第四章內燃機的燃料與燃燒§4-1發(fā)動機的燃料§4-2燃料的使用性能§4-3燃燒熱化學§4-4燃燒的基本知識燃料是內燃機產生動力的來源，直接影響內燃機的發(fā)展、結構特點以及對環(huán)境的污染。§4-1內燃機燃料及其提煉一、石油中烴的分類及性質傳統(tǒng)燃料：汽油、柴油

石油中提煉；石油：碳氫化合物主要成分：C，H；少量的S，O2，N2分子式：CnHm——烴類代用燃料：CNG、LPG、DME、H2、醇類等由烴分子C原子數(shù)的不同，其分子量、沸點不同；

構成不同性質的燃料。燃料根據(jù)不同沸點分餾依次得到：石油氣

汽油

煤油

柴油

渣油（重油）C1~C4：氣態(tài)——石油氣，相對分子質量16~58；C5~C23：液態(tài)，其中：C5~C11：50~200℃，汽油，分子質量95~120；C11~C19：180~300℃，煤油，100~180；C16~C23:250~360，輕、重柴油，180~200C23以上：360℃以上，渣油，220~2801.碳原子數(shù)的影響表4-1烴分子中碳原子數(shù)對烴性質的影響輕質易揮發(fā)粘度增大化學穩(wěn)定性變好易自燃易點燃2、分子的化學結構對性能的影響燃料中H的質量分數(shù)大，燃燒污染低；H的質量分數(shù)小，燃燒污染高。不同的燃料分子組合，確定了燃料的不同特性。發(fā)動機所用的燃料中，主要含有：烷烴；烯烴；炔烴等。

二、燃料的提煉方法及對燃料性能的影響從石油原油中煉制燃料的典型工藝流程：直餾法：將原油在煉油塔中進行加熱蒸餾；

不同分餾溫度得到不同成分的燃油這一部分燃料油約占原油的25%~40%裂解法：通過加溫加壓方法進行裂解；催化重整：使用催化劑進行裂解；加氫精制：將蒸餾后的重油等一些高分子成分用不同手段裂解為分子量較輕的成分。

三、代用燃料及其特性1、氣體燃料NG：自由態(tài)或與石油共存的天然氣，主要成分是甲烷,CH4;成為第三大支柱能源。汽車上的應用：壓縮天然氣(CNG)，20MPa存于高壓氣瓶中；液化天然氣(LNG)，-162℃低溫液化儲存；其密度為常態(tài)下氣體密度的600倍；行駛距離長；但成本高。LPG:天然石油氣或石油煉制中產生的液化石油氣主要成分：丙烷/丙烯/丁烷/丁烯及其異構物。天然氣燃料的優(yōu)點：主要成分是甲烷，CO、HC排放少，燃料中不含硫的成分，SO2排放量低于電動汽車。辛烷值高達130，可提高壓縮比

熱效率

。燃燒下限寬，稀燃優(yōu)越，運轉范圍內可降低NOx。氣體燃料，低溫起動及低溫運轉性能良好。天然氣燃料的缺點：氣體燃料，常溫常壓下儲運性能差，能流密度低，一次充氣可行駛距離短。儲氣壓達20MP，燃料容器加重。因氣態(tài)吸入氣缸，充氣效率降低；單位體積的混合氣熱值低，功率降低近10%用于汽車的三種形式：CNG—以20MPa壓縮儲存；液化天然氣LNG—-162℃以下儲存；吸附天然氣ANG—吸附材料2.醇類燃料：主要指甲醇和乙醇甲醇：從天然氣、煤、生物質等原料中提取。乙醇：從含淀粉和糖的農作物中制取。特點：相對汽油熱值低，但醇中含氧量大，所需理論空氣量比汽油少，所以兩者混合氣熱值相近，保證發(fā)動機動力性能不降低醇的汽化潛熱為汽油的三倍；燃料蒸發(fā)汽化可促使進氣溫度降低，增加充氣量，但冷起動困難需要預熱。辛烷值高，抗爆性能好，可提高壓縮比。沸點低，產生氣阻的傾向大。甲醇對視神經有損傷作用，有毒性，儲運及使用中注意安全；甲醇對金屬有一定腐蝕作用，需防腐蝕措施。原料來源廣泛，可再生，有較好的燃料特性

