汽车发动机原理2

DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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:[e-mail]:010-62772515DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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）AlternativeFuelsDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity“狼”来了？！2020DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity碳氢（Hydrocarbon）燃料的分类AlkanesorParaffins-singlebondsbetweencarbons-CnH2n+2,e.g.CH4,C2H6AlkenesorOlefins-oneormoredoublebondsbetweencarbons-CnH2nAlkynesorAcetylenes-oneormoretriplebondsbetweencarbons-CnH2n-2,veryreactive,higherheatingvaluethanalkanesoralkenesHHHHCmethaneHHHHCethaneHHCHHHHCpropeneorpropyleneHCHCHHCetheneorethyleneHHCHHC1,3butadieneHCHCHHCHCethyneoracetyleneHC烷烃稀烃炔烃甲烷乙烷异辛烷乙烯丙稀丁二烯乙炔HHHC2,2,4trimethylpentane(iso-octane)CCCHHCHCCHHCHHHHHHHHHHDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity碳氢（Hydrocarbon）燃料的分类Aromatics-oneormoreringstructures－CnH2n-6/12Alcohols-containoneormoreOHgroupsOHHHHCmethanolOHHHHCethanolHHCHHCbenzeneHCHCHCCCHHHCtolueneHCHCHCCCCHHHHCnapthaleneHCHCHCCCCCCCHHHH芳烃醇苯甲苯萘甲醇乙醇DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity◎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”＞17~60%◎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DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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a≥1.2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，C—CO、CO2有害H—H2O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DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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CetaneC16H34HCCHHHH.......HCCHHHHCetanenumberCN=100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3CetanenumberCN=0a－甲基萘aMethylnaphtaleneC11H10DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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)900rpm13°CABTDCTDC13°CA改变压缩比Variationofe燃油十六烷值的测量条件DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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＝85/115DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH异辛烷Iso-OctaneC8H18Octanenumber100辛烷值＝100正庚烷n-HeptaneC7H16Octanenumber0辛烷值＝0CCCCCHHHHHHHHH3CH3CH3CHDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity辛烷值马达法和研究法的测量条件运行条件Operaitions马达法辛烷值MON研究法辛烷值RON发动机转速Enginespeed900rpm600rpm着火Ignitionf(e)19~26°CABTDCconstant13°CABTDC混合气预热Pre-heatingofmixture149°Cnone空气预热Pre-heatingofair38°C52°C压缩比Compressionratioe可调整的adjustable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RONMONRON－MON＝燃料的敏感性DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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0DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity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DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity◎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=