发动机原理第三章2007.ppt

1、发动机原理,第三章 燃料与燃烧,第三章 燃料与燃烧 3-1 燃料组成及特征 燃料的主要分类 石油类（烃类）：液态，汽油、（煤油：用于航空发动机）、轻柴油、重柴油 气态，CNG、LNG、LPG 含氧燃料：甲醇、乙醇、醚类（二甲基乙醚DME） 生物油类：大豆油、菜籽油等，可再生资源，太稠、混合气形成困难、结焦。去除甘油后就可以变稀。 氢：好处多多，但主要问题集中在能量密度（贮存：压缩法、液化法、吸附法）、零部件的脆化和来源。,第三章 燃料与燃烧 3-1 燃料组成及特征 石油类燃料特征 组成： 主要成分：碳、氢，占9798%； 少量元素：硫、氧、氮，其中O元素可以降低燃烧过程微粒物，烟度下降； S可

2、以使N多催化剂中毒，尽量减少。 微量元素：K，As，Na，Ca 通式：多种碳氢化合物的混合物，通式可表达为CnHm，通常称为烃。 碳原子数对燃料性能的影响 随C原子数的增加燃料： 依次分为天然气、液化石油气、汽油、煤油（航空用）、轻重柴油、渣油（锅炉用）、沥青（马路用）。 C 相对分子量 密度沸点挥发性 粘度高温稳定性 点燃性 自燃性用于压燃式燃烧（柴油机）,第三章 燃料与燃烧 3-1 燃料组成及特征 碳原子数对燃料性能的影响,第三章 燃料与燃烧 3-1 燃料组成及特征 分子结构对燃料性能影响 A烷属烃CnH2n+2 直链 （正己烷） 呈饱和的开链式结构，常温下化学性质比较稳定，在高 温下易氧

3、化，C结构越不稳定，滞燃期较短，是柴油燃料的良好成分。 支链（异辛烷） 支链式，结构紧凑，在高温下不易自燃，适合汽油燃料。 B、烯烃CnH2n 非饱和开链式结构，有一个二价键，它比烷烃难于自行发火，抗爆性好，但常温下化学安定性差，在长期储存中易于氧化生成胶质（裂解法炼油中存在）。,第三章 燃料与燃烧 3-1 燃料组成及特征 分子结构对燃料性能影响 C、炔烃CnH2n-2 非饱和开链式结构，有一个三价链。炔烃不存在于原油 中，系热裂化生产的中间产物。由于氢不饱和，所以很不稳定。在常温下易分解，储存中因氧化而结胶。含炔烃多的产品不宜作为发动机燃料 D、环烷烃CnH2n 饱和的环状分子结构，不易分裂

4、，热稳定性和自发火的温度均比直链烷烃为高。环烷烃多的燃油适宜作为汽油机燃料，不适宜作柴油机燃料，环烷烃与烷烃都是石油的重要组成部分。 E、芳香烃CnH2n-6 基本化合物是苯，所有芳香烃都含有苯基的成分。在石油中含量较少，分子结构坚固，热稳定性比环烷烃高，在高温下分子不易破裂，化学安定性较前者为高，是良好的防爆剂。石油炼制中常使产品的芳香烃增多。 -甲基萘是十六烷值为0的标准燃料。,第三章 燃料与燃烧 3-2 燃料的使用特性 一、汽油的使用性能 影响汽油机性能的关键性指标主要是（蒸发性（馏程）和抗爆性（辛烷值）等。 1、馏程：蒸发性 馏程：用馏出某一百分比燃油质量的温度范围来表示。 为了评价燃

5、料的挥发性（形成混合气的难易程度），以10、50和90的馏出温度作为几个有代表意义的点。 （1）10馏出温度(75) 标志着它的起动性。 T10 燃料容易冷车起动。 但T10过低，在管路中输送时受发动机温度较高部位的加热而变成蒸气，在管路中形成“气阻”，使发动机断火，影响它的正常运转。,第三章 燃料与燃烧 3-2 燃料的使用特性 （2）馏出50的温度 (145) 标志着汽油的平均蒸发性。 T50 （从较低负荷向较高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合气） 暖车时间 +加速性改善+工作稳定性提高。 （3）馏出90的温度(195) T90标志着燃料中难挥发的重质成分的数量。 当T90 重质成分易挥发

6、，利于燃烧。 当T90过高重质成分不易挥发燃烧而附着在气缸壁上 形成积碳或流入油底壳稀释机油破坏润滑。,第三章 燃料与燃烧 3-2 燃料的使用特性 2辛烷值：辛烷值是表示汽油抗爆性的指标。 爆震：在汽油机燃烧中，在火焰前锋面未传播到的情况下由于缸内温度（或局部温度）过高而引起的末端混合气自燃（瞬间同时燃烧），从而引起缸内温度、压力急剧上升并伴随特定敲缸声（压力波在缸内的不断反射）的不正常燃烧状态。 轻微爆震时由于燃烧迅速定容性提高，热效率提高、动力性提高。 爆震过强时缸内温度、压力急剧上升发动机的热负荷、机械负荷增加，润滑系统、冷却系统破坏从而引起可预见的重大破坏。 现代汽油机中增设爆震传感器

