【正文】 加高效抗爆劑如四乙鉛Pb(C2H5)4，但由于該添加劑含鉛量高，對人體及環(huán)境有較為嚴重的危害，同時還會使排氣催化轉(zhuǎn)換器中的催化劑嚴重中毒而導(dǎo)致失效，因而逐漸被淘汰。目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先進的煉制工藝和使用高辛烷值的調(diào)和劑，如加入甲基叔丁基醚(MTBF)、乙基叔丁基醚(ETBE)或醇類燃料等，以獲得較高辛烷值而無其他不利于環(huán)保的副作用。汽油和柴油的物性差異決定了汽油機和柴油機在混合氣形成、著火和燃燒上的差異v 1） 混合氣形成 汽油機： 柴油機： 外部形成 內(nèi)部形成 均勻混合氣 非均勻混合氣 α較小 α較大 量調(diào)節(jié)（負荷） 質(zhì)調(diào)節(jié)（負荷）v 2）發(fā)火方式汽油機： 柴油機： 外源點火 自行著火 單火源發(fā)火 多火源著火v 3）燃燒方式汽油機： 柴油機：以火焰?zhèn)鞑シ绞綖橹?以擴散燃燒方式為主接近等容燃燒 接近先等容后等壓燃燒 (二)氣體燃料 內(nèi)燃機所用的氣體燃料主要有天然氣、液化石油氣、氫氣、煤氣、沼氣等。 天然氣主要成分為鏈烷烴化合物的甲烷CH4 (容積比可達95以上)，另外還包括乙烷C2H6以及丙烷C3H8等。天然氣的熱值和辛烷值均較高，在用作點燃式發(fā)動機的燃料時，通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，如提高發(fā)動機的壓縮比等，可以接近原發(fā)動機的動力性能。同時，天然氣又是一種比較潔凈的能源，排污低，使用比較方便，特別是壓縮天然氣(CNG——Compressed Natural Gas)，便于儲存，配合相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施〔如加氣站〕的建設(shè)，在城市車輛如公共汽車、出租車中具有廣闊的應(yīng)用前景。 液化石油氣(LPGLiquefied Petroleum Gas）氣或石油煉制過程中生產(chǎn)的石油氣，主要成分是丙烷C3H丙烯C3H丁烷C4H丁烯C4H8及其異構(gòu)物，在常溫下加壓，可以變成液體燃料，其單位容積熱值高于天然氣，可以作為汽油機的燃料，還可以獲得較好的排放性能(三)代用燃料 醇類燃料有甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。甲醇可以從天然氣、煤、生物質(zhì)等原料中提??；乙醇主要是將含有糖和淀粉的農(nóng)作物經(jīng)過發(fā)酵后制得。醇類燃料是液體燃料，可以沿用傳統(tǒng)的石油燃料的運輸、貯存系統(tǒng)，相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入少，而發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性可以接近或超過原有汽油機或柴油機，排氣有害成分少，是一種很有發(fā)展前景的代用燃料。2. 植物油燃料 植物油的種類很多，分為可食用與非食用的兩大類。大多數(shù)植物油的主要化學(xué)成分是甘油三酸酯，即由一個分子甘油(丙三醇)和三個脂肪酸分子以酯鍵連接組成的復(fù)合物；植物油的熱值均比柴油低。由于植物油加熱時易產(chǎn)生分解，少量輕成分揮發(fā)，大部分則變成膠狀物，因此很難獲得蒸餾特性。另外，由于植物油的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以霧化特性差，燃燒不充分，積碳嚴重。植物油的十六烷值也較低，但經(jīng)過酯化處理后，其著火性能可以得到改善。 目前，植物油還主要在柴油機上試用。從長遠來看，發(fā)展非食用植物油作為燃料不足的補充，是很有意義的。二、燃燒熱化學(xué) 燃料的燃燒過程就是燃料與空氣中的氧進行氧化反應(yīng)而放出熱量的過程。 從理論上說，當(dāng)氧充分時，燃料中的碳元素以及氫元素可以完全被氧化為二氧化碳和水，而空氣中的氮則并不參與任何反應(yīng)。如考慮一種通用的碳氫化合物，其平均分子組成為CcHhOo (下角c、h、o分別表示相應(yīng)元素的原子數(shù))，而空氣則可以認為是多種理想氣體的混合氣體，按容積計其組成成分為：％，％，％為其他氣體。為了方便計算，可忽略其他氣體成分，即認為空氣中除氧外，其余均為氮，這樣對應(yīng)于1mol的氧，有（1—）／＝。 