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内燃机学.ppt

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内燃机
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CA,,实际换气过程与理想换气过程,,返回,评价换气过程的概念,换气损失时面值充量系数的分析,返回,换气损失,排气损失:膨胀损失、推进损失进气损失泵气损失与泵气功,泵气损失与泵气功,泵气功是指P--V示功图上换气过程所围成的封闭回线面积泵气损失=x+y-u,,,不同排气提前角的排气损失,,不同转速的排气损失,,换气损失随转速的变化,,返回,时面值,在柴油机运行中,气门开启截面积f会不断交化,开启速度和气体流经气门的持续时间与柴油机的转速有关。流通时间和流通截面都是影响流过气门气体流量和流速的重要因素。根据流体力学公式,在时间dt之内通过气门的气体流量为忽略流经气门的气体密度的变化,至t时刻的气体流量为 ? ? ? ? ?称为气门的时间截面值。,,,,角面值,若将时间t换算成曲轴转角,上式可改写为称为气门的角面值,它与转速无关。,,返回,充量系数的分析,排气行程结束时,气缸内仍然残留的废气为残余废气。残余废气量进气过程中吸入气体量的比值称为残余废气系数。,充量系数随转速、负荷的关系,,,影响充气系数的主要因素,转速进气阻力残余废气系数气缸对空气加热程度增压,提高充量系数的措施,a.降低进气系统的阻力损失,提高气缸进气终点的压力;b.降低排气系统的阻力损失,减小缸内残留废气系数;c.减小高温零件在进气过程中对空气的加热,降低进气终点温度。,对进气系统的要求,降低进气门出的流动损失大气阀、多气阀、优化气道、优化气门结构。采用可变进气技术低速情况的要求高速情况的要求最佳配气定时减小进气阻力利用压力波,平均进气马赫数与充气效率,平均进气马赫数定义为进气门开启截面处的平均流速u与该处的音速a之比。,,返回,配气相位,配气相位对进排气的效果有着直接影响,通常是由配气凸轮决定。凸轮的升程设计中要特别注意应力的大小。,返回,二冲程发动机的换气,1.横流扫气 ? ? 2.回流扫气 ? ? 3.直流扫气,扫气方式,返回,增压原理,增压的概念与形式增压对经济性和动力性的影响增压的优势与代价 压气机废气涡轮涡轮增压方式的性能比较涡轮增压器与发动机的匹配,返回,增压概念与形式,什么是增压增压的方式 ? ? 1.机械增压 ? ? 2.排气涡轮增压 ? ? 3.气波增压 ? ? 4.复合增压,机械增压,废气涡轮增压,定压涡轮增压脉冲涡轮增压其他形式增压,废气涡轮增压器结构,定压涡轮增压,脉冲涡轮增压,MPC增压,定压涡轮增压系统示功图,返回,增压对经济性和动力性的影响,一台6缸柴油机,原机的机械效率为0.78,增压比为1.57,压气机的绝热效率为0.74,增压前发动机的进气温度为,无进气中冷。预估及其增压后动力性与经济性的变化情况。,根据绝热效率的定义式,可以得到增压前后温度的变化值 ? ? ? ? ? ? 根据状态方程,增压后气体密度的改变为 增压前后,内燃机充量系数的变化为,增压前后平均指示压力之比为 ? ? ? ? ? 机械效率的变化率,有效功率与燃油消耗效率的变化即可求出,返回,增压的优势,1.比质量小、升功率大 ? ? 2.降低造价、提高材料利用率 ? ? ? 3.排气噪声降低、燃烧噪声降低 ? ? 4.有利于高原等稀薄条件工作 ? ? 5.排放降低 ? ? 6.适用性广,增压的代价,1.热负荷与机械负荷大 ? ? 2.低速时转矩受影响 ? ? 3.加速响应性差 ? ? 4.