發動機原理第三章第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3-1燃料組成及特征燃料的主要分類石油類（烴類）：液態，汽油、（煤油：用于航空發動機）、輕柴油、重柴油氣態，CNG、LNG、LPG含氧燃料：甲醇、乙醇、醚類（二甲基乙醚DME）生物油類：大豆油、菜籽油等，可再生資源，太稠、混合氣形成困難、結焦。去除甘油后就可以變稀。氫：好處多多，但主要問題集中在能量密度（貯存：壓縮法、液化法、吸附法）、零部件的脆化和來源。第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3-1燃料組成及特征石油類燃料特征組成：主要成分：碳、氫，占97~98%；少量元素：硫、氧、氮，其中O元素可以降低燃燒過程微粒物，煙度下降；S可以使N多催化劑中毒，盡量減少。微量元素：K，As，Na，Ca通式：多種碳氫化合物的混合物，通式可表達為CnHm，通常稱為烴。碳原子數對燃料性能的影響隨C原子數的增加燃料：依次分為天然氣、液化石油氣、汽油、煤油（航空用）、輕重柴油、渣油（鍋爐用）、瀝青（馬路用）。C↑→

相對分子量↑→密度↑→沸點↑→揮發性↓＋粘度↑→高溫穩定性↓＋點燃性↓＋自燃性↑→用于壓燃式燃燒（柴油機）

第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3-1燃料組成及特征

碳原子數對燃料性能的影響C原子數沸點品種分子量理論物質的變化趨勢C1常溫天然氣16

C↑→分子量↑→粘度，自燃性↑

C↓→分子量↓→點燃性↑C2~C4常溫液化石油氣16~58C5~C1150~200汽油95~120C11~C19180~300煤油100~180C16~C23250~360輕重柴油180~200C23360以上渣油220以上第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3-1燃料組成及特征分子結構對燃料性能影響A烷屬烴CnH2n+2①直鏈（正己烷）呈飽和的開鏈式結構，常溫下化學性質比較穩定，在高溫下易氧化，C結構越不穩定，滯燃期較短，是柴油燃料的良好成分。②支鏈（異辛烷）支鏈式，結構緊湊，在高溫下不易自燃，適合汽油燃料。B、烯烴CnH2n 非飽和開鏈式結構，有一個二價鍵，它比烷烴難于自行發火，抗爆性好，但常溫下化學安定性差，在長期儲存中易于氧化生成膠質（裂解法煉油中存在）。第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3-1燃料組成及特征分子結構對燃料性能影響C、炔烴CnH2n-2非飽和開鏈式結構，有一個三價鏈。炔烴不存在于原油中，系熱裂化生產的中間產物。由于氫不飽和，所以很不穩定。在常溫下易分解，儲存中因氧化而結膠。含炔烴多的產品不宜作為發動機燃料D、環烷烴CnH2n飽和的環狀分子結構，不易分裂，熱穩定性和自發火的溫度均比直鏈烷烴為高。環烷烴多的燃油適宜作為汽油機燃料，不適宜作柴油機燃料，環烷烴與烷烴都是石油的重要組成部分。E、芳香烴CnH2n-6基本化合物是苯，所有芳香烴都含有苯基的成分。在石油中含量較少，分子結構堅固，熱穩定性比環烷烴高，在高溫下分子不易破裂，化學安定性較前者為高，是良好的防爆劑。石油煉制中常使產品的芳香烴增多。

α-甲基萘是十六烷值為0的標準燃料。第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒

§3-2燃料的使用特性一、汽油的使用性能影響汽油機性能的關鍵性指標主要是（蒸發性（餾程）和抗爆性（辛烷值）等。1、餾程：蒸發性餾程：用餾出某一百分比燃油質量的溫度范圍來表示。為了評價燃料的揮發性（形成混合氣的難易程度），以10％、50％和90％的餾出溫度作為幾個有代表意義的點。（1）10％餾出溫度(<75℃)標志著它的起動性。T10↓→燃料容易冷車起動。但T10過低，在管路中輸送時受發動機溫度較高部位的加熱而變成蒸氣，在管路中形成“氣阻”，使發動機斷火，影響它的正常運轉。第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒

§3-2燃料的使用特性（2）餾出50％的溫度

(<145℃)標志著汽油的平均蒸發性。T50↓→

（從較低負荷向較高負荷過渡時，能夠及時供應所需的混合氣）↓→暖車時間↓

+加速性改善+工作穩定性提高。（3）餾出90％的溫度(<195℃)T90標志著燃料中難揮發的重質成分的數量。當T90↓→

重質成分↓→易揮發，利于燃燒。當T90過高→重質成分↑→不易揮發燃燒而附著在氣缸壁上→形成積碳或流入油底殼→稀釋機油破壞潤滑。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒

§3-2燃料的使用特性2．辛烷值：辛烷值是表示汽油抗爆性的指標。爆震：在汽油機燃燒中，在火焰前鋒面未傳播到的情況下由于缸內溫度（或局部溫度）過高而引起的末端混合氣自燃（瞬間同時燃燒），從而引起缸內溫度、壓力急劇上升并伴隨特定敲缸聲（壓力波在缸內的不斷反射）的不正常燃燒狀態。輕微爆震時由于燃燒迅速定容性提高，熱效率提高、動力性提高。爆震過強時缸內溫度、壓力急劇上升發動機的熱負荷、機械負荷增加，潤滑系統、冷卻系統破壞從而引起可預見的重大破壞。現代汽油機中增設爆震傳感器，使發動機在臨界爆震狀態燃燒。第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒辛烷值測定方法：在特殊的單缸試驗機（CFR）上按規定的條件進行。利用兩種標準燃料：異辛烷(2,2,4三甲基戊烷，C8H18)，辛烷值為100；正庚烷(C7H16)，辛烷值為0。按不同比例（體積）混合可得不同辛烷值的標準燃料，（其辛烷值即為異辛烷的體積百分數）。在特定工況下調整壓縮比使被測燃料發生臨界爆震。找出與被測燃油相同具有抗爆性的標準燃料，則標準燃料的辛烷值即為被測定汽油的辛烷值。實驗方法不同：馬達法試驗值（MON）n=900r/min、進氣加熱（條件苛刻），研究法試驗值（RON）n=600r/min、進氣不加熱。MON<RON。燃料敏感度=研究法試驗值-馬達法試驗值，表征了燃料對工況的敏感度。

通用評價抗爆性的指標：

ONI（抗爆指數）＝(MON+RON)/2。目前所用汽油的牌號即為該值。辛烷值高低順序為烷烴＜烯烴＜（炔烴）＜環烷烴＜芳烴。提高辛烷值的方法：加抗爆劑（四乙鉛、溴乙烷），由于對后處理器催化劑的毒性強，目前已經停用。提高汽油中芳香烴的含量，裂化調制。加調和劑（醚、醇）第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒二、柴油的使用特性（燃燒機理復雜，影響因素多，性能要求多）1、自燃性（發火性）的指標——十六烷值十六烷值，是在特殊的單缸試驗機上按規定的條件進行。標準燃料正十六烷C16H34十六烷值為100，易自燃，

α—甲基奈C11H10其十六烷值定為0，難自燃。按不同比例混合可得不同十六烷值的標準燃料。當被測定柴油的自燃性=標準燃料的自燃性時，則混合液中十六烷的體積百分數就定為該種柴油的十六烷值。十六烷值與發動機的粗暴性及起動性均有密切關系。十六烷值↑→自燃性好↑→著火延遲時期↓著火后△P/△φ↓

