第四章 燃料与燃烧化学

1、第四章第四章 燃料与燃烧化学燃料与燃烧化学 主要内容主要内容 第一节第一节 发动机的燃料发动机的燃料 第二节第二节 代用燃料及其应用（自学）代用燃料及其应用（自学） 第三节第三节 燃烧化学燃烧化学 第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论 第一节第一节 发动机的燃料发动机的燃料 内燃机燃料工质影响热效率、输出动力、内燃机燃料工质影响热效率、输出动力、 混合气的形成方式、燃烧模式、负荷调节方混合气的形成方式、燃烧模式、负荷调节方 式、有害排放等。式、有害排放等。 内燃机的燃料内燃机的燃料 ENGINE FUELSENGINE FUELS 1 1、石油基液体燃料、石油基液体燃料 汽油和柴油汽油和

2、柴油 2 2、内燃机的替代燃料、内燃机的替代燃料 汽油与柴油汽油与柴油 Gasoline and DieselGasoline and Diesel 柴油：柴油： 轻柴油的碳原子数在轻柴油的碳原子数在1022之间，之间， 平均相对分子量在平均相对分子量在170左右。左右。 汽油：汽油： 汽油中烃类的碳原子数一般在汽油中烃类的碳原子数一般在512之间，之间， 平均相对分子量在平均相对分子量在110左右左右 n汽油汽油 n柴油柴油 汽油与柴油的燃料特性汽油与柴油的燃料特性 Fuel PropertiesFuel Properties 挥发性挥发性 抗爆性抗爆性 自燃性自燃性 低温流动性低温流动性

3、汽油的主要性能有：汽油的主要性能有：抗爆性、抗爆性、蒸发性蒸发性、 氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。 一、汽油一、汽油 1、抗爆性、抗爆性 汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧是指汽油在发动机气缸内燃烧 时抵抗爆燃的能力。时抵抗爆燃的能力。 汽油的抗爆性用汽油的抗爆性用来表示。辛烷值越高，来表示。辛烷值越高， 其抗爆性越好。其抗爆性越好。 汽油的辛烷值汽油的辛烷值 在规定条件下在规定条件下,被测定汽油和标准燃料（异辛被测定汽油和标准燃料（异辛 烷和正庚烷）进行比较，烷和正庚烷）进行比较，异辛烷的辛烷值为异辛烷的辛烷值为 100100，正庚烷的辛烷值为，

4、正庚烷的辛烷值为0 0。当被测定汽油的。当被测定汽油的 爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃 强度相同时，标准混合液中所含异辛烷的体强度相同时，标准混合液中所含异辛烷的体 积百分比，即为所试油料的辛烷值。积百分比，即为所试油料的辛烷值。 汽油抗爆性评定汽油抗爆性评定 Octane Number RatingOctane Number Rating 研究法辛烷值研究法辛烷值(RON)(RON) 在单缸试验机下测定。进气温度在单缸试验机下测定。进气温度51.751.7 C C，冷却水温度，冷却水温度 100100 C C，转速，转速600 r/min600

5、r/min，混合气不预热，点火提前角为，混合气不预热，点火提前角为 1313 CACA，试验时调整到爆燃最强。，试验时调整到爆燃最强。 在单缸试验机下测定。马达法的试验工况规定为：转速在单缸试验机下测定。马达法的试验工况规定为：转速 900 r/min900 r/min，冷却水温度，冷却水温度100100 C C，混合气温度，混合气温度149149 C C，点火提，点火提 前角为前角为1414 2626 CACA，试验时调整到爆燃最强。试验时调整到爆燃最强。 马达法规定的实验转速及混合气温度比研究法的高，所马达法规定的实验转速及混合气温度比研究法的高，所 以马达法测出的辛烷值比研究法测出的辛烷

6、值低。实际中以马达法测出的辛烷值比研究法测出的辛烷值低。实际中 常用常用RON值作为汽油的标号。值作为汽油的标号。 马达法辛烷值马达法辛烷值(MON)(MON) 测定汽油的辛烷值测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用的为马达法有不同的试验方法，常用的为马达法 （MON）与研究法）与研究法（RON） 。 燃料的灵敏度燃料的灵敏度= RON - MON 抗爆指数抗爆指数= (RONMON) / 2 抗暴指数也是评价燃料抗爆性的一种指标。抗暴指数也是评价燃料抗爆性的一种指标。 表示对工况的敏感性和适应能力，即燃料对发动表示对工况的敏感性和适应能力，即燃料对发动 机运转工况强化（点火提前角加大，进气温

7、度提高机运转工况强化（点火提前角加大，进气温度提高 等）后出现爆燃的相对敏感程度。灵敏度为正时，等）后出现爆燃的相对敏感程度。灵敏度为正时， 被测试燃料比参比燃料更敏感；为负则反之。被测试燃料比参比燃料更敏感；为负则反之。 道路辛烷值道路辛烷值 Road Octane NumberRoad Octane Number 有时，人们也采用道路辛烷值来评价抗爆性。它是在实有时，人们也采用道路辛烷值来评价抗爆性。它是在实 际发动机上标定，用不同辛烷值的标准燃料与待测汽油，际发动机上标定，用不同辛烷值的标准燃料与待测汽油， 在汽车行驶过程中进行抗爆性的对比试验。在汽车行驶过程中进行抗爆性的对比试验。 抗

8、爆添加剂抗爆添加剂 Octane Number Improver Octane Number Improver 四乙基铅（乙基液）四乙基铅（乙基液） 甲基叔丁基醚（甲基叔丁基醚（MTBEMTBE）、乙基叔丁基醚（）、乙基叔丁基醚（ETBEETBE）、）、 叔丁醇、甲醇、乙醇等叔丁醇、甲醇、乙醇等 MTBEMTBE有一定毒性。有一定毒性。美国已禁止使用，亚洲和欧洲目美国已禁止使用，亚洲和欧洲目 前仍在使用，我国目前车用无铅汽油辛烷值改进剂主前仍在使用，我国目前车用无铅汽油辛烷值改进剂主 要使用要使用MTBEMTBE。 石油炼制方法不同，辛烷值也有差别石油炼制方法不同，辛烷值也有差别 2 2、蒸发

