第三章 发动机的燃料特性

第三章发动机的燃料特性第一节

概述-“燃料与工质”对发动机的影响

“燃料与工质”对发动机的影响◎燃料的理化特性

燃料的理化特性决定了内燃机混合气形成和着火方式，是造成内燃机不同工作方式的决定因素。◎工质的热力参数

工质的热力参数对循环热效率有巨大的影响，是决定内燃机动力性、经济性“质”环节的重要因素；

◎燃料的热值

燃料的热值（尤其是混合气热值）、过量空燃系数、化学计量比等问题，既是内燃机原理的基础之一，也是影响动力性和经济性的“量”环节的主要因素之一。

•常规燃料——石油制品的液体燃料，即汽油和柴油。

•代用燃料——气体、醇类、醚类、酯类（Alternativefuels）目的：替代能源、环保要求液体：甲醇CH3OH、乙醇C2H5OH（可来自植物甘蔗）二甲醚CH3-O-CH3、动植物燃料（菜子油）气体：液化石油气LPG（丙烷、丁烯）、天然气CNG、

LNG（甲烷）

H2、沼气（CH4）、煤气（CO）固体：煤粉、水煤浆烃燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料（含氧生物燃料）Oxygenates/Biomass趋势：汽车燃料多元化

§3-2燃料及其热化学一、发动机燃料分类：二、发动机的燃料特性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。石油产品以多种碳氢化合物的混合物形式出现，分子式为CnHm，通常称为烃。根据碳原子数的不同构成不同相对分子质量、不同沸点的物质。利用沸点不同直接进行分馏，依次可得到石油气-汽油-煤油-轻、重柴油-渣油。三、汽油与柴油的使用特性

1、柴油：轻柴油用于车用高速柴油机，重柴油用于中、低速船用柴油机。国标GB252-81规定：轻柴油的牌号按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20号、-35号五级，凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度，因此上述牌号含义是指其凝点分别不高于10C、0C、-10C、-20C、-35C。选用柴油牌号时，应按发动机最低环境温度高出其凝点5C以上，例如，-20号柴油适用于最低环境温度为-15C的场合。轻柴油的主要使用性能指标1）十六烷值—评定柴油自燃性好坏的指标。十六烷值愈高，燃料自燃性愈好，着火滞燃期愈短，对空间雾化混合方式为主的直喷式柴油机来说，着火滞燃期内形成的可燃混合气数量愈少，初始放热量愈小，气缸内压力升高速率低，发动机工作柔和，燃烧噪音低。但增大十六烷值将带来燃料分子量加大，使燃油的蒸发性变差及粘度增加，导致排气冒烟增加及燃油经济性下降。如试验研究表明，十六烷值由55增加到75，油耗率增加7~8g/（kW.h）。因此，国产柴油的十六烷值规定在10~50之间。测定十六烷值是在特殊的单缸试验机上进行的。试验时采用十六烷（值为100）和-甲基奈（值为0）混合液，当测定柴油与x%（体积）十六烷配置的混合液自燃性相同时，待测柴油的十六烷值就是x。