增压器对发动机性能优化的限制,返回,压气机,压气机结构压气机特性压气机参量压气机的喘振与堵塞,返回,压气机结构,进气道:收集气流顺畅进入工作轮工作轮:对气体压缩扩压器:工作轮出口气体进一步压缩涡壳:使增压气体顺畅进入气缸,压气机特性,压气机参量,增压比流量效率转速,增压比,增压比指压气机出口气体压力与进口气体压力之比,,流量,是指单位时间流过压气机的空气质量或容积称为压气机的流量质量流量 容积流量,增压比与流量的关系,效率,是压气机的经济性指标,说明压气机传递给空气的机械能被有效利用的程度可分为多变效率和绝热效率,a、? 多变效率,Lcp:气体压力从进口压力压缩到出口压力所需的多变压缩功Lc:实际压缩功,b、? 绝热效率,Lcad:气体压力从进口压力压缩到出口压力所需的多变压缩功Lc:实际压缩功,压气机的喘振与堵塞,压气机工作点位于喘振线右边时,工作稳定;位于左边,工作不稳定。喘振的原因是:流量过小时,流道内气流与壁面分离。堵塞是指在某一转速下,压气机流量随增压比变化到临界条件时,流量饱和。,返回,废气涡轮,涡轮结构涡轮特性涡轮参数,返回,涡轮结构,进气壳:废气顺畅流入喷阻环:废气径喷阻环,使气流速度增大、动能增大工作轮:高速气流离心力作用驱动工作轮高速运动,使压气机工作轮转动排气壳:废气作功后顺畅排入大气或废气锅炉,涡轮机的速度三角形,涡轮效率,涡轮效率,涡轮机参数,膨胀比 ? 速度比等熵效率燃气流量转速,膨胀比,涡轮进口压力涡轮出口压力 ? ? 的大小确定着涡轮级中的绝热焓降,,,,,速度比,u:工作轮叶片的圆周速度(平均直径处)c1:喷嘴出口的气流速度确定了工作轮前气流运动的特点,对效率的影响显着,等熵效率,:喷嘴环中的流动损失 ? ? ?:工作轮中的流动损失 ? ? ?:余速损失该式即为实际有效焓降 ?与等熵焓降的比值,等熵效率表征了涡轮中能量转换的完善程度,返回,涡轮增压方式的性能比较,定压与脉冲增压系统的比较,1.排气能量利用 ? ? 2.内燃机气缸扫气作用 ? ? 3.内燃机加速性能 ? ? 4.增压器效率与增压器结构,返回,涡轮增压器与发动机的匹配,内燃机与增压器的匹配,及联合运行特性,返回,内燃机的燃烧,缸内气体的流动汽油机的燃烧柴油机燃烧汽油机与柴油机的区别,返回,缸内气体的流动,涡流涡流的气道评定挤流滚流湍流,返回,涡流,进气涡流及其产生办法a.导气屏b.切向气道c.螺旋气道,气道评定的Ricardo方法,,气道评定,Ricardo无量纲流量系数Ricardo无量纲涡流数Ricardo涡流比,返回,挤流,在压缩过程后期,活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动,又称挤流。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。,挤流与逆挤流,滚流,在进气过程中形成的,绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流,称为滚流或横轴涡流当活塞接近于上止点时,大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡,使湍流强度和湍流动能增加.大大提高火焰传播速率,改善发动机性能,采用长度积分尺度和时间积分尺度来表征湍流特性,湍流,返回,汽油机的燃烧,汽油机的燃烧特征汽油机燃烧阶段汽油机的燃烧循环变动汽油机的爆燃汽油机燃烧室,返回,汽油机的燃烧特征,在燃烧过程中,如果混合过程比燃烧反应要快得多或者在火焰到达之前燃料与空气已充分混合,这种可燃混合气的燃烧称之为预混燃烧。汽油机的混合气形成是在进气过程就开始了,有较长的混合时间,汽油油具有较好的挥发性,因此,可以认为在点火时,均匀混合气已经形成,其燃烧方式属于预混燃烧模式。,汽油机燃烧过程,返回,汽油机燃烧阶段划分,1.滞燃期 ? ? ? ? 2.急燃期 ? ? ? ? 3.后燃期,滞燃期与点火提前角,返回,汽油机的燃烧循环变动,产生原因:气体运动的循环变动混合气成分的变动,主要与点火过程(滞燃期)有关。,返回,汽油机的爆燃,一.