第三章发动机的燃料特性

1、南京航空航天大学金城学院车辆工程第三章 发动机的燃料特性南京航空航天大学金城学院车辆工程第一节 概述- “燃料与工质燃料与工质”对发动机的影响对发动机的影响 “燃料与工质燃料与工质”对发动机的影响对发动机的影响 燃料的理化特性燃料的理化特性 燃料的理化特性决定了内燃机混合气形成和着火方式，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。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 工质的热力参数对循环热效率有巨大的影响，是决定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、经济性内燃机动力性、经济性“质质”环节的重要因素；环

2、节的重要因素； 燃料的热值燃料的热值 燃料的热值（尤其是混合气热值）、过量空燃系数、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响动力性和经济性的“量量”环节的主要因素之一。环节的主要因素之一。南京航空航天大学金城学院车辆工程 常规燃料常规燃料石油制品的液体燃料，即汽油和柴油。石油制品的液体燃料，即汽油和柴油。 代用燃料代用燃料气体、醇类、醚类、酯类（气体、醇类、醚类、酯类（Alternative Alternative fuelsfuels）目的：替代能源、环保要求）目的：

3、替代能源、环保要求 液体：甲醇液体：甲醇CHCH3 3OHOH、乙醇、乙醇C C2 2H H5 5OHOH（可来自植物甘蔗）（可来自植物甘蔗） 二甲醚二甲醚CHCH3 3-O-CH-O-CH3 3、动植物燃料（菜子油）、动植物燃料（菜子油） 气体：液化石油气气体：液化石油气LPGLPG（丙烷、丁烯）、天然气（丙烷、丁烯）、天然气LNGLNG、 H H2 2、沼气（、沼气（CHCH4 4）、煤气（）、煤气（COCO） 固体：煤粉、水煤浆固体：煤粉、水煤浆 烃燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料（含氧生物燃烃燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料（含氧生物燃料）料）Oxygenates/Biomass Ox

4、ygenates/Biomass 趋势：汽车燃料多元化趋势：汽车燃料多元化 3-2燃料及其热化学燃料及其热化学 一、发动机燃料分类一、发动机燃料分类： 南京航空航天大学金城学院车辆工程 石油的主要成分是碳、氢两种元素，含量约占石油的主要成分是碳、氢两种元素，含量约占9798%，其它还有少量的硫、氧、氮等。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，分子式石油产品以多种碳氢化合物的混合物形式出现，分子式为为CnHm，通常称为烃。根据碳原子数的不同构成不同，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。相对分子质量、不同沸点的物质。 利用沸点不同直

5、接进行分馏，依次可得到石油气利用沸点不同直接进行分馏，依次可得到石油气-汽油汽油-煤油煤油-轻、重柴油轻、重柴油-渣油。渣油。南京航空航天大学金城学院车辆工程三三、汽油与柴油的使用特性、汽油与柴油的使用特性 1、柴油、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。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。国标国标GB252-81GB252-81规定：轻柴油的牌号按规定：轻柴油的牌号按凝点凝点不同分为不同分为1010号、号、0 0号、号、-10-10号、号、-20-20号、号、-35-35号五级，凝点是指柴油失去流动性号五级，凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度，

6、因此上述牌号含义是指其凝点分别不高于开始凝结的温度，因此上述牌号含义是指其凝点分别不高于1010 C C、0 0 C C、-10 -10 C C、-20 -20 C C、-35 -35 C C。选用柴油牌号时，选用柴油牌号时，应按发动机最低环境温度高出其凝点应按发动机最低环境温度高出其凝点5 5 C C以上，例如，以上，例如，-20-20号柴油适用于最低环境温度为号柴油适用于最低环境温度为-15 -15 C C的场合。的场合。1）自燃温度：自行着火的最低温度，以十六烷值来评价。）自燃温度：自行着火的最低温度，以十六烷值来评价。轻柴油的主要使用性能指标轻柴油的主要使用性能指标南京航空航天大学金城

