1、 汽车发动机原理发动机原理 2022-8-42 目录p 第一章 发动机的性能p 第二章 发动机的换气过程p 第三章 燃料与燃烧p 第四章 汽油机混合气的形成和燃烧p 第五章 柴油机混合气的形成和燃烧p 第六章 汽车发动机特性p 第七章 车用发动机废气涡轮增压p 第八章 发动机排气污染与噪声控制p 第九章 新型汽车动力装置p 第十章 发动机动力学第三章 燃料与燃烧 p 在发动机的工作过程中，气缸内的工作物质是成分和比例不断变化的混合气体：空气、燃料蒸气及燃料燃烧后的混合物（气体、固体、燃料液滴等）。p 发动机的燃料占有重要的地位，它是发动机动力的来源。发动机的存在与发展，不同类型的发动机在结构与
2、性能上的差异，发动机排放物对环境造成的污染等等，都与发动机燃料的种类和品质有着密切的关系。第一节 发动机的燃料 并非所有燃料都可以被用作汽车发动机燃料，汽车发动机燃料必须满足以下条件：1）储量丰富，供应充足而且价格适当；2）燃料理化性能适应发动机燃烧及车辆行驶的综合性能的要求；3）燃料本身对人体健康影响小，有害排放物及噪声通过一定措施能达到有关法规要求；4）能量密度高，能满足较长距离行驶的要求，燃料储运、使用及管网设置安全、方便；5）燃料对发动机寿命及可靠性无不良影响，供给及燃烧装置不能过于昂贵。p 发动机传统的燃料是汽油与柴油，它们是石油的炼制品。石油的主要成分是碳、氢两种元素，含量约占97
3、%-98%，其它还有少量的硫、氧、氮等等。p 石油产品是以多种碳氢化合物碳氢化合物的混合物的形式出现的，分子式为CnHm，通常称为烃烃。p 利用沸点不同直接进行分馏利用沸点不同直接进行分馏，依次得到石油气-汽油-煤油-轻、重柴油-渣油原油的蒸馏（原油的蒸馏（Distillation）蒸馏塔蒸馏塔沥青沥青润滑油润滑油柴油柴油煤油煤油汽油汽油石油气石油气原油原油2022-8-4发动机原理7C原子数 沸点 品种 相对分子质量 理化性质的变化趋势 质量 挥发性 粘度 化学安定性 自燃性 点燃性 C1-C4 常温 石油气 16-58 轻 易 小 好 难 易 C4-C12 40-210 汽油 95-120
4、 C11-C19 180-300 煤油 100-180 C16-C23 250-360 轻、重柴油 180-200 C23以上 360以上 渣油 220-280 重 难 大 差 易 难 第二节 燃料的使用特性p 汽油、柴油不是单一成分和结构的物质，都是由几百种有机物组成的混合物。最初使用的汽油、柴油是原油直馏时不同分馏段的产物。p 近代汽油、柴油中，直馏成分已占到很少的比例。为了提高燃料的使用特性，汽油、柴油中都加入了大量的热裂解、催化裂解和加氢裂解的产物。同时，还有改善各种性能的添加剂。可见，近代汽油、柴油是工艺复杂的高技术产品。图图32 燃料蒸馏曲线燃料蒸馏曲线1轻柴油；轻柴油；2煤油；煤
5、油；3车用汽油；车用汽油；4航空汽油航空汽油一、汽油的性能1.辛烷值p 在汽油机燃烧过程中，由于压缩比及气缸内气体温度的升高，可能出现一种不正常的燃烧现象，称为爆燃。影响汽油机爆燃的关键因素之一是燃料的品质。p 辛烷值是用来表征汽油抗爆性的一项指标。汽油的辛烷值越高，抗爆震能力越强。国产汽油就是用辛烷值来标号的。p 为了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加剂四乙铅Pb(C2H5)4和溴化乙烷（C2H4Br2）组成的混合物，由于四乙铅有毒，现已禁止使用2022-8-4发动机原理10p 测量燃料的辛烷值测量燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的。测定时，用容易爆震的正庚烷C7H16（辛烷值定为0)和
6、抗爆性好的异辛烷C8H18（其辛烷值定为100）的混合液与被测定的汽油作比较。当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时，则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值。CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH异辛烷异辛烷Iso-OctaneC8H18 Octane number 100辛烷值辛烷值100正庚烷正庚烷n-HeptaneC7H16 Octane number 0辛烷值辛烷值0CCCCCHHHHHHHHH3CH3CH3CH测量燃料辛烷值测量燃料辛烷值的的CFR发动机发动机p 辛烷值的测定方法:马达法与研究法。p 马达法规定的试验转速及进气温度比研究法高，所以用
