第3章

燃料與燃燒學習目標重點掌握汽油及柴油牌號的劃分標準及其如何被選用；過量空氣系數與空燃比的概念。理解汽油及柴油的基本性能及其對汽車產生的影響；柴油機低溫多級著火和汽油機高溫單級著火過程的原因。了解HC化合物燃燒的著火特征；及內燃機的燃燒方式。3.1常用燃料3.1.1燃料成分及使用性能汽車發動機所使用的燃料主要是汽油和柴油兩種液體燃料，他們是石油的煉制產品。石油的主要化學元素是碳和氫兩種元素，含量占約96%~98%。石油產品即復雜的碳氫化合物的混合物，分子式為CnHm，統稱為烴。烴分子中碳原子的數目的不同直接導致了不同相對分子量和不同沸點的物質。在碳氫化合物分子中，碳、氫原子的數目和排列位置對燃料的性能影響很大，燃料中H的質量大，燃燒污染低；H的質量小，燃燒污染高，當m近似為零時，便成為煤炭。烴分子分類烷烴：CnH2n+2烯烴：CnH2n炔烴：CnH2n－2環烷烴：CnH2n芳香烴：CnH2n－6分類

分子式分子結構性質烷烴

CnH2n+21.直鏈（碳原子為直鏈排列，又稱正構烷烴）HHHHHHHㄧ

ㄧ

ㄧㄧㄧ

ㄧㄧH—CCCCCCC—Hㄧ

ㄧ

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HHHHHHH正庚烷C7H16飽和結構；隨著碳原子數目的增多，生成過氧化物的傾向增加，因此易于著火，爆震，不是點燃式發動機的理想燃料；由于其自發火的滯燃期短，因此是壓燃式發動機的理想燃料成分。2.支鏈（碳原子帶有側鏈分支，又稱異構烷烴）HㄧHH—C—HHHHㄧ

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ㄧH—C—C—C—C—C—Hㄧ

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ㄧHH—C—HHH—C—HH

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HH異辛烷C8H18飽和結構；分子結構緊湊，高溫下性能穩定，有較高的抗爆性能，是點燃式發動機理想的燃料成分。分類

分子式分子結構性質烯烴CnH2n乙烯C2H4

已烯C6H12鏈狀結構不飽和烴；具有不飽和雙鍵；高溫下形成過氧化物的傾向小；著火性差，因此抗爆性好。是點燃式發動機的理想燃料成分；常溫下化學穩定性差，易于生成膠質；多產生于裂化石油。炔烴CnH2n-2乙炔C2H2丁炔C4H6非飽和開鏈結構；有一個三價鏈；為熱裂化產物；化學穩定性十分差，常溫下易氧化，分解形成膠質；不宜作為發動機的燃料成分。分類

分子式分子結構性質環烷烴CnH2n環戊烷C5H10環己烷C6H12飽和的C6H6環狀分子結構；較直鏈烴不易分解；形成過氧化物傾向小；著火性和抗爆性介于正構烷烴和異構烷烴之間，適于作點燃式發動機燃料成分。芳香烴CnH2n-6苯C6H6