9、性、蒸发性 液态汽油汽化的难易程度称为汽油的液态汽油汽化的难易程度称为汽油的蒸发性蒸发性。 汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具 有有良好的蒸发性良好的蒸发性。但蒸发性也不能太强，否则易形。但蒸发性也不能太强，否则易形 成供油系成供油系“气阻气阻”，甚至发生供油中断现象。，甚至发生供油中断现象。 蒸发性很弱的汽油，难以形成良好的混合气，这样蒸发性很弱的汽油，难以形成良好的混合气，这样 不仅会造成发动机起动困难、加速缓慢，而且未气不仅会造成发动机起动困难、加速缓慢，而且未气 化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳定，油耗上升。化的悬浮油粒还会使发动机

10、工作不稳定，油耗上升。 如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还会破坏润滑如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还会破坏润滑 油膜，甚至窜入曲轴箱稀释润滑油，从而使发动机油膜，甚至窜入曲轴箱稀释润滑油，从而使发动机 润滑遭破坏，造成机件磨损增大。润滑遭破坏，造成机件磨损增大。 汽油的蒸发性用汽油蒸发量为汽油的蒸发性用汽油蒸发量为10、50、 90和和100时所对应的温度来评定。时所对应的温度来评定。 用用10馏出温度低，汽油的起动品质越好。馏出温度低，汽油的起动品质越好。 50馏出温度低，说明汽油的中间馏分容易馏出温度低，说明汽油的中间馏分容易 蒸发，有利于汽油机的加速和由冷的状态很蒸发，有利于汽油机的加

11、速和由冷的状态很 快转入工作状态。快转入工作状态。 90馏出温度高，表明汽油中不易蒸发的重馏出温度高，表明汽油中不易蒸发的重 质含量多。汽油中这些重质成分在混合气形质含量多。汽油中这些重质成分在混合气形 成的过程中很难蒸发，它们附着在进气管和成的过程中很难蒸发，它们附着在进气管和 气缸壁上，将增加燃油消耗、稀释气缸壁上气缸壁上，将增加燃油消耗、稀释气缸壁上 的润滑油和加大气缸磨损。的润滑油和加大气缸磨损。 3 3、氧化安定性氧化安定性 汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质 不发生长久性变化的能力称为不发生长久性变化的能力称为氧化安定性氧化安定性。 汽油氧化安

12、定性直接影响汽油的储存、运汽油氧化安定性直接影响汽油的储存、运 输和在发动机上的应用。安定性不好的汽输和在发动机上的应用。安定性不好的汽 油，易发生氧化、缩合和聚合反应，生成油，易发生氧化、缩合和聚合反应，生成 酸性物质和胶状物质，将导致燃料供应系酸性物质和胶状物质，将导致燃料供应系 统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良，统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良， 增大爆燃倾向。增大爆燃倾向。 4 4、清净性、清净性 汽油中的不稳定化合物，例如不饱和烯烃汽油中的不稳定化合物，例如不饱和烯烃 和二烯烃，以及添加剂带入的低分子量化和二烯烃，以及添加剂带入的低分子量化 合物等，容易在喷嘴和进气门上积炭。合物

13、等，容易在喷嘴和进气门上积炭。 解决办法是加入汽油清净剂，发挥其抗氧解决办法是加入汽油清净剂，发挥其抗氧 化和表面活性作用，这也是机内净化的手化和表面活性作用，这也是机内净化的手 段。段。 5 5、汽油规格汽油规格 我国目前有两种规格，一种是车用汽油的我国目前有两种规格，一种是车用汽油的 国家标准（国家标准（GB 1793-1999），一种是无铅），一种是无铅 汽油的行业标准。汽油的行业标准。 我国的无铅车用汽油国家标准见表我国的无铅车用汽油国家标准见表4-1。 未来的规范是依据排放要求来制定。未来的规范是依据排放要求来制定。 二、柴油二、柴油 汽车用柴油为轻柴油。汽车用柴油为轻柴油。 1、柴

14、油的自燃性、柴油的自燃性 柴油的自燃性柴油的自燃性: 柴油在没有外界火源的情况柴油在没有外界火源的情况 下能自行着火的能力。下能自行着火的能力。 自燃点：自燃点：自行着火的最低温度。自行着火的最低温度。 柴油的自燃性好，着火延迟期短，在着火延柴油的自燃性好，着火延迟期短，在着火延 迟期内气缸中形成的可燃混合气量少，着火迟期内气缸中形成的可燃混合气量少，着火 后缸内压力升高率低，柴油机工作较柔和，后缸内压力升高率低，柴油机工作较柔和， 在低温时易于起动。在低温时易于起动。 十六烷值十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。是评定柴油自燃性好坏的指标。 柴油的十六烷值：柴油的十六烷值：标准燃料是正十六烷

15、和标准燃料是正十六烷和 一甲基萘的混合物。正十六烷自燃性最一甲基萘的混合物。正十六烷自燃性最 好，作为自燃性好的标准，其十六烷值定好，作为自燃性好的标准，其十六烷值定 为为100。 一甲基萘最不易自燃，作为自燃一甲基萘最不易自燃，作为自燃 性差的标准，定其十六烷值为性差的标准，定其十六烷值为0。柴油的自。柴油的自 燃性通常介于正十六烷与燃性通常介于正十六烷与一甲基萘之间。一甲基萘之间。 将上述两种成分按不同比例混合，可得出将上述两种成分按不同比例混合，可得出 不同十六烷值的标准燃料，其十六烷值为不同十六烷值的标准燃料，其十六烷值为 该混合物中正十六烷所占的体积百分数。该混合物中正十六烷所占的体

