前

概述¶

• 发动机
  将其他形式的能转化为机械能的机器，包括内燃机、外燃机、喷气式发动机、电动机等等
• 汽车发动机
  • 汽油机、柴油机、天然气发动机
  • 燃料电池发动机+电动机
  • 电动机+动力电池
  • 混合动力发动机（+电动机+动力电池）

内燃机的基本概念¶

• 两大机构和五大系
  曲柄连杆结构、配气机构
  供给系、冷却系、润滑系、点火系、起动系
• 上止点 TDC
• 下止点 BDC
• 曲柄半径 R
• 活塞行程 S=2 R
• 燃烧室容积/余隙容积 \(V_c\)
• 气缸总容积 \(V_a\)
• 气缸的工作容积 \(V_s\)（活塞的上下止点扫过的气缸的容积，也是总的容积减去燃烧室的容积）
• 气缸的排量 \(V_d=iV_s\)
• 压缩比 \(\varepsilon=V_{\mathrm{a}}/V_{\mathrm{c}}\)

汽油机与柴油机的不同：

内燃机的发展趋势¶

内燃机性能指标与影响因素¶

工质对活塞做功及示功图¶

• 指示功倾向于发动机实际上输出的功（不考虑泵气功的情况下就是总功，考虑的情况下就是净指示功）
• 而动力过程功更加倾向于，膨胀和压缩过程（这两个动力的过程）所作的功之和

内燃机动力性指标¶

功¶

指示平均压力¶

定义：单位气缸工作容积所作的循环指示功

• 可以认为是一个假想不变的压力 \(p_{mi}\) 作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作功正好是循环指示功
• 指示平均压力反映发动机作功能力的大小 (单位体积作功量大小 \(J/m^3\)) 和强化程度。使不同发动机的动力性具有可比性
  平均指示压力：

这里实际上是一个压强

功率¶

• 指示功率：\(P_{\mathrm{i}}=in/(30\tau)\cdot W_{\mathrm{i}}=in/(30\tau)\cdot p_{\mathrm{mi}}\cdot V_{\mathrm{s}}\)
• 有效功率：\(P_{\mathbf{e}}=in/(30\tau)\cdot W_{\mathbf{e}}=in/(30\tau)\cdot p_{\mathbf{me}}\cdot V_{s}\)
• 机械损失功率：\(P_{\mathrm{m}}=P_{\mathrm{i}}-P_{\mathrm{e}}\)，\(P_{\mathrm{m}}=in/(30\tau)\cdot p_{\mathrm{mm}}\cdot V_{\mathrm{s}}\)

转矩¶

• 公式：

  \[ T_{\mathrm{tq}}=\frac{i}{\pi\tau}\cdot p_{\mathrm{me}}\cdot V_{s} \]

  可见，转矩与有效平均压力是一一对应的（一个发动机确定时，就是一一对应的）
  压力反应转矩

• 功率与转矩的关系：（功率等于转矩乘以角速度，角速度与转矩有关系）

  \[ P_{\mathrm{e}}=T_{\mathrm{tq}}\cdot\omega=T_{\mathrm{tq}}\cdot\pi n/30=in/(30\tau)\cdot p_{\mathrm{me}}\cdot V_{\mathrm{s}} \]

经济性指标¶

能量转换效率¶

燃料消耗率¶

表示的是产生一千瓦时的功所消耗的燃料的重量（g/kwh）

功率密度¶

转速与活塞平均速度¶

限制的因素

• 惯性力引起的机械
• 应力摩擦 (表面磨损)
• 热负荷
• 充气效率
• 噪声

影响性能指标环节与因素¶

决定动力输出的两大环节¶

• 设单位时间加入发动机的燃料总质量为 B (kg/h)，燃料低热值 (low heat value) 为 H u (kJ/kg)，燃料能量转换的总效率为ηet ，则有效功率Pe 可表示为：

  \[ P_{\mathrm{e}}=\eta_{\mathrm{et}}\cdot B\cdot H_{\mathrm{u}}/3600 \]

• 设单位时间进入发动机的混合气总量为 G m (kg/h)，混合气低热值为 Hum (kJ/kg)，则有效功率Pe 也可表示为：

  \[ P_{\mathrm{e}}=\eta_{\mathrm{et}}\cdot G_{\mathrm{m}}\cdot H_{\mathrm{um}}/3600 \]

其中的 H_um 为与燃料的热值和混合气的浓度直接相关

本小节之后提到的的都是上面这些计算中的参数的计算方式

可燃混合气浓度与热值¶

• 过量空气系数：
  设单位质量燃料完全燃烧所需理论空气量为 l 0，而实际供给的空气量为 l，则 φa 定义为：

  \[ \phi_a=\frac{1kg燃料实际供给的空气量}{完全燃烧需要的理论空气量}=\frac{l}{l_0} \]

• 空燃比α

  \[ \alpha(\text{或}l)=\frac{\text{混合气中空气质量}}{\text{混合气中燃料质量}}=\frac{A}{F}=\phi_{\mathrm{a}}l_{0} \]

• 燃空比φ ‘

  \[ \phi^{\prime}=\frac{1}{\alpha}=\frac{F}{A}=\frac{1}{(\phi_{\mathrm{a}}l_{0})} \]