α-甲基萘C11H10雙鍵環狀不飽和烴；苯是其最基本的成分；分子結構堅固，熱穩定性高于脂肪烴和環烷烴，難于產生過氧化物；高溫下分子不易破裂，故不易著火，抗爆性能極強，是優異的點燃式發動機燃料成分（防爆劑），但其對臭氧的形成影響較大，燃料中含量應加以限制。3.1.2燃料的使用性能及其選用3.1.2.1汽油的使用性能及選用汽油對發動機性能有重要影響的特性有：揮發性、抗爆性、燃燒熱值、化學穩定性和安全性。（1）揮發性汽油的揮發性常用蒸餾曲線相對地評定。在汽油規格中，以10%，50%，90%等餾分的餾出溫度作為汽油揮發性的主要指標。10%蒸發溫度標志燃油的起動性發動機冷啟動時，不僅轉速低，燃燒室壁面溫度低，燃料的氣化條件不好，因此要求一定比例的汽油氣化，從而接近最佳的混合比，保證著火啟動。一般我們用10%的餾出溫度來標志汽車的起動性。10%蒸發溫度低，則起動性好，為了保證起動，所必需的發動機的溫度也越低。但是太過低了的話，容易引起“氣阻”，使發動機斷火。影響它的正常運轉。50%餾出溫度標志汽油的平均揮發性發動機起動后，其溫度逐步上升到正常運轉溫度的時間稱為暖車時間。一般以汽油的50%餾出溫度標志汽油的平均揮發性。它影響著發動機的暖車時間、加速性以及工作穩定性。若此溫度低，則說明這種汽油的平均揮發性好，在較低溫度下可以有較多的汽油揮發，容易保證必要的混合氣濃度。這樣可以縮短暖車時間；其溫度越低，則當發動機由較低負荷向較大負荷過渡時，能夠及時供給所需濃度的混合氣，使發動機的加速性能良好。90%的餾出溫度標志著燃料中含有難于揮發的重質成分的數量燃料本身導致燃燒不完全和機油稀釋的相對傾向，都與90%餾出溫度有關。此溫度越低，表明燃料中重質成分少，揮發性好，有利于完全燃燒。如若此溫度越高，則燃料中含有較多的重質成分，從而燃燒不充分，附著在氣缸壁上，燃燒容易形成積炭或者排氣冒煙；凝在氣缸壁上的汽油滴還會流入曲軸箱，稀釋潤滑油，破壞發動機零部件的潤滑，加速發動機的磨損。由此可見，90%餾出溫度也是一個重要指標。汽油的揮發性總結汽油機的最低起動溫度、氣阻和蒸發損耗等方面的相對性能可根據10%餾出溫度來預測；平均揮發性、暖車時間、加速性以及工作穩定性可根據汽油的50%餾出溫度評估；燃料中重質成分的數量、燃燒冒煙、對機油的稀釋程度可根據90%的餾出溫度來評估。（2）抗爆性爆震燃燒是汽油機的一種不正常燃燒現象。引起爆燃的因素很多。但是在一定的結構和使用工況下，燃料的抗爆性能是最主要的因素。燃料的抗爆性是指燃料對于發動機發生爆燃的抵抗能力。燃料的抗爆性好，有利于提高發動機的壓縮比，改善發動機的經濟性。汽油的抗爆性指標汽油的抗爆性能取決于其化學組成。對于組成汽油的各種烴來說，烷烴抗爆性最差，烯烴次之，環烷烴較好，芳香烴最好；在同一種烴內比較，輕餾分優于重餾分，異構物優于正構物。因此，我們通過試驗，采用與標準燃料比較的辦法來確定燃料的抗爆性。評定汽油的抗爆性指標是辛烷值。辛烷值高，則抗爆震能力強。國產汽油就是用研究法辛烷值來標號的，分為89、92和95三個牌號。辛烷值的測定方法標準燃料是由異辛烷和正庚烷按不同容積比例混合配成。兩者的密度和沸點相差不多，但抗爆性相差懸殊。異辛烷用作抗爆性優良的標準，其辛烷值定為100。正庚烷作為抗爆性低劣的標準，其辛烷值定為0。將這兩種燃料按照不同比例混合，就可以得到不同抗爆等級的標準燃料。標準燃料的辛烷值為其異辛烷的百分數。測定時，先用待測燃料工作，逐漸增加壓縮比，直到爆震儀指示出標準的爆燃強度為止。然后，在相同的壓縮比下，用不同辛烷值的標準燃料進行對比試驗，直到產生相同的爆燃為止。這時所用標準燃料的辛烷值即為所測燃料的辛烷值。爆燃爆燃是燃料在發動機中的自燃現象，它不僅與燃料本身的化學性能有關，也要受到發動機結構和運轉情況（燃燒室設計、壓縮比、轉速、點火提前角、氣門定時、化油器結構等）的影響。因此該將燃料和發動機聯合起來評定“燃料——發動機的抗爆性”。同理，測試辛烷值的試驗方法也就不是唯一的，所得到的數值也不是唯一的。通常采用的有兩種方法，馬達法（MON）與研究法(ROM)。由于研究法的試驗轉速及進氣溫度比馬達法低，所以用馬達法測定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（ROM）低。