16、积百分数。 如果某种柴油与某种标准燃料的自燃性相如果某种柴油与某种标准燃料的自燃性相 同，则该标准燃料的十六烷值即为该柴油同，则该标准燃料的十六烷值即为该柴油 的十六烷值。的十六烷值。 十六烷值过高或过低的柴油，都对柴油机的性能或十六烷值过高或过低的柴油，都对柴油机的性能或 工作不利。工作不利。十六烷值过低，不易着火，柴油机工作十六烷值过低，不易着火，柴油机工作 不稳定、粗暴，起动困难。十六烷值过高，喷入燃不稳定、粗暴，起动困难。十六烷值过高，喷入燃 烧室的柴油来不及与空气混合就着火，燃烧不完全，烧室的柴油来不及与空气混合就着火，燃烧不完全， 冒黑烟，经济性降低。冒黑烟，经济性降低。 国产柴油

17、的十六烷值规定为国产柴油的十六烷值规定为4065之间。之间。 十六烷值与辛烷值是相逆的评价指标，十六烷值是十六烷值与辛烷值是相逆的评价指标，十六烷值是 表征自燃性，辛烷值是表征抗自燃性。两者的大致表征自燃性，辛烷值是表征抗自燃性。两者的大致 关系：辛烷值关系：辛烷值=120-2十六烷值十六烷值 2、柴油的、柴油的蒸发性蒸发性 柴油的蒸发性影响滞燃期内柴油的蒸发量及柴油的蒸发性影响滞燃期内柴油的蒸发量及 燃烧的完全程度，用燃烧的完全程度，用馏程馏程表示。表示。 馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处 的温度，通常以馏出的温度，通常以馏出50的温度来评定。馏的

18、温度来评定。馏 程低，说明这种燃料轻馏分多，蒸发性好，程低，说明这种燃料轻馏分多，蒸发性好， 有利于混合气形成，改善了燃烧过程。但是，有利于混合气形成，改善了燃烧过程。但是， 馏程过低，燃料蒸发过快，则在着火延迟期馏程过低，燃料蒸发过快，则在着火延迟期 内形成的混合气量过多，柴油机工作粗暴。内形成的混合气量过多，柴油机工作粗暴。 车用柴油机的柴油馏程为车用柴油机的柴油馏程为200300。 如果柴油中的难以蒸发的重馏分（重质如果柴油中的难以蒸发的重馏分（重质 成分）（用成分）（用90%90%或或95%95%馏出温度表示）过馏出温度表示）过 多，直接导致燃料不能及时和完全燃烧，多，直接导致燃料不能

19、及时和完全燃烧， 且易排气冒烟。且易排气冒烟。 因此，要求柴油的因此，要求柴油的50%50%馏出温度适宜，馏出温度适宜， 90%90%馏出温度和馏出温度和95%95%馏出温度应比较低。馏出温度应比较低。 3、柴油的、柴油的粘度粘度 粘度表示燃料分子的内聚力，表现为抵粘度表示燃料分子的内聚力，表现为抵 抗分子间相对运动的能力，柴油的粘度抗分子间相对运动的能力，柴油的粘度 决定柴油的流动性。决定柴油的流动性。 粘度低，流动性增强，粘度低，流动性增强，雾雾化性好；过化性好；过 低，容易泄漏进入气缸；过高，滤清困低，容易泄漏进入气缸；过高，滤清困 难，喷雾不良，流动阻力增大。难，喷雾不良，流动阻力增大

20、。 u凝点：指柴油冷却到开始失去流动性的温度，凝点：指柴油冷却到开始失去流动性的温度， 是评价柴油低温流动性的指标。是评价柴油低温流动性的指标。 u国产轻柴油的牌号以凝点大小编号。如国产轻柴油的牌号以凝点大小编号。如10号号 轻柴油的凝点为轻柴油的凝点为10。 好的柴油凝点低。好的柴油凝点低。 u选用柴油时，其凝点要比最低环境温度低选用柴油时，其凝点要比最低环境温度低3 5。见表见表 4 4、柴油的、柴油的凝点凝点 轻柴油的选用轻柴油的选用 牌号牌号适用范围适用范围 10号号有预热设备的柴油机有预热设备的柴油机 5号号气温在气温在8 OC以上地区以上地区 0号号气温在气温在4 OC以上地区以上

21、地区 10号号气温在气温在5 OC以上地区以上地区 20号号气温在气温在14 OC以上地区以上地区 35号号气温在气温在29 OC以上地区以上地区 50号号气温在气温在44OC以上地区以上地区 燃料特性燃料特性汽油汽油柴油柴油 化学计量空燃比化学计量空燃比14.814.814.314.3 低热值，低热值，kJ/kgkJ/kg43960439604250042500 混合气热值混合气热值,kJ/Nm,kJ/Nm3 33810381037893789 液体密度，液体密度，kg/mkg/m3 3750750860860 沸点，沸点，K K305305483483453453603603 凝固点，凝固

22、点，K K216216272.5272.5 粘度粘度(cP293K)(cP293K)3.43.44040 汽化潜热，汽化潜热，kJ/kgkJ/kg314314301301 辛烷值辛烷值8080979720203030 十六烷值十六烷值1010151540405555 着火界限着火界限 ( (空气中容积比，空气中容积比，%)%) 1.41.47.67.61.51.57.67.6 自燃温度，自燃温度，K K49349353333473473493493 汽柴油的理化特性汽柴油的理化特性 Fuel Properties Comparison Fuel Properties Comparison 第二

23、节第二节 代用燃料及其应用代用燃料及其应用 代用燃料代用燃料 按按 物物 态态 气体代用燃料：天然气、液化石天然气、液化石油油气、气、 氢气、煤气、煤层气、氢气、煤气、煤层气、 沼气沼气等 液体代用燃料：甲醇甲醇、乙醇、二甲醚、乙醇、二甲醚、 动植物油、合成油等动植物油、合成油等 按化按化 学成学成 分分 烃燃料 含氧燃料 醇类燃料醇类燃料 二甲醚二甲醚 生物柴油生物柴油 煤气煤气 内燃机的发展方向内燃机的发展方向 一类是从结构上改进发动机，提高发动一类是从结构上改进发动机，提高发动 机效率。目前发动机效率仅为机效率。目前发动机效率仅为38%左右，左右， 应用电喷、三元催化等技术可提高其效应用

