发动机燃料燃烧

1、第四章第四章 燃料与燃烧化学燃料与燃烧化学厦门理工学院厦门理工学院 机械系 车辆工程教研室洪汉池洪汉池主要内容主要内容n第一节 发动机的燃料n第二节 代用燃料及其应用n第三节 燃烧化学n第四节 燃烧的基本理论n作业及思考题第一节第一节 发动机的燃料发动机的燃料n石油燃料石油燃料（汽油、柴油）炼制炼制方法方法（补）（补）：将原油在专用的炼油塔(分馏塔)中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的25一40；。：将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成分。其中，通过加温加压加温加压的方法进行裂解的称为，使用催化剂催化剂(触媒)进行裂解的称

2、为代用燃料代用燃料一、汽油一、汽油 汽油的主要性能有：抗爆性、抗爆性、蒸发性蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性、氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。及清洁性。1、汽油的抗爆性、汽油的抗爆性n汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力时抵抗爆燃的能力。n汽油的抗爆性是以来表示的。根据试验规范的不同，所得的辛院值分别称为。我国生产的汽油是按研究法辛烷值RON分级的。n汽油的辛烷值越高，其抗爆性越好。n汽油的牌号以辛烷值辛烷值划分。2 2、汽油的蒸发性、汽油的蒸发性n液态汽油汽化的难易程度称为汽油的液态汽油汽化的难易程度称为汽油的蒸发性蒸发性。n汽油的蒸发性越强

3、，越容易汽化，要汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有求汽油必须具有良好的蒸发性良好的蒸发性。但蒸发性也不能太强，否则易形成供油系“气阻气阻”，甚至发生供油中断现象。二、柴油二、柴油1、柴油的、柴油的发火性发火性（自燃性）（自燃性）n柴油的发火性是指柴油的自燃能力自燃能力。n 十六烷值十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标，对燃烧过程也有一定影响。十六烷值越高，着十六烷值越高，着火性越好火性越好。但是十六烷值过高，燃料分子量加大，使蒸发性变差、粘度增加，导致燃烧不完全等。因此，国产柴油的十六烷值规定为4065之间，不必要过分增大。2、柴油的、柴油的蒸发性蒸发性n柴油的蒸发性影响滞燃期内柴油

4、的蒸发量及柴油的蒸发性影响滞燃期内柴油的蒸发量及燃烧的完全程度，用燃烧的完全程度，用馏程馏程表示。表示。n馏程馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处的温度温度，通常以馏出通常以馏出50的温度来评定的温度来评定。馏程低，说明这种燃轻馏分多，蒸发性好，有利于混合气形成，改善了燃烧过程。但是，馏程过低，燃料蒸发过快，则在着火延迟期内形成的混合气量过多，柴油 机 工 作 粗 暴 。 车 用 柴 油 机 的 柴 油 馏 程 为200300。3、柴油的粘度粘度 柴油的粘度决定柴油的流动性。柴油的粘度决定柴油的流动性。粘度流动性物化性好，过低，润滑性降低；粘度过滤清困难，喷雾不良，流动阻力增大。4、柴油的凝

5、点凝点柴油的凝点凝点指柴油冷却到失去流动性的温度指柴油冷却到失去流动性的温度。第二节第二节 代用燃料及其应用代用燃料及其应用代用燃料代用燃料按按物物态态气体代用燃料：天然气、液化石油气、天然气、液化石油气、 氢气、煤气、沼气氢气、煤气、沼气等液体代用燃料：甲醇甲醇、乙醇、乙醇、植物油植物油 燃料等燃料等按化按化学成学成分分烃燃料含氧燃料一、天然气一、天然气 天然气主要成分为甲烷 (容积比可达8399以上)，另外还包括乙烷以及丙烷等。 ，在用作点点燃式发动机燃式发动机的燃料时，通过适当的技术措施，如提高发动机的压缩比等，可以接近原发动机的动力性能。同时，天然气又是一种比较洁净的能源，排污低排污低

