第四章 燃料与燃烧

1、第四章第四章 燃料与燃烧燃料与燃烧本章要求：本章要求：了解：石油的基本组成和各种燃料的基本性能。了解：石油的基本组成和各种燃料的基本性能。理解：燃烧热值、燃烧过程、发动机混合气的理解：燃烧热值、燃烧过程、发动机混合气的着火和燃烧方式。着火和燃烧方式。 第第1 1节节 发动机燃料发动机燃料石油的主要成分：石油的主要成分：石油燃料石油燃料汽油：碳原子汽油：碳原子5-75-7的烃类，沸点的烃类，沸点60-20560-205。柴油：碳原子柴油：碳原子10-2210-22的烃类，沸点的烃类，沸点180-370180-370。石油燃料馏分表石油燃料馏分表碳氢化合物（烃），占碳氢化合物（烃），占96%-99

2、%96%-99%，少量少量O O、N N、S S等，占等，占1%-4%1%-4%一、汽油的使用特性一、汽油的使用特性1 1、蒸发性：、蒸发性： 强混合均匀，燃烧完全，起动加速性好，运转平强混合均匀，燃烧完全，起动加速性好，运转平稳；但易产生气阻，储存运输损失也大；稳；但易产生气阻，储存运输损失也大； 差混合气形成不良，起动、加速性差，燃烧不完差混合气形成不良，起动、加速性差，燃烧不完全，附在汽缸壁上的油滴易破坏润滑油膜。全，附在汽缸壁上的油滴易破坏润滑油膜。馏出温度：馏出温度：10%10%：低低- -起动性好；但过低易气阻。起动性好；但过低易气阻。50%50%：低低- -挥发性好，加速性和平稳

3、性好，暖机时间短。挥发性好，加速性和平稳性好，暖机时间短。90%90%：标志含有难挥发的重质成分。高标志含有难挥发的重质成分。高- -则重质成分多，易则重质成分多，易形成积炭，从而稀释机油。形成积炭，从而稀释机油。2 2、 抗暴性：抗暴性：汽油在气缸内燃烧抵抗爆震的能力。汽油在气缸内燃烧抵抗爆震的能力。辛烷值：辛烷值：正庚烷（辛烷值正庚烷（辛烷值0 )0 )异辛烷（辛烷值异辛烷（辛烷值100100）与汽油抗暴性比较与汽油抗暴性比较混合液中异辛烷的体积百分数即为辛烷值。混合液中异辛烷的体积百分数即为辛烷值。研究法（研究法（RONRON）和马达法（）和马达法（MONMON）辛烷值测定方法：辛烷值测

4、定方法： 二者之差为汽油的灵敏度，是衡量抗暴性随着燃烧条二者之差为汽油的灵敏度，是衡量抗暴性随着燃烧条件而变化的尺度。件而变化的尺度。 我国汽油牌号按研究法辛烷值进行标定我国汽油牌号按研究法辛烷值进行标定：如：如90#90#、93#93#和和97#97#（其研究法辛烷值分别为（其研究法辛烷值分别为9090、9393和和9797）。）。3 3、 氧化安定性：氧化安定性： 抵抗氧化长久保持性质不变的能力。抵抗氧化长久保持性质不变的能力。 氧化安定性差，易氧化、聚氧化安定性差，易氧化、聚合，生成酸性或胶状物质，加重合，生成酸性或胶状物质，加重腐蚀、堵塞，积炭，爆震倾向加腐蚀、堵塞，积炭，爆震倾向加大

5、。大。实际胶质实际胶质诱导期诱导期4 4、 添加剂：添加剂： 为改善汽油使用性能（抗爆、抗氧等）。为改善汽油使用性能（抗爆、抗氧等）。 主要影响成分：主要影响成分： 不饱和烃。不饱和烃。四乙基铅（四乙基铅（TELTEL）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） 乙醇乙醇 二、柴油的使用特性二、柴油的使用特性1 1、自燃性：、自燃性：正十六烷（十六烷值正十六烷（十六烷值100100） - -甲基萘甲基萘（十六烷值（十六烷值0 0）与柴油自燃性比较与柴油自燃性比较在无外界火源时，柴油自行着火的能力。在无外界火源时，柴油自行着火的能力。十六烷值：