24、电喷、三元催化等技术可提高其效 率，节约燃料，改善废气排放。率，节约燃料，改善废气排放。 另一类研究是改变发动机燃料，如使用液化另一类研究是改变发动机燃料，如使用液化 石油气（石油气（LPGLPG）、天然气（）、天然气（CNGCNG）、二甲醚）、二甲醚 （DMEDME）以及氢燃料等，其中使用氢（或氢与）以及氢燃料等，其中使用氢（或氢与 其他燃料混合）作为发动机燃料的技术近期其他燃料混合）作为发动机燃料的技术近期 发展很快，受到专业人士的普遍重视。这是发展很快，受到专业人士的普遍重视。这是 因为氢在地球上取之不尽，能从多种植物、因为氢在地球上取之不尽，能从多种植物、 矿物、有机液体及水中提取氢。

25、氢的热值比矿物、有机液体及水中提取氢。氢的热值比 较高，可以再生，而且氢燃烧后的大部分生较高，可以再生，而且氢燃烧后的大部分生 成物是水蒸气，产生的有害废气很少，属于成物是水蒸气，产生的有害废气很少，属于 “绿色绿色”能源。（氢的利用目前有三种途径）能源。（氢的利用目前有三种途径） 资源是否丰富、稳定，最好能够再生；资源是否丰富、稳定，最好能够再生； 生产工艺简单，原始投资不大，燃料成生产工艺简单，原始投资不大，燃料成 本低廉；本低廉； 与现有内燃机技术体系和基础设施的兼与现有内燃机技术体系和基础设施的兼 容性好；容性好； 生产过程对环境友好；生产过程对环境友好； 可显著改善内燃机的尾气排放；

26、可显著改善内燃机的尾气排放； 对内燃机的动力性和经济性影响不大，对内燃机的动力性和经济性影响不大， 能有所改进更好。能有所改进更好。 替代燃料的含氧量、自燃温度、辛烷值、十替代燃料的含氧量、自燃温度、辛烷值、十 六烷值、与汽油或柴油的互溶性与稳定性；六烷值、与汽油或柴油的互溶性与稳定性； 低热值，化学计量空燃比；低热值，化学计量空燃比； 燃料的粘度与润滑性；燃料的粘度与润滑性； 与弹性密封材料的兼容性；与弹性密封材料的兼容性； 燃料本身及燃烧排放物的毒性；燃料本身及燃烧排放物的毒性； 燃料本身的生物降解性。燃料本身的生物降解性。 燃烧热化学简介燃烧热化学简介 内燃机工质是成分和比例不断变化的混

27、内燃机工质是成分和比例不断变化的混 合物。在进气和压缩过程中，基本上为燃料、合物。在进气和压缩过程中，基本上为燃料、 空气与残余废气的混合物（汽油机），或空空气与残余废气的混合物（汽油机），或空 气与残余废气的混合物（柴油机），此时由气与残余废气的混合物（柴油机），此时由 于缸内压力与温度都不高，可以忽略工质间于缸内压力与温度都不高，可以忽略工质间 的化学作用，而认为工质成分是的化学作用，而认为工质成分是“冻结冻结”不不 变的，从点火或喷油开始的燃烧、膨胀和排变的，从点火或喷油开始的燃烧、膨胀和排 气过程中，由于燃烧及高温热反应的作用，气过程中，由于燃烧及高温热反应的作用， 工质混合物的成分和

28、比例在不断变化中。除工质混合物的成分和比例在不断变化中。除 了燃烧最终产物了燃烧最终产物H H2 2O O和和COCO2 2以及空气中不参加以及空气中不参加 反应的反应的N N2 2等成分之外，还有各种有害排放物等成分之外，还有各种有害排放物 和燃烧过程中的各种中间产物。因此涉及到和燃烧过程中的各种中间产物。因此涉及到 化学动平衡与化学动力学两种分析方法。化学动平衡与化学动力学两种分析方法。 发动机缸内工质燃烧后与燃烧前分子总数之比发动机缸内工质燃烧后与燃烧前分子总数之比 称为分子变化系数称为分子变化系数。汽。汽/ /柴油机的柴油机的值都大值都大 于于1 1（汽油机（汽油机值更大，柴油机空气多

29、，且含值更大，柴油机空气多，且含 氢量少），表明燃烧后总分子数增多，这一因氢量少），表明燃烧后总分子数增多，这一因 素对工质作功有利，会提高循环热效率。但一素对工质作功有利，会提高循环热效率。但一 般情况下，对发动机的性能影响不大。而在混般情况下，对发动机的性能影响不大。而在混 合气较浓、燃烧不完全产生合气较浓、燃烧不完全产生COCO时，时，值加大，值加大， 性能分析时就需考虑这一因素（主要是汽油性能分析时就需考虑这一因素（主要是汽油 机）。机）。 气体燃料发动机由于燃料分子要计入燃烧前分气体燃料发动机由于燃料分子要计入燃烧前分 子总数，而燃料分子在燃烧后不复存在，所以子总数，而燃料分子在燃烧

30、后不复存在，所以 值可能小于值可能小于1 1，这是它的不利的一个方面。，这是它的不利的一个方面。 第三节第三节 燃烧化学燃烧化学 一、燃料燃烧的热值一、燃料燃烧的热值 单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。 完全燃烧完全燃烧是指当燃料在空气中燃烧时，是指当燃料在空气中燃烧时， 一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃料一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃料 完全燃烧，即将碳氢燃料中所有的碳、氢完完全燃烧，即将碳氢燃料中所有的碳、氢完 全氧化成二氧化碳和水（全氧化成二氧化碳和水（ C C生成生成COCO2 2、H H生成生成 H H2 2O O ），而空气中的氮并不

