内燃机原理第3章

1、第三章第三章 内燃机燃料与燃烧内燃机燃料与燃烧 第一节第一节 内燃机燃料的一般知识内燃机燃料的一般知识 第二节第二节 汽油的使用性能汽油的使用性能 第三节第三节 柴油的使用性能柴油的使用性能 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 第五节第五节 燃烧理论概述燃烧理论概述 第一节第一节 内燃机燃料的一般知识内燃机燃料的一般知识 一、石油燃料一、石油燃料 1、组成与性质、组成与性质 内燃机传统燃料，汽油与柴油，石油产品，主要成内燃机传统燃料，汽油与柴油，石油产品，主要成 份有碳、氢两种，占份有碳、氢两种，占9798%，还含少量的硫、氧、，还含少量的硫、氧、 氮等，微量砷、钠、钾、钙等。氮等，微量砷、钠、钾

2、、钙等。 石油产品以多种碳氢化合物的混合物形式出现，分石油产品以多种碳氢化合物的混合物形式出现，分 子式为子式为CnHm，称为烃。，称为烃。 第一节第一节 内燃机燃料的一般知识内燃机燃料的一般知识 （1）碳原子数对燃料性质的影响）碳原子数对燃料性质的影响 从石油气、汽油、煤油、轻重柴油到渣油，随碳原从石油气、汽油、煤油、轻重柴油到渣油，随碳原 子数的增大，沸点逐渐升高，相对分子量逐渐增大，子数的增大，沸点逐渐升高，相对分子量逐渐增大， 质量变重，挥发性变差，粘度增大，化学稳定性变质量变重，挥发性变差，粘度增大，化学稳定性变 差，自燃性变好，点燃性变差。差，自燃性变好，点燃性变差。 第一节第一节

3、 内燃机燃料的一般知识内燃机燃料的一般知识 （2）分子的化学结构对燃料性能的影响）分子的化学结构对燃料性能的影响 1）烷烃）烷烃CnH2n+2 正构物，饱和的开式链状结构。常温下化学性质稳定，不易正构物，饱和的开式链状结构。常温下化学性质稳定，不易 变质，高温下易分解（着火），而且碳链越长越易着火，是变质，高温下易分解（着火），而且碳链越长越易着火，是 柴油的组成部分。柴油的组成部分。 异构物，比正构物分子结构紧凑，高温下不易氧化（不易着异构物，比正构物分子结构紧凑，高温下不易氧化（不易着 火），汽油中的组成部分。火），汽油中的组成部分。 2）烯烃）烯烃CnH2n 不饱和开链结构，有一个双键，

4、常温下化学不稳定，保存期不饱和开链结构，有一个双键，常温下化学不稳定，保存期 长，易产生胶质。长，易产生胶质。 高温下，不易着火，比烷烃抗爆性好，热裂汽油中含成份较高温下，不易着火，比烷烃抗爆性好，热裂汽油中含成份较 多。多。 3）环烷烃）环烷烃CnH2n 饱和的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和发火温度比直饱和的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和发火温度比直 链烃高，适于作汽油机燃料，不宜作柴油燃料。链烃高，适于作汽油机燃料，不宜作柴油燃料。 4）芳香烃）芳香烃CnH2n-6 基本化合物是苯，所有芳香烃都有苯基成分，分子结构坚固，基本化合物是苯，所有芳香烃都有苯基成分，分子结构坚固， 热稳定

5、性比其它烃都高，高温下不易发火，是良好的抗爆剂，热稳定性比其它烃都高，高温下不易发火，是良好的抗爆剂， 直馏汽油中含量较少。直馏汽油中含量较少。 第一节第一节 内燃机燃料的一般知识内燃机燃料的一般知识 2、石油燃料的炼制、石油燃料的炼制 1）直馏法：）直馏法： 石油石油蒸馏与凝结蒸馏与凝结 40205 馏出汽油馏出汽油 占石油的占石油的2540% 130300 煤油煤油 250350 柴油柴油 350500 润滑油润滑油 500以上以上 重油重油 2）热裂法：）热裂法： 重油重油加温、加压、加温、加压、400以上以上高分子量成份裂解成低分高分子量成份裂解成低分 子量的成分，因大分子的重烃含氢少

