发动机原理课件-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重点：本章重点：1、汽油、柴油的使用特性。、汽油、柴油的使用特性。2、理论空气量、过量空气系数、燃料及混、理论空气量、过量空气系数、燃料及混合气的热值等概念。合气的热值等概念。3、发动机混合气着火机理。、发动机混合气着火机理。第一节第一节 内燃机的燃料和性质内燃机的燃料和性质石油的主要成分：石油的主要成分：碳氢化合物碳氢化合物C Cn nH Hm m，占，占97%97%98%98%， 少量少量O O、N N、S S等，占等，占2%2%3% 3% 燃料的制燃料的制取取碳氢化合物简称碳氢化合物简称“烃烃（C Cn nH Hm m）”包括：烷烃、烯烃、环烷烃、芳

2、香烃等，包括：烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等，汽油和柴油通过石油蒸馏获得。汽油和柴油通过石油蒸馏获得。一、汽油的使用特性一、汽油的使用特性* * 汽油含碳原子数为汽油含碳原子数为C5C11，包括部分芳香烃和环烷烃，包括部分芳香烃和环烷烃以及烯、炔烃。馏程在以及烯、炔烃。馏程在30220* * 易于挥发，粘度小，比重低，易点燃但不易自燃。易于挥发，粘度小，比重低，易点燃但不易自燃。1.1. 蒸发性蒸发性液变气的性质液变气的性质指标：指标：馏程馏程和和饱和蒸汽压饱和蒸汽压馏程：馏程：汽油馏出的温度范围汽油馏出的温度范围 10%10%的馏出温度：的馏出温度：低，低，冷启动性冷启动性好；过低，易气阻。好

3、；过低，易气阻。 小于小于7070 50%50%的馏出温度：的馏出温度：低，低，平均挥发性平均挥发性好，燃烧快好，燃烧快, ,加速性加速性 和平稳性好和平稳性好, ,暖机时间短。暖机时间短。小于小于120120 90%90%的馏出温度：的馏出温度：标志含有难挥发的标志含有难挥发的重质成分重质成分。高，。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。小于小于190190馏程用蒸馏仪测定馏程用蒸馏仪测定:* * 将将100 100 mLmL待测燃油加入烧瓶并加热使之蒸发；待测燃油加入烧瓶并加热使之蒸发；* * 燃油蒸汽经冷凝器冷却凝结为液体，滴入量杯；燃油

4、蒸汽经冷凝器冷却凝结为液体，滴入量杯；* * 测量并记录量杯内燃油数量和对应的温度，并表达为蒸测量并记录量杯内燃油数量和对应的温度，并表达为蒸馏曲线。馏曲线。饱和蒸汽压：饱和蒸汽压：高，蒸发性强，易起动，但易气阻和蒸发损高，蒸发性强，易起动，但易气阻和蒸发损失大。夏季不大于失大。夏季不大于67KPa，冬季不大于，冬季不大于80KPa。*雷德饱和蒸汽压：雷德饱和蒸汽压：38测得汽油与其蒸气体积比测得汽油与其蒸气体积比1:4时的最大压力时的最大压力2. 2. 抗暴性抗暴性指标：指标：辛烷值辛烷值ONON、抗爆指数、抗爆指数正庚烷正庚烷C7H16C7H16辛烷值定为辛烷值定为0 0异辛烷异辛烷C8H

5、18C8H18辛烷值定为辛烷值定为100100二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汽油的辛烷值，即混合液中异辛烷的体积百分数辛烷值，即混合液中异辛烷的体积百分数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（转速和进气温度较高，值低）（转速和进气温度较高，值低）二者之差为二者之差为汽油的灵敏度汽油的灵敏度，是衡量抗暴性随着燃，是衡量抗暴性随着燃烧条件而变化的尺度。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#4种牌号种牌号 我国按我国按RON分：主要有分

