毕业设计-发动机

1、人生最大的幸福，是发现自己爱的人正好也爱着自己。1 绪论1.1 掺氢燃烧的选题背景与意义全球大概有一半的汽油是消耗在公路上随着石油资然的日益紧缺汽车节能与排放控制已成为所有汽车人不可推卸的责任21世纪世界各国将共同面临环境污染日趋加剧和石油资源短缺的严峻挑战现在各国都在寻找替代能源大力发展低污染、节能的"清洁燃料"汽车用以解决所面临的问题氢燃料被认为是未来最理想的车用能源之一1氢作为车用能源有两种主流的转化方式以质子交换方式的车用燃料电池发动机和以现有车用内燃机为基础的燃用氢的车用发动机燃料电池以其功率大、效率高和无污染等优点被认为是替代石油燃料发动机的理想解决方案之一但由

2、于目前一些技术尚不成熟而且成本很高近期内又难以解决;而发展氢内燃机相对来说更容易实现只需对传统内燃机作一些修改;此外氢内燃机对氢纯度的要求也没有燃料电池那么严格而且在内燃机应用方而现有企业己经拥有了大量的经验所以很多人认为发展氢内燃机是未来一段时间内的最好选择由于氢气的特性如表1.1:着火界限比汽油更宽广所需点火能量比汽油小得多火焰传播速度快等特点在汽油机中加入少量的氢气以改善燃烧提高热效率实现稀混合气燃烧节省汽油通过大量的台架试验和汽车道路试验充分证实了燃汽油掺氢比燃纯氢既避免了回火、早燃等不正常的燃烧同时在目前氢气价格较昂贵的情况下采用少量的氢气而起到节能、节油及改善环境污染的效果具有明显

3、的经济效益和社会效益 表1.1 各种燃料的化学、物理及燃烧特性2 性能 燃料 汽油氢气氮气甲醇乙醇分子量91.42.0217.0352.0446.7空然质量比14.534.36.16.59.0空然体积比45.792.383.577.1414.3燃烧热值（mJ/kJ）43.4120.118.620.126.9着火界限1.37.64.17416256.0373.519火焰最大传播速度0.372.910.0100.52-绝热火焰温度26372758248425762594自燃温度257574651470392 辛烷值试验机用91100130130110106汽车用8294-8789熄火间隙0.20.

4、064-0.203-空气中扩散率0.080.63-0.2-1.2 国内外的研究现状及其发展趋势 目前在国外一些汽车公司己经研制出氢燃料发动机汽车如2003年己有多辆宝马745、750型氢燃料发动机汽车在柏林市投入使用并计划在此后4年内实现小批量投产和上市2000年宝马公司研制的氢发动机汽车在法国创造了9项速度纪录该车装备 6升V12氢燃料内燃机 最大功率为 210 kW(285马力) 0100 km/ h 加速约 6 s 最高速度达302. 4 km/ h.它的惊人表现清楚地证明 氢动力汽车的性能完全可以做到丝毫不逊于传统能源动力2005 年初 福特汽车公司宣布佛罗它成为世界上第一个正式生产氢

5、燃料发动机的汽车制造商该发动机采用顺序多点气态氢气喷射采用双螺旋压缩机机械增压器增压压力0. 15 MPa压缩比9每缸2气门水空中冷器排量6. 75 L额定功率173 kW2006年7月17日福特纯氢燃料V-10发动机正式投产福特公司宣称氢气能够将内燃机效率提高25 %30 % 而这一效率已和氢燃料电池大致一样在氢燃料内燃机工作过程中 包括二氧化碳在内的污染物排放几乎可以忽略不计目前福特E-x:50型氢燃料公共汽车正在佛罗里达州试运行;马自达公司也推出了配备RX - 8氢转子发动机的跑车；Nissan的FCVX - Trail也处在测试阶段;日本武藏工业大学和Nissan汽车公司长期合作不断将

6、液氢发动机汽车的研究推向新的高度；三菱重工则进行了大功率氢内燃机压燃试验1 我国氢发动机的研究开始于20世纪80年代初国内一些高校和科研单位对内燃机燃氢和燃氢双燃料内燃机等进行了实验研究2其中浙江大学与日本武藏工业大学合作进行液氢发动机的试验研究试验采用了缸内直接喷射并用模糊神经网络控制试验结果表明氢气发动机的异常燃烧、动力增加及NO减少在很大程度上取决于精确确的喷氢系统、喷射正时及点火正时2006年8月由北京工业大学、北京益麦斯科技有限公司和北京飞驰绿能电源技术有限公司联合成功改造了一辆可使用汽油和氢气混合燃料的1. 6 L依兰特轿车该车在冷启动、暖机、怠速和小负荷采用纯氢气运行接近零排放在