3）化学成分：成分有C、H、O、N，C占85%，

低热值：

1公斤燃油完全燃烧所放出的热量称为热值。42500~44000kj/kg自燃温度：自行着火的最低温度，以十六烷值来评价。以两种自然性能截然不同的标准燃料（正十六烷与甲基萘）作比较。常用柴油：十六烷值为65以下，其值越高，滞燃期越短，利于冷启动。2）低温流动性：当温度降低时，柴油含有的高分子烷烃和水分开始出现结晶，呈半透明状，其温度为柴油浑浊点，当温度在降低时，柴油完全凝结，此时温度为凝点以凝点来确定柴油标号。馏程与燃烧完善程度及发动机起动性能有密切关系，如燃料馏出50%的温度愈低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发快、有利于混合气形成，发动机容易起动。90%和95%馏出温度愈高，说明燃料中重馏分过多，在高速柴油机中来不及蒸发、形成可燃混合气，燃烧不完全。因此车用高速柴油机使用轻馏分柴油，但馏分太轻也不好，可能着火延迟期内形成的可燃混合气数量太多，初始放热多，发动机工作粗暴。4）馏程—表示柴油的的蒸发性，用燃油馏出某百分比的温度范围表示。5）粘度—燃料流动性的尺度，与燃料喷射雾化有直接的关系。显然，粘度愈大，燃料喷射雾化特性愈差，燃油和空气的混合质量愈差，燃烧不完全、油耗率增加、排气冒黑烟。但粘度指标不能过低，因为喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件等均需燃料润滑，否则，偶件易咬死，喷射油压偏低。6）凝点—柴油牌号规定依据。辛烷值—表示汽油抗暴性的指标。辛烷值愈高，抗暴性愈好，发动机的压缩比可以选择的愈高。测定汽油辛烷值是在专门的试验发动机上进行的。按一定的试验条件，试验时采用正庚烷（值为0）和异辛烷（值为100）的混合液，当测定汽油与x%（体积）异辛烷配置的混合液在专用发动机上爆震强度相同时，待测汽油的辛烷值就是x。按试验条件不同可分为马达法（MON）和研究法（RON）。马达法试验转速和进气温度较高，容易爆震，因此用马达法测定的辛烷值比研究法低。我国用研究法，美国用辛烷值指数（（RON+MON）/2）。2、汽油汽油的主要使用性能指标是辛烷值和馏程等。国产汽油牌号是以汽油的辛烷值来标号的。1）抗暴性辛烷值的高低顺序是烷烃烯烃焕烷烃芳烃，柴油主要成分是直链式烷烃，抗暴性能差，辛烷值低；国内汽油主要成分是烷烃，抗暴性较好，辛烷值较高；国外汽油含芳烃成分远高于国内汽油，因此抗暴性好，辛烷值高。2）挥发性馏程和蒸气压—评价汽油蒸发性好坏的指标。汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物，各有自己的沸点，随着温度升高，按照馏分由轻到重逐次沸腾，因此可利用蒸馏仪测定汽油馏程。通常以10%、50%和90%的馏出温度作为评定指标：a）10%馏出温度—标志着发动机的冷起动性。但是太低会导致汽油在管路输送过程中因高温零件壁面加热而变成蒸气，在管路中形成“气阻”，使发动机功率下降，甚至熄火。b）50%馏出温度—标志着汽油的平均蒸发性，影响发动机暖车时间、加速性以及工作稳定性。希望此温度较低。c）90%馏出温度—标志着燃料中难于挥发的重质成分的数量。此温度愈高，燃料中重质成分愈多，在气缸中因不易挥发而附着在气缸壁上，容易造成冒烟、积碳、稀释机油（油底壳内机油油面反而上升）（油品不好的典型例子）d）饱和蒸气压的大小影响“气阻”，愈低愈容易产生“气阻”现象。e）干点、残留量等说明油品好坏。汽油与柴油组分的差异（1）自燃性—不用点燃而自动着火的性能化学稳定性的好坏决定了自燃性能：高C>低C，正烃>异烃>环烃>芳香烃◎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比较基准：正十六烷C16H34

甲基萘C11H10

◎对汽油来说最重要的是辛烷值，即希望自燃性差，抗爆性好比较基准：正庚烷C7H16

异辛烷C8H18

汽、柴油主要理化特性的差别（3）热值—能量密度◎燃料的热值由C/H比决定,由于H比C的热值高（约3.7:1）,

汽油与柴油优于其它代用燃料的关键之一◎但就单位质量来看，H燃烧所需要O（空气）多（约是C的3倍），因而：理论混合气热值汽=柴注：若实际中考虑，汽油在φa=1、柴油在φa≥1.2工作，则有可能混合气热值汽>柴（2）挥发性—液体燃料气化的难易程度一般用馏程评价挥发性能：

