第3章燃料与燃烧

1、第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧第一节第一节 发动机的燃料发动机的燃料一、烃分子中碳原子数对理化性质的影响一、烃分子中碳原子数对理化性质的影响 烃分子中碳原子数对质量、挥发、粘度、化学安定性、自燃、点燃等方面的变化有影响。见表3-1。二、烃分子化学结构分类及其性质二、烃分子化学结构分类及其性质1、分类、分类 见表见表3-2。 分为烷烃（结构为饱和链状烃分为烷烃（结构为饱和链状烃 ） 、烯烃（结构为不饱和链状烃、烯烃（结构为不饱和链状烃 ） 、炔、炔烃（结构为不饱和链状烃烃（结构为不饱和链状烃 ） 、环烷烃（为饱和环状结构）和芳香烃、环烷烃（为饱和环状结构）和芳香烃（结构为苯环）（结构为苯环）

2、 。2、性质、性质 烷烃烷烃 烯烃烯烃 炔烃炔烃 环烷烃环烷烃 芳香烃芳香烃 自燃性自燃性 抗爆性抗爆性异构体烷烃（如异辛烷）分子结构紧凑，异构体烷烃（如异辛烷）分子结构紧凑，抗爆性抗爆性3、应用、应用 烷烃烷烃 多链正构体烷烃是多链正构体烷烃是柴油机燃料柴油机燃料的良好成分，异构体烷烃是汽油的良好成分，异构体烷烃是汽油机燃料的良好成分机燃料的良好成分 烯烃烯烃 可以作为汽油机燃料成分可以作为汽油机燃料成分 炔烃炔烃 可以作为汽油机燃料成分可以作为汽油机燃料成分 环烷烃环烷烃 适宜作为汽油机燃料适宜作为汽油机燃料 芳香烃芳香烃 是良好的汽油机燃料成分是良好的汽油机燃料成分第二节第二节 燃料的使

3、用性能燃料的使用性能一、柴油的使用性能一、柴油的使用性能1、柴油的、柴油的低温流动性低温流动性用用凝点凝点表示表示温度降低至柴油变得混浊的温度称为混浊点。温度再降低至柴油完全凝固柴油完全凝固的温度称为凝（固）点的温度称为凝（固）点。柴油凝固则柴油机不能工作。用凝点作为柴油的标号。用凝点作为柴油的标号。2、柴油的、柴油的雾化性雾化性用用粘度粘度表示表示粘度雾化 、混合粘度过低油泵柱塞副润滑、磨损3、柴油的、柴油的蒸发性蒸发性用用馏出温度（馏程馏出温度（馏程）表示）表示馏出温度（馏程）：燃油溜出某一百分比的温度范围。馏出50%的温度(t50)标志蒸发性。 t50蒸发性、混合、燃烧馏出90%的温度(

4、t90)、馏出95%的温度(t95)标志柴油中难以蒸发的重馏分的数量。 t90 、t95蒸发、混合、排气冒烟4、柴油的、柴油的自燃性自燃性用用十六烷值十六烷值表示表示自燃性关系到发动机的粗暴性及起动性自燃性着火延迟期、工作柔和，冷起动性十六烷值的概念 将十六烷和-甲基萘按不同比例混合成标准燃料。标准燃料中十六烷的百分数就是该燃料的十六烷值。燃料中十六烷值的确定方法 取待定燃料和不同十六烷值的标准燃料分别在特殊的单缸试验机上按规定进行试验，当燃料的自燃性指标相同时，该标准燃料的十六烷值便是待定燃料的十六烷值。选择十六烷值的考虑（不必过大）十六烷值发火温度、着火延迟期适用于高速发动机十六烷值过高蒸

5、发性、粘度 冒黑烟、经济性二、汽油的使用性能二、汽油的使用性能1、汽油的挥发性挥发性用馏出温度（馏程）馏出温度（馏程）表示馏出10%的温度(t10)标志起动性。t10易冷车起动。但t10太低，易形成气阻。馏出50%的温度(t50)标志平均蒸发性。t50挥发性 、 暖车时间、工作稳定性和加速性馏出90%的温度(t90)标志难以挥发的重质成分的数量。t90 有利于燃烧的进行；t90 易形成积碳，稀释机油，破坏润滑。2、汽油的抗爆性抗爆性用辛烷值辛烷值表示辛烷值抗爆性则可承受更大的压缩比，从而使动力性、经济性辛烷值的概念将异辛烷和正庚烷按不同比例混合成标准燃料。标准燃料中异辛烷的百分数就是该燃料的辛

