汽车发动机原理课件：燃料的基本知识

一、燃烧现象燃烧是一种放热的氧化反应，一个完整的燃烧过程包括着火和燃烧两部分。所谓着火，是指可燃混合气在一定的压力、温度、浓度的条件下，氧化反应自动地加速，并产生温升，以致引起火焰出现的现象。所谓燃烧，是指可燃混合气中的燃料与空气中的氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。１.热着火理论热着火理论从热力的观点来解释燃料的燃烧，该理论认为，燃料燃烧的原因在于热量的积累，因此，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，就能自发地引起火焰的过程，这也就是我们在柴油机压缩燃烧过程中的自燃现象。

热着火理论从简单化合物反应中两个活性分子相互碰撞的机理出发，导出反应放出热量的速度与温度成指数关系，而系统向环境散热的速度与温度是一个线性关系，在着火过程中，只有当发热速率大于散热速率的时候，有了热量积累，才可能着火，如图3-4所示，存在下列３种可能性:(１)ｄｑ１/ｄｔ>ｄｑ２/ｄｔ时，必然着火，如图中散热速率线①明显低于ｄｑ１/ｄｔ。

(２)ｄｑ１/ｄｔ与ｄｑ２/ｄｔ相切时，存在临界着火条件，Ｔｃ称为临界温度，见图中散热速率线②。

(３)ｄｑ１/ｄｔ<ｄｑ２/ｄｔ时，不可能着火，见图中散热速率线③。因此，着火的临界条件应当是，反应放热曲线与散热速率线相切。反之，如果达不到这一条件，便不能着火

用热理论来分析着火条件，可知，影响燃料着火的因素有:(１)着火温度，着火温度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，因条件不同，着火温度也可能不同。

(２)临界压力和温度，如图3-5所示，临界压力和温度明显地影响到着火区域，在低压时，要求很高的着火温度，反之也是一样。(３)可燃混合物的浓度，如图3-6所示，存在着一个有关可燃混合物着火的浓度上限(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、压力上升得再高，着火界限的加宽也是很有限的。另一方面，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。２.链式反应理论热着火理论是建立在分子碰撞理论基础上的，并不能解释所有着火现象，试验表明烃燃料的着火区域在低温、低压区，表现出与高温完全不同的着火规律性，为了研究它们的着火机理，人们引入了链式着火理论ꎮ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，然后通过链式反应，就能引起着火。由于汽车发动机的传统燃料，大部分都是由单烃组成的混合物，因此，首先，对烃的氧化反应来加以了解，烃的氧化反应，可以写成:烃的氧化反应进行得非常快，根据链锁反应的机理，它可以分为链引发、链传播及链中断等三个阶段。所谓链引发，就是反应物分子受到某种因素激发(如受热裂解、受光辐射)，分解成为自由原子或自由基，这种自由原子或自由基(如Ｈ、Ｏ、ＯＨ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。所谓链传播，就是指已生成的自由原子或自由基继续与反应物作用，一方面将反应推进一步，另一方面同时生成新的自由原子或自由基。如果在每一步中间反应中，都是由一个活性中心与反应物作用产生一个新的活性中心，整个反应以恒定速度进行，这样的反应称为直链反应。如果由一个活性中心引起的反应，同时生成两个以上的活性中心，这时，链就发生了分支，反应速度将急剧地增长，这种反应称为支链反应。所谓链中断，就是指在链锁反应中，可能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。每一次链的中断都会引起总体反应速度减慢，以及减少反应继续发展的可能性，在某些不利的场合下还可以使反应完全停止。大量的试验研究表明，烃类燃料的氧化反应过程中，存在着高温和低温条件下的不同的着火规律，如图3-7所示。１)低温多阶段着火这种在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三个阶段:冷焰诱导阶段(τ１

