1、內燃機特性武漢理工大學能源動力學院李煜輝內燃機特性內燃機動力特性汽油機動力特性柴油機動力特性內燃機排放特性排放物生成機理汽油機排放特征柴油機排放特征內燃機的動力特性 1.內燃機的工作區域 2.內燃機的特性 3.速度特性分析內燃機的工作區域負荷特性 1.轉速不變 2.由各穩態點組成的特性線速度特性 1.負荷不變（油泵齒條、節氣門位置不變） 2.由各穩態點組成的特性線汽油機的速度特性柴油機的速度特性萬有特性 1.負荷-速度-油耗的二維曲面 2.負荷特性 萬有特性 3.速度特性 萬有特性萬有特性圖萬有特性作圖法（1）萬有特性作圖法（2）內燃機速度特性分析影響因素 柴油機噴油泵的速度特性 柴油機與汽油

2、機扭矩的速度特性內燃機扭矩的速度特性分析 內燃機的扭矩可由下式表示：進氣空氣密度非增壓機的進氣密度不變增壓機的進氣密度隨增壓度和中冷度而變化：充氣系數（最大節氣門位置）汽油機Q增壓汽油機ZQ柴油機C增壓柴油機ZC汽油機節氣門開度不同時的充氣效率過量空氣系數、指示效率機械效率內燃機速度特性曲線內燃機動力、排放特性的原理分析內燃機燃燒與排放汽油機的燃燒汽油機的燃燒特征汽油機燃燒階段汽油機的燃燒循環變動汽油機的爆燃汽油機燃燒室返回汽油機的燃燒特征 在燃燒過程中，如果混合過程比燃燒反應要快得多或者在火焰到達之前燃料與空氣已充分混合，這種可燃混合氣的燃燒稱之為預混燃燒。汽油機的混合氣形成是在進氣過程就開

3、始了，有較長的混合時間，汽油油具有較好的揮發性，因此，可以認為在點火時，均勻混合氣已經形成，其燃燒方式屬于預混燃燒模式。汽油機燃燒過程返回汽油機燃燒階段劃分 1.滯燃期 2.急燃期 3.后燃期滯燃期與點火提前角返回汽油機的燃燒循環變動產生原因：氣體運動的循環變動混合氣成分的變動，主要與點火過程（滯燃期）有關。返回燃燒循環變動的表征參數 與氣缸壓力有關的參數最高爆壓及其相應的曲軸轉角、最大壓升率及其相應曲軸轉角、發動機平均指示壓力等。與燃燒速率有關的參數最大燃燒速率、火焰發展曲軸轉角、快速燃燒曲軸轉角等。與火焰前鋒位置相應的參數火焰半徑、火焰前鋒面積、已燃和未燃的容積隨時間的變化曲線與排放有關的

4、參數，如通過高速采樣獲得的排放量。缸內最高壓力、最高壓升率、最大放熱率峰值、火焰發展期、快速燃燒期等參數的循環變動。汽油機的爆燃一.爆燃的現象二.爆燃的燃燒過程三.爆燃的原因四.爆燃的危害五.激爆著火溫度與壓力的關系返回燃燒區域的發展汽油機末端混合氣被壓縮的程度較高，存在著自然傾向。爆燃的危害輸出功率、熱效率降低在強烈爆燃時，在自燃區形成一個壓力脈沖以極高的速率向四周傳播，這個壓力脈沖在氣缸多次反射時產生高頻（頻率約為5kHz或更高）振音。由于壓力波沖擊會破壞氣缸壁面層流邊界層，從而使向氣缸壁面的傳熱量大大增加，冷卻損失增加，輸出功率降低發動機過熱發生爆燃時，破壞附面層，氣缸蓋、活塞頂面的溫度

5、上升。爆燃時，燃燒室局部過熱會產生表面點火。零件的應力增加爆燃時，由于壓力增長率和最高燃燒壓力都增加，故相關零件上的作用力也增加，易使受力件損壞。此外，爆燃促使積炭形成，容易破壞活塞環、氣門和火花塞的正常工作；壓力波沖擊缸壁表面，使之不易形成油膜，導致機件加速磨損。 其他不正常燃燒表面點火后火早火激爆續走部分燃燒、失火表面點火與爆燃表面點火和爆燃是兩種完全不同的不正常燃燒現象，爆燃是在電火花點火以后終燃混合氣的自燃現象，而表面點火則是熾熱物點燃混合氣所致。但兩者存在著某種相互促進關系汽油機燃燒室設計要點：縮短火焰傳播距離；利用適當的湍流；合理分布溫度高低及冷卻情況；典型燃燒室 1.楔形 2.浴

