內燃機原理第3章

1、第三章第三章 內燃機燃料與燃燒內燃機燃料與燃燒 第一節(jié)第一節(jié) 內燃機燃料的一般知識內燃機燃料的一般知識 第二節(jié)第二節(jié) 汽油的使用性能汽油的使用性能 第三節(jié)第三節(jié) 柴油的使用性能柴油的使用性能 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第五節(jié)第五節(jié) 燃燒理論概述燃燒理論概述 第一節(jié)第一節(jié) 內燃機燃料的一般知識內燃機燃料的一般知識 一、石油燃料一、石油燃料 1、組成與性質、組成與性質 內燃機傳統(tǒng)燃料，汽油與柴油，石油產品，主要成內燃機傳統(tǒng)燃料，汽油與柴油，石油產品，主要成 份有碳、氫兩種，占份有碳、氫兩種，占9798%，還含少量的硫、氧、，還含少量的硫、氧、 氮等，微量砷、鈉、鉀、鈣等。氮等，微量砷、鈉、鉀

2、、鈣等。 石油產品以多種碳氫化合物的混合物形式出現，分石油產品以多種碳氫化合物的混合物形式出現，分 子式為子式為CnHm，稱為烴。，稱為烴。 第一節(jié)第一節(jié) 內燃機燃料的一般知識內燃機燃料的一般知識 （1）碳原子數對燃料性質的影響碳原子數對燃料性質的影響 從石油氣、汽油、煤油、輕重柴油到渣油，隨碳原從石油氣、汽油、煤油、輕重柴油到渣油，隨碳原 子數的增大，沸點逐漸升高，相對分子量逐漸增大，子數的增大，沸點逐漸升高，相對分子量逐漸增大， 質量變重，揮發(fā)性變差，粘度增大，化學穩(wěn)定性變質量變重，揮發(fā)性變差，粘度增大，化學穩(wěn)定性變 差，自燃性變好，點燃性變差。差，自燃性變好，點燃性變差。 第一節(jié)第一節(jié)

3、內燃機燃料的一般知識內燃機燃料的一般知識 （2）分子的化學結構對燃料性能的影響）分子的化學結構對燃料性能的影響 1）烷烴）烷烴CnH2n+2 正構物，飽和的開式鏈狀結構。常溫下化學性質穩(wěn)定，不易正構物，飽和的開式鏈狀結構。常溫下化學性質穩(wěn)定，不易 變質，高溫下易分解（著火），而且碳鏈越長越易著火，是變質，高溫下易分解（著火），而且碳鏈越長越易著火，是 柴油的組成部分。柴油的組成部分。 異構物，比正構物分子結構緊湊，高溫下不易氧化（不易著異構物，比正構物分子結構緊湊，高溫下不易氧化（不易著 火），汽油中的組成部分?；穑?，汽油中的組成部分。 2）烯烴）烯烴CnH2n 不飽和開鏈結構，有一個雙鍵，常

4、溫下化學不穩(wěn)定，保存期不飽和開鏈結構，有一個雙鍵，常溫下化學不穩(wěn)定，保存期 長，易產生膠質。長，易產生膠質。 高溫下，不易著火，比烷烴抗爆性好，熱裂汽油中含成份較高溫下，不易著火，比烷烴抗爆性好，熱裂汽油中含成份較 多。多。 3）環(huán)烷烴）環(huán)烷烴CnH2n 飽和的環(huán)狀分子結構，不易分裂，熱穩(wěn)定性和發(fā)火溫度比直飽和的環(huán)狀分子結構，不易分裂，熱穩(wěn)定性和發(fā)火溫度比直 鏈烴高，適于作汽油機燃料，不宜作柴油燃料。鏈烴高，適于作汽油機燃料，不宜作柴油燃料。 4）芳香烴）芳香烴CnH2n-6 基本化合物是苯，所有芳香烴都有苯基成分，分子結構堅固，基本化合物是苯，所有芳香烴都有苯基成分，分子結構堅固， 熱穩(wěn)定性

