節能發動機的設計與開發畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 性方面都有很好的效果。雖然在低轉速時充氣效率不及純汽油機，但是其熱效率有所提高，所以整體來說，汽油機摻氫燃燒在動力性方面是行的通的。 經濟性能分析下圖為天津大學內燃機實驗室針對192Q發動機所做的一組實驗數據：[8]特性曲線最高綜合熱效率（%）最高熱效率（%）最低汽油消耗率（g/）最低汽油消耗率下降率（%）純汽油汽油氫氣純汽油汽油氫氣負荷特性1600r/min2000r/min2400r/min外特性通過該實驗數據可知,汽油一氫氣燃料燃燒與純汽油燃料燃燒相比，加氫后發動機的綜合熱效率提高較明顯，經濟性改善可觀，具有節能意義。在中等轉速(2000r/min左右)、中等負荷(60%負荷左右)下綜合熱效率的提高率約為7%~15%，在低轉速、低負荷下綜合熱效率提高率約為14%~20%，在接近高轉速、高負荷工況下綜合熱效率提高率約為3%左右。外特性曲線上最高綜合熱效率的提高率約為10%左右。加氫燃燒可以較多地節省汽油，具有節油意義。在中等負荷、中等轉速下，汽油油耗率下降約為20%~25%。在低轉速、低負荷下，汽油油耗率下降率約為20%~35%。在接近高負荷下汽油油耗率下降率約為5%~10%。通過上述數據，可知摻氫后經濟性有明顯提高平均來說汽油機油耗下降20%~25%。其理論分析如下：由于氫氣具有點火能量低，化學反應速度快，擴散速率高等特點，所以在汽油一空氣混合氣中添加少量的氫氣可以使發動機燃燒的著火延遲期大大縮短，火焰傳播速度加快，燃燒的持續期縮短。在燃燒稀混合氣的條件下，燃燒過程的中后期改善尤為明顯。另外，由于氫氣的加入，使雙原子分子相對增加，使燃燒絕熱指數提高。使熱效率明顯提高。由公式 [9] （） ：燃油消耗率 ：有效熱效率 ：混合氣的低熱值（前面計算變化很小）由上式可知，熱效率的明顯提高，燃油消耗率將會明顯減小，有明顯的節油效果。綜上，汽油機在摻氫燃燒后經濟性方面有明顯的提高。 影響排放性能的分析 目前純汽油發動機排放污染物的主要成分汽車排放的污染物以及與交通源相關的主要污染物有：一氧化碳（CO）、氮氧化合物（）、碳氫化合物（HC）（包括苯、苯并芘）和微粒等。在相同工況下汽油機排放的CO,HC, NO的排放量比柴油機大，因此目前國家標準中對汽油機主要限制CO, HC, NO的排放。汽車排放污染物主要由內燃機造成的，并隨著內燃機種類及工況的改變而變化。[10] 汽車排放污染物的生成機理及影響因素（1） CO生成機理及影響因素： 生成機理：CO是烴燃料燃燒的中間產物。排氣中的CO主要是在局部缺氧或低溫下由于烴的不完全燃燒產生的，是汽油機排氣中有害成分濃度最大的物質。CO生成的機理比較復雜，但一般認為，燃料分子(CRH)經高溫氧化生成CO要經歷如下步驟: RH一R一ROz一RCHO一RCO一CO 這里R代表碳氫根。 燃料完全燃燒時， 當空氣不足時， CO的生成率主要受混合氣濃度（空燃比）的影響。對于濃混合氣而言，沒有足夠的氧使燃油中的碳完全燃燒成CO，不過，即使在稀混合氣中，由于燃燒產物CO及水的高溫離解反應，也可能生成一部分CO。影響因素：進氣溫度T。的影響一般情況下，冬天的溫度可以達到零下二十度以下，夏天在30176。C以上，爬坡時發動機機罩內溫度大于80176。C。隨著環境溫度的上升，空氣密度變小，而汽油的密度幾乎不變，供給的混合氣的空燃比隨著吸入氣體溫度的上升而變濃，排出的CO將增加。在一定的運載條件下，進氣溫度越高，空燃比越小。