6、十六烷值：混合液中正十六烷的体积百分数即为十六烷值。混合液中正十六烷的体积百分数即为十六烷值。 十六烷值过高，柴油喷入后来不及混合便开始着火，十六烷值过高，柴油喷入后来不及混合便开始着火，燃烧不完全，冒黑烟；燃烧不完全，冒黑烟； 十六烷值过低，不仅起动困难，而且由于着火落后十六烷值过低，不仅起动困难，而且由于着火落后期长，工作粗暴。期长，工作粗暴。车用柴油的十六烷值通常在车用柴油的十六烷值通常在40-6540-65范围内。范围内。 浊点：浊点：柴油中所含石蜡开始结晶，变混浊的温度。柴油中所含石蜡开始结晶，变混浊的温度。 凝点：凝点：柴油失去流动性开始凝结的温度。柴油失去流动性开始凝结的温度。

7、我国轻柴油按凝点分我国轻柴油按凝点分1010、0 0、-10-10、-20-20、-35-35号号5 5个牌个牌号号（分别对应凝点（分别对应凝点1010、0 0、-10-10-20-20和和-35-35）。）。 粘度高，供油和雾化不良，起粘度高，供油和雾化不良，起动困难，燃烧不良（冒黑烟）。动困难，燃烧不良（冒黑烟）。 粘度低，喷油泵、喷油器等精密偶件易粘度低，喷油泵、喷油器等精密偶件易漏油，同时会因油膜承载能力差，磨损也加剧。漏油，同时会因油膜承载能力差，磨损也加剧。 2. 2. 低温流动性低温流动性 流动性对使用性能的影响：流动性对使用性能的影响：流动性差（凝点高）：流动性差（凝点高）：流

8、动性过高：流动性过高： 3. 3. 蒸发性蒸发性 4. 4. 残炭值：残炭值： 指在无空气通入的情况下，柴油加热生成指在无空气通入的情况下，柴油加热生成碳值残渣的性质。碳值残渣的性质。残炭值高，易产生积炭。残炭值高，易产生积炭。 硫会造成腐蚀、酸雨、碳烟、三元催化中硫会造成腐蚀、酸雨、碳烟、三元催化中毒毒（柴油的含硫量高于汽油）（柴油的含硫量高于汽油）。 5. 5. 含硫量：含硫量： 馏出温度：馏出温度： 50%50%：低低- -轻质馏分多，起动性好。轻质馏分多，起动性好。 90%90%：低低- -重质馏分少，加速性和平稳性好，燃烧更充重质馏分少，加速性和平稳性好，燃烧更充分，经济性和排放性好

9、。分，经济性和排放性好。 磨损和腐蚀。磨损和腐蚀。 6. 6. 机械杂质和水：机械杂质和水：第第2 2节节 代用燃料代用燃料分类分类一、代用燃料分类一、代用燃料分类液态：甲醇、乙醇、植物油等。液态：甲醇、乙醇、植物油等。物态物态气态：压缩天然气、氢气、沼气、液化石油气等。气态：压缩天然气、氢气、沼气、液化石油气等。无氧：主要成分是无氧：主要成分是C C和和H H，如甲烷、天然气、氢气、液，如甲烷、天然气、氢气、液 化石油气等。化石油气等。成分成分含氧：除含氧：除C C和和H H外，还含有一定的外，还含有一定的O O，如醇类、植物油、，如醇类、植物油、 煤气等。煤气等。二、天然气：二、天然气：

