内燃机学

内燃机学内燃机原理内燃机的原理燃烧物质反应物燃油空气配气增压生成物排放振动与噪声动力时空燃烧过程燃烧室内燃机原理内燃机工作过程内燃机充量更换内燃机燃烧内燃机供油内燃机排放内燃机的噪声发动机的充量更换进排气过程配气机构的结构配气间隙换气原理增压原理返回换气原理分析换气过程评价换气过程的概念配气相位二冲程发动机的换气返回换气过程进气行程汽油机：进气行程时曲轴转动使活塞从上止点运动到下止点。对于非增压机，进气行程结束，气缸内气压为0.08～0.09MPa，混合气温度310～400K。排气行程活塞在下止点时，缸内压力0.35～0.5MPa，温度1200～1500K，排气行程时曲轴带动活塞从下止点运动到上止点。活塞到达上止点时，废气压力仍有0.105～0.12MPa，温度为700～1100K。四冲程内燃机的换气过程阶段划分a.自由排气是指废气主要依靠自身所具有的压力高于排气阀出口处压力而自然向缸外流动。b.强制排气是指废气向缸外流动主要依靠活塞的推挤作用，迫使缸内气体外排。c.进气气门重叠和扫气非增压CA增压CAo50~20o140~80实际换气过程与理想换气过程返回评价换气过程的概念换气损失时面值充量系数的分析返回换气损失排气损失：膨胀损失、推进损失进气损失泵气损失与泵气功泵气损失与泵气功泵气功是指P--V示功图上换气过程所围成的封闭回线面积泵气损失=x+y-u不同排气提前角的排气损失不同转速的排气损失换气损失随转速的变化返回时面值在柴油机运行中，气门开启截面积f会不断交化，开启速度和气体流经气门的持续时间与柴油机的转速有关。流通时间和流通截面都是影响流过气门气体流量和流速的重要因素。根据流体力学公式，在时间dt之内通过气门的气体流量为忽略流经气门的气体密度的变化，至t时刻的气体流量为称为气门的时间截面值。dtfudmdtfumdtf角面值若将时间t换算成曲轴转角，上式可改写为称为气门的角面值，它与转速无关。df返回充量系数的分析排气行程结束时，气缸内仍然残留的废气为残余废气。残余废气量进气过程中吸入气体量的比值称为残余废气系数。saasrsssaaarsharshvppTTVpRTRTVpmmmm11111111充量系数随转速、负荷的关系20011nnKvv00.20.40.60.8110001200130014001500转速(r/min)φc0.680.690.70.710.720.730.7425%50%75%100%负荷φc影响充气系数的主要因素转速进气阻力残余废气系数气缸对空气加热程度增压提高充量系数的措施a.降低进气系统的阻力损失，提高气缸进气终点的压力；b.降低排气系统的阻力损失，减小缸内残留废气系数；c.减小高温零件在进气过程中对空气的加热，降低进气终点温度。对进气系统的要求降低进气门出的流动损失大气阀、多气阀、优化气道、优化气门结构。采用可变进气技术低速情况的要求高速情况的要求最佳配气定时减小进气阻力利用压力波平均进气马赫数与充气效率平均进气马赫数定义为进气门开启截面处的平均流速u与该处的音速a之比。返回配气相位配气相位对进排气的效果有着直接影响，通常是由配气凸轮决定。凸轮的升程设计中要特别注意应力的大小。返回二冲程发动机的换气1.横流扫气2.回流扫气3.直流扫气扫气方式返回增压原理增压的概念与形式增压对经济性和动力性的影响增压的优势与代价压气机废气涡轮涡轮增压方式的性能比较涡轮增压器与发动机的匹配返回增压概念与形式什么是增压增压的方式1.机械增压2.排气涡轮增压3.气波增压4.复合增压机械增压废气涡轮增压定压涡轮增压脉冲涡轮增压其他形式增压废气涡轮增压器结构定压涡轮增压脉冲涡轮增压MPC增压定压涡轮增压系统示功图返回增压对经济性和动力性的影响一台6缸柴油机，原机的机械效率为0.78，增压比为1.57，压气机的绝热效率为0.74，增压前发动机的进气温度为，无进气中冷。