7、，使发动机在临界爆震状态燃烧。,第三章 燃料与燃烧 辛烷值测定方法： 在特殊的单缸试验机（CFR）上按规定的条件进行。 利用两种标准燃料：异辛烷(2,2,4三甲基戊烷，C8H18)，辛烷值为100；正庚烷 (C7H16)，辛烷值为0。按不同比例（体积）混合可得不同辛烷值的标准燃料，（其辛烷值即为异辛烷的体积百分数）。 在特定工况下调整压缩比使被测燃料发生临界爆震。 找出与被测燃油相同具有抗爆性的标准燃料，则标准燃料的辛烷值即为被测定汽油的辛烷值。 实验方法不同：马达法试验值（MON）n=900r/min、进气加热（条件苛刻），研究法试验值（RON）n=600r/min、进气不加热。 MONRO

8、N。燃料敏感度=研究法试验值-马达法试验值，表征了燃料对工况的敏感度。 通用评价抗爆性的指标： ONI（抗爆指数）(MON+RON)/2。目前所用汽油的牌号即为该值。 辛烷值高低顺序为烷烃烯烃（炔烃）环烷烃芳烃。 提高辛烷值的方法： 加抗爆剂（四乙铅、溴乙烷），由于对后处理器催化剂的毒性强，目前已经停用。 提高汽油中芳香烃的含量，裂化调制。 加调和剂（醚、醇）,第三章 燃料与燃烧 二、柴油的使用特性（燃烧机理复杂，影响因素多，性能要求多） 1、自燃性（发火性）的指标十六烷值 十六烷值，是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行。 标准燃料 正十六烷C16H34 十六烷值为100，易自燃， 甲基奈C

9、11H10 其十六烷值定为0，难自燃。 按不同比例混合可得不同十六烷值的标准燃料。当被测定柴油的自燃性=标准燃料的自燃性时，则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。 十六烷值与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。 十六烷值 自燃性好着火延迟时期着火后 P/ 工作柔和。 冷起动性能亦随之改善。 十六烷值过高 燃料分子量 蒸发性 粘度 排气冒烟及bi。 因此，国产柴油的十六烷值规定在4050之间。,第三章 燃料与燃烧 二、柴油的使用特性（燃烧机理复杂，影响因素多，性能要求多） 2、蒸发性馏程： 50馏出温度表征平均蒸发性，低蒸发性好，说明轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。但馏分太轻

10、也不好，因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦着火P/ ，柴油机工作粗暴。 90和95馏出温度标志难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏分过多，不仅蒸发和形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全（补燃期变长，效率下降）。 十六烷值必须与蒸发性相匹配。蒸发性不足而十六烷值高冒烟，热效率下降（定容性差）；十六烷值不足而蒸发性高则预混合燃烧量过高，机械负荷增加。 3、雾化性（燃油喷射系统参数）用粘度评价 它影响柴油的喷雾质量。当其它条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直径（SMD、绍特平均直径：均方根值）也越大，使燃油和空气混合不均匀，燃烧不及时或不完全，燃油消耗率增加，排气冒烟。 喷油泵柱

11、塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度。一般轻柴油的运动粘度在 20C时为（2.58）.106m2s。,第三章 燃料与燃烧 二、柴油的使用特性（燃烧机理复杂，影响因素多，性能要求多） 4、流动性凝点：指柴油失去流动性开始凝结的温度。 T 柴油中高分子烷烃和水分析出结晶、混浊（浊点） 失去流动性凝结。凝点越低越不容易失去流动性。 我国生产的轻柴油规格，按凝点分为10#、0#、-10#、-20#、-35#五级。 冷凝点，供油系统中每分钟流出的燃油量小于等于20ml所对应的温度，比凝点高5-7C。 按照当地当月10风险率的最低气温选择柴油。 其它指标： 含S量、灰分、水分、闪点、胶

12、质等（见P46表3-3）,第三章 燃料与燃烧 3-3 燃烧热化学 一、理论空气量L0：1kg燃料完全燃烧所需的最低（理论）空气量 设1kg燃料中C、H、O的质量分别为gc、gh、go，则： gc +gh +go =1kg 燃油中的C、H完全燃烧，其化学反应方程式分别是 CO2CO2 H2+O2=H2O 1kmolC 1kmol O2 1kmol H2 1/2kmol O2 gc /12kmolC gc /12 kmol O2 gh /2kmol H2 gh /4kmol O2 则：1kg燃料完全燃烧所需的氧气量为 kmol /kg 空气中按体积计O2约占21，N2约占79；空气的分子量为28.