10、特点：特点： 主要成分甲烷（主要成分甲烷（83%-99%83%-99%）。）。 1 1、密度低，燃烧时耗氧少，功率低、密度低，燃烧时耗氧少，功率低（普通燃料的（普通燃料的90%90%）；）； 2 2、抗暴性好、可加大压缩比，但自然性差，只能、抗暴性好、可加大压缩比，但自然性差，只能点燃；点燃； 3 3、气态易混合，燃烧完全，排放好；、气态易混合，燃烧完全，排放好； 4 4、含碳量少，、含碳量少，CO2CO2排放少，基本无碳烟；排放少，基本无碳烟； 5 5、便于实现稀薄燃烧。、便于实现稀薄燃烧。 天然气发动机：天然气发动机：纯天然气和双燃料（汽油、柴油起点燃作用）纯天然气和双燃料（汽油、柴油起点

11、燃作用）三、液化石油气：三、液化石油气： 特点：特点： 各种烃类（稀烃各种烃类（稀烃6%6%）。）。 1 1、热值略低于汽油、热值略低于汽油（甲烷越高热值越低）；（甲烷越高热值越低）； 2 2、抗暴性好、可加大压缩比、抗暴性好、可加大压缩比（甲烷含量越高抗暴（甲烷含量越高抗暴性越好）；性越好）； 3 3、着火界限宽；、着火界限宽； 4 4、着火温度高，燃烧速度慢，需要的点火能量大；、着火温度高，燃烧速度慢，需要的点火能量大； 5 5、气态易混合，燃烧完全，排放好；与柴油掺烧、气态易混合，燃烧完全，排放好；与柴油掺烧时可降低碳烟时可降低碳烟90%90%。四、醇类燃料：四、醇类燃料： 优点：优点：

12、甲醇、乙醇。甲醇、乙醇。 1 1、含氧高，燃烧所需空气少，燃烧基本无碳烟；、含氧高，燃烧所需空气少，燃烧基本无碳烟； 2 2、燃烧速度快，抗爆性好，可采用大压缩比，并、燃烧速度快，抗爆性好，可采用大压缩比，并可用于汽油添加剂，改善其抗爆性；可用于汽油添加剂，改善其抗爆性； 1 1、醇类对许多金属、非金属的腐蚀性强，同时生、醇类对许多金属、非金属的腐蚀性强，同时生成水又多，腐蚀、磨损加重；成水又多，腐蚀、磨损加重； 2 2、热值低、汽化潜热大、高挥发性成份低，凝点、热值低、汽化潜热大、高挥发性成份低，凝点又低，难起动；又低，难起动； 3 3、自然性差，只能点燃，所需点火能量大。、自然性差，只能点

13、燃，所需点火能量大。 缺点：缺点： 3 3、来源广泛。、来源广泛。第第3 3节节 燃烧化学燃烧化学一、燃料燃烧的热值一、燃料燃烧的热值热值：热值： 每千克燃油每千克燃油完全燃烧完全燃烧所放出的热量所放出的热量KJ/kgKJ/kg。高热值高热值：燃烧生成的水为液态时的热值（：燃烧生成的水为液态时的热值（用用H H0 0表示）。表示）。22COOC OHOH22212 低热值：低热值：燃烧生成的水为气态时的热值（燃烧生成的水为气态时的热值（用用H Hu u表示）。表示）。ruHHH 0 式中：式中： 生成水的汽化潜热。生成水的汽化潜热。 rH二、燃料燃烧所需的空气量二、燃料燃烧所需的空气量22CO

14、OC 2231138COOgCgCC 用用g gC C、g gH H、g gO O分别表示每千克燃油中分别表示每千克燃油中C C、H H、O O的千克数，的千克数，则完全燃烧时有：则完全燃烧时有：对对C C：OHOH22221 OHgOgHgHHH22298 对对H H： 则每千克燃油完全燃烧时需要供应的氧为：则每千克燃油完全燃烧时需要供应的氧为：OCHggg 3/88 空气中氧的质量百分比为空气中氧的质量百分比为21%21%，则实际所需空气量为：，则实际所需空气量为：21. 0/3/88）（OCHggg 理论空气量理论空气量L LO O ： 1kg 1kg燃油燃油完全燃烧完全燃烧所需的所需的