6、烷值。辛烷值的测定取待定燃料和不同辛烷值的标准燃料分别在可变压缩比单缸试验机上进行试验，当燃料的爆震强度相同时，该标准燃料的辛烷值便是待定燃料的辛烷值。辛烷值的选取根据压缩比选取。压缩比辛烷值 国产汽油以辛烷值来标号。第三节第三节 燃烧热化学燃烧热化学根据化学反应原理求出的1kg燃料完全燃烧所需要的空气量为理论空气量燃料完全燃烧所需要的空气量为理论空气量。设1kg燃料中所含C、H、O的质量成分各为gC、gH、gO kg，则按化学反应方程式，计算出1kg燃料中所含C、H完全燃烧时需要的氧气量分别是而1kg燃料中的gOkg氧气折合为得： 1kg燃料完全燃烧理论上所需要的氧气量：1kg燃料完全燃烧理

7、论上所需要的空气量：按容积算：按质量算：L0的值见表3-7。01/0.21 12432COHgggLkmol kg1CHOgggkg12Cgkmol4Hgkmol32Ogkmol/12432COHgggkmol kg0188/0.23 3CHOLgggkg kg一、理论空气量一、理论空气量二、过量空气系数二、过量空气系数燃烧燃烧1kg燃料实际提供的空气量与理燃料实际提供的空气量与理论上所需空气量之比称为过量空论上所需空气量之比称为过量空气系数。气系数。为混合气浓度的表示方法。是发动为混合气浓度的表示方法。是发动机工作过程的一个重要参数。机工作过程的一个重要参数。 1 稀混合气稀混合气 =1 理

8、论混合气理论混合气 1 ；汽油机：为提高功率，汽油机：为提高功率， 0， 010体积增大得多，膨胀做功好体积增大得多，膨胀做功好热效率热效率101rTMLM10ML20432OHggML2101111MMMMMMM 四、燃料的热值与混合气热值四、燃料的热值与混合气热值1、燃料热值1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值kJ/kg。 高热值=低热值+水的汽化潜热热值 发动机上利用的是低热值。2、混合气热值仅仅是空气或是燃料都不放出热量，只有可燃混合气燃烧时才放出热量，故实际上影响功率的是混合气热值。由公式知，混合气热值与混合气浓度有关。燃料热值和混合气热值见表3-7。101uumixrTh

9、hQMLM第四节第四节 燃烧的基本知识燃烧的基本知识汽油和柴油由于分子质量与分子结构不同，理化性质存在差异，因此汽油和柴油由于分子质量与分子结构不同，理化性质存在差异，因此引起在发动机上的混合气的形成、着火与燃烧等方面的许多质的不同。引起在发动机上的混合气的形成、着火与燃烧等方面的许多质的不同。为了了解汽柴油机的燃烧特点，有必要介绍相关燃烧基础知识。为了了解汽柴油机的燃烧特点，有必要介绍相关燃烧基础知识。一、着火过程一、着火过程着火着火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。或最终在某个时刻有

10、火焰出现的过程。着火方式着火方式自燃或点燃自燃或点燃1、烃的氧化反应、烃的氧化反应222()42nmmmC HnOnCOH O实际反应经历一系列复杂的中间反应过程实际反应经历一系列复杂的中间反应过程链锁反应机理链锁反应机理烃的氧化反应需要经历链引发、链传播及链中断等过程烃的氧化反应需要经历链引发、链传播及链中断等过程链引发：链引发：反应物分子受到某种因素激发，分解成自由原子或自由基，反应物分子受到某种因素激发，分解成自由原子或自由基，这种自由原子或自由基（这种自由原子或自由基（H、O、OH等）具有很强的反应能力，成为等）具有很强的反应能力，成为反应中的活性中心，使新的化学反应得以进行。反应中的

11、活性中心，使新的化学反应得以进行。链传播：链传播：已生成的自由原子或自由基与反应物作用，一方面推进反应已生成的自由原子或自由基与反应物作用，一方面推进反应进行，同时生成新的活性中心的过程。进行，同时生成新的活性中心的过程。直链反应直链反应一个活性中心生成另一个活性中心一个活性中心生成另一个活性中心恒速反应恒速反应支链反应支链反应一个活性中心生成两个以上活性中心一个活性中心生成两个以上活性中心反应速度剧增反应速度剧增链中断：链中断： 链锁反应中，由于具有很大反应能力的自由原子或自由基与链锁反应中，由于具有很大反应能力的自由原子或自由基与容器壁面或惰性气体分子碰撞，使反应能力减小，不再引致反应。容

