汽車發(fā)動機(jī)原理6章1(王建昕)

1、Department of Automotive EngineeringTsinghua University第二篇 燃燒與排放汽車發(fā)動機(jī)追求的目標(biāo)：汽車發(fā)動機(jī)追求的目標(biāo)： 1970年代年代 動力性、經(jīng)濟(jì)性，高效率動力性、經(jīng)濟(jì)性，高效率 19701990年代年代 低排氣污染，低排氣污染， 2000現(xiàn)在現(xiàn)在 高效率高效率+低污染低污染火花點(diǎn)火（汽油機(jī)）壓縮著火（柴油機(jī)）缸內(nèi)直噴汽油機(jī)均質(zhì)壓燃汽/柴油機(jī)Department of Automotive EngineeringTsinghua University本篇主要內(nèi)容第第6章：燃燒的基礎(chǔ)知識章：燃燒的基礎(chǔ)知識第第7章：柴油機(jī)的混合氣形成與燃燒

2、章：柴油機(jī)的混合氣形成與燃燒第第8章：汽油機(jī)混合氣形成與燃燒章：汽油機(jī)混合氣形成與燃燒第第9章：有害排放物的生成與控制；章：有害排放物的生成與控制；第第10章：新燃燒方法及替代燃料發(fā)動機(jī)章：新燃燒方法及替代燃料發(fā)動機(jī)n討論與總結(jié)課討論與總結(jié)課n期末考試期末考試Department of Automotive EngineeringTsinghua University第6章 燃燒的基礎(chǔ)知識6.1 燃燒現(xiàn)象及其分類6.1.1 6.1.1 燃燒現(xiàn)象燃燒現(xiàn)象 人類文明的起源、熱能機(jī)械的基礎(chǔ)人類文明的起源、熱能機(jī)械的基礎(chǔ) 燃燒過程包括：著火、燃燒燃燒過程包括：著火、燃燒燃燒,是指燃料與氧化劑進(jìn)行劇烈放

3、熱的氧化反應(yīng)過程。著火,是指可燃混合氣在一定壓力、溫度和濃度條件下，其氧化反應(yīng)突然加速，以至出現(xiàn)火焰的現(xiàn)象。著火階段也稱著火階段也稱滯燃期滯燃期* *著火前也有氧化反應(yīng)，如煤堆、壓燃。著火前也有氧化反應(yīng)，如煤堆、壓燃。*ICE屬周期性非穩(wěn)定燃燒過程，屬周期性非穩(wěn)定燃燒過程，燃燒持續(xù)燃燒持續(xù)期期10-2ms10-2ms、著火過程僅、著火過程僅:0.3-0.03ms:0.3-0.03ms，著火著火至關(guān)重要至關(guān)重要著火及燃燒過程著火及燃燒過程Department of Automotive EngineeringTsinghua University6.1.2 6.1.2 燃燒方法分類燃燒方法分類

4、氣相燃燒氣相燃燒燃料以氣體狀態(tài)與空氣混合所進(jìn)行的燃料以氣體狀態(tài)與空氣混合所進(jìn)行的燃燒；燃燒； 固相燃燒固相燃燒固體燃料沒有揮發(fā)而在表面與空氣進(jìn)行燃燒；固體燃料沒有揮發(fā)而在表面與空氣進(jìn)行燃燒；汽油機(jī)和柴油機(jī)，均為汽油機(jī)和柴油機(jī)，均為液體燃料液體燃料、氣相燃燒氣相燃燒( (反應(yīng)）反應(yīng)）1 1、燃燒分類：、燃燒分類：氣相燃燒、固相燃燒氣相燃燒、固相燃燒第6章 燃燒的基礎(chǔ)知識Department of Automotive EngineeringTsinghua University6.1.2 6.1.2 燃燒方法分類燃燒方法分類2、氣相燃燒分類：擴(kuò)散燃燒、預(yù)混合燃燒擴(kuò)散燃燒、預(yù)混合燃燒擴(kuò)散燃燒擴(kuò)散燃

5、燒(Diffusion Combustion)(Diffusion Combustion) 著火前燃料與空氣相互分離，著火后兩者邊混合邊燃燒著火前燃料與空氣相互分離，著火后兩者邊混合邊燃燒（如煤氣灶、蠟燭、鍋爐、柴油機(jī)、液體燃料失火）（如煤氣灶、蠟燭、鍋爐、柴油機(jī)、液體燃料失火）；預(yù)混合燃燒預(yù)混合燃燒(Premixed Combustion)(Premixed Combustion) 著火前燃料氣體或燃料蒸氣與空氣已按一定比例形成均勻著火前燃料氣體或燃料蒸氣與空氣已按一定比例形成均勻混合氣混合氣（如汽油機(jī)、瓦斯爆炸）（如汽油機(jī)、瓦斯爆炸） 。 內(nèi)燃機(jī)中所有燃燒一定屬于兩種燃燒中的某一類、或兩種