爆燃的现象二.爆燃的燃烧过程三.爆燃的原因四.爆燃的危害五.激爆,燃烧区域的发展,汽油机末端混合气被压缩的程度较高,存在着自然倾向。,返回,汽油机燃烧室,一.设计要点: ? ? 1.缩短火焰传播距离; ? ? 2.利用适当的湍流; ? ? 3.合理分布温度高低及冷却情况;二.典型燃烧室 ? ? 1.楔形 ? ?2.浴盆形 ? ?3.碗形 ? ?4.半球形,燃烧室结构,不同燃烧室结构的燃烧角,返回,柴油机燃烧,柴油机的燃烧特征可燃混合气形成柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧室,返回,柴油机的燃烧特征,柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的,它处于一边与空气混合、一边燃烧的情况下,由于混合过程比反应速率慢,因此燃烧速率取决于混合速率。换句话说,混合过程控制了燃烧速率,这就是所谓的扩散燃烧。柴油机是以扩散燃烧为主的燃烧模式。,燃烧过程的要求,混合气形成的正时适当,保证及时燃烧;混合气形成要先慢后快,使最高压力和压升率不致太大;着火后,混合气要均匀分布。,返回,可燃混合气形成,可燃混合气形成方式燃油雾化的阶段描述可燃混合气的衡量参数:油滴直径雾束贯穿距离喷雾锥角,返回,可燃混合气形成方式,空间雾化混合油膜蒸发混合,柴油机混合气的形成特点,1.燃油与空气混合时间短,喷油持续角一般为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。2.混合浓度不均匀,且随时间变化3.柴油挥发性差,不易形成混合气,从而造成液滴—蒸汽—空气混合一起的燃烧现象,可燃混合气形成质量取决于,燃油喷射情况,其中包括燃油的雾化质量,油束形状,喷油规律以正时,喷油方向和落点;气缸内空气的运动情况和燃烧室结构,形状,尺寸,壁温等等。,返回,燃油雾化的阶段描述,1.通过喷孔,把燃油伸展成油柱或油片;2.油注或油片的表面出现波纹和扰动;3.在表面波和扰动作用下,在油注油片的表面形成油线或空洞;4.油线的分裂或空洞的扩大产生较大油滴;5.由于大油滴在各种外力作用下发生振动,分散成小油滴;6.小油滴之间的碰撞产生更小的油滴。,油滴破碎机理,Taylor机理以质点振动作类比。设油滴直径为a,在各种振动作用力下,振幅为x。x>a,则油滴破碎Hwang和Reitz机理(1995)在垂直方向的气流作用下变扁平;在RT不稳定表面波作用下,分裂成大油滴;在KH不稳定表面波作用下分裂成小油滴。,返回,油滴直径(索特平均直径),(高压)(低压),雾束贯穿距离,大缸径静止空气:(Dent)小缸径高速机: (新井公式)有涡流时:,喷雾锥角,喷雾锥角由喷孔直径、喷孔厚度、喷孔的加工质量等决定,一般在15~30度。,燃烧室、油束和涡流的配合,油束穿透率喷雾锥角油束夹角,返回,柴油机的燃烧过程,柴油机着火的单液滴模型内燃机的着火条件柴油机燃烧阶段划分滞燃期放热规律,返回,柴油机着火的单液滴模型,返回,热自燃与链式反应反应放热的规律:传热规律:,内燃机的着火条件,自燃的临界条件,,着火温度与压力的关系,返回,柴油机燃烧阶段划分,1.滞燃期2.急燃期3.缓燃期4.后燃期,返回,滞燃期,组成:物理滞燃期化学滞燃期影响因素对燃烧过程的影响,影响滞燃期的因素:,1.温度2.压力3.喷油提前角4.转速5.涡流速度6.空燃比7.雾化程度8.添加剂和燃料种类,峰值压力、压升比与滞燃期,压缩终点与滞燃期,喷油时间与滞燃期,转速与滞燃期,增压压力与滞燃期,增压空气温度与滞燃期,滞燃期对燃烧过程的影响,a.预混燃烧份额b.压升比c.最高爆发压力d.最高燃烧温度,返回,放热规律,放热规律是燃料的燃烧放热速度与时间的变化关系,不同放热规律对性能的影响,放热率的求解,采用单区模型方法,根据热力学第一定律:其中,净放热量是燃烧放热量与散热量之差。