内燃机学涂德浴.pptx

第三章第三章 内燃机的工作循环内燃机的工作循环第一节第一节 内燃机的理论循环内燃机的理论循环 第二节第二节 内燃机的燃料及其热化学内燃机的燃料及其热化学 第三节第三节 内燃机的实际循环内燃机的实际循环 第四节第四节 内燃机循环的热力学模型内燃机循环的热力学模型 第一节第一节 内燃机的理论循环内燃机的理论循环 内燃机的实际热力循环实际热力循环实际热力循环实际热力循环是燃料的热能转变为机械能的过程，它由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气进气、压缩、燃烧、膨胀和排气进气、压缩、燃烧、膨胀和排气进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成。在这些过程中，由燃料与空气组成的工质，无论在质或量上都时刻发生着变化伴随着各种复杂的物理、化学过程物理、化学过程物理、化学过程物理、化学过程，同时，机械摩擦、散热、燃机械摩擦、散热、燃机械摩擦、散热、燃机械摩擦、散热、燃烧、节流烧、节流烧、节流烧、节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在，要要要要准确地从理论上描述内燃机的实际过程，在目前条件准确地从理论上描述内燃机的实际过程，在目前条件准确地从理论上描述内燃机的实际过程，在目前条件准确地从理论上描述内燃机的实际过程，在目前条件下还是十分困难的下还是十分困难的下还是十分困难的下还是十分困难的。为了分析内燃机中燃料热能利用的完善程度及其主要影响因素，进而为提高能量利用率指明方向，通常将实际循环进行若干简化，忽略一些次要的影响因素，并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、化学过程如可燃混合气的准备与燃烧过程等进行简化处理，从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环，通常称之为内燃机的理论内燃机的理论内燃机的理论内燃机的理论循环循环循环循环。1)用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，以明确提高以理论循环热以理论循环热以理论循环热以理论循环热效率为代表的经济性效率为代表的经济性效率为代表的经济性效率为代表的经济性和以平均压力为代表的动力以平均压力为代表的动力以平均压力为代表的动力以平均压力为代表的动力性性性性的基本途径。2)确定循环热效率的理论极限确定循环热效率的理论极限确定循环热效率的理论极限确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。3)有利于分析比较内燃机不同热力循环方式不同热力循环方式不同热力循环方式不同热力循环方式的经济性和动力性。一、对理论循环进行研究的目的对理论循环进行研究的目的：1)以空气作为工作循环的工质，并视其为理想气体理想气体理想气体理想气体，在整个循环中的物理及化学性质保持不变，工质比热容为常数。2)不考虑实际存在的工质更换以及泄漏损失，工质的工质的工质的工质的总质量保持不变总质量保持不变总质量保持不变总质量保持不变，循环是在定量工质下进行的，忽略进、排气流动损失及其影响。3)把气缸内的压缩和膨胀过程看成是完全理想的绝热完全理想的绝热完全理想的绝热完全理想的绝热等熵过程等熵过程等熵过程等熵过程，工质与外界不进行热量交换。4)分别用假想的加热与放热过程假想的加热与放热过程假想的加热与放热过程假想的加热与放热过程来代替实际的燃烧过程与排气过程，并将排气过程即工质的放热视为等容放等容放等容放等容放热过程热过程热过程热过程。二、简化假设二、简化假设三、内燃机理论循环的三种基本形式三、内燃机理论循环的三种基本形式根据燃烧过程加热方式的不同假设，可以得到如下基本形式：根据燃烧过程加热方式的不同假设，可以得到如下基本形式：其中，等容加热循环称为其中，等容加热循环称为OttoOtto循环，对应点燃式内燃机（如汽油机）；循环，对应点燃式内燃机（如汽油机）；等压加热循环称为等压加热循环称为BraytonBrayton循环，对应燃气轮机、高增压和低速大型柴循环，对应燃气轮机、高增压和低速大型柴油机（上止点后开始燃烧）；混合加热循环称为油机（上止点后开始燃烧）；混合加热循环称为DieselDiesel循环，对应一般循环，对应一般压燃式内燃机（如柴油机）。压燃式内燃机（如柴油机）。k:流动工质在状态变化(由一种状态转变到另一种状态)过程中若不与外界发生热交换，则该过程称为绝热过程。