Chapter4 燃料与燃烧化学,§4-1 发动机燃料 §4-2 代用燃料及应用 §4-3 燃烧化学 §4-4 燃烧基本理论,§4-1 发动机燃料,汽油机使用的燃料是汽油，汽油是从石油中提炼出来的碳氢化合物按辛烷值不同分为几个牌号以RQ打头，后跟汽油的辛烷值汽油的辛烷值通常有两种测定方法，即研究法（RON）和马达法（MON），其换算关系为（RON）=（MON）+10例如代号为RQ-90，“R“是燃的汉语拼音字头，“Q“是汽的汉语拼音字头，代表燃汽油-90是辛烷值（表示研究法辛烷值为90），压缩比大的汽油机应选用较高牌号的汽油由于环保的要求，我国在2000年7月1日推广使用无铅汽油，含铅量小于2.5mg/L为无铅汽油一、汽油,汽油的主要性能指标有：抗爆性、蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清净性二、柴油,柴油和汽油一样都是石油制品在石油蒸馏过程中，温度在200～350℃之间的馏分即为柴油柴油分为轻柴油和重柴油轻柴油用于高速柴油机，重柴油用于中、低速柴油机汽车柴油机均为高速柴油机，所以使用轻柴油轻柴油特性：自燃性、雾化和蒸发性、硫含量、安定性、低温流动性§4-2 代用燃料及应用,（一）气体燃料：内燃机可用的气体燃料主要有氢、天然气、液化石油气、沼气、发生炉煤气、高炉煤气和人造煤气等。
（二）代用燃料非石油燃料1、醇类燃料2、植物油燃料,添加剂：在燃料中加入化学添加剂的目的：一是改变和优化燃料原有的特性；二是添加某些性能通常添加量在1%以下1、抗爆剂：通过添加铅化物和芳香烃以提高辛烷值 2、着火加速剂：着火性能提高，着火温度降低，反应速度增加 3、残渣转换剂：除去汽油机燃烧室内的残渣4、抗氧化剂：避免燃料在氧气的影响下改变性质 5、金属钝化剂：避免燃料的聚合和沉积 6、抗腐蚀剂：主要是长链、高分子的结合剂将水、膜分化，建立保护膜7、抑制结冰剂 8、化油器清洁剂 9、提高过滤性添加剂,§4-3 燃烧化学,1、完全燃烧考虑一种通用的碳氢化合物，其平均分子组成为CcHhOo,空气可按氧占20.95%，其余为氮因此，对应于1mol的氧，有3.773mol的氮，于是根据原子数平衡关系式，可以写出碳氢燃料在空气中完全燃烧时的化学反应式：,1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量（质量）称为化学计量空燃比：,一般而言，内燃机所用的燃料均为各种碳氢化合物的混合物，难于准确地确定其中C、H、O三种元素的原子数c、h和o，另一方面，这三种主要元素的质量比可以通过化学分析方法得到，分别记为gc、gH、go，根据定义式有：,这样，化学计量燃比的计算式可以写成：,若以体积关系式来计算化学计量空燃比(kmol/㎏），其计算式为：,据统计：国产汽油中C、H、O三种元素的分数分别为：0.855、0.145、0。
柴油为0.870、0.126、0.004 代入公式：,对汽油：,柴油：,化学计量燃空比：F/A2、不完全燃烧：过量空气系数：,：理论混合气 ：浓混合气 ：稀混合气,一般汽油机： 车用高速柴油机： 增压柴油机：,混合气的浓度对燃烧过程具有特别重要的意义，它直接影响燃烧的完善程度，进而影响指示热效、燃油消耗率和排气污染等重要性能指标α是内燃机工作过程中的重要参数之一3、理论分子变更系数： 不考虑气缸中残留废气的情况下，研究燃烧前、后工质摩尔数的变化 ① α>1的情况 柴油机燃烧前吸入的空气量：,汽油机吸入的充量应计入燃料蒸汽的摩尔数，故,其中mT为汽油的分子量1kg燃料完全燃烧时，将生成 的CO2和 的H2O，消耗的氧气为0.21L0，燃烧后剩下的氧和氮为 ，故燃烧后工质的摩尔数为：,将L0的表达式代入上式，得：,燃烧前后工质的摩尔数增加量： 柴油机： 汽油机,燃烧后工质的摩尔数M2与燃烧前工质的摩尔数M1之比称为理论分子变更系数，以u0表示。
柴油机：,以 代入上式得：,汽油机：,以,代入，得：,则，,② 的情况：,的情况仅在汽油机上出现，在此情况下燃料不能完全燃烧燃烧产物中除CO2和 外，还将产生CO、H2、HC和C烟，在此情况下燃烧产物的总量为：,燃烧后工质摩尔数的增量为：,理论分子变更系数：,4、实际分子变更系数（考虑残余废气） 设1kg燃料燃烧后在气缸中的残余废气为Mr，则燃烧前气缸中的工质总量为：,燃烧后气缸中工质总量为：,气缸中残余废气量与新鲜充量M1之比称为残余废气系数：,考虑了残余废气后，燃烧后的工质摩尔数 与燃烧前工质摩尔数 之比称为实际分子变更系数：,§4-4 燃烧基本理论,一、连锁反应的机理及燃烧放热规律1、连锁反应的基本概念：一般连锁化学反应过程的发展顺序为：链引发——链传播——链终止2、有效反就概念和连锁化学反应普遍方程式所谓有效反应指能获得最终产物及活化中心的反应。