C原子数越大、分子越大，蒸发越难，物理稳定性越好。◎汽油：物理稳性差，易挥发，所以用预制均予混合方式燃烧◎柴油：物理稳性好，不易挥发，所以用高压喷油雾化2、着火与燃烧方式的不同a）汽油自燃温度高，但汽油蒸气在外部引火条件下的温度低，适宜于外源点火。由于混合均匀，单点着火后，以较低的层流火焰传播速度传播，因而工作柔和。b）柴油自燃温度低，采用压缩自燃的方式，多点爆炸性燃烧，工作粗暴。边喷射、边混合、边燃烧、相互重叠的特点，使得燃烧过程恶化，易冒烟，微粒排放多，燃烧时间长。四、汽油、柴油性能差异对发动机的影响1、混合气形成方式不同a）汽油挥发性强，可在气缸外部化油器内低温环境下形成均匀可燃混合气。b）柴油蒸发性差，但粘度大，适宜于用高压喷油嘴向气缸内部燃烧室内喷射雾化，形成不均匀混合气。3、功率调节方式不同：预混合，汽油机靠量调节，φa基本保持不变，量调节（质不变）柴油机靠质调节，循环空气量不变，φa变化（1~∞），质调节。五、醇类燃料—甲醇、乙醇。80年代初的研究，汽油机。可行性：取代汽油是立项前提，来之容易使其实用性强。1）醇类燃料的热值虽低，但由于醇中含氧量大，理论所需空气量不到汽油的1/2，因此，混合气热值与汽油相当。保证发动机动力性能不下降，但油耗率略有上升。2）醇类燃料具有高的抗暴性能，因此压缩比可提高。3）醇类燃料的汽化潜热是汽油的三倍左右，有利的一面是可降低进气温度，增加了进气量，提高了发动机功率，不利的一面是容易在化油器喉管处结冰，使用中需要电加热。困难：1）醇类燃料的沸点低，容易造成气阻，需采取相应措施。2）常温下难溶于汽油，混合不均匀的发动机运转不稳定。需加入适当助溶剂。3）甲醇对视神经有损伤作用，对金属有一定的腐蚀作用。六、气体燃料—为城市交通绿色环保要求产生。早期内燃机就使用气体燃料—煤气，石油工业革命后液体燃料的使用，大大推进了内燃机的发展。现代气体燃料可分为天然气（NG）、液化石油气（LPG）等。天然气是以自由状态或与石油共生的可燃气体，主要成分为甲烷。液化石油气是石油炼制过程中产生的石油气，主要成分是丙烷、丙烯等。汽车上应用最多的是天然气，两种应用形式：1）压缩天然气（CNG），通常以20MPa压缩储存在高压气瓶中.2）液化天然气（LNG），以-162C低温液化储存于隔热的液化气罐中。液化石油气需要极低温技术，储运困难，成本高，但由于能量密度大、行驶距离长等，处于研究中。常用压缩天然气。可行性：排放低是立项前提，发动机改造成本低、高效率使其实用性强。1）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，由于几乎不含硫，因此SO2排放量比电动汽车还低。2）辛烷值高达130，可采用高压缩比，热效率高。3）可燃烧稀薄混合气，NOx排放量少。4）由于是气体燃料，低温起动性及低温运转性能好，暖机不需额外加油，燃烧较完全。5）天然气燃料适应性好。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。可用于汽油机，也可用于柴油机。6）用于柴油机时，固体微粒排放率几乎为零，是城市公交车消灭黑烟尾巴的一大措施。困难：1）由于是气体燃料，因此，一次充气行驶距离短，但比电动汽车行驶距离长。2）高压气瓶较重，空间布置困难。3）天然气流量控制要求精确，技术上有难度，国内一般用国外进口流量控制阀。4）由于燃料呈气态吸入，充气效率降低，加上单位体积的混合气热值小，发动机功率下降10%左右。下面分析1kg燃料完全燃烧所需理论空气量

碳氢燃料在空气中完全燃烧反应式如下：

1、完全燃烧所需理论空气量：

空气的组成若为：氧气占20.95％，其他则空气中其他气体和氧气的体积比为：1mol第三节燃烧热化学1kg燃料完全燃烧所需理论空气量：

化学空燃比：当燃料在空气中燃烧时，一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃料完全燃烧，将碳氢燃料中所有的碳、氢完全氧化成二氧化碳和水，则此时的空气和燃料的质量比称为该燃料燃烧的化学空燃比。

