能源与动力装置基础内燃机

第六章内燃机 第一节内燃机的工作过程 一 内燃机工作过程1 四冲程内燃机的工作过程第一冲程 进气冲程第二冲程 压缩冲程第三冲程 工作冲程 燃烧与膨胀 第四冲程 排气冲程 2 二冲程内燃机的工作过程二冲程内燃机同样具有进气 压缩 燃烧 膨胀和排气过程 与四冲程相比 不同的是这些过程只用两个活塞行程来完成 差别较大的是换气过程 第一冲程 扫气及压缩第二冲程 燃烧 膨胀 排气 第四节柴油机增压系统 一 柴油机增压的目的增压技术是一种提高发动机进气能力的方法 它通过采用专门的压气机 预先对进入气缸的气体进行压缩 提高进入气缸的气体密度 增大进气量 更好地满足燃料的燃烧需要 从而达到提高发动机功率的目的 发动机增压的功用 增压 将空气预先压缩后供入气缸 以提高空气密度 增加进气量 功用 进气量增加 可增加循环供油量 从而可增加发动机功率 可以改善燃油经济性 可以得到良好的加速性 发动机增压类型 机械增压 涡轮增压 与发动机容易匹配 结构紧凑 但燃油效率高 经济性好 排放少 噪声低 但顺态响应和低速加速性差 复合增压 可以兼顾高 低速转矩特性好 但体积大 结构复杂 二 增压方式 1 机械增压系统消耗输出功率为10 左右增加功率30 50 进气压力达0 13 0 17Mpa1 压气机2 进气管 机械增压 机械增压器 1 齿轮增速器驱动 2 传动带及电磁离合器驱动 齿轮增速器 增压器 空气 增压器 电磁离合器 2 废气涡轮增压系统 空气压力达0 13 0 5Mpa提高功率50 300 1 4 排气管2 涡轮导向器3 废气涡轮叶片5 增压器叶轮6 9 进气管7 扩散器8 蜗形管 涡轮增压器 离心式压气机径流式涡轮机中间体 压气机 增压器轴 涡轮机 3 复合增压系统 复合增压系统将机械增压系统和废气涡轮增压系统结合起来 复合增压系统多用于二冲程柴油机上 在二冲程柴油机上采用复合增压系统是为了保证起动和低转速低负荷时仍有必要的扫气压力 复合增压系统又可分为串联增压系统和并联增压系统 复合增压 机械增压与涡轮增压适当结合 串联复合增压 并联复合增压 空气先涡轮增压 中冷器降温 再机械增压 主要用于高增压发动机上 由机械增压和涡轮增压同时供给增压空气 低速主要靠机械增压 而在高速主要靠涡轮增压 所谓TSI是Turbochanger 涡轮增压 Superchanger 机械增压 和Injection 直喷 的缩写 1 4TSI的发动机的排量虽然仅有1 4L 但是在先进的燃油直喷系统和涡轮增压的帮助下 最大功率为96kw 5000rpm 而220Nm的最大扭矩输出 可以在1750 3500转 分钟的转速范围内保持持续输出 而2 0L发动机的最大功率为85kw 5200rpm 最大扭矩为170nm 4000rpm 均落后于1 4TSI 三 增压柴油机的热负荷 热负荷柴油机增压后进气温度提高 最高燃烧温度也随之提高 使得活塞 活塞环 气缸 气缸盖 排气门等零件的温度提高 为此 对增压柴油机必须利用扫气对燃烧室进行冷却 用较大的过量空气系数 使燃烧温度下降 并用中间冷却器冷却增压空气 ChargeAirCoolingSystem空空中冷系统 冷却系的作用 散走发动机的多余热量保证发动机工作在正常的温度下 冷却系散出的热量约等于供给发动机能量的1 4 1 3 冷却系的分类 1 水冷方式 a自然循环b强制循环2 风冷方式 4 冷却系统 4 2强制循环水冷却系 1 结构组成 主要由百叶窗散热器风扇水泵节温器分水管等组成 强制循环水冷却系的工作原理 在发动机中被加热的冷却水经由回水管到达节温器处 根据水温情况节温器控制冷却水的大小循环 大循环的水进入散热器 小循环的水进入水泵直接泵入机体 不作散热处理 除了节温器具有水温调节功能外 百叶窗和风扇均具有调节发动机冷却能力 4 3冷却液 1 2水和1 2的乙二醇混合液其冰点为 35 5 其沸点为103 4 4散热器 1 功能 散出发动机冷却水所携带热量 降低冷却水的温度 2 结构组成 