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1、Department of Automotive Engineering Tsinghua University 汽车发动机原理 点燃式和压燃式内燃机的 工作过程、燃烧理论、性能分析以及参数调控 清华大学清华大学 汽车工程系汽车工程系 帅石金帅石金 博士博士 Email: sjshuai Phone: 010-62772515 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 讲课内容 第一篇 动力输出与能量利用 第1章 动力经济性能指标与影响因素 第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量 第二篇
2、 燃烧与排放 第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策 第8章 有害排放物的生成与控制 第9章 燃烧室与调节参数的优化 第三篇 运行特性与性能调控 第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性 燃料的理化特性燃料的理化特性决定了内燃机混合气形成和 着火方式，是造成内燃机不同工作方式的决定 因素。 燃料的热值燃料的热值（尤其是混合气热值），既是内 燃机原理的基础之一，也是影响动力性和经济 性“量”环节的主要因素之一。 工质的热力参数工质的热力参数对循环热效率有巨大的影响 ，是决定内燃机动力性、经济性“质”环节的 重要因素。 油品油品对
3、燃烧和排放有重要影响，是发动机满 足严格排放法规的关键环节之一。 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 讲课内容 第一篇 动力输出与能量利用 第1章 动力经济性能指标与影响因素 第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量 第二篇 燃烧与排放 第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策 第8章 有害排放物的生成与控制 第9章 燃烧室与调节参数的优化 第三篇 运行特性与性能调控 第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性 1. 燃
4、料及其理化特性 2. 汽油机与柴油机工作模式的差异 3. 工质及其热力特性 4. 燃烧热化学 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 发动机燃料的分类 发动机燃料分类: 常规燃料石油制品的液体燃料，即汽油和柴油。 代用燃料烃（碳氢）类、醇类、醚类、酯类 目的：替代能源、环保要求 1）按物态分类： 液体：甲醇CH3OH、乙醇C2H5OH 二甲醚CH3-O-CH3、生物柴油（甲脂） 气体：液化石油气LPG（丙烷、丁烯）、天然气CNG、LNG（甲烷） H2、沼气（CH4）、煤气（CO） 固体：煤粉、水煤浆 2）按成份分类： 烃
5、燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料（含氧生物燃料） 趋势：汽车燃料多元化（Diversification） Alternative Fuels Department of Automotive Engineering Tsinghua University “狼”来了？！ 2020 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 没有石油内燃机还能转吗？ 一次能源 二次能源（能源载体） Crude oil 石油Diesel（柴油） Natural gas 天然气Gasoline（汽油） Coal 煤炭LPG（液化石油气） Natu
6、ral gas (CNG)（天然气） Bio mass 生物能源 Methanol（甲醇） Ethanol（乙醇） RME（菜籽油） Nuclear energy 核能 Solar energy 太阳能Hydrogen（氢气） Fossil Fuels 化石 燃料 AF 替代 燃料 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 碳氢（Hydrocarbon）燃料的分类 n n AlkAlka anesnes or ParaffinsParaffins- single bonds between carbons - CnH2n+
7、2, e.g. CH4, C2H6 n n AlkAlke enesnes or OlefinsOlefins - one or more double bonds between carbons - CnH2n n n AlkAlky ynesnes or AcetylenesAcetylenes - one or more triple bonds between carbons - CnH2n-2 ,very reactive, higher heating value than alkanes or alkenes 烷烃 稀烃 炔烃 甲烷乙烷 异辛烷 乙烯 丙稀丁二烯 乙炔 Depar
8、tment of Automotive Engineering Tsinghua University 碳氢（Hydrocarbon）燃料的分类 n n AromaticsAromatics - one or more ring structures CnH2n-6/12 n n AlcoholsAlcohols - contain one or more OH groups 芳烃 醇 苯甲苯萘 甲醇乙醇 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 烃燃料的分子式CnHm （碳氢化合物也称为烃） C、H占97%98%，其余是