(1)柴油的使用性能

1)低溫流動性

柴油的低溫流動性，是指柴油在低溫條件下具有一定流動狀態(tài)的性能。通常在柴油中含有一部分石蠟，當溫度降低時，石蠟結晶析出，使流體流動阻力增加，甚至失去流動性。評定柴油低溫流動性的指標是凝點、濁點和冷濾點等。我國只采用凝點和冷濾點。凝點是指油品在規(guī)定的試驗條件下冷卻，將試管傾斜45°，保持液面不能移動時的最高溫度。我國輕柴油的牌號是按凝點劃分的。§4-2傳統(tǒng)燃料的使用特性

(1)柴油的使用性能

2)霧化和蒸發(fā)性柴油的霧化性和蒸發(fā)性，決定了混合氣形成的質量和速度。柴油的霧化性和蒸發(fā)性過強，不僅貯存和運輸中蒸發(fā)損失大，而且安全性差。評定柴油霧化和蒸發(fā)性的主要指標是運動粘度、餾程、閃點和密度。2.燃料的使用性能燃燒性燃燒性是指柴油的自燃能力。燃燒性好的柴油，其自燃點低，在滯燃期內，燃燒室的局部易形成高密度的過氧化物而形成火焰中心，滯燃期短，氣缸壓力升高平緩，工作柔和。評定柴油機燃燒性的指標是十六烷值。十六烷值高的柴油，其自燃性好，柴油機工作柔和。反之，十六烷值低的柴油，易使柴油機工作粗暴。十六烷值對柴油機的起動性也有一定影響。2.柴油性能的評價指標：1）十六烷值：評價柴油的自燃性。與發(fā)動機的粗暴性、起動性密切相關十六烷值高：著火延遲期短，工作柔和，起動性好測定方法：單缸試驗機，壓縮比可調；標準燃料：十六烷與-甲基萘不同比例制成的混合液；規(guī)定自燃性：十六烷：100%；-甲基萘：0%§4-2傳統(tǒng)燃料的使用特性定義：被測柴油的自燃性與標準燃料相同時，標準燃料中十六烷的體積百分數(shù)為該柴油的十六烷值。

十六烷值：與燃料的分子結構有關；可通過原油種類、煉制方法、添加劑來控制;直鏈烷烴類、分子量、C數(shù)增加時十六烷值增加;所以，十六烷值高，便于起動，著火落后期縮短;但，分子量增加，蒸發(fā)性變差，粘度增加，冒黑煙，經濟性惡化。一般，十六烷值：45~65，不要過大過大：冒煙過小：不易著火燃料中不同成分對化學安全性的影響2）餾程：評價柴油的蒸發(fā)性。用餾出某一百分比的溫度范圍表示。如：柴油餾程采用50％蒸發(fā)溫度、90％蒸發(fā)溫度和95％蒸發(fā)溫度。50％蒸發(fā)溫度越低，說明柴油輕質餾分多，蒸發(fā)速度越快，柴油機就越易起動。90％蒸發(fā)溫度和95％蒸發(fā)溫度越低，說明柴油中重質餾分少，混合氣燃燒完全，不僅能提高柴油機動力性，減少機械磨損，還能避免過熱，降低油耗。。3）粘度：表示燃料分子間的內聚力

抵抗分子間相對運動的能力；評定柴油的稀稠度，影響燃料的流動性和噴霧質量;溫度高，粘度小，流動性強；反之相反。4）熱值：1kg燃料完全燃燒所釋放的熱量。柴油hu=42700kJ/kg5）凝點：表示柴油失去流動性，開始凝固的溫度，評定柴油的低溫流動性。柴油牌號用凝點表示。如：RC10，RC0，RC-10，RC-20，RC-30等。

二、汽油的使用性能（1）汽油的使用性能

1)揮發(fā)性汽油是由多種碳氫化合物組合而成，不能象單一化合物那樣有一個沸點，而是一個范圍。常用餾程來評價汽油的揮發(fā)性，即10％、50％、90％蒸發(fā)溫度。餾程：指汽油餾出的溫度范圍，評價蒸發(fā)性。試驗方法：加熱器，量筒，冷凝器，溫度計初餾點：第一滴凝結的燃料流入量筒時的溫度。航空汽油車用汽油煤油輕柴油燃料蒸餾曲線10%餾出溫度T10：評價低溫蒸發(fā)性，影響起動性T10低，低溫蒸發(fā)性好，易于起動；過低，易產生“氣阻”現(xiàn)象50%餾出溫度T50：評價平均蒸發(fā)性，影響暖車、加速性，工作穩(wěn)定性。90%餾出溫度T90：評價難以揮發(fā)的重質成分數(shù)量影響燃燒完全程度、積碳等。（1）汽油的使用性能