6、：主要有90、93、97#3个牌号个牌号 美国按美国按ONI分：分：85、87、89、91、93、97#7种牌号种牌号抗暴指数或辛烷值指数（抗暴指数或辛烷值指数（ONIONI）：）： （RON+MONRON+MON）/2/2 抗爆指数越大，抗爆性越好。抗爆指数越大，抗爆性越好。3. 3. 氧化安定性氧化安定性定义：定义：抵抗大气或氧气作用而保持性能不变的能力抵抗大气或氧气作用而保持性能不变的能力指标：指标：实际胶质实际胶质和和诱导期诱导期实际胶质实际胶质在规定条件下，对汽油进行快速蒸发后残渣中正庚烷不在规定条件下，对汽油进行快速蒸发后残渣中正庚烷不溶物，以溶物，以mg/100mL表示表示 安定

7、性差，易生成胶质，颜色变深，产生沉淀；安定性差，易生成胶质，颜色变深，产生沉淀；影响因素：组分中烯烃和非烃化合物影响因素：组分中烯烃和非烃化合物少少；直馏汽油好于催化裂化汽；直馏汽油好于催化裂化汽油；温度越高，与空气和金属（油；温度越高，与空气和金属（铜铜）接触面大，）接触面大，差差。危害：堵塞管路和喷嘴，积碳危害：堵塞管路和喷嘴，积碳措施：避光，低温，降低氧的浓度，非金属涂层，加抗氧防胶剂措施：避光，低温，降低氧的浓度，非金属涂层，加抗氧防胶剂诱导期诱导期在规定条件下，汽油处于稳定状态的时间（在规定条件下，汽油处于稳定状态的时间（min）4. 4. 添加剂添加剂抗暴剂：抗暴剂：四乙基铅四乙基

8、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，如铅已被禁止使用，现用一些含氧有机化合物，如甲基椒丁醚甲基椒丁醚(MTBE)、甲基环戊二烯三羰基锰（、甲基环戊二烯三羰基锰（MMT）、甲基叔戊基醚、叔）、甲基叔戊基醚、叔丁醇、甲醇、乙醇等，丁醇、甲醇、乙醇等，来提高汽油的辛烷值。来提高汽油的辛烷值。*另外，还包括：腐蚀性、无害性、清洁性等另外，还包括：腐蚀性、无害性、清洁性等二、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；馏程在馏程在180360另外，另外，重柴油、农用柴油重柴油、农用柴油中、低速柴油机；中、低速柴油机； 含碳原子数为含碳原子数

9、为C16C23，包括部分芳香烃和环烷烃以，包括部分芳香烃和环烷烃以及烯、炔烃。及烯、炔烃。 不易挥发，粘度较高，比重较大，自燃倾向比汽油大，不易挥发，粘度较高，比重较大，自燃倾向比汽油大，但不易点燃。但不易点燃。1. 1. 低温流动性低温流动性浊点：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冷滤点：冷滤点：柴油不能以柴油不能以20mL/min20mL/min通过一定过滤器的最高温度通过一定过滤器的最高温度轻柴油按凝点分：轻柴油按凝点分：1010、5 5、0 0、-10-10、-20-20、-

10、35-35、-50-50牌号牌号选用柴油时，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 确确定牌号。定牌号。2.2.着火性能着火性能指标：指标：十六烷值（十六烷值（CNCN）十六烷十六烷C C1616H H3434十六烷值定为十六烷值定为100100，易自燃，易自燃 -甲基萘甲基萘十六烷值定为十六烷值定为0，不易自燃，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。烷的体积百分数为柴油的十六烷值。车用柴油的车用柴油的CNCN：405040503.3.馏程馏程评价柴油蒸发性的指标评价柴油蒸

11、发性的指标50% 馏出温度：馏出温度：低，柴油蒸发性好，轻馏分多，有利于低，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。混合气形成和着火，冷起动性能好。 90% 和和 95% 馏出温度：馏出温度：高，柴油中重馏分多，燃烧容易高，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。不完全易形成积炭，排气容易冒烟。4. 4. 粘度粘度表示流体内部摩擦力表示流体内部摩擦力影响喷雾质量：影响喷雾质量： * * 粘度大，柴油喷射时，雾化质量差，燃烧不完全，燃油粘度大，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。消耗率高，排气冒烟。* * 粘度低，喷油泵、喷油嘴的偶件