若绝热过程没有(或不考虑)摩擦生热，即为可逆绝热过程根据熵的定义，在可逆绝热过程中熵(S)值不变(S常数)，故可逆的绝热过程又称为等熵过程。例如，流体流经节流元件时，因为节流元件很短，其与外界的热交换及摩擦生热均可忽略，所以该过程可近似认为是等熵的在此过程中，流体的压力P与比容V的k次方的乘积为常数，即PVk常数，k称为等熵指数。当被测气(汽)体服从理想气体定律时，等熵指数等于比热比，即定压比热Cp与定容比热Cv之比值CpCv。在绝热过程中，比热比又叫绝热指数。几个概念几个概念1、等熵指数、等熵指数2、压缩比、压缩比压缩比c：就是发动机混合气体被压缩的程度，用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积(即燃烧室容积)之比来表示。3、压力升高比、压力升高比o：等压加热过程的容积增加比p：等容加热过程的压力升高比4、初始膨胀比、初始膨胀比四、三种理论循环的热效率四、三种理论循环的热效率 t和平均压力和平均压力pt推导（了解）推导（了解）1循环热效率 t（以混合加热循环为例）按照定义，t=W（J）/Q1（J）=（Q1-Q2）/Q1=1（Q2/Q1）其中，W为工质循环所做的功；Q1为循环加热量；Q2循环排出热量。因为，Q2=Cv（Tb-Ta）-定容放热Q1=Cv（Tz-Tc）+Cp（Tz-Tz）-混合加热令k=Cp/Cv工质绝热指数（等熵指数）所以 注意，a-c过程为绝热压缩过程；c-z过程为等容加热过程；z-z过程为等压加热过程；z-b过程为绝热膨胀过程；b-a为等容放热过程；所以，各温度比表达式可以写成如下：其中，c为绝热压缩过程的压缩比；为绝热压缩和绝热膨胀过程的绝热指数；p为等容加热过程的压力升高比；o为等压加热过程的容积增加比（预胀比）；=vb/vz为绝热膨胀过程的容积增加比（后胀比）-=c/o将各温度表达式代入循环热效率t，可得：可见，理论循环热效率t仅与c压缩比、绝热指数、p压力升高比、o预胀比有关。令预胀比o=1，则：循环变成等容加热循环；令压力升高比p=1，则：循环变成等压加热循环。表达式可以写成：三种理论循环热效率及循环特点的比较三种理论循环热效率及循环特点的比较2 循环平均压力循环平均压力pt（以混合加热循环为例）以混合加热循环为例）定义为单位气缸容积所做的循环功，即，pt=W/Vs（Pa其中，W-循环功（J）Vs-气缸工作容积（m3）按照定义，W=（Q1-Q2）=Q11（Q2/Q1）=Q1t因为混合循环加热量可以写成（等容加热和等压加热之和）：Q1=mCv（Tz-Tc）+mCp（Tz-Tz）所以将各温度表达式代入上式，可得：由压缩比定义c=Va/（Va-Vs），可以得到Vs=Va（c-1）/c再将热力学关系式：Cv=R/（k-1）；Ta=paVa/mR代入上式，得令预胀比o=1则：循环变成等容加热循环；令压力升高比p=1则：循环变成等压加热循环。表达式可以写成：分析比较：分析比较：提高压缩始点的压力和压缩比（t也提高），三种循环的平均压力均增加；提高等容循环的压力升高比，平均压力增加（虽然t不变）；提高等压循环的预胀比o，从p-v图可知，平均压力增加（虽然t减少）；对于混合循环，比较复杂。在Q1不变时，增加o，则须减少，因循环热效率降低，使循环平均压力降低。五、理论循环结论及指导实际工作的限制五、理论循环结论及指导实际工作的限制1 理论循环结论理论循环结论提高压缩比，可以提高循环热效率，但随压缩比提高，热效率提高幅度逐渐降低。绝热指数增加，可以提高（由于工质最高温度增加、循环温度差增加、膨胀比提高）循环热效率。增加压力升高比，可以提高循环热效率。增加压缩比和压力升高比，可以提高循环平均压力，但将导致最高循环压力的急剧增加。增大预胀比，可以提高循环平均压力，但导致循环热效率的降低（由于等压加热量是在膨胀比不断降低的条件下加入的）。在压缩比一定条件下，要提高混合循环的热效率，应该增加等容加热部分。在最大循环压力一定条件下，要提高混合循环的热效率，应该增加等压加热部分，同时增加压缩比。提高压缩始点的压力，循环的平均压力增加。2 指导实际工作的限制指导实际工作的限制用增加压缩比和压力升高比方法，来提高循环平均压力和热效率，是以最高循环压力的急剧增加为代价的。计算表明：在压缩比为16、加热量不变条件下，压力升高比由1.75增加到2.25，预胀比从1.5降低到1.3，混合循环的热效率和平均压力仅增加2%左右，而最大压力却急剧增加28%。同样，在预胀比为1.75、加热量不变条件下，压缩比由16增加到20，预胀比从1.5降低到1.35，混合循环的热效率和平均压力仅增加1.4%左右，而最大压力却要增加35%之多。