x：表示o~t时间内参加反应的原始物质的百分数 n：为比例系数 ρ：有效反就中心的相对密度m：燃烧品质指数（它是反应燃烧过程中有效反应中心相对密度随时间变化的特性参数，同时也是确燃烧过程特性的参数一般柴油机m=0.1~1.0，汽油机m=1.0~3.0，K：比例系数3、内燃机燃烧速度的半径验方程式：,维别导出的内燃机燃烧速度半径验方程式：,tZ：燃烧延续时间； φZ ：对应的曲轴转角； φO ：着火提前角各类柴油机的m、 φO 、 φZ值的统计资料如下：,三 、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即相只随 t（时间）座标变化, 而不随 x （位移）座标变化, 为单相系, 均匀系柴油机上, 由于混合气分配不是十分均匀, 总有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燃烧掉的燃料继续燃烧三） 扩散燃烧柴油机的燃烧方式, 三相－燃料相, 空气相, 燃烧产物相柴油燃点比汽油低, 但在日常生活中汽油却比柴油易燃, 原因就在于汽油的挥发性好, 油与空气形成混合气较快, 物理准备过程已经就绪, 一点即燃柴油机中燃烧的快慢却主要取决于物理准备过程进行的快慢油滴遇热蒸发形成燃料蒸汽, 然后才能燃烧, 并非油滴与空气接触就可燃烧为防止燃烧产物将油滴与空气隔开, 将组织空气相对于油滴的气流运动, 将燃烧产物抛在后面预混合气体中的火焰传播 1、火焰中心的形成 2、火焰的传播 α=0.85~0.95，火焰的传播速度最大汽油机用这种浓度混合气工作燃烧速度最快，功率也最大，故称功率混合比 α =1.03~1.1时，火焰传播速度降低不多，又有足够的氧气使燃烧完善，经济性最好，称经济混合比。
α›1.3~1.4，火焰核心难以形成，称着火下限 α‹0.4~0.5，严重缺氧，火焰核心难以形成，称着火上限 汽油机的α值应在0.6~1.2范围内A/F=9~18燃油喷雾与扩散燃烧 柴油机中的燃烧属于喷雾双相燃烧，即有预混合气的均相气相燃烧，又有微油滴群的油滴扩散燃烧§4-5 实际循环的近似计算— 热计算,实际循环的近似计算是一种半经验估算，称为活塞式内热机的经典热计算，是俄国学者格里涅维茨基于1907年提出的，是长期以来内燃机设计制造单位习惯采用的一种常规计算方法该方法以理论的等容加热或混合加热循环作为出发点，并假定其中的几个过程始终点是上、下止点，然后求出各特征点的状态参数，绘制出示功图并用丰满系数加以修止的计算方法该算法的实质是应用较简单的关系式和利用一些经验数据来处理实际上的复杂过程经典热计算方法既可用于对方案设计阶段确定的指标、尺寸、结构参数进行校核计算，又可为动力计算和强度计算提供原始数据 一、燃烧热化学计算 按照本章前面几节所列公式，并根据给定或选定的燃料成分，过量空气系数和残余废气系数φr计算下列各值： 1kg燃料所需的理论空气量LO； 新鲜充量的摩尔数M1； 燃烧产物的摩尔数M2； 残余废气的摩尔数Mr； 理论分子变更系数u0； 实际分子变更系数u。
二、换气过程参数的确定 1、进气终点的压力Pa Pa是影响充气效率的主要因素，对泵气损失也有影响，一般情况下，进气终点的气缸内压力Pa低于进气系统的压力，其差值取决于吸气过程中的压力降ΔPa Pa= Po- ΔPa Pa= Pk- ΔPa ΔPa主要是发生在最小流动截面——进气门处： 可见，转速愈高，进气门开启截面愈小，则ΔPa 愈大初步估算可取下列统计数据： 四冲程非增压柴油机、汽油机 Pa=（0.85~0.95）P0 四冲程增压柴油机：Pa=（0.90~0.95）Pk 2、残余废气系数Φr,设Vr≈Vc，则：,(影响因数：ε、Pr、Tr、ηv),对于具有强制燃烧室扫气作用的增压柴油机， Φr降低甚至等于零 Pr= Po+ΔPr 或Pr= PT+ΔPr （增压） 统计数据： 高速四冲程增压柴油机、汽油机： Pr=（1.05~1.15） Po 废气涡轮增压柴油机： Pr =（0.75~1.0）PT Tr的大小与内燃机的负荷、转速、ε等都有关系。
负荷增加， Tr上升；n提高，也使Tr上升； ε大，则膨胀比大， Tr下降3、进气终点温度Ta Ta的大小受制进气温度Ts、残余废气的热含量，高温零件对新鲜充量的加热和充量动能转化为热能等因素的影响Tr和Φr的一般范围是：,设 ，则：,ΔT和Ta的一般范围是：,进气终点的热平衡方程式：,4、充气效率：ηv （充量系数） 内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量M1与以进气管状态充满气缸的工作容积的理论充量Msh之比，定义为充量系数：,进气终点气缸充量的摩尔数可表示为：,以 ， 和Va=Vc+Vs代入上式，得：,ηv的统计范围：,三、压缩过程 实际过程与理论相比存在很大区别，主要因素是热交换和比热变化用一平均多变压缩指数n1来取代变指数，只要取代后的过程曲线的起点a和终点c与实际过程相符就行 据试验测定n1的大改变化范围是：,。