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1、第五章 内燃机的燃料与燃料供给 51内燃机的燃料 一、石油燃料及其特性1.石油中烃的分类石油基本上是由脂肪族烃、环烷族烃、芳香族烃组成的混合 物。脂肪族烃包括：环烷族烃：热稳定性与自燃温度比脂肪族烃高，适合做汽油 机燃料。 芳香族烃：高的热稳定性，自燃温度高于烷族烃和环烷族烃 ，适合做汽油机燃料。2.柴油和汽油的物理化学性质燃料对内燃机的功率、油耗及可靠性有较大影响，各种内燃 机对燃料品质有一定的要求。 （1）柴油对柴油机而言，与性能相关的燃料特性为：1）自燃温度：表示无外源点火条件下，柴油能自行着火的 最低温度（473-493k）柴油的自燃性用十六烷值来衡量，十六烷值高，自燃性好，反之亦然。
2、十六烷值的评定：用两种自燃性截然不同的标准燃料作比较 。一种是正十六烷C16H34，自燃性很好，将其十六烷值定为100 ；另一种是甲基萘C11H10，自燃性很差，将其十六烷值定为0。测试的柴油和两种标准燃料混合液的自燃性作比较，当两者 相同时，混合液中正十六烷含量的容积百分比，即为所测试柴油 的十六烷值。 2）馏程：表示燃料是否易于蒸发的特性某燃料的馏程是该燃料在某一温度范围内能蒸馏出来的成分 的容积百分数。用标准分馏仪器测定。523k以下蒸发出来的成分叫轻馏分，含轻馏分高的燃料易于 蒸发，便于起动和着火。但轻馏分超过15%，会使着火前蒸发的 蒸气过多，压力升高率增大，柴油机工作变得粗暴。 6
3、23k以上蒸馏出来的成分叫重馏分，重馏分超过40%的柴油，不易蒸发，难于完全燃烧。3）粘度：表示燃料分子之间的内摩擦特性。粘度影响燃料的过滤性，油管中的流动性及气缸中的雾化质 量与燃烧质量。常用运动粘度 表示。4）含硫量 硫是燃料中的有害成分（S ，对金属的腐蚀 ，燃烧室壁的积炭 ，润滑油恶化程度 ）。在燃烧中，硫氧化成SO2及SO3。它们在低温下与水蒸气化合成亚硫酸和硫酸，对金属有强烈的腐蚀作用。在高温下与燃料及 润滑油中烃的异构物反应起催化作用，在活塞环槽及缸套上产生 积炭和胶质沉积物，使润滑油变坏。5）浊点 在低温下，柴油开始结晶，失去透明性质对应温 度叫浊点。柴油达到浊点后析出针状结晶
4、，影响供油。浊点是 保证柴油机正常工作的重要参数。6）凝点 使柴油开始固化而失去流动性的温度叫凝点。柴 油达到凝点后，必须加热，才能使柴油机正常工作。 我国柴油以凝点确定牌号，如-35，-20，-10，0号轻柴油的凝 点分别为不高于35，20，10，0。10，20，30号 重柴油的凝点分别为不高于10，20，30。 7）化学成分轻柴油：C=0.87，H=0.126，O=0.004重柴油：C=0.87，H=0.125，O=0.005柴油的平均成分：C=0.86，H=0.13，O+N+S=0.18）发热量或热值1kg燃油完全燃烧所放出的热量叫做燃料的发热量或热值高热值：计及水蒸汽冷凝时放出的汽化潜
5、热的发热量叫高热值 HH。低热值：不计及水蒸汽冷凝时放出的汽化潜热的发热量叫低 热值Hu。在发动机中，由于缸内及排气温度高于水蒸汽蒸发温度，无 法利用汽化潜热，所以燃油的发热量是低热值。轻柴油一般Hu=42496kJ/kg左右重柴油一般HH=41868kJ/kg左右(2) 汽油对汽油机来说，与其性能有关的燃料特性为：1）挥发性 表示液体燃料汽化的倾向。为了获得良好的着 火和火焰传播，燃料-空气比一般不小于理论完全燃烧燃料-空气 比的50%。燃料的挥发性必须足以满足起动，冷机暖车过程在内的所有工况，在点火时至少要达到这个燃料-空气比。2）抗爆性 燃料对发动机发生爆燃的抵抗能力叫做燃料 的抗爆性。