)、冷焰(τ２)、蓝焰(τ３)(图3-8)。(１)冷焰诱导阶段，在较低温度下，烃分子经链引发后，只能进行直链反应，形成过氧化物及乙醛，该阶段释放的化学能极少，混合气压力和温度都变化不大。(２)冷焰阶段，当过氧化物积累到临界浓度时，便以爆炸的形式分解出甲醛，大量甲醛的累积使混合气发出冷焰，此阶段释放出少量热量，混合气压力和温度均有所提高。(３)蓝焰阶段，当甲醛到达临界浓度时，通过甲醛的支链反应产生ＣＯ，与氧结合，最终生成爆炸性的蓝焰。蓝焰持续的时间短，其辉光比冷焰强，此阶段混合气压力和温度比冷焰高，释放出大量热量，形成高温热焰，即燃烧开始。２)高温单阶段着火在较高温度下，着火过程不经过冷焰而直接进入蓝焰——热焰阶段，由于这两个阶段很短，也很难区分，所以统称为高温单阶段着火。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汽缸内的燃料着火具有高温单阶段着火的特性。应该指出的是，发动机的着火过程是非常复杂的，有的资料上提出“链式热力着火”的说法，即开始是链反应，当热量积累到一定程度后，按热着火过程进行。二、在预混气体中的火花点燃与火焰传播汽油机中的可燃混合气，在着火前经过化油器(或进气道汽油喷射雾化)、进气管、缸内气体运动等环节，燃料蒸气和空气的浓度已达到十分均匀的程度，成为以一定比例预先混合好的预混气体。１.火花点燃火花点燃过程是一极短的瞬间过程，点火之前，由于可燃混合气受到压缩使温度升高，这时已有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象。在火花点火以后，靠火花提供的能量，不仅使局部混合气温度进一步升高，而且引起了火花附近的混合气电离，形成活性中心，出现了明显发热、发光的小区域，这就是火焰核。为了使点燃成功，必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量，而这个点火最小能量受很多因素影响，如热量的种类与浓度、空气中氧的浓度、压力及温度、点火处气流的运动状况、电火花的性质、电极的几何形状和距离等。例如，电极的间隙与点火能量就有很大关系，如果电极间隙适中，需要的点火能量最小，如果间隙过小，无论点火能量有多大也不能着火，这个不能着火的最小距离，称为熄火距离(图3-9中的dmin)。另外，点火还直接受到混合气浓度的限制，当混合气过稀或过浓，无论点火能量有多大也不能着火，即有一个点燃的浓度界限，在某一适宜的浓度，需要的点火能量最小。正因为火焰核的形成，是局部混合气吸收电火花能量后，经化学反应过程的累积所致，所以这部分混合气的组成和吸收火花能量情况的不同，以及气流扰动对火焰核的干扰，使火焰核形成所用的时间不同。２.火焰传播火花点燃过程中形成的火焰核，顺序点燃周围的混合气，火焰范围逐渐扩大，并伴随着热量的释放，称为燃烧现象的火焰传播，根据气体流动的状况，火焰传播方式可分为层流火焰传播与湍流火焰传播。１)层流火焰传播在预燃气体静止或流速很低的状态下，用电火花点燃混合气而局部着火后，火焰就会向四周传播开来，形成一个球状的火焰面，称为火焰前锋面。在火焰面的前面是未燃的预混气体，后面是温度很高的已燃气体，在这薄薄的一层火焰面上进行着强烈的燃烧化学反应，这种层流火焰面的厚度只有十分之几甚至百分之几毫米，

放大的火焰前锋面的构造如图3-10所式。火焰面厚度的很大一部分是化学反应速度很低的预热区(以δｐ表示)，而化学反应主要集中在厚度很窄的化学反应区(以δｃ表示)，火焰面温度与浓度的变化，在火焰面内出现了一定的温度梯度与浓度梯度，造成火焰在空间的移动。层流火焰传播速度vL很低，受到预混气体理化性质的影响其中，ϕａ影响很大，试验表明(图3-11)，在过量空气系数ϕａ=0.8~0.9时，反应温度最高，vL最大，如果ϕａ=1，vL下降10％，ϕａ=1.1，vL下降15％，当混合气成分过稀或过浓，则反应温度均过低，不能维持火焰传播。２)湍流火焰传播层流火焰传播速度很低，远远不能满足实际发动机燃烧的要求，由于气流的湍流运动可以大大加速火焰传播速度，因此，实际汽油机中的火焰传播是以湍流火焰方式进行的，此时vT=20~70m/s。所谓湍流，是黏性气流由于壁面边界的阻碍作用，或者外部扰动，在传播过程中进行的无规则的脉动运动。湍流运动的变化常用以下参数决定:(１)湍流尺度，它可分为宏观湍流与微观湍流两种，湍流的力学性质主要由宏观湍流决定，湍流在黏性的影响下能量转化为热而消失则由微观湍流决定。(２)湍流强度，它对湍流火焰传播速度影响很大，与湍流的能量有关，常用雷诺数(脉动速度的均方根)来表示。正是由于上述因素的影响，才促使湍流运动能强化燃烧，加快火焰传播，原因如下:(１)宏观湍流使层流火焰前锋变得弯曲，产生皱褶，从而增大了燃烧的表面积。(２)微观湍流加强了火焰的传热与传质，在通过预热区与反应区的热量及活性分子增多的情况下，火焰传播速度加快。(３)雷诺数Re的增大，使湍流强度提高(图3-12)，当Re