2)抗爆性汽油機爆燃燃燒是一種不正常燃燒現(xiàn)象。評定汽油抗爆性的指標是辛烷值，汽油的牌號是按研究法辛烷值劃分的。汽油的辛烷值，是按不同的體積分數(shù)，將正庚烷(辛烷值為0)和異辛烷(辛烷值為100)混合，組成標準燃料，其中異辛烷的含量便是“標準”燃料的辛烷值。二、汽油1.汽油性能的評價指標：1）辛烷值：評價汽油的抗爆性爆震現(xiàn)象：點火后，末端氣體的自燃現(xiàn)象。測定方法：專用試驗臺，壓縮比可變標準燃料：正庚烷—易爆震，辛烷值為0%；異辛烷—抗爆性好，辛烷值為100%按不同比列混合而成。試驗方法不同：研究法和馬達法——n和溫度Tb不同定義：被測汽油的抗爆程度與標準燃料相同時，標準燃料中異辛烷含量的體積百分數(shù)為被測汽油的辛烷值。實驗n及混合氣Tb馬達法>研究法國產汽油的牌號是用研究法辛烷值來命名的。汽油辛烷值：取決于汽油組成、煉制方法、添加劑；辛烷值的高低：烷烴<烯烴<環(huán)烷烴<芳烴三、汽油、柴油性能差異對發(fā)動機性能的影響1.混合氣形成和負荷調整上的差異汽油揮發(fā)性強：低溫度下，充分蒸發(fā)；在缸外形成混合氣，時間充足均勻混合氣；用混合氣充量，控制發(fā)動機功率——量調。柴油蒸發(fā)性差：200℃開始餾出，350℃結束粘性大，不能低溫下形成混合氣；故用噴嘴強制霧化，在缸內形成混合氣；進氣量不變，噴油量調節(jié)功率——質調40℃餾出，200℃蒸發(fā)完純空氣2.著火和燃燒上的差異：自燃、點燃溫度不同汽油自燃點高，點燃溫度低：

采用外部能源點燃的方式——點火系；

點火后，混合氣均勻，火焰?zhèn)鞑シ绞饺紵?/p>

為防自燃，壓縮比不宜高柴油自燃點低，點燃溫度高：

采用壓縮自燃方式；

為促進自燃，壓縮比不宜過低；

混合氣不均勻，預混合燃燒和擴散燃燒。燃燒時間延長§4-3燃燒熱化學了解燃燒過程，燃料、空氣及產物及其數(shù)量關系一、1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量設燃料主要成分：C、H、O；各元素的質量成分空氣成份：O2（21%）、N2（79%）；則完全燃燒時的化學反應方程方式：引入kmol：以kg為單位的某元素數(shù)量等于其分子量1kg燃料（wC+wH+wO）完全燃燒時所需氧的kmol數(shù)：所需要的理論空氣量：二、過量空氣系數(shù)：評價混合氣的性質定義：另：空然比=A/F；當量比=(A/F)0/(A/F)=1/

a

a=1或A/F=14.7——理論混合氣

a<1或A/F<14.7——濃混合氣

a>1或A/F>14.7——稀混合氣

a與發(fā)動機類型、混合氣形成方法、工況及功率調節(jié)方法等有關。汽油機：

a=0.8~1.2電控+三效催化裝置后：

控制在

a=1附近柴油機：

am=1.2~1.6增壓柴油機：

am=1.8~2.2柴油汽油電控+三效三、

a>1時完全燃燒的產物1）燃燒前混合氣量汽油機：柴油機：2）燃燒后的產物:因

a>1;產物為CO2和H2O，以及未燃的N2、剩余O2所以，噴入缸內的燃料體積<空氣的1/100003）燃燒后工質摩爾數(shù)的增量：由燃燒前后產物4）理論分子變更系數(shù)