12、器壁面或惰性气体分子碰撞，使反应能力减小，不再引致反应。2OHHH O+2222HOHH OHHOHH OH2HOOHOi时间反应速度ABC烃的反应速度与时间的关系烃的反应速度与时间的关系1）反应开始，诱导期形成和积累活性中心。当活性中心积累到一定程度，反应速度急剧增加。2）即使在低温条件下，只要有某种原因能激发出活性中心，便能引起链锁反应。引起爆炸的原因并不一定是高温。3）反应自动加速。在迅速反应前阶段，反应速度随温度急剧增高；随着反应物浓度的降低，反应速度迅速下降。4）在反应气体中加入惰性气体，将使反应速度降低；加入某种添加剂以后，也可能使反应加速。一般反应的特点一般反应的特点2、自燃、自

13、燃自燃自燃具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外部能量引入的情具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外部能量引入的情况下，依靠混合气自身的反应自动加速，并自发地引起火焰的过程。况下，依靠混合气自身的反应自动加速，并自发地引起火焰的过程。热着火理论热着火理论自燃的原因在于热量积累自燃的原因在于热量积累在着火过程中，只有当放热速度在着火过程中，只有当放热速度=散热速度的时候，有了热量积累，才能着火。散热速度的时候，有了热量积累，才能着火。热着火理论分析着火条件：热着火理论分析着火条件：1）着火温度与混合气性质及环境状态有关）着火温度与混合气性质及环境状态有关2）临界温度与压力明显地影响到着火区域

14、。）临界温度与压力明显地影响到着火区域。3）存在着一个可燃混合气着火的浓度上限和下限。）存在着一个可燃混合气着火的浓度上限和下限。着火区着火区不着火区不着火区pcTc低温着火规律：低温着火规律：1）自行缓慢氧化，形成过氧化物及乙醛（冷焰诱导期）自行缓慢氧化，形成过氧化物及乙醛（冷焰诱导期）2）过氧化物积累到临界浓度，分解出冷焰（冷焰期）产物为甲醛）过氧化物积累到临界浓度，分解出冷焰（冷焰期）产物为甲醛3）甲醛积累到一定浓度后，通过支链反应产生蓝焰）甲醛积累到一定浓度后，通过支链反应产生蓝焰4）碳氢化合物完全氧化。）碳氢化合物完全氧化。1p冷焰蓝焰烃燃料低温多阶段着火过程烃燃料低温多阶段着火过程

15、23爆炸形火焰柴油机的自燃柴油机的自燃具有低温多阶具有低温多阶段着火的特点段着火的特点3、点燃、点燃点燃点燃利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而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。引起火焰传播的过程。压缩，温度升压缩，温度升高，缓慢氧化高，缓慢氧化局部混合气温度进一步升高局部混合气温度进一步升高火花附近混合气电离，形成活性火花附近混合气电离，形成活性中心，促使化学反应加速。中心，促使化学反应加速。点火随着化学反应范围的扩大以及反应程度的加深，出现明显发热、发光的随着化学反应范围的扩大以及反应程度的加深，出现明显发热、发光的小区域（火焰核心）。为了使火焰成长起来，

16、并开始传播，必须对靠着小区域（火焰核心）。为了使火焰成长起来，并开始传播，必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量。火焰核的未燃部分供给充分的能量。最小点火能量（电极间隙）最小点火能量（电极间隙）混合气浓度混合气浓度二、在预混气体中的火焰传播二、在预混气体中的火焰传播预混气体中，局部形成火焰核心之后，其余部分的燃烧过预混气体中，局部形成火焰核心之后，其余部分的燃烧过程实际上就是火焰在预混气体中的传播过程。程实际上就是火焰在预混气体中的传播过程。传播速度的大小取决于混合气体的物理化学性质、热力状传播速度的大小取决于混合气体的物理化学性质、热力状态以及气体的流动状况。态以及气体的流动状况。1、层流

17、火焰传播、层流火焰传播未燃气体未燃气体已燃气体已燃气体火焰面火焰面火焰面把区域分成已燃区和未燃区火焰面很薄，但燃烧化学反应很强烈火焰面分为预热区和反应区火焰面内温度和浓度梯度很大，引起火焰中强烈的传热与传质，引起临近气体的反应，造成火焰在空间的移动。层流火焰传播速度很低（汽油层流火焰传播速度很低（汽油-空气空气0.4-0.5m/s），主要取决于预混气），主要取决于预混气体的理化性质，因此混合气成分对层流火焰传播速度影响很大。体的理化性质，因此混合气成分对层流火焰传播速度影响很大。试验表明：试验表明：过量空气系数在0.8-0.9之间是，反应温度最高，火焰传播速度最大 随着混合气变浓或者变稀，速度