7、马达法测定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（RON）低。p 国产汽油是以辛烷值（研究法）来标号的 市面上常见的汽油标号：90、93、97 92 95 98 北京2012年5月，实行了新的汽油标号 京V标准将硫含量指标限值由50mg/kg降低为10mg/kg，将车用汽油的锰含量指标限值由0.006g/L降低为0.002g/L。同时根据汽油辛烷值的变化，京V标准汽油牌号由90号、93号、97号分别调整为89号、92号、95号。p 研究法的数值比马达法要高出8-10单位 用下面这个公式可以换算：马达法辛烷值=研究法辛烷值0.8+10p 美国认为用辛烷值指数ONI，即（RONMON）2来表征在各种道路
8、行驶（工作情况）时的抗爆性能，并将汽油按ONI分为85、87、89、91、93、95、97共七个等级 2.馏程 汽油馏出温度的范围称为馏程。馏程是用来评价汽油蒸发性汽油蒸发性的一项指标。为了评价汽油的挥发性，常以10、50和90的馏出温度作为几个有代表意义的点。p（1）10的馏出温度 （70）汽油馏出10的温度标志着它的起动性。馏出10的温度低，说明发动机使用这种燃料时，容易冷车起动。但是此温度过低，就会使管路输送中的汽油，受到发动机温度较高部位的加热而变成蒸气，在管路中形成“气阻”，从而使发动机断火，影响正常运转。p（2）50的馏出温度（120）汽油馏出50的温度标志着它的平均蒸发性。此温度
9、高低直接影响着发动机的暖车时间、加速性以及工作稳定性。此温度较低，说明这种汽油的挥发性较好，在较低温度下可以有大量的燃料挥发而与空气混合，这样可以缩短暖车时间，而且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。p（3）90的馏出温度（190）汽油馏出90的温度标志着它的含有难于挥发的重质成分的数量。此温度低，燃料中所含的重质成分少，进入气缸中能够完全挥发，有利于燃烧过程的进行。此温度过高，燃料中含有较多的重质成分，在气缸中不易挥发而附着在气缸壁上，燃烧容易形成积炭；或者沿着气缸壁流入油底壳，稀释机油，破坏轴承部位的润滑。二、柴油的性能 柴油分为轻柴油和重柴油。高速柴油机中使用轻柴油，中
10、、低速柴油机中使用重柴油。车用柴油机中主要使用轻柴油。凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度。p 轻柴油的牌号按凝点不同分为10号、0号、10号、20号、35号、50号六级，其凝点分别不高于10、0、10、20、35、50。p 选用柴油时，应按最低环境温度高出凝点5以上，即20号柴油适用于最低环境温度为15的场合。对于车用轻柴油，影响柴油机性能的关键性指标主要有以下一些：1十六烷值 十六烷值就是评定柴油自燃性好坏的一项指标。它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。对于自燃性好的燃料，着火延迟期短，在着火延迟期内，气缸中形成的混合气少，着火后压力升高速度低，工作柔和，冷起动性能亦随之改善。测定柴油
11、的十六烷值，采用由十六烷和由十六烷和甲基萘混合制成甲基萘混合制成的混合液的混合液。十六烷容易自燃，规定它的十六烷值为100，a甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定为0。十六烷值十六烷值CetaneC16H34HCCHHHH.HCCHHHHCetane numberCN=100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3Cetane numberCN=0a a甲基萘甲基萘a a MethylnaphtaleneC11H10十六烷十六烷-甲基苯甲基苯容易自燃容易自燃最不容易自燃最不容易自燃十六烷值为十六烷值为100十六烷值为十六烷值为0待测柴油待测柴油所配置混合液所配置混合液自燃性自燃性十六烷的体积百分比