5、比其它烴都高，高溫下不易發(fā)火，是良好的抗爆劑，熱穩(wěn)定性比其它烴都高，高溫下不易發(fā)火，是良好的抗爆劑， 直餾汽油中含量較少。直餾汽油中含量較少。 第一節(jié)第一節(jié) 內燃機燃料的一般知識內燃機燃料的一般知識 2、石油燃料的煉制、石油燃料的煉制 1）直餾法：）直餾法： 石油石油蒸餾與凝結蒸餾與凝結 40205 餾出汽油餾出汽油 占石油的占石油的2540% 130300 煤油煤油 250350 柴油柴油 350500 潤滑油潤滑油 500以上以上 重油重油 2）熱裂法：）熱裂法： 重油重油加溫、加壓、加溫、加壓、400以上以上高分子量成份裂解成低分高分子量成份裂解成低分 子量的成分，因大分子的重烴含氫少，

6、分裂后產生的輕分子子量的成分，因大分子的重烴含氫少，分裂后產生的輕分子 烴中，含有不飽合烴。烴中，含有不飽合烴。 3）催化裂化法：）催化裂化法： 重油重油加溫、加壓、催化劑加溫、加壓、催化劑催化劑使加溫較低，氣態(tài)含量催化劑使加溫較低，氣態(tài)含量 較少，可使烷烴脫氫、環(huán)化形成芳香烴，品質高。較少，可使烷烴脫氫、環(huán)化形成芳香烴，品質高。 此外，還有加氫、異構化、迭合、芳構化等石油加工工藝，此外，還有加氫、異構化、迭合、芳構化等石油加工工藝， 生產高級汽油。生產高級汽油。 第一節(jié)第一節(jié) 內燃機燃料的一般知識內燃機燃料的一般知識 二、氣體燃料二、氣體燃料 1、天然氣（、天然氣（CNG） 2、液化石油氣（

7、、液化石油氣（LPG） 三、代用燃料三、代用燃料 1、醇類燃料、醇類燃料 2、植物油燃料、植物油燃料 第二節(jié)第二節(jié) 汽油的使用性能汽油的使用性能 一、一、餾程餾程 10%餾出溫度餾出溫度標志起動性標志起動性 起動時起動時 車速低、霧化不好車速低、霧化不好 壁面溫度低、汽油揮發(fā)少壁面溫度低、汽油揮發(fā)少 一般關閉陰風門，這時供給濃混合氣，只有一般關閉陰風門，這時供給濃混合氣，只有10%左右汽油蒸左右汽油蒸 發(fā)就能順利起動。發(fā)就能順利起動。 10%餾出溫度，越低越易起動，但太低易形成氣阻。餾出溫度，越低越易起動，但太低易形成氣阻。 50%餾出溫度餾出溫度表明平均蒸發(fā)性，與暖車、加速、穩(wěn)定性、表明平均

8、蒸發(fā)性，與暖車、加速、穩(wěn)定性、 分配均勻性等有關。分配均勻性等有關。 90%餾出溫度餾出溫度表明難揮發(fā)的重成分的數量。表明難揮發(fā)的重成分的數量。 90%餾出溫度越高，重餾分多，易冒煙、積碳、沿缸壁流入餾出溫度越高，重餾分多，易冒煙、積碳、沿缸壁流入 曲軸箱稀釋機油，故不能太高。曲軸箱稀釋機油，故不能太高。 第二節(jié)第二節(jié) 汽油的使用性能汽油的使用性能 二、抗爆性二、抗爆性用辛烷值評價用辛烷值評價 辛烷值在辛烷值在CFR單缸機上測定，被測燃料單缸機上測定，被測燃料改變壓縮比改變壓縮比產生產生 爆震。爆震。 異辛烷（辛烷值為異辛烷（辛烷值為100）+正庚烷（辛烷值為正庚烷（辛烷值為0）。標準燃）。標

9、準燃 料料同樣的壓縮比同樣的壓縮比產生同樣程度的爆震，則標準燃料中含產生同樣程度的爆震，則標準燃料中含 異辛烷的體積百分數即為被測燃料的辛烷值。異辛烷的體積百分數即為被測燃料的辛烷值。 為提高辛烷值，用抗爆劑：四乙鉛與溴乙烷的混合物。但由為提高辛烷值，用抗爆劑：四乙鉛與溴乙烷的混合物。但由 于該添加劑含鉛量高，對人體及環(huán)境危害較大，同時還會使于該添加劑含鉛量高，對人體及環(huán)境危害較大，同時還會使 排氣催化轉換器中的催化劑嚴重中毒而導致失效，因而逐漸排氣催化轉換器中的催化劑嚴重中毒而導致失效，因而逐漸 被淘汰。被淘汰。 目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先進的煉制工藝及目前，提高汽油辛烷值的主要

