发动机原理3燃料与燃烧end

1、第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧第一节第一节 内燃机的燃料和性质内燃机的燃料和性质Source: GM第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧2050年的供需缺口相当于年的供需缺口相当于2000年产量的两倍年产量的两倍引自美国引自美国DOE 供需缺口供需缺口第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧0.01.02.03.04.05.020002010202020302050汽车用油需求汽车用油需求供求缺口供求缺口中国石油总需求中国石油总需求第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧石油的主要成分：碳氢化合物，占石

2、油的主要成分：碳氢化合物，占96%96%99%99%， 少量少量O O、N N、S S等，占等，占1%1%4% 4% 碳氢化合物简称碳氢化合物简称“烃烃”，据组成和结构的不同分烷烃、烯烃、环烷烃、芳香，据组成和结构的不同分烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等，烃等，C C和和H H的不同构成不同分子量、不同沸点物质，汽油和柴油通过石油蒸馏获得。的不同构成不同分子量、不同沸点物质，汽油和柴油通过石油蒸馏获得。第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧一、汽油的使用特性一、汽油的使用特性1. 1. 蒸发性蒸发性指标：馏程和蒸汽压指标：馏程和蒸汽压馏程：汽油馏出的温度范围馏程：汽油馏出的温度范围 10%10%的馏出

3、温度：低，冷启动性好；过低，易气阻。的馏出温度：低，冷启动性好；过低，易气阻。 50%50%的馏出温度：低，平均挥发性好，汽车的加速性的馏出温度：低，平均挥发性好，汽车的加速性 和平稳性好，暖机时间短。和平稳性好，暖机时间短。 90%90%的馏出温度：标志含有难挥发的重质成分。高，的馏出温度：标志含有难挥发的重质成分。高， 则重质成分多，易形成积炭，从而则重质成分多，易形成积炭，从而 稀释机油。稀释机油。蒸汽压：高，蒸发性强，易起动，但易气阻和蒸发损失大。夏季不大于蒸汽压：高，蒸发性强，易起动，但易气阻和蒸发损失大。夏季不大于67KPa67KPa，冬季不大于，冬季不大于80KPa80KPa。第

4、三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧混和油混和油 事故事故第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧2. 2. 抗暴性抗暴性指标：辛烷值指标：辛烷值 ON ON？ 正庚烷正庚烷C C7 7H H16 16 辛烷值定为辛烷值定为 ONON0 0 异辛烷异辛烷C C8 8H H18 18 辛烷值定为辛烷值定为 ONON100100 二者混合液与汽油的爆燃程度进行比较二者混合液与汽油的爆燃程度进行比较汽油的辛烷值，即混合液中异辛烷体积汽油的辛烷值，即混合液中异辛烷体积 研究法辛烷值研究法辛烷值RONRON 马达法辛烷值马达法辛烷值MONMON 二者之差为汽油的灵敏度，是衡量抗暴性二者之差为汽油的灵敏度，是衡量抗

5、暴性随着燃烧条件而变化的尺度。随着燃烧条件而变化的尺度。 MON=RONMON=RON0.8+10车用汽油按车用汽油按MON分分70、75、80、85号号4种牌号种牌号新标准按新标准按RON分分90、93、97号号3个牌号个牌号第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧3. 3. 添加剂添加剂抗暴剂：四乙基铅抗暴剂：四乙基铅+ +溴化乙烷溴化乙烷四乙四乙基基铅已被禁止使用，现用一些含氧有机化合物，如甲基椒丁醚铅已被禁止使用，现用一些含氧有机化合物，如甲基椒丁醚(MTBE)等来提高汽油的辛烷值等来提高汽油的辛烷值二、柴油的使用特性二、柴油的使用特性轻柴油轻柴油高速柴油机高速柴油机重柴油重柴油中、低速柴油

6、机中、低速柴油机1. 1. 凝点和浊点凝点和浊点浊点：柴油中所含石蜡开始结晶，变混浊的温度浊点：柴油中所含石蜡开始结晶，变混浊的温度凝点：柴油失去流动性开始凝结的温度凝点：柴油失去流动性开始凝结的温度轻柴油按凝点分轻柴油按凝点分1010、0 0、-10-10、-20-20、-35-35号号5 5个牌号个牌号第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧2. 2. 十六烷值十六烷值 CNCN？评价柴油着火性能的指标评价柴油着火性能的指标 十六烷十六烷C C1616H H3434 十六烷值定为十六烷值定为 CN=100CN=100，易自燃，易自燃 -甲基萘甲基萘 十六烷值定为十六烷值定为 CN=CN=0，不易

