内燃机 第三章

第三章内燃机燃料与燃烧*/2第三章内燃机燃料与燃烧

内燃机的燃料及其提炼方法燃料的使用性能燃料的热化学燃烧的基本理论常规燃料——汽油和柴油替代燃料——除汽油、柴油以外的烃类/醇类/醚类/酯类/氢气等燃料1)按物态分类：液体：甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、生物柴油、GTL/CTL/BTL气体：LPG、CNG、氢气、沼气、煤气2)按成份(是否含氧)分类：烃燃料(除汽油、柴油外)和含氧燃料*/3趋势：汽车燃料多元化(Diversification)一、燃料及其分类*/4二、燃料的化学结构AlkanesorParaffins-CnH2n+2AlkenesorOlefins-CnH2n烷烃甲烷乙烷异辛烷C-C单健饱和烃，氧化稳定性好；异构体结构紧凑,不易断链,不易自燃烯烃乙烯丙烯丁二烯C＝C双健*/5二、燃料的化学结构AlkynesorAcetylenes-CnH2n-2炔烃

乙炔C≡C三健多键非饱和烃结合牢固，不易断链，不易自燃但不饱和烃稳定性差，长期存放容易氧化变质芳香烃

benzene苯toluene甲苯naphthalene萘环状结构紧凑,不易断链,不易自燃Aromatics-CnH2n-6*/6二、燃料的化学结构环烷烃NapthenesC-C单健CnH2n环烷烃属饱和烃，性质比较稳定，不易断链，不易氧化变质Alcohols-containoneormoreOHgroups醇

乙醇燃料含氧促进燃烧甲醇三、化学结构及成分对理化特性的影响1)烃燃料结构对理化特性的影响

链与环—环化学稳定性好，不易自燃

直链与支链(或正烷与异烷)—支链(异烷)的化学稳定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和异辛烷C8H18的辛烷值分别为0和100)

单键和多键—多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但稳定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃)燃料抗爆性比较：1)环烷烃正烷烃2)烯烃正烷烃3)异烷烃正烷烃4)芳香烃烷烃/烯烃燃料自燃性比较：1)环烷烃<正烷烃2)烯烃<正烷烃3)芳香烃<烷烃/烯烃4)1-甲基奈－压不着三、化学结构及成分对理化特性的影响1)烃燃料结构对理化特性的影响

链与环—环化学稳定性好，不易自燃

直链与支链(或正烷与异烷)—支链(异烷)的化学稳定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和异辛烷C8H18的辛烷值分别为0和100)

单键和多键—多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但稳定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃)2)烃燃料成分对理化特性的影响

C原子数(直链)：C越多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃；物理稳定性好，不易气化

H/C比

燃料热值由H/C比决定,由于H比C的热值高(约3.7:1)，柴油H/C<汽油H/C→柴油Hu(42500kJ/kg)<汽油Hu(44000kJ/kg)；H/C大，则排放特性好：

C—CO、CO2

有害

H—H2O无害CNG、LPG的H含量高(0.25和0.182)，所以其CO、黑烟、微粒、CO2低于汽、柴油→H/C越大，燃料越清洁三、化学结构及成分对理化特性的影响四、石油的炼制直接蒸馏法（分离过程）：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％。*/10四、石油的炼制裂解法（转化过程）：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。热裂解法：通过加温加压进行裂解催化裂解法：使用催化剂(触媒)进行裂解*/11燃油直馏法热裂解法催化裂解法汽油稳定性好，体积分数为90%~95%的烷烃与环烷烃，芳香烃体积分数不超过5%~9%，不含不饱和链烃，其马达法辛烷值在50~70含有较多不饱和烃，存储中易产生胶质，抗爆性比直馏汽油略好，其马达法辛烷值在58~68芳香烃体积分数约为32%~40%，烷烃为50%~60%，环烷烃为8%~10%。抗爆性好，马达法辛烷值可达77~84柴油含有体积分数为20%~35%的芳香烃，具有较高的十六烷值含有大量不饱和烃，十六烷值较低，一般用做中速柴油机燃料性能较好，可作为高品质柴油使用，用于高速*/12第三章内燃机燃料与燃烧内燃机的燃料及其提炼方法

燃料的使用性能燃料的热化学燃烧的基本理论一、汽油的使用性能*/131.蒸发性(1)饱和蒸气压：在规定条件下燃油和燃油蒸气达到平衡状态时，燃油蒸气的压力

蒸气压高，说明燃油中轻质组分多，发动机冷起动性能好，混合气形成速度快，有利于燃烧蒸气压过高，在储存和运输过程中易产生蒸发损失，着火的危险性大；也容易在燃油供给系统中形成“气阻Choking”10个碳原子以上烃类的饱和蒸气压接近于0→柴油的蒸气压接近0(2)馏程：汽油馏出的温度范围

初馏点—燃料中含有的最轻馏分的沸点，但不能判断轻馏分的含量馏出10％的温度(T10)—反映汽油机的冷起动性馏出50％的温度(T50)—燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的工作稳定性馏出90％的温度(T90)—燃料中的重质馏分含量，反映汽油机燃烧完全性干点（终馏点）—燃料中含有的最重馏分的沸点一、汽油的使用性能2.抗爆性：燃料不发生爆燃(Knocking)的能力抗爆性对汽油来说非常重要，希望自燃性差，抗爆性好辛烷值是评价汽油抗爆性好坏的指标异辛烷Iso-OctaneC8H18

