内燃机原理第六章-燃烧的基础知识
物理九年级内燃机知识点
物理九年级内燃机知识点内燃机是一种将燃料在内部燃烧产生能量的机械装置。
它是现代社会中最重要的动力来源之一，被广泛应用于汽车、发电机以及飞机等领域。
下面将介绍物理九年级中与内燃机相关的主要知识点。
一、内燃机的工作原理内燃机主要包括四个基本部分：进气系统、压缩系统、燃烧系统和排气系统。
进气系统负责吸入空气和燃料混合物，压缩系统将混合物压缩至高压状态，燃烧系统点燃混合物，产生高温高压气体，最后通过排气系统释放燃烧产物。
二、燃烧原理内燃机主要通过燃料的燃烧来释放能量。
燃料与空气混合后，在高压状态下被点火，发生燃烧反应。
燃烧反应产生的热能将气体加热膨胀，从而驱动活塞工作。
利用连续的爆发和推动机械装置运动的过程，将热能转化为机械能。
三、燃烧反应和燃料在内燃机中，燃料主要是液体燃料（如汽油、柴油）或者气体燃料（如天然气、液化石油气）。
不同类型的燃料在燃烧过程中会有不同的反应特点和燃烧产物。
例如，柴油机燃料燃烧时会产生较多的氮氧化物和颗粒物，而汽油机燃料则会产生较多的碳氢化合物。
四、热力循环内燃机的工作过程可以通过热力循环来描述，常用的是奥托循环和迪塞尔循环。
奥托循环主要用于汽油机，其特点是在连续的四个行程中完成燃油的吸入、压缩、燃烧和排出。
而迪塞尔循环主要用于柴油机，其特点是在燃油被注入和压缩后点火燃烧。
五、效率和排放内燃机的效率是指输入输出能量的比值，通常以热效率和机械效率来衡量。
热效率是指燃料中释放的能量中转化为有效功的比例，机械效率则是指发动机输出功率与输入燃料能量之比。
此外，内燃机的排放问题也备受关注。
汽车尾气排放的二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和颗粒物等对环境和健康造成重要影响。
六、内燃机的改进和发展为了提高内燃机的效率和减少排放，科学家和工程师进行了许多改进和创新。
一些改进措施包括采用高效燃烧技术、提高燃烧效率、减少摩擦和辐射损失等。
此外，还出现了混合动力汽车和电动汽车等新型动力系统，有效地解决了内燃机在能源利用和环境保护方面的问题。
内燃机原理 各章重点内容
《内燃机原理》各章提纲及重点内容第一章绪论1、内燃机发展。
前期：1673~1680年荷兰物理学家柯.惠更斯(Christian Huygens)首先提出了真空活塞式火药燃烧的高温燃气在气缸中冷却后形成真空而带动活塞作功，在人类历史上第一次把燃气与活塞联系起来，实现了“内燃”1690年法国医生德.巴本(Deni Papin)，采用相当于真空原理用水蒸气作功质的活塞式发动机，成为近代蒸汽机的直接祖先。
1705~1711年英国人纽卡姆(New Comen)制成了矿井用直立气缸密封式活塞、缸|内水冷却的真空式蒸汽机，热效率不到1%。
| 1776年英国人瓦特(Watt) 改良了纽卡姆蒸汽机，发明了水汽分离冷凝器，大大完善了蒸汽机，热效率达3%，开始了蒸汽时代，掀起了第一次工业革命浪潮。
1794年英国人罗伯特.斯却里塔(RobertSteet)提出了燃用松节油或柏油的内燃机原理，首次提出燃料与空气混合的原理。
1799年法国化学家莱蓬(Lebon) 建议采用照明煤气作燃料并用电火花点火。
| 1820年英国人塞歇尔(W . Cecil) 用氢煤气作燃料,使内燃机以60+/ min转动起来。
1833年英国人莱特(WL. Weight)提出“爆发” 发动机，摆脱了真空发动机的影响，直接利用燃烧压力推动活塞作功。
1857年意大利恩.巴尔桑奇(Engenio Bersanti)和马特依西(Matteucci) 制成自由活塞发动机，第一次实现了爆发作功。