6、，使用比较方便，特别是压缩压缩天然气天然气(CNGCompressed Natural Gas)，便于储存，配合相应的基础设施如加气站的建设，在城市车辆如公共汽车、出租车中具有广阔的应用前景。二、液化石油气二、液化石油气 液化石油气(LPG-Liquefied Petroleum Gas）主要成分是、，在常温下加压，可以变成液体燃料，其单位容积热值高于天然气，可以作为汽油机的燃料，还可以获得较好的排放性能。 三、醇类燃料三、醇类燃料n醇类燃料主要是CH3OH和C2H5OH。可以从天然气、煤、生物质等原料中提取；主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。n醇类燃料是液体燃料，可以沿用传统的石油

7、燃料的运输、贮存系统，相关的基础设施建设投入少，而发动机的动力性与经济性可以接近或超过原有汽油机或柴油机，排气有害成分少，是一种很有发展前景的代用燃料。 乙醇汽油是一种由粮食及各种植物纤维加乙醇汽油是一种由粮食及各种植物纤维加工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成替代能源成替代能源。按照我国的国家标准，乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。 乙醇它以 玉米、薯类、糖蜜等为原料，经发酵、蒸馏制成。 试点检测结果表明，使用车用乙醇汽油不影响汽车的行驶性能。其排放的尾气中一氧化碳下降超过30、碳氢化合物下降10，苯系物明显减少，氮氧化合物

8、基本不变。汽车使用乙醇汽油已被视为改善城市空气质量的重要手段。 对目前中国推广乙醇汽油试点工作，有专家强调认为，必须妥善解决好以下三个关键问关键问题题：一一是乙醇汽油百公里耗油量高于高于同牌号的汽油消耗量；二二是由于中国乙醇汽油的推广刚刚起步，究竟乙醇汽油对加油机、汽车等零部件是否有影响及影响程度均不是很清楚；三三是由于乙醇汽油不宜长期储存的特性，乙醇汽油的调配和销售同普通汽油相比具有更大的质量风险。第三节第三节 燃烧化学燃烧化学一、燃料燃烧的热值热值 单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。 完全燃烧是指某化合物被所在氧气全部氧化，其中C生成CO2、H生成H2O

9、，其它元素生成高级氧化物。wrHHou汽油: 44100 kJ/kg ；柴油: 42500 kJ/kg uHuH 完全燃烧时，生成的水为气态时的热值为低位发热值低位发热值 。 完全燃烧时，生成的水为液态时的热值为高位发热值高位发热值 。uHoH二、燃料完全燃烧的化学反应二、燃料完全燃烧的化学反应1.碳燃烧：碳燃烧：2.氢燃烧：氢燃烧：3.硫燃烧：硫燃烧：4.一氧化碳燃烧：一氧化碳燃烧：5. 碳氢化合物：碳氢化合物：三、燃料燃烧所需的空气量三、燃料燃烧所需的空气量n1 kg燃料完全燃烧所需要的空气量称理论空气理论空气量量。n已知条件:1 kg燃料中所含 kg 碳， kg 氢气， kg氧气汽油:

10、kg/kg ， kg/kg ， kg/kg 柴油: kg/kg ， kgkg ， kg/kg gCgHgOgC 0855.gH 0145.gO 0gC 087.gH 0126.gO 0004. 化学反应方程式 需要总的 量 COCO22HOH O22212O2 1Kg燃料中所含的 量 kg = kmol 所需空气中的 量 = 总的 量燃料中所含的 量或gO32gOO2O2O2O2（2） kg 空气中氧气成分约占23%（3） 1 kmol 空气 = 22.4 空气，m3LgggCHO022 4021 12432.()kgm /3所需空气量 （1） kmol：空气中氧气成分约占21%，所以Lggg

11、CHO01021 12432.() kmol/kg 将平均质量成分代入式可得四、过量空气系数和空燃比四、过量空气系数和空燃比1 过量空气系数 表示混合气的浓稀程度。 1 混合气稀,稀混合气; 1 混合气浓,浓混合气; =1 标准混合气 一般，柴油机一般，柴油机: 1: 1；汽油机；汽油机: 1 : 1 1 1。a0LLa燃烧燃料实际供给的空气量完全燃烧燃料理论上所需要的空气量11kgkgatat过量空气系数是反映混合气形成和完善程度及整机性能的一个重要标志，在保证完全燃烧的前提下，应力求使过量空气系数小。aaa2 空燃比、燃空比 汽油理论上完全燃烧时的空燃比约为14.9。 应用空燃比空燃比直观