7、中等负荷采用汽油混氢燃烧排放和油耗进一步降低在大负荷采用纯汽油模式确保了车辆在高负荷的动力性目前该车己运行了350 km未发生任何安全问题和进气管回火高负荷爆震亦得到了很好控制2007年6月我国自主研制的第一台氢内燃发动机在长安集团点火成功标志着我国氢内燃机技术取得了突破性进展但综合来看我国在氢内燃机研究方面起步较晚 在大规模制氢、增压技术、 氢气供应与安全系统、 控制策略、 排放控制技术、 综合电子管理系统等许多关键技术领域还处于起步和空白阶段 从研究的内容看大都仅限于高等院校的原理探索关键技术的差距较大 整体技术水平较低 3（1）汽油掺氢 向汽油中添加一定量的氢气也能够改善发动机性能Luc

8、as和Richards3对氢气一汽油双燃料发动机进行了研究在起动和怠速时仅将氢作为发动机燃料当负荷增加时保持向发动机加入氢燃料的质量不变逐渐增加汽油的量研究结果表明燃用氢气一汽油双燃料可以使发动机的燃料消耗率降低30%左右当节气门全开时发动机在整个负荷范围内都有较高的热效率 从燃料储存方面讲混氢燃料发动机所需的氢气量不大主要是作为添加剂加入天然气、汽油等燃料中达到提高发动机热效率、降低化石燃料消耗和排放的目的在现阶段混氢燃料发动机较之纯氢燃料发动机更容易在目前的汽车上实现推动氢燃料发动机的发展（2）增压氢燃料发动机由于使用增压进气容易改造和中冷技术的发展4增压氢燃料发动机逐渐成为研究的热点（3

9、）液氢燃料发动机液氢作为燃料的首要好处就是能量密度很大此外低温的氢气进入气缸可以提高过量空气系数、抑制早燃的发生、减少NO的排放一些研究结果也表明液氢作为燃料可以提高发动机功率抑制非正常燃烧现象并且能够显著改善排放品质但是氢气液化的难度大、成本高、可靠性难以保证导致目前很难使用在现有汽车上但其仍然是清洁发动机未来发展的方向（4）缸内直喷氢燃料发动机缸内直喷氢燃料发动机是目前发动机领域最受瞩目的一项技术此项技术的优点在于可以提高过量空气系数和压缩比有效避免早燃并目能够提高输出功率改善热效率但此技术还需要解决一些问题诸如:燃烧室内混合气不均匀、喷氢时刻、数量、点火时刻难以精确控制等问题（5）内外结

10、合式的氢发动机在采用缸内高压喷射时由于氢喷入缸内会吸热氢的自燃温度又高导致着火困难采取缸内喷射与进气道喷射相结合的方式喷氢(如图1.1示)使得少量氢和空气在进气管1预混后进入气缸其余大部分氢气在压缩末期高压喷入气缸可以有效改善发动机的着火性能从而降低了NO的排放日本古滨庄一等人采用缸内喷射(喷射压力为5 M P a)和预混(过量空气系数为4)相结合的方式进行试验结果表明与全部预混的方式相比这种方式更有利于在过量空气系数附近正常燃烧并能获得较低的NO排放量2 图1.1 内外混合式结合的氢发动机1.3 掺氢燃烧存在的问题及研究方法（1）能量密度低从前面表1.1可看出氢气的体积理论空燃比仅为2.38

11、这表明氢气在混合气中占有大量的体积从而严重影响充量系数降低了输出功率同时由于前述早燃的影响混合气不能太浓进一步影响功率.所以从总体上来看氢燃料发动机的动力性一般不如同样排量的汽油机尽管氢气的质量热值很高 T and等人的实验说明氢燃料发动机的输出功率最低仅有汽油机的50%2可以通过适当提高压缩比、减小进气系统的阻力、采用增压技术、利用缸内直喷技术等提高动力性（2）不正常燃烧氢燃料在进气口喷射的发动机中燃烧会产生一些不正常的燃烧问题主要是指回火、早燃和爆震回火就是新鲜充量在进气门关闭之前就被点燃造成火焰窜入进气管.早燃是指混合气充入气缸后在进气门关闭后火花塞点火前就被点燃.早燃很容易和爆震相混淆