由进水室 出水室 散热器芯等组成 散热器盖及其工作原理 1 正常情况 散热器盖的上 下密封垫与进水口的上 下密封面贴合 对进水口形成密封封闭 2 系统压力升高时 压力阀在蒸汽压的作用下被打开 向外放汽 系统内压力被卸 3 系统内的压力降低形成一定真空度时 在大气压力作用下真空阀被打开 空气进入散热器 补偿系统的真空 4 5风扇 功用 使冷却空气加速流过散热器 促进散热器的热交换 4 6节温器 4 6 1节温器的作用及工作原理 功用 根据冷却水的温度自动控制流经散热器的冷却水量 嵌装在发动机出水管 水泵进水管 散热器进水管之间 控制冷却水的大循环通路和小循环通路 4 7水泵及其工作原理 功用 对冷却水加压 并使其在冷却系统内循环流动 水泵与发动机同步运转 冷却水从进水口进入水泵 在水泵叶轮离心力的作用下由水泵的出水口输出 水泵出水通过分水管进入气缸体的冷却水套 4 8冷却能力的调节 1 百叶窗 开度调节 调节通过散热器的风量2 风扇 离合器或电动控制 调节通过散热器的风量3 节温器调节通过散热器的冷却水量总而言之均与散热器相关 也就是说冷却能力的调节就是调节散热器的散热能力 4 9冷却不良和冷却过度可能产生的后果 1 冷却不良2 冷却过度 4 9 1冷却不良 1 发动机冷却系统开锅 降低发动机零部件的强度 导致发动机使用寿命下降 2 发动机温度过高 进气量减小 导致发动机的动力性受到影响 发动机温度过高燃烧过程发生变化导致动力性和经济性下降 发动机温度过高导致NOx排放值加大 4 9 2冷却过度 1 冷却系统带走的热量增大 发动机效率下降2 摩擦功增加 发动机效率下降3 发动机零部件寿命下降4 发动机燃烧过程变差 导致经济性下降5 排放物中的HC增加 一 内燃机排气中有毒成分的危害任何一种成分的危害严重程度又与其在大气中的浓度密切相关 对气态排放物 它们在大气中的浓度通常用体积百分数表示 如 或ppm 对于颗粒物质 则常用质量浓度表示 如mg m3 1 一氧化碳 CO CO是一种无色 无刺激味的气体 它被吸入人体后使人发生恶心 头晕等症状 严重时会窒息死亡 第六节内燃机的排气净化 2 氮氧化物 NOx 燃烧装置中排出的氮氧化物主要是NO和NO2 而柴油机排气中绝大多数是NO NO是无色并具有轻度刺激性的气体 它在低浓度时对人体健康无影响 高浓度是能造成人与动物中枢神经系统障碍 NO2是一种赤褐色的带刺激性气体 吸入人体后使血液的输氧能力下降 据报道 人只要在NO2含量为100 150ppm的环境中待上0 5 1小时 就会因肺气肿而死亡 3 未燃烃未燃烃中有些成分无毒 有些有毒 如甲醛 乙醛等是有毒的 尤其值得注意的是多环芳香烃中的3 4苯并芘及若干硝基醛 它们已被确认为致癌物质 未燃烃也是形成光化学烟雾的起因物质之一 4 颗粒物 微粒 碳烟颗粒物主要由碳元素构成 并在其表面凝结或吸附含氢成分 未燃烃 由于含氢成分绝大多数可用有机溶剂苯取出来 故称为可溶有机成分 尤其是多环芳香烃等致癌物质 是颗粒物中威胁人体健康的主要因素 5 臭气排气中的臭气由多种成分组成 除了O3 NO2有臭味外 再就是燃料的不完全燃烧产物 如甲醛 丙烯醛等 刺激人的眼粘膜 会产生不舒服感 6 硫氧化物内燃机排气中的硫氧化物是燃料中的硫分在燃烧过程中的氧化产物 主要是SO2 其数量由燃料中含硫量所决定 一般来说 柴油机比汽油机排气中的SO2多 但跟烧煤相比 内燃机排放的SO2所占百分比是很少的 因此 从大气污染看不是主要问题当使用催化净化装置时 很少量的SO2也会逐渐在催化剂表面上堆积起来 影响净化器的使用寿命 光化学烟雾上述排气中的NOx和HC排入大气后 在太阳光 紫外线 的作用下经光化学反应会生成光化学过氧化物 进而形成光化学烟雾 这种有毒烟雾的主要成分是氧化能力很强的臭氧O3及过氧酰基硝酸盐PAN 其中最主要的物质是臭氧O3 这是一种极强的氧化剂 具有独特的臭味 这种光化学烟雾最早于20世纪40年代出现于美国的洛杉矶市 由此引起人们对环境问题的高度关注 