发动机课件第四章

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4.1内燃机燃料及其提炼4.1.1石油中烃的分类及性质

石油的主要成分：C、H（97-98%），其他还有少量的S、O、N等。烃，CnHm据组成和结构的不同分烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等，C和H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。1碳原子数的影响C原子数沸点℃品种相对分子质量理化性质的变化趋势C1-C4常温石油气16-58随C，质量，挥发性，粘度，化学安定性，自燃性，点燃性C5-C1150-200汽油95-120C11-C19180-300煤油100-180C16-C23250-360轻柴油180-200C23以上>360重油220-280碳，氢原子数和排列位置对燃料性质影很大：1）烷烃：分子式：CnH2n+2；化学结构：直链特点：饱和开链式，含C越高结构越不紧凑，常温下化学性质稳定，但热稳定性差，高温易分解，自然性好—柴油的好成分；-C-C-C-C-；-C-C-C-C-CC支链(热稳定)直链2.分子的化学结构对性能的影响2）烯烃：分子式：CnH2n

；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；常温下化学稳定性差，易氧化胶质；不易储存3）炔烃：分子式：CnH2n-2

；化学结构：—CC—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。4）环烷烃：分子式：CnH2n;

化学结构：特点：饱和环状，不易分裂，热稳定性强，汽油机的燃料，石油的重要组成部分。-C—C--C—C-环丁环5）芳香烃：CnH2n-6；基本化合物是苯：C6H6;

石油中含量少，分子结构坚固；热稳定性高，高温下不易破裂；汽油的良好的抗爆剂；石油炼制中产生。其中，-甲基萘：C11H10，其抗爆性认为100%4.1.2燃料的提炼方法及对燃料性能的影响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；不同分馏温度得到不同成分的燃油这一部分燃料油约占原油的25%~40%裂解法：通过加温加压方法进行裂解；催化重整：使用催化剂进行裂解；加氢精制：将蒸馏后的重油等一些高分子成分用不同手段裂解为分子量较轻的成分。

热裂解：工艺简单；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异构物烃和芳香烃；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，脱氮，脱氧以及脱金属等作用，满足油品的更高要求。为获得高品质燃料，常采用加氢精制或催化重整工艺。4.1.3代用燃料及其特性1、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,CH4;成为第三大支柱能源。汽车上的应用：压缩天然气(CNG)，20MPa存于高压气瓶中；液化天然气(LNG)，-162℃低温液化储存；其密度为常态下气体密度的600倍；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主要成分：丙烷/丙烯/丁烷/丁烯及其异构物。天然气燃料的优点：主要成分是甲烷，CO、HC排放少，燃料中不含硫的成分，SO2排放量低于电动汽车。辛烷值高达130，可提高压缩比热效率。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。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，一次充气可行驶距离短。储气压达20MP，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低，功率降低近10%用于汽车的三种形式：

CNG—以20MPa压缩储存；液化天然气LNG—-162℃以下储存；吸附天然气ANG—吸附材料2.醇类燃料：主要指甲醇和乙醇

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。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。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3.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(乙)酯组成的新型燃料。具有与柴油相近的性能。特点：环保性优良。含S低，不含芳香烃，保持CO2平衡。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，可大大减轻意外泄漏时对环境的污染安全性好。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。光合作用自然循环加热至80℃燃料使用特性指标——与发动机使用有关的评价燃油品质的指标。反映燃烧性能的有关指标，如柴油的十六烷值、汽油的辛烷值、燃点、馏程等。反映燃油输送性能、流动性能的有关指标，如粘度、凝点等。和发动机排放性能的有关指标。如杂质、灰分、含硫量、残炭等。4.2传统燃料的现状及使用特性4.2.1柴油1、十六烷值——评价柴油自燃性的指标，它与柴油机的启动型和工作粗暴性有密切关系。

轻柴油C16-23重柴油C23以上分析十六烷值对发动机性能的影响，什么燃料的十六烷值高？工作柔和改善冷启动性能按一定比例将十六烷和α-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。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。国产车用柴油的十六烷值一般规定在40-55之间。测量方法：

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;

直链烷烃类、分子量、C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;

但，分子量增加，蒸发性变差，粘度增加，冒黑烟，经济性恶化。一般，十六烷值：45~65，不要过大过大：冒烟过小：不易着火十六烷值取决于那些因素？十六烷值越大越好吗？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？十六烷值越大越好吗？2、馏程——评价柴油蒸发性的指标。50%馏出温度低，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。90%和95%馏出温度高，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。3、粘度——表示流体内部摩擦力粘度大，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。粘度小，喷油泵、喷油嘴的偶件润滑不良，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:

2.5～8×10-6m2/s（20℃时）。4、凝点——评价柴油的输送性和流动性的指标。

轻柴油牌号按其凝点确定。柴油凝点是指其失去流动性时的摄氏温度。

根据国标（GB252—87），轻柴油规格按凝点分为10、0、-10、-20、-35和-50六个牌号，分别表示凝点不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃、-35℃和-50℃；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5℃确定牌号。Q：如何划分以及选择柴油的等级？5、热值——评价柴油做功能力的指标。

热值是指1Kg燃料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小结：总结柴油主要的特性指标十六烷值馏程粘度凝点热值1、辛烷值

——评价汽油抗爆性的指标。

4.2.2汽油爆燃：在汽油的燃烧过程中，可能出现一种不正常的自燃现象，成为爆燃。辛烷值:在规定条件下,被测定汽油和标准燃料进行比较，标准燃料中所含异辛烷的百分数是被测定汽油的辛烷值。

测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用的为马达法（MON）与研究法（RON）。马达法（MON：Moteroctanenumber）的辛烷值高还是研究法（RON:Researchoctanenumber）？

马达法辛烷值低于研究法辛烷。一般采用研究法辛烷值来确定汽油的抗爆性。如要比较全面表示抗爆性时，同时标出RON和MON值。MON=RON×0.8+10车用汽油按MON分70、75、80、85号4种牌号燃料的灵敏度：用于表示对工况的敏感性和适应性。辛烷值的大小取决于什么？市场上卖的燃油添加剂是用来增强汽油的抗爆性的吗？汽油辛烷值的大小取决于汽油的组成成分、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为：烷烃<烯烃<环烷烃<芳香烃。燃油添加剂的主要作用是通过清除发动机内的积碳来提高发动机工作的热效率，达到相对省油的目的。2、馏程（燃油蒸馏的温度范围）——评价汽油蒸发性的指标。汽油的10%馏出温度越低，汽油蒸发性越强，容易汽化并形成可燃混合气，起动性好。90%馏出温度高，燃油积炭倾向严重，容易稀释机油，使机油变质。50%馏出温度低，易汽化，燃料燃烧快，动力性好，工作稳定，加速时间短，冷起动后升温快。

馏程用蒸馏仪测定。将100mL待测燃油加入烧瓶并加热使之蒸发，燃蒸汽被导管引出，经冷凝器冷却凝结为液体，滴入量杯。试验过程中，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。比较四种燃料的馏程？小结：总结汽油主要的特性指标辛烷值馏程热值汽油与柴油的性能差异4.2.3汽油、柴油性能的差异对发动机性能的影响1.混合气形成和负荷调整上的差异汽油挥发性强：低温度下，充分蒸发；在缸外形成混合气，时间充足均匀混合气；用混合气充量，控制发动机功率——量调。柴油蒸发性差：200℃开始馏出，350℃结束粘性大，不能低温下形成混合气；故用喷嘴强制雾化，在缸内形成混合气；进气量不变，喷油量调节功率——质调50℃馏出，200℃蒸发完纯空气2.着火和燃烧上的差异：自燃、点燃温度不同汽油自燃点高，点燃温度低：

采用外部能源点燃的方式——点火系；

点火后，混合气均匀，火焰传播方式燃烧；为防自燃，压缩比不宜高柴油自燃点低，点燃温度高：采用压缩自燃方式；

为促进自燃，压缩比不宜过低；

混合气不均匀，预混合燃烧和扩散燃烧。燃烧时间延长4.3燃烧热化学4.3.11kg燃料完全燃烧所需要的理论空气量设1kg燃料中含C－wCkgH－wHkgO－wOkg燃料中的C和H完全燃烧化学方程式1kg燃料完全燃烧时所需的理论空气量?空气中，按体积分数计，O2约为21%，N2约为79%；按质量分数计，O2约为23%，N2约为77%。kmol/kgkg/kgm3/kg1kg燃料完全燃烧时所需的理论空气量。4.3.2过量空气系数L表示发动机工作过程中每1kg燃料实际供给的空气量,L0表示1kg燃料完全燃烧需要的理论空气量燃烧1kg燃料实际供给的空气量与理论所需要的空气量之比。过量空气系数与发动机的类型、混合气的形成、发动机的工况（负荷与转速）及功率的调节方法等因素有关。Φa=1理论混合气Φa>1稀混合气Φa<1浓混合气混合气的分类a与发动机类型、混合气形成方法、工况及功率调节方法等有关。一般车用高速柴油机全负荷时，Φa=1.2-1.6，增压柴油机Φa=1.6-1.8。对柴油机来说，Φa越小，意味着在同样气缸进气量条件下，就可以向气缸多喷油，缸内空气的利用程度高，发出的功率大，发动机的升功率大；Φa越大，意味着燃料燃烧比较完全，在同样喷油量情况下，供应的空气充足，HC，CO和碳烟排放较少。