12、十六烷的体积百分比十六烷值十六烷值测量燃料十六烷值的测量燃料十六烷值的CFR发动机发动机p 当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时，则混合液中十六烷的体积百分数体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。p 国产柴油的十六烷值规定在40-50之间2022-8-4发动机原理192、馏程馏程 表示柴油的蒸发性，用燃油馏出某一百分比的温度范围来表示，与燃烧完善程度及起动性能有密切关系p 燃料馏出50%的温度（300）此温度低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。p 90%和95%馏出温度（355，365）标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏分过多，在高速柴油机中来不及蒸发和
13、形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全。车用高速柴油机使用轻馏分柴油，但馏分太轻也不好，因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦着火压力猛增，将使柴油机工作粗暴。3、粘度 是燃料流动性的尺度，是表示燃料内部摩擦力的物理特性。影响燃料喷射雾化的质量。当其它条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直径也越大使燃油和空气混合不均匀，燃烧不及时或不完全，燃油消耗率增加，排气带烟。粘度雾化油滴平均直径燃烧不及时或不完全燃油消耗率增加，排气带烟喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度。一般轻柴油的运动粘度在20时为（2.58）10-6m2/s。2022-8-4发动机原理2
14、1 三、汽油、柴油性能差异对发动机的影响 混合气形成上的差异 着火上的差异 燃烧上的差异汽油机汽油挥发性强，能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气，控制混合气的数量便能调节汽油机的功率，是量调节 汽油自燃温度较高，适宜外源点火 防止自燃，促使其有规律的燃烧，混合气均匀，着火后，以火焰传播的方式向均匀的混合气展开 柴油机柴油蒸发性差，但粘性好，适宜用油泵油嘴向气缸内部喷油，靠调节供油量来调节负荷，吸入的空气量基本不变，是质调节 柴油化学安定性差，易自燃，采用压燃的方式 柴油喷射及与空气的混合，既短暂又不均匀，常有随喷随烧的现象，燃烧时间延长 2022-8-4发动机原理22
15、 p 归纳（汽油、柴油性能差异对发动机的影响）混合气形成上的差异 着火上的差异 燃烧上的差异汽油机1、外部形成2、均匀混合气3、过量空气系数比较小4、量调节（负荷）1、外源点火2、单火源发火1、以火焰传播方式为主2、接近等容燃烧柴油机1、内部形成2、非均匀混合气3、过量空气系数比较大4、质调节（负荷）1、自行着火2、多火源着火1、以扩散燃烧方式为主2、接近先等容后等压燃烧2022-8-4发动机原理23第三节 燃烧热化学 p 内燃机的燃烧过程是一个复杂的过程，为了给车用发动机经验设计及调试提供依据，需要进行燃烧热化学的分析。燃料的燃烧，本质上是燃料中的碳、氢元素与空气中的氧气进行氧化反应的放热过
16、程。p 对于已知的燃料，各元素的含量易于测得，而空气中氧和氮的比例又是固定的，因此，按照完全燃烧的化学反应式，可以求出燃料燃烧的基本关系。一、燃料完全燃烧所需的理论空气量 组成发动机燃料的主要元素是碳（C）、氢（H）、氧（O），其它元素含量很少，计算时可略去不计。设1kg燃料中各元素的质量组成为：gC+gH+gO=1 式中：gC、gH、gO分别为1kg燃料的C、H、O的质量。p 空气中的主要元素是氧（O）和氮（N）。按体积计（即按物质的量计），O2约占21，N2约占79；按质量计，O2约占23，N2约占77。燃油中的C、H完全燃烧，其化学反应方程式分别是：按照化学反应的当量关系，可求出1kg燃
17、料完全燃烧所需的理论空气量标准状况下以体积表示的理论空气量为：可得：汽油的理论空气量为14.8（kg/kg），柴油的理论空气量为14.5(kg/kg)。二、过量空气系数a 发动机工作过程中，燃烧1kg燃料实际提供的空气量L与理论上所需空气量L0之比，称为过量空气系数a。0LLa a是发动机工作过程的一个重要参数。过量空气系数a值的大小与发动机类型、混合气形成的方法、燃料的种类、工况（负荷与转速）、功率调节的方法等因素有关。p 对于进气道喷射的汽油机，由于燃烧时用的是预先混合好的均匀混合气，过量空气系数只在狭小的范围内变化（a0.81.2）。当负荷变化时，a略有变化。p 对于柴油机，其负荷是靠质
