1、点燃式和压燃式内燃机 工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控,陈 勋,宁夏大学 汽车工程系,汽车发动机原理 Automotive Engine Fundamentals, 燃料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 燃料热值（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(热化学） 工质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 燃油组分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,第一部分：动力输出与能量利用 第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料
2、、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配 第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,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,讲课内容,第一部分：动力输出与能量利用 第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配 第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第
3、7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,发动机替代燃料的分类,替代燃料除石油汽油、柴油以外的烃类/醇类/醚类/酯类/氢气等燃料,Alkanes or Paraffins- single bonds between carbons - CnH2n+2Alkenes or Olefins - one or more double bonds between carbons - CnH2nAlkynes or Acetylenes - one or more triple bonds between carbo
4、ns - CnH2n-2,烷烃,烯烃,炔烃,甲烷,乙烷,异辛烷,乙烯,丙烯,丁二烯,乙炔,C-C单健,CC双健,CC三健,多键非饱和烃结合牢固，不易断链，不易自燃 但不饱和烃安定性差，长期存放容易氧化变质,饱和烃，氧化安定性好；异构体结构紧凑, 不易断链,不易自燃，理想汽油成分,碳氢(hydrocarbon)燃料的分类,碳氢(hydrocarbon)燃料的分类,环烷烃,Napthenes C-C单健 CnH2n,环烷烃属饱和烃，性质比较稳定，不易断链，不易氧化变质，较为理想的汽油组分,芳烃,benzene苯,toluene甲苯,naphthalene萘,环状结构紧凑, 不易断链, 不易自燃,A
5、romatics - one or more ring structures CnH2n-6/12,Alcohols - contain one or more OH groups,醇,甲醇,乙醇,燃料含氧促进燃烧,含氧(oxygenated)燃料的分类,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)燃料的分类,（植物油/脂肪酸 ） （甲醇） （植物油甲酯/生物柴油） （甘油）,自学含氧燃料的理化特性,烃燃料分子结构、成分与理化特性,1) 烃燃料结构对理化特性的影响链与环 环化学稳定性好，不易自燃直链与支链(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和异辛烷C8H18的辛烷值分别为0和100)单键和多键多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但安定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃),燃料抗爆性比较： 1) 环烷烃 正烷烃 2) 烯烃 正烷烃 3) 异烷烃 正烷烃 4) 芳香烃 烷烃/烯烃,烃燃料分子结构、成分与理化
7、特性,燃料自燃性比较： 1) 环烷烃 正烷烃 2) 烯烃 正烷烃 3) 芳香烃 烷烃/烯烃 4) 1-甲基奈 压不着,1) 烃燃料结构对理化特性的影响链与环 环化学稳定性好，不易自燃直链与支链(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和异辛烷C8H18的辛烷值分别为0和100)单键和多键多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但安定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃),烃燃料成分、分子结构与理化特性,2) 烃燃料成分对理化特性的影响C原子数C越多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃；但物理稳定性也好，不易气化H/C比燃料热值由H/C比决定, 由于H比C的热值高 (约3.7:1)，
8、柴油H/C 柴油HumH/C大，则排放特性好：CCO、CO2 有害HH2O 无害 CNG、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 H/C越大，燃料越清洁,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 Cetane C16H34,Cetane Number CN = 100,Cetane Number CN = 0,甲基萘 Methylnaphthalene C11H10,燃油十六烷值的测量,CFR engin
9、e was developed by the American Cooperative Fuel Research Committee. 燃料研究联合协会,Waukesha Engine: F5 - Cetane Method Diesel Fuel Rating Unit,发动机燃料的主要技术指标,2) 抗爆性：燃料不发生爆燃(Knocking)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-Octane C8H18,Octane Number 100 ON100,正庚烷 n-Heptane C7H16,Octane Number 0
10、ON0,辛烷值马达法和研究法的测量,RON MON 燃料敏感性Sa RONMON 抗爆指数Ai=(RON+MON)/2,MON与RON，谁的试验条件更苛刻？,CN60.96-0.56MON CN68.54-0.59RON,调整压缩比,蜗杆轴,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,3) 蒸发性 (1) 饱和蒸气压：在规定条件下燃油和燃油蒸气达到平衡状态时，燃油蒸气的压力(Reid饱和蒸气压 RVP)蒸气压高，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 蒸气压过高，在储存和运输过程中易产生蒸发损失，着火的危险性大；
11、也容易在燃油供给系统中形成“气阻Choking”,10个碳原子以上烃类的饱和蒸气压接近于0柴油的蒸气压接近0,夏季蒸气压(3月8月)： 65 kPa 冬季蒸气压(9月2月)： 88 kPa,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(T10) 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(T50) 燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的工作稳定性90馏程(T90) 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,驾驶性指数,蒸发