,热传导规律,其中,导热系数采用Woschni公式:,测试数据处理后的燃烧放热率示意图,放热规律的韦伯公式表达,最常见的方法是利用半经验公式,韦伯公式就是其中的一种,也称为韦伯燃烧规律。,燃烧的化学反应描述,内燃机所使用的传统燃料是分子量不同的各种碳氢化合物的混合物,碳氢化合物燃料的燃烧属于链式反应。在一定条件(压力、温度)下,燃料中参与化学反应的原始物质形成一定数量的活化中心,如生成O、H、OH等自由原子和自由基,它们的化学价都不饱和,这些自由原子和自由基将与原始物质继续进行反应,形成新的反应链。由于链式反应不断地分支和扩展,活化中心不断地产生,所以,化学反应也随之加速进行,一直到参与化学反应的原始物质的浓度减小到接近于0,反应才逐渐停止。,韦伯规律,链式反应的化学性质是由反应过程中形成的话化中心的数量来确定的。50年代,韦伯根据链反应理论提出了描写内燃机燃烧速度的半经验公式,认为参与化学反应的原始物质的分子数与能引起有效反应的活化中心的数目成正比。,反应速度,dN和dNef别表示从t到t+dt时间间隔内参与有效反应的原始物质的分子数和有效活化中心的数目,则n是比例系数上式表明:链式化学反应的速度正比于有效活化中心的产生速度。,燃烧速度,有效活化中心产生的速度对原始物质分子数的比值,称为这一时刻有效活化中心的相对密度结合前式得到燃烧速度:,柴油机的当量燃烧规律,柴油机中的链式反应是在复杂的条件下进行的,因为在燃烧过程中,可燃混合气的容积压力、温度和浓度都在改变,即使是在同一时刻,燃烧室中可燃混合气的温度和浓度也是不均匀的;另外,在燃烧过程中,可燃混合气也并不全是单相气体状态,因此,完全应用链式反应来描述柴油机燃烧过程的放热规律还不完全符合燃烧过程,但是,考虑到柴油机燃烧的特殊性,根据柴油机燃烧过程的有关试验资料,利用韦伯公式的基本形式,建立起能反映柴油机燃烧过程的当量燃烧规律,实践证明还是可行的。,燃烧过程,考虑到柴油机中燃烧过程进展的特性,函数f(t)主要应满足下述条件:当t=0,即化学反应开始时,虽然着火滞后使得有效活化中心的相对密度大于0,但化学反应很缓慢,故仍可认为此时已燃烧的燃油的百分数x=0。为满足这个条件,当t=o时,f(t)=0,即函数f(t)的曲线应当从坐标原点开始。在化学反应过程中,有效活化中心的相对密度没有突变,因此,f(t)应当是连续函数。在化学反应过程中心从0单调变化到1,由f(t)特性可知,只有函数单调变化才能满足这个条件,所以,f(t)是增函数。由于函数f(t)的连续性和增函数性,因此可以认为t趋于无穷大时,f(t)趋于无穷大。在化学反应过程中,燃烧速度有最大值,而当t趋于无穷大时,化学反应趋于停止,燃烧速度为0。燃烧速度曲线下面的面积应当等于1,即t趋于无穷大时,x趋于1。,燃烧规律的半经验公式,燃烧百分数,设定燃烧持续期终了时,已燃烧燃油的百分数为0.999,,燃烧品质系数m对燃烧速度的影响,燃烧放热规律,柴油机燃烧放热规律一般采用双韦伯曲线模拟,可以较好的反映柴油机燃烧特点,,,,预混燃烧比,其中,a=0.37, b=0.26, c=0.926,滞燃期,其中p, T为燃烧始点压力和温度,,表示预混燃烧放热率, ? ? 表示扩散燃烧放热率, ? , ?分别表示预混燃烧和扩散燃烧的持续角,m1,m2分别表示预混燃烧和扩散燃烧的燃烧品质系数,,,,,,燃烧放热率,变工况下燃烧品质系数的变化,,变工况下燃烧放热规律,燃烧持续角 下标为0的项,为标定工况下的过量空气系数和燃烧持续角,,燃烧品质系数和预混燃烧比与转速和负荷的关系,,预混燃烧和扩散燃烧持续角与转速和负荷的关系,,,返回,柴油机的燃烧室,直喷式浅盆形、深坑形分隔式涡流室、预燃室,返回,浅盆形燃烧室,混合气形成主要靠喷射雾化不组织进气涡流燃料分布到整个燃烧室空间燃烧室相对散热面积小预混燃烧份额大 对转速和燃料较敏感。,浅盆型燃烧室结构:,深坑形燃烧室,组织进气涡流雾化利用喷射和涡流 启动容易适用于高速机。