7、学院车辆工程十六烷值十六烷值评定柴油自燃性好坏的指标。评定柴油自燃性好坏的指标。十六烷值愈高，十六烷值愈高，燃料自燃性愈好，着火滞燃期愈短燃料自燃性愈好，着火滞燃期愈短，对空间雾化混合方式为主的直，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。但低。但增大十六烷值将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带来燃料分子量加大，使燃油的蒸发性变差及粘度增加，及粘度增加，导致

8、排导致排南京航空航天大学金城学院车辆工程南京航空航天大学金城学院车辆工程 3）化学成分：成分有化学成分：成分有C、H、O、N，C占占85%2）低温流动性：）低温流动性： 当温度降低时，柴油含有的高分子烷烃当温度降低时，柴油含有的高分子烷烃和水分开始出现结晶，呈半透明状，其温度为柴油和水分开始出现结晶，呈半透明状，其温度为柴油浑浊点浑浊点，当温度在降低时，柴油完全凝结，此时温度为当温度在降低时，柴油完全凝结，此时温度为凝点凝点以凝点以凝点来确定柴油标号。来确定柴油标号。 4） 低热值：低热值： 1公斤燃油完全燃烧所放出的热量称为热公斤燃油完全燃烧所放出的热量称为热值。值。4250044000kJ

9、/kg南京航空航天大学金城学院车辆工程 馏程与燃烧完善程度及发动机起动性能有密切关系，馏程与燃烧完善程度及发动机起动性能有密切关系，如燃料馏出如燃料馏出50%50%的温度愈低，说明这种燃料轻馏分多、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，蒸发快、有利于混合气形成，发动机容易起动发动机容易起动。90%90%和和95%95%馏出温度愈高，说明燃料中重馏分过多，在高馏出温度愈高，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，但馏分太全。因此车用高速柴油机使用轻馏分柴油，但

10、馏分太轻也不好，轻也不好，可能着火延迟期内形成的可燃混合气数量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，发动机工作粗暴太多，初始放热多，发动机工作粗暴。5）馏程）馏程表示柴油的的蒸发性，用燃油馏出某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。百分比的温度范围表示。南京航空航天大学金城学院车辆工程6）粘度）粘度燃料流动性的尺度，与燃料喷射雾化有直接的燃料流动性的尺度，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、油和空气的混合质量愈差，燃烧不完全、油耗率增加、

11、排气冒黑烟。但粘度指标不能过低，因为喷油泵柱塞排气冒黑烟。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。易咬死，喷射油压偏低。7）凝点）凝点柴油牌号规定依据。柴油牌号规定依据。南京航空航天大学金城学院车辆工程 辛烷值辛烷值表示汽油抗暴性的指标。辛烷值愈高，抗暴性愈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。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，定的试验条件

12、，试验时采用正庚烷（值为试验时采用正庚烷（值为0）和）和异辛烷（值异辛烷（值为为100）的混合液，当测定汽油与）的混合液，当测定汽油与x%（体积）异辛烷配置（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烷值就是x。 按试验条件不同可分为马达法（按试验条件不同可分为马达法（MON）和研究法（）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。我国用法测定的辛烷值比研究法低。我国用研究法研究法，美国用辛烷，美国用辛烷值指

13、数（值指数（RON+MON）/2）。）。2、汽油、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。国产汽油牌号是以号是以汽油的辛烷值汽油的辛烷值来标号的。来标号的。1）抗爆性）抗爆性南京航空航天大学金城学院车辆工程辛烷值的高低顺序是烷烃辛烷值的高低顺序是烷烃 烯烃烯烃 焕烷烃焕烷烃 芳烃，柴油主要成分芳烃，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