可见，为取得热效率和平均压力的微小提高，却要付出最大压力的急剧升高的代价。Pmax的提高，对承载零部件的强度提出了更高的要求。加重了发动机质量、增加体积和制造成本，降低使用寿命和可靠性。因此，在实际工作中，应仔细选择上述参数。1）结构条件限制）结构条件限制2)机械效率限制机械效率限制机械效率与缸内最大压力有密切关系，因为，Pmax决定了活塞连杆机构的质量、其惯性力和主要承压面积大小等。大幅度提高压缩比和压力升高比，必然会带来机械效率的下降，从而使由于、提高所获得的循环效率与平均压力的收益，得而复失。这一点对于柴油机来说，是一个很明显的问题。国外柴油机最新发展的一个趋势，通过降低压缩比来提高柴油机整机的经济性，其出发点就是减少摩擦损失。3)燃烧过程限制燃烧过程限制若压缩比定得过大，压缩终点的压力和温度就会上升过多，对于汽油机：容易产生爆震燃烧、表面点火等不正常现象；对于柴油机：压缩终点时的气缸容积就会变得很小，给燃烧室设计带来困难，甚至不利于高效率燃烧，造成得不偿失的后果。4)排放方面的限制排放方面的限制循环供油量的增加取决于实际吸入气缸内的空气量，即空然比的限制，否则将导致燃烧不完全而出现冒烟、热效率下降和发动机HC、CO排放激增。另外压缩比上升，使最高燃烧温度和压力上升，发动机的NOx的排放增加，振动噪声增加。由于上述各种限制，目前发动机的参数范围如下：柴油机=12-22=1.3-2.2pmax=7-14MPa汽油机7-122.0-4.03-8.5发动机参数范围发动机参数范围第二节第二节 内燃机的燃料及其热化学内燃机的燃料及其热化学o一、内燃机的燃料一、内燃机的燃料 o二、燃烧热化学二、燃烧热化学 石油从哪里来？石油从哪里来？(补充补充)石油，关系到国家的安全，经济的发展，被称为“现代社会的血液”的神奇液体是从哪里来的呢？石油和天然气主要来自地质时期埋藏的生物，石油作为多种烃类（碳与氢的化合物）的混合物，它主要来源于微生物。微生物死亡以后沉淀于较深的海底或湖底，这里的还原环境使它保存下来并与沉积物一起被深埋。当埋深还不够大时，只有几十度的地温使厌氧的甲烷菌群落还能生存，它们以沉积物中的有机质为“食”，代谢的产物是甲烷，从而形成生物气藏。随着沉积物的成岩过程，埋深加大、温度更高，用石油地质学家的话来说，有机质越来越成熟了。在自然催化物的作用下，这期间以经过化学反应生成液态烃为主，即生成石油。一、内燃机的燃料一、内燃机的燃料包括-石油燃料；气体燃料；代用燃料。目前以石油（通常是液体）燃料为主。（一）石油燃料（一）石油燃料内燃机所使用的液体燃料基本上来源于天然石油。在天然石油中，绝大部分元素是以碳氢化合物的形式存在的，称之为烃，分子式为CnHm。碳、氢两种元素所组成的体积之和占总量的97%98%，还有一些少量元素，如氧、氮、硫等。1、石油中烃的分类、石油中烃的分类从化学结构上看，石油基本上是由脂肪族烃、环烷族烃和芳香族烃等各种烃类组成的混合物。脂肪族烃包括烷烃和烯烃。烷烃：是一种饱和链状分子结构（碳链上碳原子的键位由氢原子完全充满，碳与碳之间仅有单键存在）。其中直链式排列的正构烷热稳定性低，在高温下易分裂，滞燃期短，适合作柴油机的燃料。非直链（支链）排列的异构烷抗爆性强，自行着火的倾向比正构烷小得多，适合作汽油机的燃料，并且常用异构烷来作为评价汽油燃料抗爆性的标准。见下表烯烃：是一种不饱和的链状烃（碳原子的键位并未由氢原子来完全充满，碳与碳之间有双键存在），其热值较低，着火性能差，只适合作汽油机的燃料（抗爆性好）。炔在原油中不存在，有三阶碳键，很不稳定，常温下易分解。环烷烃是一种环状分子结构的饱和烃（碳与碳之间只有单键存在），分子式与烯烃相同。热稳定性和自着火温度比直链烷高，适合作汽油机的燃料，不宜作柴油机燃料。芳香族烃含氢原子数少且具有双键和环状结构，见下表，难于氧化形成过氧化物，因而具有较高的化学和热稳定性，在高温下分子不易分裂，抗爆燃性能极强，自燃温度比脂肪族烃和环烷族烃高，也适合作汽油机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂。其中，属于芳香烃的甲基萘与正十六烷还用作评定柴油机自燃性能（十六烷值的标准资料。炼制过程典型的工艺流程有直接蒸馏法和裂解法。前者是将原油在专用的炼油塔(分馏塔)中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的25一40；后者是将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成分。