13、95。 需空气量 kmol /kg; 以千克表示的理论空气量： kg /kg； 以体积表示的理论空气量为 m3/kg；,第三章 燃料与燃烧 3-3 燃烧热化学 二、过量空气系数：实际提供的空气量L与理论上所需空气量L。之比，称为过量空气系数 汽油机（=0.81.2，起动时过量空气系数仅为0.2-0.4） 柴油机负荷是靠质调节的（ =1.21.6）由于混合气形成不均匀，所以总是大于1的。 一般车用高速柴油机， =1.21.6；增压柴油机， =1.82.2 空燃比： AF= 汽油： =1时，A/F=14.9；柴油： =1时，A/F=14.3,第三章 燃料与燃烧 3-3 燃烧热化学 三、 1时完全燃

14、烧产物的数量 1、1kg燃料燃烧前混合气的数量M1 汽油机： （kmol/kg燃料） 式中：Mrt为燃料的分子质量 柴油机：液态燃料的体积不及空气的1/10000，即为纯空气 （kmol/kg燃料） 燃烧后产物的质量M2：（由O2、N2、CO2、H2O构成，分别求出各自的mol量）并将 L0代入即可得到 则理论分子变更系数 （表征做工能力的强弱，相当于增加工质的量，在不完全燃烧时理论分子变更系数更大，pme更大） 汽油机： 柴油机：,第三章 燃料与燃烧 3-3 燃烧热化学 四、燃料热值与混合气热值 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。 高热值：包括水蒸汽凝结后放出的汽

15、化潜热； 低热值：不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热。 2、混合气热值：单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量。 kJ/kmol； kJ/kg； kJ/m3 理论混合气热值：单位理论混合气所放出的热量 发动机中每循环放热量取决于混合气热值（单位体积），而非燃料低热值 如汽油、甲醇低热值差很多44000kJ/kg和27000kJ/kg，而理论混合气热值相差不大3748.99kg/m3和3630.52/m3。所以烧E10时合理增加喷油量在发动机结构不变的情况下动力性相差不大。 作业：E10的理论混合气热值（10乙醇、90汽油），kJ/kg、kJ/m3、kJ/mol。,第三章 燃料与燃烧 3.4燃烧初步

16、 一切燃烧过程都分为两个阶段 着火 自燃：自发燃烧 点燃：强制点火 油滴（膜）蒸发与喷雾燃烧 燃烧 预混合燃烧中的火焰传播 油滴蒸发、喷雾燃烧（柴油机）均为不均匀混合气，存在浓度梯度扩散型燃烧造成碳烟的产生冒烟,第三章 燃料与燃烧 一、着火阶段（发生明显光、火焰效应前的准备阶段） 自燃：目前有两种理论： 链式反应（烃类的氧化反应） 组成：链引发、链传播、链中断 链引发：烃类受激（电火花、高温气流）产生自由基（或原子）活性中心促进新反应进行。 链传播：自由基与反应物作用：进一步反应 产生新的自由基：1:1：直链反应（不加速） 1:多：支链反应（加速、爆炸） 链中断：自由基与环境碰撞失去活性 反应

17、物浓度急剧消失，自由基找不到促进的对象，反映终止 氧化反应的特征 存在形成、积累活性中心的诱导期，长度与反应物特性、浓度、温度、容器 有关。,第三章 燃料与燃烧 一、着火阶段（发生明显光、火焰效应前的准备阶段） 热力自燃理论 在T,P适宜的情况下无外部能量，自身反应自动加速、自发着火过程。 着火条件：在整个着火过程中每一时刻的反应放热速度（与温度呈指数关系） 反应物系统向环境的散热速度（与温度呈线性关系）。 产生热量积累从而着火。 着火的临界条件即为反应放热量曲线与散热量直线相切。 反应放热量为指数函数与反应物浓度、性质，当地T、P，流动等相关 环境散热为线性函数： T2为反应系统温度、T0为

18、环境温度、K为散热系数,a）临界着火 b)由于环境温度过低而不着火 c)散热系数过大而不着火 d)反应放热速率低而不着火,第三章 燃料与燃烧 一、着火阶段（发生明显光、火焰效应前的准备阶段） 实际的着火过程（着火半岛）体现出了两种理论的不同作用区域：低温多阶段着火具有链式反应的特点；高温单阶段着火充分表现出了热力自燃理论的表现形式。,二、火焰传播过程 火焰前锋面（以火花塞中心为球面的0.010.5mm厚度的一层反应中的混合气）前方为未燃混合气、后方为已燃混合气；极大的温度、浓度梯度造成传热、传质使得火焰向前传播。 在无紊流或若紊流时传播速度较慢、层流传播；在强紊流时火焰前锋面破裂、形成许多小的反应团、宏观厚度增加、反应面积增加、火焰传播速度极快。 三、油膜（滴