发动机 燃料燃烧.

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1、第四章 燃料与燃烧化学 厦门理工学院 机械系 车辆工程教研室 洪汉池 主要内容 n第一节 发动机的燃料 n第二节 代用燃料及其应用 n第三节 燃烧化学 n第四节 燃烧的基本理论 n作业及思考题 第一节 发动机的燃料 n石油燃料（汽油、柴油） 炼制 方法 （补 ） 直接蒸馏法直接蒸馏法：将原油在专用的炼油塔(分馏塔)中 进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的 燃油，最终获得的燃料约占原油的25一40；。 裂解法裂解法：将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过 不同的技术手段裂解为分子量较轻的成分。其中， 通过加温加压的方法进行裂解的称为热裂解法热裂解法，使 用催化剂(触媒)进行裂解的称为催化裂解

2、法催化裂解法 代用燃料 一、汽油 汽油的主要性能有：抗爆性、 蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性 及清洁性。 1、汽油的抗爆性 n汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧 时抵抗爆燃的能力。 n汽油的抗爆性是以辛烷值辛烷值来表示的。根据试 验规范的不同，所得的辛院值分别称为马达马达 法法MONMON或研究法或研究法RONRON辛烷值辛烷值。我国生产的汽油 是按研究法辛烷值RON分级的。 n汽油的辛烷值越高，其抗爆性越好。 n汽油的牌号以辛烷值划分。 2、汽油的蒸发性 n液态汽油汽化的难易程度称为汽油的 蒸发性。 n汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要 求汽油必须具有良好的蒸发性。但蒸 发性也不能太强，否则

3、易形成供油系 “气阻”，甚至发生供油中断现象。 二、柴油 1、柴油的发火性（自燃性） n柴油的发火性是指柴油的自燃能力。 n 十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标，对 燃烧过程也有一定影响。十六烷值越高，着 火性越好。但是十六烷值过高，燃料分子量 加大，使蒸发性变差、粘度增加，导致燃烧 不完全等。因此，国产柴油的十六烷值规定 为4065之间，不必要过分增大。 2、柴油的蒸发性 n柴油的蒸发性影响滞燃期内柴油的蒸发量及 燃烧的完全程度，用馏程表示。 n馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处 的温度，通常以馏出50的温度来评定。馏程低 ，说明这种燃轻馏分多，蒸发性好，有利于混合气 形成，改善了燃烧过

4、程。但是，馏程过低，燃料蒸 发过快，则在着火延迟期内形成的混合气量过多， 柴油机工作粗暴。车用柴油机的柴油馏程为 200300。 3、柴油的粘度 柴油的粘度决定柴油的流动性。 粘度 流动性 物化性好，过低，润滑性降低； 粘度过 滤清困难，喷雾不良，流动阻力增大。 4、柴油的凝点 柴油的凝点指柴油冷却到失去流动性的温度。 第二节 代用燃料及其应用 代用燃料 按 物 态 气体代用燃料：天然气、液化石油气 、 氢气、煤气、沼气等 液体代用燃料：甲醇、乙醇、植物油 燃料等 按化 学成 分 烃燃料 含氧燃料 一、天然气 天然气主要成分为甲烷CHCH 4 4 (容积比可达83 99以上)，另外还包括乙烷C

5、 C 2 2 HH 6 6 以及丙烷C C 3 3 HH 8 8 等。 天然气的热值和辛烷值均较高天然气的热值和辛烷值均较高，在用作点 燃式发动机的燃料时，通过适当的技术措施， 如提高发动机的压缩比等，可以接近原发动机 的动力性能。同时，天然气又是一种比较洁净 的能源，排污低，使用比较方便，特别是压缩 天然气(CNGCompressed Natural Gas)，便 于储存，配合相应的基础设施如加气站的 建设，在城市车辆如公共汽车、出租车中具有 广阔的应用前景。 二、液化石油气 液化石油气(LPG-Liquefied Petroleum Gas）主要成分是丙丙烷烷烷烷C C 3 3 HH 8

