《发动机原理课件-第四章 燃料与燃烧讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发动机原理课件-第四章 燃料与燃烧讲解（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 燃料与燃烧 本章重点： 1、汽油、柴油的使用特性。 2、理论空气量、过量空气系数、燃料及混 合气的热值等概念。 3、发动机混合气着火机理。 第一节 内燃机的燃料和性质 石油的主要成分：碳氢化合物CnHm，占97%98%， 少量O、N、S等，占2%3% 燃料的制取 碳氢化合物简称“烃（CnHm）” 包括：烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等， 汽油和柴油通过石油蒸馏获得。 一、汽油的使用特性 * 汽油含碳原子数为C5C11，包括部分芳香烃和环烷烃 以及烯、炔烃。馏程在30220 * 易于挥发，粘度小，比重低，易点燃但不易自燃。 1. 蒸发性液变气的性质 指标：馏程和饱和蒸汽压 馏程：汽油馏出的温
2、度范围 10%的馏出温度：低，冷启动性好；过低，易气阻。 小于70 50%的馏出温度：低，平均挥发性好，燃烧快,加速性 和平稳性好,暖机时间短。小于120 90%的馏出温度：标志含有难挥发的重质成分。高， 则重质成分多，易形成积炭，从而 稀释机油。小于190 馏程用蒸馏仪测定: * 将100 mL待测燃油加入烧瓶并加热使之蒸发； * 燃油蒸汽经冷凝器冷却凝结为液体，滴入量杯； * 测量并记录量杯内燃油数量和对应的温度，并表达为蒸 馏曲线。 饱和蒸汽压：高，蒸发性强，易起动，但易气阻和蒸发损 失大。夏季不大于67KPa，冬季不大于80KPa。 *雷德饱和蒸汽压：38测得汽油与其蒸气体积比1:4时
3、的最大压力 2. 抗暴性 指标：辛烷值ON、抗爆指数 正庚烷C7H16辛烷值定为0 异辛烷C8H18辛烷值定为100 二者混合液与汽油的爆燃程度进行比较汽油的 辛烷值，即混合液中异辛烷的体积百分数 研究法辛烷值RON 马达法辛烷值MON（转速和进气温度较高，值低） 二者之差为汽油的灵敏度，是衡量抗暴性随着燃 烧条件而变化的尺度。 （MON=RON0.8+10） 车用汽油按MON分：70、75、80、85#4种牌号 我国按RON分：主要有90、93、97#3个牌号 美国按ONI分：85、87、89、91、93、97#7种牌号 抗暴指数或辛烷值指数（ONI）： （RON+MON）/2 抗爆指数越大
4、，抗爆性越好。 3. 氧化安定性 定义：抵抗大气或氧气作用而保持性能不变的能力 指标：实际胶质和诱导期 实际胶质在规定条件下，对汽油进行快速蒸发后残渣中正庚烷不 溶物，以mg/100mL表示 安定性差，易生成胶质，颜色变深，产生沉淀； 影响因素：组分中烯烃和非烃化合物少；直馏汽油好于催化裂化汽 油；温度越高，与空气和金属（铜）接触面大，差。 危害：堵塞管路和喷嘴，积碳 措施：避光，低温，降低氧的浓度，非金属涂层，加抗氧防胶剂 诱导期在规定条件下，汽油处于稳定状态的时间（min） 4. 添加剂 抗暴剂：四乙基铅+溴化乙烷 四乙基铅已被禁止使用，现用一些含氧有机化合物，如甲基椒丁醚 (MTBE)、
5、甲基环戊二烯三羰基锰（MMT）、甲基叔戊基醚、叔 丁醇、甲醇、乙醇等，来提高汽油的辛烷值。 *另外，还包括：腐蚀性、无害性、清洁性等 二、柴油的使用特性 轻柴油高速柴油机；馏程在180360 另外，重柴油、农用柴油中、低速柴油机； 含碳原子数为C16C23，包括部分芳香烃和环烷烃以 及烯、炔烃。 不易挥发，粘度较高，比重较大，自燃倾向比汽油大， 但不易点燃。 1. 低温流动性 浊点：柴油中所含石蜡开始结晶，变混浊的温度 凝点：柴油失去流动性开始凝结的温度 冷滤点：柴油不能以20mL/min通过一定过滤器的最高温度 轻柴油按凝点分：10、5、0、-10、-20、-35、-50牌号 选用柴油时，按