12、因为两者的表现是相似的但实际上它们还是有区别的爆震是在火花塞点火后出现的可以通过推迟点火时间来控制而早燃则不行回火和早燃对发动机的影响很大回火在严重的情况下会造成进气管炸裂.另外由于进气管中的充量被燃烧完也可造成发动机突然停车.早燃加速了燃料放热率使缸内燃烧温度和压力大大提高造成发动机比较大的震动反过来缸内温度和压力的提高又进一步将着火时间提前形成恶性循环使发动机无法正常工作（3）排气污染问题 氢气燃烧温度较高一般达2 000 K以上在混合气较浓的情况下NOx的含量较高另外氢气作为一种不含碳元素的燃料理论上其燃烧产物中应该不含CO 、CH、碳烟等有害物但是由于有时润滑油会进入燃烧室并被燃烧所以

13、氢气发动机很难做到没有任何碳排放为了尽可能减少这种排放Stockhausen等人在实验中提高发动机气缸体表面粗糙度减少活塞裙部与缸壁的距离并且采用高硅共品铸铝活塞和小环间隙的活塞环这样润滑油进入气缸的机会大幅降低不仅降低了排放同时还降低了由于碳氢燃料燃烧在缸内产生热点的可能性抑制了早燃的发生2（4）存储及制造问题目前燃氢汽车仅有一些概念车还远未达到推广应用阶段其主要原因是车用氢发动机用氢时还存在一些问题:第一是低温高压液氢的储存这是最关键的技术;第二氢能利用不普及加氢站少影响了燃氢汽车的续航单程;第三是制取氢的设备价格昂贵制取氢的成本太高尽管氢发动机实用化过程中仍需做大量艰巨的工作但氢发动机的

14、研究在氢经济时代的背景下将会得到快速发展有着广阔的前景在建立理想模型后通过理论计算来证明掺氢燃烧的可行性通过分析汽油机排放物生成机理、影响因素在总结前人的研究成果的基础上论述了汽油机掺氢燃烧的可行性以及对经济性和动力性的分析计算在综合了应用价值规律在适当提高成本但是大幅提高功能的基础上提高设计产品（发动机）的价值充分应用科学技术的新成果和新经验9分析并通过引用实验结果证明汽油机掺氢燃烧在理论和实践方面均是可行的最后将一些关于掺混燃烧的新技术取其精华综合利用并照顾到经济性从而针对175F汽油机这一具体机型进行掺氢装置设计2 理论分析与计算2.1 掺氢机燃烧理论分析 为研究汽油机掺氢后混合气的形成

15、和燃烧规律首先有必要研究纯氢气机的理论循环以明确燃料的热力学性质对发动机工作过程和主要性能指标的影响从而为改善性能指标指明方向重点对排放性能的一个分析 为研究方便将纯氢气机的工作循环看作是一个封闭的不可逆循环在循环中用氢气和空气的混合物作为工质燃烧时其化学成分发生变化现假设循环满足以下条件: （1）进气和排气没有流动损失;（2）进气过程没有热交换进入气缸后的混合气仍具有外界空气的温度而且保证充量系数;（3）压缩和膨胀都是在变绝热指数情况下进行的绝热指数只考虑比热随温度的变化;（4）燃烧和压力下降都是在上止点瞬时进行的并且容积不变;（5）阀门的开闭时间准确地与上、下止点重合; (6）工质进行理想

16、的混合和燃烧没有任何热损失燃烧的发热系数等于1燃烧时的热损失主要是理论空气含量不足 对于缸内直接喷射的话还需补充的是：氢气是在活塞处于下止点处一瞬间进入气缸的氢气带入气缸内的动能全部转化成热能 图2.1 纯氢发动机理论循环示功图3a-进气过程终了 b-膨胀过程终了c-压缩过程终了 o-大气状态z-燃烧过程终了 r-燃烧产物下列为各循环计算中的符号的含义： -喷嘴出口的气流速度 -气缸中的气体流速G-摩尔氢的质量 -氢燃料混合气的低热值m-摩尔氢所需的空气摩尔数 P-压力T -温度 u-内能-平均摩尔比热容 a-过量空气系数-理论分子容积变化系数 -残余废气系数-压缩比 -实际分子容积变化系数（