→工作柔和。冷起動性能亦隨之改善。十六烷值過高→燃料分子量↑→蒸發性↓

粘度↑→排氣冒煙及bi↑。因此，國產柴油的十六烷值規定在40～50之間。

第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒二、柴油的使用特性（燃燒機理復雜，影響因素多，性能要求多）2、蒸發性——餾程：50％餾出溫度表征平均蒸發性，低蒸發性好，說明輕餾分多、蒸發快，有利于混合氣形成。但餾分太輕也不好，因為輕質燃料容易蒸發，在著火前形成大量油氣混合氣，一旦著火△P/△φ↑↑

，柴油機工作粗暴。90％和95％餾出溫度標志難于蒸發的重餾分的數量。如果重餾分過多，不僅蒸發和形成均勻混合氣，燃燒不容易及時和完全（補燃期變長，效率下降）。十六烷值必須與蒸發性相匹配。蒸發性不足而十六烷值高冒煙，熱效率下降（定容性差）；十六烷值不足而蒸發性高則預混合燃燒量過高，機械負荷增加。

3、霧化性（燃油噴射系統參數）—用粘度評價它影響柴油的噴霧質量。當其它條件相同時，粘度越大，霧化后油滴的平均直徑（SMD、紹特平均直徑：均方根值）也越大，使燃油和空氣混合不均勻，燃燒不及時或不完全，燃油消耗率增加，排氣冒煙。噴油泵柱塞、噴油器的噴針都是靠燃油潤滑，所以柴油應具有一定的粘度。一般輕柴油的運動粘度在20°C時為（2.5～8）.10－6m2／s。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒二、柴油的使用特性（燃燒機理復雜，影響因素多，性能要求多）4、流動性——凝點：指柴油失去流動性開始凝結的溫度。T↓

→柴油中高分子烷烴和水分析出結晶、混濁（濁點）→失去流動性→凝結。凝點越低越不容易失去流動性。我國生產的輕柴油規格，按凝點分為10#、0#、-10#、-20#、-35#五級。冷凝點，供油系統中每分鐘流出的燃油量小于等于20ml所對應的溫度，比凝點高5-7°C。 按照當地當月10％風險率的最低氣溫選擇柴油。其它指標：含S量、灰分、水分、閃點、膠質等（見P46表3-3）

第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3-3燃燒熱化學一、理論空氣量L0：1kg燃料完全燃燒所需的最低（理論）空氣量設1kg燃料中C、H、O的質量分別為gc、gh、go，則：gc+gh+go=1kg燃油中的C、H完全燃燒，其化學反應方程式分別是C＋O2＝CO2H2+O2=H2O1kmolC→1kmolO21kmolH2→

1/2kmolO2gc/12kmolC→gc/12kmolO2

gh/2kmolH2→

gh/4kmolO2

則：1kg燃料完全燃燒所需的氧氣量為kmol/kg空氣中按體積計O2約占21％，N2約占79％；空氣的分子量為28.95。需空氣量kmol/kg;以千克表示的理論空氣量：kg/kg；以體積表示的理論空氣量為m3/kg；第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3-3燃燒熱化學二、過量空氣系數：實際提供的空氣量L與理論上所需空氣量L。之比，稱為過量空氣系數汽油機（α=0.8～1.2，起動時過量空氣系數僅為0.2-0.4）柴油機負荷是靠質調節的（α=1.2～1.6）由于混合氣形成不均勻，所以α總是大于1的。一般車用高速柴油機，α=1.2～1.6；增壓柴油機，α=1.8～2.2空燃比：A／F=汽油：α=1時，A/F=14.9；柴油：α=1時，A/F=14.3第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3-3燃燒熱化學三、α