1860年法国人兰诺(Lenoir) 研制成功第一台实用的二冲程、无压缩、电火花点火的煤气机。
1862年法国工程师包.德.罗沙(Beau de Rochas)第一次提出了近代发动机等容燃烧的四冲程循环原理。
诞生：1876年Nikolaus August Otto发明了世界第一台四冲程煤气机。
1886年Benz和Daimlet按Otto的四冲程原理，造出第一台车用汽油机。
1886年Benz和Daimler将发明的汽油机用在车.上，发明了第一部汽车。
内燃机原理内燃机的燃烧
曲轴
将活塞的直线运动转化为旋转 运动，并输出功率。
内燃机的应用和发展趋势
内燃机广泛应用于汽车、飞机、船舶等交通工具，同时也在发电和工业领域 中发挥着重要作用。未来的发展趋势包括电动化、节能技术和可再生能源的 应用。
总结和展望
内燃机作为一种高效、可靠的动力装置，在社会发展中起着重要作用。随着 技术的不断进步，内燃机将继续适应新的需求，并为我们的生活创造更多可 能。
循环过程和效率
四冲程循环
进气、压缩、爆发、排气的四个过程交替进行，形成循环。
热效率
内燃机的热效率是指输出的有用功与燃料输入的热能之间的比值。
提高效率
使用先进的喷射技术、增压系统和废气回收技术可以提高内燃机的效率。
Байду номын сангаас
主要部件的功能和结构
活塞
将高温高压气体的能量转化为 直线运动功。
缸盖
密闭燃烧室，承受燃烧过程的 高温高压。
3
点燃过程
燃料与空气混合后，在火花塞点火的 作用下燃烧，产生爆发力推动活塞。
高温高压气体
燃烧产生的高温高压气体通过扩容和 排气过程释放能量。
点燃方式和燃料种类
火花塞点火
使用火花塞将点火能量传递到 燃料混合物，引发燃烧反应。
燃料喷射系统
通过喷射器将燃料雾化并喷入 燃烧室，提高燃烧效率。
柴油喷嘴
使用高压喷嘴将柴油喷射到压 缩空气中，在高温高压下点燃。
内燃机原理内燃机的燃烧
内燃机是一种高效且广泛应用的发动机类型。它的燃烧过程和传热特性、循 环过程和效率都是实现动力转化的关键。
内燃机的工作原理
内燃机利用可燃物质在密闭燃烧室中的燃烧产生的高温高压气体推动活塞运 动，从而产生功率。
九年级物理内燃机知识点
九年级物理内燃机知识点
九年级物理学习中，内燃机是一个重要的知识点。
以下是九年级物理内燃机的一些主
要知识点：
1. 内燃机的概念：内燃机是一种将燃料燃烧产生的热能直接转化为机械能的热机，燃
料在密闭燃烧室中燃烧产生高温高压气体，通过活塞的往复运动转化为机械能。
2. 内燃机的分类：内燃机可分为汽油机和柴油机两种类型。
汽油机使用汽油作为燃料，而柴油机使用柴油作为燃料。
3. 内燃机的工作循环：内燃机工作循环包括吸气、压缩、燃烧推进和排气四个过程。
吸气阶段，活塞从缸底部往上移动，将外部空气吸入燃烧室；压缩阶段，活塞向下运
动将空气压缩；燃烧推进阶段，燃料喷入燃烧室并点燃，燃烧产生的高温高压气体推
动活塞向下运动；排气阶段，活塞再次上升，将废气排出。
4. 内燃机的构造部分：内燃机主要包括缸体、活塞、曲轴、连杆、气门和点火系统等
部件。
5. 内燃机的性能参数：内燃机的性能参数包括功率、转速、扭矩和热效率等。
功率表
示单位时间内所做的功，转速表示活塞往复运动的频率，扭矩表示内燃机输出的转矩
大小，热效率表示燃料转化为有用功的比例。
6. 内燃机的应用：内燃机广泛应用于汽车、摩托车、机械设备等领域，是现代工业和
交通运输的重要动力来源。
以上是九年级物理学习中关于内燃机的一些基本知识点，学习这些知识可以帮助理解
内燃机的工作原理和应用。
初三物理内燃机知识点总结归纳
初三物理内燃机知识点总结归纳内燃机是一种将化学能转化为机械能的装置，广泛应用于交通运输、发电和农业等领域。