• 可燃混合气热值 Hum
  单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量 (kJ/kg 或 kJ/m 3 )

  \[ H_{\mathrm{um}}=\frac{m\cdot H_{\mathrm{u}}}{m+m\cdot l}=\frac{H_{\mathrm{u}}}{1+l}=\frac{H_{\mathrm{u}}}{1+\phi_{\mathrm{a}}l_{0}} \]

混合气 (进气) 充量¶

能量转换效率¶

算是上面的一个小结

\(\eta_it\) 为指示效率，\(\eta_et\) 为有效效率，图与上面的说法一一对应的

最后将所有的式子带入最初的公式中，计算得到的效率为

对于直接加入燃料的压燃式（柴油机）来说，直接使用下面的公式就可以计算（虽然两个公式对于两种内燃机都是适用的）

有效燃油消耗率

做题¶

内燃机燃料、工质与热化学¶

燃料及其理化特性¶

燃料的选择¶

分类¶

燃料主要技术指标¶

碳氢 (hydrocarbon) 燃料及特性¶

汽油机柴油机工作模式的差异¶

1. 混合气的形成方式不同
   1. 汽油—易气化，缸外低压喷射蒸发，与空气形成预制均质混合气
   2. 柴油—难气化，缸内高压喷雾成细小液滴，与空气形成非均质 (分层) 混合气
2. 着火方式和燃烧方式不同
   1. 汽油—难自燃，易点燃 (SI)，用高压电火花点燃预混燃烧，火焰传播。可在φa =1 的条件下完全燃烧
   2. 柴油—难点燃，易压燃 (CI) 扩散燃烧，即边喷-边混-边燃，为了完全燃烧，必须φa >1.0（1.2）
3. 负载调节方式不同
   1. 汽油机—预混合， φa 基本保持不变，量调节
   2. 柴油机—分层混合， φa 变化范围大（1.0~∞），质调节

燃烧热化学¶

首先是表：

上面计算的实际上就是需要的理论空气量\(l_0\)

体积混合气热值与燃料的热值、混合气的密度、混合气浓度和需要的理论空气量有关
注意：体积可燃混合气热值 (kJ/m 3 )，更具有可比性！（气缸中是看容积的）

内燃机工作循环和能量利用¶

循环模式与循环热效率¶

分类：

循环：
等熵压缩——>等容加热（等压）——>等熵膨胀——>等容放热

理论循环分类¶

• 等容加热
• 等压加热
• 混合加热（等容+等压）

最后得到的循环热效率（使用参数表示）

在温熵图上，等容线更陡（等容过程中温度随熵的变化率（T/s）大于等压过程）

等容循环¶

奥托循环 (Otto Cycle): 早期汽油机转速低，燃烧接近等容放热（燃烧的速度远大于活塞运动的速度，等容加热）

等容循环的效率：

加热时刻对循环的影响(等容度)

• TDC 加热: 1 -2 -3 -4
• BTDC 加热: 1 -2-3-3’-4*-1（上止点之前点燃）
• ATDC 加热: 1 -2 -2-3-4-1
  等效压缩比*

等压循环¶

狄赛尔循环(Diesel Cycle):
早期柴油机喷油压力低，喷油燃烧持续期长（整个燃烧的过程很长，边燃烧，边膨胀）

• 效率：

  \[ \eta_{\mathrm{t,p}}=1-\frac{1}{\varepsilon^{\kappa-1}}\cdot\frac{(\rho^{\kappa}-1)}{\kappa(\rho-1)} \]

• 等容度：

  \[ \sigma=\frac{\varepsilon_{m}}{\varepsilon}=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{\rho}+1\right) \]

比较¶

对于四大循环参数：

理想循环¶

• 保持理论循环中的循环的假设
• 使用真实的工质
  • 成分是变化的
    • 压缩：空气+燃料蒸气+残余废气
    • 膨胀：废弃+空气
  • 工质的热力参数随温度、分子结构及混合气浓度变化
  • 过浓的部分燃料不会燃烧放热
• 目的：
  • 工质的特性对热效率的影响
  • 代表了人类努力所能达到的水平
• 相对热效率：真实循环的指示效率与理想循环热效率之比。反映了实际发动机指示效率接近理想水平的程度。

主要热力参数¶

• 比热随温度的上升而上升
• K 随温度的上升而下降
  

考虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大：

真实循环¶

1) 传热损失 (总加热量的 6%)

真实循环并非绝热过程，通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。
散热量 \(Q_{w}=\int\alpha F_{w}(T - T_{w})d\varphi\)
式中，\(\alpha\)— 传热系数；
\(F_{w}\)— 散热面积，\(F_{w}=f(\varphi)\)；
T— 缸内工质温度，\(T = f(\varphi)\)；
\(T_{w}\)— 燃烧室壁面温度，可设为定值。

• 压缩过程：前期吸热，后期散热，使压缩线略下降 (有利)。
• 燃烧及膨胀过程：温差大，散热强烈，使\(p_{z}\)和膨胀线下降 (不利)。
• 燃烧膨胀线的下降幅度远大于压缩线，使动力过程功减小。

2) 燃烧提前时间损失及后燃损失

实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成：

• 存在点火 (喷油) 提前，使有用功面积下降，\(\eta_{t}\downarrow\)。
• \(p_{z}\)出现在 TDC 后\(10^{\circ}CA\)，而非等容加热，使有用功面积减小。

3) 换气损失

• 排气门早开，造成膨胀功损失。
• 泵气损失功 (\(W_{2}+W_{3}\))