,深坑型燃烧室结构,涡流室燃烧室,混合气形成与燃烧主要是利用压缩涡流压缩涡流随转速加快 工作平稳热损失大NOx排放低,HC高。,通道面积/活塞面积:1.2~3.5% 油束与空气涡流的配合喷嘴倾角偏心距,涡流式燃烧室结构,涡流室式燃烧室结构,柴油机各种燃烧室的比较,改善燃烧的途径,返回,汽油机与柴油机的区别,燃烧方式、放热规律(预混与扩散)点燃与压燃(着火机理)滞燃期内的过程单区着火与多区着火(火焰传播)过量空气系数,双区模型与单液滴模型的机理性解释燃烧排放的特性不同调节方式不同(调质与调量)由燃烧而导致结构上的不同(燃烧室、供油、机体、运动件等等),汽油机与柴油机的区别,返回,内燃机的燃油供给,汽油机供油系统化油器供油的原理电控汽油喷射柴油机供油系统,返回,化油器供油的原理,汽油机供油系统的特点,预混合空燃比在理论空燃比附近油量的调节是靠调节进气量进行的(调量),返回,柴油机供油系统,燃烧对燃料供给系统的要求供油系统结构供油规律喷油系统参数柴油机的不正常喷射,返回,燃烧对燃料供给系统的要求,1.定时合适的喷油时刻2.定量喷油量与工况要求匹配3.定质一定的喷射压力和雾化程度与燃烧室形状匹配4.定形一定的喷油规律,影响柴油机的喷射雾化的因素,1.空气、燃油密度比 ? 2.雷诺数 ? 3.燃油粘度 ? 4.喷射压力 ? 5.喷孔直径,返回,供油系统结构,喷油泵结构喷油器结构喷油系统结构特点,返回,柴油机供油系统,柱塞泵工作原理,分配泵工作原理,返回,喷油器,返回,喷油系统结构特点,三大偶件:柱塞偶件——提供高压燃油出油阀偶件——维持高压油管压力并减压针阀偶件——保障高压喷射和迅捷断油,返回,供油规律,几何供油规律与喷油规律喷油规律的获取,返回,几何供油规律与喷油规律,几何供油规律决定喷油规律,但并不是唯一的决定因素两者存在差异时间形状喷油过程,返回,喷油规律的获取,实验测量压力升程法:喷油速率与喷孔前后压差、流通截面有关。Bosch长管法:利用压力波与流动速度的关系,测出压力波动算出体积流量。计算仿真,喷油规律的测量,压力升程法,博世长管法,Bosch长管法,返回,喷油系统参数,喷油泵参数喷油器的结构与参数,返回,喷油泵参数,喷油泵的参数与结构供油提前角与喷油提前角喷油泵的系列化及其工作指标喷油泵系数的选择减压容积,返回,喷油泵的参数与结构,喷油泵结构参数和调整参数影响喷油过程,从而对内燃机性能有一定影响。其主要参数有:供油始点(在内燃机上为供油提前角),柱塞直径,凸轮型线和最大升程,供油预行程,出油阀减压容积等。,返回,供油提前角与喷油提前角,柴油机为获得高的热效率.要求燃烧在上止点附近完成,喷油需在上止点前某一时刻开始,过早或过迟喷油对燃烧热效率都有影响;燃油喷入气缸的时刻到活塞上止点所经历的曲轴转角称为喷油提前角;喷油提前角测量需在喷油器内安装针阀升程传感器,配专用电产仪器完成。这种动态测试比较麻烦,故平常柴油机调试及产品说明书标注时都采用供油提前角,供油提前角,供油提前角就是喷油泵安装于柴油机上,喷油泵柱塞关闭进、回油孔开始压油到柴油机活塞上止点所经历的曲轴转角。供油提前角大小对柴油机燃烧过程影响很大,故对某一工况,从燃烧效率即动力性和经济性考虑有一最佳值。若考虑某一排放物(如NOx或PM或HC)或黑烟(烟度)或压力升高比等,又各有不同的最佳值。,返回,喷油泵的系列化及其工作指标,对某一功率、转速段柴油机可采用外形尺寸、结构型式、缸心距相同的喷油泵.用缸数增减、置换不同枝塞直径、凸轮型线和升程、出油阀减压容积等少量互换零件和对供油量、转速等调整参数进行调试的方法来满足与不同柴油机的配套,形成一个系列,这就是柱塞式喷油泵系列化。对于系列化的油泵在选择时需考虑:a.最大循环供油量b.最高平均供油速率c.最大许用泵端压力d.