作为初中物理的一部分，学习内燃机的原理和工作过程以及其相关知识点，有助于我们理解能源转化和机械原理。
本文将对初三物理内燃机知识点进行总结归纳。
一、内燃机的基本原理内燃机分为两类：汽油发动机和柴油发动机。
无论是哪种类型的内燃机，其基本原理都是通过燃烧燃料使气体膨胀从而驱动活塞运动，达到能量转化的目的。
二、内燃机的工作过程内燃机的工作过程分为四个步骤：进气、压缩、燃烧和排出废气。
在进气阶段，活塞下降，气缸内充满了混合气或直接进气。
在压缩阶段，活塞向上移动，将气体压缩至更小的体积。
在燃烧阶段，利用电火花（汽油发动机）或高温（柴油发动机）点燃燃料，使混合气燃烧。
在排出废气阶段，活塞再次向上移动，将废气排出。
三、汽油发动机的工作原理汽油发动机采用火花塞点火进行燃烧。
点火由点火系统中的火花塞完成，它通过电流产生火花并点燃混合气。
汽油发动机通常采用四冲程循环，即在活塞运动过程中进行吸气、压缩、燃烧和排气。
四、柴油发动机的工作原理柴油发动机采用压燃点火进行燃烧。
在压缩过程中，柴油燃料被压缩到足够高的温度，从而点燃燃料。
与汽油发动机不同，柴油发动机不需要火花塞。
五、内燃机的热效率内燃机的热效率是指其能量转换效率。
由于内燃机有燃烧损失和机械损失等，其热效率通常较低。
为了提高内燃机的热效率，可以采取一些措施，如增加压缩比、提高燃烧效率和减少摩擦损失等。
六、内燃机的应用内燃机广泛应用于汽车、船舶、飞机、发电站等领域。
不同类型的内燃机适用于不同的应用场景。
例如，汽油发动机适用于小型车辆和轻型飞机，而柴油发动机适用于大型车辆和船舶。
七、内燃机的环保问题尽管内燃机在能量转化方面非常高效，但其燃烧过程会产生废气和有害物质。
这对环境造成了不良影响。
为了减少内燃机的环境污染，人们研究和使用了一系列的排放控制技术，例如催化剂和尾气再循环。
内燃机原理内燃机的燃烧
（4）气缸盖温度上升。
注意：
（1）当发生轻微爆燃时，一般听不到金属敲击声， 其热效率还有所提高；
（2）从循环热效率考虑，最佳点火提前角是不发出 敲击声的轻微爆燃位置，但在实际工作中难于掌握和 控制。
1、爆燃及其危害
（1）压力曲线出现高频大振 幅波动；
H
2O
热4－1
如果反应利用空气进行，其燃烧反应方程式可写 成如下形式：
CnHm
n
m 4
O2
3.76 n
m 4
N
2
nCO2
m 2
H
2O
3.76
n
m 4
N
2
热4－2
三、燃烧所需空气量
1、早燃现象
汽油机早燃特征：
早燃的外部表现与爆燃相似，不仅有强烈的敲缸 声（较沉闷），而且压力升高率较大，使压缩行程末 期的负功很大并增加了发动机机件的负荷，从而引起 活塞、连杆的损坏以及气门、火花塞、活塞的过热。
早燃与爆燃两种不正常燃烧现象的比较：
1、汽油的平均组成为C＝0.856kg，H＝0.144kg，可 用C8H18近似表示，完全燃烧所需的理论空气量为：
14.80kg(空气)/kg(汽油) 11.45m3(空气)/kg(汽油) 2、柴油的平均组成为C＝0.875kg，H＝0.125kg，可 用C16H34近似表示，完全燃烧所需的理论空气量为：
1）燃料的影响： a、燃料形成沉积物的能力； b、混合气抵抗点燃的能力。
2）结构型式和运转条件的影响：
内燃机原理第六章 燃烧的基础知识
作用于液滴表面张力
We
液滴张力
a d0 u2
a —周围空气密度，kg/m3；
u —气液两相间的相对速度，m/s；
—液体表面张力，N/m；
d0 —液滴直径，m。
We
破碎可能性 汽、柴油：Wec 10 ~ 14
液滴最大直径：d 0 m a x
Wec a u2
强化燃料雾化的方法：