7、自燃，不易自燃二者混合液与柴油的自燃性比较，混合液中十六烷的体积百分数为柴油的十二者混合液与柴油的自燃性比较，混合液中十六烷的体积百分数为柴油的十六烷值。六烷值。车用柴油的车用柴油的CNCN：404060603. 3. 残炭残炭残炭值：无空气通入的情况下，柴油加热生成碳值残渣的性质。残炭值：无空气通入的情况下，柴油加热生成碳值残渣的性质。 是燃料中胶质和不稳定化合物的间接指标是燃料中胶质和不稳定化合物的间接指标残炭值高，易产生大量积炭残炭值高，易产生大量积炭第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧4. 4. 灰分：柴油燃烧剩余物灰分：柴油燃烧剩余物有机酸和无机盐类有机酸和无机盐类5. 5. 含硫量：

8、燃料中的硫和硫化物，燃烧生成二氧化硫、亚硫酸或硫酸含硫量：燃料中的硫和硫化物，燃烧生成二氧化硫、亚硫酸或硫酸6. 6. 机械杂质和水分：造成磨损、堵塞、锈蚀机械杂质和水分：造成磨损、堵塞、锈蚀三、代用燃料三、代用燃料加加第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧第二节第二节 燃油的燃烧燃油的燃烧第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧 发动机所用的汽油或柴油主要由碳、氢、氧组成，其它发动机所用的汽油或柴油主要由碳、氢、氧组成，其它成分如氮、硫等含量不多，在热计算时不考虑，如以成分如氮、硫等含量不多，在热计算时不考虑，如以g gC C、g gH H、g gO O分别表示分别表

9、示1kg1kg燃油中所含碳、氢、氧的燃油中所含碳、氢、氧的kgkg数，即质量成分数，即质量成分% %，则：，则： g gC C + g + gH H + g + gO O=1=1 汽油的平均质量成分：汽油的平均质量成分： g gC C = 0.855 = 0.855；g gH H =0.145 =0.145； g gO O=0.000=0.000 柴油的平均质量成分：柴油的平均质量成分： g gC C =0.870 =0.870； g gH H =0.126 =0.126； g gO O =0.004 =0.004 发动机中，燃油燃烧所需要的氧气来自空气，发动机中，燃油燃烧所需要的氧气来自空气

10、， 以体积成分计，空气中氧占以体积成分计，空气中氧占21%21%，氮占，氮占79%79%； 以质量成分计，以质量成分计，空气中空气中氧占氧占23%23%，氮占，氮占77%77%。 一、燃油完全燃烧的化学反应一、燃油完全燃烧的化学反应第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧根据化学反应原理，可以写出：根据化学反应原理，可以写出：碳燃烧：碳燃烧：C + O2 CO212（kg） 32(kg) 44(kg)1(kg) (kg) (kg) gC (kg) (C) + gC(kg) (O2)= gc(kg) (CO2)或或12(kg) (C ) + 1kmol(O2) =1kmol(CO2)1(kg) (km

11、ol) (kmol) gC (kg) (C) + (kmol) (O2)= (kmol) (CO2)383113113812112112cg12cg第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧氢燃烧：氢燃烧：H2 + O2 H2O2（kg） 16(kg) 18(kg)1(kg) 8(kg) 9(kg) gH(kg) (H2)+8gH(kg)(H2O)=9 gH(kg)(H2O) 2(kg)(H2) + kmol(O2) =1kmol(H2O)或或 1(kg) (kmol) (kmol) gH(kg)(H2) + kmol(O2) = kmol(H2O)41212Hg4Hg第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃

12、烧4Hg38二、燃油燃烧时所需空气量二、燃油燃烧时所需空气量在在1kg燃油中含有燃油中含有gokg或或 kmol的氧，所以的氧，所以1kg燃油完全燃烧时需要燃油完全燃烧时需要供应的氧为供应的氧为 + （ kmol）或或 gc+8gH go （kg）1千克燃油完全燃烧理论所需的空气量，即理论空气量千克燃油完全燃烧理论所需的空气量，即理论空气量Lo为为 Lo= ( + - )（kmol/kg） 或或 （kg/kg） 在在0、1个标准大气压下，个标准大气压下，1千摩尔空气占有的体积为千摩尔空气占有的体积为 22.4m3。以体。以体积表示的理论空气量为：积表示的理论空气量为： m3/kg 分别将汽油，