6、盆形 3.碗形 4.半球形分層充氣與GDI柴油機燃燒柴油機的燃燒特征可燃混合氣形成柴油機的燃燒過程柴油機的燃燒室返回柴油機的燃燒特征柴油機的大部分燃料是在著火后噴入氣缸的，它處于一邊與空氣混合、一邊燃燒的情況下，由于混合過程比反應速率慢，因此燃燒速率取決于混合速率。換句話說，混合過程控制了燃燒速率，這就是所謂的擴散燃燒。柴油機是以擴散燃燒為主的燃燒模式。燃燒過程的要求混合氣形成的正時適當，保證及時燃燒；混合氣形成要先慢后快，使最高壓力和壓升率不致太大；著火后，混合氣要均勻分布。返回可燃混合氣形成可燃混合氣形成方式空間霧化混合油膜蒸發混合燃油霧化的階段描述可燃混合氣的衡量參數返回柴油機混合氣的形

7、成特點1.燃油與空氣混合時間短，噴油持續角一般為 。2.混合濃度不均勻，且隨時間變化3.柴油揮發性差，不易形成混合氣，從而造成液滴蒸汽空氣混合一起的燃燒現象可燃混合氣形成質量取決于 燃油噴射情況，其中包括燃油的霧化質量，油束形狀，噴油規律以正時，噴油方向和落點；氣缸內空氣的運動情況和燃燒室結構，形狀，尺寸，壁溫等等。返回燃油霧化的階段描述1.通過噴孔，把燃油伸展成油柱或油片；2.油注或油片的表面出現波紋和擾動；3.在表面波和擾動作用下，在油注油片的表面形成油線或空洞；4.油線的分裂或空洞的擴大產生較大油滴；5.由于大油滴在各種外力作用下發生振動，分散成小油滴；6.小油滴之間的碰撞產生更小的油滴

8、。 油滴破碎機理：1.Taylor機理：以質點振動作類比。設油滴直徑為a,在各種振動作用力下，振幅為x.Xa,則油滴破碎：X=a時，2.Hwang和Reitz機理（1995）a.在垂直方向的氣流作用下變扁平；b.在RT不穩定表面波作用下，分裂成大油滴；c.在KH不穩定表面波作用下分裂成小油滴。 油滴直徑（索特平均直徑）： （高壓）（低壓） 霧束貫穿距離：大缸徑靜止空氣：（Dent）小缸徑高速機： （新井公式）有渦流時： 油束夾角：油霧衡量指標油滴直徑（索特平均直徑）噴霧錐角由噴孔直徑、噴孔厚度、噴孔的加工質量等決定，一般在1530度。霧束貫穿距離燃燒室、油束和渦流的配合油束穿透率噴霧錐角油束夾

9、角返回柴油機的燃燒過程柴油機著火的單液滴模型內燃機的著火條件柴油機燃燒階段劃分滯燃期放熱規律返回柴油機著火的單液滴模型返回熱自燃與鏈式反應反應放熱的規律：傳熱規律：內燃機的著火條件自燃的臨界條件 著火溫度與壓力的關系返回柴油機燃燒階段劃分1.滯燃期2.急燃期3.緩燃期4.后燃期燃燒階段劃分的依據噴油時刻：以發動機的噴油提前角為準。燃燒始點：壓力線脫離純壓縮線開始上升的時刻。急燃期終點：？緩燃期終點：峰值壓力處。燃燒終點：燃燒物質基本上全部（99）燃燒完畢。？放熱規律放熱規律是燃料的燃燒放熱速度與時間的變化關系不同放熱規律對性能的影響放熱率的求解采用單區模型方法，根據熱力學第一定律：其中，凈放熱