6、 辛烷值：衡量汽油抗爆性好坏的指标，辛烷值越高，抗 爆性越好。辛烷值的评定：用两种标准燃料异辛烷C8H18和正庚烷C7H16 ，二者密度和沸点相差不多，但抗爆性相差悬殊，异辛烷抗爆 性强，定其辛烷值为100，正庚烷抗爆性弱，定其辛烷值为0， 将所试汽油的抗爆燃强度同这两种标准燃料的混合液的爆燃强 度相比较，当两者相同时，混合液中所含异辛烷的容积百分比 即为所试汽油的辛烷值。我国汽油的牌号以辛烷值来确定，如：70，75，80，85号 汽油的辛烷值分别为70，75，80，85。车用汽油的成分：C=0.855，H=0.145 ； 车用汽油的低热值一般 =43961 kJ/kg左右 。为提高汽油的抗爆
7、性，适应汽油机提高压缩比的要求，以前 一般在汽油中加入高效抗爆剂四乙铅Pb(C2H5)，但四乙铅有剧毒。为了减少铅污染，现开始使用无铅汽油。二、气体燃料1. 氢气氢气是一种取之不尽，用之不竭的燃料，其单位质量的热值 是所有燃料中最高的。它有较宽的着火界限和高的火焰传播速度 及只需较低的点火能量。氢可作为主要或者辅助燃料用在发动机上。在汽油机上加氢燃烧，现有汽油机的结构可不做改动。主要缺点：储存容积大，保存困难。目前，已研制出一种金属氢化物的储存系统，可望使氢成为 实用的发动机燃料。 2.天然气天然气NG的主要成分为链烷烃化物的甲烷（CH4），还包含乙 烷（C2H6），丙烷（C3H8）及丁烷（C
8、4H10）。丙烷和丁烷分别在 690kPa和196kPa压力下可以加压成液体。我国的液化石油气LPG除含丙烷、丁烷外，还含有丙烯（C3H6 ）和丁烯（C4H8）等。天然气的热值和辛烷值均较高，作为发动机的燃料，基本可 保持原发动机的功率不变并利于提高压缩比。 是一种洁净的能 源，排污低，输送和使用较方便。为使用天然气和柴油做燃料的双燃料发动机，一般以柴油为 基础，当燃用气体燃料时，柴油就作为引燃用燃料。如使用纯液化石油气作为燃料，则常以汽油机为基础，在结构上可不做改动。3. 煤气主要有以下几种： （1）以甲烷为主要成分的煤气（2）以氢气与甲烷为主要成分的煤气（3）以一氧化碳及氮为主要成分的煤气
9、（4）以一氧化碳及氢为主要成分的煤气（5）人造煤气（从煤中制取）它用作汽车燃油有着与天燃气相同的优缺点。在欧美，煤气作为汽车燃油已达实用阶段，并在逐渐普及。4. 沼气沼气是一种生物能源，沼气中甲烷CH4的体积分数为6070%，CO2体积分数约为3040%。在大气中着火温度可达918-1123K ，热值为14747-21352.6 kJ/m3。一般将沼气和柴油同时在柴油机中使用，以沼气作为主要燃 料，喷入少量柴油作引燃用。三、代用燃料1. 醇类燃料有甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）它们的混合气热值高，能 在稀薄混合气中稳定燃烧，燃烧速度快。排放出的有害物少，是 清洁燃料。从70年代开始，
10、各国开展不少研究，目前在美国已有燃用甲 醇燃料的车队。巴西根据资源特点加乙醇的汽油也已广泛使用。2. 二甲醚（DME）二甲醚是一种含氧燃料，化学分子式为CH3OCH3,简写为 DME，用天然气和煤来制取，它的成本比柴油高，比汽油低。它 是醇类化合物，十六烷值大于55，比柴油高，自燃温度508K，比 柴油低，以质量计含量为：52.2的C，13.5的H，34.3的O 。作为柴油机燃料，滞燃期短，雾化混合性能好，可减少NOx的生成，降低燃烧噪声，且不会产生碳烟和微粒。DME的沸点温度 248K，做柴油机燃料需低压加压，以防气阻，DME粘度低，需解 决燃油系统密封和易磨损的问题。3.植物燃料分可食用的
11、和不可食用的两大类。多数植物油的化学成分主要是甘油三酸酯。植物油热值低，比重大，粘度比柴油高10倍多。所以雾化特 性差，燃烧不完全。十六烷值较柴油低。目前，植物油主要在柴油机上试用，在柴油机上即可燃用纯 植物油，也可和柴油、汽油及甲醇形成混合油使用。我国食用油基本满足生活需要，将其作为燃料使用是不可能 的。但是蓖麻油、黑皂油等作为燃料不足的补充还是有意义的。5-2 内燃机燃油喷射系统1.柴油机对燃油系统的要求为了使柴油机获得好的性能指标，对现代柴油机燃油系统的要求是：（1）定量供油在柴油机不同转速、负荷下，能够精确的供给所需燃油；当 负荷不变时，各循环之间保持相同的供油量，使柴油机能稳定运 转