高增压柴油机：a=1.8~2.2柴油机：稀混合气汽油机负荷调节方式是量调节Φa=0.8~1.2

电喷发动机和化油器式汽油机在大负荷时，总是使用浓混合气；在中小负荷时，电子控制汽油喷射发动机控制Φa≈1或稍微低一些。汽油机：浓混合气柴油汽油电控+三效4.3.3

Φa>1时完全燃烧的产物及数量1、燃烧前混合气的数量（空气和燃料蒸气）汽油机柴油机kmol/kgMT为燃料的相对分子量2、燃烧产物的数量

在Φa>1时，完全燃烧时的产物是由CO2、H2O、剩余的O2以及未参加反应的空气中的N2组成。3、燃烧前产物的增量柴油机汽油机4、理论分子变更系数u0柴油机汽油机

汽油机

柴油机4.3.4燃料热值与混合气热值1.燃料的热值：定义：1kg燃料完全燃烧所放出的热量。低热值：产物中H2O以水蒸气状态存在；高热值：产物中H2O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设1kg燃料形成的混合气量为M1，燃料低热值h;则，气化潜热NGLPG甲醇乙醇汽油柴油分子式C1-C3C3-C4CH3COHC2H5OHC5-C11C15-C23热值（kJ/kg）500504639020260270004400042500混合气热值（kJ/m3）323034903557366037503750RON13096-11111010696-106MON120-13089-96928081-89

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取决于单位体积可燃混合气的热值，而不是取决于燃料的热值。4.4燃烧的基本知识

燃烧过程：着火阶段燃烧准备过程

燃烧阶段放热过程

一、着火理论着火过程：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。特点：有明显的光和火焰效应着火理论(方式)：着火热理论

链锁反应理论

点燃自燃理论1、着火的热理论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而相撞活化分子相撞能量>反应活化能E时，打破化学键而引起化学反应设：容器中总分子数n；超过活化能E的活化分子数n*；则按照能量分配定律：R：气体常数；E：活化能；T：绝对温度可见，T时，活化分子所占比例，化学反应加速反应速度v：单位时间单位体积中出现的氧化产物的分子数，与n*/n成比例，即又燃料氧化反应放热速率与氧化反应速度成比例：C2：与分子的反应热及气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：A:与容器材料、形状及气体导热率有关的系数放热率=传热率

放热率<传热率热不能积累

Tc着火温度Tc=临界温度反应压力的影响：容器不变，压力，混合气密度，虽n*/n不变，但混合气中n*的绝对数；反应速度；氧化反应放热量；

dq1/dt>dq2/dt；热量积累着火。结论：TC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；同一种燃料，因条件不同，着火温度不同。临界Tc与压力pc明显影响着火域；pc低时需要Tc。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值时，无论在什么浓度下，均不能着火。上限下限天然气的着火界限比较宽，所以经济性好在低温、低压区着火规律与高温区完全不同存在着火半岛。蓝焰期：甲醛的支链反应而产生CO；辉光较强，p、T；持续期短热焰期:CO+氧生成CO2爆炸性热火焰，释放大量热冷焰:过氧化物分解成甲醛,并积累低温多阶段着火冷焰诱导期1:T低反应缓慢，形成过氧化物烃燃料低温下着火过程(光谱分析)：冷焰2－蓝焰3－热焰4三个阶段。烃燃料低温低压时的着火规律：退化支链反应的结果低温多阶段着火。烃燃料高温时：甲醛退化支链反应不经过冷焰期，而直接进入蓝焰-热焰期，因蓝焰-热焰期很难区分高温单阶段着火。高温单阶段着火高温时：甲醛退化支链反应不经冷焰，直接进入蓝焰-热焰期。2、链锁反应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也能使反应自动加速，直至着火。链锁反应：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：链引发→链传播→链中断例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O2→2H2O实际过程是：链引发：H2→2H链传播(链爆炸)：