兩者的差值反映出燃料對發動機強化程度的敏感性。抗爆指數量是指車用汽油研究法辛烷值及馬達法辛烷值之和的二分之一。汽油的選用在選用時，根據發動機的壓縮比來選擇其相應使用的汽油：89號的汽油適用于壓縮比小于9.0的發動機；92號汽油適用于壓縮比9.0～10.0的發動機；95號汽油則適用于壓縮比高于10.0發動機。3.1.2.2柴油的使用性能及選用輕柴油用于高速柴油機重柴油用于中、低速柴油機柴油的使用性能及選用（1）低溫流動性溫度降低時，柴油開始析出固態石蠟而呈混濁狀態的溫度稱為濁點。溫度繼續下降，柴油失去流動性能的溫度稱為凝點。柴油達到濁點時，雖然仍具有流動性，但石蠟結晶顆粒容易阻塞濾清器和油路。從流動性考慮，希望柴油的凝點低，凝點與濁點的溫差小。選用柴油時，一般要求凝點比最低工作溫度低3~5℃，濁點不得高出凝點7℃。我國的柴油規格就是以凝點編號的。例如：國產0號柴油，它的凝固點為0℃，適合于夏季使用。-20號柴油凝固點為-20℃，適合于冬季或寒冷地區使用。柴油的使用性能及選用(2)揮發性柴油的揮發性決定了混合氣形成的質量和速度。因此，要求柴油有較好的霧化和揮發性。但是，如果霧化性和揮發性過強的話，不僅貯存和運輸中損失大，而且安全性差。評定柴油霧化性和揮發性的主要指標是運動粘度、餾程、閃點和密度。柴油的使用性能及選用(3)自燃性柴油機是依靠燃料自燃發火而燃燒的。它要求燃料有好的自燃性。一般十六烷值是評定柴油自燃性好壞的指標。它與發動機的粗暴及起動性均有密切關系。十六烷值用柴油標準樣品（正十六烷（100）和α-甲基萘（0）配成的混合液）在標準柴油機中進行比較得到。柴油的使用性能及選用(3)自燃性十六烷值高的柴油，其著火延遲期短，氣缸中形成的混合氣少，燃燒所釋放的熱量也少，發動機工作平穩；同時冷起動性亦能隨之改善。反之，發動機將工作粗暴，起動性能也變差。但十六烷值過高，柴油的低溫流動性、霧化與蒸發性均受影響，會使著火延遲期太短，在未形成均勻混合氣、空氣不足的情況下產生早燃，導致發動機功率下降、油耗升高及排氣冒黑煙。因此，在選用柴油時不應單純地追求高十六烷值,通常要求柴油的十六烷值應在45～60之間。柴油的分類及選用輕柴油按質量分為優等品、一等品和合格品。每個等級柴油按凝點不同分為10號、0號、-10號、-20號、-35號、-50號六種牌號，其凝點分別不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃和-35℃、-50℃。選用柴油時，應按最低環境溫度來選用。10號輕柴油——適合于有預熱設備的高速柴油機上使用；0號輕柴油——適合于最低氣溫在4℃以上的地區使用；-10號輕柴油——適合于最低氣溫在-5℃以上的地區使用；-20號輕柴油——適合于最低氣溫在-14℃以上的地區使用；-35號輕柴油——適合于最低氣溫在-29℃以上的地區使用；-50號輕柴油——適合于最低氣溫在-44℃以上的地區使用。3.2燃料的燃燒3.2.1燃燒化學反應發動機中燃料的燃燒，是燃料中的碳、氫等元素和空氣中的氧之間的劇烈氧化反應，并伴隨有發光和發熱的現象。燃料中的碳和氫氧化以后分別生成CO2和H2O的，稱為完全燃燒。理論空氣量就是指1kg燃料完全燃燒所必需的最低空氣量。1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量通過化學方程式可求出1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量

kg/kg燃料4.2.2過量空氣系數在發動機中，實際提供的空氣量往往并不等于理論空氣量。燃燒1kg燃料實際提供的空氣量L與理論上所需的空氣量L0之比，稱為過量空氣系數α過量空氣系數α與發動機的類型，混合氣形成的方法、燃料的種類、工況（負荷與轉速）。當負載變化時，α略有變化。空燃比與α理念相似，也有將燃燒時空氣量與燃料的比例值是用空燃比A/F表示。3.2.3內燃機混合氣的著火燃燒理論認為：一切燃燒過程都是由著火和燃燒本身兩個階段組成的。著火階段是燃燒的準備階段。在這一階段內燃料受到混合氣中氧氣的氧化作用，進行明顯燃燒以前的化學準備。氧化反應的速度很低，氣體的壓力和溫度均無明顯的升高。緩慢氧化過程中，有熱產生并逐漸積累起來，自身加