12、，对多缸柴油机，还应保持各气缸间供油量一致，以使各缸发 出的功率相等。（2）定时供油在柴油机运行的整个负荷和转速下，应具有最佳的供油正时 ，包括最佳喷油开始及喷油持续时间，并且供油规律能满足燃烧 过程的要求。（3） 定质供油喷入气缸燃油要具有高的喷射压力，以保证燃油的雾化粒度，贯穿距离，同时油束形状及分布应与燃烧室形状和空气运动相配 合，以利可燃混合气的形成。喷油开始及结束都应干脆利落，无 滴油或其他不正常喷射现象。车用柴油机的燃油喷射系统结构如图51所示 图51 柴油机燃油喷射系统1输油泵；2高压油泵；3喷油器；4预热器；5二级滤清器；6一级滤清器；7沉淀杯；8油箱2.机械式喷油泵分类（1）
13、常压或主油道式喷油系统高压油泵泵出的油先进机体中主油道或主油管（容积较大 ，压力变化不大）再由主油道以常压供给高压油管喷油器。高压 油路容积大，目前已淘汰。（2）蓄压式喷油系统 将油压至15-20MPa蓄存，再用一活塞推动一柱塞（活塞面 积为柱塞面积的6-7倍），柱塞将油压上升至100-150MPa，用定量电磁阀控制供油量，用定时电磁阀，控制供油定时。（3）泵-喷嘴式喷油系统用顶置式凸轮驱动，一般在船用大型柴油机上用，一缸一 泵，泵和喷嘴一体，无高压油管，所以可以产生很大压力， 100MPa以上。（4）柱塞泵式喷油系统 用的最多，最广泛。结构：泵-油管-喷嘴 。3.柱塞式喷油泵 （）进油； （
14、）供油过程； （）终止供油(d) (e) (f) (d)最大供油位置；（e）正常供油位置；（f）停止供油 图52 柱塞式喷油泵油量调节原理主要作用：提高油压供油供油调节原理见图52，当柱塞下行到柱塞顶面将套筒上的 进油孔打开时，燃油从进油腔流入泵腔，如图中（a）；当柱塞继续上行到柱塞顶面盖住进油孔时，泵腔内油压开始上升，当燃 油压力大于出油阀弹簧压力时，出油阀被打开，燃油经高压油管 进入喷油器，当油压大于针阀开启压力时，将针阀顶起，油从油 嘴中喷出，如图中（b）；当柱塞继续上行，柱塞螺旋槽的下边沿与回油孔连通，泵腔中油经直槽从回油孔中流出，泵腔压力消 失，出油阀落座，针阀落座，喷油停止。（d）
15、表示最大供油量位置（e）表示正常供油位置（f）表 示停止供油。 4.出油阀作为泵腔和高压油管之间的单向止回阀具有如下作用：出油阀将柱塞上部泵腔容积与到喷油器的油路系统分开，便于从油路系统中排除空气。在柱塞吸油行程时，能防止油管中的燃油流入泵腔，使得喷油后高压油管内的压力不致过分下降，否则将减少下一循环的供油量和推迟喷油时刻。利用出油阀的卸载作用，控制高压油管中的剩余压力，防止二次喷射和滴油等。出油阀阀的结结构很多，目前常用的是容积积卸载载出油阀阀和等压压卸载载出油阀阀。 容积卸载出油阀：此结结构用得最多，具体结结构见见 图图, 卸载容积为 ，等容积出油阀工作原理：柱塞压油时，柱塞腔压力升高，
16、克服弹簧力和高压油管剩余压力，使 出油阀离座，刚离座时由于卸载凸缘 的作用，燃油还无法流过出油阀座面 ，这时出油阀继续上升，直到卸载凸 缘离开阀座导向孔时，燃油才能通过 铣槽、阀的座面，流入高压油管。当 柱塞向上运动，有效行程结束时，泄 油开始，柱塞腔内燃油压力急剧下降 ，出油阀向下运动，当卸载凸缘的下 棱边刚进入阀座的导向孔时，柱塞腔图53 等容卸载出油阀 和高压油管空间被隔开，出油阀再下降一段距离hk才落座，hk是出油阀密封带中线到卸载凸缘下棱边的高度，称为卸载行程。出 油阀的导向孔直径dk，出油阀降落过程中由于卸载凸缘的存在，高压油管侧的油路中增加了一个容积 ，燃油由于增加了 这个容积而膨胀，压力很快下降，喷油嘴针阀迅速落座，喷油终 止干脆。
