汽车发动机燃烧中热能分析

汽车发动机燃烧中热能分析

作者：刘庆超

来源：《环球市场信息导报》2011年第03期

摘要：对汽车发动机热能燃烧进行分析，建立预测汽车发动机能够充分燃烧的热能分析模型。相对于燃烧率，燃烧过程，燃烧产物进行分析，该文通过对数学模型的掌握和认识，分析了汽车发动机的热能的燃烧状况。

关键词：汽车；发动机；热能分析

1.汽车发动机燃烧过程

发动机的工作过程，一般包括进气、压缩、做功、排气。其中做功（包括燃烧和膨胀过程）是使内燃机发出强大动力的主要过程。而燃烧过程的完善与否也对内燃机的动力性能及排放状况有着重要的影响。发动机发动过程中热能消耗的程度直接影响着汽车行驶距离的长短，利用对汽车发动机内部能量燃烧效率效益的分析，可以得出汽车行驶与发动机发动功率之间的函数关系和模型基础判断，利用这些数据笔者可以分析出汽车发动机的工作效用。

对于发动机的燃烧过程是一般将柴油机燃烧过程分为预燃期、速燃期、缓燃期和后燃期这个阶段，其中预燃期燃料要完成吸收热量、提高温度、与空气混合等物理过程以及进行着火前的一系列准备过程。

从燃料开始着火到气缸内压力达到最高这段时期称为速燃期，在这一阶段，燃料迅速燃烧，气缸内的压力和温度急剧上升。从气缸出现最高压力到温度达到最高点这一时期称为缓燃期，在这一阶段，温度上升，工质压力开始下降。从温度最高点到燃油基本燃烧完全这段时间称为后燃期。这一阶段，由于燃烧室中的废气和燃料的中间产物的增多而氧分子减少，燃料分子与氧分子进行反应的机会减少，必然会使燃烧速度减慢。在这个时间阶段燃料分子可能在氧分子不足的情况下进行燃烧，发生热裂变，产生黑烟，造成燃烧不完全，影响燃烧的经济性和排气净化。所以，增加内燃机进气时的氧气含量，在燃烧阶段特别是缓燃阶段和后燃阶段加速提供氧气，提高可燃混合气形成的质量，是加速燃烧，缩短缓燃期，使燃烧完全，进而提高内燃机的动力性，改善废气排放的关键。

我国目前为了保证燃烧完全和彻底，提高动力性的驱动，一般采用增压的方法，就是提高气缸内的过多空气系数。这种方法基本上保证了燃烧的充分和完全，经济型指数较高，也因为空气量的增加，使内燃机在同一循环燃烧内有更多的燃料参与燃烧，动力性能也有大幅度的提高。由于空气数量增加，进入发动机气缸内的氧气数量也增加，氮气的数量也相应增加，使得内燃机的排气中的废物增加，导致汽车经济性能受限，排污严重，对环境造成一定的影响。

2.汽车发动机燃烧模型和效率分析

过程的排放包括燃料燃烧、非燃烧化学反应、燃料泄漏和蒸发等!但最主要的排放是燃烧

排放，其计算公式如下：

Di=[∑Ej •Sj•(∑kFijk •Sk)]式中：D为每生产1GJ燃料排放的污染物,g•1GJ-1 ,F为燃料过程的污染物排放系数，g•1GJ-1,S为比例系数；下标i是污染物种类，下标j是燃料种类，下标k 是燃料技术类型.燃烧模型的热量散发优势存在于对I,J，K三个参考量的理解和评估，I污染种类的理解要建立于污染排放的程度和物质组成，J类的燃烧种类主要看燃烧物体的构成，K的燃烧技术类型主要依托燃烧发动机的组成。

燃料过程的VOC，CO,NOX,CH4,PM10,N2O2,的排放系数可查有关环境排放手册；相对于SOX和CO2的排放系数可用硫平衡和碳平衡来计算:FSO2=2•10-6Us/Q,Fco2=[10-6Uc/Q-

