汽车发动机原理2bwuc.pptx

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1、Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University汽车发动机原理汽车发动机原理汽车发动机原理汽车发动机原理点燃式和压燃式内燃机的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 博士博士博士博士Email:Phone:010-62772515Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University讲课内容

2、讲课内容第一篇第一篇 动力输出与能量利用动力输出与能量利用第第1 1章章 动力经济性能指标与影响因素动力经济性能指标与影响因素第第2 2章章 燃料与工质燃料与工质第第3 3章章 循环分析与能量利用循环分析与能量利用第第4 4章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量第二篇第二篇 燃烧与排放燃烧与排放第第5 5章章 燃烧的基础知识燃烧的基础知识第第6 6章章 燃烧过程及混合气形成燃烧过程及混合气形成第第7 7章章 特殊燃烧问题的机理与对策特殊燃烧问题的机理与对策第第8 8章章 有害排放物的生成与控制有害排放物的生成与控制第第9 9章章 燃烧室与调节参数的优化燃烧室与调节参数的优化第三篇第三篇 运

3、行特性与性能调控运行特性与性能调控第第1010章章 发动机运行特性与整车匹配发动机运行特性与整车匹配第第11 11章章 柴油机调速特性柴油机调速特性 燃料的理化特性燃料的理化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着火方式，是造成内燃机不同工作方式的决定因素。因素。燃料的热值燃料的热值燃料的热值燃料的热值（尤其是混合气热值），既是内（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燃机原理的基础之一，也是影响动力性和经济性性“量量”环节的主要因素之一。环节的主要因素之一。工质的热力参数工质的热力参

4、数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，对循环热效率有巨大的影响，是决定内燃机动力性、经济性是决定内燃机动力性、经济性“质质”环节的重环节的重要因素。要因素。油品油品油品油品对燃烧和排放有重要影响，是发动机满对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。足严格排放法规的关键环节之一。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University讲课内容讲课内容第一篇第一篇 动力输出与能量利用动力输出与能量利用第第1 1章章 动力经济性能指标与影响因素动力经济性能指标与影响因素

5、第第2 2章章 燃料与工质燃料与工质第第3 3章章 循环分析与能量利用循环分析与能量利用第第4 4章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量第二篇第二篇 燃烧与排放燃烧与排放第第5 5章章 燃烧的基础知识燃烧的基础知识第第6 6章章 燃烧过程及混合气形成燃烧过程及混合气形成第第7 7章章 特殊燃烧问题的机理与对策特殊燃烧问题的机理与对策第第8 8章章 有害排放物的生成与控制有害排放物的生成与控制第第9 9章章 燃烧室与调节参数的优化燃烧室与调节参数的优化第三篇第三篇 运行特性与性能调控运行特性与性能调控第第1010章章 发动机运行特性与整车匹配发动机运行特性与整车匹配第第11 11章章 柴油机

6、调速特性柴油机调速特性1.1.燃料及其理化特性燃料及其理化特性2.2.汽油机与柴油机工作模式的差异汽油机与柴油机工作模式的差异3.3.工质及其热力特性工质及其热力特性4.4.燃烧热化学燃烧热化学Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的分类发动机燃料的分类发动机燃料分类发动机燃料分类:常规燃料常规燃料石油制品的液体燃料，即石油制品的液体燃料，即汽油汽油和和柴油柴油。代用燃料代用燃料烃（碳氢）类、醇类、醚类、酯类烃（碳氢）类、醇类、醚类、酯类 目的：替代能源、环保要求目的：替代能

7、源、环保要求1）按物态分类：）按物态分类：液体：甲醇液体：甲醇CH3OH、乙醇、乙醇C2H5OH 二甲醚二甲醚CH3-O-CH3、生物柴油（甲脂）、生物柴油（甲脂）气体：液化石油气气体：液化石油气LPG（丙烷、丁烯）、天然气（丙烷、丁烯）、天然气CNG、LNG（甲烷）（甲烷）H2、沼气（、沼气（CH4）、煤气（）、煤气（CO）固体：煤粉、水煤浆固体：煤粉、水煤浆2）按成份分类：）按成份分类：烃燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料（含氧生物燃料）烃燃料（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（趋势：汽车燃料多元化（Diversification）Alternative Fue