18、调节的（即混合气浓度调节），a的变化范围很大。由于混合气形成不均匀，所以a总是大于1的。一般车用高速柴油机，a1.21.6；增压柴油机，a1.82.2。图图33 a随负荷的变化关系随负荷的变化关系p 除了用a表示混合气的浓度以外，也可用燃烧时空气量与燃料量的比例，即空燃比来表示的：对于汽油，理论上完全燃烧时（a1）的空燃比=14.8。对于柴油机，当转速一定时，进入缸内的空气量基本保持不变，空燃比的大小取决于供油量的多少（质调节）。p 当a=1，即按理论空气量燃烧时，该空燃比称为理论空燃比。p 汽油和柴油的理论空燃比分别为14.8和14.5。p 混合气的空燃比大于理论空燃比时为稀混合气，小于理论
19、空燃比时为浓混合气。三、a1时完全燃烧产物的数量 考虑内燃机燃烧过程的复杂性，为保证燃油的充分燃烧，提高燃烧的热效率，一般情况，供给气缸的空气量总是大于理论空气量，因此，过量空气系数a1。1.燃烧前混合气的数量 对于汽油机，燃烧前新鲜混合气由空气和燃料蒸气组成，若燃料相对分子质量为MrT,则1kg燃料形成的混合气量（kmol/kg燃料）是：对于柴油机是在压缩终点向气缸内喷人液体状态的燃料，体积不及空气体积的1/10000，可忽略不计，认为燃烧前的工质是空气M(kmol/kg燃料)2.燃烧后燃烧产物的数量 在a1的情况下，完全燃烧的产物是由CO2、H2O、剩余的O2及未参与反应的N2组成，即根据
20、前面的化学反应方程式，很方便地求出M2（kmol/kg燃料）四、燃烧热值与混合气热值 1.燃烧热值 燃料的热值指1kg燃料完全燃烧所放出的热量。汽油的燃料低热值为44000kJ/kg，轻柴油的燃料低热值为42500kJ/kg。（指未计入水的汽化潜热）2.混合气热值 当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工质的热量取决于单位体积可燃混合气的热值，而不是决定于燃料的热值。可燃混合气的热值以kJ/kmol或kJ/m3（标准）计。1kg燃料形成可燃混合气的数量为M1，它所产生的热量是燃料的低热值hu。因此，单位数量可燃混合气的热值（kJ/kmol）是 M1随过量空气系数a而变化，当a1时，燃料与空
21、气所形成的可燃混合气热值称为理论混合气热值。汽油在标准状态下的理论混合气热值为3750kJ/m3，轻柴油在标准状态下的理论混合气热值也为3750kJ/m3 第四节 燃烧的基本知识p 燃烧过程的完善程度很大程度上决定于发动机运转性能的优劣。p 汽油与柴油都属于多种碳氢化合物（烃）的混合物，由于它们的相对分子质量与分子结构不一样，在物理化学性质上有差异，因而，在发动机的混合气形成、着火与燃烧等方面引起许多质的不同。一、燃烧现象 燃烧是一种放热的氧化反应，一个完整的燃烧过程包括着火和燃烧两部分。p 所谓着火，是指可燃混合气在一定的压力、温度、浓度的条件下，氧化反应自动地加速，并产生温升，以致引起火焰
22、出现的现象。对于发动机的着火过程的解释，目前有两种理论：热着火理论和链式反应理论。p 所谓燃烧，是指可燃混合气中的燃料与空气中的氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。燃烧实际上是火焰传播、扩散的混合过程，这一过程中往往伴有复杂的传热、流动和化学反应现象。1.热着火理论 热着火理论认为，燃料燃烧的原因在于热量的积累。因此，具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外部能量引入的情况下，依靠混合气自身的反应自动加速，就能自发地引起火焰的过程。这也就是我们在柴油机压缩燃烧过程中的自燃现象。热着火理论从简单化合物反应中两个活性分子相互碰撞的机理出发，导出反应放出热量的速度与温度成指数关系，而系统向环境散热的速
23、度与温度是一个线性关系。在着火过程中，只有当放热速率dq1/dt散热速率dq2/dt的时候，有了热量积累，才可能着火。如图34所示，存在下列三种可能性：p 1）dq1/dtdq2/dt时，必然着火，如图中散热速率线明显低于dq1/dt。p 2）dq1/dt与dq2/dt相切时，存在临界着火条件，TC称为临界温度，见图中散热速率线。p 3）dq1/dtdq2/dt时，不可能着火，见图中散热速率线。因此，着火的临界条件应当是，反应放热曲线与散热曲线相切。反之，如果达不到这一条件，便不能着火。影响燃料着火的因素有：1）着火温度 着火温度不仅与可燃混合气的物理化学性质有关，而且与环境温度、压力、容器形