12、驾驶性指数,每吨石油能产出的油品比例基本是一定的(中国柴:汽=2:1), 这一比例也决定了两者谁也不可能淘汰对方,不同馏程碳氢成分及理化特性,发动机燃料的主要技术指标,4) 低温流动性 液体燃料的低温流动性是指在低温条件下，燃料在发动机燃料供给系统中能否顺利地进行泵送和通过燃料过滤器，从而保证发动机正常供油。“浊点”是油品在规定的冷却过程中，开始析出石蜡结晶的最高温度。“冷滤点”是在200mm水柱抽力下，1min内20mL油样不能完全通过一个350目金属滤网过滤器时的最高温度。“倾点”是燃料在规定的冷却过程中，能够流动的最低温度。“凝点”是燃料在规定的冷却过程中，石蜡结晶析出、长大，互相连接成
13、三维网状结构，把油包在其中，使油失去流动性的最高温度。,我国采用凝点作为柴油的标号：10、5、0、-10、-20、-35、-50,倾 点,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) 烯烃(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。 3
14、) 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。 4) 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。,世界燃油规范,汽油质量要求,世界燃油规范,柴油质量要求,中国内燃机学会“油品与清洁燃料”分会,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,讲课内容,第一部分：动力输出与能量利用 第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运
15、行特性与整车匹配 第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,1) 混合气形成方式不同 汽油易气化，缸外低压喷射蒸发，与空气形成预制均质混合气 柴油难气化，缸内高压喷雾成细小液滴，与空气形成非均质(分层)混合气 2) 着火及燃烧方式不同 汽油难自燃，易点燃(SI)，用高压电火花点燃预混燃烧，火焰传播。可在a =1的条件下完全燃烧 柴油难点燃，易压燃(CI)扩散燃烧，即边喷-边混-边燃，为了完全燃烧，必须a 1.0（1.2） 3) 负荷调节方式不同 汽油机预混合，
16、 a基本保持不变，量调节 柴油机分层混合， a变化范围大（0），质调节,汽油机与柴油机工作模式的差异,homogeneous mixture,stratified mixture,思考：柴油能采用点燃方式吗？汽油能采用压燃方式吗？,Mixture Homogeneous 均质混合气,Spark Ignition 火花点火,Mixture Stratified 分层混合气,Compression Ignition 压缩着火,SI 常规汽油机,HCCI,GDI,CI 柴油机,内燃机混合气形成和燃烧模式组合,Gasoline Direct Injection 汽油缸内直喷,Homogeneous C
17、harge Compression Ignition 均质充量压燃,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,讲课内容,第一部分：动力输出与能量利用 第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配 第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,工质的主要热力参数,比热容与比热容比(等熵指数),cp, cV 随温度T上升而增
18、加k 随温度T上升而下降,由分子物理学可知：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,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,讲课内容,第一部分：动力输出与能量利用 第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配 第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制
19、 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,燃烧热化学,要解决的问题：燃烧需要多少空气；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,H燃烧需要氧气是C的三倍,C燃烧后体积不变H燃烧后体积增大,燃烧热化学,1) 燃料完全燃烧所需空气量设：(1) 1 kg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%，即需空气量为（实际中是测量空气流量） ：也称之为 “质量化学计量比”（mass stoichiometric ratio）,燃烧热化学,(2) 1 kg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
20、之为 “摩尔化学计量比”（mole stoichiometric ratio）,2) 分子变化系数,汽油机 1.071.12 柴油机 1.031.06，因为：汽油H含量大，燃后体积增大多一些柴油机a大，有些空气不参加反应，其前后体积不变,3) 残余废气(residual gas)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每循环每缸残余废气质量m1每循环每缸新鲜充量质量 一般无废气再循环（Exhaust Gas Recirculation,简称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
21、机r偏高是因为小，压缩容积大，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,废气再循环率：式中，mr每缸废气再循环质量,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发出的功率越高(即pme高),燃烧热化学,注意：单位体积可燃混合气热值(kJ/m3)，更具有可比性！,Unit: kJ/m3,体积混合气热值与燃料的热值、混合气的密度、混合气浓度和需要的理论空气量有关,汽、柴油等液体烃，随H/C升高，Hu也升高；但H燃烧时所需的空气量比
22、碳燃烧时多，因此Hum基本相同气体烃 H/C高，Hu高，但本身是气体(密度小)，加上H燃烧要求空气多，Hum小含氧燃料(甲、乙醇)本身含O， Hu低，但需空气也少(l0小)，Hum与汽、柴油相近纯H2的Hu最高，但气体占体积(密度小)，且需空气多，Hum反而小,各种燃料的混合气热值比较,结论：各种燃料Hu差别较大，但不等于Hum也有相同差别液体燃料Hum大体相同，气体燃料Hum偏低,第2章小结,1）了解一次能源与二次能源（能源载体）的关系 2）掌握发动机燃料和烃燃料的分类 3）掌握烃燃料组分、C原子数、分子结构等对燃料理化特性的影响 4）了解含氧燃料的结构及其对燃料理化特性的影响 5）掌握汽油和柴油的主要理化指标（十六烷值、辛烷值、馏程、饱和蒸气压等）的含义和限值 6）了解汽油和柴油的制备 7）掌握汽油机和柴油机混合气形成、着火和燃烧的差异 8）掌握工质主要热力参数（cp,cV和k）随温度和成分的变化规律 9）掌握燃料化学计量比燃烧所需空气量l0、混合气热值(Hum)V计算 10）了解绝热燃烧温度和化学平衡等概念,