6、8 、丁烷丁烷C C 4 4 HH10 10、 、 丙丙 烯烯C C 3 3 HH 6 6 、丁烯丁烯C C 4 4 HH 8 8 及其异构物及其异构物，在常温下加 压，可以变成液体燃料，其单位容积热值高 于天然气，可以作为汽油机的燃料，还可以 获得较好的排放性能。 三、醇类燃料 n醇类燃料主要是甲醇甲醇CH3OH和乙醇乙醇C2H5OH 。 n n 甲醇甲醇可以从天然气、煤、生物质等原料中提 取；乙醇乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经 过发酵后制得。 n醇类燃料是液体燃料，可以沿用传统的石油 燃料的运输、贮存系统，相关的基础设施建 设投入少，而发动机的动力性与经济性可以 接近或超过原有汽油机或

7、柴油机，排气有害 成分少，是一种很有发展前景的代用燃料。 乙醇汽油是一种由粮食及各种植物纤维纤维 加 工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形 成替代能源。按照我国的国家标准，乙醇汽油 是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而 成。 乙醇它以 玉米、薯类、糖蜜等为原料，经 发酵、蒸馏制成。 试点检测结 果表明，使用车用乙醇汽油不影响 汽车的行驶性能。其排放的尾气中一氧化碳下降超过 30、碳氢化合物下降10，苯系物明显减少，氮氧 化合物基本不变。汽车使用乙醇汽油已被视为改善城 市空气质量的重要手段。 对目前中国推广乙醇汽油试点工作，有 专家强调认为 ，必须妥善解决好以下三个关 键问题键问题

8、： 一是乙醇汽油百公里耗油量高于同牌号的汽油消耗量 ； 二是由于中国乙醇汽油的推广刚刚起步，究竟乙醇 汽油对加油机、汽车等零部件是否有影响及影响程 度均不是很清楚； 三是由于乙醇汽油不宜长期储存的特性，乙醇汽油 的调配和销售同普通汽油相比具有更大的质量风险 。 第三节 燃烧化学 一、燃料燃烧的热值 单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量 。 完全燃烧是指某化合物被所在氧气全部 氧化，其中C生成CO2、H生成H2O，其它元素 生成高级氧化物。 汽油: 44100 kJ/kg ； 柴油: 42500 kJ/kg 完全燃烧时，生成的水为气态时的热 值为低位发热值 。 完全燃烧时，生成的水为液态时的热 值

9、为高位发热值 。 二、燃料完全燃烧的化学反应 1.碳燃烧： 2.氢燃烧： 3.硫燃烧： 4.一氧化碳燃烧 ： 5. 碳氢化合物： 三、燃料燃烧所需的空气量 n1 kg燃料完全燃烧所需要的空气量称理论空气 量。 n已知条件: 1 kg燃料中所含 kg 碳， kg 氢气， kg氧气 汽油: kg/kg ， kg/kg ， kg/kg 柴油: kg/kg ， kgkg ， kg/kg 化学反应方程式 需要总的 量 1Kg燃料中所含的 量 kg = kmol 所需空气中的 量 = 总的 量燃料中所含的 量 或 （2） kg 空气中氧气成分约占23% （3） 1 kmol 空气 = 22.4 空气， 所

10、需空气量 （1） kmol：空气中氧气成分约占21%，所以 kmol/kg 将平均质量成分代入式可得 四、过量空气系数和空燃比 1 过量空气系数 表示混合气的浓稀程度。 1 混合气稀,稀混合气; 1 混合气浓,浓混合气; =1 标准混合气 一般，柴油机: 1；汽油机: 1 1。 过量空气系数是反映混合气形成和完善程度及整机性能的一个重 要标志，在保证完全燃烧的前提下，应力求使过量空气系数小。 2 空燃比、燃空比 汽油理论上完全燃烧时的空燃比约为14.9。 应用空燃比直观方便，其数值即为每千克燃 料燃烧时实际供给空气量的千克数。 14.9为浓混合气， 14.9的为稀混合气 。 第四节 燃烧的基本