24、状及散热情况等有关。即使同一种燃料，因条件不同，着火温度也可能不同。2）临界压力和温度 如图3-5所示，临界压力和温度明显地影响到着火区域。在低压时，要求很高的着火温度，反之也是一样。3）可燃混合物的浓度 如图3-6所示，存在着一个有关可燃混合物着火的百分比浓度上限（富油极限）与下限（贫油极限）。随着温度、压力升高，着火的浓度界限有所加宽；但温度、压力上升得再高，着火界限的加宽也是很有限的。另一方面，当温度、压力过低（低于临界值），则无论在什么浓度下均不能着火。2.链式反应理论 热着火理论是建立在分子碰撞理论基础上的，并不能解释所有着火现象。试验表明烃燃料的着火区域在低温、低压区，表现出与高温
25、完全不同的着火规律性。p 链式着火理论认为，高温并不是引起着火的唯一原因，只要以某种方式（如辐射、电离）激发出活性中心，然后通过链式反应，就能引起着火。由于汽车发动机的传统燃料，大部分都是由单烃组成的混合物，因此，首先，对烃的氧化反应来加以了解。烃的氧化反应，可以写成 烃的氧化反应进行的非常快，根据链锁反应的机理，它可以分为链引发、链传播及链中断等三个阶段。p 所谓链引发，就是反应物分子受到某种因素激发（如受热裂解、受光辐射），分解成为自由原子或自由基，这种自由原子或自由基（如H、O、OH等等）具有很强的反应能力，成为反应中的活性中心，使新的化学反应得以进行。p 所谓链传播，就是指已生成的自由
26、原子或自由基继续与反应物作用，一方面将反应推进一步，另一方面同时生成新的自由原子或自由基。1）如果在每一步中间反应中，都是由一个活性中心与反应物作用产生一个新的活性中心，整个反应以恒定速度进行，这样的反应称为直链反应。2）如果由一个活性中心引起的反应，同时生成两个以上的活性中心，这时，链就发生了分支，反应速度将急剧地增长，这种反应称为支链反应。不少烃的氧化反应是先通过直链反应，生成一个新的活性中心和某种过氧化物或高级醛的中间产物，然后再由过氧化物或高级醛引起新的支链反应。p 所谓链中断，就是指在链锁反应中，可能由于具有很大反应能力的自由原子或自由基与容器壁面或惰性气体分子碰撞，使反应能力减小，
27、不再引致反应。每一次链的中断都会引起总体反应速度减慢，以及减少反应继续发展的可能性，在某些不利的场合下还可以使反应完全停止。2022-8-4发动机原理41例如：氢的燃烧化学方程：例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O22H2O实际过程是：实际过程是：链引发：链引发：H2 2H链传播链传播(链爆炸链爆炸)：H+O2 OH+O O+H2OH+H 2OH+H2 2H2O+2H链中断：链中断：H+H+M H2+M（M是惰性气体分子）是惰性气体分子）H+OH+M H2O+M H+O+M OH+Mp 混合气的着火往往不是单一机理进行，二者机理同时存混合气的着火往往不是单一机理进行，二者机理同时存在相互促进。在
28、相互促进。p 一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链爆炸为一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链爆炸为主。主。大量的试验研究表明，烃类燃料的氧化反应过程中，存在着高温和低温条件下的不同的着火规律，如图37所示。p（1）低温多阶段着火 这种在低温下特殊的着火规律，实际上就是退化支链反应引起的一种现象，通常称为“着火半岛”。通过光谱分析发现，烃燃料低温下着火需经历三个阶段：冷焰诱导阶段（1）、冷焰（2）、蓝焰（3）（图38）。图图38 烃燃料的低温多阶段着火过程烃燃料的低温多阶段着火过程 p（2）高温单阶段着火 在较高温度下，着火过程不经过冷焰而直接进入蓝焰热焰阶段。由于这两个阶段很短，也
29、很难区分，所以统称为高温单阶段着火。柴油机的压缩着火和汽油机的爆燃具有低温多阶段着火的特点；而汽油机的火花点燃和柴油机着火后喷入气缸内的燃料着火具有高温单阶段着火的特性。应该指出的是，内燃机的着火过程是非常复杂的，有的资料上提出“链式热力着火”的说法，即开始是链反应，当热量积累到一定程度后，按热着火过程进行。二、在预混气体中的火花点燃与火焰传播 汽油机中的可燃混合气，在着火前经过化油器（或进气道汽油喷射雾化）、进气管、缸内气体运动等环节，燃料蒸气和空气的浓度已达到十分均匀的程度，成为以一定比例预先混合好的预混气体。它的点燃，是利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程。火焰传