14、，辛烷值高。高于国内汽油，因此抗暴性好，辛烷值高。 烃的分类：烃的分类：烷烃烷烃是一种饱和链状分子结构是一种饱和链状分子结构C Cn nH H2n+22n+2，其中直链式排列的，其中直链式排列的正烷热稳定性低，在高温下易分裂，滞燃期短，适合作柴油正烷热稳定性低，在高温下易分裂，滞燃期短，适合作柴油机的燃料，非直链排列的异烷烃抗爆性强，自行着火的倾向机的燃料，非直链排列的异烷烃抗爆性强，自行着火的倾向比正构烷小得多，适合作汽油机的燃料，并且常用异构烷来比正构烷小得多，适合作汽油机的燃料，并且常用异构烷来作为评价汽油燃料抗爆性的标准。作为评价汽油燃料抗爆性的标准。南京航空航天大学金城学院车辆工程

15、烯烃烯烃是一种不饱和的链状烃，其热值较低，着火性能差，只适合作汽油是一种不饱和的链状烃，其热值较低，着火性能差，只适合作汽油机的燃料。正烯烃、异烯烃。机的燃料。正烯烃、异烯烃。 环烷烃环烷烃碳原子不是链状而是环状排列，属饱和烃，其热稳定性比脂肪碳原子不是链状而是环状排列，属饱和烃，其热稳定性比脂肪族高，自燃温度也较脂肪族高，适合作汽油机的燃料。族高，自燃温度也较脂肪族高，适合作汽油机的燃料。 正倾向比正构烷正倾向比正构烷CnH2n 芳香族烃芳香族烃含氢原子数少且具有双键和环状结构，难于氧化形成过含氢原子数少且具有双键和环状结构，难于氧化形成过氧化物，因而具有较高的化学和热稳定性，在高温下分子不

16、易分裂，氧化物，因而具有较高的化学和热稳定性，在高温下分子不易分裂，抗爆燃性能极强，自燃温度比脂肪族烃和环烷族烃高，也适合作汽油抗爆燃性能极强，自燃温度比脂肪族烃和环烷族烃高，也适合作汽油机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂。机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂。 南京航空航天大学金城学院车辆工程2）挥发性）挥发性 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，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。通常以馏仪测定汽油馏程。通常以10%10%、50%50%和和90

17、%90%的馏出温度作为的馏出温度作为评定指标：评定指标：馏程和蒸气压馏程和蒸气压评价汽油蒸发性好坏的指标。评价汽油蒸发性好坏的指标。南京航空航天大学金城学院车辆工程a a） 10%10%馏出温度馏出温度标志着发动机的冷起动性标志着发动机的冷起动性。但是太。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，在管路中形成热而变成蒸气，在管路中形成“气阻气阻”，使发动机，使发动机功率下降，甚至熄火。功率下降，甚至熄火。b b） 50%50%馏出温度馏出温度标志着汽油的平均蒸发性标志着汽油的平均蒸发性，影响，影响发动机暖车时间、加速性以及工作稳

18、定性。希望此发动机暖车时间、加速性以及工作稳定性。希望此温度较低。温度较低。南京航空航天大学金城学院车辆工程c） 90%馏出温度馏出温度标志着燃料中难于挥发的重质成分的数量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，附着在气缸壁上，容易造成冒烟、积碳、稀释机油容易造成冒烟、积碳、稀释机油（油底壳（油底壳内机油油面反而上升）（油品不好的典型例子）内机油油面反而上升）（油品不好的典型例子）南京航空航天大学金城学院车辆工程2 2、着火与燃烧方式的不同、着火与燃烧方式的不同a a）汽油自燃

19、温度高，但汽油蒸气在外部引火条件下的温度低，）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。流火焰传播速度传播，因而工作柔和。b b）柴油自燃温度低，采用压缩自燃的方式，多点爆炸性燃烧，）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。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