OctaneNumber100ON＝100正庚烷n-HeptaneC7H16

OctaneNumber0ON＝0CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCCHHHHHHHHH一、汽油的使用性能RON>MON燃料敏感性Sa＝RON－MON抗爆指数Ai=(RON+MON)/2马达法和研究法辛烷值的测量：一、汽油的使用性能1.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对柴油尤其重要，自燃性差，则起动性差，工作粗暴十六烷值是评价柴油自燃性好坏的指标十六烷值CetaneC16H34CetaneNumberCN=100CetaneNumberCN=0－甲基萘－MethylnaphthaleneC11H10二、柴油的使用性能HCCHHHH.......HCCHHHHCCCCCCCCCCHHHHHHHCH3燃油十六烷值的测量：二、柴油的使用性能2.蒸发性——馏程：燃油馏出某百分比的温度范围

50％馏出温度表征平均蒸发性，低蒸发性好，说明轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。

90％和95％馏出温度标志难于蒸发的重馏分的数量。如重馏分过多，不易蒸发和形成均匀混合气，燃烧亦不及时和完全。3.雾化性——粘度：表示燃料分子间内聚力的大小粘度越大，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，碳烟排放增加。喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度。一般轻柴油的运动粘度在20oC时为（2.5～8）10-6m2/s。二、柴油的使用性能1)混合气形成方式不同◎汽油—易气化，缸外低压喷射蒸发，与空气形成预制均质混合气◎柴油—难气化，缸内高压喷雾成细小液滴，与空气形成非均质(分层)混合气2)着火及燃烧方式不同◎汽油—难自燃，易点燃(SI)，用高压电火花点燃

预混燃烧，火焰传播。可在a

=1的条件下完全燃烧◎柴油—难点燃，易压燃(CI)

扩散燃烧，即边喷-边混-边燃，为了完全燃烧，必须a>1.03)负荷调节方式不同◎汽油机—预混合，混合气数量改变，浓度基本保持不变，量调节◎柴油机—分层混合，喷油量改变，空气量基本不变，质调节汽油机与柴油机工作模式的差异homogeneousmixturestratifiedmixtureMixtureHomogeneous均质混合气SparkIgnition火花点火MixtureStratified分层混合气CompressionIgnition压缩着火SI常规汽油机HCCIGDICI柴油机内燃机混合气形成和燃烧模式组合GasolineDirectInjection汽油缸内直喷HomogeneousChargeCompressionIgnition均质充量压燃*/22第三章内燃机燃料与燃烧内燃机的燃料及其提炼方法燃料的使用性能燃料的热化学燃烧的基本理论一、理论空气量（化学计量空燃比）化学计量空燃比：1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量设1kg燃料中C、H、O的质量分别为wC、wH、wO，则(1)1kg燃料完全燃烧需要O2为：O2在空气中的质量百分比为23%，即需空气量为（实际中是测量空气流量）：也称之为“质量化学计量比”（massstoichiometricratio）(2)1kg燃料完全燃烧需要O2摩尔(mol)为：而O2在空气中的摩尔百分比为21.0%，即需空气量为：也称之为“摩尔化学计量比”（molestoichiometricratio）1kg燃料完全燃烧需要O2体积(m3)为：一、理论空气量（化学计量空燃比）汽油的平均质量成分：柴油的平均质量成分：汽油：柴油：二、过量空气系数α定义：燃烧1kg燃料提供的空气量L与理论上所需空气量L0之比，表示混合气的浓度汽油机：混合气均匀，α=0.8～1.2，柴油机：混合气不均匀，α=1.2～1.6，增压柴油机：α=1.8～2.2空燃比（A/F）和燃空比（F/A）：三、α>1时完全燃烧产物的数量燃烧前混合气的数量(1kg燃料)汽油机：（kmol/kg燃料）

MT为燃料的分子质量柴油机：液态燃料可忽略即为纯空气（kmol/kg燃料）燃烧产物的数量三、α>1时完全燃烧产物的数量燃烧后产物的增量汽油机：

柴油机：四、燃料热值和混合气热值1.燃料热值：1kg燃料完全燃烧所放出的热量高热值：包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热低热值：不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热Hu（内燃机）2.可燃混合气热值：单位质量或单位体积可燃混合气完全燃烧发出的热量(kJ/kg或kJ/kmol)α=1时，理论混合气热值*/29第三章内燃机燃料与燃烧内燃机的燃料及其提炼方法燃料的使用性能燃料的热化学燃烧的基本理论1.预混合燃烧：着火前燃料与空气已经按一定的比例预先混合形成了均匀的可燃混合气，在着火后，预混合气的燃烧自动进行，称为火焰传播过程（1）层流火焰传播在静止或流速极低的预混合气中，着火之后，火焰核心迅速发展为近似球形火焰二、内燃机中的燃烧方式火焰前锋面火花气缸未燃气体已燃气体火焰前锋面以近似圆球的形状向整个混合气空间扩展推进火焰锋面之前是未燃的预混合气，火焰锋面之后是已燃的、具有很高温度的燃烧产物。火焰锋面厚度d分为混合气预热区厚度dp

和反应区厚度dc

两个部分，预热区厚度dp大，化学反应速度低，反应区厚度dc小，化学反应速度高；火焰锋面厚度d

很小，温度和浓度变化极大，引起强烈的传热和传质，引起邻近混合气化学反应，即火焰传播；混合气浓度对层流火焰传播速度影响最大，在略小于理论空燃比时，化学反应速度最快，火焰