H+O2→OH+O

O+H2→OH+H2OH+H2→2H2O+2H链中断：

H+H+M→H2+M（M是惰性气体分子）H+OH+M→H2O+MH+O+M→OH+M反应物分子分解为自由原子或自由基，形成活化中心。反应进一步推进，生成新的自由原子或自由基。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,使反应能力减小。CH+N2→HCN+NCH2+N2→HCN+NH例如：柴油机燃烧过程中有两种NOx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，在低温下以链锁反应为主。快速NO的产生是个典型的连锁反应过程热力NOx快速NOx很容易与O结合生成快速NOx链锁反应特点：1）诱导期i：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;3）反应自动加速；随温度急剧增高（A~B）;随反应度浓度的减少而降低（B~C）4）加入惰性气体时，反应速度迅速下降；而加入添加剂时：使反应速度加速。与反应物物性参数、浓度、温度、容器形状有关3、点燃

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并而引起火焰传播的过程。能够可靠着火所需要的最小能量称为最低点火能量。燃料的种类混合气的含量空气的氧含量压力和温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离燃料汽油酒精苯醚上限0.50.40.40.4下限1.31.71.251.25可燃混合气范围或者着火界限电极间隙与点火能量关系：电极间隙过大需点火能量越大；间隙过小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。混合气浓度限制：超出着火界限，不能着火。汽油机循环变动：

火焰核形成过程中条件的随机性

造成。4.4.2内燃机的燃烧方式预混合燃烧扩散燃烧均质压燃1．预混燃烧

着火之前，燃料蒸汽和空气已经充分混合，这种混合气称为预混合气，这种混合气的燃烧方式称为预混合燃烧。

特点

燃烧室空间各点上的压力和温度是不均匀的，所以在局部地区点燃后形成火焰核，然后在预混合气中以火焰传播形式完成燃烧过程。燃烧室内气体分为燃烧产物相和未燃混合气相两个相燃烧速度取决于火焰的传播速度预混合气中的火焰传播和气体流动情况有很大关系，可分为层流火焰传播和湍流火焰传播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。1）层流火焰传播:特点：火焰前锋为球面，且很薄=1/10mm~1/100mm

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;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；

造成火焰空间移动现象火焰传播影响层流火焰传播的因素：生成HC的主要原因混合气性质：

当a=0.8~0.9时，反应温度高，传播速度最快；

当a==1~1.15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；温度：火焰传播到壁面时，T过低不能传播。汽油机一般：2）湍流火焰传播

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。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而造成。特点：涡旋套涡旋，各种不同尺寸的涡旋组成连续的涡旋谱。空间时间上紊乱无序变化，但有随机性质；评价方法：湍流尺度和湍流强度湍流尺度：指涡旋翻滚一个周期所作用的范围宏观湍流：决定其力学性质；微观湍流：在流体的粘性作用下将湍流能转化为热能而消失。宏观微观分子运动热能湍流强度：用脉动速度的均方根来表示湍流的能量，主要影响湍流火焰传播速度。湍流对火焰传播的作用：宏观湍流：使火焰前锋皱折，增大反应面积，但层流火焰前锋结构不变；微观湍流：加强传质传热（扩散）—相对层流导热系数增大100倍，由此提高紊流火焰传播速度。提高湍流强度：火焰前锋结构破裂，促进已燃气体与未燃气体迅速混合，缩短反应时间，提高放热速率。湍流火焰传播速度：区别层流火焰传播湍流火焰传播气流状态静止或流速很低混合气运动速度较大特点将燃烧室以层流火焰面为界分为已燃和未燃区各种不同尺寸的涡旋组成涡旋组火焰传播速度0.4-0.5m/s(Φa=0.8-0.9)20-70m/s猝熄间距

特点：一边形成混合气，一边燃烧。由于混合气形成依赖于燃料蒸汽和空气的相互扩散，故称之为扩散燃烧。扩散燃烧的速度取决于：混合气形成的速度。

着火之前，燃料未和空气形成混合充分的混合气，但已有部分可燃混合气形成，同时仍有相当多的燃料保持液态，这种燃烧方式称为扩散燃烧。

2．扩散燃烧

扩散燃烧的典型实例为油滴燃烧。

不是液体燃料的直接燃烧，而是气液两相的混合燃烧过程，所以首先液体燃料要充分气化。从燃烧的角度分析柴油机工作粗暴的原因？3．稀薄混合气的均质低温压燃C/H燃料燃烧结果：高温高压对外做功产物：CO、HC、NOx、PM污染环境对车用内燃机燃烧过程的要求：高效率、超低排放高效率：经济性，节能；CO2超低排放：NOx、CO、HC、PM措施：高效率化燃烧完全、及时低排放化稀薄、低温燃烧高效率超低排放的燃烧方式：稀薄均质混