汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理第3章-發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料與燃燒課件

1、 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理 2022/7/242 目錄第一章 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能第二章 發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程第三章 燃料與燃燒第四章 汽油機(jī)混合氣的形成和燃燒第五章 柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒第六章 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)特性第七章 車用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓第八章 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染與噪聲控制第九章 新型汽車動(dòng)力裝置第十章 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)第三章 燃料與燃燒 在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中，氣缸內(nèi)的工作物質(zhì)是成分和比例不斷變化的混合氣體：空氣、燃料蒸氣及燃料燃燒后的混合物（氣體、固體、燃料液滴等）。 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料占有重要的地位，它是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的來源。發(fā)動(dòng)機(jī)的存在與發(fā)展，不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)與性能上的差異，發(fā)動(dòng)機(jī)排放物對(duì)環(huán)境造成的污染等等，都與發(fā)

2、動(dòng)機(jī)燃料的種類和品質(zhì)有著密切的關(guān)系。第一節(jié) 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料 并非所有燃料都可以被用作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料必須滿足以下條件：1）儲(chǔ)量豐富，供應(yīng)充足而且價(jià)格適當(dāng)；2）燃料理化性能適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及車輛行駛的綜合性能的要求；3）燃料本身對(duì)人體健康影響小，有害排放物及噪聲通過一定措施能達(dá)到有關(guān)法規(guī)要求；4）能量密度高，能滿足較長距離行駛的要求，燃料儲(chǔ)運(yùn)、使用及管網(wǎng)設(shè)置安全、方便；5）燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命及可靠性無不良影響，供給及燃燒裝置不能過于昂貴。發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的燃料是汽油與柴油，它們是石油的煉制品。石油的主要成分是碳、氫兩種元素，含量約占97%-98%，其它還有少量的硫、氧、氮等等。石油產(chǎn)品是以多種

3、碳?xì)浠衔锏幕旌衔锏男问匠霈F(xiàn)的，分子式為CnHm，通常稱為烴。 利用沸點(diǎn)不同直接進(jìn)行分餾，依次得到石油氣-汽油-煤油-輕、重柴油-渣油原油的蒸餾（Distillation）蒸餾塔瀝青潤滑油柴油煤油汽油石油氣原油2022/7/24發(fā)動(dòng)機(jī)原理7C原子數(shù) 沸點(diǎn) 品種 相對(duì)分子質(zhì)量 理化性質(zhì)的變化趨勢(shì) 質(zhì)量 揮發(fā)性 粘度 化學(xué)安定性 自燃性 點(diǎn)燃性 C1-C4 常溫 石油氣 16-58 輕 易 小 好 難 易 C4-C12 40-210 汽油 95-120 C11-C19 180-300 煤油 100-180 C16-C23 250-360 輕、重柴油 180-200 C23以上 360以上 渣油 2

4、20-280 重 難 大 差 易 難 第二節(jié) 燃料的使用特性汽油、柴油不是單一成分和結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，都是由幾百種有機(jī)物組成的混合物。最初使用的汽油、柴油是原油直餾時(shí)不同分餾段的產(chǎn)物。近代汽油、柴油中，直餾成分已占到很少的比例。為了提高燃料的使用特性，汽油、柴油中都加入了大量的熱裂解、催化裂解和加氫裂解的產(chǎn)物。同時(shí)，還有改善各種性能的添加劑。可見，近代汽油、柴油是工藝復(fù)雜的高技術(shù)產(chǎn)品。 圖32 燃料蒸餾曲線1輕柴油； 2煤油； 3車用汽油； 4航空汽油一、汽油的性能1.辛烷值 在汽油機(jī)燃燒過程中，由于壓縮比及氣缸內(nèi)氣體溫度的升高，可能出現(xiàn)一種不正常的燃燒現(xiàn)象，稱為爆燃。影響汽油機(jī)爆燃的關(guān)鍵因素之一是