<2300时，火焰传播仍为层流火焰传播形式，火焰前锋面薄且圆滑，速度vL较低，当Re=2300

~6000时，变为湍流火焰，其前锋面变厚且出现皱折，vT较vL有明显增长，在Re

>6000后，转变为强湍流火焰，湍流强度得到很大提高，前锋火焰表面皱折破裂，已燃与未燃气体迅速混合，燃烧放热率提高。三、喷射燃料的雾化与扩散燃烧柴油的燃烧要经历高压喷射、雾化、混合、压缩着火以及扩散燃烧几个阶段，喷雾状态的好坏对燃烧过程有重要的影响。１.喷射燃料的雾化由于柴油的蒸发性能比汽油差，因此，只能采用喷射与雾化的方法，将燃料在与空气混合前先粉碎成许多细小油滴(这些雾状油滴的集合体通常称为喷雾)，以扩大燃料蒸发的表面积。燃油雾化质量主要受到油束射程(也称贯穿距离)，喷雾锥角和液滴平均直径等的影响，油束要有足够的贯穿力，穿透火焰到达周围的空气区，贯穿率是常用参数之一，贯穿率是指油束的贯穿距离与喷孔至燃烧室壁面的距离的比值。喷雾锥角过大，油束射程会减小，而过小，雾化程度又会变差，液滴平均直径越小，油粒与周围空气混合程度越好，可以加速燃料的吸热和汽化，为燃烧过程的组织提供良好的前提条件。２.油滴的蒸发与燃烧１)单个油滴的蒸发与燃烧燃烧室内的一颗静止的油滴，在高温高压介质作用下，经历如图3-13所示的蒸发与燃烧过程，单个油滴受到周围高温高压空气的加热，油滴表面被蒸发汽化，与空气混合形成可燃混合气。着火首先在混合气浓度适宜的位置发生，并在油滴周围形成一层球状的燃烧区，即火焰锋面，此后，燃油蒸气不断自油滴表面向外扩散，火焰面外的氧气不断从四周向火焰面扩散，在火焰面上进行混合燃烧，使燃油浓度Cf1和氧气浓度CO均变为零，而温度达到最高。由于油滴和油蒸发区将火焰面形成的高温气体包围起来，形成了高温缺氧区域，易生成炭烟。２)油束及油滴群的蒸发与燃烧实际的喷雾燃烧要比理想的单个油滴在无限氧空间中的蒸发与燃烧过程复杂得多，喷雾中的大小不等的油滴间相互存在着干扰，燃料的扩散燃烧就成了油滴群的复杂燃烧现象。实验研究表明，当油滴粒径在10μｍ以下时，油滴在着火前均已完全蒸发，着火后可以观察到的火焰面呈蓝色的连续抛物面形状，这同前述的预混合气的火焰传播具有相同的燃烧方式。当油滴粒径为20

~40μｍ时，在连续的蓝色火焰中可以看到白色与黄色的亮点，这表明每个油滴处独立的扩散燃烧和各油滴间的预混合燃烧同时存在，当油滴粒径在40μｍ以上时，火焰面已不连续了，各油滴独立燃烧，以单油滴扩散燃烧为主，实际的喷雾燃烧，是上述燃烧形式同时存在并且相互影响的。油滴群的着火与在整个燃烧室内油气的宏观空燃比例无关，因为油滴群在空间分布，形成了许许多多具有着火与燃烧条件的单个油滴，只要在油滴周围存在着适合燃烧的空燃比区域，就能在一点或多点同时着火，它的稳定燃烧范围比预混合气要广泛得多。四、均质充量压缩着火燃烧在往复式发动机中，除了传统的火花点燃式(SI)燃烧和压燃式(CI)燃烧外，还有第3种燃烧方式，即均质充量压缩着火(HCCI)燃烧，在传统的SI和CI燃烧方式里，都存在着温度分布和燃烧过程不均匀的特点，同时实现高效率和低排放都是困难的，HCCI燃烧方式能降低氮氧化物(NOX

