发动机原理B-第三章发动机的燃料与燃烧-2012

发动机原理武汉理工大学汽车工程学院刘志恩2012年6月2023/2/1发动机原理2

绪论第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章发动机的燃料与燃烧第四章汽油机混合气的形成和燃烧第五章柴油机混合气的形成和燃烧第六章发动机的特性第九章排气污染与控制目录2023/2/1发动机原理3第三章发动机的燃料与燃烧

第一节发动机的燃料

发动机传统的燃料是汽油与柴油，它们是石油的炼制品。石油的主要成分是碳、氢两种元素，含量约占97%-98%，其它还有少量的硫、氧、氮等等。石油产品是以多种碳氢化合物的混合物的形式出现的，分子式为CnHm，通常称为烃。

利用沸点不同直接进行分馏，依次得到石油气-汽油-煤油-轻、重柴油-渣油

原油的蒸馏（Distillation）蒸馏塔沥青润滑油柴油煤油汽油石油气原油2023/2/1发动机原理5C原子数

沸点

品种

相对分子质量

理化性质的变化趋势

质量

挥发性

粘度

化学安定性

自燃性

点燃性

C1-C4

常温

石油气

16-58轻

易

小

好

难

易

C4-C12

40-210℃

汽油

95-120C11-C19

180-300℃

煤油

100-180C16-C23

250-360℃

轻、重柴油

180-200C23以上

360℃以上

渣油

220-280重

难

大

差

易

难

汽油与柴油组分的差异（欧洲）芳烃烯烃甲基叔丁基醚烷烃（短链）环烷烃烷烃（长链）烯烃汽油柴油芳烃2023/2/1发动机原理7

一、汽油汽油是多种烃类的混合物，没有一定的沸点，它随着温度的上升，按照馏分由轻到重逐次沸腾。汽油馏出温度的范围称为馏程，是评价汽油的蒸发性的一项指标。1、蒸发性：馏程曲线（1）10%馏出温度：标志起动性,温度低，冷车启动性能好；温度过低，容易在管路中形成气阻。(≤70℃)（2）50%馏出温度：标志平均蒸发性，它影响着发动机的暖车时间、加速性以及工作稳定性。(≤120℃)

（3）90%馏出温度：标志着燃料中含有难于挥发的重质成分的数量。易形成积碳。(≤190℃)

关键性指标：辛烷值、馏程2023/2/1发动机原理82023/2/1发动机原理9

2、辛烷值

辛烷值表示汽油抗爆性。汽油的辛烷值高，则抗爆震的能力强。为了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加剂－四乙铅[Pb(C2H5)4]和溴化乙烷（C2H4Br2）组成的混合物，由于四乙铅有毒，现已禁止使用现在汽油中加入少量的乙基液来提高汽油的辛烷值。国产汽油是以辛烷值（研究法）来标号的

美国认为用辛烷值指数[ONI，即（RON＋MON）／2]来表征在各种道路行驶（工作情况）时的抗爆性能，并将汽油按ONI分为85、87、89、91、93、95、97共七个等级2023/2/1发动机原理10测量燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的。测定时，用容易爆震的正庚烷C7H16（辛烷值定为0和抗爆性好的异辛烷C8H18（其辛烷值定为100）的混合液与被测定的汽油作比较。当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时，则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值。CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH异辛烷Iso-OctaneC8H18

Octanenumber100辛烷值＝100正庚烷n-HeptaneC7H16

Octanenumber0辛烷值＝0CCCCCHHHHHHHHH测量燃料辛烷值的CFR发动机测量燃料辛烷值的CFR发动机辛烷值的测定方法，马达法与研究法。马达法规定的试验转速及进气温度比研究法高，所以用马达法测定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（RON）低。2023/2/1发动机原理13

二、柴油关键性能指标：凝点、十六烷值、馏程、粘度。凝点指柴油失去流动性而开始凝结的温度，与柴油储存、运送、使用过程有关。按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20号、-35号、-50号六级，其凝点分别不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃、-35℃和-50℃。选用时，按最低环境温度高出5℃以上选用。1.十六烷值