5、燃料的品質(zhì)。辛烷值是用來表征汽油抗爆性的一項(xiàng)指標(biāo)。汽油的辛烷值越高，抗爆震能力越強(qiáng)。國產(chǎn)汽油就是用辛烷值來標(biāo)號(hào)的。為了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加劑四乙鉛Pb(C2H5)4和溴化乙烷（C2H4Br2）組成的混合物，由于四乙鉛有毒，現(xiàn)已禁止使用2022/7/24發(fā)動(dòng)機(jī)原理10測(cè)量燃料的辛烷值是在專門的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的。測(cè)定時(shí)，用容易爆震的正庚烷C7H16（辛烷值定為0)和抗爆性好的異辛烷C8H18（其辛烷值定為100）的混合液與被測(cè)定的汽油作比較。當(dāng)混合液與被測(cè)汽油在專用的發(fā)動(dòng)機(jī)上的抗爆程度相同時(shí)，則混合液中異辛烷含量的體積百分?jǐn)?shù)就是被測(cè)定汽油的辛烷值。CCCCCCCHHHHHHHHHHH

6、HHHHH異辛烷Iso-OctaneC8H18 Octane number 100辛烷值100正庚烷n-HeptaneC7H16 Octane number 0辛烷值0CCCCCHHHHHHHHH測(cè)量燃料辛烷值的CFR發(fā)動(dòng)機(jī)辛烷值的測(cè)定方法:馬達(dá)法與研究法。馬達(dá)法規(guī)定的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速及進(jìn)氣溫度比研究法高，所以用馬達(dá)法測(cè)定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（RON）低。 國產(chǎn)汽油是以辛烷值（研究法）來標(biāo)號(hào)的 市面上常見的汽油標(biāo)號(hào)：90、93、97 92 95 98 北京2012年5月，實(shí)行了新的汽油標(biāo)號(hào) 京V標(biāo)準(zhǔn)將硫含量指標(biāo)限值由50mg/kg降低為10mg/kg，將車用汽油的錳含量指標(biāo)限值由0.006

7、g/L降低為0.002g/L。同時(shí)根據(jù)汽油辛烷值的變化，京V標(biāo)準(zhǔn)汽油牌號(hào)由90號(hào)、93號(hào)、97號(hào)分別調(diào)整為89號(hào)、92號(hào)、95號(hào)。 研究法的數(shù)值比馬達(dá)法要高出8-10單位 用下面這個(gè)公式可以換算：馬達(dá)法辛烷值=研究法辛烷值0.8+10美國認(rèn)為用辛烷值指數(shù)ONI，即（RONMON）2來表征在各種道路行駛（工作情況）時(shí)的抗爆性能，并將汽油按ONI分為85、87、89、91、93、95、97共七個(gè)等級(jí) 2.餾程 汽油餾出溫度的范圍稱為餾程。餾程是用來評(píng)價(jià)汽油蒸發(fā)性的一項(xiàng)指標(biāo)。 為了評(píng)價(jià)汽油的揮發(fā)性，常以10、50和90的餾出溫度作為幾個(gè)有代表意義的點(diǎn)。 （1）10的餾出溫度 （70） 汽油餾出10的

8、溫度標(biāo)志著它的起動(dòng)性。 餾出10的溫度低，說明發(fā)動(dòng)機(jī)使用這種燃料時(shí)，容易冷車起動(dòng)。但是此溫度過低，就會(huì)使管路輸送中的汽油，受到發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高部位的加熱而變成蒸氣，在管路中形成“氣阻”，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)斷火，影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）50的餾出溫度 （120） 汽油餾出50的溫度標(biāo)志著它的平均蒸發(fā)性。此溫度高低直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的暖車時(shí)間、加速性以及工作穩(wěn)定性。此溫度較低，說明這種汽油的揮發(fā)性較好，在較低溫度下可以有大量的燃料揮發(fā)而與空氣混合，這樣可以縮短暖車時(shí)間，而且從較低負(fù)荷向較高負(fù)荷過渡時(shí)，能夠及時(shí)供應(yīng)所需的混合氣。（3）90的餾出溫度 （190） 汽油餾出90的溫度標(biāo)志著它的含有難于揮發(fā)的重質(zhì)成分的