其中，通过加温加压的方法进行裂解的称为热裂解法，使用催化剂(触媒)进行裂解的称为催化裂解法。2.石油的炼制方法与燃料石油的炼制方法与燃料(补充）补充）热裂解法工艺简单，但由于所得到的燃油稳定性较差，一般还需要进行催化裂解等炼制过程，以保证质量一般商品燃料都是多种烃类的混合物，且是各种炼制工艺所得油料的调和产物。为了提高汽油燃料的辛烷值，现在大量采用催化重整工艺，即将低辛烷值的汽油在铂、铼等催化剂的接触催化下进行重整，使其辛烷值水平得到进一步提高不同的炼制工艺得到的油料，其理化性质也是不同的。下表给出了不同炼制工艺对油料性质的影响。总体上，直馏法的汽油辛烷值低、柴油十六烷值高；催化裂解法可以得到品质较高的汽油和柴油燃料的特性对内燃机的功率输出、燃油消耗以及可靠性均有较大的影响；同时，不同内燃机对燃料的要求也是不同的。下面分别介绍柴油及汽油的物理及化学性质。对柴油机来说，与其性能有关的燃料特性是自燃温度、馏程、粘度、含硫量等，其中，以自燃温度和低温流动性(凝点)影响最大。(二二)柴油的理化性质柴油的理化性质1）自燃温度和自燃性）自燃温度和自燃性定义：柴油在无外源点火的情况下，能够使柴油自行着火的最低温度称为自燃温度。柴油能够自行着火的性质，称之为柴油的自燃性，柴油的自燃性用十六烷值衡量。十六烷值的评定方法：（用两种自燃性能截然不同的标准燃料进行比较）正十六烷C16H34，自燃性很好，十六烷值定义为100；-甲基萘C11H10，自燃性很差，十六烷值定义为0。十六烷值测试方法十六烷值测试方法在标准的专用试验机上，分别对待试柴油和一定混合比例的正十六烷与甲基萘混合液进行自燃性比较；当两者自燃性相同时，混合液中正十六烷的容积百分比，即为所试柴油的十六烷值。十六烷值高的柴油，其自燃温度低，滞燃期短，有利于发动机的冷起动，适合于高速柴油机使用，但过高十六烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造成排气过程中的碳烟。因此，一般情况下，常限制柴油的十六烷值在65以下。温度降低时，柴油中所含的高分子烷族烃(如石蜡)和燃料中夹杂的水分开始析出并结晶，使原来呈半透明状的柴油变得浑浊，达到这一状态的温度值就是柴油的浑浊点。当温度再降低时，柴油即完全凝固，此时的温度称为凝点。我国的国标中对轻柴油的标号，即是按照柴油的凝点来规定的。如国产0号柴油固点为0，适合夏季使用。-20号柴油凝固点为-20，适合冬季或寒冷地区使用。选用轻柴油要根据不同的使用地区和季节条件。2)低温流动性低温流动性(浊点与凝点浊点与凝点)(三三)汽油的理化性质汽油的理化性质汽油是100多种烃的混合物，碳的质量分数为8587%,氢的质量分数为1315%。汽油最重要的理化性能是抗爆性，用辛烷值表示；其次是挥发性，它对发动机的冷启动、瞬态工况和燃油蒸发排发都有很大影响。表示液体燃料汽化的倾向，与燃料的馏分组成、蒸气压、表面张力以及汽化潜热等有关。由于汽油是烃类的混合物，没有一定的沸点，在进行蒸馏时，随温度的上升，按照馏分的由轻到重，逐次沸腾。汽油馏出的温度范围称为馏程。汽油蒸发般以蒸发馏程中馏出一定比例的燃料时所对应的温度来表示。10馏出温度越低，则汽油机在低温下越容易起动，但过低的馏出温度，在高温下容易发生气阻；50馏出温度表示汽油的平均挥发性，是保证汽车加速性和平稳性的重要指标；90馏出温度和终馏温度过高，易产生积碳并稀释曲轴箱润滑油。一般初馏点为4080，终馏点为180210。1)挥发性挥发性 汽汽汽汽油油油油的的的的饱饱饱饱和和和和蒸蒸蒸蒸气气气气压压压压是用标准仪器在一定条件下(38)测定的。蒸气压高，挥发性强、汽油机容易起动，但产生气阻倾向和挥发损失也大。一般规定蒸气压在夏季不低于74kPa；、冬季不大于88kPa。总而言之，汽油的挥发性应当满足发动机冷起动和暖车过程在内的所有工况的要求，但挥发性过高，会增加因蒸发而形成的有害HC排放物。汽油挥发性的表示：汽油的饱和蒸气压汽油挥发性的表示：汽油的饱和蒸气压汽油挥发性的表示：汽油的饱和蒸气压汽油挥发性的表示：汽油的饱和蒸气压 燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性。它是汽油燃料一项十分重要的指标，而且随燃料化学成分的不同差别很大。烷烃抗爆性最差，烯烃次之，环烷烃较好，芳香烃最好。在同一种烃内，轻馏分优于重馏分，异构物优于正构物。汽油的抗爆性是以辛烷值来表示的，我国车用汽油的代号就是以辛烷值命名的。从炼制工艺来看，直馏汽油的辛烷值最低，热裂解汽油的辛烷值较低，而催化裂解、重整汽油的辛烷值较高。2)抗爆性抗爆性汽油的抗爆性是以辛烷值来表示的。