17、1） 进气过程根据假设充气效率等于 1此时残余废气系数由下式求得: （2.1）式中： -环境温度-剩余废气的温度-压缩比进气时缸内气体的温度为： （2.2）进气口处的氢气温度即进入气缸时的氢气温度据假设条件可以按临界温度来算lmol氢以动能形式带入气缸内的热量为: 5 （2.3）式中 M-氢的摩尔质量 C1-氢气的初速 C2-氢气的终速 根据假设 Qk 最终表示为： （2.4） k 为绝热指数 则气体的最终混合温度即压缩前的气体温度由下式求出:20 （2.5）式中： -1mol氢完全燃烧所需的理论空气量 -氢气的平均定容摩尔比热容 -空气的平均定容摩尔比热容压缩起点的压力可根据混和气的温度来计

18、算对于新鲜混和气在缸内时的体积与在外界条件下的条件变化不大可得: （2.6）（2） 压缩和膨胀过程压缩和膨胀过程为绝热过程缸内气体满足以下方程： （2.7）式中 -绝热指数 r-温度线性关系中的系数 根据气体状态方程可得： （2.8） 对上式进行积分得： （2.9）由此由工程热力学中初终态参数的关系：6 （2.10） 由上式由可得到压缩过程结束时缸内的压力： （2.11）（2.10）、（2.11）即为压缩过程的计算公式同理可得到膨胀过程的计算公式： （2.12） （2.13）(3)燃烧的热平衡方程： （2.14）式中： -氢燃料的低热值为240.7×103kJ/mol -燃烧产物在该

19、过程的平均摩尔比热容 -新鲜混合气在这个过程的平均定容摩尔比热容 燃烧过程结束时压力也可求得： （2.15）(4)热效率： （2.16） -示功图中脚标对应点的燃烧产物内能; U-示功图上脚标对应点的新鲜氢空气混合气内能：(5)理论循环平均指示压力： （2.17）当采用内部混合气形成方式时由于缸内气体压力增加且带入气缸内的热量增加平均指示压力按(m + 1)/m的比值增加 （2.18）由（2.15）式可知理论燃烧模型中燃烧过程结束时的压力主要的影响因素有实际分子容积变化系数、残余废气系数压缩过程终了时的压力以及温差其中实际分子容积变化系数、残余废气系数即为混合气的成分的表征参数在压缩终了时的压

20、力取决于内燃机的压缩比综上在氢燃料发动机中对发动机的性能的主要影响因素是混合气的成分以及压缩比以下计算时取氢的低热值为 240.7103 kJ/mol 大气状态为 代入相关的数值可以作出其混合气成分（即为氢气在整个混合气体中所占的体积百分数）和压缩比对热效率的影响以及混合气成分和压缩比对平均有效压力的关系： 图2.1 混合气成分和压缩比对热效率的影响通过上图2.1我们可以知道随着含氢量的减少热效率不断地增加由其是当过量空气系数小于1时随着氢含量的减少热效率迅速增加另一方面随着过量空气系数的增加热效率也增加另一个特征就是随着压缩比的增加热效率增加总的就是混合气中氢气成分增加即过量空气系数减小热效

21、率减小压缩比增加热效率增加 图2.2 混合气成分和压缩比对平均有效压力的关系由图2.2可知随着压缩比的增加平均有效压力增加但是当压缩比达到一定程度后对平均有效压力的影响渐渐减小在理论空燃比附近时平均有效压力最大混合气过浓或者过稀平均有效压力都会减小理论循环的平均指示压力的表示式为两项的乘积其中第一项表示单位容积的新鲜混合气的发热量或输人发动机的能量而第二项是这部分能量在理论循环中的利用程度当a值不变时第一项也不变因此平均指示压力随压缩比增加而增加的情况只取决于理论循环热效率与压缩比之间的关系当混合气成分变化时PT也随着变化当a=1时PT达到最大值2.2 影响动力、经济性能参数的理论分析上一节所

22、述的为对于纯氢气动力的理论模型分析及其影响发动机性能的因素针对汽油掺氢动力其影响因素也是成立的下面分析的是汽油掺氢后动力、经济性能汽油发动机动力性能可以由平均有效压力来表示.根据资料它等于:7 （2.16） （2.17） 式中： -纯汽油燃料时发动机平均有效压力 MPa: -纯汽油燃料时发动机充气效率： -纯汽油燃料时发动机有效热效率： -汽油低热值 53593 kJ/mol -纯汽油燃料时发动机进气管状态下空气密度kg/m3; -纯汽油燃料时发动机过量空气系数 -空气一汽油理论混合比(质量比); 上标加 " ' "为使用混合燃料后的各参数 设为燃料F的低热值为燃料