6、燃燒的組合。例如例如： 點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)SISI（汽油、氣體燃料）（汽油、氣體燃料）- - 預(yù)混合燃燒預(yù)混合燃燒 壓燃式發(fā)動機(jī)壓燃式發(fā)動機(jī)CICI（柴油機(jī)）（柴油機(jī)）- - 基本屬擴(kuò)散燃燒基本屬擴(kuò)散燃燒（初期有預(yù)混合燃燒）。（初期有預(yù)混合燃燒）。Department of Automotive EngineeringTsinghua University預(yù)混合燃燒的高速攝影層流預(yù)混火焰：層流預(yù)混火焰：均質(zhì)、透明、亮均質(zhì)、透明、亮度低度低擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)：擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)：非均質(zhì)、明亮非均質(zhì)、明亮層流擴(kuò)散火焰：層流擴(kuò)散火焰：黃（紅）色、亮黃（紅）色、亮度較高度較高Department of Au

7、tomotive EngineeringTsinghua University2、預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒的對比 擴(kuò)散燃燒燃燒速度取決于混合速度燃燒速度取決于混合速度（混合氣形成的影響極大）（混合氣形成的影響極大）；a=1.2-6.8a=1.2-6.8，穩(wěn)定稀燃穩(wěn)定稀燃；濃度和溫度分布不均勻，濃度和溫度分布不均勻，易產(chǎn)生碳煙易產(chǎn)生碳煙；有焰燃燒有焰燃燒；無回火可能無回火可能。 預(yù)混合燃燒燃燒速度取決于化學(xué)反應(yīng)速燃燒速度取決于化學(xué)反應(yīng)速度度（混合氣形成影響不大）（混合氣形成影響不大） ； a=0.8-1.2a=0.8-1.2，難以稀燃難以稀燃；濃度和溫度分布均勻，濃度和溫度分布均勻， 不易不易產(chǎn)生碳

8、煙產(chǎn)生碳煙； 無焰燃燒無焰燃燒；有回火可能，如汽油機(jī)進(jìn)氣管放炮有回火可能，如汽油機(jī)進(jìn)氣管放炮Department of Automotive EngineeringTsinghua University6.2 可燃混合氣的著火與著火理論 內(nèi)燃機(jī)的燃燒是周期性、非穩(wěn)定、高速燃燒過程，著火特性對燃燒過程內(nèi)燃機(jī)的燃燒是周期性、非穩(wěn)定、高速燃燒過程，著火特性對燃燒過程至關(guān)重要。至關(guān)重要。2 2個著火理論個著火理論：熱著火熱著火（早期）、（早期）、 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)著火鏈?zhǔn)椒磻?yīng)著火（3030年代）年代）6.2.1 6.2.1 熱著火理論熱著火理論P(yáng)、T、n、n*FT0、P0 對于如圖所示的有邊界的均勻混合氣，根

9、據(jù)對于如圖所示的有邊界的均勻混合氣，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，其放熱速率為：化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，其放熱速率為： （6-1）n分子總數(shù)，分子總數(shù)， n*能進(jìn)行反應(yīng)的分子數(shù)能進(jìn)行反應(yīng)的分子數(shù)C反應(yīng)常數(shù)，反應(yīng)常數(shù)， R氣體常數(shù)，氣體常數(shù)，E活化能（使普通分子變?yōu)榛罨肿铀枳钚』罨埽ㄊ蛊胀ǚ肿幼優(yōu)榛罨肿铀枳钚∧芰浚?。能量）。RTECtqexpd/d1Department of Automotive EngineeringTsinghua University1、著火條件散熱速率：散熱速率： dq2/dt = AF（T-T0） （6-2） 熱著火理論熱著火理論著火的原因在于熱著火的原因在于熱量的積累，當(dāng)量

10、的積累，當(dāng)放熱率放熱率散熱率散熱率時，時，著火可能。著火可能。 不能著火臨界條件切于肯定著火212121321qqTqqqqC即即 ：dq1/dt 與與T成成指數(shù)關(guān)系指數(shù)關(guān)系 dq2/dt 與與T成成線性關(guān)系線性關(guān)系Department of Automotive EngineeringTsinghua University2、影響著火的因素臨界著火溫度臨界著火溫度Tc受下列因素影響：受下列因素影響：（1）壓力壓力（如圖（如圖5-3） Pc， Tc （碰撞概率）（碰撞概率）（2）燃料理化特性燃料理化特性 見表見表29中，自然溫度中，自然溫度Department of Automotive En