提高燃烧室内的空气压力——增大周围空气密度； 提高燃料喷射压力——增大液滴的相对速度；
一、湍流（紊流，Turbulence）定义 流速大小和方向无规则变化的微元气体流动。
湍流影像
进气流场
压缩湍动能
二、湍流特征参数 ➢湍流强度
脉动速度uT 瞬时速度u
平均速度U
速度
曲轴 转角
ICE在第i个循环、曲轴转角为 φ时的瞬时湍流速度：
u(,i) U (,i) uT (,i)
集总平均速度：
➢高能点火可以拓宽着火极限
二、火焰的传播
已燃气体
火花
火焰前锋面
vL
气缸 未燃气体
火焰层厚度
未燃气体
预热区
反应区 已燃气体
混合气浓度
混合气温度
反应速度
燃烧速率：
dm dt
vL
FL
m
m —混合气质量 FL —火焰前锋表面积 m —混合气密度
燃烧放热速率：
dQB dt
vL FL m Hum
甲醇
提高燃烧室内空气温度——减小液滴表面张力。
一、喷雾特性
贯穿距离
喷雾特性 喷雾锥角
➢贯穿距离
喷雾粒径
要求：足够的距离，穿过火焰，防止“火包油”
孔式喷油器贯穿距离计算方法：
内燃机原理(简)
1、循环特征参数 、 （2） 压力升高比 λ = ）
（1） 压缩比 ）
p p
3 2
v1 ε = v2
ρ =
k
（3）初始膨胀比 ）
v4 v3
2.、热效率 、
η
it
= 1 −
1
ε
k −1
⋅
− 1 ( λ − 1) + k λ ( ρ − 1)
一、指示功和平均指示压力
1、指示功（或循环指示功） 指示功（或循环指示功）
在气缸完成一个循环， 在气缸完成一个循环，工质对活 塞所做的功， 表示。 塞所做的功，用Wi（J）表示。
2、平均指示压力Pmi 、平均指示压力
1）定义：发动机单位气缸工作容积每循环做的指 ）定义： 示功。 示功。 Pmi=Wi/Vh (kPa) 2）作用：评价发动机工作循环的动力性。 ）作用：评价发动机工作循环的动力性。
↓=>发动机功率 发动机功率↓ 但P0↓(To↑)=>ρ0↓=>ma↓=>发动机功率↓。
2、结构因素 、
(1)进气系统 进气系统
一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、 一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力， 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以增大 进气终了的压力，提高充量系数。 进气终了的压力，提高充量系数。 试验证明，增大进气终了压力比降低残余废气系 试验证明， 数对充量系数的影响大， 数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。
B:每小时的油耗量, kg/h］ 有效功率[kW] B:每小时的油耗量,［kg/h］ Pe:有效功率[kW] 每小时的油耗量
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一、燃烧现象
燃烧过程（氧化过程）—着火阶段+燃烧阶段 ➢着火阶段 可燃混合气在一定压力、温度和浓度
反应速度
下，氧化反应突然加速，并出现火焰
的现象。 着火阶段——滞燃期
➢燃烧阶段
燃烧
滞燃期 i
着火后燃料与氧化剂剧烈放热的氧化反应。
ICE属周期性非稳定燃烧过程，燃烧持续期10-20ms, 着火过程只有0.3-0.03ms，滞燃期对性能影响大。
二、燃烧分类
固相燃烧：氧化剂在燃料表面的氧化反应
燃烧
预混合燃烧：燃料与氧化剂按一定比例混合
气相燃烧
扩散燃烧： 燃料与氧化剂彼此分离
层流预混合燃烧
层流扩散燃烧
紊流扩散燃烧
着火延迟
火焰按准球面传播
SI-ICE燃烧
油束外围燃烧