十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。自燃性：可燃混合气在一定温度、压力条件下自行着火燃烧的能力。自燃性差，则柴油机起动性差，工作粗暴。十六烷值大，自燃性好，工作会柔和，冷起动性能亦会改善。测定柴油的十六烷值，采用由十六烷和α甲基萘混合制成的混合液。十六烷容易自燃，规定它的十六烷值为100，a甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定为0。十六烷值CetaneC16H34HCCHHHH.......HCCHHHHCetanenumberCN=100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3CetanenumberCN=0a－甲基萘aMethylnaphtaleneC11H10十六烷α-甲基苯容易自燃最不容易自燃十六烷值为100十六烷值为0待测柴油所配置混合液自燃性十六烷的体积百分比十六烷值┼测量燃料十六烷值的CFR发动机当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时，则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。国产柴油的十六烷值规定在40-50之间测量燃料十六烷值的CFR发动机theAmericanCooperativeFuelResearchCommittee.燃料研究联合协会在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行。2023/2/1发动机原理172.馏程:表示柴油的蒸发性，与燃烧完善程度及起动性能有密切关系燃料馏出50%的温度（300℃）低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。90%和95%溜出温度（355，365℃）标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏分过多，在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全。车用高速柴油机使用轻馏分柴油，但馏分太轻也不好，因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦着火压力猛增，将使柴油机工作粗暴。

3.粘度：是燃料流动性的尺度，是表示燃料内部摩擦力的物理特性。影响燃料喷射雾化的质量。当其它条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直径也越大．使燃油和空气混合不均匀，燃烧不及时或不完全，燃油消耗率增加，排气带烟。粘度雾化油滴平均直径燃烧不及时或不完全燃油消耗率增加，排气带烟2023/2/1发动机原理19

三、汽油、柴油性能差异对发动机的影响

混合气形成上的差异

着火上的差异

燃烧上的差异汽油机汽油挥发性强，可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气，控制混合气的数量便能调节汽油机的功率，是量调节

汽油自燃温度较高，适宜外源点火

防止自燃，促使其有规律的燃烧，混合气均匀，着火后，以火焰传播的方式向均匀的混合气展开

柴油机柴油蒸发性差，但粘性好，适宜用油泵油嘴向气缸内部喷油，靠调节供油量来调节负荷，吸入的空气量基本不变，是质调节

柴油化学安定性差，易自燃，采用压燃的方式

柴油喷射及与空气的混合，既短暂又不均匀，常有随喷随烧的现象，燃烧时间延长

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归纳（汽油、柴油性能差异对发动机的影响）

混合气形成上的差异

着火上的差异

燃烧上的差异汽油机1、外部形成2、均匀混合气3、α较小4、量调节（负荷）1、外源点火2、单火源发火1、以火焰传播方式为主2、接近等容燃烧柴油机1、内部形成2、非均匀混合气3、α较大4、质调节（负荷）1、自行着火2、多火源着火1、以扩散燃烧方式为主2、接近先等容后等压燃烧四、醇类燃料主要是甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)。醇类燃料的特点：热值低，含氧量大，所以混合气热值与汽油差不多；汽化潜热数值大，是汽油的三倍左右;

沸点低，产生气阻的倾向比汽油大；有毒性、腐蚀性；抗爆震性好，润滑性差；如以混合燃料方式使用，与汽、柴油的相溶性差。需要加入适量的助溶剂2023/2/1发动机原理221）醇类燃料的热值低，但醇中含氧量大，所需的理论空气量不到汽油的一半，所以两者的混合气热值都差不多，从而保证发动机动力性能不致降低。由于热值低，酒精汽油的燃油消耗率比普通汽油高，不过热效率并不比普通汽油低，而且其混合气比汽油混合气还稀。

2）醇的汽化潜热是汽油的三倍左右，混合燃料蒸发汽化，可以促使进气温度进一步降低，增加了充气量，提高了功率。但困难的是，在使用中需予以强预热。3）醇具有高的抗爆性能，加醇的混合汽油可提高燃料的辛烷值，这对提高汽油机的压缩比极为有利。2023/2/1发动机原理234）醇的沸点低，产生气阻的倾向比汽油大，要采取相应的措施。

5）在常温下醇难溶于汽油，混合不匀的燃料使发动机运转不稳定。为此，需要加入适量的助溶剂，以利于醇与汽油相互溶解。

6）甲醇对视神经有损伤作用，其混合燃料有一定的毒性，在储运及使用中要注意安全。

醇类燃料的使用方式混合燃料方式双燃料方式纯燃料方式氧添加剂燃料电池燃料醇类燃料的使用特性与使用方式有关：对其固有的理化特性及品质如：热值、沸点、密度、腐蚀性和含水量等应该有要求。2023/2/1发动机原理25五、气体燃料

气体燃料可分为天然气（NG）、液化石油气（LPG）及工业生产中的气体燃料。

天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体，它的主要成分是甲烷(CH4)。

液化石油气是在石油炼制过程中产生的石油气，主要成分是丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H8)等。天然气用于汽车一般有两种形式：一种是压缩天然气（CNG）。通常以20MPa压缩储存于高压气瓶中；一种是液化天然气（LNG），将天然气以-162℃低温液化储存于隔热的液化气罐中。