4) 不完全燃烧损失

• 燃料与空气混合不良
• 燃烧组织不完善

5) 缸内流动损失

流动增强以及提高涡流与湍流程度，\(\eta_{t}\downarrow\)

因为：克服气流阻力、造成能量损失、散热损失

例如：流动损失，非直喷式柴油机\(>\)直喷式柴油机

6) 工质泄漏损失

机械损失和机械效率¶

定义：¶

组成和份额¶

1. 机械摩擦损失(50％～80％ )
   活塞组件、轴承、气门机构等
2. 附件驱动消耗( ～10％ )
   水泵、风扇、机油泵、高压油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构
3. 泵气损失(5％～40％ )

测量¶

示功图法¶

由总指示功Wi，减去台架上测得的有效功We

倒拖法¶

发动机正常运转后，断油或断火，用电机反拖发动机，测得的反拖功率

也就是维持之前的运转，反拖的功率就是机械功率（没有输出，输入的就等于损耗掉的）

灭缸法¶

用于多缸机

一个一个灭（轮着灭）
灭一个少了一个的有效功，同时增加了倒拖的功率损耗，所以差值就是指示功

油耗线法¶

转速不变，测出整机燃料消耗率随负荷的变化曲线。将此线外延到与横坐标相交的a点，则a点之值为机械损失值。

适合柴油机，不适合汽油机

影响因素¶

能量的分配和利用¶

1. 废气涡轮增压发动机
   • 废气温度高，能量品质高
   • 废气能量通过涡轮机和压气机转化为泵气过程功（正功）
   • 进气量、输出功率、有效效率显著提升
   • 增压配合中冷进一步提升输出功率
2. 复合增压发动机
   • 利用废气直接驱动动力涡轮，增大曲轴输出功率
   • 利用废气驱动汽轮机发电
3. 低散热（绝热）发动机
   • 低散热发动机提升热效率有限，但可增大废气可用能
   • 低散热 + 复合增压可大幅度提高有效热效率

内燃机换气过程和进气充量¶

四冲程内燃机换气过程¶

换气过程¶

功率的公式：

换气系统和换气过程¶

进气——>压缩——>膨胀（做功）——>排气——>进气——>压缩

• 换气过程: 从膨胀冲程末期排气门开启时算起，直到压缩冲程初期进气门关闭时为止，大约为：410ºCA~480ºCA
  
  排进气门都是早开晚关的

换气过程分期¶

• 进气阶段：核心是充量系数 \(\phi_c\) 的问题
• 气门重叠的过程

进排气相位角的影响¶

充量系数及其影响因素¶

定义¶

实际上就是实际吸入的新鲜空气的质量除以理论上进入的新鲜空气的质量（理论上使用密度乘以体积）

解析式¶

• 进气门晚关系数：\(\xi=V_{a^{\prime}}/V_{a}<1\)
• 进气门晚关系数：\(\psi=V_{r^{\prime}}/V_{r}>1\)
• 括号中的第一项与进气相关，对充量系数的影响大
• 第二项与排气有关，对充量系数的影响小

影响因素¶

流动阻力¶

• 流动阻力（\(\Delta p_a\)）
  • 沿程损失（次）+局部损失（主要的损失）
  • 局部的损失有：
  • 
• 此外流动阻力还有
  • 进气涡流、滚流和气道阻力
  • 
    • 分为Tandem：四气门前后排列
    • Twisted：四气门扭曲排列
    • Twin：四气门并列排列
    • 2V-DI：两气门排列

• 阻力还与流速有关：

  \[ M\mathrm{a}_\mathrm{m}=\frac{2ns}{a}\cdot\frac{F_\mathrm{p}}{(\mu_\mathrm{s}f_\mathrm{a})_\mathrm{m}}=\frac{Kns}{a}\left(\frac{D}{d_\mathrm{s}}\right)^2 \]

  在马赫数>0.5 时，充量系数会急速下降
  所以要降低进气的马赫数：
  提高气门的流通面积（多气门）
  气门数增加，转矩增加，允许的最高转速增加，最大的功率增加

进气温升（ Δ Ta’）¶

进气温升的组成部分：

式子中的组成的含义为：

• \(\Delta T_{\text{w}}\)— 高温壁面传热所引起的温升→合理冷却，降低热负荷，影响最大
• \(\Delta T_{\text{l}}\)— 压力损失变为摩擦热引起的温升→减小\(\Delta p_{\text{a}}\)
• \(\Delta T_{\text{r}}\)— 残余废气与新气混合引起的温升→减小残余废气系数
• \(\Delta T_{\text{g}}\)— 进气过程中，燃料气化、吸热所引起的温度降低（负值）

其余的影响因素

稳态进气速度特性¶

• 定义：油量调节机构不变时，充量系数\(\phi_{\text{c}}\)随发动机转速或活塞速度的变化规律，即\(\phi_{\text{c}}\)-n曲线（进气外特性、部分负荷进气速度特性）。
• 进气外特性决定了发动机的最大动力性（转矩和功率）。
• 汽油机：\(n\uparrow\)，\(\phi_{\text{c}}\downarrow\)；部分负荷时，随\(n\uparrow\)，\(\phi_{\text{c}}\downarrow\downarrow\)（斜率更大）；
• 柴油机：\(n\uparrow\)，\(\phi_{\text{c}}\downarrow\)（但斜率小于汽油机）；部分负荷时，进气温度低，\(\phi_{\text{c}}\)略升。