多区域同时着火燃烧
CI-ICE燃烧
HCCI（柴油）燃烧
两种燃烧方式对比
燃烧速度 混合气浓度 裂解
火花点火过程和湍流火焰 四、液体燃料的雾化和喷雾特性 五、油滴的蒸发和燃烧
单个油滴和油滴群的蒸发和燃烧 六、燃烧放热规律
放热速率和累积放热率
高电压（300～500V），低电流，温度3000K。 ➢火核形成
（二）点火能量 Eb Eb 30 ~ 50 mJ
过大
电极间隙 Sb 过小
Eb 50 mJ——高能点火
极间混合气多
Eb 大
电极散热快
Eb 大
Sbopt
Sb 0.6 ~ 0.8 mm
➢a 1.0 时，Eb 最小
➢每个 Eb 存在混合气的浓稀极限
作用于液滴表面张力
We
液滴张力
a d0 u2
a —周围空气密度，kg/m3；
u —气液两相间的相对速度，m/s；
—液体表面张力，N/m；
d0 —液滴直径，m。
We
破碎可能性 汽、柴油：Wec 10 ~ 14
液滴最大直径：d 0 m a x
Wec a u2
液柱开始分裂时间: tb
燃烧放热速率=瞬时放热速率
QB Q Qw U W Qw
dQB dQ dQw
d d d
dQBdBiblioteka 1 (V k 1dp
d
k
p dV ) pV
d (k 1)2
dk
d
t
Fw T
Tw
三、累积放热率
从放热始点到某一时刻已放出的热量占全部总热量的比率。
XQ
b dQB 100% b dQB 100%
油束核心
100 ～ 400m/s
喷雾锥角
雾化区
β
0.12ms
0.38ms
0.63ms
柴油喷射压力：20～200MPa
空气卷入
➢液滴破碎及影响因素
液体压力形 成的推进力
飞行方向
空气阻力
重力
外力：推进力、空气阻力、重力 内力：表面张力、内摩擦力（粘度）
外力>内力
液滴破碎准则——维泊数（Weber）:
0 t tb 时：
1
LP
0.39
2(
p
j
b
pc )
2
t
t tb 时:
1
LP
2.95
p j pc
a
4
d
0
t
1 2
tb 28.65 b d0 a p j pc
1 2
贯穿距离/mm
喷油背压pc=2.0MPa
□喷油压力pj=15.0MPa ○喷油压力pj=10.0MPa △喷油压力pj=7.0MPa 喷油开始后时间/ms
Re 2300 Re 2300 ~ 6000 Re 6000
层流火焰 湍流火焰 强湍流火焰
vL 1 m/s vL Re vLRe
火焰前锋面
已燃 气体
未燃 气体
层流火焰
湍流火焰
强湍流火焰
SI-ICE燃烧
一、液体燃料的雾化和扩散燃烧
喷油器
➢液体燃料的雾化过程
液柱阶段 喷雾过程
分裂雾化阶段
汽油多孔喷射的高速摄影 （压力：10MPa）
三、烃燃料的链式着火
着火界限
高温单阶段着火
着火半岛
600K 低温多阶段着火
低温多阶段着火
蓝焰
热焰
冷焰诱导
冷焰
➢低温多阶段着火
冷焰诱导阶段
CnHm 冷焰阶段
ROOH 蓝焰阶段
低温氧化反应 ROOH+C2H4O（乙醛） HCHO（甲醛） HCHO发出低辉度冷焰
HCHO
CO
CO
CO2
➢高温单阶段着火
K
fv
4qm
d 0
f
qm —蒸气向外对流量
“火包油”，燃料裂解严重
T a
r
火焰前锋
油滴
Cf
Co
Tf
T0
Ta
➢强迫气流中液滴的蒸发
火焰前锋
火焰前锋
混合气区偏移 火焰前锋
混合气区分离
液滴
液滴
混合气区
液滴
混合气区
无气流速度
混合气区
u1
与气流有相对速度
u1 ucT
相对速度大于临界值
静止气流， 扩散燃烧特征，高温缺氧燃烧，易生碳烟； 强迫气流，存在预混合燃烧特征，气流强，碳烟生成少。
➢高能点火可以拓宽着火极限
二、火焰的传播
已燃气体
火花
火焰前锋面
vL