6、，分裂后产生的轻分子子量的成分，因大分子的重烃含氢少，分裂后产生的轻分子 烃中，含有不饱合烃。烃中，含有不饱合烃。 3）催化裂化法：）催化裂化法： 重油重油加温、加压、催化剂加温、加压、催化剂催化剂使加温较低，气态含量催化剂使加温较低，气态含量 较少，可使烷烃脱氢、环化形成芳香烃，品质高。较少，可使烷烃脱氢、环化形成芳香烃，品质高。 此外，还有加氢、异构化、迭合、芳构化等石油加工工艺，此外，还有加氢、异构化、迭合、芳构化等石油加工工艺， 生产高级汽油。生产高级汽油。 第一节第一节 内燃机燃料的一般知识内燃机燃料的一般知识 二、气体燃料二、气体燃料 1、天然气（、天然气（CNG） 2、液化石油气

7、（、液化石油气（LPG） 三、代用燃料三、代用燃料 1、醇类燃料、醇类燃料 2、植物油燃料、植物油燃料 第二节第二节 汽油的使用性能汽油的使用性能 一、馏程一、馏程 10%馏出温度馏出温度标志起动性标志起动性 起动时起动时 车速低、雾化不好车速低、雾化不好 壁面温度低、汽油挥发少壁面温度低、汽油挥发少 一般关闭阴风门，这时供给浓混合气，只有一般关闭阴风门，这时供给浓混合气，只有10%左右汽油蒸左右汽油蒸 发就能顺利起动。发就能顺利起动。 10%馏出温度，越低越易起动，但太低易形成气阻。馏出温度，越低越易起动，但太低易形成气阻。 50%馏出温度馏出温度表明平均蒸发性，与暖车、加速、稳定性、表明平

8、均蒸发性，与暖车、加速、稳定性、 分配均匀性等有关。分配均匀性等有关。 90%馏出温度馏出温度表明难挥发的重成分的数量。表明难挥发的重成分的数量。 90%馏出温度越高，重馏分多，易冒烟、积碳、沿缸壁流入馏出温度越高，重馏分多，易冒烟、积碳、沿缸壁流入 曲轴箱稀释机油，故不能太高。曲轴箱稀释机油，故不能太高。 第二节第二节 汽油的使用性能汽油的使用性能 二、抗爆性二、抗爆性用辛烷值评价用辛烷值评价 辛烷值在辛烷值在CFR单缸机上测定，被测燃料单缸机上测定，被测燃料改变压缩比改变压缩比产生产生 爆震。爆震。 异辛烷（辛烷值为异辛烷（辛烷值为100）+正庚烷（辛烷值为正庚烷（辛烷值为0）。标准燃）。

9、标准燃 料料同样的压缩比同样的压缩比产生同样程度的爆震，则标准燃料中含产生同样程度的爆震，则标准燃料中含 异辛烷的体积百分数即为被测燃料的辛烷值。异辛烷的体积百分数即为被测燃料的辛烷值。 为提高辛烷值，用抗爆剂：四乙铅与溴乙烷的混合物。但由为提高辛烷值，用抗爆剂：四乙铅与溴乙烷的混合物。但由 于该添加剂含铅量高，对人体及环境危害较大，同时还会使于该添加剂含铅量高，对人体及环境危害较大，同时还会使 排气催化转换器中的催化剂严重中毒而导致失效，因而逐渐排气催化转换器中的催化剂严重中毒而导致失效，因而逐渐 被淘汰。被淘汰。 目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先进的炼制工艺及目前，提高汽油辛烷值的主

10、要措施是采用先进的炼制工艺及 使用高辛烷值的调和剂，如加入甲基叔丁基醚、乙基叔丁基使用高辛烷值的调和剂，如加入甲基叔丁基醚、乙基叔丁基 醚或醇类燃料等。醚或醇类燃料等。 第三节第三节 柴油的使用性能柴油的使用性能 一、低温流动性：用凝点评价一、低温流动性：用凝点评价 凝点：温度再下降，失去流动性，凝固。我国的柴油用凝点凝点：温度再下降，失去流动性，凝固。我国的柴油用凝点 编号。编号。 二、雾化性：用粘度评价二、雾化性：用粘度评价 粘度：燃料流动性的尺度，表示燃料内部摩擦力的物理特性，粘度：燃料流动性的尺度，表示燃料内部摩擦力的物理特性， 影响柴油的喷雾质量。影响柴油的喷雾质量。 粘度大，不易雾

11、化粘度大，不易雾化 粘度小，易雾化粘度小，易雾化 三、蒸发性三、蒸发性 50%馏出温度：平均蒸发性，低馏出温度：平均蒸发性，低蒸发性好，喷入后能迅速蒸发性好，喷入后能迅速 蒸发、混合，有助于燃烧；蒸发、混合，有助于燃烧； 90%和和95%馏出温度：表示柴油难于蒸发的重馏分的数量，馏出温度：表示柴油难于蒸发的重馏分的数量， 高高不易蒸发，与空气混合不均匀，冒烟。不易蒸发，与空气混合不均匀，冒烟。 一般情况下：一般情况下： 涡流室、予燃室可以燃用较重馏分的柴油，并且馏程可宽涡流室、予燃室可以燃用较重馏分的柴油，并且馏程可宽 直喷式柴油机希望燃用轻馏分柴油，馏程窄直喷式柴油机希望燃用轻馏分柴油，馏程

