发动机课件第四章

1、福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering第四章 内燃机的燃料与燃烧4.1 内燃机燃料及其提炼4.2 传统燃料的现状及使用特性4.3 燃烧热化学4.4 燃烧的基本知识福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering4.1 4.1 内燃机燃料及其提炼内燃机燃料及其提炼4.1.1 4.1.1 石油中烃的分类及性质石油中烃的分类及性质

2、 石油的主要成分：石油的主要成分：C C、H H（97-98%97-98%），其他还有少量的），其他还有少量的S S、O O、N N等。等。烃，CnHm据组成和结构的不同分据组成和结构的不同分烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等，等，C C和和H H的不同构成不同分子量、不同沸点的物质，汽油和的不同构成不同分子量、不同沸点的物质，汽油和柴油通过石油蒸馏获得。柴油通过石油蒸馏获得。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering1 1 碳原子数的影

3、响碳原子数的影响C C原子数原子数沸点沸点品种品种相对分子质量相对分子质量理化性质的变化趋势理化性质的变化趋势C C1 1-C-C4 4常温常温石油气石油气16-5816-58随随C C ，质量，质量 ，挥，挥发性发性 ，粘度，粘度 ，化，化学安定性学安定性 ，自燃性，自燃性 ，点燃性，点燃性 C C5 5-C-C111150-20050-200汽油汽油95-12095-120C C1111-C-C1919180-300180-300煤油煤油100-180100-180C C1616-C-C2323250-360250-360轻柴油轻柴油180-200180-200C C2323以上以上360

4、360重油重油220-280220-280福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering碳，氢原子数和排列位置对燃料性质影很大：碳，氢原子数和排列位置对燃料性质影很大：1）烷烃：分子式：）烷烃：分子式：CnH2n+2 ； 化学结构：化学结构： 直链特点：饱和开链式，含直链特点：饱和开链式，含C越高结构越不紧凑，越高结构越不紧凑， 常温下化学性质稳定，但热稳定性差，常温下化学性质稳定，但热稳定性差， 高温易分解，自然性好高温易分解，自然性好柴油的好成分；柴油的好成

5、分；-C-C-C-C-；-C-C-C-C-CC支链支链(热稳定热稳定)直链直链2. 2. 分子的化学结构对性能的影响分子的化学结构对性能的影响福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering2）烯烃：）烯烃： 分子式：分子式：CnH2n ； 化学结构：化学结构：-C=C-; -C=C-C-C-特点：非饱和开链式，自发火性差，汽油的成分；特点：非饱和开链式，自发火性差，汽油的成分； 常温下化学稳定性差，易氧化胶质；不易储存常温下化学稳定性差，易氧化胶质；不易储存3）

6、炔烃：分子式：）炔烃：分子式：CnH2n-2 ；化学结构：；化学结构：C C特点：非饱和开链，热裂化产物，不存在原油中；特点：非饱和开链，热裂化产物，不存在原油中； 很不稳定，常温下易分解；不易作燃料。很不稳定，常温下易分解；不易作燃料。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering4）环烷烃：分子式：）环烷烃：分子式：CnH2n; 化学结构：化学结构： 特点：饱和环状，不易分裂，热稳定性强，特点：饱和环状，不易分裂，热稳定性强， 汽油机的燃料，石油的重要组成部

7、分。汽油机的燃料，石油的重要组成部分。-CC-CC-环丁环福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering5）芳香烃：）芳香烃：CnH2n-6； 基本化合物是苯：基本化合物是苯：C6H6; 石油中含量少，分子结构坚固；石油中含量少，分子结构坚固； 热稳定性高，热稳定性高， 高温下不易破裂；高温下不易破裂； 汽油的良好的抗爆剂；汽油的良好的抗爆剂； 石油炼制中产生。石油炼制中产生。 其中，其中， -甲基萘：甲基萘：C11H10， 其抗爆性认为其抗爆性认为100%福州

8、大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering4.1.2 4.1.2 燃料的提炼方法及对燃料性燃料的提炼方法及对燃料性能的影响能的影响 从石油原油中炼制燃料的典型工艺流程：从石油原油中炼制燃料的典型工艺流程： 直馏法：将原油在炼油塔中进行加热蒸馏；直馏法：将原油在炼油塔中进行加热蒸馏； 不同分馏温度得到不同成分的燃油不同分馏温度得到不同成分的燃油 这一部分这一部分燃料油约占原油的燃料油约占原油的25%40%裂解法：通过加温加压方法进行裂解；裂解法：通过加温加压方法进