大氣壓力P的影響大氣壓力隨著海拔高度而變化，經驗公式為： [11] h 為海拔高度（Km） Kg/ 可以認為空氣密度和壓力成正比，混合比和空氣密度的平方根成正比。這樣可知，當進氣管壓力降低時，空氣密度下降，使混合比下降，從而使混合氣過濃，這將影響CO的排放。進氣管真空度的影響當汽車急劇減速時發動機真空度大于負68KPa以上時，停留在進氣系統中的燃料，在高真空度下急劇蒸發而進入燃燒室，造成混合氣瞬時過濃，致使燃燒狀況惡化。CO濃度將顯著增加到怠速時的濃度。怠速轉速的影響提高怠速轉速，可以有效地降低排氣中CO濃度。但是，怠速過高會加大挺桿的響聲，對液力變扭汽車，還可能發生溜車的危險。如果這些問題得到解決，一般從凈化的觀點看，希望怠速轉速規定高一點好。發動機工況的影響發動機負荷一定時，CO的排放量隨轉速增加而降低，到一定的車速后，變化不大。當車速增加時，CO很快降低，至中速后變化不大。這是由于化油器供給發動機的空燃比隨流量的增加接近于理論空燃比的結果。(2）HC生成機理及影響因素：汽油發動機中的未燃HC都是在缸內燃燒過程中產生的。主要由以下三種途徑產生：在汽缸內的燃燒過程中產生并隨廢氣排出，此部分HC 主要是在燃燒過程中未燃燒或燃燒不完全的碳氫燃料。從燃燒室通過活塞組與汽缸之間的間隙漏入曲軸箱的竄氣中含有大量未燃燃料，如果排入大氣中也構成HC排放物。從汽油機的燃油系統蒸發的燃油蒸氣。生成機理：火焰在壁面淬冷火焰淬冷的形成方式有單壁和雙壁淬冷，前者當火焰接近汽缸壁時，由于缸壁附近混合氣溫度較低，使氣缸壁面上薄薄的邊界層內的溫度降低到混合氣自燃溫度以下導致火焰熄滅，邊界層內的混合氣未燃燒或未燃燒完全就直接進入排氣而形成未燃HC，此邊界層稱為淬熄層，發動機正常運轉時，~，在小負荷時或者溫度較低時淬熄層較厚；后者是在活塞頂部和氣缸壁所組成的很小的環形間隙中，火焰傳不進去，使其中的混合氣不能燃燒，在膨脹過程中逸出形成HC排放。狹隙效應在發動機內的燃燒室內有各種狹窄的間隙，如活塞組與汽缸壁之間的間隙、火花塞中心電極與絕緣根部周圍狹窄空間和火花塞之間的間隙、進排氣門與氣門座面形成的密封狹縫、汽缸蓋墊片處的間隙等。當間隙小到一定程度，火焰不能進入便會產生未燃HC。潤滑油膜對燃油蒸氣的吸附與解吸在進氣過程中，汽缸壁面和活塞頂面上的潤滑油膜溶解和吸收了進入汽缸的可燃混合氣中的碳氫化合物蒸氣，直至達到其環境壓力下的飽和狀態，這種溶解和吸收過程在壓縮和燃燒過程中的較高壓力下繼續進行。在燃燒過程中，當燃燒室中的HC濃度由于燃燒而下降至很低時，油膜中的HC開始向已燃氣解吸，此過程將持續到膨脹和排氣過程。一部分解吸的燃油蒸氣與高溫的燃燒產物混合并被氧化；其余部分與較低溫度的燃氣混合，因而不能氧化成為HC排放源。由于潤滑油膜吸附和解吸的機理產生的未燃HC排放占其總量的25%左右。內燃機內沉積物的影響發動機運轉一段時間后，會在燃燒室壁面、活塞頂、進排氣門上形成沉積物，從而使HC排放增加。 體積淬熄發動機在某些工況下，火焰前鋒面到達燃燒室壁面前，由于燃燒室壓力和溫度下降太快，可能使火焰熄滅，成為體積淬熄，這也是產生未燃HC的一個原因。發動機在冷啟動和暖機工況下，由于發動機溫度較低混合氣不夠均勻，導致燃燒室變慢或者不穩定，火焰易熄滅；發動機在怠速或者小工況下,轉速低，相對殘余廢氣量大，使滯燃期延長燃燒惡化，也易引起熄火。更為極端的情況是發動機的某些氣缸缺火，使未燃燒的可燃混合氣直接排入排氣管，造成未燃HC排放急劇增加，故汽油機點火系統的工作可靠性對ＨＣ排放是至觀重要的。碳氫化合物的后期氧化在發動機燃燒過程中未燃燒的碳氫化合物，在以后的膨脹和排氣過程中不斷從間隙容積、潤滑油膜、沉積物和淬熄層中釋放出來，重新擴散到高溫的燃燒產物中被全部或部分氧化，稱為碳氫化合物的后期氧化。