6、其凝点应比最低环境温度约高出5 确 定牌号。 2.着火性能 指标：十六烷值（CN） 十六烷C16H34十六烷值定为100，易自燃 -甲基萘十六烷值定为0，不易自燃 二者混合液与柴油的自燃性比较，混合液中十六 烷的体积百分数为柴油的十六烷值。 车用柴油的CN：4050 3.馏程评价柴油蒸发性的指标 50% 馏出温度：低，柴油蒸发性好，轻馏分多，有利于 混合气形成和着火，冷起动性能好。 90% 和 95% 馏出温度：高，柴油中重馏分多，燃烧容易 不完全易形成积炭，排气容易冒烟。 4. 粘度表示流体内部摩擦力 影响喷雾质量： * 粘度大，柴油喷射时，雾化质量差，燃烧不完全，燃油 消耗率高，排气冒烟。
7、 * 粘度低，喷油泵、喷油嘴的偶件润滑不良，磨损严重， 寿命短。 * 轻柴油的粘度为 2.5 8 10 -6 m2/ s（20 时 ）。 3. 残炭 残炭值：无空气通入下，柴油加热生成碳值残渣的性质。 是燃料中胶质和不稳定化合物的间接指标 残炭值高，易产生大量积炭 4. 灰分 燃烧剩余物有机酸和无机盐类 5. 含硫量 硫和硫化物燃烧生成二氧化硫、亚硫酸或硫酸 6. 机械杂质和水分 造成磨损、堵塞、锈蚀 柴油与汽油的性能比较： 三、代用燃料 第二节 燃油的燃烧 一、燃油完全燃烧的化学反应 用gc、gh、go分别表示每千克燃油中C、H、O的 千克数，则： gc gh go 汽油 0.855 0.1
8、45 0.0 柴油 0.870 0.126 0.004 对 C： C+O2=CO2 gckg(C)+8/3gckg(O2)=11/3gckg(CO2) 对 H： H2+1/2O2=H2O ghkg(H2)+8ghkg(O2)=9ghkg(H2O) 二、理论空气量 定义：1kg燃油完全燃烧所需的空气量。用LO表示。单位 为kg/kg。 在每千克燃油中，含有gokg 的氧，所以每千克燃油完 全燃烧时需要供应的氧为：8/3gc +8gh -go kg 所以：LO=1/0.23（8/3gc+8gh-go） kg/kg质量 LO=1/0.21（1/12gc+1/4gh-1/32go）kmol/kg摩尔数
9、 LO=22.4/0.21（1/12gc+1/4gh-1/32go）m3/kg体积 汽油的理论空气量为14.8kg/kg，柴油的理论空气量为 14.3kg/kg。 三、过量空气系数 定义：发动机工作过程中，1kg燃油实际供给的空气数 量L与理论空气量L0 之比值。 用a表示： a =L/ L0 a =1时为理论混合气； a 1时为稀混合气 空燃比：=空气量/燃料量= aL0 *汽油机：a=0.81.2；柴油机： a=1.21.6； 增压柴油机： a=1.82.2 四、燃烧产物的数量（kmol/kg） (a1时) 1燃烧前混合气数量（kmol/kg） 汽油机：M1= aL0+1/mT (燃烧前为
10、可燃混合气) mT-燃料摩尔质量（kg/kmol） 柴油机：M1= aL0 (燃烧前为纯空气) 2燃烧后燃烧产物数量（kmol/kg） 完全燃烧后产物：CO2、H2O、O2、N2(N2摩尔数没变，可不计) M2= aL0+1/4gh+1/32go 3理论分子变化系数0 0=M2/M1 0越大，越有利于做功、提高热效率、提高功率 汽油机：0=1.0321.053；柴油机：0=1.0461.069 五、燃油和可燃混合气的热值 1燃油的热值： 每千克燃油完全燃烧所放出的热量。KJ/kg 高热值H0生成水为液态时所放出的热量 低热值Hu生成水为气态时所放出的热量 低热值：汽油4 400KJ/Kg；柴油
11、 42500KJ/Kg 2混合气的热值（Hm） 每千摩尔混合气完全燃烧放出的热量。 kJ/kmol Hm=Hu/（ aL0+1/mT ） 一般混合气的热值均指理论混合气的热值。 第二节 发动机混合气的着火 燃烧：本质上是一种放热的氧化反应。 燃烧过程分为两个阶段：着火与燃烧 着火是燃烧（出现明显光和火焰之前）的物理 和化学准备阶段。（称为滞燃期） 物理准备：燃料的雾化、蒸发、与空气形成可燃混合气等 化学准备：焰前的缓慢氧化反应。（速度很低，压力和温 度无明显升高，逐渐积累热量或形成活化中心） 活化中心在压缩终了高温作用下，燃油分子分裂成大 量由原子或自由基（如H、O、CH、OH等）。 燃烧是氧