9、S、O、N 而煤中的 “灰分+水” 1760% 烃燃料的分类，主要掌握 以下几点： n C C原子数原子数C越多，化学稳定性越差，物理稳定性好，不易蒸发。（因为C 越多则链越长，越易断，但是一个很大的分子不易蒸发） n 分子结构分子结构： （1）“链链”与“环环” 环化学稳定性好，不易自燃 （2）“直链直链”与“支链支链”（或正烷与异烷）支链（异烷）的化学稳定性好，抗 爆好（如正庚烷C7H16，异辛烷C8H18，辛烷值分别为0和100） （3）“饱和饱和”与“不饱和不饱和”不饱和则不稳定，贮存中易氧化结胶（如烯烃） （4）“双键双键”和“单键单键”单键的化学稳定性差 烃燃料的分子结构与物化特性
10、 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 燃料碳原子数和分子结构对抗爆性的影响 燃料抗爆性比较： 1）环烷烃 正烷烃 2）异烷烃 正烷烃 3）烯烃 正烷烃 4）芳香烃 烷烃和烯烃 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 烷烃 稀烃 环烷烃 芳烃 甲基萘 碳原子数 十 六 烷 值 燃料碳原子数和分子结构对自燃性的影响 Department of Automotive Engineering Tsinghua University n n 热值（能量密
11、度）热值（能量密度） 燃料的热值由C/H比决定, 由于H比C的热值高（约3.7:1）, 柴油C/H 汽油C/H 汽油Hu（ 44000） 柴油Hu （42500） 但就单位质量来看，H燃烧所需要O（空气）多（约是C的3倍），因而 理论混合气热值：汽油=柴油 若实际中考虑，汽油在a =1，柴油在 a 1.2工作 则有可能混合气热值：汽油 柴油 n n 排放特性排放特性 C/H高，则排放特性差， CCO、CO2 有害 HH2O 无害 天然气（NG）、LPG的H含量高（0.25和0.182），所以其CO、黑烟、微 粒、CO2低于汽、柴油 燃料C/H比与热值和排放特性的关系 Department of
12、 Automotive Engineering Tsinghua University 发动机燃料的主要技术指标 1）自燃性：可燃混合气在一定温度、压力条件下自行着火燃烧的能力 n 自燃性对柴油尤其重要，自燃性差，则起动性差，工作粗暴 n 十六烷值是评价柴油自燃性好坏的指标 十六烷值 Cetane C16H34 HCC H H H H . . . . . . . HCC H H H H Cetane number CN = 100 C CC C C C C C C C HH H H HH H CH3 Cetane number CN = 0 a甲基萘 a Methylnaphtalene C1
13、1H10 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 燃烧室 Combustion chamber 压缩比 Compression ratio e 发动机转速 Engine speed 喷油时刻 Start of injection 燃烧始点 Start of combustion 着火延迟 Ignition delay 着火延迟调整 Ignition delay adjustment 涡流燃烧室 Swirl chamber 可变 Variable (7 - 28) 900 rpm 13 CA BTDC TDC 13 CA
14、改变压缩比 Variation of e 燃油十六烷值的测量条件 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 测量燃料十六烷值和辛烷值的CFR发动机 Adjustment of compression ratio 调整压缩比 Worm shaft 蜗杆轴 CFR engine was developed by the American Cooperative Fuel Research Committee.燃料研究联合协会 专用的带有爆震传感器的可变 压缩比单缸发动机。 缸径/冲程85/115 Department of A
15、utomotive Engineering Tsinghua University 发动机燃料的主要技术指标 2）抗爆性：燃料不发生爆燃（Knock）的能力 n 抗爆性对汽油来说非常重要，希望自燃性差，抗爆性好 n 辛烷值是评价汽油抗爆性好坏的指标 CCCCCCCH HHHHHHH H HHHHHHH 异辛烷 Iso-Octane C8H18 Octane number 100 辛烷值100 正庚烷 n-Heptane C7H16 Octane number 0 辛烷值0 CCCCC H H H H HHH H H Department of Automotive Engineering Ts
16、inghua University 辛烷值马达法和研究法的测量条件 运行条件 Operaitions 马达法辛烷值 MON 研究法辛烷值 RON 发动机转速 Engine speed900 rpm600 rpm 着火 Ignition f (e) 1926 CA BTDC constant 13 CA BTDC 混合气预热 Pre-heating of mixture149 Cnone 空气预热 Pre-heating of air38 C52 C 压缩比 Compression ratio e可调整的adjustable 表示在高转速、全负荷 情况下的抗爆性 表示加速情况下的抗爆性 RON MON RONMON燃料的敏感性 Department of Automotive Engineering Tsinghua University 发动机燃料的主要技术指标 3）蒸发性 （1）饱和蒸汽压：在规定条件下 燃油和燃油蒸汽达到平衡状态时， 燃油