20、能差异对发动机的影响四、汽油、柴油性能差异对发动机的影响1 1、混合气形成方式不同、混合气形成方式不同a a）汽油挥发性强，可）汽油挥发性强，可 在气缸外部化油器内低温环境下形在气缸外部化油器内低温环境下形成均匀可燃混合气。成均匀可燃混合气。b b）柴油蒸发性差，但粘度大，适宜于用高压喷油嘴向气）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。缸内部燃烧室内喷射雾化，形成不均匀混合气。南京航空航天大学金城学院车辆工程3、功率调节方式不同： 预混合，汽油机靠量调节， a a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，a a变化（11），

21、质调节。南京航空航天大学金城学院车辆工程 五、醇类燃料五、醇类燃料甲醇、乙醇。甲醇、乙醇。80年代初的研究，汽油机。年代初的研究，汽油机。1 1）醇类燃料的热值虽低醇类燃料的热值虽低，但由于醇中含氧量大，理论所需空，但由于醇中含氧量大，理论所需空气量不到汽油的气量不到汽油的1/21/2，因此，因此，混合气热值与汽油相当。保证发混合气热值与汽油相当。保证发动机动力性能不下降，但油耗率略有上升动机动力性能不下降，但油耗率略有上升。2 2）醇类燃料具有高的抗暴性能，因此压缩比可提高醇类燃料具有高的抗暴性能，因此压缩比可提高。3 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）醇类燃料的汽化潜

22、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，不利的一面是面是容易在化油器喉管处结冰，使用中需要电加热容易在化油器喉管处结冰，使用中需要电加热。南京航空航天大学金城学院车辆工程困难：困难：1 1）醇类燃料的沸点低，容易造成气阻，需采取相应措施。）醇类燃料的沸点低，容易造成气阻，需采取相应措施。2 2）常温下难溶于汽油，混合不均匀的发动机运转不稳定。）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。需加入适当助溶剂。3 3）甲醇对视神经有损伤作用，对金属有一定的腐蚀作用。）甲醇对视神经有损伤

23、作用，对金属有一定的腐蚀作用。南京航空航天大学金城学院车辆工程 六、六、气体燃料气体燃料为城市交通绿色环保要求产生。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。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（现代气体燃料可分为天然气（LNG）、液化石油气（）、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，主分为甲烷。液化石油气是石油炼制过程

24、中产生的石油气，主要成分是丙烷、丙烯等。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：汽车上应用最多的是天然气，两种应用形式：1）压缩天然）压缩天然气（气（CNG），通常以），通常以20MPa压缩储存在高压气瓶中压缩储存在高压气瓶中.2）液化天然气（）液化天然气（LNG），以），以-162 C低温液化储存于隔热的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。压缩天然气。南京航空航天大学金

25、城学院车辆工程 可行性：可行性： 1）主要成分是甲烷，）主要成分是甲烷，CO排放量少，未燃排放量少，未燃HC成分引起的光化成分引起的光化学反应低，由于几乎不含硫，因此学反应低，由于几乎不含硫，因此SO2排放量比电动汽车还低。排放量比电动汽车还低。 2）辛烷值高达）辛烷值高达130，可采用高压缩比，热效率高。，可采用高压缩比，热效率高。 3）可燃烧稀薄混合气，）可燃烧稀薄混合气，NOx排放量少。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）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。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

26、燃料供应方式，也可）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，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。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）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。消灭黑烟尾巴的一大措施。南京航空航天大学金城学院车辆工程 困难：困难： 1）由于是气体燃料，因此，一次充气行驶距离短，）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。但比电动汽车行驶距离长。 2）高压气瓶较重，空间布置困难。）高压气瓶较重

27、，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）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。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）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，发动机功率下降体积的混合气热值小，发动机功率下降10%左右。左右。南京航空航天大学金城学院车辆工程下面分析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：、完全燃烧所需理论空气量： 空气的组成若为：氧气占21，其他79%22COOCOHOH22221燃料kgkmolgggLo