8、lsDepartment of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University“狼狼”来了？！来了？！2020Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University没有石油内燃机还能转吗？没有石油内燃机还能转吗？一次能源一次能源二次能源（能源载体）二次能源（能源载体）Crude oil 石油石油Diesel（柴油）（柴油）Natural gas 天然气天然气Gasoline（汽油）（汽油）Coal 煤炭煤炭LPG（液化石油气）（

9、液化石油气）Natural gas(CNG)（天然气）（天然气）Bio mass 生物能源生物能源Methanol（甲醇）（甲醇）Ethanol（乙醇）（乙醇）RME（菜籽油）（菜籽油）Nuclear energy 核能核能Solar energy 太阳能太阳能Hydrogen（氢气）（氢气）FossilFuels化石化石燃料燃料AF替代替代燃料燃料Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University碳氢（碳氢（Hydrocarbon）燃料的分类）燃料的分类n nAlkAlka anesnes or

10、 ParaffinsParaffins-single bonds between carbons-CnH2n+2,e.g.CH4,C2H6n nAlkAlke enesnes or OlefinsOlefins-one or more double bonds between carbons-CnH2nn nAlkAlky ynesnes or AcetylenesAcetylenes-one or more triple bonds between carbons-CnH2n-2,very reactive,higher heating value than alkanes or alken

11、es烷烃烷烃稀烃稀烃炔烃炔烃甲烷甲烷乙烷乙烷异辛烷异辛烷乙烯乙烯丙稀丙稀丁二烯丁二烯乙炔乙炔Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University碳氢（碳氢（Hydrocarbon）燃料的分类）燃料的分类n nAromaticsAromatics-one or more ring structures CnH2n-6/12n nAlcoholsAlcohols-contain one or more OH groups芳烃芳烃醇醇苯苯甲苯甲苯萘萘甲醇甲醇乙醇乙醇Department of Automo

12、tive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University 烃燃料的分子式烃燃料的分子式CnHm（碳氢化合物也称为烃）（碳氢化合物也称为烃）C、H占占97%98%，其余是，其余是S、O、N 而煤中的而煤中的“灰分灰分+水水”1760%烃燃料的分类，主要掌握烃燃料的分类，主要掌握 以下几点：以下几点：n C C原子数原子数原子数原子数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）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

13、结构分子结构分子结构分子结构：（1）“链链链链”与与“环环环环”环化学稳定性好，不易自燃环化学稳定性好，不易自燃（2）“直链直链直链直链”与与“支链支链支链支链”（或正烷与异烷）（或正烷与异烷）支链（异烷）的化学稳定性好，支链（异烷）的化学稳定性好，抗爆好（如正庚烷抗爆好（如正庚烷C7H16，异辛烷，异辛烷C8H18，辛烷值分别为，辛烷值分别为0和和100）（3）“饱和饱和饱和饱和”与与“不饱和不饱和不饱和不饱和”不饱和则不稳定，贮存中易氧化结胶（如烯烃）不饱和则不稳定，贮存中易氧化结胶（如烯烃）（4）“双键双键双键双键”和和“单键单键单键单键”单键的化学稳定性差单键的化学稳定性差烃燃料的分子

14、结构与物化特性烃燃料的分子结构与物化特性Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃料碳原子数和分子结构对抗爆性的影响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：燃料抗爆性比较：1）环烷烃）环烷烃 正烷烃正烷烃2）异烷烃）异烷烃 正烷烃正烷烃3）烯烃）烯烃 正烷烃正烷烃4）芳香烃）芳香烃 烷烃和烯烃烷烃和烯烃Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University烷烃烷烃稀烃稀烃环烷烃环烷烃

15、芳烃芳烃甲基萘甲基萘碳原子数碳原子数十十六六烷烷值值燃料碳原子数和分子结构对自燃性的影响燃料碳原子数和分子结构对自燃性的影响Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua Universityn n 热值（能量密度）热值（能量密度）热值（能量密度）热值（能量密度）燃料的热值由燃料的热值由C/H比决定比决定,由于由于H比比C的热值高（约的热值高（约3.7:1）,柴油柴油C/H 汽油汽油C/H 汽油汽油Hu（44000）柴油柴油Hu（42500）但就单位质量来看，但就单位质量来看，H燃烧所需要燃烧所需要O（空气）多（约