15、最少空气量最少空气量。根据：根据： g gC C g gH H g gO O 汽油汽油 0.855 0.145 0.855 0.145 0.0 0.0 柴油柴油 0.8700.870 0.126 0.0040.126 0.004 可得实际可得实际1kg1kg汽油汽油完全燃烧需要的理论空气量为完全燃烧需要的理论空气量为14.9kg14.9kg，而而1kg1kg柴油柴油完全燃烧需要的理论空气量为完全燃烧需要的理论空气量为14.5kg14.5kg. .三、过量空气系数与空燃比三、过量空气系数与空燃比 过量空气系数过量空气系数： 发动机工作过程中，发动机工作过程中，1kg1kg燃油燃烧时燃油燃烧时实际

16、供给的空气量实际供给的空气量L L与理论空气量与理论空气量L L0 0之比。之比。 可见：可见：=1=1时为理论混合气时为理论混合气,1,1 1时为稀混合气。时为稀混合气。=L/ L=L/ L0 0 柴油机和汽油机过量空气系数比较：柴油机和汽油机过量空气系数比较： 1 1、柴油机：、柴油机：挥发性差，缸内喷射雾化混合挥发性差，缸内喷射雾化混合需加大燃油与空气接触的机率需加大燃油与空气接触的机率 多供给空气多供给空气（组织进气涡流）（组织进气涡流） 一般范围为：一般范围为：1.2-2.1(1.2-2.1(非增压）非增压）/1.5-2.3/1.5-2.3（增压）。（增压）。过量空气系数过量空气系数

17、11 2 2、汽油机：、汽油机：挥发性好，缸外预混合挥发性好，缸外预混合过量空气系数仅与工况有关过量空气系数仅与工况有关1 1）起动：）起动：=0.2-0.6=0.2-0.62 2）怠速：）怠速：=0.6-0.8=0.6-0.83 3）中等负荷：）中等负荷：=0.95-1.15=0.95-1.15（1.11.1为经济经济混合气）为经济经济混合气）4 4）大负荷：）大负荷：=0.85-0.95=0.85-0.95（0.90.9为功率混合气）为功率混合气） 空燃比空燃比： 空气质量（流量）与燃料质量（流量）的比值。空气质量（流量）与燃料质量（流量）的比值。燃油燃油空气空气mm 对于汽油：理论空燃比

18、对于汽油：理论空燃比=14.9=14.914.914.9为稀混合气为稀混合气14.914.9为浓混合气为浓混合气 对于混合气浓度的调节：对于混合气浓度的调节：柴油机为柴油机为“质调节质调节”，而汽油机，而汽油机为为“量调节量调节”。第第4 4节节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论 发动机混合气的燃烧，本质上是燃油激烈的氧化反应。发动机混合气的燃烧，本质上是燃油激烈的氧化反应。根据氧化反应进行的激烈程度不同，燃烧分为两个阶段：根据氧化反应进行的激烈程度不同，燃烧分为两个阶段：着火与燃烧着火与燃烧。 1 1、着火：、着火： 是燃烧的物理和化学准备阶段。是燃烧的物理和化学准备阶段。物理准备：物理准备：化

19、学准备：化学准备：燃料的雾化、蒸发、与空气形成可燃混合气等。燃料的雾化、蒸发、与空气形成可燃混合气等。火焰前锋的缓慢氧化反应。逐渐积累热量或形成火焰前锋的缓慢氧化反应。逐渐积累热量或形成活化中心（速度很低，压力和温度无明显升高）。活化中心（速度很低，压力和温度无明显升高）。活化中心：活化中心：在压缩终了高温作用下，燃油分子反应生成活性在压缩终了高温作用下，燃油分子反应生成活性很强的自由原子或自由基（很强的自由原子或自由基（H H、O O、CHCH、OHOH等），等），加速反应进程加速反应进程（链锁反应）（链锁反应）。 3 3、发动机燃烧过程的三个步骤：、发动机燃烧过程的三个步骤： 2 2、燃烧