由于燃料为碳氢化合物的混合物，难于准确的确定C、H、O的原子数，而三者含量的质量比是可得到的，记为gC、gH、gO。因而：带入上式可得：——“质量化学计量比”

用摩尔体积表示：

称之为“摩尔化学计量比”（Stoichiometricratio）

汽油：

l0=14.796kg/kgL0=0.513mol/kg

柴油：

l0=14.297kg/kgL0=0.492mol/kg

2.不完全燃烧

当空气量小于l0时，燃料不完全燃烧，会形成CO、HC等不完全燃烧产物，需用化学平衡及化学动力学方法计算确定.

3.

残余废气系数

残余废气系数φr是进气过程结束时，缸内的残余废气量与新鲜充量的质量比。

φr=mr/m1

式中，mr—每循环每缸的残余废气质量；

m1—每循环每缸的新鲜充量质量；

◎一般机型无EGR的φr值范围如下：

汽油机0.06~0.16，

柴油机0.03~0.06，

增压柴油机0.00~0.03。

◎汽油机φr偏高是因为ε小，和低负荷时进气节流强使新鲜充量下降;

◎增压柴油机φr小是因为扫气效果强。

4、燃料热值燃料热值—1kg燃料完全燃烧所放出得热量，称为燃料的热值。由于水蒸气只能在温度降低后才能释放出来，因此在内燃机很高的排气温度条件下只能考虑燃料的低热值。燃烧包括：着火和燃烧两部分。燃烧是指燃料与氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。着火是指混合气自动地反应加速，并产生温升，以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程。第四节燃烧的基本知识着火的方式有：自燃和点燃一、链式着火理论链式着火理论认为：高温并不是引起着火的唯一原因，只要以某种方式（如辐射、电离）激发出活性中心就能引起着火，反应物分子受激后首先产生活性中心，燃烧通过链式反应产生着火。链式反应的分类：a）直链反应：一个活性中心进行一次反应只产生一个新的活性中心，即整个反应以恒定的速度反应。c）退化支链反应：一个活性中心通过直链反应产生一个新的活性中心和过氧化物，过氧化物分解时引起新的支链反应，所以其反应总比支链反应慢。b）支链反应：一个活性中心进行一次反应只产生两个以上新的活性中心，即整个反应是加速反应。d）断链反应：当活性中心与容器壁面或惰性气体分子碰撞时，其活化能被吸收，导致反应中断。为滞燃期观测烃的反应过程，具有如下特点：1）在反应开始，有一段形成与积累活性中心的过程，当活性中心积累到一定程度，反应速度便急剧增加。2）反应物在低温下也可能因某种原因能激发出活性中心，便能引起链锁反应。因此，引起燃烧爆炸的原因不一定是高温。3）反应速度是自动加速的。4）在反应气体中加入惰性气体，将促使反应速度降低。试验研究表明，烃燃料的着火区域在低温阶段呈现出于高温阶段完全不同的着火规律性，这种低温下特殊的着火规律，实际上就是退化支链反应引起的一种现象，通常称为着火半岛。通过光谱分析发现，烃燃料低温下着火需经历冷焰—蓝焰—热焰三个阶段。二、烃燃料的链式反应着火低温多阶段着火a）冷焰诱导阶段：低温条件下烃分子不能热裂解，只能产生直链反应，与氧分子发生不完全氧化，形成过氧化物和乙醛，该阶段释放的能量极少，所以p、T变化不大。b）冷焰阶段：当过氧化物积累到临界浓度时，分解出甲醛，使混合其发出冷焰，p、T均有所提高。c）蓝焰阶段：由甲醛的支链反应产生CO，并发出蓝色的光，p、T进一步提高。此阶段时间较短，积累的活化中心和CO达到一定的浓度，温度升高一定程度后反应明显加速，释放出大量热量，形成高温热焰，即燃烧开始。2）高温单阶段着火高温单阶段着火：在较高温度下，着火过程不经过冷焰直接进入蓝焰——热焰阶段，而且这两个阶段很短很难区分，因此叫高温单阶段着火。对于内燃机的具体着火现象而言，柴油机的压缩着火和汽油机的爆燃具有低温多阶段着火的特点；而汽油机的火花点燃和柴油机着火后喷入气缸内的燃料着火具有高温单阶段着火特点。三、自燃：具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外部能量的情况下依靠自身的反应自动引发火焰的过程。早期的热着火理论认为：着火的原因在于热量的积累，当放热速率大于散热速率时才可能着火。a）时，肯定着火，如图散热速率线①明显低于。b）时，处于临界着火条件，Tc称为临界温度，如图散热速率线②。c）时，不可能着火，如图散热速率线③。临界温度影响着火的因素着火临界温度Tc将受到系统的初始压力pc、过量空气系数、燃料理化特性的影响。a）压力的影响着火区域随压力的增高，临界温度Tc降低。b）过量空气系数的影响存在着一个可燃混合气着火的浓度上限（富油极限）与下限（贫油极限）。随着温度、压力升高，着火的浓度界限有所加宽；但温度、压力升得再高，着火界限的加宽也是有限的。反之，当温度、压力过低（低于临界值），则无论在什么浓度下均不能着火。c）燃料特性的影响燃料不同，其化学稳定性不同，其着火临界温度Tc不同。