12、润滑不良，磨损严重，粘度低，喷油泵、喷油嘴的偶件润滑不良，磨损严重，寿命短。寿命短。* * 轻柴油的粘度为轻柴油的粘度为 2.5 2.5 8 8 10 -6 10 -6 m m2/ 2/ s s（20 20 时）。时）。3. 3. 残炭残炭残炭值：残炭值：无空气通入下，柴油加热生成碳值残渣的性质。无空气通入下，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4. 4. 灰分灰分燃烧剩余物燃烧剩余物有机酸和无机盐类有机酸和无机盐类5. 5. 含硫量含硫量硫和硫化物硫和硫化物燃烧生成二氧化硫、亚硫酸

13、或硫酸燃烧生成二氧化硫、亚硫酸或硫酸6. 6. 机械杂质和水分机械杂质和水分造成磨损、堵塞、锈蚀造成磨损、堵塞、锈蚀 柴油与汽油的性能比较：柴油与汽油的性能比较：三、代用燃料三、代用燃料第二节第二节 燃油的燃烧燃油的燃烧一、燃油完全燃烧的化学反应一、燃油完全燃烧的化学反应 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的的千克数，则：千克数，则： g gc c g gh h g go o 汽油汽油 0.855 0.145 0.0 0.855 0.145 0.0柴油柴油 0.870 0.870 0.126 0.126 0.0040.00

14、4对对 C C：C+OC+O2 2=CO=CO2 2 g gc ckg(C)+8/3gkg(C)+8/3gc ckg(Okg(O2 2)=11/3g)=11/3gc ckg(COkg(CO2 2) )对对 H H：H H2 2+1/2O+1/2O2 2=H=H2 2O O g gh hkg(Hkg(H2 2)+8g)+8gh hkg(Okg(O2 2)=9g)=9gh hkg(Hkg(H2 2O)O)二、理论空气量二、理论空气量 定义：定义：1 1kgkg燃油完全燃烧所需的空气量。用燃油完全燃烧所需的空气量。用L LO O表示。表示。单位单位为为 kg/kgkg/kg。 在每千克燃油中，含有在

15、每千克燃油中，含有g go okg kg 的氧，所以每千克燃油完的氧，所以每千克燃油完全燃烧时需要供应的氧为：全燃烧时需要供应的氧为：8/38/3g gc c +8g +8gh h -g -go o kg kg所以：所以：L LO O=1/0.23=1/0.23（8/3g8/3gc c+8g+8gh h-g-go o） kg/kg kg/kg质量质量L LO O=1/0.21=1/0.21（1/12g1/12gc c+1/4g+1/4gh h-1/32g-1/32go o）kmol/kgkmol/kg摩尔数摩尔数L LO O=22.4/0.21=22.4/0.21（1/12g1/12gc c+

16、1/4g+1/4gh h-1/32g-1/32go o）mm3 3/kg/kg体积体积汽油的理论空气量为汽油的理论空气量为1 14.8kg/kg4.8kg/kg，柴油的理论空气量为柴油的理论空气量为14.14.3kg/kg3kg/kg。三、过量空气系数三、过量空气系数定义：定义：发动机工作过程中，发动机工作过程中，1 1kgkg燃油实际供给的空气数燃油实际供给的空气数量量L L与理论空气量与理论空气量L L0 0 之比值。之比值。 用用a表示：表示： a =L/ L =L/ L0 0 a =1 =1时为时为理论混合气；理论混合气； a 1 1 1时为时为稀混合气稀混合气空燃比空燃比 ： = =