碳氫燃料在空氣中完全燃燒時的化學(xué)反應(yīng)式1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量(質(zhì)量)之比(稱為化學(xué)計量空燃比)，可以采用下式計算式中，lo的單位為kg／kg。一般而言，內(nèi)燃機所用的燃料均為各種碳氫化合物的混合物，難于準確地確定其中C、H、O三種元素的原子數(shù)c、h及o，另一方面，這三種主要元素的質(zhì)量比可以通過化學(xué)分析方法得到，分別記為gC、gH和gO。根據(jù)定義式，有化學(xué)計量空然比的計算式就可以寫出簡化式為： 如以體積關(guān)系式來計算化學(xué)計量空然比（單位：kmol/kg）,則計算式為：據(jù)統(tǒng)計，國產(chǎn)汽油中C、H、代入lo和Lo,就可以求出汽油和柴油的化學(xué)計量比。對于汽油：對于柴油：第二節(jié) 內(nèi)燃機的實際循環(huán) 通過分析內(nèi)燃機理論循環(huán)和實際循環(huán)的差別，可以找到提高內(nèi)燃機工作過程完善程度的方向。圖32給出二者的示功圖。主要差別v 一、不同工質(zhì)帶來的影響v 二、換氣損失v 三、傳熱損失v 四、燃燒損失一、不同工質(zhì)帶來的影響理論循環(huán)的工質(zhì)是理想的雙原子氣體，并假定其物理化學(xué)性質(zhì)在整個循環(huán)過程中是不變的。在實際內(nèi)燃機循環(huán)中，燃燒前的工質(zhì)是由新鮮空氣、燃料蒸氣和上一循環(huán)殘余廢氣等組成的混合氣體，燃燒過程中及燃燒后，工質(zhì)的成分及數(shù)量不斷發(fā)生著變化，三原子氣體占多數(shù)，其比熱容比兩原子氣體大，且隨著溫度的上升而增大，在燃燒產(chǎn)物中還存在著一些成分的高溫分解以及在膨脹過程中的復(fù)合放熱現(xiàn)象。 v 上述因素中，以工質(zhì)對比熱容的影響為最大，其他各項的影響較小一些。由于比熱容隨溫度上升而增大，對于相同的加熱量(燃料燃燒放熱量)，實際循環(huán)所能夠達到的最高燃燒溫度小于理論循環(huán)，其最終的結(jié)果是使循環(huán)熱效率下降，循環(huán)所做的有用功減少。例如，對于壓縮比為1最高壓力為8MPa的混合循環(huán)，；當(dāng)考慮到工質(zhì)的實際物性時。 從圖3—2的內(nèi)燃機p－v圖中可以看出工質(zhì)對理論循環(huán)的影響。由于比熱容隨溫度的增加而增大，燃燒膨脹線和壓縮線(虛線所示)，分別低于理論循環(huán)的燃燒膨脹線和壓縮線(點實線)，其中燃燒膨脹線由于比熱容增加的幅度較大而導(dǎo)致下降幅度也大一些。同時，上述曲線所圍成的示功圖面積也小于理論循環(huán)的示功圖面積。二、換氣損失v 理論循環(huán)是閉式循環(huán)，沒有工質(zhì)的更換，也沒有任何形式的流動阻力損失。在實際循環(huán)中，吸入新鮮空氣與燃料，然后在合適的時候排出燃燒廢氣，這是循環(huán)過程得以周而復(fù)始進行所必不可少的。上述過程是通過換氣過程進行的。在這一過程中，為盡可能降低排氣阻力，排氣門需要提前開啟，燃氣在膨脹到下止點前從氣缸內(nèi)排出(沿b1d1線)，這將使示功圖上的有用功面積減少(圖中陰影區(qū))；在排氣和吸氣行程中，氣體在流經(jīng)進排氣管、進排氣道以及進排氣門時，不可避免地存在著流動阻力損失，也需要消耗一部分有用功。上述兩項之和稱為實際循環(huán)的換氣損失。此外，由于進氣壓力(壓縮始點壓力)pa低于大氣壓力，使整個壓縮線ac位于理論壓縮線atct的下方。三、傳熱損失 理論循環(huán)假設(shè)與工質(zhì)相接觸的氣缸壁面是絕熱的，兩者間不存在熱量的交換，因而沒有傳熱損失。實際上，缸套內(nèi)壁面、活塞頂面以及氣缸蓋底面等(統(tǒng)稱壁面)與缸內(nèi)工質(zhì)直接相接觸的表面，始終與工質(zhì)發(fā)生著熱量交換。在壓縮初期，由于壁面溫度高于工質(zhì)溫度，工質(zhì)受到加熱；隨著壓縮過程的進行，工質(zhì)的溫度在壓縮后期將超過壁面溫度，熱量將由工質(zhì)流向壁面；隨后，進入燃燒以及膨脹期，工質(zhì)連續(xù)不斷地向壁面?zhèn)鞒鰺崃俊＿@樣，與理論循環(huán)相比，示功圖上減少的有用功面積將大于壓縮線下所增加的面積，其差值即為實際循環(huán)的傳熱損失。傳熱損失的存在，使循環(huán)的熱效率和循環(huán)的指示功都有所下降，同時增加了內(nèi)燃機受熱零件的熱負荷。