内燃机特性

• 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。
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可燃混合气形成
• 可燃混合气形成方式
– 空间雾化混合 – 油膜蒸发混合
• 燃油雾化的阶段描述 • 可燃混合气的衡量参数
• 与排放有关的参数，如通过高速采样获得的排放量。 • 缸内最高压力、最高压升率、最大放热率峰值、火
焰发展期、快速燃烧期等参数的循环变动。
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
着火温度与压力的关系
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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。
峰值压力、压升比与滞燃期
压缩终点与滞燃期
喷油时间与滞燃期
转速与滞燃期
增压压力与滞燃期
增压空气温度与滞燃期
滞燃期对燃烧过程的影响
• a.预混燃烧份额 • b.压升比 • c.最高爆发压力 • d.最高燃烧温度
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燃烧的化学反应描述
• 内燃机所使用的传统燃料是分子量不同的各种碳氢 化合物的混合物，碳氢化合物燃料的燃烧属于链式 反应。在一定条件(压力、温度)下，燃料中参与化 学反应的原始物质形成一定数量的活化中心，如生 成O、H、OH等自由原子和自由基，它们的化学价 都不饱和，这些自由原子和自由基将与原始物质继 续进行反应，形成新的反应链。由于链式反应不断 地分支和扩展，活化中心不断地产生，所以，化学 反应也随之加速进行，一直到参与化学反应的原始 物质的浓度减小到接近于0，反应才逐渐停止。
d
（低压）
0.54
0.18
S.M .D
4.12
Re10.12
We10.75
1 a
1 a
d
雾束贯穿距离：
大缸径静止空气：（Dent）
1
1
L
3.07
p
a
4
t
d
1 2
294 Ta
4
小缸径高速机： （新井公式）
1
1 2
L
2.95d
t
p
a
2
有涡流时：
Lf
1
L 1 2 L /U
油束夹角：
1
0.05
• 继续提问：为什么燃烧放热率会有转折点？
柴油机中的预混燃烧
• 柴油机在滞燃期内喷入气缸的燃油在经历 物理和化学准备期间形成了一定的积聚， 这种积聚的油气混合气在燃烧开始的时候 会以预混燃烧的方式进行反应，放出热量。
滞燃期
1. 组成： i ph ch
1. 物理滞燃期
ph
6.24103
exp
• 零件的应力增加
– 爆燃时，由于压力增长率和最高燃烧压力都增加，故相关零件上的 作用力也增加，易使受力件损坏。
• 此外，爆燃促使积炭形成，容易破坏活塞环、气门和火花塞 的正常工作；压力波冲击缸壁表面，使之不易形成油膜，导 致机件加速磨损。
其他不正常燃烧
• 表面点火
– 后火 – 早火 – 激爆
• 续走 • 部分燃烧、失火
爆燃的危害
• 输出功率、热效率降低
– 在强烈爆燃时，在自燃区形成一个压力脉冲以极高的速率向四周传 播，这个压力脉冲在气缸多次反射时产生高频（频率约为5kHz或更 高）振音。由于压力波冲击会破坏气缸壁面层流边界层，从而使向 气缸壁面的传热量大大增加，冷却损失增加，输出功率降低
• 发动机过热
– 发生爆燃时，破坏附面层，气缸盖、活塞顶面的温度上升。爆燃时， 燃烧室局部过热会产生表面点火。
燃期）有关。
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燃烧循环变动的表征参数
• 与气缸压力有关的参数
– 最高爆压及其相应的曲轴转角、最大压升率及其相应曲 轴转角、发动机平均指示压力等。
• 与燃烧速率有关的参数
– 最大燃烧速率、火焰发展曲轴转角、快速燃烧曲轴转角 等。
• 与火焰前锋位置相应的参数
– 火焰半径、火焰前锋面积、已燃和未燃的容积随时间的 变化曲线
过量空气系数、指示效率
机械效率
内燃机速度特性曲线
内燃机动力、排放特性的原理 分析
内燃机燃烧与排放
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
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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。
p d 2
a vg2
4
油雾衡量指标
•
油滴直径（索特平均直径）
S.M .D
ni
d
3 i
nidi2
• 喷雾锥角