进排气系统的动态效应¶

实际上就是压力波的传播对进排气的压力的影响

压力波传播的基本知识¶

• 产生：当管道界面处产生一个压力或速度的变化（扰动）时，由于流体的可压缩性，该扰动将波及相邻区段，然后依次向前传播
• 静止介质中，压力波的传播速度就是该介质状态下的音速
• 若介质具有速度v，则压力波传播速度c=v± a

进排气动态效应¶

压力波动对进、排气过程（充量系数、排气流率以及各缸进、排气不均匀性）的影响称为进排气动态效应。

利用这一动态效应¶

进气门开启的时候，产生压降，为右行的膨胀波
实际上就是波的叠加
此时在气门处的反射是全负反射，疏波反射之后为密波

所以：管长L与转速n要合理匹配：
L太长，对φ c没有影响；太小，多次返回的密波和疏波相互抵消

上循环压力波动态效应

使用可变进气管的长度的技术

多缸机的动态效应与各缸不均匀性

• 多缸机的进、排气管不是独立的，而是相互连通的，因而存在 “进气干涉” （“抢气”）和“排气干涉”，造成各缸不均匀
• 解决办法：气缸分组

增压系统¶

改变公式中的 \(p_s\)

• 目的：
  提高进气压力，增大进气量（空气的量多了）

• 增压度：增压后的功率的增值与原来的功率的比

  \[ \varphi=\frac{P_{\mathrm{ek}}-P_{\mathrm{eo}}}{P_{\mathrm{eo}}}=\frac{p_{\mathrm{mek}}-p_{\mathrm{meo}}}{p_{\mathrm{meo}}} \]

• 增压比：压气机的出口压力与压缩前的压力的比值 \(\pi_\mathrm{k}=\frac{p_\mathrm{b}}{p_0}\)

增压方式和增压系统¶

• 涡轮增压系统
  • 直接利用废气能量，无需额外功率；（还能回收余热——通过泵气的正功）
  • 改善发动机动力、经济和排放性能（燃烧更加充分）；（主要提升的是高速、高负荷的情况）（使用的增压器是离心式增压，需要高转速）
  • 与发动机柔性连接，便于安装布置（进排气管布置非常灵活）；
  • 车用发动机领域应用最为广泛。
    使用尾气（右侧的）的能量，驱动涡轮，涡轮带动增压器，之后将压缩之后的气体降温（使进气的温度保持较低）（风冷的）

• 机械增压系统
  • 通过曲轴驱动，需要消耗曲轴功率；
  • 通常用于低增压发动机\(r_k < 1.6\)；
  • 容积式增压，受转速影响较小；
  • 低速工况性能好，动态响应快；
  • 通常用于赛车、坦克发动机等。

• 复合增压系统

  • 机械增压 + 涡轮增压

    前者保证了低速、低负荷转矩特性和动态响应，后者保证了整机的燃油经济性和高功率密度。 - 涡轮增压 + 调谐增压（可以使用可变进气管长度技术）

    利用进气动效应增大低速工况充气效率，改善低速转矩特性，利用涡轮增压改善高速工况动力、经济性。
    兼顾低速低负荷和高速高负荷
    

柴油机混合气形成和燃烧过程¶

燃烧概念与着火理论¶

燃烧：燃料与空气产生的激烈的放热化学反应

燃烧分期：完整的燃烧过程为：着火和燃烧两部分

对比¶

• 速度：
  • 汽油机取决于化学反应速度
  • 柴油机取决于混合速度与反应速度中较慢的过程
• 空燃比：
  • 汽油机的稀燃存在极限（就是燃料的浓度非常稀，空燃比非常大时，不能着火）
  • 柴油机的宽广范围内稳定稀燃
• 碳烟：
  • 汽油机不易产生（燃烧充分）
  • 柴油机易于产生
• 火焰：实际上就是由碳烟才会产生焰火（黄色白色），燃烧充分没有碳烟的话就是无焰燃烧）蓝色
• 回火的风险：
  • 因为汽油机在进气道内就混合好了，高温的烟气会点绕，柴油机进气道没有空气

着火理论¶

热着火理论¶

可燃混合气的着火的原因在于热量的积累，当放热的速率大于散热的速率时，温度升高，反应逐渐加快，最终导致着火
所以要比较两个的速率：

• 放热速率：\(\frac{\mathrm{d} q_{1}}{\mathrm{~d} t}=C \cdot \exp \left(-\frac{E}{R T}\right)\)
• 散热速率：\(\frac{\mathrm{d} q_{2}}{\mathrm{~d} t}=A \cdot F\left(T-T_{0}\right)\)

链式着火理论¶

高温并不是引起着火的唯一原因，只要以某种方式（如辐射、电离）激发出活性中心就能引起着火，反应物分子受激首先产生活性中心，然后通过链式反应产生分支。

类似核裂变的链式反应

• 柴油机的压燃和汽油机的爆燃属于低温多阶段的着火（也就是燃料的自燃着火）
• 汽油机的点燃和柴油机的后燃属于高温单阶段的着火（外部的点燃着火）

喷雾与混合气形成¶

液体燃料的喷射和雾化¶

上面就是柴油机着火的过程，下面是高压喷射的过程，可以看见是多点着火的
并且高压燃烧速度快，且靠近缸壁

1
2

![](png/Pasted%20image%2020251104102110.png)  
油泵——>油管——>喷油嘴

缸内的气流运动¶

• (1) 进气流 (Intake Flow)：促进油 / 气混合
  • 涡流 (Swirl)：涡流比与充量系数的平衡
    螺旋的形状，需要进气道特殊的形状
    