18、均会下降 当混合气过浓或者过稀时，则反应温度过低，不能维持火焰的传播。试验表明：试验表明：火焰在管道或者缝隙中传播时，当管径或缝隙尺寸减小至某一临界 尺寸，则火焰不能继续传播（该尺寸称淬熄距离）。 火焰传播到靠近低温壁面的混合气时，该层预混气体也不能燃烧。2、紊流火焰传播、紊流火焰传播实际汽油机中由于气流的紊流运动，火焰传播速度大大加速，达到20-70m/s。1.油滴 2.油蒸汽区 3.燃烧区 4.外部三、油滴与喷雾燃烧三、油滴与喷雾燃烧非预混、不均匀的扩散燃烧非预混、不均匀的扩散燃烧燃料的蒸发过程对液体燃烧起燃料的蒸发过程对液体燃烧起着决定性的作用。着决定性的作用。柴油蒸发性差，采用喷射与雾

19、化的方法，将燃料粉碎成细小油滴，以扩大燃料柴油蒸发性差，采用喷射与雾化的方法，将燃料粉碎成细小油滴，以扩大燃料蒸发的表面积，并在多个油滴周围形成若干局部反应区。燃料成分在空间的分蒸发的表面积，并在多个油滴周围形成若干局部反应区。燃料成分在空间的分布很不均匀。布很不均匀。扩散燃烧中，燃烧过程的进展主要受到扩散燃烧中，燃烧过程的进展主要受到扩散、流动、混合与热交换的制约。扩散、流动、混合与热交换的制约。蒸发性差蒸发性差在自然状态下很难靠环境加热，燃料蒸发形成可燃混合气在自然状态下很难靠环境加热，燃料蒸发形成可燃混合气 因此需要利用高压燃油喷射装置，在上止点附近喷入燃油，因此需要利用高压燃油喷射装置

20、，在上止点附近喷入燃油， 利用高温高压促进燃油的蒸发利用高温高压促进燃油的蒸发粘度较大粘度较大有利于高压燃油喷射系统自身的润滑有利于高压燃油喷射系统自身的润滑燃料特性引起的汽油机和柴油机在结构和燃燃料特性引起的汽油机和柴油机在结构和燃烧组织方面的差异烧组织方面的差异氧化性好，容易自燃氧化性好，容易自燃采用压燃着火方式，高压缩比采用压燃着火方式，高压缩比 边喷油边燃烧，油膜扩散燃烧方式，缸内混合气不均匀，边喷油边燃烧，油膜扩散燃烧方式，缸内混合气不均匀， 喷射压力，喷孔大小，缸内气流运动。喷射压力，喷孔大小，缸内气流运动。 局部缺氧，燃料裂解，碳烟和微粒中心局部缺氧，燃料裂解，碳烟和微粒中心柴油

21、：柴油：利用高压喷射促进燃料的雾化，蒸发，同时利用缸内涡流促进燃油与空气的混合利用高压喷射促进燃料的雾化，蒸发，同时利用缸内涡流促进燃油与空气的混合燃油喷射系统，进气系统，燃烧室结构三方的良好匹配燃油喷射系统，进气系统，燃烧室结构三方的良好匹配根据柴油发动机混合气形成的特点，柴油机靠调整循环喷油量来调整发动机根据柴油发动机混合气形成的特点，柴油机靠调整循环喷油量来调整发动机的负荷的。无节气门结构，进气阻力小，充气效率高。的负荷的。无节气门结构，进气阻力小，充气效率高。靠调节混合气的品质（过量空气系数）来调节负荷靠调节混合气的品质（过量空气系数）来调节负荷质调节质调节自燃性差（抗爆性好）自燃性差（抗爆性好）采用外界能量点燃方式采用外界能量点燃方式 均质混合气中靠火焰向外传播来形成燃烧均质混合气中靠火焰向外传播来形成燃烧 汽油机的燃烧方式导致燃烧温度较高，氮氧化物排放较多汽油机的燃烧方式导致燃烧温度较高，氮氧化物排放较多 防止爆震防止爆震压缩比较小压缩比较小汽油：汽油：蒸发性好蒸发性好容易形成混合气，不需要额外的能量来促进它的雾