16、是（空气）多（约是C的的3倍），因而倍），因而 理论混合气热值：汽油理论混合气热值：汽油=柴油柴油 若实际中考虑，汽油在若实际中考虑，汽油在 a=1，柴油在，柴油在 a 1.2工作工作 则有可能混合气热值：汽油则有可能混合气热值：汽油 柴油柴油n n 排放特性排放特性排放特性排放特性 C/H高，则排放特性差，高，则排放特性差，CCO、CO2 有害有害 HH2O 无害无害天然气（天然气（NG）、）、LPG的的H含量高（含量高（0.25和和0.182），所以其），所以其CO、黑烟、微、黑烟、微粒、粒、CO2低于汽、柴油低于汽、柴油燃料燃料C/H比与热值和排放特性的关系比与热值和排放特性的关系Dep

17、artment of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的主要技术指标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）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是评价柴油自燃性好坏的指标十六烷值十六烷值CetaneC16H34HCCHHHH.HCCHHHHCetane numberCN=100

18、CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3Cetane numberCN=0a a甲基萘甲基萘a a MethylnaphtaleneC11H10Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃烧室燃烧室 Combustion chamber压缩比压缩比 Compression ratio e e发动机转速发动机转速 Engine speed喷油时刻喷油时刻 Start of injection燃烧始点燃烧始点 Start of combustion着火延迟着火延迟 Ignition delay

19、着火延迟调整着火延迟调整 Ignition delay adjustment涡流燃烧室涡流燃烧室 Swirl chamber可变可变 Variable(7-28)900 rpm13 CA BTDCTDC13 CA改变压缩比改变压缩比 Variation of e e燃油十六烷值的测量条件燃油十六烷值的测量条件Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University测量燃料十六烷值和辛烷值的测量燃料十六烷值和辛烷值的CFR发动机发动机Adjustment ofcompression ratio调整压缩比调

20、整压缩比Worm shaft蜗杆轴蜗杆轴CFR engine was developed by the American Cooperative Fuel Research Committee.燃料研究联合协会燃料研究联合协会专用的带有爆震传感器的可变专用的带有爆震传感器的可变压缩比单缸发动机。压缩比单缸发动机。缸径缸径/冲程冲程85/115Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的主要技术指标发动机燃料的主要技术指标2）抗爆性：燃料不发生爆燃（）抗爆性：燃料不发生爆燃（Kno

21、ck）的能力）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辛烷值是评价汽油抗爆性好坏的指标CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH异辛烷异辛烷Iso-OctaneC8H18 Octane number 100辛烷值辛烷值100正庚烷正庚烷n-HeptaneC7H16 Octane number 0辛烷值辛烷值0CCCCCHHHHHHHHHDepartment of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University辛烷值马

22、达法和研究法的测量条件辛烷值马达法和研究法的测量条件运行条件运行条件 Operaitions马达法辛烷值马达法辛烷值MON研究法辛烷值研究法辛烷值RON发动机转速发动机转速 Engine speed900 rpm600 rpm着火着火 Ignitionf(e e)1926 CA BTDCconstant13 CA BTDC混合气预热混合气预热 Pre-heating of mixture149 Cnone空气预热空气预热 Pre-heating of air38 C52 C压缩比压缩比 Compression ratio e e可调整的可调整的adjustable表示在高转速、全负荷表示在高转

23、速、全负荷情况下的抗爆性情况下的抗爆性 表示加速情况下的抗爆性表示加速情况下的抗爆性 RON MONRONMON燃料的敏感性燃料的敏感性Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的主要技术指标发动机燃料的主要技术指标3）蒸发性）蒸发性（1）饱和蒸汽压：在规定条件下）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，燃油和燃油蒸汽达到平衡状态时，燃油蒸汽的压力（燃油蒸汽的压力（Reid饱和蒸汽饱和蒸汽压压 RVP）n 蒸汽压高，说明燃油中轻质蒸汽压高，说明燃油中轻质组分多，发动

24、机冷起动性能好，组分多，发动机冷起动性能好，混合气形成速度快，有利于燃混合气形成速度快，有利于燃烧烧 n 蒸汽压过高，在储存和运输蒸汽压过高，在储存和运输过程中易产生蒸发损失，着火过程中易产生蒸发损失，着火的危险性也大的危险性也大n 蒸汽压过高易在燃油供给系蒸汽压过高易在燃油供给系统中形成统中形成“气阻气阻”1010个碳原子以上的烃类个碳原子以上的烃类的饱和蒸汽压接近于的饱和蒸汽压接近于00柴油的蒸汽压接近柴油的蒸汽压接近0 0Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的主要技术