30、播速度的大小取决于预混合气体的物理化学性质、热力状态以及气体的流动状况。p 1.火花点燃 火花点燃过程是一极短的瞬间过程。在火花点火以后，靠火花提供的能量，不仅使局部混合气温度进一步升高，而且引起了火花附近的混合气电离，形成活性中心，出现了明显发热、发光的小区域，这就是火焰核。正因为火焰核的形成，是局部混合气吸收电火花能量后，经化学反应过程的累积所致，所以这部分混合气的组成和吸收火花能量情况的不同，以及气流扰动对火焰核的干扰，使火焰核形成所用的时间不同。造成在实际汽油机的同一气缸中，连续诸循环的情况不可能完全一致，因而产生了燃烧的循环变动。这种燃烧不稳定的情况，在汽油机低负荷及在稀薄混合气中尤
31、为突出。p 2.火焰传播 火花点燃过程中形成的火焰核，顺序点燃周围的混合气，火焰范围逐渐扩大，并伴随着热量的释放，称为燃烧现象的火焰传播。根据气体流动的状况，火焰传播方式可分为层流火焰传播与湍流火焰传播。1）层流火焰传播 在预燃气体静止或流速很低的状态下，用电火花点燃混合气而局部着火后，火焰就会向四周传播开来，形成一个球状的火焰面，称为火焰前锋面。p-预热区 c-化学反应区 火焰面温度与浓度的变化，在火焰面内出现了一定的温度梯度与浓度梯度，造成火焰在空间的移动。图图3-10 放大的火焰前锋面的构造放大的火焰前锋面的构造 层流火焰传播速度vL 很低，受到预混气体理化性质的影响，其中，a影响很大。
32、试验表明（图3-11），在过量空气系数 a0.80.9时，反应温度最高，vL最大；如果a1，vL下降10；a1.1，vL下降15；当混合气成分过稀或过浓，则反应温度均过低，不能维持火焰传播。图3-11 a对vL的影响 2）湍流火焰传播 层流火焰传播速度很低，远远不能满足实际发动机燃烧的要求。由于气流的湍流运动可以大大加速火焰传播速度，因此，实际汽油机中的火焰传播是以湍流火焰方式进行的，此时vT2070m/s。所谓湍流，是粘性气流由于壁面边界的阻碍作用，或者外部扰动，在传播过程中进行的无规则的脉动运动。湍流的变化在空间上与时间上呈现出无秩序性，主要体现在两个方面：一是微元气体变化的随机性，二是整
33、体上表现出符合力学规律的确定性。湍流运动的变化常用以下参数决定：p（1）湍流尺度 它可分为宏观湍流与微观湍流两种，湍流的力学性质主要由宏观湍流决定，湍流在粘性的影响下能量转化为热而消失则由微观湍流决定。p（2）湍流强度 它对湍流火焰传播速度影响很大，与湍流的能量有关，常用雷诺数（脉动速度的均方根）来表示。湍流运动能强化燃烧，加快火焰传播。原因如下：1）宏观湍流使层流火焰前锋变得弯曲，产生皱折，从而增大了燃烧的表面积。2）微观湍流加强了火焰的传热与传质，在通过预热区与反应区的热量及活性分子增多的情况下，火焰传播速度加快。3）雷诺数Re的增大，使湍流强度提高。当Re2300时，火焰传播仍为层流火焰
34、传播形式，火焰前锋面薄且圆滑，速度vL较低。当Re23006000时，变为湍流火焰，其前锋面变厚且出现皱折，vT较vL有明显增长。在Re6000后，转变为强湍流火焰，湍流强度得到很大提高，前锋火焰表面皱折破裂，已燃与未燃气体迅速混合，燃烧放热率提高。图图3-12 Re对火焰传播速度的影响对火焰传播速度的影响 混合气的湍流程度的提高，能有效地改善汽油机的燃烧过程。混合气的湍流程度的提高，能有效地改善汽油机的燃烧过程。三、喷射燃料的雾化与扩散燃烧 柴油的燃烧要经历高压喷射、雾化、混合、压缩着火以及扩散燃烧几个阶段，喷雾状态的好坏对燃烧过程有重要的影响。1.喷射燃料的雾化 由于柴油的蒸发性能比汽油差
35、，因此，只能采用喷射与雾化的方法，将燃料在与空气混合前先粉碎成许多细小油滴（这些雾状油滴的集合体通常称为喷雾），以扩大燃料蒸发的表面积。燃油雾化质量主要受到油束射程（也称贯穿距离），喷雾锥角和液滴平均直径等的影响。p 油束要有足够的贯穿力，穿透火焰到达周围的空气区。贯穿率是常用参数之一。贯穿率是指油束的贯穿距离与喷孔至燃烧室壁面的距离的比值。对直喷式柴油机，贯穿率一般小于1，以避免燃油喷到壁面上；在强涡流时，贯穿率大于等于1，以确保喷射的油束能到达壁面附近。近年来出现的撞击喷雾，贯穿率要大于1。p 喷雾锥角过大，油束射程会减小；而过小，雾化程度又会变差。p 液滴平均直径越小，油粒与周围空气混合
36、程度越好，可以加速燃料的吸热和气化，为燃烧过程的组织提供良好的前提条件。2.油滴的蒸发与燃烧 1）单个油滴的蒸发与燃烧 燃烧室内的一颗静止的油滴，在高温高压介质作用下，经历如图313所示的蒸发与燃烧过程。单个油滴受到周围高温高压空气的加热，油滴表面被蒸发气化，与空气混合形成可燃混合气。单个油滴的蒸发与燃烧模型单个油滴的蒸发与燃烧模型 r0-油滴半径 rf-火焰半径 T0-油滴表面温度 Tf-火焰温度 T-空气温度Co-氧含量 CFI-油蒸汽含量-到油滴中心的距离p 着火首先在混合气浓度适宜的位置发生，并在油滴周围形成一层球状的燃烧区，即火焰锋面。此后，燃油蒸气不断自油滴表面向外扩散，火焰面外的
