汽车发动机原理6章1(王建昕)

Department of Automotive Engineering,Tsinghua University,第二篇 燃烧与排放,汽车发动机追求的目标：,1970,年代,动力性、经济性，高效率,19701990,年代,低排气污染，,2000,现在,高效率,+,低污染,火花点火,（汽油机）,压缩着火,（柴油机）,缸内直,喷汽油机,均质压燃,汽,/,柴油机,本篇主要内容,第,6,章：燃烧的基础知识,第,7,章：柴油机的混合气形成与燃烧,第,8,章：汽油机混合气形成与燃烧,第,9,章：有害排放物的生成与控制；,第,10,章：新燃烧方法及替代燃料发动机,讨论与总结课,期末考试,第,6,章 燃烧的基础知识,6.1,燃烧现象及其分类,6.1.1,燃烧现象,人类文明的起源、热能机械的基础,燃烧过程包括：着火、燃烧,燃烧,是指燃料与氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。,着火,是指可燃混合气在一定压力、温度和浓度条件下，其氧化反应突然加速，以至出现火焰的现象。,着火阶段也称,滞燃期,*着火前也有氧化反应，如煤堆、压燃。,*,ICE,属周期性非稳定燃烧过程，,燃烧持续期,10-2ms,、,着火过程仅,:0.3-0.03ms,，,着火至关重要,着火及燃烧过程,6.1.2,燃烧方法分类,气相燃烧,燃料以气体状态与空气混合所进行的,燃烧；,固相燃烧,固体燃料没有挥发而在表面与空气进行燃烧；,汽油机和柴油机，均为,液体燃料,、,气相燃烧,(,反应）,1,、燃烧分类：,气相燃烧、固相燃烧,第,6,章 燃烧的基础知识,6.1.2,燃烧方法分类,2,、气相燃烧分类：,扩散燃烧、预混合燃烧,扩散燃烧,(Diffusion Combustion),着火前燃料与空气相互分离，着火后两者边混合边燃烧,（如煤气灶、蜡烛、锅炉、柴油机、液体燃料失火）,；,预混合燃烧,(Premixed Combustion),着火前燃料气体或燃料蒸气与空气已按一定比例形成均匀混合气,（如汽油机,、,瓦斯爆炸）,。,内燃机中所有燃烧一定属于两种燃烧中的某一类、或两种燃烧的组合。,例如,：,点燃式发动机,SI,（,汽油、气体燃料）,-,预混合燃烧,压燃式发动机,CI,（,柴油机）,-,基本属扩散燃烧,（初期有预混合燃烧）。,预混合燃烧的高速摄影,层流预混火焰：,均质、透明、亮度低,扩散燃烧特点：,非均质、明亮,层流扩散火焰：,黄（红）色、亮度较高,2,、预混合燃烧和扩散燃烧的对比,扩散燃烧,燃烧速度取决于混合速度,（混合气形成的影响极大）,；,a=1.2-6.8,，,稳定稀燃,；,浓度和温度分布不均匀，,易产生碳烟,；,有焰燃烧,；,无回火可能,。,预混合燃烧,燃烧速度取决于化学反应速度,（混合气形成影响不大）,；,a=0.8-1.2,，,难以稀燃,；,浓度和温度分布均匀，,不易产生碳烟,；,无焰燃烧,；,有回火可能，如汽油机进气管放炮,6.2,可燃混合气的着火与着火理论,内燃机的燃烧是周期性、非稳定、高速燃烧过程，着火特性对燃烧过程至关重要。,2,个着火理论,：,热着火,（早期）、,链式反应着火,（,30,年代）,6.2.1,热着火理论,P、T、n、n*,F,T,0,、P,0,对于如图所示的有边界的均匀混合气，根据化学反应动力学，其放热速率为：,（,6-1,）,n,分子总数，,n*,能,进行反应的分子数,C,反应常数，,R,气体常数，,E,活化能（使普通分子变为活化分子所需最小能量）。,1,、着火条件,散热速率：,dq,2,/dt = AF,（,T-T,0,）,（,6-2,）,热着火理论,着火的原因在于热量的积累，当,放热率,散热率,时，着火可能。,即 ：,dq1/dt,与,T,成,指数关系,dq2/dt,与,T,成,线性关系,2,、影响着火的因素,临界着火温度,Tc,受下列因素影响：,（,1,）,压力,（如图,5-3,）,Pc,，,Tc,（,碰撞概率）,（,2,）,燃料理化特性,见表,2,9,中，自然温度,2,、影响着火的因素（续）,（,3,）,a,a = 1,时，,Tc,最低；,对于某一,Tci,，,存在,浓限,和,稀限,；,对于所有,Tc,，,存在,贫油极限,和,富油极限,；,6.2,可燃混合气的着火与着火理论,热,着火理论并不能解释所有着火现象，如低温时着火现象（如图试验结果）、热以外的其他能量也能激发着火、多分子同时碰撞的概率（庚烷例）等。