10、措施是采用先進的煉制工藝及 使用高辛烷值的調和劑，如加入甲基叔丁基醚、乙基叔丁基使用高辛烷值的調和劑，如加入甲基叔丁基醚、乙基叔丁基 醚或醇類燃料等。醚或醇類燃料等。 第三節(jié)第三節(jié) 柴油的使用性能柴油的使用性能 一、低溫流動性：一、低溫流動性：用凝點評價用凝點評價 凝點：溫度再下降，失去流動性，凝固。我國的柴油用凝點凝點：溫度再下降，失去流動性，凝固。我國的柴油用凝點 編號。編號。 二、霧化性：二、霧化性：用粘度評價用粘度評價 粘度：燃料流動性的尺度，表示燃料內部摩擦力的物理特性，粘度：燃料流動性的尺度，表示燃料內部摩擦力的物理特性， 影響柴油的噴霧質量。影響柴油的噴霧質量。 粘度大，不易霧化

11、粘度大，不易霧化 粘度小，易霧化粘度小，易霧化 三、三、蒸發(fā)性蒸發(fā)性 50%餾出溫度：平均蒸發(fā)性，低餾出溫度：平均蒸發(fā)性，低蒸發(fā)性好，噴入后能迅速蒸發(fā)性好，噴入后能迅速 蒸發(fā)、混合，有助于燃燒；蒸發(fā)、混合，有助于燃燒； 90%和和95%餾出溫度：表示柴油難于蒸發(fā)的重餾分的數量，餾出溫度：表示柴油難于蒸發(fā)的重餾分的數量， 高高不易蒸發(fā)，與空氣混合不均勻，冒煙。不易蒸發(fā)，與空氣混合不均勻，冒煙。 一般情況下：一般情況下： 渦流室、予燃室可以燃用較重餾分的柴油，并且餾程可寬渦流室、予燃室可以燃用較重餾分的柴油，并且餾程可寬 直噴式柴油機希望燃用輕餾分柴油，餾程窄直噴式柴油機希望燃用輕餾分柴油，餾程窄

12、 第三節(jié)第三節(jié) 柴油的使用性能柴油的使用性能 四、發(fā)火性：四、發(fā)火性： 用用十六烷值十六烷值評價評價 柴油機要求燃料發(fā)火性好，著火落后期短，而汽油機則要求柴油機要求燃料發(fā)火性好，著火落后期短，而汽油機則要求 著火落后期長。著火落后期長。 評定柴油發(fā)火性用評定柴油發(fā)火性用CFR單缸試驗機。單缸試驗機。 標準燃料標準燃料 正十六烷正十六烷易著火，十六烷值為易著火，十六烷值為100 甲基萘甲基萘不易著火，十六烷值為不易著火，十六烷值為0 不同比例混合便得到十六烷值從不同比例混合便得到十六烷值從0到到100的各種標準混合燃料。的各種標準混合燃料。 當所測柴油與配制的標準燃料發(fā)火性相同時，則標準燃料中當

13、所測柴油與配制的標準燃料發(fā)火性相同時，則標準燃料中 含含16烷的容積百分數即為該燃料的十六烷值。烷的容積百分數即為該燃料的十六烷值。 十六烷值高的柴油，著火溫度低，著火落后期短，適合高速十六烷值高的柴油，著火溫度低，著火落后期短，適合高速 柴油機，但增大十六烷值，將帶來燃料分子量加大，使燃油柴油機，但增大十六烷值，將帶來燃料分子量加大，使燃油 的蒸發(fā)性變差、粘度增加，導致排氣冒煙加劇及燃油經濟性的蒸發(fā)性變差、粘度增加，導致排氣冒煙加劇及燃油經濟性 下降。下降。 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)