31、参与反应，其它），而空气中的氮并不参与反应，其它 元素生成高级氧化物。元素生成高级氧化物。 为方便计算，简单地认为空气中除氧气外，其余均为方便计算，简单地认为空气中除氧气外，其余均 为 氮 气 ， 因 此 空 气 中为 氮 气 ， 因 此 空 气 中 1 1 摩 尔 的 氧 气 ， 就 对 应 有摩 尔 的 氧 气 ， 就 对 应 有 （1 10.20950.2095）/0.2095=3.773/0.2095=3.773摩尔的氮气。摩尔的氮气。 gas vol.% molar wt. gas vol.% molar wt. O O2 2 20.95 31.998 20.95 31.998 N

32、N2 2 78.09 28.012 78.09 28.012 Ar 0.93 38.948 Ar 0.93 38.948 CO CO2 2 0.03 44.009 0.03 44.009 Air 100.00 28.962 Air 100.00 28.962 空气的成分空气的成分 wrHH ou 汽油汽油: 44000 kJ/kg : 44000 kJ/kg ； 柴油柴油: 42500 kJ/kg : 42500 kJ/kg ； w 单位质量燃烧产物中水的含量，单位质量燃烧产物中水的含量，% %。 u H u H 完全燃烧时，生成的水为气态时的热完全燃烧时，生成的水为气态时的热 值为值为低位发

33、热值低位发热值 主要应用主要应用 完全燃烧时，生成的水为液态时的热完全燃烧时，生成的水为液态时的热 值为值为高位发热值高位发热值 高位热值比低位热值高位热值比低位热值大（书上错误）大（书上错误）， 其差值为水蒸气的汽化潜热其差值为水蒸气的汽化潜热 r 。 u H o H 在内燃机实际工作状态下，缸内气体温度在内燃机实际工作状态下，缸内气体温度 高，水蒸汽的汽化潜热是不可能被利用的，高，水蒸汽的汽化潜热是不可能被利用的， 因此一般所说的燃料热值指的是燃料的低热因此一般所说的燃料热值指的是燃料的低热 值。值。 二、燃料完全燃烧的化学反应二、燃料完全燃烧的化学反应 1.碳燃烧：碳燃烧： 2.氢燃烧：

34、氢燃烧： 3.硫燃烧：硫燃烧： 4.一氧化碳燃烧：一氧化碳燃烧： 5. 碳氢化合物：碳氢化合物： 三、燃料燃烧所需的空三、燃料燃烧所需的空 气量气量 1 kg燃料完全燃烧所需要的空气量称燃料完全燃烧所需要的空气量称理理 论空气量论空气量。 汽油汽油的理论空气量为的理论空气量为14.9（kg/kg） 柴油柴油的理论空气量为的理论空气量为14.5（kg/kg） 四、过量空气系数和空燃比四、过量空气系数和空燃比 1. 1. 过量空气系数过量空气系数 表示混合气的浓稀程度。表示混合气的浓稀程度。 1 1 混合气稀混合气稀, ,称为稀混合气称为稀混合气; ; 1 1 混合气浓混合气浓, ,称为浓混合气称

35、为浓混合气; ; =1 =1 标准（理论标准（理论/ /化学计量比）化学计量比）混合气混合气 一般，柴油机一般，柴油机: 1: 1；汽油机；汽油机: 1 : 1 或或 1 1。 a 0 L L a 燃烧燃料实际供给的空气量 完全燃烧燃料理论上所需要的空气量 1 1 kg kg a a a a a 过量空气系数是反映混合气形成和完善程度及整过量空气系数是反映混合气形成和完善程度及整 机性能的一个重要标志，在保证完全燃烧的前提下，机性能的一个重要标志，在保证完全燃烧的前提下， 应力求使过量空气系数小。应力求使过量空气系数小。 2 2 空燃比、燃空比空燃比、燃空比 汽油理论上完全燃烧时的空燃比约为汽

36、油理论上完全燃烧时的空燃比约为14.914.9。 应用空燃比直观方便，其数值即为每千克燃料燃应用空燃比直观方便，其数值即为每千克燃料燃 烧时实际供给空气量的千克数。烧时实际供给空气量的千克数。 0 L a 混合气中燃料质量 混合气中空气质量 空燃比 0 11 L a 燃空比 对于汽油机：对于汽油机： 14.9为浓混合气为浓混合气 14.914.9为稀混合气为稀混合气 汽油机汽油机 =14.9=14.9 柴油机柴油机 =14.5=14.5 a a 3 3 可燃混合气质量热值可燃混合气质量热值 燃烧时的缸内工质是燃料与空气组成的混燃烧时的缸内工质是燃料与空气组成的混 合气，所以影响循环燃烧放热量的

37、应该是合气，所以影响循环燃烧放热量的应该是 可燃混合气的热值。可燃混合气的热值。 可燃混合气质量热值定义为单位质量混合可燃混合气质量热值定义为单位质量混合 气在标准状态下完全燃烧所释放的热量。气在标准状态下完全燃烧所释放的热量。 111 0 u a uu um H L H L H H 汽柴油几个热值参数汽柴油几个热值参数 所谓所谓燃烧燃烧，是指燃料与氧化剂进行剧烈，是指燃料与氧化剂进行剧烈 放热的氧化反应过程，伴有复杂的传热、放热的氧化反应过程，伴有复杂的传热、 传质、化学反应和流动现象。传质、化学反应和流动现象。 一切燃烧过程都由一切燃烧过程都由着火着火和和燃烧燃烧两个阶两个阶 段组成。段组

38、成。 所谓着火，是指可燃混合气在一定的压所谓着火，是指可燃混合气在一定的压 力、温度、浓度条件下，其氧化反应速度力、温度、浓度条件下，其氧化反应速度 突然加速，以致出现火焰的现象，这一阶突然加速，以致出现火焰的现象，这一阶 段称为滞燃期，以后就进入燃烧阶段。段称为滞燃期，以后就进入燃烧阶段。 第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论 内燃机的燃烧过程内燃机的燃烧过程中，工质的形成和燃烧中，工质的形成和燃烧 的进行同时发生又互相影响；燃烧过程是间的进行同时发生又互相影响；燃烧过程是间 断的（周期性的非稳定燃烧过程，随时间和断的（周期性的非稳定燃烧过程，随时间和 空间的变化极大，周而复始地进行混