13、柴油的平均成分代入理论空气量的计算公式中，可得汽油的理论分别将汽油，柴油的平均成分代入理论空气量的计算公式中，可得汽油的理论空气量为空气量为14.7（kg/kg）柴油的理论空气量为）柴油的理论空气量为14.3（kg/kg）。）。 320g12cg320g21. 0112cg4Hg320g)838(23. 0100gggLHc)32412(21. 04 .2200gggLHc三、过量空气系数三、过量空气系数定义：发动机工作过程中，定义：发动机工作过程中，1kg1kg燃油实际供给的空气数量燃油实际供给的空气数量L L与理论空气量与理论空气量L L0 0 之比值。用之比值。用表示：表示： =L/ L

14、=L/ L0 0 第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧=1时为理论混合气时为理论混合气,1时为稀混合气。时为稀混合气。=0.9，功率混合气；，功率混合气；=1.1，经济混合气。，经济混合气。四、燃油和可燃混合气的热值四、燃油和可燃混合气的热值1 1燃油的热值：燃油的热值： 每千克燃油完全燃烧所放出的热量。用每千克燃油完全燃烧所放出的热量。用HuHu表示表示,KJ/kg,KJ/kg。2 2混合气的热值：每千克混合气完全燃烧放出的热量。混合气的热值：每千克混合气完全燃烧放出的热量。 用用HmHm表示表示,kJ/kg,kJ/kg。 Hm=Hu/Hm=Hu/（1+L1+LO O ）一般混合气的热值均指理

15、论混合气的热值。一般混合气的热值均指理论混合气的热值。第三节第三节 燃烧的基本知识燃烧的基本知识 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。 着火是燃烧的物理和化学准备阶段。着火是燃烧的物理和化学准备阶段。物理准备：燃料的雾化、蒸发、与空气形成可燃混合气等物理准备：燃料的雾化、蒸发、与空气形成可燃混合气等化学准备：焰前的缓慢氧化反应。速度很低，压力和温度化学准备：焰前的缓慢氧化反应。速度很低，压力和温度 无明显升高。此

16、过程逐渐积累热量或形成活化无明显升高。此过程逐渐积累热量或形成活化 中心。中心。活化中心活化中心在压缩终了高温作用下，燃油分子分裂成大量在压缩终了高温作用下，燃油分子分裂成大量 自由原子或自由基（如自由原子或自由基（如H H、O O、CHCH、OHOH等），它等），它 们具有很强的反应能力。们具有很强的反应能力。 第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧燃烧是氧化反应加速至激化的结果燃烧是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：点燃点燃利用点火系向可燃混合气增加能量利用点火系向可燃混合气增加能量自燃自燃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点燃是在

17、局部混合气内进行的，自燃是在全部混合气内同点燃是在局部混合气内进行的，自燃是在全部混合气内同时发生的。时发生的。发动机内的燃烧过程经历三个基本步骤：发动机内的燃烧过程经历三个基本步骤：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，形成全面燃烧第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧按化学动力学的观点分：热自燃和链锁自燃机理按化学动力学的观点分：热自燃和链锁自燃机理（一）热自燃（或热爆）（一）热自燃（或热爆）定义：若化学反应所释放的

18、热量大于散失的热量，混合气的定义：若化学反应所释放的热量大于散失的热量，混合气的温度升高，进而促进混合气的反应速率和放热速率增大，温度升高，进而促进混合气的反应速率和放热速率增大，这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。 气体分子要进行化学反应需要相互碰撞，碰撞分子所气体分子要进行化学反应需要相互碰撞，碰撞分子所具备一定大小的能量，称为反应活化能。具备一定大小的能量，称为反应活化能。 活化分子活化分子能量超过活化能的分子能量超过活化能的分子一、着火机理一、着火机理第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧能保证着火的缸内最低温度、能保证着火的缸内最低温度