28、HC/)32412(21. 010kggggHOC1南京航空航天大学金城学院车辆工程1kg燃料完全燃烧所需理论空气质量 ： 化学空燃比化学空燃比：当燃料在空气中燃烧时，一定质量空气中：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。气和燃料的质量比称为该燃料燃烧的化学空燃比。 燃料kgkggggLoHC/)838(23. 010南京航空航天大学金城学院车辆工程 2.2.不完全燃烧不

29、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. 3.3. 残余废气系数残余废气系数 残余废气系数r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。 r= 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r值范围如下： 汽油机0.060.16， 柴油机0.030.06， 增压柴油机0.000.03。 汽油机r偏高是因为小，和低负荷时进气节流强使新鲜充量下降; 增压柴油机r小是因为扫气效果强。 南京航空航天大学金城学院车辆工程 4、燃料热值、燃料热值 燃料热值燃料热值

30、1 kg燃料完全燃烧所放出得热量，称为燃料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，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。低热值。南京航空航天大学金城学院车辆工程 5、混合气的热值、混合气的热值 燃料热值燃料热值1 kg燃料形成可燃混合气的数量燃料形成可燃混合气的数量M1，它所，它所产生的热量是燃料的低热值产生的热量是燃料的低热值 。单位数量可燃混合。单位数量可燃混合气的热值为：气的热值为：rTmixMLhMhQ101h南京航空航天大学金城学院车

31、辆工程 例：甲醇燃料低热值h= 20260 kJ/kg，每千克甲醇燃料的质量成分： gc=0375、gH=0.125、go=0.50,相对分子量MrT=32/kmol；而汽油燃料低热值h=42500 kJ/kg，每千克汽油燃料的质量成分：gc=0.855、gH=0.145、go0，MrT=115/kmol。当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工质的热量（燃烧放热量）取决于单位体积可燃混合气的热值。试计算甲醇燃料和汽油燃料的理论混合气热值即过量空气系数=1时的单位千摩尔值可燃混合气的热值Qmix，从而说明甲醇燃料取代汽油燃料时仍能保证发动机的动力性能的原因。 南京航空航天大学金城学院车辆工

32、程燃烧包括：着火和燃烧两部分。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。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。间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程。着火的方式有：自燃和点燃着火的方式有：自燃和点燃南京航空航天大学金城学院车辆工程一、链式着火理论一、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）激发出活性中心就因

33、，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。通过链式反应产生着火。链式反应的分类：链式反应的分类：a a）直链反应：一个活性中心进行一次反应只产生一个新的）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。活性中心，即整个反应以恒定的速度反应。c 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）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，活性中心和过氧化物，过氧化物分解

34、时引起新的支链反应，所以其反应总比支链反应慢。所以其反应总比支链反应慢。b b）支链反应：一个活性中心进行一次反应只产生两个以上）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。新的活性中心，即整个反应是加速反应。d 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，）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。其活化能被吸收，导致反应中断。南京航空航天大学金城学院车辆工程 为滞燃期i 观测烃的反应过程，具有如下特点：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）在反应开始，有一段形成与积累活

35、性中心活性中心的过程，的过程，当当活活性中心性中心积累到一定程度，反应速度便急剧增加。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）反应物在低温下也可能因某种原因能激发出活性中心活性中心，便能引起便能引起链锁反应链锁反应。因此，引起燃烧爆炸的原因不一定是。因此，引起燃烧爆炸的原因不一定是高温。高温。 3）反应速度是自动加速的。）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。）在反应气体中加入惰性气体，将促使反应速度降低。南京航空航天大学金城学院车辆工程 试验研究表明，烃燃料的着火区域在低温阶段呈现出试验研究表明，烃燃料的着火区域在

