第4章-燃料与燃烧化学

第四章燃料与燃烧化学王海伟西北工业大学机电学院汽车发动机原理2主要内容第一节发动机的燃料第二节代用燃料及其应用第三节燃烧化学第四节燃烧的基本理论3第一节发动机的燃料石油燃料（汽油、柴油）代用燃料（醇类、气体）

汽油的主要性能有：抗爆性、蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清净性。一、汽油41、抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力。汽油的抗爆性用辛烷值来表示。辛烷值越高，其抗爆性越好。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，常用的为马达法与研究法。5马达法辛烷值（MON）是以较高的混合气温度

（一般加热至149℃）和较高的发动机转速（一般达900rpm）的苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷值。它表示汽油在发动机常用工况下低速运转时的抗爆能力。研究法辛烷值（RON）是以较低的混合气温度

（一般不加热）和较低的发动机转速（一般在）的中等苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷值。它表示汽油在发动机重负荷条件下高速运转时的抗爆能力。马达法辛烷值（MON）低于研究法辛烷（RON）。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。62、蒸发性液态汽油汽化的难易程度称为汽油的蒸发性。汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有良好的蒸发性。但蒸发性也不能太强，否则易形成供油系“气阻”，甚至发生供油中断现象。蒸发性很弱的汽油，难以形成良好的混合气，这样不仅会造成发动机起动困难、加速缓慢，而且未气化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳定，油耗上升。如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还会破坏润滑油膜，甚至窜入曲轴箱稀释润滑油，从而使发动机润滑遭破坏，造成机件磨损增大。7汽油的蒸发性用汽油蒸发量为10％、50％、90％和100％时所对应的温度来评定。用10％馏出温度低，汽油的起动品质越好。

50％馏出温度低，说明汽油的中间馏分容易蒸发，有利于汽油机的加速和由冷的状态很快转入工作状态。

90％馏出温度高，表明汽油中不易蒸发的重质含量多。汽油中这些重质成分在混合气形成的过程中很难蒸发，它们附着在进气管和气缸壁上，将增加燃油消耗、稀释气缸壁上的润滑油和加大气缸磨损。83、氧化安定性

汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质不发生长久性变化的能力称为氧化安定性。汽油氧化安定性影响汽油的储存、运输和应用。安定性差，易发生氧化、缩合和聚合反应，生成酸性物质和胶状物质，将导致燃料供应系统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良，增大爆燃倾向。氧化安定性评定项目：(1)实际胶质；(2)诱导期。蒸发残留物越多，质量越差；诱导期越长，安定性越好。94、清净性

由于汽油中不稳定化合物存在，喷射式汽油发动机在进气系统和喷油器上易产生沉淀。加入汽油清净剂可使进气系统保持清洁。它是一种具有清净、分散、抗氧、破乳和防锈的多功能复合添加剂，一般是聚烯胺和聚醚胺类化合物。汽油清净剂的研发从20世纪50年代开始至今已经经历了五代。105、汽油规格

我国目前有两种规格，一种是车用汽油的国家标准（GB1793-1999），一种是无铅汽油的行业标准。我国的无铅车用汽油国家标准见表4-1。11二、柴油1、柴油的自燃性柴油的自燃性:

柴油在没有外界火源的情况下能自行着火的能力。柴油的自燃性好，柴油机工作较柔和，在低温时易于起动。

十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。12柴油的十六烷值：标准燃料是正十六烷和一甲基萘的混合物。正十六烷自燃性最好，作为自燃性好的标准，其十六烷值定为100。一甲基萘最不易自燃，作为自燃性差的标准，定其十六烷值为0。柴油的自燃性通常介于正十六烷与一甲基萘之间。将上述两种成分按不同比例混合，可得出不同十六烷值的标准燃料，其十六烷值为该混合物中正十六烷所占的体积百分数。如果某种柴油与某种标准燃料的自燃性相同，则该标准燃料的十六烷值即为该柴油的十六烷值。13十六烷值过高或过低的柴油，都对柴油机的性能或工作不利。十六烷值越高，着火性越好。十六烷值过高，燃烧不完全。国产柴油的十六烷值规定为40~65之间，不必要过分增大。142、柴油的蒸发性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，用馏程表示。馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处的温度，通常以馏出50﹪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200℃~300℃。153、柴油的粘度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；粘度滤清困难，喷雾不良，流动阻力增大。4、柴油的凝点柴油的凝点指柴油冷却到失去流动性的温度。16第二节代用燃料及其应用代用燃料按物态气体代用燃料：天然气、液化石油气、氢气、煤气、沼气等液体代用燃料：甲醇、乙醇、植物油燃料等按化学成分烃燃料含氧燃料17一、天然气