17、空气量空气量/ /燃料量燃料量= = aL L0 0*汽油机：汽油机：a=0.8=0.81.2；柴油机：；柴油机： a=1.2=1.21.6；增压柴油机：增压柴油机： a=1.8=1.82.2四、燃烧产物的数量四、燃烧产物的数量（kmol/kg） (a1时时) 1 1燃烧前混合气数量燃烧前混合气数量（kmol/kg）汽油机：汽油机：M1= M1= aL L0 0+1/m+1/mT T ( (燃烧前为可燃混合气燃烧前为可燃混合气) ) m mT T-燃料摩尔质量（燃料摩尔质量（kg/kmolkg/kmol）柴油机：柴油机：M1= M1= aL L0 0 ( (燃烧前为纯空气燃烧前为纯空气) )2

18、 2燃烧后燃烧产物数量燃烧后燃烧产物数量（kmol/kg） 完全燃烧后产物：完全燃烧后产物：CO2CO2、H2OH2O、O2O2、N2(N2N2(N2摩尔数没变，可不计摩尔数没变，可不计) ) M2= M2= aL L0 0+ +1/4g1/4gh h+ +1/32g1/32go o3 3理论分子变化系数理论分子变化系数 0 0 0 0=M2/M1=M2/M1 0 0越大，越有利于做功、提高热效率、提高功率越大，越有利于做功、提高热效率、提高功率 汽油机：汽油机： 0 0=1.032=1.0321.053；柴油机：；柴油机： 0 0=1.046=1.0461.069五、燃油和可燃混合气的热值五

19、、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。每千克燃油完全燃烧所放出的热量。 KJ/kgKJ/kg高热值高热值H H0 0生成水为液态时所放出的热量生成水为液态时所放出的热量低热值低热值H Hu u生成水为气态时所放出的热量生成水为气态时所放出的热量 低热值：汽油低热值：汽油4 400KJ/Kg4 400KJ/Kg；柴油；柴油 42500KJ/Kg42500KJ/Kg2 2混合气的热值混合气的热值（H Hm m） 每千摩尔混合气完全燃烧放出的热量。每千摩尔混合气完全燃烧放出的热量。 kJ/kmolkJ/kmol H Hm m=H=Hu u/ /（ a

20、L L0 0+1/m+1/mT T ）一般混合气的热值均指理论混合气的热值。一般混合气的热值均指理论混合气的热值。第二节第二节 发动机混合气的着火发动机混合气的着火燃烧：燃烧：本质上是一种放热的氧化反应。本质上是一种放热的氧化反应。燃烧过程分为两个阶段：燃烧过程分为两个阶段：着火与燃烧着火与燃烧着火着火是燃烧（出现明显光和火焰之前）的物理是燃烧（出现明显光和火焰之前）的物理 和化学准备阶段。（和化学准备阶段。（称为滞燃期称为滞燃期）物理准备：物理准备：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化学准备：化学准备：焰前的缓慢氧化反应。焰前的缓慢氧化反应。（速

21、度很低，压力和温（速度很低，压力和温 度无明显升高，逐渐积累热量或形成活化中心）度无明显升高，逐渐积累热量或形成活化中心）活化中心活化中心在压缩终了高温作用下，燃油分子分裂成大在压缩终了高温作用下，燃油分子分裂成大 量由原子或自由基（如量由原子或自由基（如H H、O O、CHCH、OHOH等）。等）。燃烧燃烧是氧化反应加速至激化的结果是氧化反应加速至激化的结果。着火方式着火方式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局部混合气内进行的，自燃是在全部

22、混合气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。内同时发生的。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，形成全面燃烧按化学动力学的观点分：按化学动力学的观点分：热着火机理热着火机理和和链式反应着火机理链式反应着火机理（一）（一）热着火机理（也称热着火机理（也称热自燃热自燃或或热爆热爆）( (无外部能量下无外部能量下) )定义：定义：

23、若化学反应所释放的热量大于散失的热量，混合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，这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。增大，这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。反应活化能反应活化能气体分子要进行化学反应需要相互碰撞，碰气体分子要进行化学反应需要相互碰撞，碰 撞分子所必须具备一定大小的能量。撞分子所必须具备一定大小的能量。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发动机能否着火，取决于着火阶段有无发动机能否着火，取决于着火阶段有无热量积累热量积累，氧化，氧化反应能