0：C/H化合物構成的液體燃料燃燒后

0>1四、燃料的熱值、混合氣熱值1）燃料的熱值：定義：1kg燃料完全燃燒所放出的熱量。低熱值：產物中H2O以水蒸氣狀態(tài)存在；高熱值：產物中H2O以液體狀態(tài)存在。2）混合氣熱值：單位混合氣完全燃燒所放出的熱量設1kg燃料形成的混合氣量為M1，燃料低熱值h

;則，氣化潛熱§4-4燃燒的基本知識燃燒過程：著火階段

燃燒準備過程

燃燒階段放熱過程

一、著火理論著火過程：指混合氣自動加速反應，產生升溫，最終某一時刻某一位置出現(xiàn)火焰的過程。特點：有明顯的光和火焰效應著火理論(方式)：

著火熱理論

鏈鎖反應理論

點燃自燃理論1、著火的熱理論加熱一充滿空氣和燃料混合氣的容器受熱燃料分子和氧分子動能而相撞活化分子相撞能量>反應活化能E時，打破化學鍵而引起化學反應結論：TC與混合氣的物理化學性質、環(huán)境溫度、壓力、容器形狀及散熱情況有關；同一種燃料，因條件不同，著火溫度不同。臨界Tc與壓力pc明顯影響著火域；pc低時需要

Tc。存在混合氣濃度的著火界限；隨溫度和壓力

，著火界限加寬，但有限。當溫度和壓力低于臨界值時，無論在什么濃度下，均不能著火。上限下限在低溫、低壓區(qū)著火規(guī)律與高溫區(qū)完全不同

存在著火半島。藍焰期：甲醛的支鏈反應而產生CO；輝光較強，p、T

；持續(xù)期短熱焰期:CO+氧生成CO2

爆炸性熱火焰，釋放大量熱冷焰:過氧化物分解成甲醛,并積累低溫多階段著火冷焰誘導期1:T低反應緩慢，形成過氧化物烴燃料低溫下著火過程(光譜分析)：冷焰

2－藍焰

3－熱焰

4三個階段。烴燃料低溫低壓時的著火規(guī)律：退化支鏈反應的結果低溫多階段著火。烴燃料高溫時：甲醛退化支鏈反應不經過冷焰期，而直接進入藍焰-熱焰期，因藍焰-熱焰期很難區(qū)分高溫單階段著火。高溫單階段著火高溫時：甲醛退化支鏈反應不經冷焰，直接進入藍焰-熱焰期。2、鏈鎖反應自燃著火理論烴的氧化反應：始末最終燃燒產物，經一些列中間產物反應的結果；中間產物形成過程活性中心、反應物再生鏈鎖反應自由原子或自由基H、O、OH等鏈鎖反應機理：鏈引發(fā)：反應物受某種因素的激發(fā)，而產生的自由原子或自由基——具有很強的反應能力；鏈傳播：自由原子與反應物作用，推進反應，產生新的自由原子的過程；

直鏈反應：一個自由原子生成新的一個自由原子，反應恒速;

支鏈反應：一個活性中心同時生成兩個以上的活性中心，反應加速引爆鏈中斷：活性中心與缸壁、惰性氣體相碰撞—無效碰撞，不再引起反應。鏈鎖反應特點：1）誘導期

i：積累活性中心過程，量變；2）鏈爆炸的原因，是能激發(fā)活性中心，不一定高溫;3）反應自動加速；隨溫度急劇增高（A~B）;隨反應物濃度的減少而降低（B~C）4）加入惰性氣體時，反應速度迅速下降；而加入添加劑時：使反應速度加速。與反應物物性參數(shù)、濃度、溫度、容器形狀有關3、點燃：指用電火花產生火焰核心并引起火焰?zhèn)鞑サ倪^程點火過程：靠火花能量

局部混合氣升溫

引起電離

形成活性中心

加速化學反應

形成火焰核。火焰成長、傳播的必要條件：給靠近火焰核的未燃氣供給足夠的能量。這種能量的來源：點火能量、反應后釋放的熱量最小點火能量：受燃料種類、濃度，氧的濃度，

p,T；點火處氣流狀態(tài)；火花性質；電極形狀，距離等的影響。電極間隙與點火能量關系：電極間隙過大

需點火能量越大；間隙過小

能量再大也不能著火。熄火距離：指不能著火的最小電極間隙。混合氣濃度限制：超出著火界限，不能著火。汽油機循環(huán)變動：火焰核形成過程中條件的隨機性造成。火焰前鋒燃燒區(qū)二、內燃機的燃燒方式1、預混合燃燒特點：