36、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，实际上就是火规律，实际上就是退化支链反应退化支链反应引起的一种现象，通常引起的一种现象，通常称为称为着火半岛着火半岛。通过。通过光谱分析光谱分析发现，烃燃料发现，烃燃料低温低温下着火需下着火需经历经历冷焰冷焰蓝焰蓝焰热焰热焰三个阶段。三个阶段。二、烃燃料的链式反应着火二、烃燃料的链式反应着火低温多阶段着火低温多阶段着火南京航空航天大学金城学院车辆工程a）冷焰诱导阶段：低温条件下烃分子不能热裂解，只能产生）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

37、生不完全氧化，形成过氧化物和乙醛，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，所以该阶段释放的能量极少，所以p、T变化不大。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，）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，使混合其发出冷焰，p、T均有所提高。均有所提高。c）蓝焰阶段：由甲醛的支链反应产生）蓝焰阶段：由甲醛的支链反应产生CO，并发出蓝色的光，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，释放达到一定

38、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。出大量热量，形成高温热焰，即燃烧开始。南京航空航天大学金城学院车辆工程2 2）高温单阶段着火）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进入蓝焰热焰阶段，而且这两个阶段很短很难区分，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。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；而汽油机的火花点油机的爆燃具有低

39、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。火特点。南京航空航天大学金城学院车辆工程三、自燃：具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外三、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。部能量的情况下依靠自身的反应自动引发火焰的过程。早期的早期的热着火理论热着火理论认为：着火的原因在于热量的积累，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。当放热速率大于散热速率时才可能着火。南京航空航天大学金城学院车辆工程dtdqdtdq

40、/21a a） 时，肯定着时，肯定着火，如图散热速率线火，如图散热速率线明显低明显低于于 。dtdq /1相切与dtdqdtdq/21b b） 时，处于临时，处于临界着火条件，界着火条件，Tc称为临界温度，称为临界温度，如图散热速率线如图散热速率线。dtdqdtdq/21c c） 时，不可能时，不可能着火，如图散热速率线着火，如图散热速率线。临界温度南京航空航天大学金城学院车辆工程影响着火的因素影响着火的因素着火临界温度着火临界温度TcTc将受到系统的初始压力将受到系统的初始压力p pc c、过量空气系、过量空气系数数 、燃料理化特性的影响。、燃料理化特性的影响。aa a）压力的影响压力的影响

41、着火区域随压力的增高，临着火区域随压力的增高，临界温度界温度TcTc降低。降低。南京航空航天大学金城学院车辆工程b b）过量空气系数过量空气系数 的影响的影响a 存在着一个可燃混合气着火的浓度上限（富油极限）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），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。则无论在什么浓度

42、下均不能着火。南京航空航天大学金城学院车辆工程c c）燃料特性的影响燃料特性的影响燃料不同，其化学稳定性不同，其着火临界温燃料不同，其化学稳定性不同，其着火临界温度度TcTc不同。不同。 着火温度着火温度TC不仅与可燃混合气的物理化学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。不同，着火温度也可能不同。南京航空航天大学金城学院车辆工程四、点燃四、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此引点燃：指利用电火花在可燃混合

43、气中产生火焰核心并因此引起火焰传播的过程。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火花塞提供的点火能量必须大于某个点火的最小能量最小能量，点燃点燃才能成功（指产生才能成功（指产生火焰核火焰核并使并使火焰传播火焰传播成功）。成功）。南京航空航天大学金城学院车辆工程 点火所需的最小能量受诸多因素影响：点火所需的最小能量受诸多因素影响： （1）燃料的种类与浓度燃料的种类与浓度（2）空气中氧的浓度（）空气中氧的浓度（3）压力及温）压力及温度（度（4）点火处气流的运动运动状况（紊流强度与紊流尺度）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（）电火花的性质（6）电极

44、的几何形状与距离（火花塞间）电极的几何形状与距离（火花塞间隙）等等。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。火能量多大也不能着火。内燃机点火能量在内燃机点火能量在50-80mJ南京航空航天大学金城学院车辆工程五、火焰在预混气中的传播五、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，未燃混合气的随着热量的释

