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97~98%；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
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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220以上渣油360以上C23180~200轻重柴油250~360C16~C23100~180煤油180~300C11~C1995~120汽油50~200C5~C1116~58液化石油气常温C2~C4C↑→分子量↑→粘度，自燃性↑C↓→分子量↓→点燃性↑16天然气常温C1理论物质的变化趋势分子量品种沸点C原子数第三章燃料与燃烧§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+2①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，在高温下易氧化，C结构越不稳定，滞燃期较短，是柴油燃料的良好成分。②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，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。α-甲基萘是十六烷值为0的
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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℃)
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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，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，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。MON
分析
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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5-7°C。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C＋O2＝CO2H2+O2=H2O1kmolC→1kmolO21kmolH2→1/2kmolO2gc/12kmolC→gc/12kmolO2gh/2kmolH2→gh/4kmolO2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28.95。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（α=0.8～1.2，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（α=1.2～1.6）由于混合气形成不均匀，所以α总是大于1的。一般车用高速柴油机，α=1.2～1.6；增压柴油机，α=1.8～2.2空燃比：A／F=汽油：α=1时，A/F=14.9；柴油：α=1时，A/F=14.3第三章燃料与燃烧§3-3燃烧热化学三、α>1时完全燃烧产物的数量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燃烧初步一切燃烧过程都分为两个阶段①着火自燃：自发燃烧点燃：强制点火油滴（膜）蒸发与喷雾燃烧②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§3.4燃烧初步一切燃烧过程都分为两个阶段①着火自燃：自发燃烧点燃：强制点火油滴（膜）蒸发与喷雾燃烧②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0.01～0.5mm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）蒸发燃烧机理复杂、不讲自己看书第三章燃料与燃烧四、燃油特性引起的汽油机、柴油机燃烧组织和结构的影响柴油蒸发性差（T95>365°C）－>在自然状态下依靠环境加热和燃油蒸发很难形成混合气－>压缩上止点喷油利用高温、高压促使燃油蒸发，（由于柴油粘度大、润滑性好）增设高压喷油系统（250-1800bar）借助外力雾化，采用进气涡流、挤流等形式加强气流运动促进混合。柴油机的混合气形成需要油、气、室的三方配合，才能形成分布不均匀的可燃混合气氧化性好（自燃性强）－>压缩点燃（压缩比>18）＋油膜（滴）扩散的不均匀燃烧－>存在局部缺氧区域（燃油裂解、脱氢）形成干碳烟（DS）－>冒烟＋积聚形成微粒排放（PT）依靠调整循环供油量（gb）即可调整循环放热量Q1－>无节气门、充气效率变化很小－>靠调节混合气的品质（过量空气系数）调节负荷－>质调节。第三章燃料与燃烧四、燃油特性引起的汽油机、柴油机燃烧组织和结构的影响汽油蒸发性好－>容易形成混合气－>不用额外能量（化油器、低压喷射）－>形成α＝1（保证三效催化后处理器使得有害物‘HC、CO、HC、NOx’排放最低）的均质混合气。自燃性差（抗爆性强）－>点燃＋（均质混合气）火焰传播燃烧－>T↑－>NOx↑（高温、富氧、作用时间长）＋α＝1存在局部缺氧－>CO↑。为了防止过度爆震产生压缩比一般小于14。混合气品质一定（空燃比及混合气热值一定），必须调节每循环进入的混合气量－>存在节气门（充量系数、充气效率下降）－>量调节。
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