9、行裂解；催化重整：使用催化剂进行裂解；催化重整：使用催化剂进行裂解；加氢精制：加氢精制：将蒸馏后的重油等一些高将蒸馏后的重油等一些高分子成分用不同手段裂解分子成分用不同手段裂解为分子量较轻的成分。为分子量较轻的成分。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering 表 4-3 不同炼制方法对油料性质的影响 油料 直馏法 热裂法 催化裂化法 汽油 稳定性好，含 90%95%的烷烃与环烷烃，芳香烃不超过 5%9%，不含不饱和链状烃，其 MON 辛烷值大致在 5070

10、含有较多的不饱和烃，储存 中易产生胶质，抗爆性比直 馏汽油好，其 MON 辛烷值 约为 5868 范围内 芳 香 烃 的 体 积 分 数 约32%40%， 烷烃为 50%60%，环烷烃为 8%10%，品质高，抗爆性好，辛烷值可达 7784，RON 可达 90 以上 柴油 含有20%30%的芳香烃具有较高的十六烷值 含有大量不饱和烃，十六烷值较低，一般用作中低速柴油机燃料 性能较好，可作高品质柴油使用，用于高速柴油机中 福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineerin

11、g 热裂解：工艺简单；热裂解：工艺简单； 但燃油的稳定性差，辛烷值低。但燃油的稳定性差，辛烷值低。 催化重整：使正构烷烃或环烷烃催化重整：使正构烷烃或环烷烃异构物烃和异构物烃和 芳香烃；芳香烃； 副产品氢气可作为加氢工艺的氢气来源。副产品氢气可作为加氢工艺的氢气来源。 加氢精制：可使烯烃变成饱和烃，还可以脱碳，加氢精制：可使烯烃变成饱和烃，还可以脱碳，脱氮，脱氧以及脱金属等作用，满足油品的更高脱氮，脱氧以及脱金属等作用，满足油品的更高要求。要求。 为获得高品质燃料，常采用加氢精制或催化重整为获得高品质燃料，常采用加氢精制或催化重整工艺。工艺。福州大学福州大学Fuzhou UniversityF

12、uzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering4.1.3 4.1.3 代用燃料及其特性代用燃料及其特性1、气体燃料、气体燃料 NG：自由态或与石油共存的天然气，主要成分是甲烷：自由态或与石油共存的天然气，主要成分是甲烷,CH4; 成为第三大支柱能源。成为第三大支柱能源。 汽车上的应用：汽车上的应用： 压缩天然气压缩天然气(CNG)，20MPa 存于高压气瓶中；存于高压气瓶中； 液化天然气液化天然气(LNG)，-162低温液化储存；低温液化储存； 其密度为常态下气体密度的其密度为常态下气体密度的600倍；倍； 行驶

13、距离长；但成本高。行驶距离长；但成本高。 LPG: 天然石油气或石油炼制中产生的液化石油气天然石油气或石油炼制中产生的液化石油气 主要成分：丙烷主要成分：丙烷/丙烯丙烯/丁烷丁烷/丁烯及其异构物。丁烯及其异构物。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering天然气燃料的优点：天然气燃料的优点： 主要成分是甲烷，主要成分是甲烷，CO、HC排放少，燃料中不含硫的成分排放少，燃料中不含硫的成分，SO2排放量低于电动汽车。排放量低于电动汽车。 辛烷值高达辛烷值高达130

14、，可提高压缩比，可提高压缩比热效率热效率 。 燃烧下限宽，稀燃优越，运转范围内可降低燃烧下限宽，稀燃优越，运转范围内可降低NOx。 气体燃料，低温起动及低温运转性能良好。气体燃料，低温起动及低温运转性能良好。天然气燃料的缺点：天然气燃料的缺点： 气体燃料，常温常压下储运性能差，能流密度低气体燃料，常温常压下储运性能差，能流密度低，一次充一次充气可行驶距离短。气可行驶距离短。 储气压达储气压达20MP，燃料容器加重。，燃料容器加重。 因气态吸入气缸，充气效率降低；单位体积的混合气热值因气态吸入气缸，充气效率降低；单位体积的混合气热值低，功率降低近低，功率降低近10%福州大学福州大学Fuzhou

15、UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering用于汽车的三种形式：用于汽车的三种形式： CNG以以20MPa压缩储存；压缩储存； 液化天然气液化天然气 LNG -162以下储存；以下储存； 吸附天然气吸附天然气 ANG吸附材料吸附材料 液液化化天天然然气气汽汽车车 LNG 天天然然气气汽汽车车 压压缩缩天天然然气气汽汽车车 CNG 吸吸附附天天然然气气汽汽车车 ANG 天天然然气气专专用用汽汽车车： 以以压压缩缩天天然然气气为为单单一一燃燃料料 以以汽汽油油机机改改进进型型 和和柴柴油油机机