汽油的抗爆性的评价也是基于两种标准燃料：辛烷值为100的抗爆性能较佳的异辛烷C8H18和抗爆性较弱、辛烷值为0的正庚烷C7H16。在专用的试验机上，将所试油料的爆燃强度同标准混合液(异辛烷与正庚烷按一定比例混合的混合液)的爆燃强度相比较，当两者相同时，标准混合液中所含异辛烷的体积分数，即为所试油料的辛烷值。根据试验规范的不同，所得的辛院值分别称为马达法MON或研究法RON辛烷值。由于马达法规定的试验转速(900r/mim)和混合气温度(150C)比研究法（600，不预热）的高（易爆震），所以，用马达法测定的辛烷值要比研究法辛烷值低。两者的差别，反映了燃料对发动机强化程度的敏感性，差别越大，越是敏感。前苏联采用马达法辛烷值，欧美各国采用研究法辛烷值，我国以前采用马达法，现在生产的汽油是按研究法辛烷值分级的。我国生产的汽油是按研究法辛烷值RON分级，无铅汽油分为90、93、97三个牌号。辛烷值试验方法辛烷值试验方法 不不断断提提高高汽汽油油燃燃料料的的辛辛烷烷值值，以以适适应应发发动动机机强强化化的的需需求求，是是汽汽车车工工业业对对于于石石油油化化工工工工业业提提出出的的要要求求。提提高高辛辛烷烷值值的的传传统统方方法法，是是在在汽汽油油中中添添加加高高效效抗抗爆爆剂剂如如四四乙乙铅铅Pb(CPb(C2 2H H5 5)4 4，但但由由于于该该添添加加剂剂含含铅铅量量高高，对对人人体体及及环环境境有有较较为为严严重重的的危危害害，同同时时还还会会使使排排气气催催化化转转换换器器中中的的催催化化剂剂严严重重中中毒毒而而导导致致失失效效，我我国国于于20002000年年禁禁止止生生产产和和使使用用。目目前前，提提高高汽汽油油辛辛烷烷值值的的主主要要措措施施是是采采用用先先进进的的炼炼制制工工艺艺和和使使用用高高辛辛烷烷值值的的调调和和剂剂，如如加加入入甲甲基基叔叔丁丁基基醚醚(MTBF)(MTBF)、乙乙基基叔叔丁丁基基醚醚(ETBE)(ETBE)或或醇醇类类等等高高辛辛烷烷值值调调和和剂剂，以以获获得得较较高高辛辛烷烷值值而而无无其其他他不不利利于于环环保保的的副副作用。作用。提高辛烷值的措施提高辛烷值的措施汽油和柴油的物性差异决定了汽油机和柴油机在混合气形成、着火和燃烧上的差异(补充内容补充内容)o1）混合气形成混合气形成 汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：外部形成 内部形成 均匀混合气 非均匀混合气 较小 较大 量调节（负荷）质调节（负荷）o2）发火方式）发火方式 汽油机：汽油机：柴油机柴油机：外源点火 自行着火 单火源发火 多火源着火 o3）燃烧方式）燃烧方式 汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：以火焰传播方式为主 以扩散燃烧方式为主 接近等容燃烧 接近先等容后等压燃烧（三）气体燃料（三）气体燃料内燃机所用的气体燃料主要有天然气、液化石油气、煤层气、氢气、煤气、沼气等，下面简单介绍天然气与液化石油气。1、天然气天然气存在于自然界中的一种可燃气体，其主要成分为甲烷CH4，其容积比可达95以上，还包括少量的乙烷C2H6及丙烷C3H8等。天然气的热值和辛烷值均较高，作点燃式发动机的燃料时，通过适当的技术措施（如提高压缩比等），可以得到接近原发动机的动力性能。天然气又是一种比较洁净的能源，特别是压缩天然气，便于存储，配合相应的基础设施（如加气站）的建设，在城市车辆如公共汽车、出租车中具有广阔的应用前景。2、液化石油气液化石油气是天然石油气或石油炼制过程中生产的石油气，主要成分是丙烷、丁烷，以及少量丙烯、丁烯及其异构物。在常温下加压，可以变成液体燃料，其单位容积热值高于天然气，可以作为汽油机的燃料，还可获得较好的排放性能。（四）代用燃料（四）代用燃料石油化石燃料以外的燃料，称为代用燃料。因为自然界的石油资源是有限的，寻求发动机的代用燃料，是当前内燃机研究中的热门课题。代用燃料的种类很多，这里主要介绍醇类燃料和植物油燃料，其他代用燃料还有人造汽、柴油、二甲醚、氢燃料、煤浆燃料等。1、醇类燃料醇类燃料主要是指甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH，是一类含氧燃料，燃烧后排气有害成分很少。醇类燃料的来源：甲醇可以从天然气、煤、生物质等原料中提取；乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。醇类燃料是液体燃料，可以沿用传统的石油燃料的运输、贮存系统，基础设施建设投入少，发动机动力性与经济性可以接近或超过原有汽油机或柴油机，因而是一种很有发展前景的代用燃料。