23、F的理论混合比.假定代用燃料F以重量比X与汽油掺烧其重量比为: （2.18） 其中-待用燃料消耗量 kg/h -汽油消耗量 kg/h 则混合燃料的低热值为： （2.19）混合气的理论混合比： （2.20）由（2.16）、（2.17）两式可得 （2.21）代入（2.19）、（2.20）代入可得： （2.22） 令 （2.23） （2.24）式中M0具有明显的物理意义它表明了当量比的混合气热值变化情况可以称作理论混合比热值变化系数是混合燃料的一个重要指标.当M0<1时混合气的热值降低; M0>1时热值增加.K则代表了实际混合比热值变化情况可以称作实际混合气热值变化系数由于这两个参数直接

24、关系到发动机动力性的变化因此可以借助它们来大致确定不同代用燃料的掺比从而保证掺烧代用燃料后发动机的动力性不会有大的变化已知氢气的燃油低热值为 120 KJ/g 汽油低热值为 43.4 KJ/g 氢气的理论混合比 34.3 汽油的理论混合比 14.5代入上式后计算得当X=2% 时 M0=1.01当X=10% 时M0=0.986当X=50% 时M0=0.95当X=85% 时M0=0.936当X=100%时M0=0.932可见汽油机掺烧氢气不会大幅度地降低混合气的热值从这一点来说氢气是汽油机的一种较好的代用燃料尤其是在掺氢比例在10%以下时随着氢气掺烧比的提高M0下降较快混合气热值降低得比较明显这时

25、需采取其它措施如通过适当提高压缩比来提高热效率才可以不至于造成发动机的功率损失由于气体燃料会影响发动机的充气效率所以掺烧氢气还须进一步考虑其它因数 （2.25）该式较明显地表明了影响发动机动力性的各种因素:有效热效率的变化充气效率的变化混合气热值的变化及混合气过量空气系数的变化通过上述的计算分析可知掺混氢气燃烧后内燃机的动力性（低热值）稍有降低但是很小所以在动力性方面汽油机掺氢的理论方面是行得通的图所示为一台BJ492Q发动机以2.2%掺氢实验掺氢前后的功率和热效率与过量空气系数及转速的关系5 图2.3 掺氢前后的功率与过量空气系数 图2.4 掺氢前后的热效率与充量系数由图可见在最大功率点掺氢

26、时的功率比纯汽油时高不存在功率损失的问题:而在中小转速下有功率损失还可以看到掺氢后发动机充气效率受到严重影响 原因是掺入的氢气占去了一部分气缸工作容积减少了进气量.但高速时这种影响略有减少而且掺氢实现了稀混合气燃烧过量空气系数有所提高.充气效率的降低和过量空气系数的提高是造成功率下降的主要原因另外发动机热效率有所提高在高速时更为明显这是氢气的燃烧特性决定的.通过以上分析计算可以看出掺氢后过量空气系数增大充气效率下降会对功率带来不利影响低速时虽然由于混合燃料的热值有提高而且燃料热效率有所提高但是由于充气效率下降较多所以就造成了在低速时有功率损失.随着发动机转速的提高功率损失减少以至于在4000

27、r/min时没有功率损失这是由于随着转速的提高气效率下降变少热效率提高的幅度变大的综合作用结果通过该实验结果也可以知道在汽油机动力性方面在中小负荷时功率有所损失在大负荷时功率基本上没有损失在最大功率点还有所提高而且掺氢机的过量空气系数比纯汽油机的大可以实现稀薄燃烧在燃油经济性排放性方面都有很好的效果虽然在低转速时充气效率不及纯汽油机但是其热效率有所提高所以整体来说汽油机掺氢燃烧在动力性方面是行的通的下图为天津大学内燃机实验室针对192Q发动机所做的一组实验数据：8特性曲线最高综合热效率（%）最高热效率（%）最低汽油消耗率（g/kW.h）最低汽油消耗率下降率（%）纯汽油汽油-氢气纯汽油汽油-氢气

28、负荷特性1600r/min24.0525.87.37340.95278.822.32000r/min24.3825.96.24334.8278.4620.242400r/min20.3521.787.03382.7345.4410.52外特性22.8225.612.18363.7268.8735.26通过该实验数据可知汽油一氢气燃料燃烧与纯汽油燃料燃烧相比加氢后发动机的综合热效率提高较明显经济性改善可观具有节能意义在中等转速(2000r/min左右)、中等负荷(60%负荷左右)下综合热效率的提高率约为7%15%在低转速、低负荷下综合热效率提高率约为14%20%在接近高转速、高负荷工况下综合热效

