汽车发动机原理 第四章 燃料与燃烧化学

1、第四章第四章 燃料与燃烧化学燃料与燃烧化学主要内容主要内容 第一节第一节 发动机的燃料发动机的燃料 第二节第二节 代用燃料及其应用（自学）代用燃料及其应用（自学） 第三节第三节 燃烧化学燃烧化学 第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论 作业及思考题作业及思考题第一节第一节 发动机的燃料发动机的燃料 石油燃料石油燃料（汽油、柴油）代用燃料代用燃料 汽油的主要性能有：抗爆性、抗爆性、蒸发性蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。一、汽油一、汽油1、抗爆性、抗爆性 汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力。时抵抗爆燃

2、的能力。 汽油的抗爆性用汽油的抗爆性用来表示。辛烷值越高，来表示。辛烷值越高，其抗爆性越好。其抗爆性越好。 测定汽油的辛烷值测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用有不同的试验方法，常用的为马达法与研究法。的为马达法与研究法。 马达法辛烷值（马达法辛烷值（MON）是以较高的混合气温度）是以较高的混合气温度 （一（一 般加热至般加热至149）和较高的发动机转速（一般达）的）和较高的发动机转速（一般达）的苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷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。抗爆能力。

3、研究法辛烷值（研究法辛烷值（RON）是以较低的混合气温度）是以较低的混合气温度 （一（一 般不加热）和较低的发动机转速（一般在）的中等般不加热）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。的抗爆能力。 马达法辛烷值（马达法辛烷值（MON）低于研究法辛烷（）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，同时标出较全面表示抗爆性

4、时，同时标出RON和和MON值。值。2 2、蒸发性、蒸发性 液态汽油汽化的难易程度称为汽油的液态汽油汽化的难易程度称为汽油的蒸发性蒸发性。 汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有有良好的蒸发性良好的蒸发性。但蒸发性也不能太强，否则易形。但蒸发性也不能太强，否则易形成供油系成供油系“气阻气阻”，甚至发生供油中断现象。，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

5、稳定，油耗上升。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。润滑遭破坏，造成机件磨损增大。 汽油的蒸发性用汽油蒸发量为汽油的蒸发性用汽油蒸发量为10、50、90和和100时所对应的温度来评定。时所对应的温度来评定。 用用10馏出温度低，汽油的起动品质越好。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

6、的状态很蒸发，有利于汽油机的加速和由冷的状态很快转入工作状态。快转入工作状态。 90馏出温度高，表明汽油中不易蒸发的重馏出温度高，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。的润滑油和加大气缸磨损。3 3、氧化安定性氧化安定性 汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质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不发生长久性变化的能力称为氧化安定性氧化安定

7、性。 汽油氧化安定性直接影响汽油的储存、运汽油氧化安定性直接影响汽油的储存、运输和在发动机上的应用。安定性不好的汽输和在发动机上的应用。安定性不好的汽油，易发生氧化、缩合和聚合反应，生成油，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，统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良，增大爆燃倾向。增大爆燃倾向。4 4、汽油规格汽油规格 我国目前有两种规格，一种是车用汽油的我国目前有两种规格，一种是车用汽油的国家标准（国家标准（GB 1793-1999），一种是无铅），一种是无铅汽油的行业标准。汽油的行业标准。 我

8、国的无铅车用汽油国家标准见表我国的无铅车用汽油国家标准见表4-1。二、柴油二、柴油1、柴油的自燃性、柴油的自燃性 柴油的自燃性柴油的自燃性: 柴油在没有外界火源的情况柴油在没有外界火源的情况下能自行着火的能力。下能自行着火的能力。 柴油的自燃性好，柴油机工作较柔和，在低柴油的自燃性好，柴油机工作较柔和，在低温时易于起动。温时易于起动。 十六烷值十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。是评定柴油自燃性好坏的指标。 柴油的十六烷值：柴油的十六烷值：标准燃料是正十六烷和一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，其十六烷值定为为自

9、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，一甲基萘最不易自燃，作为自燃性差的标准，定其十六烷值为定其十六烷值为0。柴油的自燃性通常介于。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。烷值

10、即为该柴油的十六烷值。 十六烷值过高或过低的柴油，都对柴油机的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。性能或工作不利。十六烷值越高，着火性越十六烷值越高，着火性越好。十六烷值过高，燃烧不完全。好。十六烷值过高，燃烧不完全。 国产柴油的十六烷值规定为国产柴油的十六烷值规定为4065之间，不之间，不必要过分增大。必要过分增大。2、柴油的、柴油的蒸发性蒸发性 柴油的蒸发性影响滞燃期内柴油的蒸发量及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，用燃烧的完全程度，用馏程馏程表示。表示。 馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处的温度，通常以馏出的

11、温度，通常以馏出50的温度来评定。馏的温度来评定。馏程低，说明这种燃轻馏分多，蒸发性好，有程低，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，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。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车用柴油机的柴油馏程为200300。3、柴油的粘度粘度 柴油的粘度决定柴油的流动性。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；粘度过滤清困难，喷雾不良，流动阻力增大。4、柴油的凝点凝点柴油的凝点指柴

12、油冷却到失去流动性的温度凝点指柴油冷却到失去流动性的温度。第二节第二节 代用燃料及其应用代用燃料及其应用( (自学自学) )代用燃料代用燃料按按物物态态气体代用燃料：天然气、液化石油气、天然气、液化石油气、 氢气、煤气、沼气氢气、煤气、沼气等液体代用燃料：甲醇甲醇、乙醇、乙醇、植物油植物油 燃料等燃料等按化按化学成学成分分烃燃料含氧燃料一、天然气一、天然气 天然气主要成分为甲烷 (容积比可达8399以上)，另外还包括乙烷以及丙烷等。 ，在用作点点燃式发动机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，排污低排污低