著火前預先混合而形成可燃混合氣體；

在燃燒室空間壓力和溫度不均勻。

局部點燃后形成火焰核，

在預混合氣中以火焰?zhèn)鞑バ问酵瓿扇紵^程。任一時刻溫度大小分布:已燃區(qū)>燃燒區(qū)>未燃區(qū)根據(jù)混合氣的氣流特性將預混合氣的火焰?zhèn)鞑ミ^程分為層流火焰?zhèn)鞑ズ屯牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ミ^程。1）層流火焰?zhèn)鞑?特點：火焰前鋒為球面，且很薄=1/10mm~1/100mm層流火焰將燃燒室分為已燃和未燃區(qū)傳播原理：層流火焰面內溫度梯度和濃度梯度很大;

引起強烈的傳熱和傳質現(xiàn)象；

促使鄰近混合氣快速化學反應；

造成火焰空間移動現(xiàn)象

火焰?zhèn)鞑?）湍流火焰?zhèn)鞑?/p>

湍流：氣流中不同尺寸渦旋不斷形成、發(fā)展、分解與消失的不穩(wěn)定過程。產生原因：粘性氣流速度增加到一定值后，由于邊界阻礙、外部干擾等，氣流內部形成許多渦旋而造成。特點：渦旋套渦旋，各種不同尺寸的渦旋組成連續(xù)的渦旋譜。空間時間上紊亂無序變化，但有隨機性質；評價方法：湍流尺度和湍流強度湍流對火焰?zhèn)鞑サ淖饔茫汉暧^湍流：使火焰前鋒皺折，增大反應面積，但層流火焰前鋒結構不變；微觀湍流：加強傳質傳熱（擴散）—相對層流導熱系數(shù)增大100倍，由此提高紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｌ岣咄牧鲝姸龋夯鹧媲颁h結構破裂，促進已燃氣體與未燃氣體迅速混合，縮短反應時間，提高放熱速率。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?、擴散燃燒：壓縮終了向缸內高溫高壓空氣直噴燃料；燃料噴射需時間，燃料蒸發(fā)溫度低于著火溫度，故，后續(xù)噴入的燃料

邊混合邊燃燒。擴散燃燒時缸內溫度很高，只要燃料與空氣混合，其化學反應就很快進行。

擴散燃燒過程完全取決于燃料和空氣的混合過程及速度。擴散燃燒期，燃燒室內同時存在三個相：可燃混合氣、空氣和燃燒產物。1）單滴油滴的擴散燃燒模型：

擴散燃燒過程是氣液兩相的混合燃燒過程，不是液體燃料的直接燃燒，故首先液體燃料充分氣化油滴蒸發(fā)：表面形成濃度梯度著火條件：濃度，溫度適當；著火后的燃燒過程：取決于燃料與空氣的擴散速度；當火焰包圍燃料時：造成高溫缺氧，形成碳煙。擴散燃燒特點：燃燒過程受擴散、流動、混合與熱交換的制約，反應速度要比流動、擴散、混合的速度快得多；濃度梯度的擴散：受流動、混合、熱交換的影響氣液兩相的擴散燃燒

先液體蒸發(fā)，在油滴表面形成可燃混合氣（擴散與混合過程），適當溫度條件

即燃油蒸汽和空氣的燃燒。所以，燃料的霧化、蒸發(fā)及氣流特性起決定性作用。2）噴霧燃燒：無數(shù)個油滴相互干涉，汽化混合等，不同于單油滴蒸發(fā)燃燒。實際噴霧過程，由大大小小油滴組成

預混合燃燒與擴散燃燒同時存在。高壓噴射化：噴霧質量得到改善

噴入后缸內直接霧化，

混合氣形成速率。所以擴散燃燒控制：溫度及空氣流的控制；溫度受控于噴射規(guī)律3．稀薄混合氣的均質低溫壓燃C/H燃料燃燒結果：高溫高壓對外做功產物：CO、HC、NOx、PM污染環(huán)境對車用內燃機燃燒過程的要求：高效率、超低排放高效率：經濟性，節(jié)能；CO2超低排放：

NOx、CO、HC、PM措施：高效率化燃燒完全、