自70年代以来，不少国家已开展对醇类燃料的研究。我国山西利用煤制甲醇作汽车燃料已应用多年；利用玉米发酵制成乙醇，再调制成乙醇汽油的工作正在国内进行。醇类燃料与汽柴油的比较醇类燃料与汽柴油的比较热值低，因含氧，混合气热值并不低；消耗量大，热耗率也不低。汽化潜热高，使进气温度降低，可以增加进气量，提高功率。高辛烷值，对提高压缩比有利；十六烷值低，不宜在柴油机中用。沸点低，产生气阻的倾向大，要采用相应的措施。另外甲醇有毒，对金属有一定的腐蚀，使用中应采取相应措施。2、植物油燃料植物油分为可食用与非食用的两大类：大多数植物油的主要化学成分是甘油三酸酯，即由一个分子的甘油（丙三醇）和三个分子的脂肪酸以酯键连接组成的复合物。其特性为：植物油的热值均比柴油低。加热时易产生分解，除少量轻成分挥发外，大部分变成胶状物，很难获得蒸馏特性。植物油的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以雾化特性差，燃烧不充分，积碳严重。植物油的十六烷值也较低，但经过酯化处理后，其着火性能可以得到改善。但目前植物油主要在柴油机上试用。常见的含油量较高的植物有：大豆、油菜、花生、向日葵等，从燃烧角度看，各种植物油的特性基本相同。植物油是一种可再生能源，对于石油资源贫乏、农业发达国家与地区，有积极的潜在意义。从长远角度来看，在我国发展非食用植物油作为燃料不足的补充，具有战略意义。燃料的燃燃料的燃烧过烧过程程就是燃料与空气中的氧进行氧化反应而放出热量的过程。就是燃料与空气中的氧进行氧化反应而放出热量的过程。在已知燃料中各元素成分的前提下，通过质量守恒关系，可以求得可燃混在已知燃料中各元素成分的前提下，通过质量守恒关系，可以求得可燃混合气组成与燃烧产物之间的关系式，以便为分析内燃机的实际循环特别是合气组成与燃烧产物之间的关系式，以便为分析内燃机的实际循环特别是燃烧过程提供理论依据。燃烧过程提供理论依据。二、燃烧热化学二、燃烧热化学 几个有关内燃机燃烧热化学方面的概念几个有关内燃机燃烧热化学方面的概念1 1、化学计量空燃比：、化学计量空燃比：、化学计量空燃比：、化学计量空燃比：1kg1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量燃料完全燃烧所需的理论空气量l lo o（kg/kgkg/kg）设燃料的主要成分为：碳（设燃料的主要成分为：碳（C C）、氢（）、氢（H H）、氧（）、氧（O O）；）；理论上，当氧充分时，燃料中的碳元素和氢元素可以完全被氧化为二理论上，当氧充分时，燃料中的碳元素和氢元素可以完全被氧化为二氧化碳和水，空气中的氮则不参与任何反应。氧化碳和水，空气中的氮则不参与任何反应。即即C+OC+O2 2=CO=CO2 2；H H2 2+1/2O+1/2O2 2=H=H2 2O O考虑一种通用的碳氢化合物，其平均分子组成为：CcHhOo（下角c、h、o分别表示相应元素的原子数），空气认为是多种理想气体的混合气体，按容积计，其组成成分为：氧占20.95%，氮占78.90%，其余0.93%为其他气体。于是，根据原子数平衡关系式，可以写出碳氢燃料在空气中完全燃烧时的化学反应式 上述方程式定义了燃料与空气在完全燃烧时对应的摩尔关系。根据这一关系式，1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量(质量)之比(称为化化化化学学学学计计计计量量量量空空空空燃燃燃燃比比比比)，可以采用下式计算 式中，lo的单位为kgkg。因内燃机所用燃料为各种碳氢化合物的混合物，通常难于准确确定C、H、O三种元素的原子数c、h及o。但可以通过化学分析的方法，得到这三种主要元素的质量比：记为gC、gH、gO。根据定义式，有所以，l0可以写成：国产汽油中：C、H、O质量分数分别为0.855、0.145和0；国产柴油中：三种元素质量分数分别为0.870、0.126和0.004。带入l0式得：汽油：l014.796kg/kg，近似14.8柴油：l014.297kg/kg，近似14.3可见，汽油的理论空气量比柴油的大。在实际应用时，也有用化学计量燃空比的概念来反映每千克空气在完全燃烧的前提下所能消耗的燃料质量，其值为空燃比的倒数燃料热值Hu：一公斤燃料燃烧后所放出的热量，称为燃料的热值。在高温燃烧产物中，水是以蒸汽形式存在，其汽化潜热不能利用。当计入这部分汽化潜热时，称为燃料的高热值。不计这部分汽化潜热时，称为燃料的低热值。因内燃机排温较高，废气中水的汽化潜热不能利用，所以，应该使用低热值。