20、：、燃烧：氧化反应加速至激化的结果。氧化反应加速至激化的结果。进入燃烧有两种方法：进入燃烧有两种方法：点燃（汽油机）点燃（汽油机）利用火花塞点燃混合气。利用火花塞点燃混合气。自燃（柴油机）自燃（柴油机）利用自身积累的热量或活化中心着火。利用自身积累的热量或活化中心着火。1 1）燃油与空气形成可燃混合气；）燃油与空气形成可燃混合气；2 2）点燃可燃混合气，或可燃混合气发生自燃；）点燃可燃混合气，或可燃混合气发生自燃；3 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，形成全面燃烧。 点燃是在局部混合气内（火花塞附近）进行的，而自燃点燃是在局部混合气内（火花塞附近）进行的，

21、而自燃则是在混合内多处（甚至全部混合气内）同时发生的。则是在混合内多处（甚至全部混合气内）同时发生的。按化学动力学的观点分：按化学动力学的观点分：热自燃和链锁自燃机理热自燃和链锁自燃机理一、着火机理一、着火机理 1 1、热自燃（热爆）：、热自燃（热爆）：反应活化能：反应活化能： 燃烧实际上是分子间相互碰撞的结果，但要燃烧实际上是分子间相互碰撞的结果，但要燃烧，分子必须具备一定大小的能量燃烧，分子必须具备一定大小的能量（活化分子）（活化分子）。氧化放热大于散热氧化放热大于散热温度升高温度升高温度再升高温度再升高反应速率高到一定程度而着火反应速率高到一定程度而着火反应加剧、放热越多反应加剧、放热越

22、多 发动机能否着火，取决于：发动机能否着火，取决于： 着火阶段有无热量积累，氧着火阶段有无热量积累，氧化反应能否自动加速。化反应能否自动加速。 着火临界温度和压力：着火临界温度和压力： 能保证着能保证着火的缸内最低温度、压力称为着火临火的缸内最低温度、压力称为着火临界温度和着火临界压力。界温度和着火临界压力。 着火临界线着火临界线 2 2、链锁自燃：、链锁自燃： 不依赖热量积累而不依赖热量积累而通过链锁反应通过链锁反应逐渐积累活化中心使反逐渐积累活化中心使反应加速应加速，直至着火。，直至着火。链锁反应的过程：链锁反应的过程：链的发生链的发生（反应物分解出自由原子或自由基，产生活化中心）（反应物

23、分解出自由原子或自由基，产生活化中心）链的传播链的传播（生成新的自由原子或自由基）（生成新的自由原子或自由基）链的中断链的中断（与冷壁面或惰性气体碰撞，活化中心的消亡）（与冷壁面或惰性气体碰撞，活化中心的消亡）链锁反应示例：链锁反应示例：氢的燃烧化学方程：氢的燃烧化学方程：2H2H2 2+O+O2 2=2H=2H2 2O O实际过程是：实际过程是： 链的发生：链的发生：H H2 22H2H（活化中心）（活化中心） 链的传播（链爆）：链的传播（链爆）：H+OH+O2 2OH+OOH+OO+HO+H2 2OH+HOH+H2OH+H2OH+H2 22H2H2 2O+O+2H2H（新的活化中心）（新的

24、活化中心）链的中断：链的中断：H+HH+H+MH+MH2 2+M+M（M M为惰性气体分子）为惰性气体分子） H H+OH+MH+OH+MH2 2O+MO+M H H+O+MOH+M+O+MOH+M注：注：热自燃与链锁自燃是共存的，相互促进（链热自燃与链锁自燃是共存的，相互促进（链- -热自燃）。热自燃）。 通常低温以连锁自燃为主，而高温以热自燃为主。通常低温以连锁自燃为主，而高温以热自燃为主。1 1、柴油机、柴油机低温多阶段着火低温多阶段着火1 1）混合阶段）混合阶段t t1 1: : 喷油雾化混合，喷油雾化混合，由于温由于温度和压强低，不能是烃燃料度和压强低，不能是烃燃料分裂成自由基，而是