  • 滚流 (Tumble)
    
• (2) 压缩 / 膨胀流 (Compression/Expansion Flow)：加速燃烧
  • 挤流 (Squish)/ 反挤流 (Reverse Squish)
    燃烧室的凹坑，当燃烧室上升或者下行时
    
  • 压缩涡流 (Compression Swirl)
    主副燃烧室，燃料在副燃烧室中，主燃烧室的空气进入副，形成压缩的涡流
    
  • 微涡流 (Micro-turbulence)（四角型的燃烧室中存在）
• (3) 燃烧流 (Combustion Induced Flow)：改善燃烧 (作用较小)（燃烧时的温度压力不均匀导致的）

混合气的形成方式——空间雾化混合¶

• 燃油喷射雾化＋缸内气流运动
• 两者比例不同导致不同燃烧室系统（静止或弱旋流场＋6～12 孔高压喷油；强旋流场＋3～5 孔高压喷射；强旋 / 湍流场＋低压单孔喷嘴）。
  
  a：气流运动比较弱，主要依靠喷射系统，采用多孔的高压喷射的方式
  b：油气相互运动的混合方式，对喷射系统的要求降低了
  c：湍流等等的运动，喷射流更强（最好是不同的流束接壤但是不重叠）
• 热混合现象：在旋转气流中，已燃气体向燃烧室中心运动，未燃燃油和新鲜空气向外周运动，促进空气与燃油的混合（离心力的作用，未然燃油的密度大，离心作用大，会向外围扩散）。
• 热锁现象：由于燃油集中在燃烧室中心，燃油粒子难以向周边与新鲜空气混合，而被已燃气包围，火焰被锁定在中心。（主要是喷射系统的贯穿距离太短，离心力不足，会被锁在中心）
  

燃烧室的特性¶

• 直喷式
• 非直喷式

先缓后急的放热速率

• 经济上直喷式的比较好
• 非直喷式，柔和，排放比较好

燃烧过程及特性¶

横坐标：曲轴转角
示功图，喷油规律，燃烧放热规律（上面的三个曲线的名字）
A——>B：自燃的区域

分期¶

• 着火落后期（滞燃期）
  • 喷油始点 A～压缩线偏离点 B 或\(\mathrm{d}Q_{\mathrm{B}}/\mathrm{d}\varphi=0\)点；\(\varphi_{\mathrm{i}}=8\mathrm{\text{∼}}12^{\circ}\mathrm{CA}\)，\(0.7\mathrm{\text{∼}}3\mathrm{ms}\)（从喷油到着火开始的阶段）。
  • 复杂的物理化学过程：雾化、蒸发、扩散、混合；低温多阶段着火燃前准备。
  • 精确控制（滞燃期内喷油量和预混合气量）
    会影响速燃期的可燃混合气的数量
• 速燃期
  • B 点～C 点（压力急剧上升段）。
  • 滞燃期中形成的非均质预混合气的同时着火，本质上属于预混燃烧。
  • \(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi=0.2\mathrm{\text{∼}}0.6\ \mathrm{MPa/(^{\circ})}\)，衡量燃烧等容度和粗暴度的指标，不宜超过\(0.4\ \mathrm{MPa/(^{\circ})}\)。
    所以开始的喷气的速率不能过大，1需要已知初期的放热速率
    调整燃烧噪声和排放
  • \(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi\)主要取决于滞燃期内形成混合气量。
  • 累积放热率：\(20\mathrm{\text{∼}}30\%\)。
• 缓燃期：
  • C 点～D 点（最高燃烧温度或压力）。
  • 速燃期未燃烧燃料和缓燃期喷入燃料的燃烧，累积放热率：70-80%。
  • 放热率出现第二个高峰，“双峰” 现象（小负荷不明显或无此现象，全负荷的时候第二个峰会很大）。（柴油机是双峰，汽油机只有一个）
  • 放热率取决于油气扩散混合速度，属于扩散燃烧。（此时的喷油速率最大）\(max=5\mathrm{\text{∼}}9\ \mathrm{MPa}\)，增压机 > 10MPa。
  • 缓燃期燃烧不应缓（加快混合气形成速率，此时的喷油的速率是最大的，也要提高喷油的压力）。
• 后燃期：
  • D 点～E 点（燃料基本燃烧完毕）。
  • 累积放热率 > 95%。
  • 加速混合气形成和燃烧速度，缩短后燃期。（加强油气的混合，气流运动）

燃烧放热率计算¶

1. 瞬态放热率：（\(dB_q/d\phi\)）

   • 单位混合气在单位时间内或者单位曲轴转角内的燃烧发热量
     燃烧放热量=工质吸热量（变成了内能和做功量）+散热量
     \(\mathrm{Q_{B}=Q+Q_{W}=\Delta U+W+Q_{W}}\)

     \[ \begin{aligned}&{\frac{\mathrm{dQ}_{\mathrm{B}}}{\mathrm{d}\varphi}}=\left\lfloor{\frac{1}{\kappa-1}}\left(\mathrm{V}{\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{d}\varphi}}+\kappa\mathrm{p}{\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d}\varphi}}\right)-{\frac{\mathrm{pV}}{(\kappa-1)^{2}}}{\frac{\mathrm{d}\kappa}{\mathrm{d}\varphi}}\right\rfloor\\&+\alpha_{\mathrm{t}}\mathrm{F}_{\mathrm{W}}\left(\mathrm{T}-\mathrm{T}_{\mathrm{W}}\right)\end{aligned} \]