16、改改进进型型 两两用用燃燃料料汽汽车车： 两两种种燃燃料料哪哪一一种种多多能能行行驶驶的的汽汽车车 天天然然气气/ /汽汽油油、 L LP PG G 双双燃燃料料汽汽车车： 两两种种燃燃料料混混合合使使用用的的汽汽车车 天天然然气气+ +柴柴油油 混混合合动动力力汽汽车车： 天天然然气气发发动动机机和和电电机机等等组组合合的的汽汽车车 福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering2. 醇类燃料：主要指甲醇和乙醇醇类燃料：主要指甲醇和乙醇 甲醇：从天然气、煤、生

17、物质等原料中提取。甲醇：从天然气、煤、生物质等原料中提取。 乙醇：从含淀粉和糖的农作物中制取。乙醇：从含淀粉和糖的农作物中制取。 特点：相对汽油特点：相对汽油热值低，但醇中含氧量大，所需理论空气量比汽油少，所热值低，但醇中含氧量大，所需理论空气量比汽油少，所以两者混合气热值相近，保证发动机动力性能不降低以两者混合气热值相近，保证发动机动力性能不降低醇的汽化潜热为汽油的三倍；燃料蒸发汽化可促使进气温醇的汽化潜热为汽油的三倍；燃料蒸发汽化可促使进气温度降低，增加充气量，但冷起动困难需要预热。度降低，增加充气量，但冷起动困难需要预热。辛烷值高，抗爆性能好，可提高压缩比。辛烷值高，抗爆性能好，可提高压

18、缩比。沸点低，产生气阻的倾向大。沸点低，产生气阻的倾向大。甲醇对视神经有损伤作用，有毒性，储运及使用中注意安甲醇对视神经有损伤作用，有毒性，储运及使用中注意安全；甲醇对金属有一定腐蚀作用，需防腐蚀措施。全；甲醇对金属有一定腐蚀作用，需防腐蚀措施。原料来源广泛，可再生，有较好的燃料特性福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle Engineer

19、ingVehicle Engineering3. 生物柴油生物柴油 由动物脂肪或植物油通过酯化反应得到的长链脂肪酸甲由动物脂肪或植物油通过酯化反应得到的长链脂肪酸甲(乙乙)酯酯组成的新型燃料。具有与柴油相近的性能。组成的新型燃料。具有与柴油相近的性能。特点：特点：环保性优良。含环保性优良。含S低，不含芳香烃，保持低，不含芳香烃，保持CO2平衡。平衡。十六烷值高，燃烧性能好，润滑性能好。十六烷值高，燃烧性能好，润滑性能好。闪点高，可溶解，对土地和水的污染小，可大大减轻意外闪点高，可溶解，对土地和水的污染小，可大大减轻意外泄漏时对环境的污染泄漏时对环境的污染安全性好。安全性好。可再生。资源不会枯竭

20、。可再生。资源不会枯竭。能与石油柴油以任何比例相溶，与柴油混烧或纯烧生物柴能与石油柴油以任何比例相溶，与柴油混烧或纯烧生物柴油，可直接应用现有的柴油机及供油系统和加油站系统。油，可直接应用现有的柴油机及供油系统和加油站系统。光合作用自然循环福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering

21、加热至80福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering燃料使用特性指标燃料使用特性指标与发动机使用有关的与发动机使用有关的评价燃油品评价燃油品质质的指标。的指标。反映反映燃烧性能燃烧性能的有关指标，如柴油的十六烷值、汽的有关指标，如柴油的十六烷值、汽油的辛烷值、燃点、馏程等。油的辛烷值、燃点、馏程等。反映燃油反映燃油输送性能输送性能、流动性能流动性能的有关指标，如粘的有关指标，如粘度、凝点等。度、凝点等。和发动机和发动机排放性能排放性能的有关指标。如杂质、灰分

22、、含的有关指标。如杂质、灰分、含硫量、残炭等。硫量、残炭等。4.2 4.2 传统燃料的现状及使用特性传统燃料的现状及使用特性福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering.1柴油柴油1 1、十六烷值、十六烷值评价柴油评价柴油自燃性自燃性的指标，它与柴油机的启动型和工的指标，它与柴油机的启动型和工作粗暴性有密切关系。作粗暴性有密切关系。 轻柴油轻柴油C16-23重柴油重柴油C23以上以上分析十六烷值对发动机性分析十六烷值对发动机性能的影响，什么燃料