45、放，未燃混合气的T、p不断升高，燃烧加速。不断升高，燃烧加速。 火焰前锋面的界面明显，火焰前锋面的界面明显，以火核为中心呈球面波形式向以火核为中心呈球面波形式向周围扩展，习惯上称这种燃烧周围扩展，习惯上称这种燃烧现象为现象为火焰传播火焰传播。 燃烧主要在厚度为燃烧主要在厚度为 的火的火焰面上进行，称为焰面上进行，称为火焰前锋火焰前锋。南京航空航天大学金城学院车辆工程 根据混合气运动状态不同，火焰传播方式可分为：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。层流火焰和湍流火焰传播。1）层流火焰传播）层流火焰传播 在混合气静止或层在混合气静止或层流状态下，火焰前锋面流状态下，

46、火焰前锋面尽管很薄，其实进行着尽管很薄，其实进行着剧烈的传热传质和化学剧烈的传热传质和化学反应现象有着极大的温反应现象有着极大的温度梯度和浓度。度梯度和浓度。南京航空航天大学金城学院车辆工程2 2）湍流火焰传播）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。的无规则的脉动运动。 湍流会使火焰前锋面出现湍流会使火焰前锋面出现皱折，表面积明显增大，同时皱折，表面积明显增大，同时加速了前锋面内的传热传质过加速了前锋面内的传热传质过程，结果：程，结果： 一是前锋面上的火焰传播速度一是前锋面上的火焰传播速度加大。加大。 二是燃烧

47、速度大大加快。二是燃烧速度大大加快。南京航空航天大学金城学院车辆工程南京航空航天大学金城学院车辆工程六、液体燃料的雾化与扩散燃烧六、液体燃料的雾化与扩散燃烧1、液体燃料的喷射与雾化、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、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。烧过程产生重要的影响。燃油的雾化燃油的雾化就是将燃油就是将燃油分散成细粒的过程。分散成细粒的过程。南京航空航天大学金城学院车辆工程燃油的喷雾特性主要包括：贯穿距离、喷雾锥燃油的喷雾特性主

48、要包括：贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径。角和喷雾粒径。1）贯穿距离（）贯穿距离（油束射程）油束射程）离喷孔至燃烧室壁面的距离喷油持续期内的贯穿距贯穿率 贯穿率等于油束的贯穿距离与喷孔口贯穿率等于油束的贯穿距离与喷孔口沿喷孔轴线沿喷孔轴线到燃烧室壁的距离之到燃烧室壁的距离之比，它比，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，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，若贯穿率小于与空气的混合过程属于油

49、膜蒸发混合方式；反之，若贯穿率小于1，则全，则全部燃油与空气的混合都是空间雾化混合方式。部燃油与空气的混合都是空间雾化混合方式。南京航空航天大学金城学院车辆工程2）喷雾锥角）喷雾锥角喷雾锥角过大，贯穿距离会减少，过小则燃油雾化程度喷雾锥角过大，贯穿距离会减少，过小则燃油雾化程度会变差。会变差。3）喷雾粒径）喷雾粒径油粒直径的大小受多种因素影响，一般减小喷孔直径、增油粒直径的大小受多种因素影响，一般减小喷孔直径、增大喷油压力、空气密度增大、燃油粘度和表面张力的减小大喷油压力、空气密度增大、燃油粘度和表面张力的减小等都会使油粒直径减小。等都会使油粒直径减小。南京航空航天大学金城学院车辆工程1）静止环境中的单油滴蒸发与燃烧）静止环境中的单油滴蒸发与燃烧 火焰面把燃油蒸气与氧完全隔开，火焰面把燃油蒸气与氧完全隔开，燃油蒸气自油滴表面向外扩散，外燃油蒸气自油滴表面向外扩散，外侧氧不断向火焰面扩散，火焰面上侧氧不断向火焰面扩散，火焰面上生成的燃烧产物向两侧扩散，产生生成的燃烧产物向两侧扩散，产生的热量也向两侧