   公式中最后的是散热项
   与缸内的压力（直接测量）、容积（根据曲轴转角）、温度（由理想气体状态方程），工质的等熵指数，他们和曲轴转角都是有关系的
   这就是燃烧分析仪的原理

2. 累积放热率的计算
   就是对瞬态的积分之后，除以总的放热率

   \[ \mathrm{X}(\phi)=\frac{\int_{\phi_{b}}^{\phi}\mathrm{dQ_{B}}}{\mathrm{g}_{b}\cdot\mathrm{H}_{u}}\times100\% \]

燃烧放热规律分析¶

• 放热规律：燃烧过程中放热率随时间或曲轴转角的变化规律。

• 放热规律的三要素：放热始点、放热持续期和放热率形状。

• 放热始点：

  • 放热始点决定了放热率曲线（或放热率中心）距离 TDC 的位置，对循环热效率、压力升高率和最大燃烧压力等有重要影响。
  • 最佳放热始点：保证\(p_{\max}\)出现在\(10\mathrm{\text{∼}}15\ ^{\circ}\text{ATDC}\)（放热率中心接近上止点，等容度↑）。
  • 点火提前角或喷油提前角调节特性
    • 汽油机：转速越高，点火提前；真空度越大、负荷越小，点火提前。
    • 柴油机：转速提前；负荷越大，喷油提前（因为喷油的持续期会变长）。
      
• 放热持续期：
  • 原则：越短越好（预膨胀比\(\rho\downarrow\)）。
  • 柴油机：小于\(40\mathrm{\text{∼}}60\ ^{\circ}\text{CA}\)。
  • 影响因素：喷油时间、混合气形成速度和质量。
• 放热率形状及控制
  放热率形状影响放热曲线面心位置，也影响预混燃烧和扩散燃烧比例。
  
  • a— 放热率先急后缓：热效率和 NVH（噪声、振动与 harshness）高
  • b— 放热率不变：介于 a 和 d 之间
  • c— 放热率先升后降：介于 a 和 d 之间（接近汽油机的放热曲线，工作过程是比较稳定的，这也是汽油机的效率不如柴油机的原因之一）
  • d— 放热先缓后急：热效率和 NVH 低
    a 的指示效率最高(放热的重心最靠前，等容度高)，但是其他的性能差

理想放热规律¶

1. 尽量接近上止点燃烧（放热率中心接近上止点）；
2. 放热持续期宜短一些；
   上面的两个都是为了提高等容度
3. 放热率曲线形状以先缓后急，急速停止模型为最佳。
   
   要将前面的峰下降（虚线的部分为最佳），速燃期
   促进扩散燃烧，提高等容度，使得充分燃烧，同时提高 NVH 的性能（虚线的部分，平衡不同的需求）
   • 速燃期不速
   • 缓燃期不缓
   • 后燃期不后
4. 怎样保证：
   • （1）控制燃油喷射
   • （2）控制气流运动（特别是后燃期，都没有喷油了）
   • （3）燃烧室合理设计
     油气室三者平衡之后就可以了

氮氧化物的生成和颗粒的生成是此消彼长的关系
一个是富氧、一个是缺氧

粗暴燃烧与燃烧噪声¶

粗暴燃烧¶

• 现象：
  当滞燃期内喷入的燃料较多，进而形成了较多的可燃混合气后，在速燃期内便会一起燃烧，使燃烧初期的压力急剧升高，当压力升高率大于\(0.4\ \mathrm{MPa/^{\circ}CA}\)以上便会产生粗暴燃烧。
• 危害：
  使发动机燃烧和机械噪声增大，严重时使发动机负功增大，功率降低。
• 与汽油机爆燃区别：
  发生时期不同：爆燃发生在速燃期的后期（发生了多点的同时着火，影响了正常燃烧，使得产生了激波），而粗暴燃烧发生在速燃期的前期；
  缸内压力不同：爆燃时缸内压力不均匀，缸内产生激波，而粗暴燃烧时缸内压力仍然均匀，无激波产生。

燃烧噪声¶

1. 燃烧的噪声机理
   • 燃烧噪声主要在速燃期内产生；
   • 气体动力载荷引起发动机零部件振动；
   • 气体压力缸内来回传播引起的高频振动。
     
     喷油的提前角早，滞燃期的时间就越长，到速燃期的可燃混合气就越多，更容易振动
     
2. 降低燃烧噪声的措施：
   • 缩短滞燃期（着火落后期）：提高燃料十六烷值、推迟喷油时间；
   • 减少滞燃期内的喷油量：靴型喷油规律和多段喷射（Multiple-Injection）；
     多段喷射，利用提前喷射的反应，提高温度和压力，缩短主喷射的时间
   • 减少滞燃期内形成的可燃混合气（球形燃烧室、挤流口式燃烧室）；
   • 提高冷却水温度和进气温度（可以缩短滞燃期）。
     都是为了抑制预混合燃烧的速率（也就是速燃期的速率）

汽油机混合气形成和燃烧¶

混合气的形成与要求¶

PFI汽油机混合气形成

• 采用电磁阀喷油器，喷油压力一般为中低压力（0.3～1.5MPa），喷射方向一般指向进气阀背中央（温度高、便于蒸发）。
• 以进气道闭阀喷射（进气门是关闭的）为例，混合气形成过程包括进气道中的喷油雾化蒸发、缸内蒸发混合两个阶段。

