压空气进行中间冷却，降低热负荷•精确控制增压压力，利用废气旁通阀、可变喷嘴涡轮增压器等•采用废气再循环技术，降低爆震风险增压汽油机双冷却系统设计3.2.5氢燃料内燃机增压氢内燃机增压方式

带废气旁通阀涡轮增压

＋

废气再循环（WG+EGR）

电辅助涡轮增压

＋

废气再循环（E-Turbo+EGR）

两级废气涡轮增压

可变截面涡轮增压（VGT）

两级电辅助涡轮增压

电动可变截面涡轮增压（E-VGT）氢燃料内燃机增压特殊性高过量空气系数稀薄燃烧控制NOx低排气温度400~600℃宽流量需求大空气量需求废气能量比较•化学计量比燃烧：废气能量降低约25%•过量空气系数1.6：废气能量下降约40%废气能量比较

两级可变截面涡轮增压两级电辅助涡轮增压两级可变截面涡轮增压3.3&3.4

废气再循环技术与充气效率废气再循环（EGR）技术将内燃机燃烧后排出的一部分废气重新送回进气管，和新鲜空气混合后再次进入气缸参与燃烧，使燃烧反应的速度减慢，从而降低NOx排放①机械控制式EGR膜片式EGR阀，通过真空度和排气背压控制；EGR率5%～15%，响应慢，无法精确控制②电子控制式EGREGR阀+EGR控制电磁阀，ECU控制；闭环控制，响应快，精度高充气效率ηv定义实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的比值ηv=m1/msηv=V1/Vs影响因素•节气门开度•进气终了温度•残余废气系数•配气正时•压缩比•进气状态提高措施•减小进气马赫数•增大气门直径•采用多气门结构•改善气门流体动力性能•优化进气道设计•合理选择配气定时•利用进气管动态效应•采用可变技术关键知识点•进气马赫数是评估进气流动状态的重要参数，临界值约为0.5•四气门发动机相比两气门，功率可提高约70%，扭矩提升约30%•进气管动态效应包括惯性效应与波动效应SUMMARY全章总结换气过程四个阶段：自由排气、强制排气、进气、气门叠开配气相位参数：排气提前角δ(30~80oCA)、排气晚关角γ(10~35oCA)、进气提前角α(0~40oCA)、进气迟闭角β(40~70oCA)氢内燃机特殊性：气门重叠角约35oCA，防止氢泄漏换气损失：包括排气损失(W+Y)和进气损失(X)增压技术定义：通过压缩进气提高密度和进气量，增强升扭矩与升功率衡量参数：增压度Td、增压比Tr增压方式：废气涡轮增压（利用废气能量）、机械增压（曲轴驱动）、电动增压（电动机驱动）废气涡轮增压系统组成：径流式涡轮机、离心式压气机、中间体（轴承、密封、润滑）废气能量利用：定压增压（大排量柴油机）与脉冲增压（小排量汽油机）增压压力调节：废气旁通阀控制增压空气冷却：中冷器降低温度，提升充气效率可变截面：调节喷嘴环流通截面积，优化不同转速下的增压效果两级系统：串联式（高压级+低压级）和并联式EGR技术作用：将部分废气重新引入气缸燃烧，降低燃烧速度，减少NOx排放分类：机械控制式（响应慢，EGR率5%～15%）与电子控制式（闭环控制，精度高）充气效率定义：实际新鲜充量与理论新鲜充量的比值影响因素：节气门开度、进气终了温度、残余废气系数、配气正时、压缩比、进气状态提高措施：减小进气马赫数、增大气门直径、采用多气门结构、改善气门流体动力性能、优化进气道设计、合理选择配气定时、利用进气管动态效应、采用可变技术氢内燃机特殊性高过量空气系数：采用稀薄燃烧控制NOx排放低排气温度：约400~600℃，影响涡轮能量供给宽流量需求：需要大空气量，避免排气背压增加瞬态响应：加速时易出现空气量不足，导致NOx升高海拔适应：对增压器匹配提出更高要求核心要点：换气过程是氢燃料内燃机正常工作的基础，增压技术显著提升功率密度，EGR技术有效降低排放，充气效率是衡量换气质量的关键指标。氢内燃机在增压和换气方面具有特殊性，需要针对性设计与优化。