在圖3—2中，傳熱與流動損失的存在，使示功圖形狀如實線所示。四、燃燒損失 根據(jù)理論循環(huán)對燃燒過程的處理，燃燒是外界熱源向工質(zhì)在一定條件下的加熱過程；燃燒(加熱)速度根據(jù)加熱方式的不同而有差異，如在等容加熱條件下，熱源向工質(zhì)的加熱速度極快，可以在容積不變條件下瞬時完成；在等壓加熱條件下，加熱的速度是與活塞的運動速度相配合的，以保持缸內(nèi)壓力不變。實際的燃燒過程需要經(jīng)歷著火準備、火焰?zhèn)鞑ヅc擴散、后燃等環(huán)節(jié)，燃燒速度受到多種因素的制約，與理論循環(huán)有很大的差異，這種差異所造成的與燃燒有關(guān)的損失，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。 1. 燃燒速度的有限性 由于實際上燃料的燃燒速度是有限的，燃燒的進行需要足夠的時間，這就造成了內(nèi)燃機實際循環(huán)中的一個重要的損失——燃燒速度的有限性所形成的損失，它帶來了以下幾方面的不利影響： (1)壓縮負功增加 為了提高熱效率，必須使燃燒能夠在上止點后不久即告結(jié)束，為此就需要在上止點前提前噴入燃油或進行點火。這樣，實際的燃燒過程在上止點前就已經(jīng)開始，從而造成了壓縮負功的增加。 (2)最高壓力下降 由于傳熱損失的存在、燃燒速度的有限性以及活塞在上止點后由上行變?yōu)橄滦羞\動而使氣缸體積膨脹，使得壓力升高率明顯低于理論循環(huán)值，于是實際循環(huán)的最高壓力有所下降。 (3)初始膨脹比減小 理論循環(huán)假定全部熱量是在某一點(zt點，見圖3—2)前完全加熱(燃燒)完畢，壓力達到最大，而后進入膨脹過程；而實際的燃燒過程則由于傳熱損失、不完全燃燒、后燃以及活塞運動等因素，使初始膨脹比ρ0減小(z’z’1＜z’tzt）。 以上種種影響因素，使得實際的燃燒過程偏離理論循環(huán)的等容和等壓過程，增加了壓縮耗功，減少了膨脹有用功，最終使指示熱效率和平均指示壓力與理論循環(huán)相比均有明顯的降低。 2．后燃以及不完全燃燒損失 理論循環(huán)中認為，加熱過程結(jié)束之后即轉(zhuǎn)入絕熱膨脹過程。在實際過程中，經(jīng)常由于供油系統(tǒng)供油不及時、混合氣準備不充分、燃燒后期氧氣不足等原因而導(dǎo)致燃燒速度減緩，仍有部分燃油在氣缸壓力達到最高點后繼續(xù)進行燃燒，稱之為后燃。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及混合氣的不同情況，后燃可能持續(xù)到上止點后40176?！?0176。(CA)才結(jié)束，但也有可能一直拖延到排氣門打開之時。除此之外，還有少量燃油由于未來得及燃燒而直接排出機外，從而引起不完全燃燒損失。后燃期間，熱功轉(zhuǎn)換效率由于膨脹比小而大大降低，不完全燃燒更直接導(dǎo)致了燃料化學(xué)能的損失。 燃燒損失是一個不容忽略的損失。為了計及該損失的大小，引入燃燒效率的概念。為此，將內(nèi)燃機視為一個開口系統(tǒng)，該系統(tǒng)與周圍環(huán)境(大氣)交換熱量和機械功；由燃料和空氣組成的反應(yīng)物流入系統(tǒng)，流出系統(tǒng)的是燃燒產(chǎn)物(廢氣)。燃燒效率的定義為：燃料在該系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)燃燒反應(yīng)所釋放出的總熱量與燃料所能釋放的總能量之比。圖3—3是不同型式內(nèi)燃機的燃燒效率隨當(dāng)量燃空比的變化情況、當(dāng)量燃空比定義為混合氣的實際燃空比與該燃料化學(xué)計量燃空比之比，它是過量空氣系數(shù)的倒數(shù)。 汽油機采用稀混合氣時，其燃燒效率通常在95％98％的范圍內(nèi)；而當(dāng)混合氣加濃后，出于空氣中缺氧使燃料燃燒不完全，燃燒效率下降，且下降幅度隨混合氣的變濃而增大。 柴油機由于一直運行在混合氣較稀的狀態(tài)，其燃燒效率相對較高，大約為98％。第三節(jié) 內(nèi)燃機循環(huán)的熱力學(xué)模型 對內(nèi)燃機的熱力學(xué)過程，特別是缸內(nèi)的熱力學(xué)過程進行模擬計算，在內(nèi)燃機的研究與開發(fā)初期是非常有用的。它不僅可以預(yù)測所設(shè)計發(fā)動機的初步性能，進行多方案的比較，以期獲得最佳的設(shè)