• 缸内蒸发混合
• 喷射策略：不同的喷射策略
  

GDI 混合气的形成

• 概述：缩短混合气形成时间制造缸内分层混合气，高空燃比稀燃，达到节油率
  
  稀燃，排放减少
• 分类：
  • 均质当量比：进气冲程早喷
  • 分层稀燃：压缩冲程晚喷
    
• 控制策略：
  • 分层稀燃GDI实现高度稀燃的关键是：总体φ a ＞ 1，火花塞周围φ a ≤ 1的浓混合气，以保证稳定着火 。
  • 分层混合气的形成方式：喷雾引导、壁面引导、气流引导。
  • 三菱的是气流壁面的混合引导
    • 低负荷时，随功率变大，增加空燃比
    • 高负荷时，量调节，提高均质混合气的数量
      
• 均质当量比的形式
  • 分层的稀燃难以满足排放法规，分层混合气的组织也比较困难
  • 虽然不是稀燃了，但是相对于 PFI的还是有提高的——喷雾放热使得温度下降，充量系数提高、爆燃降低、ε提高1 ～ 2单位。

火花点火和火焰传播¶

点火过程和点火能量：

• 火花点火过程（短而复杂的过程）
  • 击穿阶段：高压 (10~35kV)→击穿混合气→离子通道 (400μm)→电阻急剧下降，电流 200A，温度 60,000K，持续约 10ns。
  • 电弧放电：电压较低 (60~100V)，电流仍较高，中心温度 6,000K，但离子化程度较低 (1%)，持续时间约 100μs。
  • 辉光放电：电流低于 1A，阴极上有较高压降 (300~500V)，温度降至 3,000K，离子化程度很低 (0.01%)，释放大部分能量，持续时间长 (几 ms)。
  • 火核形成：火花出现数百微秒后，1~2mm 火核形成。
• 点火能量及影响因素：
  • \(E_{\text{b}} > 0.2\,\text{mJ}\)；实际上，\(E_{\text{b}} = 30～50\,\text{mJ}→100～150\,\text{mJ}\)。（稀燃的情况下需要的点火能量高）
  • 影响因素：燃料特性，过量空气系数，混合气温度 / 压力，气流运动，火花塞参数。
  • 电极间隙（\(s=0.7～0.8\,\text{mm}\)）
    • 存在最佳的电极间隙\(s_0\)；
    • \(s>s_0\)，电极间混合气容积\(\uparrow→E_{\text{b}}\uparrow\)；
    • \(s<s_0\)，火花向电极散热\(\uparrow→E_{\text{b}}\uparrow\)；
    • \(s_{\text{min}}\)= 淬熄距离 (传热过多)。
  • 过量空气系数\(\varphi_{\text{a}}\)
    • \(\varphi_{\text{a}}=1→E_{\text{bmin}}\)
    • 对于一定的s，存在可燃混合气浓度的点火稀限和浓限（\(0.4<\varphi_{\text{a}}<1.4\)）
  • 

火焰传播：

• 层流火焰
  • 火焰前锋面：
    
    前锋面就是中间的红黄色区域，之前是燃烧完的区域，后面是未燃烧的区域
    Re<2300
    火焰前锋面释放能量：90％～95％
    火焰面厚度δ：烃燃料－ 1 mm；H 2 － 0.1 mm
  • 前锋面的结构
  • 火焰的传播速度和燃烧速度
    
    \(\vec{\mathrm{v}}_{\mathrm{F}}=\vec{\mathrm{v}}_{\mathrm{B}}+\vec{\mathrm{v}}_{\mathrm{T}}\)
    F 为火焰的传播速度，B 是火焰的燃烧速度，T 是气流输运速度
    燃烧速度与温度、燃料、过量空气系数等等因素有关
    
    最大的燃烧的过量空气系数在功率浓度（稍微稀一点的）上

湍流火焰：

• 效果：
  
  Re>6000 时，已燃烧的区域不连续
  1. 微元气体脉动加速了火焰前锋面内的传热传质和反应过程，使火焰燃烧速度加大。
  2. 微元气体脉动使火焰前锋面出现皱褶，加大了与未燃气体接触表面积。
     所以要提高混合气的湍流程度

燃烧过程¶

上方的是缸内压力随着曲轴的转角
下方的是瞬时放热速率随着曲轴转角的变化（虚线是总的放热）

燃烧分期：

• A->B，着火的过程（相当于滞燃期），滞燃期的终点以 CA 05 作为终点（即累计放热5%相位）、或者脱离缸压曲线、或者在光学镜头下产生火核
  燃烧特性参数：着火落后角ϕi 或时间τi
  • 10~20°CA左右；
  • ϕi 对汽油机性能影响不大，但不要离散过大，确保B点（12~15 °CA BTDC）与 \(p_{max}\) 点位置稳定（ 10~15 °CA ATDC ）；
  • 所以要调整点火提前角 \(\theta_{ig}\)，对 \(p_{max}\) 相位有重要影响
    转速提前，真空提前，负荷延后（负荷上升之后，滞燃期缩短，为了保证在上止点着火，需要延后点火时间）
• B->C，明显的燃烧阶段（速燃期）
  • 其间80～90％燃料被燃烧。
  • 燃烧等容度表征CA50：累计放热50%的相位，5~10° CA ATDC。
    参数：
  • \(p_{\text{max}}\) 和 \(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi \uparrow \to \eta_t\) 和 \(W_i \uparrow\)，但 \(\text{NO}_x \uparrow\)，机械负荷及热负荷\(\uparrow\)。
  • \(p_{\text{max}} \leq 5.0\,\text{MPa}\)，\(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi = 0.2\sim0.4\,\text{MPa}/(\text{°CA})\)。
  • \(p_{\text{max}}\) 位置，\(\varphi_c = 10\sim15\,\text{°CA ATDC}\)。
  • \(p_{\text{max}}\) 位置可用点火提前角\(\theta_{\text{ig}}\)来调整。

