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毕业设计发动机

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1.3~7.64.1~7416~256.0~373.5~19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91~100130130110106汽车用82~94--8789熄火间隙0.20.064-0.203-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

1.2.1国内外的研究现状

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210kW（285马力）

0～100km/h加速约6s

最高速度达302.4km/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0.15MPa

压缩比9

每缸2气门

水空中冷器

排量6.75L

额定功率173kW

2006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1.6L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350km

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]

1.2.2汽油机的掺氢燃烧的发展趋势

（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

Lucas和Richards[3]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）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5MPa）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

1.3.1掺氢燃烧存在的问题

（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

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

Tand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

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2000K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

1.3.2研究方法

　　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

2.1.1纯氢气机理论模型的建立

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[3]

a--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

2.1.2纯氢气机理论工作循环的过程分析

　　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

（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

2.1.3理论循环的计算结果分析（缸内直接喷射的方式喷入）

　　以下计算时

取氢的低热值为240.7103kJ/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

2.2.1动力性能分析

　　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53593kJ/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120KJ/g汽油低热值为43.4KJ/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

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4000r/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

2.2.2经济性能分析

　　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