>1時完全燃燒產物的數量1、1kg燃料燃燒前混合氣的數量M1汽油機：（kmol/kg燃料）式中：Mrt為燃料的分子質量柴油機：液態燃料的體積不及空氣的1/10000，即為純空氣（kmol/kg燃料）燃燒后產物的質量M2：（由O2、N2、CO2、H2O構成，分別求出各自的mol量）并將L0代入即可得到則理論分子變更系數（表征做工能力的強弱，相當于增加工質的量，在不完全燃燒時理論分子變更系數更大，pme更大）汽油機：柴油機：第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3-3燃燒熱化學四、燃料熱值與混合氣熱值1、燃料熱值：1kg燃料完全燃燒所放出的熱量，稱為燃料的熱值。高熱值：包括水蒸汽凝結后放出的汽化潛熱；低熱值：不包括水蒸汽凝結后放出的汽化潛熱。2、混合氣熱值：單位數量的可燃混合氣燃燒所產生的熱量。

kJ/kmol；kJ/kg；kJ/m3理論混合氣熱值：單位理論混合氣所放出的熱量發動機中每循環放熱量取決于混合氣熱值（單位體積），而非燃料低熱值如汽油、甲醇低熱值差很多44000kJ/kg和27000kJ/kg，而理論混合氣熱值相差不大3748.99kg/m3和3630.52/m3。所以燒E10時合理增加噴油量在發動機結構不變的情況下動力性相差不大。作業：E10的理論混合氣熱值（10％乙醇、90％汽油），kJ/kg、kJ/m3、kJ/mol。

第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3.4燃燒初步

一切燃燒過程都分為兩個階段①著火自燃：自發燃燒點燃：強制點火油滴（膜）蒸發與噴霧燃燒②燃燒預混合燃燒中的火焰傳播油滴蒸發、噴霧燃燒（柴油機）均為不均勻混合氣，存在濃度梯度――>擴散型燃燒造成碳煙的產生――>冒煙第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒§3.4燃燒初步

一切燃燒過程都分為兩個階段①著火自燃：自發燃燒點燃：強制點火油滴（膜）蒸發與噴霧燃燒②燃燒預混合燃燒中的火焰傳播油滴蒸發、噴霧燃燒（柴油機）均為不均勻混合氣，存在濃度梯度――>擴散型燃燒造成碳煙的產生――>冒煙第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒一、著火階段（發生明顯光、火焰效應前的準備階段）自燃：目前有兩種理論：鏈式反應（烴類的氧化反應）組成：鏈引發、鏈傳播、鏈中斷鏈引發：烴類受激（電火花、高溫氣流）產生自由基（或原子）――>活性中心――>促進新反應進行。鏈傳播：自由基與反應物作用：進一步反應 產生新的自由基：1:1：直鏈反應（不加速）

1:多：支鏈反應（加速、爆炸）鏈中斷：自由基與環境碰撞失去活性 反應物濃度急劇消失，自由基找不到促進的對象，反映終止氧化反應的特征存在形成、積累活性中心的誘導期，長度與反應物特性、濃度、溫度、容器有關。第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒一、著火階段（發生明顯光、火焰效應前的準備階段）熱力自燃理論在T,P適宜的情況下無外部能量，自身反應自動加速、自發著火過程。著火條件：在整個著火過程中每一時刻的反應放熱速度（與溫度呈指數關系）≥反應物系統向環境的散熱速度（與溫度呈線性關系）。產生熱量積累從而著火。著火的臨界條件即為反應放熱量曲線與散熱量直線相切。反應放熱量為指數函數與反應物濃度、性質，當地T、P，流動等相關環境散熱為線性函數：

T2為反應系統溫度、T0為環境溫度、K為散熱系數

a）臨界著火b)由于環境溫度過低而不著火

c)散熱系數過大而不著火d)反應放熱速率低而不著火第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第三章

燃料與燃燒一、著火階段（發生明顯光、火焰效應前的準備階段）實際的著火過程（著火半島）體現出了兩種理論的不同作用區域：低溫多階段著火具有鏈式反應的特點；高溫單階段著火充分表現出了熱力自燃理論的表現形式。

二、火焰傳播過程火焰前鋒面（以火花塞中心為球面的0.01～0.5mm厚度的一層反應中的混合氣）前方為未燃混合氣、后方為已燃混合氣；極大的溫度、濃度梯度造成傳熱、傳