39、合气的空间的变化极大，周而复始地进行混合气的 形成、着火燃烧、熄火、换气等阶段，因而形成、着火燃烧、熄火、换气等阶段，因而 着火往往对整个燃烧过程影响极大）着火往往对整个燃烧过程影响极大） ，且，且 时间很短（高速燃烧，一般燃烧持续期小于时间很短（高速燃烧，一般燃烧持续期小于 6060CA,CA,对应对应100010005000r/min5000r/min的四冲程发动的四冲程发动 机大约小于机大约小于10102ms2ms）。）。所以所以燃烧机理更加复燃烧机理更加复 杂。杂。 所有燃料的燃烧分为气相燃烧和固相燃烧。所有燃料的燃烧分为气相燃烧和固相燃烧。 内燃机中汽油和柴油虽然都是液体燃料，但都内

40、燃机中汽油和柴油虽然都是液体燃料，但都 是以气相燃烧方式进行，即燃料以气体状态与是以气相燃烧方式进行，即燃料以气体状态与 空气混合所进行的燃烧。空气混合所进行的燃烧。 着火阶段着火阶段 是物质燃烧的准备阶段，是着火前是物质燃烧的准备阶段，是着火前 的物理和化学的准备过程。的物理和化学的准备过程。雾化、蒸发、混合雾化、蒸发、混合 气、焰前氧化（缓慢）、积累热量或活化中心气、焰前氧化（缓慢）、积累热量或活化中心。 燃烧阶段燃烧阶段 是可燃混合气进入燃烧的第二阶是可燃混合气进入燃烧的第二阶 段，有两种方法：一是强迫着火或点燃。另一段，有两种方法：一是强迫着火或点燃。另一 种是自然着火。火焰出现后，就

41、为燃烧阶段。种是自然着火。火焰出现后，就为燃烧阶段。 气相燃烧可分为预混合燃烧和扩散燃烧。气相燃烧可分为预混合燃烧和扩散燃烧。 预混合燃烧预混合燃烧火前燃料气体或燃料蒸气与火前燃料气体或燃料蒸气与 氧化剂（空气）已按一定比例形成混合气。氧化剂（空气）已按一定比例形成混合气。 扩散燃烧扩散燃烧火前燃料与氧化剂（空气）是火前燃料与氧化剂（空气）是 相互分开的，着火后燃料边蒸发边与空气相互分开的，着火后燃料边蒸发边与空气 混合边燃烧。混合边燃烧。 内燃机中所有燃烧（气体或液体）都内燃机中所有燃烧（气体或液体）都 属于这两类燃烧中的某一类或这两类燃烧属于这两类燃烧中的某一类或这两类燃烧 的组合。化油器

42、式汽油机和气体燃料发动的组合。化油器式汽油机和气体燃料发动 机属于预混合燃烧方式；柴油机基本属于机属于预混合燃烧方式；柴油机基本属于 扩散燃烧方式，但其燃烧初期有不同程度扩散燃烧方式，但其燃烧初期有不同程度 的预混合燃烧。的预混合燃烧。 两种燃烧方式是导致汽油机和柴油机在两种燃烧方式是导致汽油机和柴油机在 燃烧特性、排放污染物生成及控制机理、燃烧特性、排放污染物生成及控制机理、 动力经济性及噪声振动等多方面不同的根动力经济性及噪声振动等多方面不同的根 本原因。本原因。 预混合燃烧与扩散燃烧的主要特点比较预混合燃烧与扩散燃烧的主要特点比较 1 1、扩散燃烧速度主要取决于混合速度；预混、扩散燃烧速

43、度主要取决于混合速度；预混 合燃烧主要取决于化学反应速度（合燃烧主要取决于化学反应速度（T T和和a a) )。 2 2、为保证完全燃烧，扩散燃烧的、为保证完全燃烧，扩散燃烧的a a1.21.2 （稀燃）；预混合燃烧（稀燃）；预混合燃烧a a =0.8 =0.81.21.2，可燃，可燃 混合气浓度范围小，难以稀燃。混合气浓度范围小，难以稀燃。 3 3、扩散燃烧的混合气浓度和燃烧温度分布不、扩散燃烧的混合气浓度和燃烧温度分布不 均匀，均匀，易易产生局部高温缺氧，生成炭烟。产生局部高温缺氧，生成炭烟。 4 4、扩散燃烧时因存在炭烟，燃烧时会发出强、扩散燃烧时因存在炭烟，燃烧时会发出强 烈辐射光，烈

44、辐射光，“有焰燃烧有焰燃烧”；预混合燃烧火焰；预混合燃烧火焰 呈透明蓝色，呈透明蓝色，“无焰燃烧无焰燃烧”。 5 5、预混合燃烧有回火危险。、预混合燃烧有回火危险。 发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个 基本步骤：基本步骤： (1)形成燃油与空气的可燃混合气；形成燃油与空气的可燃混合气； (2)点燃可燃混合气，或可燃混合气在温度和浓点燃可燃混合气，或可燃混合气在温度和浓 度适当的地区发生自燃，在一处或同时在数度适当的地区发生自燃，在一处或同时在数 处着火处着火 着火过程着火过程 ； (3)火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧。火源扩大到整个可燃混合气，

45、形成全面燃烧。 一、着火机理：一、着火机理： 着火尽管是一个瞬间现象，却是一个极为复着火尽管是一个瞬间现象，却是一个极为复 杂的过程，至今仍有许多问题不清楚。按化杂的过程，至今仍有许多问题不清楚。按化 学动力学的观点，着火机理可分为学动力学的观点，着火机理可分为热自燃热自燃 （热力着火）（热力着火）机理和机理和链锁自燃（链式着火）链锁自燃（链式着火） 机理两类。机理两类。 (一一)热自燃热自燃 在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过 程，放出热量。放热的同时，由于温差的原程，放出热量。放热的同时，由于温差的原 因，会对周围介质散热。若化学反应所释放因，会对周围

