内燃机理论

内燃机的工作循环第一节内燃机的理论循环内燃机的实际热力循环:是燃料的热能转变为机械能的过程，由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成。在这些过程中，伴随着各种复杂的物理、化学过程，同时，机械摩擦、散热、燃烧、节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在。内燃机的理论循环: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。对理论循环进行研究可以达到以下目的：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效率为代表的经济性和以平均压力为代表的动力性的基本途径。2)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的经济性和动力性。建立理论循环的简化假设：1)以空气作为工作循环的工质，并视其为理想气体，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热过程。内燃机理论循环的三种形式：等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环。三种理论循环的热效率分析：当初始状态一致且加热量及压缩比相同时，等容加热循环的热效率最高，等压加热循环的热效率最低，混合加热循环的热效率介于两者之间；当最高循环压力pz(或称为最高燃烧压力)相同、加热量相同而压缩比不同时，等压加热循环的热效率最高，等容加热循环的热效率最低，混合加热循环的热效率仍介于两者之间。由热效率表达式，还可以得到如下结论：1.提高压缩比εc可以提高热效率ηt，但提高率随着压缩比εc的不断增大而逐渐降低。2.增大压力升高比λp可使热效率ηt提高。3.压缩比εc以及压力升高比λp的增加，将导致最高循环压力pz的急剧上升。4.增大初始膨胀比ρ0，可以提高循环平均压力，但循环热效率ηt随之降低。5.等熵指数k增大，循环热效率ηt提高。内燃机实际工作条件的约束和限制：1)结构条件的限制从理论循环的分析可知，提高压缩比εc和压力升高比λp时提高循环热效率ηt起着有利的作用，但将导致最高循环压力pz的急剧升高，从而对承载零件的强度要求更高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动机的使用可靠性，为此只好增加发动机的质量，结果造成发动机体积与制造成本的增加。2)机械效率的限制内燃机的机械效率ηm是与气缸中的最高循环压力pz密切相关的。不加限制地提高εc以及λp，将引起ηm的下降。从有效指标上看，将直接导致压缩比εc，以及压力升高比λp提高而带来的收益得而复失。3)燃烧方面的限制若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面点火等不正常燃烧的现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也不利于燃烧的高效进行。柴油机的压缩比εc一般在12～22之间，最高循环压力pz＝7～14MPa，压力升高比λp在1．3～2．2左右。汽油机的压缩比εc＝6～12，pz＝3～8.5MPa，λp在2.0～4.0左右。第二节内燃机的燃料及其热化学一、内燃机的燃料（一）石油燃料（二）天然气燃料（三）代用燃料(一)石油燃料1、石油中烃的分类2、石油的炼制方法与燃料3、柴油和汽油的理化性质1、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，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。烯烃是种不饱和的链状烃，其热值较低，着火性能差，只适合作汽油机的燃料。环烷族烃的碳原子不是链状而是环状排列，属饱和烃，其热稳定性比脂肪族高，自燃温度较脂肪族高，适合作汽油机的燃料。芳香族烃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α－甲基萘与正十六烷还用作评定柴油机自燃性能(十六烷值)的标准燃料。2.石油的炼制方法与燃料直接蒸馏法：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％；裂解法：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。表3—2给出了在从原油提炼液体燃料过程中，不同炼制工艺对油料性质的影响。热裂解法虽然工艺简单，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。值得强调的是，每一种商品燃料都是多种烃类的混合物，而且是各种炼制工艺所得油料的调和产物；近年来，为了提高汽油燃料的辛烷值，大量采用催化重整工艺，即将低辛院值的汽油在铂、镍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。3.柴油和汽油的理化性质(1)柴油的理化性质与柴油机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1)自燃温度柴油在无外源点火的情况下能够自行着火的性质称之为自燃性，能够使柴油自行着火的最低温度称为自燃温度。柴油的自燃性用十六烷值衡量。十六烷值的评定需用两种自燃性能截然不同的标准燃料作比较，一种是正十六烷C16H34，自燃性很好，其十六烷值定义为100；另一种是α－甲基萘C11H10，自燃性很差，其十六烷值定义为0。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α－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。2)低温流动性(浊点与凝点)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浊点。此时尽管柴油仍然具有流动性，但其析出的结晶会堵塞滤清器和油管等；当温度再降低时，柴油即完全凝固，此时的温度称为凝点。柴油在低于凝点后，无法正常供应与工作；用降凝剂可以降低凝点，但对浊点影响不大。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号柴油凝固点为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。3)化学成分及发热量燃油的化学成分是用碳、氢、氧、氯四种元素的质量分数表示的，其中碳的质量分数一般在85％以上，而含氮则很少，往往可以忽略不计。1kg燃油完全燃烧所放出的热量叫做燃料的发热量或热值，其单位为kJ／kg。高热值：计及水蒸气冷凝时放出汽化潜热的发热量；低热值：不计及汽化潜热的发热量。在内燃机中，燃油的发热量常用低热值：—般柴油机的低热值为42500～44000kJ／kg。(2)汽油的理化性质对于汽油机来说，与其性能有关的燃料特性主要是挥发性和抗爆性。1)挥发性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。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40～80℃，终馏点为180～210℃。汽油的饱和蒸气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67kPa；、冬季不大于80kPa。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。2)抗爆性燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性。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。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。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。我国生产的汽油是按研究法辛烷值RON分级的。不断提高汽油燃料的辛烷值，以适应发动机强化的需求，是汽车工业对于石油化工工业提出的要求。提高辛烷值的传统方法，是在汽油中添加高效抗爆剂如四乙铅Pb(C2H5)4，但由于该添加剂含铅量高，对人体及环境有较为严重的危害，同时还会使排气催化转换器中的催化剂严重中毒而导致失效，因而逐渐被淘汰。目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先进的炼制工艺和使用高辛烷值的调和剂，如加入甲基叔丁基醚(MTBF)、乙基叔丁基醚(ETBE)或醇类燃料等，以获得较高辛烷值而无其他不利于环保的副作用。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1）混合气形成汽油机：柴油机：外部形成内部形成均匀混合气非均匀混合气α较小α较大量调节（负荷）质调节（负荷）2）发火方式汽油机：柴油机：外源点火自行着火单火源发火多火源着火3）燃烧方式汽油机：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(二)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、氢气、煤气、沼气等。1.天然气天然气主要成分为链烷烃化合物的甲烷CH4(容积比可达95以上)，另外还包括乙烷C2H6以及丙烷C3H8等。天然气的热值和辛烷值均较高，在用作点燃式发动机的燃料时，通过适当的技术措施，如提高发动机的压缩比等，可以接近原发动机的动力性能。同时，天然气又是一种比较洁净的能源，排污低，使用比较方便，特别是压缩天然气(CNG——CompressedNaturalGas)，便于储存，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(LPG-LiquefiedPetroleumGas）气或石油炼制过程中生产的石油气，主要成分是丙烷C3H8、丙烯C3H6、丁烷C4H10、丁烯C4H8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，还可以获得较好的排放性能(三)代用燃料1.醇类燃料醇类燃料有甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。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，相关的基础设施建设投入少，而发动机的动力性与经济性可以接近或超过原有汽油机或柴油机，排气有害成分少，是一种很有发展前景的代用燃料。2.植物油燃料植物油的种类很多，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，即由一个分子甘油(丙三