23、的十能的影响，什么燃料的十六烷值高？六烷值高？工作柔和工作柔和改善冷启动性能改善冷启动性能福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering按一定比例将十六烷和按一定比例将十六烷和-甲基萘配制成混合燃料，在甲基萘配制成混合燃料，在试验机上比较被测柴油与混合燃料燃烧情况。试验机上比较被测柴油与混合燃料燃烧情况。 混合燃料的自燃性和被测柴油相同时，混合燃料中十混合燃料的自燃性和被测柴油相同时，混合燃料中十六烷的体积百分数即所测柴油的十六烷值。六烷的体积百分数即所测柴油的

24、十六烷值。国产车用柴油的十六烷值一般规定在国产车用柴油的十六烷值一般规定在40-5540-55之间。之间。测量方法：测量方法：福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering 十六烷值：与燃料的分子结构有关；十六烷值：与燃料的分子结构有关； 可通过原油种类、炼制方法、添加剂来控制可通过原油种类、炼制方法、添加剂来控制; 直链烷烃类、分子量、直链烷烃类、分子量、C数增加时十六烷值增加数增加时十六烷值增加; 所以，十六烷值高，便于起动，着火落后期缩短所以，十六烷值高，

25、便于起动，着火落后期缩短; 但，分子量增加，蒸发性变差，粘度增加，冒黑烟，经济但，分子量增加，蒸发性变差，粘度增加，冒黑烟，经济性恶化。性恶化。 一般，十六烷值：一般，十六烷值：4565，不要过大，不要过大 过大：冒烟过大：冒烟 过小：不易着火过小：不易着火十六烷值取决于那些因素？十六烷值越大越好吗？十六烷值取决于那些因素？十六烷值越大越好吗？福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering燃料中不同成分对化学安全性的影响 十六烷值取决于那些因素？十六烷值越大越好

26、吗？十六烷值取决于那些因素？十六烷值越大越好吗？福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering2 2、馏程、馏程评价柴油评价柴油蒸发性蒸发性的指标。的指标。50% 50% 馏出温度馏出温度低，柴油蒸发性好，轻馏分多，有低，柴油蒸发性好，轻馏分多，有利于混合气形成和着火，冷起动性能好。利于混合气形成和着火，冷起动性能好。90% 90% 和和 95% 95% 馏出温度馏出温度高，柴油中重馏分多，燃高，柴油中重馏分多，燃烧容易不完全，易形成积炭，排气容易冒烟。烧容易不

27、完全，易形成积炭，排气容易冒烟。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering3 3、粘度、粘度表示流体内部表示流体内部摩擦力摩擦力粘度大粘度大，柴油喷射时，雾化质量差，燃烧不，柴油喷射时，雾化质量差，燃烧不完全，燃油消耗率高，排气冒烟。完全，燃油消耗率高，排气冒烟。粘度小粘度小，喷油泵、喷油嘴的偶件润滑不良，喷油泵、喷油嘴的偶件润滑不良，磨损严重，寿命短。磨损严重，寿命短。 柴油必须具有一定的粘度。轻柴油的粘度为柴油必须具有一定的粘度。轻柴油的粘度为: : 2

28、.5 2.5 8 810 10 -6 -6 m m2 2/ s/ s（20 20 时）。时）。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering4 4、凝点、凝点评价柴油的评价柴油的输送性和流动性输送性和流动性的指标。的指标。 轻柴油牌号按其凝点确定。轻柴油牌号按其凝点确定。柴油柴油凝点是指其失去流动性时的摄氏凝点是指其失去流动性时的摄氏温度。温度。 根据国标（根据国标（GB25287GB25287），轻柴油规格按凝点分为），轻柴油规格按凝点分为1010、0 0、-

29、10-10、-20-20、-35-35和和-50-50六个牌号，分别表示凝点不高于六个牌号，分别表示凝点不高于1010、00、-10-10、-20-20、-35-35和和-50-50；牌号越高，凝点越低。牌号越高，凝点越低。选用柴油时，按其凝点应比最低环境温度约高出选用柴油时，按其凝点应比最低环境温度约高出5 5 确确定牌号。定牌号。Q：如何划分以及选：如何划分以及选择柴油的等级？择柴油的等级？福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering5 5、热值、热值评价