11、理论 n一切燃烧过程都由着火和燃烧两个阶段组成 。 n着火阶段是物质燃烧的准备阶段，是着火前 的物理和化学的准备过程。 n燃烧的第二阶段，有两种方法。一是强迫着 火或点燃。另一种是自然着火。 n发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个 基本步骤： (1)形成燃油与空气的可燃混合气； (2)点燃可燃混合气，或可燃混合气在混度和浓 度适当的地区发生自燃，在一处或同时在数 处着火 着火过程 ； (3)火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧 。 一、着火机理： n按化学动力学的观点，着火机理可分为热自 燃机理和链锁自燃机理两类。 (一)热自燃 在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过程，放出 热量。放热的同

12、时，由于温差的原因，会对周围介质 散热。若化学反应所释放出的热量大于所失去的热量 ， 混合气的温度升高，进而促使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 率而着火。这就是热自燃，或称热爆。 (二)链锁反应 所谓链锁反应是这样的化学反应，其中一 个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。 整个反应过程分为： 引导反应(锁的引发) 反应链(链的继续反应或链的传递) 断链反应(链的中断即活化中心的死亡)。 二、发动机混合气的着火 内燃机中碳氢化合物的自燃，均属 于链一热自燃，但由于发火的条件不同 ， 有高温单阶段着火和低温多阶段着火。 汽油机 柴油机 （一） 汽油机高温单级

13、着火 1 压缩的是燃料与空气的混合气体, 在此过程中, 已 经进行了一些化学反应。 2 火花点火, 局部温度高达20000以上, 该处燃料 分子直接分裂成大量的自由原子与自由基, 迅速反 应出现热火焰, 瞬间扩大到整个燃烧室内。所以, 汽油机着火过程： 压缩混合气 点火（经短暂着火延迟期） 热火焰 高温单级点燃 （二）柴油机低温多级着火 1、 阶段混合阶段 在压缩过程终了时， 燃料喷入汽缸内形成可燃 混合气。燃料遇到温度较 高的空气，开始氧化，但 速度缓慢，示功图上的压 缩线没有明显的变化。混 合阶段，为着火做准备。 2 阶段一阶段反应 燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就 会

14、出现。经过时间 后，反应加剧，出现冷火焰，缸内压力超 过压缩压力。在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化 碳等中间产物。要求混合气较浓， = 0.40.5。 3 阶段二阶段反应 温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心，出现 蓝火焰。混合气稀得多，略小于1。 4 时间后三阶段反应 活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出 现热火焰。混合气更稀， 1。 着火延迟期 三、发动机的燃烧方式 （一） 同时爆炸燃烧 取某一部分为系统, 着火前后整个系统各个部分的相完全 均匀一致。为单相系, 均匀系homogeneous system。 柴油机上, 由于混合气分配不是十分均匀, 总有

15、某一部分 混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）, 取这一部分为系统, 则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。 汽油机上, 由于火焰有传播速度（虽然很快, 但相对同时 爆炸燃烧却很小）, 传播逐次进行, 故显然不是同时爆炸燃烧 。 但火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下, 可实现同时爆 炸燃烧，从而形成火焰中心。 （二） 逐渐爆炸燃烧 （预混合燃烧） 汽油机火焰传播。 两相系混合气相 （未 燃区），燃烧产物相 （已燃区）。 加热从火花塞开始， 紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加 热, 使氧化或活性中心增多, 发生燃烧。燃烧又加热下一层, 一层一层传播。燃烧主要在火焰前锋面内进行。火焰前锋面前 方的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产 物和一小部分在火焰前锋面中没有