– 由喷孔直径、喷孔厚度、喷孔的加工质量等决 定，一般在15~30度。
• 雾束贯穿距离
燃烧室、油束和涡流的配合
• 油束穿透率
L / L'
• 喷雾锥角 • 油束夹角
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柴油机的燃烧过程
柴油机与汽油机扭矩的速度特性
内燃机扭矩的速度特性分析
• 内燃机的扭矩可由下式表示：
Me
K
s
v
i
m
进气空气密度
• 非增压机的进气密度不变 • 增压机的进气 密度随增压度和 中冷度而变化：
充气系数（最大节气门位置）
• 汽油机Q • 柴油机C
增压汽油机ZQ 增压柴油机ZC
汽油机节气门开度不同时的充气效率
HuVK0e RT
C
n
F
T
T0
Байду номын сангаас
dQ1 dQ2 dT dT
E
H uVK 0e RT
C
n E RT 2
F
T
E 2R
1
1
4R E
T0
着火温度与压力的关系
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柴油机燃烧阶段划分
• 1.滞燃期 • 2.急燃期 • 3.缓燃期 • 4.后燃期
燃烧阶段划分的依据
• 喷油时刻：以发动机的喷油提前角为准。 • 燃烧始点：压力线脱离纯压缩线开始上升
• 柴油机着火的单液滴模型 • 内燃机的着火条件 • 柴油机燃烧阶段划分 • 滞燃期 • 放热规律
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柴油机着火的单液滴模型
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内燃机的着火条件
• 热自燃与链式反应
• 反应放热的规律：
• 传热规律：
Q1
HuV
E
K0e RT
C
n
Q2 F T T0
自燃的临界条件
Q1 Q2
E
表面点火与爆燃
• 表面点火和爆燃是两种完全不同的不正常 燃烧现象，爆燃是在电火花点火以后终燃 混合气的自燃现象，而表面点火则是炽热 物点燃混合气所致。但两者存在着某种相 互促进关系
汽油机燃烧室
• 设计要点：
– 缩短火焰传播距离； – 利用适当的湍流； – 合理分布温度高低及冷却情况；
• 典型燃烧室 1.楔形 2.浴盆形 3.碗形 4.半球形
速度特性
1.负荷不变（油泵齿条、节气 门位置不变）
2.由各稳态点组成的特性线
汽油机的速度特性
柴油机的速度特性
万有特性
1.负荷-速度-油耗的二维曲面
2.负荷特性 万有特性 3.速度特性 万有特性
万有特性图
万有特性作图法（1）
万有特性作图法（2）
内燃机速度特性分析
影响因素
柴油机喷油泵的速度特性
油、机体、运动件等等）
内燃机排气污染
主要污染物： 微粒 NOX CO HC
指标：体积分数、质量浓度 质量排放量 比排放量
CO排放与燃料、空燃比的关系
柴油机排放与过量空气系数
汽油机排放与过量空气系数
CO的生成机理
1.CO生成机理详细过程尚未完全弄清，
一般认为，生成步骤如下：
RH R RO2 RCHO RCO CO
3.53 823 0.22 T
p 34
0.78
d 1.77 25
1.74 0.74
TF 293
U0 0.17 200
2. 化学滞燃期
2. 影响因素
3. 对燃烧过程的影响
影响滞燃期的因素：
• 1.温度 • 2.压力 • 3.喷油提前角 • 4.转速 • 5.涡流速度 • 6.空燃比 • 7.雾化程度 • 8.添加剂和燃料种类
• 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
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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
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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
a.在垂直方向的气流作用下变扁平；
b.在RT不稳定表面波作用下，分裂成大 油滴；
c.在KH不稳定表面波作用下分裂成小油 滴。
油滴直径（索特平均直径）：
S.M.D
ni
d
3 i
ni di2
We
au2d
（高压）
S.M .D
0.38
Re10.25
We10.32
1 0
0.37
1 0
0.47
的时刻。 • 急燃期终点：？？ • 缓燃期终点：峰值压力处。 • 燃烧终点：燃烧物质基本上全部（99％）
燃烧完毕。？
放热规律
• 放热规律是燃料的燃烧放热速度与时间的 变化关系
250
200