30、柴油评价柴油做功能力做功能力的指标。的指标。 热值是指热值是指1Kg1Kg燃料燃料完全燃烧所释放的热量，热值越大的完全燃烧所释放的热量，热值越大的燃料，气单位燃料完全燃烧所能放出的能量越大燃料，气单位燃料完全燃烧所能放出的能量越大福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering小结：总结柴油小结：总结柴油主要的特性指标主要的特性指标十六烷值十六烷值馏程馏程粘度粘度凝点凝点热值热值福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车

31、辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering1 1、辛烷值、辛烷值评价汽油评价汽油抗爆性抗爆性的指标。的指标。 4.2.2 4.2.2 汽油汽油爆燃：爆燃：汽油的燃烧过程中，可能出现一种不汽油的燃烧过程中，可能出现一种不正常的自燃现象，成为爆燃。正常的自燃现象，成为爆燃。 福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering 测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用的为的为马达法（马

32、达法（MONMON）与与研究法（研究法（RONRON）。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering马达法（马达法（MONMON：Moter octane numberMoter octane number）的辛烷）的辛烷值高还是研究法（值高还是研究法（RON: Research octane RON: Research octane numbernumber） ？ 马达法辛烷值低于马达法辛烷值低于研究法辛烷。研究法辛烷。一般采用一般采用研究法辛烷值研究法辛烷

33、值来确定汽来确定汽油的抗爆性。如要比较全油的抗爆性。如要比较全面表示抗爆性时，同时标面表示抗爆性时，同时标出出RONRON和和MONMON值。值。MON=RONMON=RON0.8+100.8+10 车用汽油按车用汽油按MONMON分分7070、7575、8080、8585号号4 4种牌号种牌号福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle EngineeringMONRONSa燃料的灵敏度：燃料的灵敏度：用于表示对工况的敏感性和适应性。用于表示对工况的敏感性和适应性。辛烷值的大小取决

34、辛烷值的大小取决于什么？市场上卖于什么？市场上卖的燃油添加剂是用的燃油添加剂是用来增强汽油的抗爆来增强汽油的抗爆性的吗？性的吗？福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering汽油辛烷值的大小取决于汽油辛烷值的大小取决于汽油的组成成分、汽油的组成成分、炼制方法以及添加剂等炼制方法以及添加剂等。根据燃料的化学结构，辛烷值的高低顺序依次根据燃料的化学结构，辛烷值的高低顺序依次为：为：烷烃烷烃 烯烃烯烃 环烷烃环烷烃 1稀混合气稀混合气a 1a1时完全燃烧的产物及数量时

35、完全燃烧的产物及数量1 1、燃烧前混合气的数量（空气和燃料蒸气）、燃烧前混合气的数量（空气和燃料蒸气） TaMLm10101Lma汽油机汽油机 柴油机柴油机 )32412(21. 010OHCwwwLkmol/kgMT为燃料的为燃料的相对分子量相对分子量 福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering2 2、燃烧产物的数量、燃烧产物的数量 32402OHawwLm 在在a1a1时，完全燃烧时的产物是由时，完全燃烧时的产物是由COCO2 2、H H2 2O O、剩

36、剩余的余的O O2 2以及未参加反应的空气中的以及未参加反应的空气中的N N2 2组成。组成。3 3、燃烧前产物的增量、燃烧前产物的增量TOHOHMwwwwmmm132432412柴油机柴油机汽油机汽油机2222222COCOHOH O福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering4 4、理论分子变更系数、理论分子变更系数u0u0TaTOHaOHMLMwwLwwmmmmmmm1132413241100111120柴油机柴油机汽油机汽油机 汽油机汽油机 柴油机柴油

37、机12. 104. 1006. 103. 10福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering4.3.4 4.3.4 燃料热值与混合气热值燃料热值与混合气热值1. 燃料的热值：燃料的热值： 定义：定义： 1kg燃料完全燃烧所放出的热量。燃料完全燃烧所放出的热量。 低热值：产物中低热值：产物中H2O以水蒸气状态存在；以水蒸气状态存在； 高热值：产物中高热值：产物中H2O以液体状态存在。以液体状态存在。2. 混合气热值：单位混合气完全燃烧所放出的热量混合气热值：单位混

38、合气完全燃烧所放出的热量 设设1kg燃料形成的混合气量为燃料形成的混合气量为M1，燃料低热值，燃料低热值h ;则，则，rTamixMLhMh Q101气化气化潜热潜热福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle EngineeringNGNGLPGLPG甲醇甲醇乙醇乙醇汽油汽油柴油柴油分子式分子式C1-C3C1-C3C3-C4C3-C4CH3COHCH3COHC2H5OHC2H5OHC5-C11C5-C11C15-C23C15-C23热值热值（kJ/kgkJ/kg）500505005