25、分裂成自由基，而是发生低发生低温缓慢氧化反应温缓慢氧化反应。 过氧化物（高温低过氧化物（高温低浓度区）和醛（低温高浓度浓度区）和醛（低温高浓度区）。区）。 由于反应速率慢，放热少，加之燃油雾化要吸热，故由于反应速率慢，放热少，加之燃油雾化要吸热，故该阶段压强无明显变化。该阶段压强无明显变化。产物：产物： 低温多阶段着火低温多阶段着火二、发动机混合气的着火二、发动机混合气的着火2 2）冷焰区）冷焰区t t2 2 : :一阶段反应一阶段反应 当过氧化物达到一定浓当过氧化物达到一定浓度时，在一定温度下产生爆度时，在一定温度下产生爆炸，炸，引发链锁反应（链爆），引发链锁反应（链爆），产生淡青色火焰产生

26、淡青色火焰。 加速了过氧化物加速了过氧化物和醛的产生。和醛的产生。 由于放热量不大（约为燃料热值的由于放热量不大（约为燃料热值的10%-15%10%-15%），冷焰），冷焰的温度并不高（约的温度并不高（约300300，在，在500500时基本结束）。时基本结束）。产物：产物： 低温多阶着火低温多阶着火3 3）蓝焰区）蓝焰区t t3 3 : :二阶段反应二阶段反应 当温度和压强达到一定当温度和压强达到一定值时（进入低温多阶自燃值时（进入低温多阶自燃区），区），醛被氧化成醛被氧化成COCO（一氧（一氧化碳），产生蓝色火焰化碳），产生蓝色火焰。 大量的热和大量的热和COCO、O O、OHOH等（活化

27、分子）。等（活化分子）。 缸内温度和压强开始明显升高，实现热量和活化中心缸内温度和压强开始明显升高，实现热量和活化中心（COCO、0 0、OHOH等）的积累，导致反应速度迅速加快。等）的积累，导致反应速度迅速加快。产物：产物： 低温多阶着火低温多阶着火4 4）热焰区）热焰区 : :三阶段反应三阶段反应 当热量和活化中心积累当热量和活化中心积累到一定程度时，由于反应急到一定程度时，由于反应急剧加快，剧加快，引发热爆，产生炽引发热爆，产生炽热火焰（橘黄色）热火焰（橘黄色）。 CO CO2 2（由（由COCO进一步氧进一步氧化而来）。化而来）。 着火落后期（延迟期或诱导期）：着火落后期（延迟期或诱导

28、期）：产物：产物： 低温多阶着火低温多阶着火 整个焰前反应时间整个焰前反应时间之和（之和（t1+t2+t3)t1+t2+t3)，其长短与混合气压缩终了温度和压强，其长短与混合气压缩终了温度和压强有关（有关（温度、压强越高，着火落后期越短温度、压强越高，着火落后期越短）。）。2 2、汽油机、汽油机高温单阶着火高温单阶着火 1 1）可燃混合气压缩过程中已进行一定的化学反应，）可燃混合气压缩过程中已进行一定的化学反应，但压缩终了温度和压强较低，无法自燃；但压缩终了温度和压强较低，无法自燃； 2 2）火花塞跳火瞬间：）火花塞跳火瞬间：局部温度高达局部温度高达2000-30002000-3000 一方面，高温使燃油分子直接分裂产生大量的活化中一方面，高温使燃油分子直接分裂产生大量的活化中心心发生链爆发生链爆。 另一方面，产生的热远大于散失的热，温度迅速上升另一方面，产生的热远大于散失的热，温度迅速上升引发热爆。引发热爆。 （注：所有的点燃式发动机均属于高温单阶着