)和颗粒物(PM)排放，同时能实现较高的热效率。均质充量压缩着火(HCCI)燃烧是一种全新的内燃机燃烧概念，其基本特性是均质混合气的压缩着火和低温燃烧，HCCI方式综合了传统汽油机(均质充量火花点燃)和柴油机(非均质充量压缩着火)燃烧方式的优点:类似于传统汽油机，使用均质混合气，因而避免了柴油机中浓的扩散火焰，极大地降低了颗粒物排放，类似于柴油机，使用压燃着火，缸内均质混合气自燃，避免了汽油机中点火后产生的高温火焰，降低了氮氧化物的排放。１.HCCI发动机的主要特点(１)超低的NOX和PM排放，HCCI发动机在部分负荷工况下的NOX排放相对于传统柴油(汽油)机可降低95％~98％，由于炭粒形成被抑制，PM排放非常低。(２)热效率高，HCCI采用稀薄混合气燃烧，在中、低负荷运行时几乎实现了等容燃烧，接近理想Otto循环，具有很高的放热效率，此外，HCCI发动机燃烧室内没有局部高温区，热辐射损失减少，因此，HCCI部分负荷运行具有比直喷柴油机更高的热效率。(３)HCCI燃烧过程主要受燃烧化学反应动力学控制，其着火与燃料特性和缸内热氛围条件密切相关。(４)HCCI发动机运行范围较窄，其燃烧受到失火(混合气过稀)和爆震(混合气过浓)的限制，使发动机运行范围变窄。(５)HCCI发动机HC、CO排放偏高，导致这种现象产生的原因之一是由于HCCI燃烧通常采用较稀的混合气和较强的EGR，缸内燃烧温度较低。２.HCCI的燃烧特点HCCI发动机的燃烧过程是一种受化学动力学控制的自燃过程，其特点是:(１)采用均质混合气，空气和燃油在进气/或压缩过程进行预混合，在着火之前形成均质的空气/燃油混合气。(２)采用压缩点燃，在压缩行程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃，不需要任何点火系统。(３)具有独特的两阶段放热特点，第一阶段放热是低温化学动力学反应，此时是冷焰、蓝焰，在第一阶段放热与主放热阶段之间有一个很短的时间延迟，第二阶段燃烧是多点同时进行的，一旦开始着火，燃烧迅速且比较均匀，既没有局部高温区，也没有明显的火焰传播，因而NOX和炭粒的形成能够被有效抑制。(４)火焰传播不明显，点燃式汽油机和压燃式柴油机的燃烧都是扩散燃烧过程，具有明显的火焰传播过程，其中点燃式汽油机主要是利用热扩散来实现火焰传播，压燃式柴油机的主要燃烧是依靠燃油蒸气和氧气的扩散产生热化学反应。(５)燃烧始点和燃烧速率难以控制，HCCI发动机的燃烧始点是由均质混合气的自燃着火特性控制，其混合气的自燃受混合气化学特性和燃烧室内时间—温度历程的影响，燃烧始点难以控制，又由于HCCI燃烧是缸内均质混合气多点同时着火，燃烧速率难以控制。(６)燃烧循环变动小，由于HCCI燃烧着火始点与汽缸内气流状况关系较少，且燃烧速率较快，每个循环燃烧的持续时间差距不大，有利于减少燃烧循环变动。３.HCCI燃烧始点和燃烧速率的控制HCCI的燃烧始点对于发动机的热效率和排放都有十分重要的影响，燃烧始点控制，也就是放热始点(SOHR)受各种发动机性能和工况条件，诸如空气/燃油比、进气温度、压缩比、残余废气量和冷却液温度的影响ꎮ如果采用EGR，还受EGR的影响。控制燃烧始点常用的方法有:可变压缩比、可变气门定时、双重燃油操作等。试验表明，在燃烧始点的控制方面，压缩比和进气温度之间存在一种抵冲关系:提高进气温度可以使燃烧提前发生，提高压缩比可以代替进气温度的提高，起到相同的作用，所以，通过调节压缩比，可以在不同的工况点达到同样的燃烧始点。改变气门定时，特别是改变排气门定时，可以改变残余废气量和汽缸温度，进而调节燃烧始点。