最高工作转速,返回,喷油泵系数的选择,减压容积的确定柱塞直径dp和有效供油行程he,凸轮升程、供油持续期和预行程,返回,减压容积,出油阀减压容积的大小对喷油过程影响很大:在高压油路容积一定时,出油阀减压容积越大,高压油膨胀越多,使高压油路中助油压下降越多,不喷油时油管中的残余压力越低。若减压容积太小,高压油路中残余压力偏高,由于压力的波动,针阀体盛油腔压力超过喷油器开启压力时,针阀再次开启,将产生二次喷射现象。,出油阀减压容积大小的选取与高压油路容积、油管压力值的大小相关,高压油路容积越大,减压容积也要相应增大;油管压力峰值越大,减压容积也需增大。,减压容积的选取,返回,喷油器的结构与参数,启阀压力与闭阀压力喷孔面积与流通特性压力室容积,返回,启阀压力与闭阀压力,启阀压力闭阀压力,喷孔面积与流通特性,压力室容积,喷油结束后,压力室中的燃油靠高温蒸发,在无喷射状态下进入燃烧室对喷油压力和雾化的影响对HC排放的影响,返回,柴油机的不正常喷射,二次喷射穴蚀不稳定喷射,返回,二次喷射,二次喷射是指发生在主喷射结束之后,喷射终了针阀落座后又第二次开启向气缸内喷射的现象。二次喷射使整个喷油持续时间延长,二次喷射的燃油是在较低的压力下喷入气缸的,雾化质量差,造成发动机性能下降二次喷射出现的工况是在柴油机大负荷、高速运转工况。二次喷射产生的原因是燃油在高压作用下的可压缩性和燃油压力波在高压油路的传播反射。,消除二次喷射的方法,减小高压油路容积、增大出油阀减压容积适当增大喷孔总面积增大出油阀弹簧刚度和开启压力采用等压出油阀或阻尼出油阀,穴蚀,当油压突降到其相应温度的饱和蒸气压时,高压油路中会产生油的蒸气泡。在喷油过程的一个循环中,压力是变动的。当油压达到一定值时,气泡将破裂,气泡连续产生和破裂的过程,将合造成能量的骤变。若气泡破裂过程的能量达一定数值,对金属表面形成冲击而导致疲劳损坏,称为穴蚀现象。,不稳定喷射,在正常喷油过程中,每循环喷油量也是基本不变的。但是,在某些工况(特别是低怠速工况),当结构参数匹配不当时,循环供油量不断变动,各循环喷油规律也有差异,这种现象称之为不稳定喷射,也称不规则喷射。,返回,内燃机排放,内燃机排气污染特点内燃机排放物生成机理内燃机排放特性汽油机排放控制柴油机排放控制排放测试与法规简介,返回,内燃机排气污染,主要污染物:HC、CO、PM、NOx指标:体积分数、质量浓度 ? ? ? ? ? 质量排放量 ? 比排放量,CO排放与燃料、空燃比的关系,柴油机排放与过量空气系数,汽油机排放与过量空气系数,返回,CO的生成机理,1.CO生成机理详细过程尚未完全弄清,一般认为,生成步骤如下:其中:2.是一种中间产物,最终生成情况视氧气浓度而定,HC的生成机理,1.冷激效应 ? ?2.油膜与沉积物吸附 ? ?3.容积淬熄 ? ?4.碳氢化合物的后期氧化,NOx的生成机理,高温、富氧、均是NOx生成的有利条件,NOx生成机理分析,Newhall发现:在燃烧过程中,NO的生成速率是比较慢的,在膨胀过程中,NO的分解速率也是相当慢,因此,对NO排放的分析不能用化学平衡的方法,必须用动力学方法。,PM排放物,一.汽油机中,PM的主要成分是硫酸盐二.柴油机中,PM的主要成分是碳烟,返回,内燃机排放特性,汽油机稳定运转瞬态运转柴油机稳定运转瞬态运转,汽油机稳态CO排放特性,汽油机稳态HC排放特性,汽油机稳态NOx排放特性,汽油机瞬态运转过程的排放,冷启动过量空气系数<1,气缸温度低,冷激效应明显,HC、CO排放高,NOx排放低暖机过程过量空气系数<1,HC、CO排放高,随着气缸温度升高,NOx排放逐渐升高加速化油器汽油机供汽很浓,CO、HC排放高电喷汽油机混合气浓度稳定,排放与相应稳态工况点相似减速化油器发动机混合气过浓,HC、CO排放高电喷汽油机减速时不喷油,汽油机加速时的CO排放,汽油机减速时的HC、CO排放,柴油机稳态下CO排放,柴油机稳态HC排放,柴油机稳态下NOx 排放,柴油机稳态下PM排放,柴油机瞬态工况排放特点,冷启动因壁面吸附造成HC排放高加速过程非增压柴油机的正常加速几乎是各稳定工况点的连续(准稳态过程)增压机加速存在与增压器的响应匹配问题减速过程减速时不喷油或喷怠速所需油量,返回,汽油机排放控制,一.