气缸 未燃气体
火焰层厚度
未燃气体
预热区
反应区 已燃气体
混合气浓度
混合气温度
反应速度
燃烧速率：
dm dt
vL
FL
m
m —混合气质量 FL —火焰前锋表面积 m —混合气密度
燃烧放热速率：
dQB dt
vL FL m Hum
甲醇
1、复习两个气体燃料燃烧理论—热着火和链式着火理论； 2、掌握ICE的燃烧方式； 3、掌握湍流强度表达方式和对ICE燃烧的影响； 4、了解SI-ICE的火花点火过程和影响因素； 5、掌握喷油器的喷油过程和喷雾特性； 6、掌握影响雾化质量的因素； 7、了解示功图的测量过程； 8、掌握燃烧放热速率和累积放热率的概念。
CO发出高辉度冷焰（蓝焰） 形成热焰，着火
温度高，由蓝焰直接进入热焰，完成着火
ICE着火燃烧
SI-ICE 高温单阶段着火的预混合燃烧
低温多阶段着火的预混合燃烧
CI-ICE 高温单阶段着火的扩散燃烧
爆燃 HCCI
低温多阶段着火的预混合燃烧 低温多阶段着火的预混合燃烧
着火过程属于非常复杂的“化学反应动力学”过程 存在许多未知领域
U EA ()
1 N
N
u( , i)
i 1
湍流强度： UT,EA ()
➢湍动能
1 N
N i 1
uT (,i) 2
单位质量微元体湍流速度的涨落均方差。
KT
1 2
uT2
三、湍流对燃烧的影响
湍流可以强化传热传质过程，既而促进燃油与空气的
混合，提高燃烧速度。
一、火花点火过程 （一）火花点火过程（理论不成熟） ➢击穿阶段（10ns） 10～35kV的高压击穿火花塞间隙，形成离子通道， 温度60000K，压力十几兆帕，电流200A。 ➢电弧放电阶段（100μs） 低电压（10～100V），高电流，温度6000K。 积累能量 ➢辉光放电阶段（ms）
➢油束及油滴群 的蒸发与燃烧
着火区域
着火区域宽
喷油器 油束核心 涡流
浓度分布
无涡流 着火区域
d 10 μm ——蓝色火焰，油滴快速蒸发，形成预混合燃烧 d 10 ~ 40 μm——蓝色火焰中黄白亮点，预混合+扩散燃烧 d 40 μm——黄白亮光火焰，扩散燃烧
良好的喷雾特性，是降低CI-ICE排烟的基本手段
pc 3.0MPa
喷油压力/MPa
d0 0.4mm
柴油 背压：3.0MPa 喷孔长径比：4.0
d0 0.3mm
d0 0.1mm
喷油压力/MPa
高压喷射、小喷孔、高背压、低粘度，均会提高雾化质量
一、单个油滴的蒸发与燃烧
➢静止空气中液滴的蒸发与燃烧
完全蒸发时间：
T fv
d02 K fv
蒸发常数：
Premixed Combustion
Diffusion Combustion
化学反应速度 混合速度
0.8～1.2 1.28～6.8
无PM 有PM
Spark Plug
Fuel Injector
火焰 无焰 有焰
回火 有 无
Hot Flam Region —NOx
Hot Flam Region
—NOx+PM
喷油持续期内的贯穿距离 贯穿率=
喷孔至燃烧室壁面的距离
要求
静止或涡流较弱时，贯穿率应小于1 强涡流时，贯穿率应大于1
➢喷雾锥角 孔式喷油器：
0.05
pj
pc a a2
d02
0.25
pj a d0
轴针式喷油器：由轴针前端形状决定
柴油 喷孔直径：0.3mm
pc 0.1MPa pc 1.0MPa
QBO
gb Hu
X = 5%： 着火阶段结束
X = 50%： 前期燃烧结束
曲轴转角
X = 95%： 主要燃烧过程结束
燃烧放热速率特征值：始点、形状、峰值、持续期
一、燃烧的基础知识现象 燃烧过程；燃烧分类；着火半岛；ICE不同的燃烧方式
二、湍流及其在燃烧中的作用 湍流强度的概念
三、均质混合气的火焰传播
烃燃料层流燃烧
a 0.9 时，燃烧速度最快 vL