天然气主要成分为甲烷CH4(容积比可达83～99以上)，另外还包括乙烷C2H6以及丙烷C3H8等。

天然气的热值和辛烷值均较高，在用作点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，使用比较方便，特别是压缩天然气(CNG——CompressedNaturalGas)，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。18二、液化石油气

液化石油气(LPG-LiquefiedPetroleumGas）主要成分是丙烷C3H8、丁烷C4H10、丙烯C3H6、丁烯C4H8及其异构物，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。

19三、醇类燃料醇类燃料主要是甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。甲醇可以从天然气、煤、生物质等原料中提取；乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。醇类燃料是液体燃料，可以沿用传统的石油燃料的运输、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。20

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。21

对目前中国推广乙醇汽油试点工作，必须妥善解决好以下三个关键问题：一、乙醇汽油百公里耗油量高于同牌号的汽油消耗量；二、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、由于乙醇汽油不宜长期储存，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。2223第三节燃烧化学一、燃料燃烧的热值

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，其它元素生成高级氧化物。24汽油:44100[kJ/kg]柴油:42500[kJ/kg]

完全燃烧时，生成的水为气态时的热值为低位发热值。完全燃烧时，生成的水为液态时的热值为高位发热值。高位热值比低位热值小，其差值为水蒸气的汽化潜热。25二、燃料完全燃烧的化学反应1.碳燃烧2.氢燃烧3.硫燃烧4.一氧化碳燃烧5.碳氢化合物P70-7126三、燃料燃烧所需的空气量1kg燃料完全燃烧所需要的空气量称理论空气量。1kg燃料中所含kg碳，kg氢气，kg氧气汽油:[kg/kg]，[kg/kg]，

[kg/kg]柴油:[kg/kg]，[kg/kg]，

[kg/kg]

汽油的理论空气量为14.9（kg/kg），柴油的理论空气量为14.5（kg/kg）。27四、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:>1；汽油机:>1或

1。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。282、空燃比、燃空比汽油理论上完全燃烧时的空燃比约为14.9。应用空燃比直观方便，其数值即为每千克燃料燃烧时实际供给空气量的千克数。空燃比＜14.9，浓混合气

空燃比＞14.9，稀混合气

29第四节燃烧的基本理论一切燃烧过程都由着火和燃烧两个阶段组成。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。使可燃混合所进入燃烧的第二阶段，有两种方法。一是强迫着火或点燃。另一种是自燃着火。30发动机内的燃烧过程一般要经历三个基本步骤：(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)火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧。31一、着火机理：按化学动力学的观点，着火机理可分为热自燃机理和链锁自燃机理两类。(一)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散失的热量，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，或称热爆。32(二)链锁反应所谓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(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)。

例：氢燃烧的化学反应过程（P73）33二、发动机混合气的着火有高温单阶段着火和低温多阶段着火。汽油机柴油机34（一）汽油机－高温单阶段着火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、火花塞点火,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。

汽油机着火过程：

压缩混合气点火（经短暂着火延迟期）热火焰－－高温单阶段点燃35（二）柴油机－低温多阶段着火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。362阶段——一阶段反应

燃烧的实质是燃料氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。经过一段时间后，反应加剧，出现淡青色火焰，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。3阶段——二阶段反应

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。混合气稀得多。4时间后——三阶段反应

活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生热爆炸，出现橘黄色热火焰。混合气更稀。

——着火延迟期37三、发动机的燃烧方式（一）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。为单相系,均匀系。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。汽油机