曲轴箱控制系统二.蒸发物控制系统三.排气再循环四.发动机设计的低排放考虑五.尾气净化,燃油蒸发控制系统,曲轴箱排放控制,废气再循环(EGR),催化转化,返回,柴油机排放控制,一.燃烧方式和燃烧室二.喷油系统三.气流组织和多气门技术四.排气再循环五.增压,柴油机设计的低排放考虑,柴油机的CO和HC排放量相对汽油机来说要少得多,但NOx与汽油机在同一数量级,而微粒和碳烟的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。因此,设计低排放柴油机,重点是控制NOx与微粒,其次是HC。,低排放的空燃比考虑,柴油机造成污染物排放的根本原因在于油气混合不好。混合不好导致局部缺氧,使碳烟大量生成。同时存在很多Фa=1.0~1.1的高NOx生成区。所以低排放柴油机的设计要围绕改善油气混合这一中心任务,防止局部Фa超过0.9(这有利于NOx生成)和低于0.6(这有利于碳烟生成)。,低排放燃烧系统的要求,由于直喷技术的进步以及降低油耗和CO2排放的要求,柴油机大多采取直接喷射燃烧方式。其燃烧室设计要点如下:①燃烧室容积比②燃烧室口径比③燃烧室形状④压缩比,①燃烧室容积比,燃烧室容积对气缸余隙容积之比即为燃烧室容积比,应力求提高此容积比,以提高柴油机的冒烟界限,降低柴油机的碳烟和微粒排放。,②燃烧室口径比,燃烧室口径小增加喷雾碰壁量,造成HC排放增加。因此除缸径很小的柴油机外,尽量用口径比较大的浅平燃烧室(dk/D=0.6~0.8),配合小孔径的多喷孔喷嘴。,③燃烧室形状,用缩口燃烧室加强燃烧室口部的气体湍流,促进扩散混合和燃烧。燃烧室底部中央的凸起适当加大,以进一步提高空气的利用率。用带圆角的方形或五瓣梅花形(分别配4孔和5孔喷嘴)代替圆形燃烧室,加强燃烧室中的微观湍流,加速燃烧,减少碳烟生成。,④压缩比,适当提高柴油机压缩比可降低HC和CO排放,并结合推迟喷油获得动力经济性能与NOx排放之间较好的折中。,低排放喷油系统要求,加强雾化效果,优化喷油规律①提高喷油压力。②增加喷油器的喷孔数,减小孔径。③控制燃油喷射率,如靴形喷射、预喷射。④根据柴油机工况优化喷油定时。,其他技术措施,(4)采用多气门技术,配合多孔数、小孔径喷油器来获得良好的混合气。(5)可采用废气再循环(EGR)来降低NOx排放。(6)采用增压中冷技术来降低碳烟和NOx排放。,返回,排放测量与法规简介,排放测量的取样方式排放测量方法排放法规简介,排放物取样方式,尾气取样直接取样法/未经稀释,样本凝结,吸附全量取样法/容积大,需防止样本凝结比例取样法(VRS)/装置比较复杂定容取样法(CVS)/简单可靠,仪器精度要求高缸内取样/装置复杂,气体成分测试方法,不分光红外分析法(NDIR)-CO,CO2火焰离子检测法(FID)-HC化学发光法(CL)-NOx气相色谱法(GC)-CH4顺磁分析法-O2不分光紫外分析法(NDUR)-NOx比色法,微粒测量方法,质量测量-微粒天平成分分析热解质量分析法索氏萃取法烟度测量滤纸式烟度计消光式烟度计,内燃机排放法规,轻型车用内燃机欧洲试验方法采用ECE-15+EUDC测试循环美国采用FTP-75中、重型车用内燃机欧洲采用“ECE R49十三工况法”/欧II美国采取瞬态工况法。,返回,内燃机的噪声,噪声分类噪声评价燃烧噪声特征柴油机机械噪声源气动噪声噪声测量与控制,返回,噪声分类,不同频率、不同强度的声音无规则地组合在一起,对人造成危害的声波称为噪声。按照频谱特性,噪声可分为有调噪声和无调噪声。有调噪声含有明显的基波及其谐波.旋转机械产生的机械噪声都属有调噪声。无调噪声则正好相反,它没有明显的基频及其谐波,排气放空噪声便是一种常见的无调噪声。