• 后燃期
  • 燃烧剩余约10％燃料，主要存在于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域、壁面（壁面附近的温度较低，）附近未燃混合气、高温热分解产生的CO、OH等成分
  • 后燃期要短，否则影响等容度、经济性；排温上升，甚至到排气道，三元催化中
  • 保证燃烧持续期40-60 ° CA。

依靠火花点火，依靠火焰传播完成燃烧过程（偏离量两者就会不正常燃烧）

异常燃烧及其控制¶

• 汽油机不正常燃烧
  • 爆燃 / 爆震、爆轰 / 超级爆震
  • 表面点火（一些高温的表面点燃了混合气）
    
• 汽油机不规则燃烧
  • 循环波动：不同循环之间的燃烧变动
  • 各缸不均匀（进气不均匀）：各缸之间的燃烧差异
    主要是因为汽油机是单点着火

• 爆燃现象
  • 示功图出现不同程度的 “锯齿波”
  • 尖锐的金属敲击声，声频为 3～7KHz
  • 机身有明显振动
  • 功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟
  • 冷却水、机油和气缸盖等温度升高
    
    从左到右是正常、轻微、强烈爆燃
• 常规爆燃机理
  • 火花点火后，燃烧产生压力波和热辐射；
  • 末端混合气（End gas）受压缩和热辐射，温度压力上升，燃前反应加速，严重时会以低温多阶段方式产生自燃（Self-ignition）；
  • 多点大面积自燃，形成局部温度压力陡升（瞬时压力 18MPa），压力波在传播过程中形成 “激波”；
  • 激波冲击燃烧室壁面产生高频振音（也有说共振），并在示功图上可观察到这种压力波动。
    注意：
  • 火焰前锋面速度（湍流）<100m/s
  • 压力波和热辐射分别为音速和光速
  • 前锋面要慢得多，所以爆燃的原因就是末端的混合气自燃
    
    自燃——>压力分布不均匀——>产生激波——>无序放热，使得温度急剧上升
• 超级爆震
  • 末端混合气自燃形成了爆轰波（Detonation Wave），是一种激波和火焰面耦合传播的燃烧波，速度远高于常规爆震的燃烧波和激波；
  • 增压直喷汽油机在低转速全负荷时会出现超级爆震现象，本质是激波与燃烧波叠加；
  • 超级爆震压力幅值\(\Delta p\)（>5.0MPa），高出常规爆震（<0.5MPa）1 个数量级，也有称之为 “早燃”（Pre-Ignition）。
    超级爆震会产生早燃，反过来不一定
• 危害：
  • 无序放热和激波冲击，燃烧室壁面的层流边界层和油膜被破坏，散热↑，热负荷↑；（热阻下降，散热上升）
  • 由于油膜层被破坏，引起活塞组磨损加剧，甚至拉缸，甚至活塞环断环；
  • 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率（可能是等容度上升了），但严重爆燃时，热损失↑，导致\(\text{be}\)、\(P_e \downarrow\)；
  • 燃烧粗暴、热烈解发生，甚至冒黑烟；
  • 缸内压力剧烈波动使\(p_{\text{max}}\)和\(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi \uparrow\)，零部件应力↑，使机械负荷↑。
• 防止爆燃的对策：
  
  t 1：由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间；
  t 2：由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间
  所以要让 \(t_1<t_2\)
  燃烧室紧凑——面积比上容积
  
  使得温度水平降下来，使燃烧的速度变慢
  但是上面的火焰传播速度和加长滞燃期矛盾了，但是发现加长滞燃期的效果明显
• 实际的措施：
  • 降低 \(\varepsilon\)（最主要）
  • 提高燃料辛烷值
  • 推迟点火时间（可以通过调节这个，使得发动机始终在临界爆燃的工况）
  • 燃烧室优化设计（含提高湍流度等，见左图）
  • 爆震传感器反馈控制
  • 可变压缩比技术（根据负荷调整压缩比）
• 表面点火：
  由燃烧室内炽热表面(如火花塞绝缘体和电极、排气门、沉积物)点燃混合气引起的不正常燃烧，通常在发动机长时间高速、高负荷运行后出现。
  分类：
  • 早火（早燃）：压缩行程负功增大; 沉闷的低频敲缸声(600～1200Hz)。
    点火的面积大，初期的放热速率很高，使得压力温度迅速上升。活塞会有很大的高温热冲击
  • 后火（后燃）：对发动机影响不大; 有时会出现“续走”现象。
    可能增大发动机的动力性和经济性，但是会使压力水平上升，可能会导致早火
    早燃有可能诱发爆震/超级爆震，主要取决于早燃是否引发末端混合气自燃以及自燃后火焰传播形式