29、率提高率约为3%左右外特性曲线上最高综合热效率的提高率约为10%左右加氢燃烧可以较多地节省汽油具有节油意义在中等负荷、中等转速下汽油油耗率下降约为20%25%;在低转速、低负荷下汽油油耗率下降率约为20%35%;在接近高负荷下汽油油耗率下降率约为5%10%通过上述数据可知掺氢后经济性有明显提高平均来说汽油机油耗下降20%25%其理论分析如下：由于氢气具有点火能量低化学反应速度快扩散速率高等特点所以在汽油一空气混合气中添加少量的氢气可以使发动机燃烧的着火延迟期大大缩短火焰传播速度加快燃烧的持续期缩短在燃烧稀混合气的条件下燃烧过程的中后期改善尤为明显另外由于氢气的加入使双原子分子相对增加使燃烧绝热

30、指数提高使热效率明显提高由公式 9 （2.26） ：燃油消耗率 ：有效热效率 ：混合气的低热值（前面计算变化很小）由上式可知热效率的明显提高燃油消耗率将会明显减小有明显的节油效果综上汽油机在掺氢燃烧后经济性方面有明显的提高2.3 影响排放性能的分析汽车排放的污染物以及与交通源相关的主要污染物有：一氧化碳（CO）、氮氧化合物（）、碳氢化合物（HC）（包括苯、苯并芘）和微粒等在相同工况下汽油机排放的COHC NO的排放量比柴油机大因此目前国家标准中对汽油机主要限制CO HC NO的排放汽车排放污染物主要由内燃机造成的并随着内燃机种类及工况的改变而变化10（1） CO生成机理及影响因素： 生成机理：

31、CO是烃燃料燃烧的中间产物排气中的CO主要是在局部缺氧或低温下由于烃的不完全燃烧产生的是汽油机排气中有害成分浓度最大的物质CO生成的机理比较复杂但一般认为燃料分子(CRH)经高温氧化生成CO要经历如下步骤: RH一R一ROz一RCHO一RCO一CO 这里R代表碳氢根 燃料完全燃烧时空燃比为14.7 当空气不足时空燃比小于14.7 CO的生成率主要受混合气浓度（空燃比）的影响对于浓混合气而言没有足够的氧使燃油中的碳完全燃烧成CO不过即使在稀混合气中由于燃烧产物CO及水的高温离解反应也可能生成一部分CO影响因素：1进气温度T的影响一般情况下冬天的温度可以达到零下二十度以下夏天在30°C以

32、上爬坡时发动机机罩内温度大于80°C随着环境温度的上升空气密度变小而汽油的密度几乎不变供给的混合气的空燃比随着吸入气体温度的上升而变浓排出的CO将增加在一定的运载条件下进气温度越高空燃比越小2大气压力P的影响大气压力随着海拔高度而变化经验公式为： 11 h 为海拔高度（Km） Kg/ 可以认为空气密度和压力成正比混合比和空气密度的平方根成正比这样可知当进气管压力降低时空气密度下降使混合比下降从而使混合气过浓这将影响CO的排放3进气管真空度的影响当汽车急剧减速时发动机真空度大于负68KPa以上时停留在进气系统中的燃料在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室造成混合气瞬时过浓致使燃烧状况恶化CO

33、浓度将显著增加到怠速时的浓度4怠速转速的影响提高怠速转速可以有效地降低排气中CO浓度但是怠速过高会加大挺杆的响声对液力变扭汽车还可能发生溜车的危险如果这些问题得到解决一般从净化的观点看希望怠速转速规定高一点好5发动机工况的影响发动机负荷一定时CO的排放量随转速增加而降低到一定的车速后变化不大当车速增加时CO很快降低至中速后变化不大这是由于化油器供给发动机的空燃比随流量的增加接近于理论空燃比的结果(2）HC生成机理及影响因素：汽油发动机中的未燃HC都是在缸内燃烧过程中产生的主要由以下三种途径产生：1在汽缸内的燃烧过程中产生并随废气排出此部分HC 主要是在燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料2从

34、燃烧室通过活塞组与汽缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料如果排入大气中也构成HC排放物3从汽油机的燃油系统蒸发的燃油蒸气生成机理：1火焰在壁面淬冷火焰淬冷的形成方式有单壁和双壁淬冷前者当火焰接近汽缸壁时由于缸壁附近混合气温度较低使气缸壁面上薄薄的边界层内的温度降低到混合气自燃温度以下导致火焰熄灭边界层内的混合气未燃烧或未燃烧完全就直接进入排气而形成未燃HC此边界层称为淬熄层发动机正常运转时其厚度在0.050.4mm之间变动在小负荷时或者温度较低时淬熄层较厚；后者是在活塞顶部和气缸壁所组成的很小的环形间隙中火焰传不进去使其中的混合气不能燃烧在膨胀过程中逸出形成HC排放2狭隙效应在发动机