11、gineeringTsinghua University2、影響著火的因素（續(xù)）（3）a a = 1 時，時， Tc最低；最低； 對于某一對于某一Tci，存在，存在濃限濃限和和稀限稀限； 對于所有對于所有Tc，存在，存在貧油極限貧油極限和和富油極限富油極限；Department of Automotive EngineeringTsinghua University6.2 可燃混合氣的著火與著火理論可燃混合氣的著火與著火理論熱著火理論并不能解釋所有著火現(xiàn)象，熱著火理論并不能解釋所有著火現(xiàn)象，如低溫時著火現(xiàn)象（如圖試驗(yàn)結(jié)果）、如低溫時著火現(xiàn)象（如圖試驗(yàn)結(jié)果）、熱以外的其他能量也能激發(fā)著火、多分熱

12、以外的其他能量也能激發(fā)著火、多分子同時碰撞的概率（庚烷例）等。子同時碰撞的概率（庚烷例）等。 C7H16 + 11O2 7CO2 + 8H2O6.2.2 6.2.2 鏈?zhǔn)街鹄碚撴準(zhǔn)街鹄碚摚ㄖx苗諾夫）（謝苗諾夫）要點(diǎn)：要點(diǎn)：只要能以某種能量方式激發(fā)出只要能以某種能量方式激發(fā)出活性中活性中心心就能引起著火就能引起著火（活化分子的積累）（活化分子的積累）首先由反應(yīng)物分子受激產(chǎn)生活性中心，首先由反應(yīng)物分子受激產(chǎn)生活性中心，然后通過然后通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生著火。產(chǎn)生著火。Department of Automotive EngineeringTsinghua University6.2.2 鏈?zhǔn)?/p>

13、著火理論 研究表明，烴類燃料在高溫研究表明，烴類燃料在高溫和低溫條件下呈現(xiàn)不同的著火和低溫條件下呈現(xiàn)不同的著火特性特性低溫多階段低溫多階段（473600k）高溫單階段高溫單階段（9001200k）冷焰區(qū)、著火半島冷焰區(qū)、著火半島Department of Automotive EngineeringTsinghua University1、低溫多階段著火過程、低溫多階段著火過程1冷焰誘導(dǎo)階段冷焰誘導(dǎo)階段 直鏈反應(yīng)，直鏈反應(yīng)， ROOH+C2H4O（乙醛）（乙醛） 3熱焰熱焰 CO CO2 熱焰熱焰3藍(lán)焰階段藍(lán)焰階段 HCHO CO 藍(lán)焰藍(lán)焰 2冷焰階段冷焰階段 ROOHHCHO（甲醛）（甲醛）

14、 冷焰冷焰烴燃料的低溫多階段著火過程烴燃料的低溫多階段著火過程Department of Automotive EngineeringTsinghua University2、高溫單階段著火過程、高溫單階段著火過程 高溫時，不經(jīng)過冷焰階段，直接到藍(lán)焰高溫時，不經(jīng)過冷焰階段，直接到藍(lán)焰-熱焰，即高溫?zé)嵫妫锤邷貑坞A段著火。單階段著火。具體的發(fā)動機(jī)著火過程：具體的發(fā)動機(jī)著火過程： 低溫多階段低溫多階段柴油機(jī)壓燃、汽油機(jī)爆燃；柴油機(jī)壓燃、汽油機(jī)爆燃； 高溫單階段高溫單階段汽油機(jī)火花點(diǎn)火、柴油機(jī)著火后的燃燒汽油機(jī)火花點(diǎn)火、柴油機(jī)著火后的燃燒* *著火過程是一個復(fù)雜的著火過程是一個復(fù)雜的“化學(xué)動力學(xué)化學(xué)

15、動力學(xué)”反應(yīng)過程，尚有許反應(yīng)過程，尚有許多未知問題。多未知問題。Department of Automotive EngineeringTsinghua University何謂湍流何謂湍流（紊流，（紊流，Turbulence) 流速大小及方向無規(guī)則變化的微元?dú)怏w流動流速大小及方向無規(guī)則變化的微元?dú)怏w流動判定標(biāo)準(zhǔn)判定標(biāo)準(zhǔn) 雷諾數(shù)雷諾數(shù)（Reynolds NumberReynolds Number）6.3 湍流湍流湍流的瞬時速度與平均速度湍流的瞬時速度與平均速度瞬時速度瞬時速度u脈動速度脈動速度uT平均速度平均速度UDepartment of Automotive EngineeringTsin