预估及其增压后动力性与经济性的变化情况。根据绝热效率的定义式，可以得到增压前后温度的变化值根据状态方程，增压后气体密度的改变为增压前后，内燃机充量系数的变化为186.1157.174.0111114.14.0100kkbbppTT324.1186.157.1000bbsskTTpp044.1186.125.025.000TTbcck增压前后平均指示压力之比为机械效率的变化率43.1044.137.1000ccksskmimikpp085.178.0143.11178.011110000mmikmimmmkpp有效功率与燃油消耗效率的变化即可求出552.1085.143.1000mmkmimikeekppPP922.00000mkmmkmitkiteekbb返回增压的优势1.比质量小、升功率大2.降低造价、提高材料利用率3.排气噪声降低、燃烧噪声降低4.有利于高原等稀薄条件工作5.排放降低6.适用性广增压的代价1.热负荷与机械负荷大2.低速时转矩受影响3.加速响应性差4.增压器对发动机性能优化的限制返回压气机压气机结构压气机特性压气机参量压气机的喘振与堵塞返回压气机结构进气道：收集气流顺畅进入工作轮工作轮：对气体压缩扩压器：工作轮出口气体进一步压缩涡壳：使增压气体顺畅进入气缸压气机特性压气机参量增压比流量效率转速增压比增压比指压气机出口气体压力与进口气体压力之比***进出PPc流量是指单位时间流过压气机的空气质量或容积称为压气机的流量质量流量容积流量cmskgcvsm3增压比与流量的关系效率是压气机的经济性指标，说明压气机传递给空气的机械能被有效利用的程度可分为多变效率和绝热效率a、多变效率Lcp：气体压力从进口压力压缩到出口压力所需的多变压缩功Lc：实际压缩功ccpcpLLb、绝热效率ccadcadLLLcad：气体压力从进口压力压缩到出口压力所需的多变压缩功Lc：实际压缩功压气机的喘振与堵塞压气机工作点位于喘振线右边时，工作稳定；位于左边，工作不稳定。喘振的原因是：流量过小时，流道内气流与壁面分离。堵塞是指在某一转速下，压气机流量随增压比变化到临界条件时，流量饱和。返回废气涡轮涡轮结构涡轮特性涡轮参数返回涡轮结构进气壳：废气顺畅流入喷阻环：废气径喷阻环，使气流速度增大、动能增大工作轮：高速气流离心力作用驱动工作轮高速运动，使压气机工作轮转动排气壳：废气作功后顺畅排入大气或废气锅炉涡轮机的速度三角形涡轮效率涡轮效率涡轮机参数膨胀比速度比等熵效率燃气流量转速膨胀比涡轮进口压力涡轮出口压力的大小确定着涡轮级中的绝热焓降TzTTPPTPzPT速度比u：工作轮叶片的圆周速度（平均直径处）c1:喷嘴出口的气流速度确定了工作轮前气流运动的特点，对效率的影响显著1cuX等熵效率：喷嘴环中的流动损失：工作轮中的流动损失：余速损失该式即为实际有效焓降与等熵焓降的比值，等熵效率表征了涡轮中能量转换的完善程度HhhhBLnTad1nhLhBh*h返回涡轮增压方式的性能比较定压与脉冲增压系统的比较1.排气能量利用2.内燃机气缸扫气作用3.内燃机加速性能4.增压器效率与增压器结构返回涡轮增压器与发动机的匹配内燃机与增压器的匹配，及联合运行特性返回内燃机的燃烧缸内气体的流动汽油机的燃烧柴油机燃烧汽油机与柴油机的区别返回缸内气体的流动涡流涡流的气道评定挤流滚流湍流返回涡流进气涡流及其产生办法a.导气屏b.切向气道c.螺旋气道气道评定的Ricardo方法气道评定Ricardo无量纲流量系数Ricardo无量纲涡流数Ricardo涡流比0vDNRReR0AvQCF返回挤流在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。