,按噪声源分类,分为气体动力性噪声、机械噪声、电磁噪声和燃烧噪声在柴油机中,进气和排气噪声、风扇噪声、增压气动噪声等同于气体动力性噪声,它们由噪声源通过气体振动直接向周围空气辐射。运动件团击、振动所激发的声音是机械噪声。许多电气部件由于周期性电磁力而引发的振动称为电磁噪声。燃烧噪声则是燃烧产生的压力陡升引起冲击,通过内部零件向外辐射而产生的声音。在柴油机中,大部分机械噪声是由燃烧间接引发的,常常与燃烧噪声很难加以区分。习惯上常把燃烧时气缸内压力的变化经机体和气缸盖等引起内燃机整机表面振动而辐射出的噪声称为燃烧噪声,而把活塞对缸套敲击、配气机构、正时齿轮、喷油泵等非主传动链中所产生的噪声称为机械噪声。,返回,噪声评价,噪声的大小通常用声压级来度量。人们对于声压级相同而频率不同的声音,在主观感觉上是不一样的。这样就有一个噪声的客观物理量与入耳的主观感觉量统一的问题。仿照声压级提出了响度级的概念。响度级是相对量,以方(phon)为单位,选取1000Hz的纯音作为基准声音,凡听起来同该纯音一样响的噪声,其响度级的方数就等于这个纯音声压级的分贝数。响度级既考虑了物理意义,又考虑了人耳听觉的生理效应,是人们对叹声主观评价的基本量之一。,ISO等响度线,响度,因响度级只表示可听范围中频率为1000Hz的等响声音分贝数,响度级增加一倍,并不意味主观响反感觉增加一倍。故方数不能直接相互比较。描述主观响度感觉的是响度(单位宋)。目前响度很少使用,声级,为了使测定噪声的仪器(声级计)模拟人耳的主观评价,用等响曲线作基础,采用电气计权网络对不同频率信号作不同程度的衰减.例如,仿照40方等响曲线特性制成A声级(LA),仿照70方等响曲线特性制成B声级(LB),仿照100方等响曲线特性制成C声级(LC)。由于A声级与人耳对常见噪声的感觉接近,所以ISO推荐用A声级测量和评价噪声。,返回,燃烧噪声特征,在柴油机燃烧的三个主要阶段中,急燃期内燃料的燃烧速率很高,造成气缸内气体压力的迅速上升。高的压力增长率意味对柴油机施加了冲击性的载荷。这种冲击包含了相当宽频率范围的不同幅值的载荷,从而使柴油机内不同固有频率的零件被激发而振动,造成所谓的燃烧噪声。燃烧噪声的特征和示功图上急燃期的压力曲线特征有十分密切的对应关系。,气缸压力频谱和辐射噪声频谱的比较,燃烧噪声产生,一.汽油机为单区着火,燃烧的火焰峰面是一个皱褶面,燃烧柔和,压升比较小二.柴油机为多区着火,燃烧有冲击性,压升率较大,燃烧噪声影响因素,燃烧室形式的影响喷油定时的影响喷油率的影响增压的影响负荷和转速的影响加速工况的影响燃料性质影响,返回,柴油机机械噪声源,活塞敲击噪声齿轮噪声配气机构噪声其他机械噪声,结构响应与表面辐射噪声,燃烧激振力和机械激振力通过柴油机各结构零件传递到柴油机的外表面上,这种传递关系被称为结构响应。外表面的振动响应激发与表面邻近的空气质点的振动。在低频情况下,空气质点的振动并不能造成较大的压力变化,所以表面的振动能量很少传给空气。当频率较高时,振动能在空气中建立足够强的压力波,从而使能量以声波形式辐射出去。,柴油机燃烧和机械噪声的产生和传递,返回,气动噪声,排气噪声进气噪声废气涡轮增压系统的噪声,返回,柴油机噪声的测量,测点的设置测量表面平均噪声级的计算若全部测点的噪声级的最大最小值之差不超过5dB,则取算术平均值。若差值大于5dB,根据能量叠加法则计算。本底噪声修正本底噪声级是指在相应的空间和时间内,当待测噪声不存在时的平均声级。总噪声与本底噪声之差为:3~10dB,进行修正;小于3dB,测量无效;大于10dB,不修正,降低内燃机噪声的一般方法,控制噪声源控制燃烧噪声源控制机械噪声源控制气动噪声源控制表面辐射噪声增加机体的刚度增加表面振动阻尼减小机体辐射表面积隔振和隔声,消声器,返回,谢谢各位,武汉理工大学能源与动力工程学院,

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