12、方便，其数值即为每千克燃料燃烧时实际供给空气量的千克数。 14.9为浓混合气，为浓混合气， 14.9的为稀混合气的为稀混合气。第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论n一切燃烧过程都由着火着火和燃烧燃烧两个阶段组成。n着火着火阶段是物质燃烧的准备阶段，是着火前的物理和化学的准备过程。n燃烧燃烧的第二阶段，有两种方法。一是强迫着火或点燃。另一种是自然着火。n发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个基本步骤：基本步骤：(1)形成燃油与空气的可燃混合气；(2)点燃可燃混合气，或可燃混合气在混度和浓度适当的地区发生自燃，在一处或同时在数处着火 着火过程 ； (3)

13、火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧。一、着火机理：一、着火机理：n按化学动力学的观点，着火机理可分为热自热自燃燃机理和链锁自燃链锁自燃机理两类。(一一)热自燃热自燃在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过程，放出热量。放热的同时，由于温差的原因，会对周围介质散热。若化学反应所释放出的热量大于所失去的热量，混合气的温度升高，进而促使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。这就是热自燃热自燃，或称热爆热爆。(二二)链锁反应链锁反应 所谓链锁反应链锁反应是这样的化学反应，其中一个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。整个反应过程分为： 引导反应(锁的引发)反应链(

14、链的继续反应或链的传递)断链反应(链的中断即活化中心的死亡)。二、发动机混合气的着火二、发动机混合气的着火 内燃机中碳氢化合物的自燃，均属于链一热自燃，但由于发火的条件不同，有高温单阶段着火高温单阶段着火和低温多阶段着火低温多阶段着火。汽油机柴油机（一） 汽油机高温单级着火汽油机高温单级着火1 压缩的是燃料与空气的混合气体, 在此过程中, 已经进行了一些化学反应。2 火花点火, 局部温度高达20000以上, 该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基, 迅速反应出现热火焰, 瞬间扩大到整个燃烧室内。所以, 汽油机着火过程： 压缩混合气压缩混合气 点火（经短暂着火延迟期）点火（经短暂着火延迟期

15、） 热火焰热火焰 高温单级点燃高温单级点燃（二）柴油机低温多级着火（二）柴油机低温多级着火1、 阶段混合阶段 在压缩过程终了时，燃料喷入汽缸内形成可燃混合气。燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。混合阶段，为着火做准备。 t12 阶段一阶段一阶段反应反应 燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。经过时间后，反应加剧，出现冷火焰，缸内压力超过压缩压力。在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。要求混合气较浓， = 0.40.5。3 阶段二阶段二阶段反应反应 温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心，出现蓝火焰。混合气

16、稀得多，略小于1。4 时间后三时间后三阶段反应反应 活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现热火焰。混合气更稀， 1。 着火延迟期着火延迟期t2t3ttt123ttt123三、发动机的燃烧方式三、发动机的燃烧方式（一） 同时爆炸燃烧同时爆炸燃烧 取某一部分为系统, 着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。为单相单相系, 均匀系homogeneous systemhomogeneous system。 柴油机上, 由于混合气分配不是十分均匀, 总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）, 取这一部分为系统, 则系统内实现的就是同时爆炸燃烧同时爆炸燃烧。 汽油机上, 由于火焰有

17、传播速度（虽然很快, 但相对同时爆炸燃烧却很小）, 传播逐次进行, 故显然不是同时爆炸燃烧。但火花塞间隙火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下, 可实现同时爆同时爆炸燃烧炸燃烧，从而形成火焰中心火焰中心。（二） 逐渐爆炸燃烧逐渐爆炸燃烧（预混合（预混合燃烧燃烧）汽油机火焰传播。两相系混合气相混合气相 （未（未燃区），燃烧产物相燃区），燃烧产物相 （已燃区）。（已燃区）。加热从火花塞开始， 紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热, 使氧化或活性中心增多, 发生燃烧。燃烧又加热下一层, 一层一层传播。燃烧主要在火焰前锋面内进行。火焰前锋面前方的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧。（三）（三） 扩散燃烧扩散燃烧柴油机的燃烧方式, 三相燃料相三相燃料相, , 空气相空气相, , 燃烧产物相。燃烧产物相。 柴油燃点比汽油低, 但在日常生活中汽油却比柴油易燃, 原因就在于汽油的