24、否自动加速。反应能否自动加速。一、着火机理一、着火机理能保证着火的缸内最能保证着火的缸内最低温度和压力称为低温度和压力称为着着火临界温度火临界温度和和着火临着火临界压力界压力。着火的必要条件着火的必要条件该曲线称着火临界线该曲线称着火临界线热着火机理着火条件热着火机理着火条件 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：（二）（二）链式反应着火机理链式反应着火机理（也称（也称链锁反应链锁反应或或链爆炸链爆炸 )反应自动加速不一定要依靠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，以某种方式（辐射、电离）激发出活化子活化，以某种方式（辐射、电

25、离）激发出活化中中心，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法也能心，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法也能使使反应自动加速，直至着火。反应自动加速，直至着火。链锁反应：链锁反应：其中一个活化作用能引起很多基本反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：链锁反应的过程：链引发链引发链传播链传播链中断链中断链引发链引发：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：链传播：反应进一步推进，生成新的自由原子或反应进一步推进，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

26、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。 退化支链反应退化支链反应一个活化中心产生一个新活化中心和过氧化一个活化中心产生一个新活化中心和过氧化 物或醛，过氧化物或醛发生分解引起新的支链反应。物或醛，过氧化物或醛发生分解引起新的支链反应。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

27、能力减小。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+2H2 2H2O+2H 总的反应：总的反应：H+3H2+O2 2H2O+3H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。在相互促进。一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链爆炸为一般说，在高温下以热爆炸为主，在

28、低温下以链爆炸为主。主。二、发动机混合气的着火二、发动机混合气的着火1 1、低温多级着火、低温多级着火低温多级着火过程低温多级着火过程柴油机的压燃柴油机的压燃和和汽油机的爆燃汽油机的爆燃具具有低温多级着火有低温多级着火的特点。的特点。 低温多级着火过程：低温多级着火过程： 冷焰诱导冷焰诱导t1+冷焰冷焰t2+蓝焰蓝焰t3热焰热焰 t1在温度较高处（在温度较高处（500700）开始缓慢氧化，压力没）开始缓慢氧化，压力没有明显变化。形成过氧化物和乙醛。有明显变化。形成过氧化物和乙醛。直链反应。直链反应。t2过氧化物以一定速度分解，过氧化物以一定速度分解，热量有初步积累但较慢，热量有初步积累但较慢，

29、反应开始加剧，产生大量甲醛。当过氧化物达到临界温度反应开始加剧，产生大量甲醛。当过氧化物达到临界温度时，出现时，出现淡青色淡青色火焰。此时的反应为火焰。此时的反应为一级反应。一级反应。 t3热量积累较多，支链反应生成活化中心较多，出现热量积累较多，支链反应生成活化中心较多，出现蓝蓝色色火焰。温度和压力明显升高。此时的反应为火焰。温度和压力明显升高。此时的反应为二级反应。二级反应。（t1+t2+t3为着火延迟期或滞燃期）为着火延迟期或滞燃期） 热焰热焰热量和活化中心同时大量积累，反应将激烈进行，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，出现在极短的时间内产生热爆炸，出

30、现桔黄色桔黄色热（高温）火焰热（高温）火焰，即产生自燃。热火焰的出现称为，即产生自燃。热火焰的出现称为三级反应。三级反应。2 2、高温单级着火、高温单级着火在压缩过程已进行一定的化学反应，使温度升高；在压缩过程已进行一定的化学反应，使温度升高；汽油机汽油机火花塞跳火后，其电极附近局部混合气温度急剧火花塞跳火后，其电极附近局部混合气温度急剧上升，出现很多活化中心（上升，出现很多活化中心（OH、CH），出现明显发热、），出现明显发热、发光的小区域发光的小区域火焰核；以火焰核为中心向外进行传播。火焰核；以火焰核为中心向外进行传播。在很短时间内不经过冷焰直接进入蓝焰在很短时间内不经过冷焰直接进入蓝焰热焰。