46、介质散热。若化学反应所释放 出的热量大于所散失的热量，混合气的温度出的热量大于所散失的热量，混合气的温度 升高，进而促使混合气的反应速率和放热速升高，进而促使混合气的反应速率和放热速 率增大。这种相互促进，最终导致极快的反率增大。这种相互促进，最终导致极快的反 应速率而着火。这就是热自燃，或称热爆。应速率而着火。这就是热自燃，或称热爆。 影响着火的因素影响着火的因素 着火临界温度着火临界温度T Tc c将受到系统的初始压力将受到系统的初始压力p pc c、 过量空气系数过量空气系数a a、燃料理化性能的影响。、燃料理化性能的影响。 1 1、p pc c：随压力的增高，临界温度下降。：随压力的增

47、高，临界温度下降。 2 2、a a：因为具有化学剂量比的混合气的化：因为具有化学剂量比的混合气的化 学反应速度最快，所以任何条件下都是在学反应速度最快，所以任何条件下都是在 a a=1=1时出现时出现T Tc c的最低值。对于某一温度或的最低值。对于某一温度或 某一压力都存在一个混合气着火的浓度上某一压力都存在一个混合气着火的浓度上 限（稀限）和下限（浓限），达到一定温限（稀限）和下限（浓限），达到一定温 度或压力后，这个浓度上下限基本不变化，度或压力后，这个浓度上下限基本不变化， 这就是贫油极限和富油极限。所以压力这就是贫油极限和富油极限。所以压力p pc c- - 温度温度T Tc c曲线

48、实质就对应曲线实质就对应a a=1=1 3 3、燃料特性、燃料特性: :燃料的化学稳定性越差，着火燃料的化学稳定性越差，着火 越容易，越容易，T Tc c愈小。愈小。 ( (二二) )链锁自燃链锁自燃 链锁反应的化学反应过程是：其中一个链锁反应的化学反应过程是：其中一个 活化作用能引起很多基本反应，即反应链。活化作用能引起很多基本反应，即反应链。 链链锁着火：不依靠积累热量，通过链锁锁着火：不依靠积累热量，通过链锁 反应积累活化中心使反应自动加速，直至反应积累活化中心使反应自动加速，直至 着火，即链爆，在相对较低温度（与热爆着火，即链爆，在相对较低温度（与热爆 比较）时也能实现。比较）时也能实

49、现。 整个反应过程分为：整个反应过程分为： 引导反应引导反应( (链的引发链的引发)反应链反应链( (链链 的继续反应或链的传递的继续反应或链的传递)断链反应断链反应( (链的链的 中断即活化中心的死亡中断即活化中心的死亡) )。 只要以某种方式（如辐射、电离）激发出活性中只要以某种方式（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着火。心，然后通过链式反应产生着火。 链式反应的分类：链式反应的分类： 1 1、直链反应、直链反应 一个活性中心进行一次反应只产生一一个活性中心进行一次反应只产生一 个

50、新的活性中心，即整个反应以恒定速度进行。个新的活性中心，即整个反应以恒定速度进行。 2 2、支链反应、支链反应 一个活性中心进行一次反应产生两个一个活性中心进行一次反应产生两个 或两个以上的活性中心，这样链反应就发生了分支，或两个以上的活性中心，这样链反应就发生了分支， 即反应可加速进行。快速燃烧和爆炸可看作是支链即反应可加速进行。快速燃烧和爆炸可看作是支链 反应的结果。反应的结果。 3 3、退化支链反应、退化支链反应 一个活性中心先通过直链反应产一个活性中心先通过直链反应产 生一个新的活性中心和过氧化物或醛，当过氧化物生一个新的活性中心和过氧化物或醛，当过氧化物 或醛发生分解时，则引起新的支

51、链反应。因此它的或醛发生分解时，则引起新的支链反应。因此它的 总反应速度比支链反应慢。但仍有自动加速的特点。总反应速度比支链反应慢。但仍有自动加速的特点。 4 4、断链反应、断链反应 当活性中心与容器壁面或惰性气体分当活性中心与容器壁面或惰性气体分 子碰撞时，其活性能被吸收，导致反应中断。子碰撞时，其活性能被吸收，导致反应中断。 在热爆和链爆之前，都需要一个反应量在热爆和链爆之前，都需要一个反应量 逐渐积累的过程，这个阶段称为诱导期或逐渐积累的过程，这个阶段称为诱导期或 着火落后期（柴油机中称为滞燃期）。着火落后期（柴油机中称为滞燃期）。 实际燃烧过程中，不可能有纯粹的热爆实际燃烧过程中，不可

52、能有纯粹的热爆 自燃和链爆自燃，二者是同时存在并相互自燃和链爆自燃，二者是同时存在并相互 促进，也即积累热量与积累活化中心互为促进，也即积累热量与积累活化中心互为 支持。一般，高温时以热爆为主；低温时支持。一般，高温时以热爆为主；低温时 以链爆为主（这就引出了另一种着火理论以链爆为主（这就引出了另一种着火理论 链式热力着火链式热力着火开始是链反应，当热量开始是链反应，当热量 积累到一定程度后，按热力着火过程进积累到一定程度后，按热力着火过程进 行）。行）。 二、发动机混合气的着火二、发动机混合气的着火 有高温单阶段着火高温单阶段着火和低温多阶段着火低温多阶段着火。 汽油机汽油机 柴油机柴油机

53、对于内燃机的具体着火现象而言，柴油对于内燃机的具体着火现象而言，柴油 机的压缩着火和汽油机的爆燃具有低温机的压缩着火和汽油机的爆燃具有低温 多阶段着火的特点；而汽油机的火花点多阶段着火的特点；而汽油机的火花点 燃和柴油机着火后缸内燃料的着火具有燃和柴油机着火后缸内燃料的着火具有 高温单阶段的着火特点。高温单阶段的着火特点。 （一）柴油机低温多级着火（一）柴油机低温多级着火 1 1、 阶段混合阶段阶段混合阶段 在压缩过程终了时在压缩过程终了时 （压缩空气），燃料喷（压缩空气），燃料喷 入汽缸内形成可燃混合入汽缸内形成可燃混合 气。燃料遇到温度较高气。燃料遇到温度较高 的空气，开始氧化，但的空气，