39、046390463902026020260270002700044000440004250042500混合气热混合气热值（值（kJ/mkJ/m3 3）323032303490349035573557366036603750375037503750RONRON13013096-11196-11111011010610696-10696-106MONMON120-120-13013089-9689-969292808081-8981-89 当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环对工质当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环对工质的加热量的加热量取决于单位体积可燃混合气的热值取决于单位体积可燃混合气的

40、热值，而不是取，而不是取决于燃料的热值。决于燃料的热值。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering4.4 4.4 燃烧的基本知识燃烧的基本知识 燃烧过程：着火阶段燃烧过程：着火阶段燃烧准备过程燃烧准备过程 燃烧阶段燃烧阶段放热过程放热过程 一、着火理论一、着火理论着火过程：指混合气自动加速反应，产生升温，着火过程：指混合气自动加速反应，产生升温，最终某一时刻某一位置出现火焰的过程。最终某一时刻某一位置出现火焰的过程。特点：有明显的光和火焰效应特点：有明显的光

41、和火焰效应着火理论着火理论(方式方式)：着火热理论着火热理论 链锁反应理论链锁反应理论 点燃点燃自燃理论自燃理论福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering1、着火的热理论、着火的热理论加热一充满空气和燃料混合气的容器加热一充满空气和燃料混合气的容器受热燃料分子和氧分子动能受热燃料分子和氧分子动能 而相撞而相撞活化分子相撞能量活化分子相撞能量反应活化能反应活化能E时，打破时，打破化学键而引起化学反应化学键而引起化学反应福州大学福州大学Fuzhou Univer

42、sityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering设：容器中总分子数设：容器中总分子数n； 超过活化能超过活化能E的活化分子数的活化分子数n*；则则 按照能量分配定律：按照能量分配定律：RTEenn*R：气体常数；：气体常数；E：活化能；：活化能；T：绝对温度：绝对温度 可见，可见，T 时，活化分子所占比例时，活化分子所占比例 ，化学反应加速，化学反应加速 反应速度反应速度v：单位时间单位体积中出现的氧化产物的分子：单位时间单位体积中出现的氧化产物的分子数，与数，与n*/n成比例，即成比例，即 RTEeC1

43、福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering又又 燃料氧化反应放热速率与氧化反应速度成比例：燃料氧化反应放热速率与氧化反应速度成比例： RTEeCdtdq21C2：与分子的反应热及气：与分子的反应热及气体的压力有关的系数体的压力有关的系数 反应时单位时间内向容器壁的传热量为：反应时单位时间内向容器壁的传热量为： 02TTAdtdqA: 与容器材料、形状及与容器材料、形状及气体导热率有关的系数气体导热率有关的系数 放热率放热率=传热率传热率 放热率放热率dq2/

44、dt； 热量积累热量积累着火。着火。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering结论：结论：TC与混合气的物理化学性质、环境温度、压力、与混合气的物理化学性质、环境温度、压力、容器形状及散热情况有关；容器形状及散热情况有关； 同一种燃料，因条件不同，同一种燃料，因条件不同， 着火温度不同。着火温度不同。临界临界Tc与压力与压力pc明显影响明显影响 着火域；着火域； pc低时需要低时需要 Tc。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou Un

45、iversity车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering存在混合气浓度的着火界限；随温度和压力存在混合气浓度的着火界限；随温度和压力 ，着火界限加宽，但有限。当温度和压力低于临界着火界限加宽，但有限。当温度和压力低于临界值时，无论在什么浓度下，均不能着火。值时，无论在什么浓度下，均不能着火。上限上限下限下限天然气的着火界天然气的着火界限比较宽，所以限比较宽，所以经济性好经济性好福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Eng

46、ineering在低温、低压区着火规律与在低温、低压区着火规律与高温区完全不同高温区完全不同存在着火半岛。存在着火半岛。 蓝焰期：甲醛的支链反蓝焰期：甲醛的支链反应而产生应而产生CO；辉光较强，；辉光较强，p、T ；持续期短；持续期短热焰期热焰期:CO+氧生成氧生成CO2爆炸性热火爆炸性热火焰，释放大量热焰，释放大量热冷焰冷焰:过氧化物分过氧化物分解成甲醛解成甲醛,并积累并积累低温多阶段着火低温多阶段着火冷焰诱导期冷焰诱导期 1: T低反应缓慢，形低反应缓慢，形成过氧化物成过氧化物 烃燃料低温下着火过程烃燃料低温下着火过程(光谱分析光谱分析)：冷焰冷焰 2蓝焰蓝焰 3热焰热焰 4三个阶段。三个