混合气热值Qmix：发动机实际工作时，在气缸工作容积和进气条件一定时，每循环工质的加热量，取决于单位体积的可燃混合气的热值，而不是取决于燃料的热值。可燃混合气热值用kJ/kmol；或kJ/m3标准来计，设一公斤燃料形成可燃混合气的数量为M1，其低热值为Hu，则Qmix=Hu/M1=Hu/Lo+1/mT（kJ/kmol）因混合气M1随过量空气系数变化，当=1时，称为理论混合气热值（有表可查）。2 2、燃料热值与混合气热值、燃料热值与混合气热值、燃料热值与混合气热值、燃料热值与混合气热值0=npr/nre3 3、燃烧前后物质的量变化系数、燃烧前后物质的量变化系数、燃烧前后物质的量变化系数、燃烧前后物质的量变化系数npr和nre分别为生成物和反应物的物质的量(包括未参加化学反应的物质），0是燃烧前后物质的量的变化系数，与燃料性质、混和气的空燃比有关。汽油机：0：1.041.12;柴油机：0：1.031.06燃烧后物质的量增加对内燃机循环做功有利，但对内燃机的性能影响不大。4 4、残余废气系数与排气再循环、残余废气系数与排气再循环、残余废气系数与排气再循环、残余废气系数与排气再循环1）、残余废气系数）、残余废气系数r=mr/momr 为上一循环残留在缸内的废气，mo为每循环缸内气体的总质量残余废气系数与其压缩比、进气压力、配气定时等有关。汽油机压缩比低、进气有节流、气门叠开角小，残余废气系数小。在720%之间。柴油机压缩比大、气门叠开角大，没有进气节流，残余废气系数低，增压柴油机更低。2、排气再循环率、排气再循环率排气再循环率定义为参与再循环的排气质量占新鲜充量的百分比。EGR=mEGR/m1内燃机的实际循环与理论循环相比，存在着许多不可逆损失，往往达不到理论循环的热效率和循环平均压力值。理论循环指标是实际循环永远不能达到的最高指标。研究实际循环与理论循环差异的意义：分析实际循环与理论循环之间的不可逆损失；找出引起各种损失的原因，为提高内燃机实际工作过程的完善程度指明努力的方向。实际循环与理论循环示功图之间，主要存在如下四方面的损失。即，工质影响；换气损失；传热损失和燃烧损失。第三节第三节 内燃机的实际循环内燃机的实际循环理论循环工质是理想的双原子气体，实际循环工质是空气和燃烧产物。考虑实际工质的影响，主要有：1、工质成分的变化：燃烧前，工质由新鲜空气、燃料蒸气和残余废气组成；燃烧中及燃烧后，工质成分及数量都变化，与燃料成分、燃烧温度、等都有关。2、工质比热的变化：空气和燃气的比热都具有随着温度增加而上升的性质，并且燃气中三原子（CO2、H2O等）气体要比双原子气体的比热大。这就意味着，相同的加热量下实际循环的产生的压力和温度要比理论循环的要低。即，循环作功能力降低，膨胀线下移。一、工质影响一、工质影响3、工质的高温分解：当燃烧温度超过1000C时，燃烧产物要发生一定数量的高温分解CO2+284MJ/kgmol=CO+1/2O2H2O+242MJ/kgmol=H2+1/2O2高温分解程度与压力和温度有关，压力低、温度高时，高温分解越激烈。高温分解吸热的性质，使燃烧阶段压力和温度增加幅度减小，其结果是循环热效率和平均有效压力降低。但高温分解所吸取的热量并不是完全损失掉，其中大部分将在膨胀过程中释放出来（复合放热现象），一小部分到膨胀后期才释放，几乎失去利用的有效性。高温分解损失与压缩比有一定的关系，压缩比高，膨胀比也大，热量释放利用率就大。所以，柴油机的高温分解损失比汽油机的要小一些。4、工质分子数的变化：考虑到实际循环的分子变更系数，燃烧后的工质状态方程为：pV=8314.3MT式中，M为燃烧前工质的千克摩尔数，M为燃烧后工质的千克摩尔数。对于液体燃料，总是大于1，所以，在相同工质体积和温度下，其压力要比不考虑分子数变化时的高一些，这对循环是有利的一面。与燃料成分、残余废气量、过量空气系数等有关，一般情况：柴油机=1.03-1.05汽油机=1.07-1.12可见，对压力增加的作用不是很大。上述四种因素中，工质对比热的影响最大，其他各项的影响较小一些。比热容随温度上升而增大，使实际循环热效率下降，循环所做的有用功减少。理论循环：假设与工质相接触的气缸壁面是绝热的，两者间不存在热量的交换，因而没有传热损失。实际循环：缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等（统称壁面）与缸内工质直接相接触的表面，始终与工质发生着热量交换。在压缩初期，壁面温度高于工质温度，工质受到加热；随着压缩行程的进行，工质的温度在压缩后期将超过壁面温度，热量由工质流向壁面；进入燃烧以及膨胀期，工质连续不断地向壁面传出热量。