54、开始氧化，但 速度缓慢，示功图上的速度缓慢，示功图上的 压缩线没有明显的变化。压缩线没有明显的变化。 混合阶段，为着火做准混合阶段，为着火做准 备。备。 t1 2 2 阶段一阶段反应阶段一阶段反应 燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应 速度很快时，火焰就会出现。经过一段时速度很快时，火焰就会出现。经过一段时 间后，反应加剧，出现淡青色火焰，热量间后，反应加剧，出现淡青色火焰，热量 不多，称为不多，称为冷焰冷焰，缸内压力超过压缩压力。，缸内压力超过压缩压力。 在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和 一氧化碳等中间产物。要求混合气较

55、浓，一氧化碳等中间产物。要求混合气较浓， a a = 0.4 = 0.40.50.5。 3 3 阶段二阶段反应阶段二阶段反应 温度、压力升高较大，产生许多化学反温度、压力升高较大，产生许多化学反 应的活性中心，出现应的活性中心，出现蓝火焰蓝火焰。混合气稀得。混合气稀得 多，多，a a略小于略小于1 1。 t2 t3 4 4 时间后三阶段反应时间后三阶段反应 活性中心剧增，化学反应加速，热量积累活性中心剧增，化学反应加速，热量积累 剧烈，发生热爆炸，出现橘黄色剧烈，发生热爆炸，出现橘黄色热火焰热火焰。混。混 合气更稀，合气更稀，a a 1 1。 着火延迟期着火延迟期 ttt 123 ttt 12

56、3 （二二） 汽油机高温单级着火汽油机高温单级着火 1 1 压缩的是燃料与空气的混合气体压缩的是燃料与空气的混合气体, , 在此过程中在此过程中, , 已经进行了一些化学反应。已经进行了一些化学反应。 2 2 火花点火火花点火, , 局部温度高达局部温度高达2000020000以上以上, , 该处燃料该处燃料 分子直接分裂成大量的自由原子与自由基分子直接分裂成大量的自由原子与自由基, , 迅速迅速 反应出现热火焰（不经过冷焰，蓝焰反应出现热火焰（不经过冷焰，蓝焰- -热焰时间很热焰时间很 短也很难区分，所以称为高温单阶段着火），短也很难区分，所以称为高温单阶段着火）， 瞬瞬 间扩大到整个燃烧室

57、内。所以间扩大到整个燃烧室内。所以, , 汽油机着火过程：汽油机着火过程： 压缩混合气压缩混合气 点火（经短暂着火延迟期）点火（经短暂着火延迟期） 热火焰热火焰 高温单级点燃高温单级点燃 烃类燃料在高温和低温条件下呈现出不同的着烃类燃料在高温和低温条件下呈现出不同的着 火特性，可分为高温单阶段着火区和低温多阶火特性，可分为高温单阶段着火区和低温多阶 段着火区（着火半岛）。在温度压力均较低时，段着火区（着火半岛）。在温度压力均较低时， 首先出现冷焰区，它有微弱的发光，形同火舌，首先出现冷焰区，它有微弱的发光，形同火舌， 温度低不灼手，不能引燃混合气。当温度和压温度低不灼手，不能引燃混合气。当温度

58、和压 力进一步提高时，烃的链式反应由冷焰区进入力进一步提高时，烃的链式反应由冷焰区进入 低温多阶段着火区。低温多阶段着火区。 低温多阶段着火经历：低温多阶段着火经历： 1 1、冷焰诱导阶段：低温条件下烃分子不能发、冷焰诱导阶段：低温条件下烃分子不能发 生热裂解，只能产生直链反应，与氧分子接触生热裂解，只能产生直链反应，与氧分子接触 发生不完全氧化，形成过氧化物和乙醛。该阶发生不完全氧化，形成过氧化物和乙醛。该阶 段释放的化学能极少，混和气压力和温度都变段释放的化学能极少，混和气压力和温度都变 化不大。化不大。 2 2、冷焰阶段：当过氧化物积累到临界浓度时，、冷焰阶段：当过氧化物积累到临界浓度时

59、， 便以爆炸形式分解出甲醛，大量甲醛的积累使便以爆炸形式分解出甲醛，大量甲醛的积累使 混合气发出冷焰。此阶段大约释放化学能总量混合气发出冷焰。此阶段大约释放化学能总量 的的5%5%10%10%，压力和温度有所提高。，压力和温度有所提高。 3 3、蓝焰阶段：由甲醛的支链反应产生、蓝焰阶段：由甲醛的支链反应产生COCO，并发，并发 出蓝色的光，其辉度和温度均比冷焰高，所以称出蓝色的光，其辉度和温度均比冷焰高，所以称 为蓝焰。此阶段烃分子的氧化程度已较深，压力为蓝焰。此阶段烃分子的氧化程度已较深，压力 温度也进一步提高。此阶段时间很短。温度也进一步提高。此阶段时间很短。 4 4、最后才是高温热焰即着

60、火：蓝焰阶段末期，、最后才是高温热焰即着火：蓝焰阶段末期， 当积累的活性中心和当积累的活性中心和COCO达到一定浓度，以及温度达到一定浓度，以及温度 达到一定程度后，反应开始明显加速，大量达到一定程度后，反应开始明显加速，大量COCO被被 进一步氧化成进一步氧化成COCO2 2，释放出大量热量，形成高温热，释放出大量热量，形成高温热 焰，即燃烧开始。焰，即燃烧开始。 如果在较高温度下，着火过程不经过冷焰直如果在较高温度下，着火过程不经过冷焰直 接进入蓝焰接进入蓝焰- -热焰阶段，而且这两个阶段很短也热焰阶段，而且这两个阶段很短也 很难区分，因此称为高温单阶段着火。很难区分，因此称为高温单阶段着