47、阶段。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering烃燃料低温低压时的着火规律：退化支链反应烃燃料低温低压时的着火规律：退化支链反应的结果的结果低温多阶段着火低温多阶段着火。烃燃料高温时：甲醛退化支链反应不经过冷焰烃燃料高温时：甲醛退化支链反应不经过冷焰期，而直接进入蓝焰期，而直接进入蓝焰-热焰期，因蓝焰热焰期，因蓝焰-热焰期很热焰期很难区分难区分高温单阶段着火。高温单阶段着火。高温单阶段着火高温单阶段着火高温时：甲醛退化支链高温时：甲醛退化支链反应不经冷焰，直

48、接进反应不经冷焰，直接进入蓝焰入蓝焰-热焰期。热焰期。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering2 2、链锁反应、链锁反应反应自动加速不一定要依靠反应自动加速不一定要依靠热量的积累热量的积累使大量使大量分子活化，通过链锁反应分子活化，通过链锁反应逐渐积累活化中心逐渐积累活化中心的的方法也能使反应自动加速，直至着火。方法也能使反应自动加速，直至着火。链锁反应：链锁反应：将活性中心再生的反应过程称为连锁反应。将活性中心再生的反应过程称为连锁反应。链锁反应的过程：

49、链锁反应的过程：链引发链引发链传播链传播链中断链中断福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering例如：氢的燃烧化学方程：例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O22H2O实际过程是：实际过程是：链引发：链引发：H2 2H链传播链传播(链爆炸链爆炸)： H+O2 OH+O O+H2OH+H 2OH+H2 2H2O+2H链中断：链中断： H+H+M H2+M（M是惰性气体分子）是惰性气体分子） H+OH+M H2O+M H+O+M OH+M反应物分子分解为自由原子或自由

50、基，形反应物分子分解为自由原子或自由基，形成活化中心。成活化中心。反应进一步推进，生成新的自由原子或自反应进一步推进，生成新的自由原子或自由基。由基。具有反应能力的自由原子或自由基与冷的具有反应能力的自由原子或自由基与冷的壁面或惰性气体碰撞壁面或惰性气体碰撞,使反应能力减小。使反应能力减小。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle EngineeringCH+N2 HCN+NCH2+N2HCN+NH例如：柴油机燃烧过程中有两种例如：柴油机燃烧过程中有两种NOxNOx混合气的着火往

51、往不是单一机理进行，二者机理同混合气的着火往往不是单一机理进行，二者机理同时存在相互促进。一般说，在高温下以热爆炸为主，时存在相互促进。一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链锁反应为主。在低温下以链锁反应为主。快速快速NONO的产生是个典型的连锁反应过程的产生是个典型的连锁反应过程热力热力NOxNOx快速快速NOxNOx很容易与很容易与O O结合结合生成快速生成快速NOxNOx福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering链锁反应特点：链锁反应特点：1）诱导

52、期）诱导期 i：积累活性中心过程，量变；：积累活性中心过程，量变；2）链爆炸的原因，是能激发活性中心，不一定高温）链爆炸的原因，是能激发活性中心，不一定高温; 3）反应自动加速；随温度急剧增高（）反应自动加速；随温度急剧增高（AB）;随反应随反应度浓度的减少而降低（度浓度的减少而降低（BC）4）加入惰性气体时，）加入惰性气体时， 反应速度迅速下降；反应速度迅速下降； 而加入添加剂时：而加入添加剂时： 使反应速度加速。使反应速度加速。与反应物物性参数、浓度、与反应物物性参数、浓度、温度、容器形状有关温度、容器形状有关福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou Universi

53、ty车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering3 3、点燃、点燃 点燃是指利用电火花等外部能量在可燃混合气中点燃是指利用电火花等外部能量在可燃混合气中产生火焰核心产生火焰核心并而并而引起火焰传播引起火焰传播的过程。的过程。能够可靠着火所需要的最能够可靠着火所需要的最小能量称为小能量称为最低点火能量最低点火能量。燃料的种类燃料的种类混合气的含量混合气的含量空气的氧含量空气的氧含量压力和温度压力和温度点火处气流的运动状况点火处气流的运动状况电火花的性质电火花的性质电极的几何形状和距离电极的几何形状和距离燃料燃料汽油汽油酒精酒精苯苯醚醚上限上限0