传热损失的存在，使循环的热效率和循环的指示功都有所下降，同时增加了内燃机受热零件的热负荷。在图3-2中，传热与流动损失的存在，使示功图形状如实线所示。二、传热损失二、传热损失理论循环-闭式循环，没有工质更换和流动阻力损失。实际循环-吸入新鲜空气与燃料，排出燃烧废气，以得到周而复始的循环过程。实际循环的上述过程是通过换气过程进行的。为了尽可能降低排气阻力，排气门需要提前开启，燃气在膨胀到下止点前从气缸内排出（沿b1d1线），这将使示功图上的有用功面积减少（图中阴影麻点区）；在排气和吸气行程中，气体在流经进排气管、进排气道以及进排气门时，不可避免地存在着流动阻力损失，也需要消耗一部分有用功。上述两项之和称为实际循环的换气损失，三、换气损失三、换气损失理论循环：燃烧是外界热源向工质在一定条件下的加热过程。燃烧（加热）速度根据加热方式的不同而有差异，如在等容加热条件下，热源向工质的加热速度极快，可以在容积不变条件下瞬时完成；在等压加热条件下，加热的速度是与活塞的运动速度相配合的，以保持缸内压力不变。实际循环：燃烧过程需要经历着火准备、火焰传播与扩散、后燃等环节，燃烧速度受到多种因素的制约，与理论循环有很大的差异。1、燃烧速度的有限性实际燃料的燃烧速度是有限的，这就造成了内燃机实际循环中的一个重要损失燃烧速度的有限性所形成的损失（时间损失），它有以下不利影响：（1）压缩负功增加为了燃烧能够在上止点后不久即告结束，以提高热效率，需要在上止点前提前喷入燃油或进行点火。这样，实际燃烧过程在上止点前已经开始，从而造成了压缩负功的增加。（2）最高压力下降燃烧速度有限性、加上传热损失、上止点后活塞下行运动而使气缸体积膨胀，使得压力升高率明显低于理论循环值，这样，实际循环的最高压力有所下降。（3）初始膨胀比减小，理论循环假定全部热量是在某一点（zt点，见图3-2）前完全加热（燃烧）完毕，压力达到最大，而后进入膨胀过程。实际的燃烧过程则由于传热损失、不完全燃烧、后燃以及活塞运动等因素，使初始膨胀比0减小四、燃烧损失四、燃烧损失2、后燃以及不完全燃烧损失理论循环：加热过程结束之后即转入绝热膨胀过程。实际循环：由于供油系统供油不及时、混合气准备不充分、燃烧后期氧气不足等原因而导致燃烧速度减缓，仍有部分燃油在气缸压力达到最高点后继续进行燃烧，称之为后燃。根据发动机转速以及混合气的不同情况，后燃可能持续到上止点后40-80(CA)才结束，但也有可能一直拖延到排气门打开之时。除此之外，还有少量燃油由于未来得及燃烧而直接排出机外，从而引起不完全燃烧损失。后燃期间，热功转移效率由于膨胀比小而大大降低，不完全燃烧则更直接导致了燃烧化学能的损失。为了计及燃烧损失的大小，可引入燃烧效率的概念。将内燃机视为一个开口系统，该系统与周围环境（大气）交换热量和机械功；由燃料和空气组成的反应物流入系统，流出系统的是燃烧产物（废气）。燃烧效率的定义为：燃料在该系统内经燃烧反应所释放出的总热量与燃料所能释放的总能量之比。具体的计算式建立在化学热力学基础。图3-3是不同型式内燃机的燃烧效率随当量燃空比的变化情况。当量燃空比定义为混合气的实际燃空比与该燃料化学计量燃空比之比，它是过量空气系数的倒数。由图可见，汽油机采用稀混合气时，其燃烧效率通常在95-98%的范围内；当混合气加浓后，由于缺氧使燃料燃烧不完全，燃烧效率下降，且下降幅度随混合气的变浓而增大。相对而言，柴油机由于一直运行在混合气较稀的状态，其燃烧效率相对较高，大约为98%。第四节第四节 内燃机循环的热力学模型内燃机循环的热力学模型研究意义可以预测所设计发动机的初步性能，进行多方案比较，以获得最佳的设计方案，可以优化发动机结构参数与运行参数，进行发动机寿命和可靠性预测，以减少试验的工作量，缩短发动机的设计周期，节省开发研究费用。研究方法：最早采用的是热力计算法-它是建立在简单热力学关系基础之上的一种近似的、半经验的估算方法。如用等熵过程或多变过程来代替实际的压缩和膨胀过程，用一个近似的放热过程来代替实际的燃烧过程等。这种方法诞生于20世纪初期，尽管该方法可以对内燃机的工作过程进行估算，但其精度和应用范围都受到了很大的限制。20世纪60年代以后，随着内燃机数值模拟技术的不断完善和计算机技术的进步，新的理论不断涌现，极大促进了设计手段的更新和设计观念的变速。与此同时，用于内燃机的商品化软件陆续推出，其功能也不断完善，从零维模型到多维模型，从整机到分部件、分系统的计算软件，从性能预测到强度分析等等。这里介绍一种常用的计算模型热力学模型。它以热力学基本概念为基础，不涉及热力学参数的空间不均匀性以及工作过程细节，故又称零维模型。其基本的思路是：从内燃机工作循环各系统的物理过程出发，用微分方