影響因素： 未燃HC排放主要是由于缸內混合氣過濃、過稀或者局部混合不均引起燃燒不完全而造成的，造成燃燒不完全的因素大致有混合氣的質量、發動機的運行條件、燃燒室結構參數及點火與配氣正時等?；旌蠚赓|量的影響混合氣質量的優劣主要體現在燃油的物化蒸發程度、混合氣的均勻性、空燃比和缸內殘余廢氣系數的大小等方面?；旌蠚獾木鶆蛐栽讲?，則HC排放越多。當空燃比略大于理論空燃比時，HC有最小值；混合氣過濃或者過稀均會發生不完全燃燒，廢氣過多將會導致火焰中心的形成與火焰的傳播受阻甚至出現斷火，致使HC增加。 運行的條件 負荷的影響：當負荷增加時，HC排放量絕對值將隨著廢氣流量變大而幾乎呈線性增加。 轉速的影響：發動機轉速較高時，排放明顯下降，這是由于氣缸內的混合氣的擾流作用、渦流擴散等改善了氣缸內的燃燒過程。點火時刻的影響：點火延遲（點火提前角減?。┛梢允沟肏C排放下降，這是由于點火延遲使得混合氣燃燒時的激冷壁面面積減小，同時使排氣溫度增高，從而使排氣溫度升高，促進了HC在排氣管內的氧化。壁溫的影響：燃燒室的壁溫直接影響了激冷層和HC的排氣后反應。燃燒室面容比的影響：燃燒室面容比大，單位容積的激冷面積也隨著增大，激冷層中的未燃烴量必然也增加。（3）氮氧化物的生成機理及影響因素生成機理：內燃機中氮氧化物主要是NO，但在進入空氣后會很快被氧化成二氧化氮。氮氧化物的生成機理與HC及CO不同，它不是混合氣不完全燃燒的結果，與燃燒的擴散、燃氣的混合濃度分布、火焰濃度分布及熱的傳導等一系列因素有關，反應機理十分復雜。汽油機中基本不含氮的成分，氮氧化物的生成主要來源于燃燒所需要的空氣中的氮氣和氧氣在高溫作用下所發生的熱反應機理（即Thermal NO反應機理）。此機理認為，與可以很快達到平衡狀態的燃燒反應速度相比，NO生成過程比較緩慢，對溫度的依賴性比較大，需要吸收較多的熱量，一般要到火焰后期才產生有關反應，其反應基本過程是：[12] N + OH NO +H 上述反應過程稱之為生成NO擴大的多唯奇鏈反應機理。汽油機的燃燒在高壓下進行，并且燃燒過程進行得很快，反應層很薄且反應時間很短。早期燃燒產物受到壓縮而溫度上升，使得易燃氣體溫度高于剛結束燃燒的火焰帶的溫度，因此除混合氣很稀的區域外，大部分NO在離開火焰帶的已燃氣體中產生，只有很少部分ＮＯ產生在火焰帶中。也就是說，燃燒和ＮＯ的產生是彼此分離的，應主要考慮已燃氣體中ＮＯ的生成。氮氧化物的生成主要取決于燃燒溫度及氧的濃度。在氧濃度較稀且高溫情況下，NO生成濃度為最高。高溫時最重要的條件，即使氧很充分，但如果燃燒溫度不高，氧的分解進程也很慢，NO的生成濃度低。此外，氮氧化物的濃度還與混合氣在高溫下的滯留時間有關，在高溫下滯留時間愈長，則氮氧化物的濃度越大。因此點火提前角對氮氧化物生成率有顯著的影響，隨著點火提前角的減小，最高燃燒溫度降低，燃氣在高溫下滯留時間縮短，氮氧化物的生成幾率隨之下降。并且在稀混合氣時氮氧化物生成率下降的效果更加明顯，其原因在于濃混合器中氮氧化物基本上是由火焰初期的一氧化氮反應生成，而在稀混合氣中氮氧化物主要在火焰后期的已燃氣體中產生，此時NO的生成速度較低。因此，在足夠的氧濃度條件下，溫度越高和反應時間越長，則氮氧化物的生成量越大。影響因素： 過量空氣系數和燃燒室溫度的影響由于過量空氣系數直接影響燃燒時氣體的溫度和氧氣的濃度，所以對氮氧化物的生成影響是很大的。當其小于1時，由于缺氧，即使燃燒室內溫度很高，氮氧化物的生成量仍會隨著過量空氣系數降低而降低，此時氧濃度占主要因素。當過量空氣系數大于1時，氮氧化物的生成隨著溫度的升高而迅速增加，此時溫度其主要作用。