54、.0.4下限下限51.251.25可燃混合气范围可燃混合气范围或者着火界限或者着火界限福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering电极间隙与点火能量关系：电极间隙与点火能量关系： 电极间隙过大电极间隙过大需点火能量越大；需点火能量越大； 间隙过小间隙过小能量在大也不能着火。能量在大也不能着火。熄火距离：指不能着火的最小电极间隙。熄火距离：指不能着火的最小电极间隙。混合气浓度限制：混合气

55、浓度限制： 超出着火界限，不能着火。超出着火界限，不能着火。汽油机循环变动：汽油机循环变动： 火焰核形成过程中条件的随机性火焰核形成过程中条件的随机性 造成。造成。福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering4.4.2 4.4.2 内燃机的燃烧方式内燃机的燃烧方式预混合燃烧预混合燃烧扩散燃烧扩散燃烧均质压燃均质压燃1 1预混燃烧预混燃烧 着火之前，燃料蒸汽和空气已经充分混合，这种混合着火之前，燃料蒸汽和空气已经充分混合，这种混合气称为预混合气，这种混合气的燃烧

56、方式称为气称为预混合气，这种混合气的燃烧方式称为预混合燃烧预混合燃烧。 特点特点 燃烧室空间各点上的燃烧室空间各点上的压力和温度是不均压力和温度是不均匀的匀的，所以在局部地区点燃后形成火焰核，所以在局部地区点燃后形成火焰核，然后在预混合气中然后在预混合气中以火焰传播以火焰传播形式完成燃烧形式完成燃烧过程。过程。 福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering燃烧室内气体分为燃烧室内气体分为燃烧产物燃烧产物相和未燃混合气相两个相相和未燃混合气相两个相燃烧速度取决于

57、燃烧速度取决于火焰的传播火焰的传播速度速度预混合气中的火焰传播和气预混合气中的火焰传播和气体流动情况有很大关系，可体流动情况有很大关系，可分为分为层流火焰传播和湍流火层流火焰传播和湍流火焰传播焰传播福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering根据混合气的气流特性将预混合气的火焰传播过根据混合气的气流特性将预混合气的火焰传播过程分为层流火焰传播和湍流火焰传播过程。程分为层流火焰传播和湍流火焰传播过程。1）层流火焰传播）层流火焰传播: 特点：火焰前锋为球面，且很薄

58、特点：火焰前锋为球面，且很薄=1/10mm1/100mm 层流火焰将燃烧室分为已燃和未燃区层流火焰将燃烧室分为已燃和未燃区传播原理：层流火焰面内温度梯度和浓度梯度很大传播原理：层流火焰面内温度梯度和浓度梯度很大; 引起强烈的传热和传质现象；引起强烈的传热和传质现象； 促使邻近混合气快速化学反应；促使邻近混合气快速化学反应； 造成火焰空间移动现象造成火焰空间移动现象火焰传播火焰传播福州大学福州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering影响层流火焰传播的因素：生成影响层流火

59、焰传播的因素：生成HC的主要原因的主要原因混合气性质：混合气性质： 当当 a=0.80.9时，反应温度高，传播速度最快；时，反应温度高，传播速度最快； 当当 a=11.15时，传播速度约降低时，传播速度约降低10%15%； 过浓或过稀：反应温度过低不能维持火焰传播过浓或过稀：反应温度过低不能维持火焰传播缝隙：火焰不能传播的最小缝隙称为淬熄距离；缝隙：火焰不能传播的最小缝隙称为淬熄距离； 如气缸间隙、火花塞缝隙等火焰不能传播；如气缸间隙、火花塞缝隙等火焰不能传播；温度：火焰传播到壁面时，温度：火焰传播到壁面时，T过低不能传播。过低不能传播。smsmL/5 . 0/4 . 0汽油机一般：福州大学福

60、州大学Fuzhou UniversityFuzhou University车辆工程系车辆工程系Vehicle EngineeringVehicle Engineering2）湍流火焰传播）湍流火焰传播 湍流：气流中不同尺寸涡旋不断形成、发展、分湍流：气流中不同尺寸涡旋不断形成、发展、分解与消失的不稳定过程。解与消失的不稳定过程。产生原因：粘性气流速度增加到一定值后，由于产生原因：粘性气流速度增加到一定值后，由于边界阻碍、外部干扰等，气流内部形成许多涡旋边界阻碍、外部干扰等，气流内部形成许多涡旋而造成。而造成。特点：涡旋套涡旋，各种不同尺寸的涡旋组成连特点：涡旋套涡旋，各种不同尺寸的涡旋组成连续