16、ghua University脈動速度脈動速度 瞬時速度瞬時速度u, u, 平均速度平均速度U, U, 脈動速度脈動速度u uT T的相互關(guān)系如下的相互關(guān)系如下湍流強(qiáng)度湍流強(qiáng)度 集總脈動速度的均方根值集總脈動速度的均方根值6.3 湍流湍流iuiUiu,T 2/112TEAT,1NiiuNu湍流的瞬時速度與平均速度湍流的瞬時速度與平均速度湍流可以強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)湍流可以強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過程，因而促進(jìn)燃油與過程，因而促進(jìn)燃油與空氣的混合及燃燒空氣的混合及燃燒Department of Automotive EngineeringTsinghua University6.4 預(yù)制均勻混合氣中的火焰?zhèn)鞑ヮA(yù)制均

17、勻混合氣中的火焰?zhèn)鞑?火核順序點(diǎn)燃周圍的混合氣，以火核順序點(diǎn)燃周圍的混合氣，以球面波向外傳播；球面波向外傳播；火焰前鋒面火焰前鋒面火焰?zhèn)鞑ニ俣然鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葀L火焰前鋒面火焰前鋒面在在法線方向法線方向上上相對于相對于未燃混合氣的移未燃混合氣的移動速度動速度 燃燒速率燃燒速率記，混合氣質(zhì)量為記，混合氣質(zhì)量為m，混合氣密度為混合氣密度為 m，火焰前鋒表面積為，火焰前鋒表面積為FL，則燃燒速率：，則燃燒速率： 放熱速率放熱速率記，燃燒放熱量為記，燃燒放熱量為qT，混合氣熱值為混合氣熱值為Hum，則放熱速率：，則放熱速率：汽油機(jī)中的火焰?zhèn)鞑テ蜋C(jī)中的火焰?zhèn)鞑LLddFvtmumLLLBddHFvtQD

18、epartment of Automotive EngineeringTsinghua University1、 火焰前鋒面的結(jié)構(gòu)火焰前鋒面的結(jié)構(gòu)特征特征：很薄，厚度很薄，厚度=0.11mm；劇烈的化學(xué)反應(yīng)劇烈的化學(xué)反應(yīng)（9095%的化學(xué)能在前鋒面上釋放）的化學(xué)能在前鋒面上釋放）；極大的溫度和濃度梯度。極大的溫度和濃度梯度?；鹧媲颁h面的構(gòu)造火焰前鋒面的構(gòu)造Department of Automotive EngineeringTsinghua University2、影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕蛩亍⒂绊懟鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕蛩鼗旌蠚鉂舛然旌蠚鉂舛?vL的最大值一般出現(xiàn)在的最大值一般出現(xiàn)在a=0.9

19、（即（即=1.1 ）附近）附近；燃料特性燃料特性廢氣濃度廢氣濃度混合氣溫度混合氣溫度. 混合氣運(yùn)動狀態(tài)混合氣運(yùn)動狀態(tài) 層流火焰層流火焰混合氣靜止或?qū)恿骰旌蠚忪o止或?qū)恿鳡顟B(tài)（雷諾數(shù)狀態(tài)（雷諾數(shù)Re2300）下的燃燒；）下的燃燒； 湍流火焰湍流火焰混合氣處于湍流狀混合氣處于湍流狀態(tài)下的燃燒態(tài)下的燃燒層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c當(dāng)量比的關(guān)系層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c當(dāng)量比的關(guān)系Department of Automotive EngineeringTsinghua University（3）層流火焰與湍流火焰）層流火焰與湍流火焰層流層流（ ReRe23002300 ） 前鋒面薄且圓滑，前鋒面薄且圓滑， VL 1 m/s (或1.8)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗^慢層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗^慢(171頁例) ;實(shí)際發(fā)動機(jī)中的火焰?zhèn)鞑ナ峭牧骰鹧妫粚?shí)際發(fā)動機(jī)中的火焰?zhèn)鞑ナ峭牧骰鹧?；提高湍流程度，改善汽油機(jī)燃燒。提高湍流程度，改善汽油機(jī)燃燒。湍流湍流（ Re=2300Re=2300 60006000） 前鋒面變厚前鋒面變厚,出現(xiàn)皺折出現(xiàn)皺折 VT , , VT Re Re0.50.5強(qiáng)湍流強(qiáng)湍流（ ReRe60