19、、压力称为着火临界温度和着压力称为着火临界温度和着火临界压力。火临界压力。着火临界线着火临界线在一定在一定P0下，只要外界温度下，只要外界温度低于低于T0，混合气不会发生热，混合气不会发生热爆；在一定爆；在一定T0下，只要压力下，只要压力低于低于P0，也不会发生热爆。，也不会发生热爆。着火临界线着火临界线着火临界温度和着火临界压力着火临界温度和着火临界压力第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧发动机能否着火，取决于着火阶段有无热量积累，发动机能否着火，取决于着火阶段有无热量积累，氧化反应能否自动加速。氧化反应能否自动加速。 （二）链锁反应（二）链锁反应( (链爆炸链爆炸 )反应自动加速不一定要依靠

20、热量的积累使大量分反应自动加速不一定要依靠热量的积累使大量分子活化，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法子活化，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法也能使反应自动加速，直至着火。也能使反应自动加速，直至着火。链锁反应：其中一个活化作用能引起很多基本反链锁反应：其中一个活化作用能引起很多基本反 应，即反应链。应，即反应链。链锁反应的过程：链引发链锁反应的过程：链引发链传播链传播链中断链中断第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧链引发链引发：反应物分子分解为自由原子或自由基，：反应物分子分解为自由原子或自由基， 形成活化中心。形成活化中心。链传播：反应进一步推进，生成新的自由原子或链传播：反应进一步推进，

21、生成新的自由原子或 自由基。自由基。 直链反应直链反应一个活化中心与反应物作用产生一一个活化中心与反应物作用产生一 个新的活化中心，反应以恒速进行。个新的活化中心，反应以恒速进行。 支链反应支链反应一个活化中心引起的反应，同时生成一个活化中心引起的反应，同时生成 两个以上的活化中心，反应速度急剧增长。两个以上的活化中心，反应速度急剧增长。链中断链中断: 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。第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧例如：氢的燃烧化学方程：例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O22H2

22、O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 混合气的着火往往不是单一机理进行，二者机理同时存在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。相互促进。 一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链爆炸为主。一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链爆炸为主。第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧二、发动机混合气的着火二、发动机混合气的着火1 1、柴油机、柴油机低温

23、多级着火过程低温多级着火过程柴油机的着火柴油机的着火为压燃式的低为压燃式的低温多级着火温多级着火第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧 柴油机着火过程：柴油机着火过程： 喷油喷油t1+冷焰冷焰t2+蓝焰蓝焰t3热焰热焰 喷油喷油进行物理化学准备，温度较高处开始缓慢氧化，压力没进行物理化学准备，温度较高处开始缓慢氧化，压力没有明显变化。喷油时缸内温度为有明显变化。喷油时缸内温度为500700，不能裂解出链反，不能裂解出链反应所需的自由原子或自由基。经历时间为应所需的自由原子或自由基。经历时间为t1。 冷焰冷焰热量有初步积累但较慢，反应开始加剧，产生热量有初步积累但较慢，反应开始加剧，产生醛类和有醛类

24、和有机化合物机化合物等中间产物。当刚达到临界温度时，出现淡青色火焰等中间产物。当刚达到临界温度时，出现淡青色火焰，其热量不多。经历时间为，其热量不多。经历时间为t2，此时的反应为一级反应。，此时的反应为一级反应。 蓝焰蓝焰热量积累较多，链节活化中心较多，出现蓝色火焰。缸热量积累较多，链节活化中心较多，出现蓝色火焰。缸内温度和压力明显升高。经历时间为内温度和压力明显升高。经历时间为t3，此时的反应为二级反，此时的反应为二级反应。应。t1+t2+t3为着火延迟期为着火延迟期 热焰热焰热量和活化中心同时大量积累，反应将激烈进行，在极热量和活化中心同时大量积累，反应将激烈进行，在极短的时间内产生热爆炸

25、，出现桔黄色热火焰，即产生自燃。热短的时间内产生热爆炸，出现桔黄色热火焰，即产生自燃。热火焰的出现称为三级反应。火焰的出现称为三级反应。第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧2 2、汽油机、汽油机 燃油与空气的均匀混合气受到压缩，由于压缩比较小，燃油与空气的均匀混合气受到压缩，由于压缩比较小，压缩终了的温度、压力较低，不能自行着火，需要借助于火压缩终了的温度、压力较低，不能自行着火，需要借助于火花塞点火来实现着火。花塞点火来实现着火。 汽油机在压缩过程已进行一定的化学反应，火花塞跳火汽油机在压缩过程已进行一定的化学反应，火花塞跳火，其电极附近混合气温度急剧上升，同时马上出现好多活化，其电极附近混合气温度急剧上升，同时马上出