35、内的燃烧室内有各种狭窄的间隙如活塞组与汽缸壁之间的间隙、火花塞中心电极与绝缘根部周围狭窄空间和火花塞之间的间隙、进排气门与气门座面形成的密封狭缝、汽缸盖垫片处的间隙等当间隙小到一定程度火焰不能进入便会产生未燃HC3润滑油膜对燃油蒸气的吸附与解吸在进气过程中汽缸壁面和活塞顶面上的润滑油膜溶解和吸收了进入汽缸的可燃混合气中的碳氢化合物蒸气直至达到其环境压力下的饱和状态这种溶解和吸收过程在压缩和燃烧过程中的较高压力下继续进行在燃烧过程中当燃烧室中的HC浓度由于燃烧而下降至很低时油膜中的HC开始向已燃气解吸此过程将持续到膨胀和排气过程一部分解吸的燃油蒸气与高温的燃烧产物混合并被氧化；其余部分与较低温度

36、的燃气混合因而不能氧化成为HC排放源由于润滑油膜吸附和解吸的机理产生的未燃HC排放占其总量的25%左右4内燃机内沉积物的影响发动机运转一段时间后会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物从而使HC排放增加 5体积淬熄发动机在某些工况下火焰前锋面到达燃烧室壁面前由于燃烧室压力和温度下降太快可能使火焰熄灭成为体积淬熄这也是产生未燃HC的一个原因发动机在冷启动和暖机工况下由于发动机温度较低混合气不够均匀导致燃烧室变慢或者不稳定火焰易熄灭；发动机在怠速或者小工况下转速低相对残余废气量大使滞燃期延长燃烧恶化也易引起熄火更为极端的情况是发动机的某些气缸缺火使未燃烧的可燃混合气直接排入排气管造成未燃HC排

37、放急剧增加故汽油机点火系统的工作可靠性对排放是至观重要的6碳氢化合物的后期氧化在发动机燃烧过程中未燃烧的碳氢化合物在以后的膨胀和排气过程中不断从间隙容积、润滑油膜、沉积物和淬熄层中释放出来重新扩散到高温的燃烧产物中被全部或部分氧化称为碳氢化合物的后期氧化影响因素： 未燃HC排放主要是由于缸内混合气过浓、过稀或者局部混合不均引起燃烧不完全而造成的造成燃烧不完全的因素大致有混合气的质量、发动机的运行条件、燃烧室结构参数及点火与配气正时等1混合气质量的影响混合气质量的优劣主要体现在燃油的物化蒸发程度、混合气的均匀性、空燃比和缸内残余废气系数的大小等方面混合气的均匀性越差则HC排放越多当空燃比略大于理

38、论空燃比时HC有最小值；混合气过浓或者过稀均会发生不完全燃烧废气过多将会导致火焰中心的形成与火焰的传播受阻甚至出现断火致使HC增加 2运行的条件 负荷的影响：当负荷增加时HC排放量绝对值将随着废气流量变大而几乎呈线性增加 转速的影响：发动机转速较高时排放明显下降这是由于气缸内的混合气的扰流作用、涡流扩散等改善了气缸内的燃烧过程点火时刻的影响：点火延迟（点火提前角减小）可以使得HC排放下降这是由于点火延迟使得混合气燃烧时的激冷壁面面积减小同时使排气温度增高从而使排气温度升高促进了HC在排气管内的氧化壁温的影响：燃烧室的壁温直接影响了激冷层和HC的排气后反应燃烧室面容比的影响：燃烧室面容比大单位容

39、积的激冷面积也随着增大激冷层中的未燃烃量必然也增加（3）氮氧化物的生成机理及影响因素生成机理：内燃机中氮氧化物主要是NO但在进入空气后会很快被氧化成二氧化氮氮氧化物的生成机理与HC及CO不同它不是混合气不完全燃烧的结果与燃烧的扩散、燃气的混合浓度分布、火焰浓度分布及热的传导等一系列因素有关反应机理十分复杂汽油机中基本不含氮的成分氮氧化物的生成主要来源于燃烧所需要的空气中的氮气和氧气在高温作用下所发生的热反应机理（即Thermal NO反应机理）此机理认为与可以很快达到平衡状态的燃烧反应速度相比NO生成过程比较缓慢对温度的依赖性比较大需要吸收较多的热量一般要到火焰后期才产生有关反应其反应基本过程