(0.5FVOC+0.43Fco+0.75FCH4)]•0.367式中：为燃料密度，kg•m-3,Q为燃料的低热值，液体燃

料为KJ•kg-1气体燃料为和kg•m-3,US,UC分别为燃料中硫和碳的质量分数。

对于气体燃料的供给是在缸外进行的双燃料发动机的燃烧过程,既有引燃柴油的扩散燃烧,又有气体燃料的火焰传播,而且两者之间又互相影响,燃烧过程相当复杂。系统总的燃烧机理不是各单一组分燃烧机理的简单组合,各组分之间会产生相互影响,这种影响的大小与反应系统的热力状态、反应物和产物的初始浓度、各反应的反应趋势的相对强弱以及反应速率等因素有关,

3.汽车发动机燃烧产物的分析

汽车发动机燃烧后的排放主要是在汽车使用阶段，在汽车使用过程中大量使用燃料燃烧所产生了能量来源和污染排放，其中包括NOX，SO2，CO，等主要污染物，还有H2O,CO2相关物质的排放，我们对燃油在内燃机燃烧过后产生的燃烧产物进行分析的主要目的之一就是降低这些有害物质的排放，降低对环境的污染，减少排放气体。

针对NOX的排放其中主要包括NO2,NO,N2O等，其中最主要的是NO，在NO未能充分燃烧的情况下排出，主要是与O2和燃烧室的温度有正比关系，根据苏联科学家的判定O2的

质量分数增加，会使燃烧温度升高，NO的生成量也增加，因此须采取某些措施来降低NO的排放。

对SO2排放的原因分析，一般认为，燃料中的硫充分燃烧时，全部变成硫的氧化物：SOx，而大部分为SO2，它随燃烧产物一道排出，它的危害是与水汽结合生成H2SO4，它可以与大气中等的其他元素物质相结合，生成硫化物，最终会形成漂浮物和微粒物质，均含有有毒的化学元素和物质，这些物质均对人体有害，可以引起并加重呼吸器官的疾病与损害，污染空气，腐蚀一些合成纤维和塑料材料。

CO是燃油燃烧中间阶段所形成的产物，如果燃烧过程中的温度很低或O2缺乏，CO不能继续氧化而留在燃气中排出造成空气污染。若O2充足，则形成的CO同O2会继续发生化学

反应生成CO2，生成的CO2会与水汽一同排出排气管，CO2对环境无害，这样将不会对环境造成污染。所以，降低排气量中的CO含量最有效和直接的方式就是增加内燃机气缸中空气的氧气含量，在与燃料结合后充分帮助燃料燃烧，让CO重复燃烧后生成CO2。它的成因是燃料和空气混合气燃烧不完全所致。即使是空气过量系数≥1，燃烧产物也会含有一氧化碳。汽油机在浓混合状态下，能产生大量的CO，柴油机用稀混合气，由于混合气状态分布不均的特点，在气缸内分布不一致，导致CO的低浓度，它产生的危害是使排放的CO更快速的与人体内的血红素结合，人在吸入大量CO后，会让人体在生理上有剧烈反应，比如：会引起头痛、呕吐、耳鸣、全身无力、精神不振，甚至昏厥。当浓度超过900PPm时，长时间停留，使人肢体瘫痪，痉挛，直至死亡。

4.结论

综上分析可以得出关于发动机热能产生效应的认识，随着科学技术的快速发展，在提高发动机产生热能的同时对发动机排放的污染物的要求增加了，要求汽车发动机降低排污和尾气热量，在双向需求额情况下，我们要向着更加节能和降低污染的方向发展，。利用内燃机燃烧模型,可以分析气缸内燃烧的产生和火焰传播的具体情况,理解燃烧过程的机理,明确各种现象之间的内在关系,从而能够在内燃机设计阶段用来预测内燃机的不同结构参数和运转参数对内燃机性能产生的影响,有利于选型及优化设计,简化试验工作,缩短研制周期。

参考文献

[1]姚仲鹏，王新国．车辆冷却传热系统[M]．北京：北京理工大学出版社，2001

[2]许翔，毕小平．车用齿轮传动箱的传热仿真模型．机械传动，2003

[3]徐子平，孙玉萍．闭式液压系统热平衡计算探讨．液压与气动，1998

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