13、，使用比较方便，特别是压缩压缩天然气天然气(CNGCompressed Natural Gas)，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。二、液化石油气二、液化石油气 液化石油气(LPG-Liquefied Petroleum Gas）主要成分是、，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。 三、醇类燃料三、醇类燃料 醇类燃料主要是CH3OH和C2H5OH。可以从天然气、煤、生物质等原料中提取；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

14、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。 乙醇汽油是一种由粮食及各种植物纤维加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。 乙醇它以乙醇它以 玉米、薯类、糖蜜等为原料，经玉米、薯类、糖蜜等为原料，经发酵、蒸馏制成。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试点检测结果表明，使用车用乙醇汽油不影响汽车

15、的行驶性能。其排放的尾气中一氧化碳下降超过车的行驶性能。其排放的尾气中一氧化碳下降超过30、碳氢化合物下降、碳氢化合物下降10，苯系物明显减少，氮氧化，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。空气质量的重要手段。 对目前中国推广乙醇汽油试点工作，有专对目前中国推广乙醇汽油试点工作，有专家强调认为，必须妥善解决好以下三个关键问家强调认为，必须妥善解决好以下三个关键问题：题：一一是乙醇汽油百公里耗油量高于同牌号的是乙醇汽油百公里耗油量高于同牌号的汽油消耗量；汽油消耗量；二二是由于中国乙醇汽油的推广刚是由于

16、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；件是否有影响及影响程度均不是很清楚；三三是是由于乙醇汽油不宜长期储存的特性，乙醇汽油由于乙醇汽油不宜长期储存的特性，乙醇汽油的调配和销售同普通汽油相比具有更大的质量的调配和销售同普通汽油相比具有更大的质量风险。风险。第三节第三节 燃烧化学燃烧化学一、燃料燃烧的热值一、燃料燃烧的热值 单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。 完全燃烧完全燃烧是指某化合物被所在氧气全部是指某化合物被所在氧气全部氧化，其中氧化，其中C生成生成CO2、

17、H生成生成H2O，其它元，其它元素生成高级氧化物。素生成高级氧化物。wrHHou汽油: 44100 kJ/kg ；柴油: 42500 kJ/kg uHuH 完全燃烧时，生成的水为气态时的热完全燃烧时，生成的水为气态时的热值为值为低位发热值低位发热值 。 完全燃烧时，生成的水为液态时的热完全燃烧时，生成的水为液态时的热值为值为高位发热值高位发热值。 高位热值比低位热值小，其差值为水高位热值比低位热值小，其差值为水蒸气的汽化潜热。蒸气的汽化潜热。 uHoH二、燃料完全燃烧的化学反应二、燃料完全燃烧的化学反应1.碳燃烧：碳燃烧：2.氢燃烧：氢燃烧：3.硫燃烧：硫燃烧：4.一氧化碳燃烧：一氧化碳燃烧：

18、5. 碳氢化合物：碳氢化合物：三、燃料燃烧所需的空三、燃料燃烧所需的空 气量气量 1 kg燃料完全燃烧所需要的空气量称燃料完全燃烧所需要的空气量称理论空理论空气量气量。1 kg燃料中所含燃料中所含 kg 碳，碳， kg 氢气，氢气， kg氧气氧气汽油汽油: kg/kg ， kg/kg ， kg/kg 柴油柴油: kg/kg ， kgkg ， kg/kg gCgHgOgC 0855.gH 0145.gO 0gC 087.gH 0126.gO 0004. 汽油的理论空气量为汽油的理论空气量为14.9（kg/kg），柴），柴油的理论空气量为油的理论空气量为14.5（kg/kg）。）。 四、过量空气系

19、数和空燃比四、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，柴油机一般，柴油机: 1: 1；汽油机；汽油机: 1 : 1 1 1。a0LL燃烧燃料实际供给的空气量完全燃烧燃料理论上所需要的空气量11kgkg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。2 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。 14.9为浓混合气，为浓混合气， 14.9的为稀

20、混合气的为稀混合气。第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论 一切燃烧过程都由着火着火和燃烧燃烧两个阶段组成。 着火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。另一种是自然着火。 发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个基本步骤：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。一、着火机理：一、着火机理： 按化

21、学动力学的观点，着火机理可分为热自热自燃燃机理和链锁自燃链锁自燃机理两类。(一一)热自燃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。(二二)链锁反应链锁反应 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)一反应链(链的继续反应或链的传递)一断链反应(链的中断即活化中心的死亡)。二、发动机混合气的着火二、

22、发动机混合气的着火 有高温单阶段着火高温单阶段着火和低温多阶段着火低温多阶段着火。汽油机柴油机（一） 汽油机高温单级着火汽油机高温单级着火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。所以, 汽油机着火过程： 压缩混合气压缩混合气 点火（经短暂着火延迟期）点火（经短暂着火延迟期） 热火焰热火焰 高温单级点燃高温单级点燃（二）柴油机低温多级着火（二）柴油机低温多级着火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

23、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。 t12 阶段一阶段一阶段反应反应 燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。经过时间后，反应加剧，出现淡表色火焰，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， = 0.40.5。3 阶段二阶段二阶段反应反应 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，略小于1。4 时间后三时间后三阶段反应反应 活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现橘黄色热火焰。混合气更稀， 1。 着火延迟期着火延迟期t2t3ttt123ttt123三、发动机的燃烧方式三、发动机的燃烧方式（一） 同时爆炸燃烧同时爆炸燃烧 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