,C,7,H,16,+ 11O,2, 7CO,2,+ 8H,2,O,6.2.2,链式着火理论,（谢苗诺夫）,要点：,只要能以某种能量方式激发出,活性中心,就能引起着火,（活化分子的积累）,首先由反应物分子受激产生活性中心，然后通过,链式反应,产生着火。,6.2.2,链式着火理论,研究表明，烃类燃料在高温和低温条件下呈现不同的着火特性,低温多阶段,（,473600k,）,高温单阶段,（,9001200k,）,冷焰区、着火半岛,1,、低温多阶段着火过程,1,冷焰诱导阶段,直链反应，,ROOH+C,2,H,4,O,（,乙醛）,3,热焰,CO,CO,2,热焰,3,蓝焰阶段,HCHO CO ,蓝焰,2,冷焰阶段,ROOHHCHO,（,甲醛）,冷焰,烃燃料的低温多阶段着火过程,2,、高温单阶段着火过程,高温时，不经过冷焰阶段，直接到蓝焰,-,热焰，即高温单阶段着火。,具体的发动机着火过程：,低温多阶段,柴油机压燃、汽油机爆燃；,高温单阶段,汽油机火花点火、柴油机着火后的燃烧,*着火过程是一个复杂的“化学动力学”反应过程，尚有许多未知问题。,何谓湍流,（紊流，,Turbulence),流速大小及方向无规则变化的微元气体流动,判定标准,雷诺数,（,Reynolds Number,）,6.3,湍流,湍流的瞬时速度与平均速度,瞬时速度,u,脉动速度,u,T,平均速度,U,脉动速度,瞬时速度,u,平均速度,U,脉动速度,u,T,的相互关系如下,湍流强度,集总脉动速度的均方根值,6.3,湍流,湍流的瞬时速度与平均速度,湍流可以强化传热传质过程，因而促进燃油与空气的混合及燃烧,6.4,预制均匀混合气中的火焰传播,火核顺序点燃周围的混合气，以球面波向外传播；,火焰前锋面,火焰传播速度,v,L,火焰前锋面在,法线方向,上,相对于,未燃混合气的移动速度,燃烧速率,记，混合气质量为,m,，,混合气密度为,m,，,火焰前锋表面积为,F,L,，,则燃烧速率：,放热速率,记，燃烧放热量为,q,T,，,混合气热值为,H,um,，则放热速率：,汽油机中的火焰传播,1,、 火焰前锋面的结构,特征,：,很薄，厚度,=0.11mm,；,剧烈的化学反应,（,9095%,的化学能在前锋面上释放）,；,极大的温度和浓度梯度。,火焰前锋面的构造,2,、影响火焰传播速度的主要因素,混合气浓度,v,L,的最大值一般出现在,a,=0.9,（即,=1.1,）,附近,；,燃料特性,废气浓度,混合气温度,.,混合气运动状态,层流火焰,混合气静止或层流状态（雷诺数,Re,2300,）,下的燃烧；,湍流火焰,混合气处于湍流状态下的燃烧,层流火焰传播速度与当量比的关系,（,3,）层流火焰与湍流火焰,层流,（,Re,2300,）,前锋面薄且圆滑，,V,L,1 m/s,(,或,1.8),层流火焰传播速度过慢,(171,页例,) ;,实际发动机中的火焰传播是湍流火焰；,提高湍流程度，改善汽油机燃烧。,湍流,（,Re=2300,6000,）,前锋面变厚,出现皱折,V,T,V,T, Re,0.5,强湍流,（,Re,6000,）,严重皱折,其后有未燃区,V,T, ,V,T, Re,纹影摄像汽油燃烧,火花点火，层流火焰传播,火炬点火，湍流火焰传播,层流火焰与湍流火焰形态对比,小测验,判断以下说法的正确性（错误打,“,”,，正确打,“,”,）,a,）一般来说，二冲程低速柴油机的有效燃油消耗率比四冲程高速柴油机的有效燃油消耗率高（ ）,b,）一般来说，自然吸气四冲程汽油机的升功率,P,L,比自然吸气四冲程柴油机大,因而,P,me,也大（ ）,c,）加长进气歧管长度可以提高发动机高转速范围的充气系数（ ）,d,）正确的着火理论是,“,链式着火,”,而不是,“,热着火,”,（ ）,E),低温多阶段着火过程中，中间生成物的出现顺序是：甲醛、乙醛、,CO,、,CO2,。（ ）,？,