25、指标发动机燃料的主要技术指标3）蒸发性）蒸发性（2）馏程：燃油在规定条件下蒸馏出某一百分比的）馏程：燃油在规定条件下蒸馏出某一百分比的温度范围温度范围n 初馏点初馏点 燃料中含有的最轻馏分的沸点，但燃料中含有的最轻馏分的沸点，但不能判断轻馏分的含量不能判断轻馏分的含量n 10馏程馏程 燃料中含有轻馏分的大概数量，燃料中含有轻馏分的大概数量，反映汽油机的冷起动性反映汽油机的冷起动性n 50馏程馏程 燃料的平均蒸发性能，反映汽油燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的工作稳定性机的工作稳定性n 90馏程馏程 燃料中的重质馏分含量，反映汽燃料中的重质馏分含量，反映汽油机燃烧完全性油机燃烧完全性n 干点（终馏

26、点）干点（终馏点）燃料中含有的最重馏分的燃料中含有的最重馏分的沸点沸点Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University 每吨石油能产出的油品比例基本是一定的，例如：每吨石油能产出的油品比例基本是一定的，例如：21%汽油、汽油、9%柴油（轻柴油），柴油（轻柴油），即即 汽：柴汽：柴=7：3。这一比例也决定了两者谁也不可能淘汰对方。这一比例也决定了两者谁也不可能淘汰对方。原油不同馏程的碳氢成分及理化特性原油不同馏程的碳氢成分及理化特性Department of Automotive Engineer

27、ingTsinghua UniversityTsinghua University原油的蒸馏（原油的蒸馏（Distillation）蒸馏塔蒸馏塔沥青沥青润滑油润滑油柴油柴油煤油煤油汽油汽油石油气石油气原油原油Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University原油炼制原油炼制催化裂化催化裂化烷基化烷基化重整重整Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University汽油与柴油组分的差异（欧洲）汽油与柴油组分的

28、差异（欧洲）芳烃芳烃烯烃烯烃甲基叔丁基醚甲基叔丁基醚烷烃烷烃（短链）（短链）环烷烃环烷烃烷烃烷烃（长链）（长链）烯烃烯烃汽油汽油柴油柴油芳烃芳烃Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃油组分与排放燃油组分与排放Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃油组分与排放燃油组分与排放（1 1）硫（硫（硫（硫（SulfurSulfur）硫天然存在于原油中。硫可明硫天然存在于原油中。硫可明

29、显显地降低催化地降低催化转转化器中催化化器中催化剂剂的功效，同的功效，同时时在高温条在高温条件下件下对对氧氧传传感器造成不良影响。高硫燃油会使感器造成不良影响。高硫燃油会使车载诊车载诊断系断系统统（OBD）失灵，使催化）失灵，使催化转转化化器器监监控装置控装置发发送送错误错误的的诊诊断断码码，并向司机，并向司机发发出出错误错误的故障信号。的故障信号。（2 2）芳烃（芳烃（芳烃（芳烃（AromaticsAromatics）芳芳烃烃通常是汽油的高辛通常是汽油的高辛烷值组烷值组分，具有高能量密度。但是，芳分，具有高能量密度。但是，芳烃烃会会导导致致发动发动机机产产生生沉沉积积物，增加尾气排放，包括物

30、，增加尾气排放，包括CO2。（3 3）苯（苯（苯（苯（BenzeneBenzene）苯是原油中的天然苯是原油中的天然组组分，也是催化重整的分，也是催化重整的产产物。尽管是高辛物。尽管是高辛烷值组烷值组分，但是苯是一分，但是苯是一种致癌物种致癌物质质。（4 4）稀稀稀稀烃烃烃烃（OlefinsOlefins）烯烃是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯烃有热不稳定性，导致它易形成胶烯烃是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯烃有热不稳定性，导致它易形成胶质，并沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。活泼烯烃蒸发排放到大气中会产质，并沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。活泼烯烃蒸发排放到大气中