12、窄 第三节第三节 柴油的使用性能柴油的使用性能 四、发火性：四、发火性： 用十六烷值评价用十六烷值评价 柴油机要求燃料发火性好，着火落后期短，而汽油机则要求柴油机要求燃料发火性好，着火落后期短，而汽油机则要求 着火落后期长。着火落后期长。 评定柴油发火性用评定柴油发火性用CFR单缸试验机。单缸试验机。 标准燃料标准燃料 正十六烷正十六烷易着火，十六烷值为易着火，十六烷值为100 甲基萘甲基萘不易着火，十六烷值为不易着火，十六烷值为0 不同比例混合便得到十六烷值从不同比例混合便得到十六烷值从0到到100的各种标准混合燃料。的各种标准混合燃料。 当所测柴油与配制的标准燃料发火性相同时，则标准燃料中

13、当所测柴油与配制的标准燃料发火性相同时，则标准燃料中 含含16烷的容积百分数即为该燃料的十六烷值。烷的容积百分数即为该燃料的十六烷值。 十六烷值高的柴油，着火温度低，着火落后期短，适合高速十六烷值高的柴油，着火温度低，着火落后期短，适合高速 柴油机，但增大十六烷值，将带来燃料分子量加大，使燃油柴油机，但增大十六烷值，将带来燃料分子量加大，使燃油 的蒸发性变差、粘度增加，导致排气冒烟加剧及燃油经济性的蒸发性变差、粘度增加，导致排气冒烟加剧及燃油经济性 下降。下降。 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 一、理论空气量一、理论空气量1kg燃料完全燃烧时必须的最低空气量。燃料完全燃烧时必须的最低空气量。

14、1kg燃料中含有燃料中含有gckgC，ghkgH，gokgO： gc+gh+go=1kg C + O2 CO2 1kmol 1kmol 1kmol 1komlC=12kgC，则：，则： 1kg 1kmol /12 1kmol/12 gckgC gckgC+gckmol O2 /12=gckmolCO2/12 H2 + 1 O2 /2 CO2 1kmol 1kmol/2 1kmol 1koml H2=2kg H2 ，则：，则： 1kg 1kmol /4 1kmol/2 ghkgH ghkgH+ghkmol O2 /4=ghkmolH2O/2 则则1kg燃料完全燃烧需要燃料完全燃烧需要O2为：为：

15、 gc/12+gh/4-go/32 kmol 空气按体积计，空气按体积计， O2占占21%，N2占占79%，按质量计，按质量计， O2占占23%， N2占占77%，需要空气：，需要空气： 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 燃料，同样：燃料，同样： 燃料燃料 ) 32412 ( 21. 0 1 0 OHC ggg L )8 3 8 ( 23. 0 1 0OH C gg g l kgkmol/ kgkg/ 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 二、燃烧前后工质摩尔数变化及理论分子变化系数二、燃烧前后工质摩尔数变化及理论分子变化系数 1、 a1，完全燃烧，完全燃烧 （1）燃烧前摩尔数）燃烧前摩尔数 M1=a

16、L0 kmol/kg燃料，柴油机燃料，柴油机 M1=aL0 +1/MrT kmol/kg燃料，汽油机燃料，汽油机 MrT 燃料相对分子质量燃料相对分子质量 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 （2）燃烧后摩尔数（）燃烧后摩尔数（kmol) kmol 2222 2NOOHCO MMMMM 00 79. 0) 1(21. 0 212 LL gg aa HC 00 21. 0 212 LL gg a HC ) 32412 ( 212 0 OHC a HC ggg L gg 0 324 L gg a OH 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 （3）燃烧前后工质摩尔数的增量）燃烧前后工质摩尔数的增量 柴油机：柴

17、油机： kmol/kg 12 MMM 324 OH gg 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 汽油机：汽油机： kmol/kg rT OH M gg1 324 12 MMM 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 （4）理论分子变化系数）理论分子变化系数可燃混合气燃烧后的摩尔数与燃烧前摩可燃混合气燃烧后的摩尔数与燃烧前摩 尔数之比。尔数之比。 柴油机柴油机 汽油机汽油机 11 2 0 1 M M M M 0 324 1 L gg a OH rT a rT OH M L M gg 1 1 324 1 0 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 2、 a1，完全燃烧，完全燃烧 （1）燃烧后摩尔数（）燃烧后摩尔数（km