第4章氢燃料供给与混合气形成HydrogenFuelSupplyandMixtureFormation燃料特性供给系统混合气形成CHAPTER04本章目录4.1氢燃料特性4.2氢燃料供给系统结构与分类系统概述·设计目标·制取储存·供给方式4.3氢燃料内燃机缸内气体流动与混合气形成缸内气体流动·混合气制备要求·进气道喷射·缸内直喷理化特性·着火燃烧特性氢燃料特性氢燃料的理化特性与着火燃烧特性分析理化特性密度最小、强还原性、高渗透性、宽可燃范围燃烧特性高火焰速度、低点火能量、短淬熄距离、高辛烷值CHAPTER4.14.1氢燃料特性4.1.1氢燃料理化特性相对分子质量2.0157沸点-253℃质量热值120MJ/kg辛烷值>130RON燃烧界限（空气中）4~75%自燃温度585℃最小点火能量0.02mJ火焰传播速度1.85m/s4.1.2氢燃料着火燃烧特性辛烷值高、自燃温度高→允许更高压缩比运行，提升燃料效率层流火焰速度快（1.85m/s，约为汽油的4-6倍）→更接近理想发动机循环，热效率高最小点火能量低（0.02mJ，约为汽油的1/12）→能在稀薄混合气中有效着火，但易引发回火、早燃、爆震淬熄距离短（0.64mm）→火焰更靠近壁面才熄灭，增加回火风险高扩散性→迅速混合形成均匀混合气，提升燃烧效率技术挑战回火氢气被高温热点点燃早燃点火前混合气自发燃烧爆震末端混合气自燃，损坏发动机氢与碳氢化合物关键参数对比火焰传播速度HC:0.3-0.5m/s最小点火能量汽油:0.24mJ燃烧界限汽油:1.4~7.6%质量热值汽油:44MJ/kgH₂:1.85m/sH₂:0.02mJH₂:4~75%化学计量空燃比34.4淬火距离0.64mmH₂:120MJ/kg氢燃料供给系统结构与分类供给系统概述、设计目标、制取储存及喷射方式CHAPTER4.2系统组成储存容器、输送泵、滤清装置、喷射系统、空气调节发展历程化油器系统→机械喷射系统→电控燃料喷射系统4.2氢燃料供给系统结构与分类（一）供给系统主要组成部分燃料储存容器氢气罐，安全存储氢燃料燃料输送泵从油箱抽出并输送至发动机燃料滤清装置过滤杂质，保护精密部件燃料喷射系统精确控制喷射时间、量、方式空气调节系统调节进气量和空燃比供给系统发展历程1化油器系统依赖真空效应吸入燃料，简单但无法精确控制2机械喷射系统机械泵加压喷射，缺乏电子控制3电控燃料喷射系统ECU精确控制，响应快，控制精准，现代主流氢燃料的制取太阳能制氢利用太阳光能直接分解水，零污染物排放，但催化剂效率是关键瓶颈生物制氢利用生物质、粗甘油、生物乙醇等原料制氢，利用可再生能源绿氢燃料制氢通过电解水，利用风能、太阳能等可再生能源生产，无碳排放氢燃料的储存高压气态储存储存压力可达70MPa，是目前最普遍的储存方式液态储存需消耗大量能源液化（约30%能量），存在热分层问题金属储氢需在特定压力温度条件下储氢，应用受限物理吸附储氢使用沸石分子筛、碳材料等，研究阶段4.2氢燃料供给系统结构与分类（二）氢燃料供给方式进气道喷射（PFI）0.5MPa✓可利用现有天然气喷嘴改造，成本低✗占据进气容积，功率密度比柴油机低约30%✗易在进气歧管积聚引发回火缸内直喷（DI）1-30MPa✓不占据进气空间，功率密度与柴油机相当✓进气门关闭后喷射，有效避免回火✗机械负荷与热负荷高，控制策略复杂中低压直喷1-5MPa，利用气瓶压力减压，简化系统高压直喷>10MPa，射流能量强，混合效果好气体燃料电控喷射系统设计目标定时精确控制喷射时机，防止回火定量准确满足功率需求，灵活调节均匀性各缸燃烧一致，工作稳定可靠持久严格质量控制，延长使用寿命4.3内燃机缸内气体流动气缸内部的气体流动是决定燃烧进程、混合气形成及热量传递的关键因素。缸内初始流动方式主要由进气过程决定，并在压缩过程中发生变化。涡流气体围绕气缸轴线进行的有序旋转运动形成原因进气气流带着初始角动量进入气缸形成持续时间在压缩、燃烧乃至膨胀阶段持续发挥作用主要作用加速空气与直喷燃料混合，加快燃烧速度应用：压燃式发动机、分层充气发动机、预燃室发动机滚流气体围绕与气缸轴线垂直的轴线进行的有序旋转运动适用结构四气门、倾斜气门杆的篷顶式燃烧室形成过程气流从气门上部流入，产生横向运动主要优势提升燃烧速率，中低负荷下燃烧稳定性好应用：火花点火发动机，氢内燃机需要更高的滚流强度挤流在压缩行程末期，气体产生的径向或横向运动产生条件气缸盖或活塞顶部具有特定形状发生时机压缩行程末期及膨胀行程初期强度指标挤压面积百分比（气缸盖与活塞靠近面积占比）应用：楔形燃烧室、盆形活塞燃烧室，产生紧凑燃烧室几何形状三种流动方式的协同作用进气过程决定的涡流和滚流在压缩过程中与挤流相互作用，共同影响混合气形成和燃烧进程4.3内燃机缸内气体流动涡流滚流挤流4.3内燃机混合气制备要求空燃比参数定义λ过量空气系数λ=实际空气量/理论空气量λ<1浓混合气λ=1化学当量比λ>1稀混合气φ当量比φ=实际燃空比/理论燃空比φ>1浓混合气φ=1化学当量比φ<1稀混合气λ与φ的关系λ=1/φ两者互为倒数，用于定量表示混合气浓度混合气制备目标理论最佳比例确保稳定