着火温度TC不仅与可燃混合气的物理化学性质有关，而且与环境温度、压力、容器形状及散热情况等有关。即使同一种燃料，引条件不同，着火温度也可能不同。四、点燃点燃：指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程。火花塞提供的点火能量必须大于某个点火的最小能量，点燃才能成功（指产生火焰核并使火焰传播成功）。点火所需的最小能量受诸多因素影响：（1）燃料的种类与浓度（2）空气中氧的浓度（3）压力及温度（4）点火处气流的运动运动状况（紊流强度与紊流尺度）（5）电火花的性质（6）电极的几何形状与距离（火花塞间隙）等等。例如，火花塞间隙与点火能量有很大关系：最佳火花塞间隙下所需点火能量最小；存在熄火距离，即电极间隙下无论点火能量多大也不能着火。内燃机点火能量在50-80mJ五、火焰在预混气中的传播火焰核心顺序点燃周围的混合气，火焰范围逐渐扩大，并随着热量的释放，未燃混合气的T、p不断升高，燃烧加速。火焰前锋面的界面明显，以火核为中心呈球面波形式向周围扩展，习惯上称这种燃烧现象为火焰传播。燃烧主要在厚度为的火焰面上进行，称为火焰前锋。根据混合气运动状态不同，火焰传播方式可分为：层流火焰和湍流火焰传播。1）层流火焰传播

在混合气静止或层流状态下，火焰前锋面尽管很薄，其实进行着剧烈的传热传质和化学反应现象有着极大的温度梯度和浓度。2）湍流火焰传播

所谓湍流，是指由流体质点组成的微元气体所进行的无规则的脉动运动。

湍流会使火焰前锋面出现皱折，表面积明显增大，同时加速了前锋面内的传热传质过程，结果：一是前锋面上的火焰传播速度加大。二是燃烧速度大大加快。六、液体燃料的雾化与扩散燃烧1、液体燃料的喷射与雾化柴油等液体燃料在内燃机中要经历高压喷射、雾化、混合、压缩着火以及燃烧阶段，雾化混合的状态将对燃烧过程产生重要的影响。燃油的雾化就是将燃油分散成细粒的过程。燃油的喷雾特性主要包括：贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径。1）贯穿距离（油束射程）贯穿率等于油束的贯穿距离与喷孔口沿喷孔轴线到燃烧室壁的距离之比，它表征混合气形成过程中空间雾化混合与油膜蒸发混合的比例关系。如果贯穿率大于1，说明一部分燃油喷射到了燃烧室壁面上，这部分燃油与空气的混合过程属于油膜蒸发混合方式；反之，若贯穿