18、ol) a1只在汽油机上存在，一般认为只在汽油机上存在，一般认为H2完全生成完全生成 H2O，C部分部分 生成生成CO2 ，另一部分生成，另一部分生成 CO。 设设1 kg的的C中中xgc生成生成CO2 ，（，（1-x)生成生成 CO。x称为完全燃称为完全燃 烧百分比。烧百分比。 C + 1/2O2 CO 1kmol kmol1/2 1kmol 1komlC=12kgC，则：，则： 1kg 1kmol /24 1kmol/12 (1-xgc)kgC (1-x) gckgC+(1-x) gckmol O2 /24=(1-x) gckmolCO2/12 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 222 2N

19、OHCOCO MMMMM 0 79. 0 212 )1 ( 12 L ggxxg a HCC 0 79. 0 212 L gg a HC 0 79. 0 324 ) 32412 (L ggggg a OHOHC 324 21. 021. 0 000 OH aa gg LLL 324 )1 (21. 0 00 OH aa gg LL 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 rT OH a M gg LMMM 1 324 )1 (21. 0 012 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 （2）理论分子变化系数）理论分子变化系数 rT a rT OH a M L M gg L M M 1 1 324 )1 (21

20、. 0 11 0 0 1 0 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 三、实际分子变更系数三、实际分子变更系数 燃烧前气缸中工质总量为：燃烧前气缸中工质总量为：M1= M1 + Mr 燃烧后气缸中工质总量为：燃烧后气缸中工质总量为：M2= M2 + Mr 式中：式中：Mr残余废气质量残余废气质量 则实际分子变更系数则实际分子变更系数： 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 式中：r残余废气系数 r r r r r r M M M M M M M M MM MM M M 1 0 11 1 11 2 1 2 1 2 r r 1 0 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 四、燃料与混合气热值四、燃料与混合气热值 1.燃

21、料热值：燃料热值：1燃料完全燃烧所放出的热量。分高热值与低热值，燃料完全燃烧所放出的热量。分高热值与低热值， 内燃机中为低热值。内燃机中为低热值。 第四节第四节 燃烧化学燃烧化学 2.混合气热值混合气热值 kJ/kmol a=时，称为理论混合气热值。时，称为理论混合气热值。 rT a uu M L H M H 1 0 1 第五节第五节 燃烧理论概述燃烧理论概述 燃烧过程：着火、燃烧燃烧过程：着火、燃烧 1.汽油机的高温单阶段着火汽油机的高温单阶段着火 汽油机的着火是以链锁反应开始，热发火结束。汽油机的着火是以链锁反应开始，热发火结束。 自由原子，自由基或过氧化物具有较高的活化能，形成了活性自由

22、原子，自由基或过氧化物具有较高的活化能，形成了活性 核心。核心。 当可燃混合气开始链锁反应之后，由于活性核心的再生，可以当可燃混合气开始链锁反应之后，由于活性核心的再生，可以 使反应自动加速，放热速率大于散热速率，热量得以积累。使反应自动加速，放热速率大于散热速率，热量得以积累。 局部反应气体温度将逐渐升高，使反应加速到热爆炸的产生。局部反应气体温度将逐渐升高，使反应加速到热爆炸的产生。 因为由链反应所引起的起始反应的自动加速，到由热积累所引因为由链反应所引起的起始反应的自动加速，到由热积累所引 起的自动加温，划分不出两者的界限，故称为高温单阶段发火。起的自动加温，划分不出两者的界限，故称为高

23、温单阶段发火。 热爆炸仅是形成了火焰核心，只有当它本身的反应放热量大于热爆炸仅是形成了火焰核心，只有当它本身的反应放热量大于 它向周围混合气的散热量时，它才能靠热传导和活性粒子的扩它向周围混合气的散热量时，它才能靠热传导和活性粒子的扩 散向外扩展，形成稳定的火源，到此才算着火完成。散向外扩展，形成稳定的火源，到此才算着火完成。 以后的燃烧是由火焰核心向邻近的均匀混合气进行火焰传播。以后的燃烧是由火焰核心向邻近的均匀混合气进行火焰传播。 即火焰由已燃部分向未燃部分逐渐推进，使燃烧过程持续和扩即火焰由已燃部分向未燃部分逐渐推进，使燃烧过程持续和扩 展。展。 第五节第五节 燃烧理论概述燃烧理论概述 2.柴油机的低温多阶段自燃柴油机的低温多阶段自燃 在在t1阶段，反