14、第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 四、燃料與混合氣熱值四、燃料與混合氣熱值 1.燃料熱值：燃料熱值：1燃料完全燃燒所放出的熱量。分高熱值與低熱值，燃料完全燃燒所放出的熱量。分高熱值與低熱值， 內燃機中為低熱值。內燃機中為低熱值。 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第五節(jié)第五節(jié) 燃燒理論概述燃燒理論概述 燃燒過程：著火、燃燒燃燒過程：著火、燃燒 1.汽油機的高溫單階段著火汽油機的高溫單階段著火 汽油機的著火是以鏈鎖反應開始，熱發(fā)火結束。汽油機的著火

15、是以鏈鎖反應開始，熱發(fā)火結束。 自由原子，自由基或過氧化物具有較高的活化能，形成了活性自由原子，自由基或過氧化物具有較高的活化能，形成了活性 核心。核心。 當可燃混合氣開始鏈鎖反應之后，由于活性核心的再生，可以當可燃混合氣開始鏈鎖反應之后，由于活性核心的再生，可以 使反應自動加速，放熱速率大于散熱速率，熱量得以積累。使反應自動加速，放熱速率大于散熱速率，熱量得以積累。 局部反應氣體溫度將逐漸升高，使反應加速到熱爆炸的產生。局部反應氣體溫度將逐漸升高，使反應加速到熱爆炸的產生。 因為由鏈反應所引起的起始反應的自動加速，到由熱積累所引因為由鏈反應所引起的起始反應的自動加速，到由熱積累所引 起的自動

16、加溫，劃分不出兩者的界限，故稱為高溫單階段發(fā)火。起的自動加溫，劃分不出兩者的界限，故稱為高溫單階段發(fā)火。 熱爆炸僅是形成了火焰核心，只有當它本身的反應放熱量大于熱爆炸僅是形成了火焰核心，只有當它本身的反應放熱量大于 它向周圍混合氣的散熱量時，它才能靠熱傳導和活性粒子的擴它向周圍混合氣的散熱量時，它才能靠熱傳導和活性粒子的擴 散向外擴展，形成穩(wěn)定的火源，到此才算著火完成。散向外擴展，形成穩(wěn)定的火源，到此才算著火完成。 以后的燃燒是由火焰核心向鄰近的均勻混合氣進行火焰?zhèn)鞑ァＲ院蟮娜紵怯苫鹧婧诵南蜞徑木鶆蚧旌蠚膺M行火焰?zhèn)鞑ァ?即火焰由已燃部分向未燃部分逐漸推進，使燃燒過程持續(xù)和擴即火焰由已燃部分

17、向未燃部分逐漸推進，使燃燒過程持續(xù)和擴 展。展。 第五節(jié)第五節(jié) 燃燒理論概述燃燒理論概述 2.柴油機的低溫多階段自燃柴油機的低溫多階段自燃 在在t1階段，反應不明顯，氣缸壓力無明顯變化。階段，反應不明顯，氣缸壓力無明顯變化。 在在t2階段，反應加劇，出現冷焰。階段，反應加劇，出現冷焰。 此期氧化反應主要產物是甲醛，以及其它中間產物。此期氧化反應主要產物是甲醛，以及其它中間產物。 甲醛產生淡青色火焰，因為放熱量不多，故稱為冷焰。甲醛產生淡青色火焰，因為放熱量不多，故稱為冷焰。 同時氣缸內壓力稍有變化。同時氣缸內壓力稍有變化。 在在t3階段，由于氣缸內溫度、壓力升高，甲醛繼續(xù)反應生成的階段，由于氣缸內溫度、壓力升高，甲醛繼續(xù)反應生成的CO逐漸逐漸 增加，出現藍色火焰。增加，出現藍色火焰。 此階段壓力有明顯升高，反應生成物主要有此階段壓力有明顯升高，反應生成物主要有CO、O、H、OH等活性核心。等活性核心。 當溫度足夠高，活性核心的濃度足夠時，則產生熱爆炸，出現熱火焰，當溫度足夠高，活性核心的濃度足夠時，則產生熱爆炸，出現熱火焰， 即燃油的自燃。即燃油的自燃。 一氧化化碳燃燒生成最終產物二氧化碳。一氧化化碳燃燒生成最終產物二氧化碳。 這種發(fā)火過程也是以鏈反應開始，熱積累達到爆炸發(fā)火。這種發(fā)火過程也是以鏈反應開始，熱積累