31、会产生光化学反应，进而引起光化学污染。生光化学反应，进而引起光化学污染。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University讲课内容讲课内容第一篇第一篇 动力输出与能量利用动力输出与能量利用第第1 1章章 动力经济性能指标与影响因素动力经济性能指标与影响因素第第2 2章章 燃料与工质燃料与工质第第3 3章章 循环分析与能量利用循环分析与能量利用第第4 4章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量第二篇第二篇 燃烧与排放燃烧与排放第第5 5章章 燃烧的基础知识燃烧的基础知识第第6 6章章 燃烧过程及混

32、合气形成燃烧过程及混合气形成第第7 7章章 特殊燃烧问题的机理与对策特殊燃烧问题的机理与对策第第8 8章章 有害排放物的生成与控制有害排放物的生成与控制第第9 9章章 燃烧室与调节参数的优化燃烧室与调节参数的优化第三篇第三篇 运行特性与性能调控运行特性与性能调控第第1010章章 发动机运行特性与整车匹配发动机运行特性与整车匹配第第11 11章章 柴油机调速特性柴油机调速特性1.1.燃料及其理化特性燃料及其理化特性2.2.汽油机与柴油机工作模式的差异汽油机与柴油机工作模式的差异3.3.工质及其热力特性工质及其热力特性4.4.燃烧热化学燃烧热化学Department of Automotive E

33、ngineeringTsinghua UniversityTsinghua University1 1）混合气形成方式不同）混合气形成方式不同）混合气形成方式不同）混合气形成方式不同汽油汽油易气化，在低温（气缸外）下蒸发，预制成均匀混合气易气化，在低温（气缸外）下蒸发，预制成均匀混合气柴油柴油难气化，用高压喷雾粉碎，高温空气（气缸内）促其雾化难气化，用高压喷雾粉碎，高温空气（气缸内）促其雾化2 2）着火及燃烧方式不同）着火及燃烧方式不同）着火及燃烧方式不同）着火及燃烧方式不同汽油汽油难自燃，易点燃，用高压电火花点燃难自燃，易点燃，用高压电火花点燃 预混合气体中的火焰传播。可在预混合气体中的火焰

34、传播。可在 a=1的条件下完全燃烧的条件下完全燃烧柴油柴油易自燃，压缩着火（压燃）易自燃，压缩着火（压燃）扩散燃烧，即边喷扩散燃烧，即边喷-边混边混-边燃，所以自燃但不会爆燃边燃，所以自燃但不会爆燃 为了完全燃烧，必须为了完全燃烧，必须 a 1.0（1.2）3 3）负荷调节方式不同）负荷调节方式不同）负荷调节方式不同）负荷调节方式不同汽油机汽油机预混合，预混合，a基本保持不变，量调节（质不变）基本保持不变，量调节（质不变）柴油机柴油机循环空气量不变，循环空气量不变，a变化（变化（1），质调节），质调节汽油机与柴油机工作模式的差异汽油机与柴油机工作模式的差异注意：汽油机和柴油机的工作模式不是绝对

35、不变的！注意：汽油机和柴油机的工作模式不是绝对不变的！GDI和和HCCI就是例证。就是例证。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University讲课内容讲课内容第一篇第一篇 动力输出与能量利用动力输出与能量利用第第1 1章章 动力经济性能指标与影响因素动力经济性能指标与影响因素第第2 2章章 燃料与工质燃料与工质第第3 3章章 循环分析与能量利用循环分析与能量利用第第4 4章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量第二篇第二篇 燃烧与排放燃烧与排放第第5 5章章 燃烧的基础知识燃烧的基础知识第第6

36、6章章 燃烧过程及混合气形成燃烧过程及混合气形成第第7 7章章 特殊燃烧问题的机理与对策特殊燃烧问题的机理与对策第第8 8章章 有害排放物的生成与控制有害排放物的生成与控制第第9 9章章 燃烧室与调节参数的优化燃烧室与调节参数的优化第三篇第三篇 运行特性与性能调控运行特性与性能调控第第1010章章 发动机运行特性与整车匹配发动机运行特性与整车匹配第第11 11章章 柴油机调速特性柴油机调速特性1.1.燃料及其理化特性燃料及其理化特性2.2.汽油机与柴油机工作模式的差异汽油机与柴油机工作模式的差异3.3.工质及其热力特性工质及其热力特性4.4.燃烧热化学燃烧热化学Department of Au