12、化反应加速至激化的结果。 着火方式进入燃烧有两种方法： 点燃利用点火系向可燃混合气增加能量 自燃利用自身积累的热量或活化中心着火 点燃是在局部混合气内进行的，自燃是在全部混合气内 同时发生的。 发动机内的燃烧过程经历三个基本步骤： 1）燃油与空气形成可燃混合气 2）点燃可燃混合气，或可燃混合气发生自燃。 3）火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧 按化学动力学的观点分：热着火机理和链式反应着火机理 （一）热着火机理（也称热自燃或热爆）(无外部能量下) 定义：若化学反应所释放的热量大于散失的热量，混合 气的温度升高，进而促进混合气的反应速率和放热速率 增大，这种相互促进，最终导致极快的反应速率而
13、着火 。 反应活化能气体分子要进行化学反应需要相互碰撞，碰 撞分子所必须具备一定大小的能量。 活化分子能量超过活化能的分子 发动机能否着火，取决于着火阶段有无热量积累，氧化 反应能否自动加速。 一、着火机理 能保证着火的缸内最 低温度和压力称为着 火临界温度和着火临 界压力。 着火的必要条件 该曲线称着火临界线 热着火机理着火条件 着火临界线 着火临界温度和着火临界压力： （二）链式反应着火机理（也称链锁反应或链爆炸 ) 反应自动加速不一定要依靠热量的积累使大量分 子活化，以某种方式（辐射、电离）激发出活化中 心，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法也能使 反应自动加速，直至着火。 链锁反应：其
14、中一个活化作用能引起很多基本反 应，即反应链。 链锁反应的过程：链引发链传播链中断 链引发：反应物分子分解为自由原子或自由基， 形成活化中心。 链传播：反应进一步推进，生成新的自由原子或 自由基。 直链反应一个活化中心与反应物作用产生一 个新的活化中心，反应以恒速进行。 支链反应一个活化中心引起的反应，同时生成 两个以上的活化中心，反应速度急剧增长。 退化支链反应一个活化中心产生一个新活化中心和过氧化 物或醛，过氧化物或醛发生分解引起新的支链反应。 链中断: 具有反应能力的自由原子或自由基与冷的 壁面或惰性气体碰撞,使反应能力减小。 例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O22H2O 实际过程是：
15、链引发：H2 2H 链传播(链爆炸)：H+O2 OH+O O+H2OH+H 2OH+2H2 2H2O+2H 总的反应：H+3H2+O2 2H2O+3H 链中断：H+H+M H2+M（M是惰性气体分子） H+OH+M H2O+M H+O+M OH+M 混合气的着火往往不是单一机理进行，二者机理同时存 在相互促进。 一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链爆炸为 主。 二、发动机混合气的着火 1、低温多级着火 低温多级着火过程 柴油机的压燃和 汽油机的爆燃具 有低温多级着火 的特点。 低温多级着火过程： 冷焰诱导t1+冷焰t2+蓝焰t3热焰 t1在温度较高处（500700）开始缓慢氧化，压力没
16、有明显变化。形成过氧化物和乙醛。直链反应。 t2过氧化物以一定速度分解，热量有初步积累但较慢， 反应开始加剧，产生大量甲醛。当过氧化物达到临界温度 时，出现淡青色火焰。此时的反应为一级反应。 t3热量积累较多，支链反应生成活化中心较多，出现蓝 色火焰。温度和压力明显升高。此时的反应为二级反应。 （t1+t2+t3为着火延迟期或滞燃期） 热焰热量和活化中心同时大量积累，反应将激烈进行， 在极短的时间内产生热爆炸，出现桔黄色热（高温）火焰 ，即产生自燃。热火焰的出现称为三级反应。 2、高温单级着火 在压缩过程已进行一定的化学反应，使温度升高； 汽油机火花塞跳火后，其电极附近局部混合气温度急剧 上升，出现很多活化中心（OH、CH），出现明显发热、 发光的小区