气体燃料的使用特性（1）气体燃料的特点热值低；常温下为气态，携带不方便；形成混合气容易；抗爆震性好，润滑性差；废气排放好。（2）气体燃料的使用方式

纯燃料方式；双燃料方式；混合燃料方式；燃料电池。（3）气体燃料的使用特性与使用方式有关；有国家标准，但使用性能指标不全面。

2023/2/1发动机原理27天然气燃料的优点：

l）天然气的主要成分是甲烷，CO排放量少，未燃HC成分引起的光化学反应低，燃料中几乎不含硫的成分，从全球环保的角度看，比电动汽车的SO2排放量要低。

2）辛烷值高达130，可采用高压缩比，获得高的热效率。

3）燃烧下限宽，稀燃特性忧越，在广泛的运转范围内，可降低NOx生成，进而也可提高热效率。4）由于是气体燃料，低温起动性及低温运转性能良好，进而在暖机过程中，不需要在使用液体燃料时所必要的额外供油，不完全燃烧成分少。5）天然气燃料运用性好，可采用油气双燃料供应方式，也可采用电控混合气或电控天然气喷射方式工作。它适用于轻型车，也适用于柴油车。6）将天然气应用于柴油车，固体微粒的排放率几乎为0，（微粒排放是当今柴油车排放治理中突出的困难），从而达到低公害车的标准。

2023/2/1发动机原理28天然气燃料的缺点：1）因为在常温、常压下是气体，储运性能比液体燃料差。一次充气行驶距离短，长途汽车应用有一定困难，但用于城市内车辆是可行的，其实它比一次充电的电动机车的行驶距离要长得多。

2）由于储气压一般达20MPa高压，使燃料容器加重。

3）由于呈气体状态吸入，使发动机体积效率降低，与液体燃料相比（如汽油），单位体积的混合气热值小，功率下降近10%。

2023/2/1发动机原理292023/2/1发动机原理30第二节

燃烧热化学

不管燃烧过程多么复杂，在燃烧分析中总需要提供有关燃料、空气及其产物的一些基本数量关系。对于已知的燃料，各元素的含量是可以测得的，而空气中氧化氮的比例又是一定的，按照完全燃烧的化学当量关系，很容易求出一些基本量，为发动机经验设计及调试提供依据。2023/2/1发动机原理31一、燃油完全燃烧的化学反应

用gc、gh、go分别表示每千克燃油中C、H、O的千克数，则：

gc

gh

go

汽油0.8550.1450.0柴油0.8700.1260.004对C：C+O2=CO2

gckg(C)+8/3gckg(O2)=11/3gckg(CO2)对H：H2+1/2O2=H2O

ghkg(H2)+8ghkg(O2)=9ghkg(H2O)2023/2/1发动机原理32二、理论空气量

定义：1kg燃油完全燃烧所需的空气量，称为理论空气量，用LO表示。单位为[kg/kg]。

在每千克燃油中，含有gokg

的氧，所以每千克燃油完全燃烧时需要供应的氧为：

8/3gc+8gh-go[kg]所以：LO=1/0.23（8/3gc+8gh-go）

[kg/kg]

汽油的理论空气量为14.8kg/kg，柴油的理论空气量为14.5kg/kg。2023/2/1发动机原理33三、过量空气系数定义：发动机工作过程中，1kg燃油实际供给的空气数量L与理论空气量L0之比值,称为过量空气系数。

用α表示：

α=L/L0

α=1时为理论混合气,α<1时为浓混合气,α>1时为稀混合气。

α=0.9，功率混合气；α=1.1，经济混合气。α=0.4，火焰传播上限（排气管放炮）α=1.4，火焰传播下限（进气管回火）2023/2/1发动机原理34

除了过量空气系数a外，还常用燃烧时空气质量与燃料质量的比例即空燃比（A/F）表示混合气浓度：四、空燃比

当a=1，即按理论空气量燃烧时，该空燃比称为理论空燃比。汽油和柴油的理论空燃比分别为14.8和14.5。混合气的空燃比大于理论空燃比时为稀混合气，小于理论空燃比时为浓混合气。2023/2/1发动机原理36四、燃油和可燃混合气的热值1．燃油的热值：在标准状态下，1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。用Hu表示,[KJ/kg]。在高温的燃烧产物中，水以蒸气状态存在，水的汽化潜热不能利用。在高温下的，则为低热值QL