37、tomotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University工质的主要热力参数工质的主要热力参数1）理论气体状态方程）理论气体状态方程摩尔数在一定条件摩尔数在一定条件下反映体积的大小下反映体积的大小通用气体常数通用气体常数8.315kJ/kmol.K2）比热容与等熵指数）比热容与等熵指数n cp,cV 随温度随温度T上升而增加上升而增加n k 随温度随温度T上升而下降上升而下降Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University工质的主要热力参

38、数工质的主要热力参数n 分子物理学：分配到分子每一个自由度的热量是相同的。则分子自由度（原子数）分子物理学：分配到分子每一个自由度的热量是相同的。则分子自由度（原子数），cp和和cV，k kn k k越大，越大，cp和和cV越小，相同加热量下，工质温升越高，循环热效率高。越小，相同加热量下，工质温升越高，循环热效率高。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University讲课内容讲课内容第一篇第一篇 动力输出与能量利用动力输出与能量利用第第1 1章章 动力经济性能指标与影响因素动力经济性能指标与影响因

39、素第第2 2章章 燃料与工质燃料与工质第第3 3章章 循环分析与能量利用循环分析与能量利用第第4 4章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量第二篇第二篇 燃烧与排放燃烧与排放第第5 5章章 燃烧的基础知识燃烧的基础知识第第6 6章章 燃烧过程及混合气形成燃烧过程及混合气形成第第7 7章章 特殊燃烧问题的机理与对策特殊燃烧问题的机理与对策第第8 8章章 有害排放物的生成与控制有害排放物的生成与控制第第9 9章章 燃烧室与调节参数的优化燃烧室与调节参数的优化第三篇第三篇 运行特性与性能调控运行特性与性能调控第第1010章章 发动机运行特性与整车匹配发动机运行特性与整车匹配第第11 11章章 柴油

40、机调速特性柴油机调速特性1.1.燃料及其理化特性燃料及其理化特性2.2.汽油机与柴油机工作模式的差异汽油机与柴油机工作模式的差异3.3.工质及其热力特性工质及其热力特性4.4.燃烧热化学燃烧热化学Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃烧热化学燃烧热化学要解决的问题：燃烧时需要多少空气；发出多少热量；燃烧前后工质的变化。要解决的问题：燃烧时需要多少空气；发出多少热量；燃烧前后工质的变化。设设1kg燃料中有燃料中有gC公斤公斤C、gH公斤公斤H、gO公斤公斤ODepartment of

41、Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃烧热化学燃烧热化学1 1）燃料完全燃烧所需空气量燃料完全燃烧所需空气量燃料完全燃烧所需空气量燃料完全燃烧所需空气量燃烧过程就是燃料中可燃成分与空气中的氧发生氧化放热反应的过程。燃烧过程就是燃料中可燃成分与空气中的氧发生氧化放热反应的过程。燃料的主要成分：燃料的主要成分：C、H、O设：设：1kg燃料中有燃料中有gC公斤公斤C、gH公斤公斤H、gO公斤公斤O，即：即：kg（1）1 kg燃料完全燃烧需要燃料完全燃烧需要O2为：为：而而O2在空气中的质量百分比为在空气中的质量百分比

42、为23.2%（实际中是测量空气流量），即需空（实际中是测量空气流量），即需空气量为：气量为：也称之为也称之为“质量质量化学计量比化学计量比化学计量比化学计量比”（Stoichiometric ratio）Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃烧热化学燃烧热化学（2）1 kg燃料完全燃烧需要燃料完全燃烧需要O2摩尔（摩尔（mol）为：）为：而而O2在空气中的摩尔百分比为在空气中的摩尔百分比为21.0%，即需空气量为：，即需空气量为：也称之为也称之为“摩尔摩尔化学计量比化学计量比化学计量

43、比化学计量比”（Stoichiometric ratio）2 2）分子变化系数分子变化系数分子变化系数分子变化系数汽油机汽油机 1.071.12 柴油机柴油机 1.031.06l 柴油机柴油机 a大，有些空气不参加反应大，有些空气不参加反应l 汽油汽油H含量大，燃后体积增大多一些含量大，燃后体积增大多一些Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University3 3）残余废气系数残余废气系数残余废气系数残余废气系数残余废气系数残余废气系数 r是进气过程结束时，缸内的残余废气量与新鲜充量的质量比。是进气过