挤流与逆挤流滚流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，称为滚流或横轴涡流当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加．大大提高火焰传播速率，改善发动机性能采用长度积分尺度和时间积分尺度来表征湍流特性湍流返回汽油机的燃烧汽油机的燃烧特征汽油机燃烧阶段汽油机的燃烧循环变动汽油机的爆燃汽油机燃烧室返回汽油机的燃烧特征在燃烧过程中，如果混合过程比燃烧反应要快得多或者在火焰到达之前燃料与空气已充分混合，这种可燃混合气的燃烧称之为预混燃烧。汽油机的混合气形成是在进气过程就开始了，有较长的混合时间，汽油油具有较好的挥发性，因此，可以认为在点火时，均匀混合气已经形成，其燃烧方式属于预混燃烧模式。汽油机燃烧过程返回汽油机燃烧阶段划分1.滞燃期2.急燃期3.后燃期滞燃期与点火提前角返回汽油机的燃烧循环变动产生原因：气体运动的循环变动混合气成分的变动，主要与点火过程（滞燃期）有关。返回汽油机的爆燃一.爆燃的现象二.爆燃的燃烧过程三.爆燃的原因四.爆燃的危害五.激爆燃烧区域的发展汽油机末端混合气被压缩的程度较高，存在着自然倾向。返回汽油机燃烧室一.设计要点：1.缩短火焰传播距离；2.利用适当的湍流；3.合理分布温度高低及冷却情况；二.典型燃烧室1.楔形2.浴盆形3.碗形4.半球形燃烧室结构不同燃烧室结构的燃烧角返回柴油机燃烧柴油机的燃烧特征可燃混合气形成柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧室返回柴油机的燃烧特征柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，它处于一边与空气混合、一边燃烧的情况下，由于混合过程比反应速率慢，因此燃烧速率取决于混合速率。换句话说，混合过程控制了燃烧速率，这就是所谓的扩散燃烧。柴油机是以扩散燃烧为主的燃烧模式。燃烧过程的要求混合气形成的正时适当，保证及时燃烧；混合气形成要先慢后快，使最高压力和压升率不致太大；着火后，混合气要均匀分布。返回可燃混合气形成可燃混合气形成方式燃油雾化的阶段描述可燃混合气的衡量参数：油滴直径雾束贯穿距离喷雾锥角返回可燃混合气形成方式空间雾化混合油膜蒸发混合柴油机混合气的形成特点1.燃油与空气混合时间短，喷油持续角一般为。2.混合浓度不均匀，且随时间变化3.柴油挥发性差，不易形成混合气，从而造成液滴—蒸汽—空气混合一起的燃烧现象CAo3015可燃混合气形成质量取决于燃油喷射情况，其中包括燃油的雾化质量，油束形状，喷油规律以正时，喷油方向和落点；气缸内空气的运动情况和燃烧室结构，形状，尺寸，壁温等等。返回燃油雾化的阶段描述1.通过喷孔，把燃油伸展成油柱或油片；2.油注或油片的表面出现波纹和扰动；3.在表面波和扰动作用下，在油注油片的表面形成油线或空洞；4.油线的分裂或空洞的扩大产生较大油滴；5.由于大油滴在各种外力作用下发生振动，分散成小油滴；6.小油滴之间的碰撞产生更小的油滴。油滴破碎机理Taylor机理以质点振动作类比。设油滴直径为a，在各种振动作用力下，振幅为x。xa，则油滴破碎Hwang和Reitz机理（1995）在垂直方向的气流作用下变扁平；在RT不稳定表面波作用下，分裂成大油滴；在KH不稳定表面波作用下分裂成小油滴。返回油滴直径（索特平均直径）（高压）（低压）23..iiiidndnDMSdWeDMS47.00137.00132.0125.01Re38.0..dWeDMS