40、是：12 N + OH NO +H 上述反应过程称之为生成NO扩大的多唯奇链反应机理汽油机的燃烧在高压下进行并且燃烧过程进行得很快反应层很薄且反应时间很短早期燃烧产物受到压缩而温度上升使得易燃气体温度高于刚结束燃烧的火焰带的温度因此除混合气很稀的区域外大部分NO在离开火焰带的已燃气体中产生只有很少部分产生在火焰带中也就是说燃烧和的产生是彼此分离的应主要考虑已燃气体中的生成氮氧化物的生成主要取决于燃烧温度及氧的浓度在氧浓度较稀且高温情况下NO生成浓度为最高高温时最重要的条件即使氧很充分但如果燃烧温度不高氧的分解进程也很慢NO的生成浓度低此外氮氧化物的浓度还与混合气在高温下的滞留时间有关在高温下滞

41、留时间愈长则氮氧化物的浓度越大因此点火提前角对氮氧化物生成率有显著的影响随着点火提前角的减小最高燃烧温度降低燃气在高温下滞留时间缩短氮氧化物的生成几率随之下降并且在稀混合气时氮氧化物生成率下降的效果更加明显其原因在于浓混合器中氮氧化物基本上是由火焰初期的一氧化氮反应生成而在稀混合气中氮氧化物主要在火焰后期的已燃气体中产生此时NO的生成速度较低因此在足够的氧浓度条件下温度越高和反应时间越长则氮氧化物的生成量越大影响因素： 1过量空气系数和燃烧室温度的影响由于过量空气系数直接影响燃烧时气体的温度和氧气的浓度所以对氮氧化物的生成影响是很大的当其小于1时由于缺氧即使燃烧室内温度很高氮氧化物的生成量仍会

42、随着过量空气系数降低而降低此时氧浓度占主要因素当过量空气系数大于1时氮氧化物的生成随着温度的升高而迅速增加此时温度其主要作用2残余的废气分数的影响汽油机中燃烧室内的混合气由空气、已蒸发的燃油蒸气和已燃气组成后者是前一工作循环留下的残余废气或由废气在循环系统中从排气管回流到进气管并进入气缸的燃烧废气当可燃混合气中废气分数增大时既减小了可燃气的发热量又增大了混合气的比热容都使最高燃烧温度下降从而使NO排放降低3点火时刻的影响由于点火时刻对燃烧室温度和压力有明显的影响因此其对NO的生成的影响也很大增大点火提前角即使较大部分燃料在压缩上止点前燃烧增大了最高燃烧压力值从而导致较高的燃烧温度并使已燃气体在

43、高温下停留的时间较长这两个因素都将导致NO排放量增大因此延迟点火和使用比理论混合气较浓或较稀的混合气都能使NO排放降低但同时也会导致发动机热效率降低严重影响发动机经济性和运转的稳定性因此应慎重对待掺氢后发动机在废气污染物的排放方面具有比常规石油燃料发动机无可比拟的优点本节分别讨论了掺氢后对各种排放物的影响（1）对CO的影响：据上面的分析可知在掺氢后氢气相对于其他燃料具有更加宽广的着火界限(空气中体积含量:4%-75% )因此氢气作为内燃机的燃料可以进行稀薄燃烧显著改善起动性能提高燃油经济性并使燃烧反应更加完全由于氢气的存在氢气的燃烧速度快从而使燃烧更加充分在完全燃烧的条件下碳氧化物的生成主要是

44、二氧化碳而不是一氧化碳下图为对192Q发动机的掺氢实验结果：8 图2.5 功率对浓度的影响曲线 （2）对HC的影响：氢气的淬熄距离为0. 64mm仅为汽油的1/3较小的淬熄距离可以使火焰传播至接近气缸壁甚至可以达到活塞余隙将进入活塞环与缸壁缝隙的混合气点燃使得燃烧更加完全也就不存在壁面的淬冷及狭隙效应等从而降低HC化合物的排放 图2.6 功率对浓度的影响曲线 （3）对的影响（也是最主要的影响）一般而言燃烧室的温度愈高燃烧室高温持续时间愈长在燃烧室高温条件下氧气和氮气的浓度愈高NO的排放量也愈多应该注意到氢发动机发生异常燃烧时常使燃烧室的温度急剧增加从而导致NO有害排放物增加因此控制NO的排放量和控制异常燃烧是密不可分的许多控制技术也是一致的还应指出在某种程度上燃烧室的高温