37、氧气不断从四周向火焰面扩散，在火焰面上进行混合燃烧，使燃油浓度Cf1和氧气浓度Co均变为零，而温度达到最高。高温燃烧产物和热量向火焰面两侧扩散，油滴受到火焰面传来的热量，加速进行蒸发汽化。因此，油滴的扩散燃烧速度，完全取决于燃油蒸气和空气向火焰面的扩散速度。由于油滴和油蒸发区将火焰面形成的高温气体包围起来，形成了高温缺氧区域，易生成炭烟。2）油束及油滴群的蒸发与燃烧p 实际的喷雾燃烧要比理想的单个油滴在无限氧空间中的蒸发与燃烧过程复杂得多。喷雾中的大小不等的油滴间相互存在着干扰，燃料的扩散燃烧就成了油滴群的复杂燃烧现象。p 实验研究表明，当油滴粒径在10m以下时，油滴在着火前均已完全蒸发，着火
38、后可以观察到的火焰面呈蓝色的连续抛物面形状，这同前述的预混合气的火焰传播具有相同的燃烧方式。当油滴粒径为2040m时，在连续的蓝色火焰中可以看到白色与黄色的亮点，这表明每个油滴处独立的扩散燃烧和各油滴间的预混合燃烧同时存在。当油滴粒径在40m以上时，火焰面已不连续了，各油滴独立燃烧，以单油滴扩散燃烧为主。实际的喷雾燃烧，是上述燃烧形式同时存在并且相互影响的。油滴群的着火与在整个燃烧室内油气的宏观空燃比例无关，因为油滴群在空间分布，形成了许许多多具有着火与燃烧条件的单个油滴，只要在油滴周围存在着适合燃烧的空燃比区域，就能在一点或多点同时着火。它的稳定燃烧范围比预混合气要广泛得多。四、均质充量压缩
39、着火燃烧 在往复式发动机中，除了传统的火花点燃式（SI）燃烧和压燃式（CI）燃烧外，还有第3种燃烧方式，即均质充量压缩着火(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)燃烧。在传统的SI和CI燃烧方式里，都存在着温度分布和燃烧过程不均匀的特点，同时实现高效率和低排放都是困难的。HCCI燃烧方式能降低氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放，同时能实现较高的热效率。均质充量压缩着火(HCCI)燃烧是一种全新的内燃机燃烧概念，其基本特性是均质混合气的压缩着火和低温燃烧。HCCI方式综合了传统汽油机（均质充量火花点燃）和柴油机（非均质充量压缩着火）燃烧方式
40、的优点：类似于传统汽油机，使用均质混合气，因而避免了柴油机中浓的扩散火焰，极大地降低了颗粒物排放；类似于柴油机，使用压燃着火，缸内均质混合气自燃，避免了汽油机中点火后产生的高温火焰，降低了氮氧化物的排放。p 1.HCCI发动机的主要特点发动机的主要特点 （1）超低的NOx和PM排放。HCCI发动机在部分负荷工况下的NOx排放相对于传统柴油（汽油）机可降低95%98%。由于炭粒形成被抑制，PM排放非常低。（2）热效率高。HCCI采用稀薄混合气燃烧，在中、低负荷运行时几乎实现了等容燃烧，接近理想Otto循环，具有很高的放热效率，此外，HCCI发动机燃烧室内没有局部高温区，热辐射损失减少，因此，HC
41、CI部分负荷运行具有比直喷柴油机更高的热效率。（3）HCCI燃烧过程主要受燃烧化学反应动力学控制。其着火与燃料特性和缸内热氛围条件密切相关。（4）HCCI发动机运行范围较窄。其燃烧受到失火（混合气过稀）和爆燃（混合气过浓）的限制，使发动机运行范围变窄。对于高十六烷值燃料，在高负荷工况下（混合气浓度大）易发生爆燃。对于高辛烷值的燃料，由于HCCI燃烧为稀薄燃烧，发动机在小负荷工况下容易失火。（5）HCCI发动机HC、CO排放偏高。导致这种现象产生的原因之一是由于HCCI燃烧通常采用较稀的混合气和较强的EGR，缸内燃烧温度较低；此外，在混合气形成过程中，一部分燃料会进入燃烧室缝隙中，最终导致HC和
42、CO排放增加。可以通过催化转化器进行后处理加以解决。p 2.HCCI的燃烧特点的燃烧特点 HCCI发动机的燃烧过程是一种受化学动力学控制的自燃过程，其特点是：（1）采用均质混合气。空气和燃油在进气/或压缩过程进行预混合，在着火之前形成均质的空气/燃油混合气。（2）采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃，不需要任何点火系统。（3）具有独特的两阶段放热特点。第一阶段放热是低温化学动力学反应，此时是冷焰、蓝焰。在第一阶段放热与主放热阶段之间有一个很短的时间延迟。第二阶段燃烧是多点同时进行的，一旦开始着火，燃烧迅速且比较均匀，既没有局部高温区，也没有明显的火焰传播，因而NOx和