。待温度降低以后，水的汽化潜热才能释放出来。因此，水凝结以后计入水的汽化潜热的热值，称为高热值QH

；发动机排气温度较高，水的汽化潜热不能利用，因此应用低热值。汽油的低热值为44000kJ/kg,柴油机的低热值为42500kJ/kg

2023/2/1发动机原理372．混合气的热值：当发动机气缸进气量一定（即气缸工作容积和充气效率都确定），则发动机工作循环吸收的热量完全取决于燃料热值和可燃混合气浓度。燃料热值和可燃混合气浓度的综合影响以可燃混合气热值来体现。混合气热值是指单位体积或单位摩尔数或每单位质量的混合气在完全燃烧放出的热量，其计量单位为kJ/m3（标）或kJ/kmol

或kJ/kg每千克混合气完全燃烧放出的热量,可用Hm表示,[kJ/kg]。

Hm=Hu/（1+αLO）α=1的混合气热值称为理论混合气热值。一般混合气的热值均指理论混合气的热值。混合气热值与过量空气系数的关系0100020003000400050000,511,522,533,54aHum

resp.Hum

[kJ/m3]HumHumIgnitionlimitconv.gasolineengine(gasolineoperation)p=1,013barT=273K2023/2/1发动机原理39第三节发动机混合气的着火与燃烧

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：着火与燃烧。

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。此过程逐渐积累热量或形成活化中心。活化中心—在压缩终了高温作用下，燃油分子分裂成大量自由原子或自由基（如H、O、CH、OH等），它们具有很强的反应能力。

2023/2/1发动机原理40燃烧是氧化反应加速至激化的结果，并伴有流动、传热、传质等物理现象（光和热）。进入燃烧有两种方法：点燃—利用点火系向可燃混合气增加能量。自燃—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，自燃是在全部混合气内同时发生的。发动机内的燃烧过程经历三个基本步骤：1）燃油与空气形成可燃混合气2）点燃可燃混合气，或可燃混合气发生自燃。3）火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧燃烧的分类：固相燃烧：固体燃料没有挥发而在表面与空气(氧气) 燃烧。气相燃烧：燃料以气体状态与空气混合燃烧。①预混燃烧：着火前燃料气体或燃料蒸气与空气已按一定比例形成混合气的燃烧。②扩散燃烧：着火前燃料与空气是相互分开的，着火后燃料边蒸发边与空气混合的燃烧。发动机中所有燃烧为预混燃烧和扩散燃烧中的某一种或两种燃烧的组合。预混火焰与扩散火焰扩散火焰半预混火焰全预混火焰α1：一次空气系数，即燃烧前同气体燃料混合的空气量与理论空气量之比•DifferentflametypesofBunsenBurnerdependingonairflowthroughthevalve. 1.valveclosed 2.valvesemi-opened 3.valvenearlyfullyopened 4.valvefullyopened2023/2/1发动机原理43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）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，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，碰撞分子所具备一定大小的能量，称为反应活化能。活化分子—能量超过活化能的分子一、着火机理2023/2/1发动机原理44能保证着火的缸内最低温度、压力称为着火临界温度和着火临界压力。着火临界线在一定P0下，如果外界温度低于T0，混合气不会发生热爆；在一定T0下，如果压力低于P0，也不会发生热爆。图4-2着火临界线着火临界温度和着火临界压力发动机能否着火，取决于着火阶段有无热量积累，氧化反应能否自动加速。2023/2/1发动机原理45（二）链锁自燃(链爆炸

)通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法使反应自动加速，直至着火的过程。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。链锁反应的过程：链引发→链传播→链中断2023/2/1发动机原理46链引发：反应物分子分解为自由原子或自由基，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自由基。

直链反应－由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。

支链反应－有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。链中断:

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。2023/2/1发动机原理47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，在低温下以链爆炸为主。2023/2/1发动机原理48二、发动机混合气的着火1、柴油机图4-1低温多级着火过程柴油机的着火为压燃式的低温多级着火2023/2/1发动机原理49柴油机着火过程：

喷油t1+冷焰t2+蓝焰t3→热焰

喷油—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500~700℃，不能裂解出链反应所需的自由原子或自由基。经历时间为t1。冷焰—热量有初步积累但较慢，反应开始加剧，产生醛类和有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，其热量不多。经历时间为t2，此时的反应为一级反应。

蓝焰—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t3，此时的反应为二级反应。t1+t2+t3为着火延迟期

热焰—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，出现桔黄色热火焰，即产生自燃。热火焰的出现称为三级反应。2023/