10、量是燃燒放熱量與散熱量之差。熱傳導規律其中，導熱系數采用Woschni公式：由克拉伯龍方程得到：測試數據處理后的燃燒放熱率示意圖放熱規律與示功圖對前面問題的回答急燃期的終點是燃燒放熱率的轉折點。燃燒終點在放熱率曲線上表現為過程最后的零點。繼續提問：為什么燃燒放熱率會有轉折點？柴油機中的預混燃燒柴油機在滯燃期內噴入氣缸的燃油在經歷物理和化學準備期間形成了一定的積聚，這種積聚的油氣混合氣在燃燒開始的時候會以預混燃燒的方式進行反應，放出熱量。滯燃期組成：物理滯燃期化學滯燃期影響因素對燃燒過程的影響影響滯燃期的因素：1.溫度2.壓力3.噴油提前角4.轉速5.渦流速度6.空燃比7.霧化程度8.添加劑和燃

11、料種類峰值壓力、壓升比與滯燃期壓縮終點與滯燃期噴油時間與滯燃期轉速與滯燃期增壓壓力與滯燃期增壓空氣溫度與滯燃期滯燃期對燃燒過程的影響a.預混燃燒份額b.壓升比c.最高爆發壓力d.最高燃燒溫度返回燃燒的化學反應描述內燃機所使用的傳統燃料是分子量不同的各種碳氫化合物的混合物，碳氫化合物燃料的燃燒屬于鏈式反應。在一定條件(壓力、溫度)下，燃料中參與化學反應的原始物質形成一定數量的活化中心，如生成O、H、OH等自由原子和自由基，它們的化學價都不飽和，這些自由原子和自由基將與原始物質繼續進行反應，形成新的反應鏈。由于鏈式反應不斷地分支和擴展，活化中心不斷地產生，所以，化學反應也隨之加速進行，一直到參與化

12、學反應的原始物質的濃度減小到接近于0，反應才逐漸停止。汽油機與柴油機的區別燃燒方式、放熱規律（預混與擴散）點燃與壓燃（著火機理）滯燃期內的過程單區著火與多區著火（火焰傳播）過量空氣系數雙區模型與單液滴模型的機理性解釋燃燒排放的特性不同調節方式不同（調質與調量）由燃燒而導致結構上的不同（燃燒室、供油、機體、運動件等等）汽油機與柴油機的區別內燃機排氣污染主要污染物： 微粒指標：體積分數、質量濃度 質量排放量 比排放量 CO排放與燃料、空燃比的關系柴油機排放與過量空氣系數汽油機排放與過量空氣系數CO的生成機理1.CO生成機理詳細過程尚未完全弄清，一般認為，生成步驟如下：其中：2.是一種中間產物，最終

13、生成情況視氧氣濃度而定HC的生成機理縫隙效應的解釋： 1.冷激效應 2.油膜與沉積物吸附 3.容積淬熄 4.碳氫化合物的后期氧化 NOx的生成機理高溫、富氧、均是 生成的有利條件NOx的生成機理分析 、 、 、 、 為反應速率常數。Newhall發現：在燃燒過程中，NO的生成速 率是比較慢的，在膨脹過程 中，NO的分解速率也是相當 慢，因此，對NO排放的分析 不能用化學平衡的方法，必 須用動力學方法。試驗可知：即最后可得：假定 和 處于平衡狀態即 ，PM排放物一.汽油機中，PM的主要成分是硫酸鹽二.柴油機中，PM的主要成分是碳煙內燃機排放特性汽油機穩定運轉瞬態運轉柴油機穩定運轉瞬態運轉汽油機穩態CO排放特性汽油機穩態HC排放特性汽油機穩態NOx排放特性汽油機瞬態運轉過程的排放冷啟動過量空氣系數1，氣缸溫度低，冷激效應明顯，HC、CO排放高，NOx排放低暖機過程過量空氣系數1，HC、CO排放高，隨著氣缸溫度升高，NOx排放逐漸升高加速化油器汽油機供汽很濃，CO、HC排放高電噴汽油機混合氣濃度穩定，排放與相應穩態工況點相似減速化油器發動機混合氣過濃，HC、CO排放高電噴汽油機減速時不噴油汽油機加速時的CO排放汽油機減速時的HC、CO排放柴油機穩態下CO排放柴油機穩態下HC排放柴油機