43、炭粒的形成能够被有效抑制。两阶段放热现象的出现与燃料的辛烷值或十六烷值有关，使用低辛烷值或高十六烷值燃料很容易观察到两阶段放热过程。（4）火焰传播不明显。点燃式汽油机和压燃式柴油机的燃烧都是扩散燃烧过程，具有明显的火焰传播过程，其中点燃式汽油机主要是利用热扩散来实现火焰传播，压燃式柴油机的主要燃烧是依靠燃油蒸气和氧气的扩散产生热化学反应。HCCI燃烧是多点同时着火，没有明显的火焰传播过程。（5）燃烧始点和燃烧速率难以控制。HCCI发动机的燃烧始点是由均质混合气的自燃着火特性控制，其混合气的自燃受混合气化学特性和燃烧室内时间-温度历程的影响，燃烧始点难以控制。又由于HCCI燃烧是缸内均质混合气多
44、点同时着火，燃烧速率难以控制。（6）燃烧循环变动小。由于HCCI燃烧着火始点与气缸内气流状况关系较少，且燃烧速率较快，每个循环燃烧的持续时间差距不大，有利于减少燃烧循环变动。p 3.HCCI燃烧始点和燃烧速率的控制燃烧始点和燃烧速率的控制 HCCI的燃烧始点对于发动机的热效率和排放都有十分重要的影响。燃烧始点控制，也就是放热始点（SOHR）受各种发动机性能和工况条件，诸如空气/燃油比、进气温度、压缩比、残余废气量和冷却液温度的影响。如果采用EGR，还受EGR的影响。控制燃烧始点常用的方法有：可变压缩比、可变气门定时、双重燃油操作等。改变气门定时，特别是改变排气门定时，可以改变残余废气量和气缸温
45、度，进而调节燃烧始点。所谓双重燃油操作，就是通过改变所用的两种燃油的比例来调节燃烧始点：例如调节辛烷值。又如采用天然气作为主要燃料，同时利用氢加浓天然气以控制燃烧定时。空气/燃油比和EGR量对燃烧速率有着非常重要的影响。活塞顶部燃烧室的几何形状对燃烧速率和指示效率也有明显的影响。p 4.HCCI技术尚待解决的问题技术尚待解决的问题 HCCI方式是使用稀薄的均质混合气来达到减少NOx和PM的目的，在内燃机上的应用有着诱人的前景。要在发动机上应用均质压燃由两个关键：一是向混合气提供足够的热量，使之能在压缩上止点附近达到自燃温度；二是对混合气温度进行控制，使之能在最佳曲轴相位达到自燃温度开始燃烧。过
46、早将使燃烧粗暴，热效率下降，过晚会使发动机失火。目前要实现HCCI燃烧在发动机上的应用，需要解决以下一些问题。（1）随发动机转速和负荷改变控制着火正时（Ignition Timing）。（2）高负荷运行时燃烧速率的控制（使放热率减缓，以限制噪声或过高的燃烧压力）。（3）改善冷启动和发动机变工况运行的响应特性。（4）排放（特别是低负荷HC和CO的排放）控制系统的发展。（5）发动机控制策略和系统（闭环反馈系统）的发展以及相应传感器的研制。（6）HCCI燃烧运行范围扩展。（7）适合燃料（包括混合燃料）的开发。（8）多缸机各缸均匀性的保证。五、几种燃烧方式的比较 火花点燃式燃烧火花点燃式燃烧压缩点燃式
47、燃烧压缩点燃式燃烧预混合的压缩点燃燃烧预混合的压缩点燃燃烧进气道喷射进气道喷射缸内直喷缸内直喷GDIGDI使用的燃油使用的燃油汽油汽油汽油汽油柴油柴油汽油、天然气、二甲醚等汽油、天然气、二甲醚等或多种燃料混合物或多种燃料混合物燃油引燃方法燃油引燃方法火花点燃火花点燃火花点燃火花点燃压缩点燃（缸内高压压缩点燃（缸内高压喷射）喷射）压缩点燃（进气口低压喷压缩点燃（进气口低压喷射）射）燃烧方式燃烧方式预混合燃烧预混合燃烧分层燃烧分层燃烧+预混合燃预混合燃烧烧喷雾扩散燃烧喷雾扩散燃烧预混合燃烧预混合燃烧混合气空气混合气空气/燃油燃油比比精确控制，精确控制，有稀燃极限有稀燃极限中小负荷稀燃中小负荷稀燃,
48、空燃空燃比变化较大比变化较大与宏观空燃比例无关与宏观空燃比例无关需要高稀释度的需要高稀释度的空气空气/燃油混合气燃油混合气转矩调节方式转矩调节方式量调节量调节量调节量调节变质调节变质调节变质调节变质调节泵气损失泵气损失大大大大小小小小压缩比压缩比较小（防爆震）较小（防爆震）较小较小大大适中（适当提高压缩比适中（适当提高压缩比）燃油经济性燃油经济性较低较低好好好好很好很好有害物质排放有害物质排放带三效催化转化器后带三效催化转化器后，污染低，污染低NOxNOx排放高排放高,采用氧采用氧化催化化催化+NOx+NOx吸吸附催化还原附催化还原COCO2 2、HCHC、COCO的排放低的排放低、但、但NoNox x、炭烟等、炭烟等微粒物高微粒物高废气中废气中NONOx x排放少，低排气排放少，低排气温度对催化转化器来温度对催化转化器来说是一个问题说是一个问题燃烧噪声燃烧噪声低低低低高高较高较高热效率热效率较低较低高高高高很高很高本 章 完