二 有害排放物的生成机理1 氮氧化物 NOX 的生成 内燃机燃烧过程中 氮在高温下与氧化合生成NOX 其中NO的体积分数占总NOX的90 以上影响氮氧化物生成的主要因素 高温富氧滞留时间 2 碳氢化合物的生成 内燃机排气中的碳氢化合物由原始烃燃料分子 不完全燃烧产物 燃烧过程中被分解的产物和再化合的新化合物组成 影响内燃机中碳氢化合物生成的因素有 混合气过浓或过稀造成的不完全燃烧火焰向燃烧室壁面传播时 碰到壁面的激冷作用使火焰熄灭 形成未燃烧碳氢化合高浓度区 一般称这种现象为室壁淬熄缝隙效应 燃烧室中的缝隙处于双壁冷却 火焰无法传入 造成一定量未燃烧烃 3 一氧化碳的生成 一氧化碳是碳氢化合物不完全氧化和高温下引起的CO2和H2O的分解而生成的 主要影响因素 燃料和空气的混合质量燃空当量比 4 微粒生成 内燃机排气中的微粒主要是碳烟粒子 首先 燃料分子在高温中裂解或氧化裂解 形成炭烟核心 成核后再经历表面增长和凝聚 形成链状结构物 但应注意到 碳烟粒子从核萌发到成长集聚的生成过程也都伴随着炭烟的氧化 因此排放中炭烟净生成量是碳烟生成速率和氧化速率竞相发展的结果 炭烟的生成与混合气的浓度有很大的关系 在混合气中C O比大于某一临界值 成烟界限 炭烟就会生成 在以扩散燃烧为主的柴油机中形成的混合物不均匀 炭烟生成是难以避免的 微粒排放量高 三 排气净化措施 在净化方式上 分机前处理 机内净化和机后处理三种形式 机前处理是对进入内燃机缸内的燃料或空气作有利于减少有害排放物生成的预处理 如燃油掺水 燃料去硫 新配方汽油 无铅汽油 含氧混合燃料 进气喷水 空气冷却 排气再循环等 都是常用的有效机前处理措施 机后处理是对内燃机有害排放物在进入大气前所作的处理 如催化反应 热氧化反应 微粒过滤 静电除尘等 机内净化是从有害排放物的生成源头着手 从有害排放物生成机理及其影响因素出发 完善内燃机工作过程 这是排气净化的治本之举 如改善燃烧过程 优化燃烧系统 改进供油系统 采用增压技术 实施电子控制等 1 汽油机排气净化措施降低最高燃烧温度减少NOX的排放量提高排气温度 降低碳氢化合物的排放量采用电喷 分层燃烧等先进的燃烧系统以减少其有害物质排放量采用排气再循环 EGR 以降低最高燃烧温度 减少NOX生成量向排气门喷入新鲜空气以减少CO和HC的排放量用化学方法对排放的有害物质进行后处理 2 柴油机排气净化措施 采取改进燃料 加入消烟添加剂 掺水乳化 排气再循环 进气管喷水 增压等措施 进行前处理采取推迟喷油 提高喷油速率 加强进气涡流和分隔式燃烧室等措施 控制燃烧过程 进行机内净化采用催化反应装置 对排气进行后处理要全面降低内燃机的污染物的排放 必须采用综合措施 一 气体燃料1 天然气天然气NG的主要成分为链烷烃化物的甲烷 CH4 还包含乙烷 C2H6 丙烷 C3H8 及丁烷 C4H10 丙烷和丁烷分别在690kPa和196kPa压力下可以加压成液体 天然气的热值和辛烷值均较高 作为发动机的燃料 基本可保持原发动机的功率不变并利于提高压缩比 是一种洁净的能源 排污低 输送和使用较方便 第七节内燃机的代用燃料 2 液化石油气LPG液化石油气LPG的主要成分为丙烷 C3H8 及丁烷 C4H10 炼油厂液化气是炼油过程中的产物 含氧大量的丙烯和丁烯 C4H8 液化石油气的密度和辛烷值均较高 含碳量低 CO2的排放比汽油机和柴油机都低 是一种洁净的能源 排污低 输送和使用较方便 3 煤气主要有以下几种 1 以甲烷为主要成分的煤气 2 以氢气与甲烷为主要成分的煤气 3 以一氧化碳及氮为主要成分的煤气 4 以一氧化碳及氢为主要成分的煤气4 沼气沼气是一种生物能源 沼气中甲烷CH4的体积分数为60 70 CO2体积分数约为30 40 在大气中着火温度可达918 1123K 热值为14747 21352 6kJ m3 二 含氧燃料1 醇类燃料有甲醇 CH3OH 和乙醇 C2H5OH 它们的混合气热值高 能在稀薄混合气中稳定燃烧 燃烧速