44、程结束时，缸内的残余废气量与新鲜充量的质量比。式中，式中，mr每循环每缸的残余废气质量每循环每缸的残余废气质量 m1每循环每缸的新鲜充量质量每循环每缸的新鲜充量质量 一般无一般无EGR的机型的机型 r值范围如下：值范围如下：汽油机汽油机0.060.16，柴油机，柴油机0.030.06 增压柴油机增压柴油机0.000.03 汽油机汽油机 r偏高是因为偏高是因为,小，和低负荷时进气节流强使新鲜充量下降小，和低负荷时进气节流强使新鲜充量下降 增压柴油机增压柴油机 r小是因为扫气效果强小是因为扫气效果强燃烧热化学燃烧热化学Department of Automotive EngineeringTsin

45、ghua UniversityTsinghua University4 4）可燃混合气热值可燃混合气热值可燃混合气热值可燃混合气热值定义：单位质量或单位体积定义：单位质量或单位体积可燃混合气可燃混合气可燃混合气可燃混合气发出的热量（发出的热量（kJ/kg或或kJ/m3）。）。Hu（低热值）表示燃料的能量密度；（低热值）表示燃料的能量密度；(Hum)V代表混合气的能量密度，越高则相同代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积时发出功率越高（即工作容积时发出功率越高（即pme高）。高）。也可用单位摩尔体积发出的热量表示：也可用单位摩尔体积发出的热量表示：燃烧热化学燃烧热化学(kJ/kmol)(kJ/

46、kg)(kJ/m3)Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University汽油机与柴油机混合气热值的计算汽油机与柴油机混合气热值的计算（1）预混合汽油机）预混合汽油机（2）缸内直喷汽油机）缸内直喷汽油机 和柴油机和柴油机Unit:kJ/m3Unit:kJ/m3Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University混合气热值与过量空气系数的关系混合气热值与过量空气系数的关系0100020003000400050

47、000,511,522,533,54 a aHum resp.Hum kJ/m3HumHumIgnition limit conv.gasoline engine(gasoline operation)p=1,013 barT=273KDepartment of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua Universityn 汽、柴油等液体烃，随汽、柴油等液体烃，随C/H升高，升高，Hu下降；但下降；但H燃烧时所需的空气量比碳燃烧时燃烧时所需的空气量比碳燃烧时多。因此，多。因此，Hum基本相同。基本相同。n 气体烃气体烃 C/H低，低

48、，Hu高，但本身是气体，加上高，但本身是气体，加上H燃烧要求空气多，结果燃烧要求空气多，结果Hum小。小。n 含氧燃料（甲、乙醇）本身含含氧燃料（甲、乙醇）本身含O，Hu低，但所需空气也少（低，但所需空气也少（l0、L0小），结果小），结果Hum与汽、柴油相近。与汽、柴油相近。n 纯纯H2的的Hu最高，但气体占体积，且需空气多，最高，但气体占体积，且需空气多，Hum反而小。反而小。结论结论：各种燃料各种燃料Hu差别较大，但不等于差别较大，但不等于Hum也有相同差别。也有相同差别。液体燃料液体燃料Hum大体相同，气体燃料大体相同，气体燃料Hum偏低偏低各种燃料的混合气热值比较各种燃料的混合气热值

49、比较Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University第第2章小结章小结（1 1）了解发动机燃料和碳氢燃料的分类）了解发动机燃料和碳氢燃料的分类（2 2）掌握碳氢燃料组分、）掌握碳氢燃料组分、C C原子数、分子结构等对燃料理化特性的原子数、分子结构等对燃料理化特性的影响影响（3 3）掌握汽油和柴油的主要技术指标（十六烷值、辛烷值、馏程、）掌握汽油和柴油的主要技术指标（十六烷值、辛烷值、馏程、饱和蒸汽压等）的含义和限值饱和蒸汽压等）的含义和限值（4 4）了解汽油和柴油的制备）了解汽油和柴油的制备（5 5）掌握汽油机和柴油机混合气形成、着火和燃烧的差异）掌握汽油机和柴油机混合气形成、着火和燃烧的差异（6 6）了解工质主要热力参数（）了解工质主要热力参数（c cp p,c,cV V和和k k）随温度和成分的变化规律）随温度和成分的变化规律（7 7）掌握燃料化学计量比）掌握燃料化学计量比l l0 0、混合气热值、混合气热值(H Humum)V V的计算的计算Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University第第2章作业章作业思考题：思考题：1、13、14、15、17