9、數(shù)量。此溫度低，燃料中所含的重質(zhì)成分少，進(jìn)入氣缸中能夠完全揮發(fā)，有利于燃燒過程的進(jìn)行。此溫度過高，燃料中含有較多的重質(zhì)成分，在氣缸中不易揮發(fā)而附著在氣缸壁上，燃燒容易形成積炭；或者沿著氣缸壁流入油底殼，稀釋機(jī)油，破壞軸承部位的潤滑。二、柴油的性能 柴油分為輕柴油和重柴油。高速柴油機(jī)中使用輕柴油，中、低速柴油機(jī)中使用重柴油。車用柴油機(jī)中主要使用輕柴油。 凝點(diǎn)是指柴油失去流動(dòng)性開始凝結(jié)的溫度。輕柴油的牌號(hào)按凝點(diǎn)不同分為10號(hào)、0號(hào)、10號(hào)、20號(hào)、35號(hào)、50號(hào)六級(jí)，其凝點(diǎn)分別不高于10、0、10、20、35、50。選用柴油時(shí)，應(yīng)按最低環(huán)境溫度高出凝點(diǎn)5以上，即20號(hào)柴油適用于最低環(huán)境溫度為15的

10、場(chǎng)合。 對(duì)于車用輕柴油，影響柴油機(jī)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)主要有以下一些： 1十六烷值 十六烷值就是評(píng)定柴油自燃性好壞的一項(xiàng)指標(biāo)。它與發(fā)動(dòng)機(jī)的粗暴性及起動(dòng)性均有密切關(guān)系。 對(duì)于自燃性好的燃料，著火延遲期短，在著火延遲期內(nèi)，氣缸中形成的混合氣少，著火后壓力升高速度低，工作柔和，冷起動(dòng)性能亦隨之改善。 測(cè)定柴油的十六烷值，采用由十六烷和甲基萘混合制成的混合液。十六烷容易自燃，規(guī)定它的十六烷值為100，a甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定為0。十六烷值CetaneC16H34HCCHHHH. . . . . . .HCCHHHHCetane numberCN = 100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3

11、Cetane numberCN = 0a甲基萘a MethylnaphtaleneC11H10十六烷-甲基苯容易自燃最不容易自燃十六烷值為100十六烷值為0待測(cè)柴油所配置混合液自燃性十六烷的體積百分比十六烷值測(cè)量燃料十六烷值的CFR發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)被測(cè)定柴油的自燃性與所配制的混合液的自燃性相同時(shí)，則混合液中十六烷的體積百分?jǐn)?shù)就定為該種柴油的十六烷值。國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定在40-50之間2022/7/24發(fā)動(dòng)機(jī)原理192、餾程 表示柴油的蒸發(fā)性，用燃油餾出某一百分比的溫度范圍來表示，與燃燒完善程度及起動(dòng)性能有密切關(guān)系燃料餾出50%的溫度（300） 此溫度低，說明這種燃料輕餾分多、蒸發(fā)快，有利于混合氣形

12、成。90%和95%餾出溫度（355， 365） 標(biāo)志柴油中所含難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如果重餾分過多，在高速柴油機(jī)中來不及蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒不容易及時(shí)和完全。 車用高速柴油機(jī)使用輕餾分柴油，但餾分太輕也不好，因?yàn)檩p質(zhì)燃料容易蒸發(fā)，在著火前形成大量油氣混合氣，一旦著火壓力猛增，將使柴油機(jī)工作粗暴。 3、 粘度 是燃料流動(dòng)性的尺度，是表示燃料內(nèi)部摩擦力的物理特性。影響燃料噴射霧化的質(zhì)量。 當(dāng)其它條件相同時(shí)，粘度越大，霧化后油滴的平均直徑也越大使燃油和空氣混合不均勻，燃燒不及時(shí)或不完全，燃油消耗率增加，排氣帶煙。粘度霧化油滴平均直徑燃燒不及時(shí)或不完全燃油消耗率增加，排氣帶煙噴油泵柱塞、噴油器

13、的噴針都是靠燃油潤滑，所以柴油應(yīng)具有一定的粘度。一般輕柴油的運(yùn)動(dòng)粘度在20時(shí)為（2.58）10-6m2/s。 2022/7/24發(fā)動(dòng)機(jī)原理21 三、汽油、柴油性能差異對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響 混合氣形成上的差異 著火上的差異 燃燒上的差異汽油機(jī)汽油揮發(fā)性強(qiáng)，能在較低溫度下以較充裕的時(shí)間在氣缸外部進(jìn)氣管中形成均勻的混合氣，控制混合氣的數(shù)量便能調(diào)節(jié)汽油機(jī)的功率，是量調(diào)節(jié) 汽油自燃溫度較高，適宜外源點(diǎn)火 防止自燃，促使其有規(guī)律的燃燒，混合氣均勻，著火后，以火焰?zhèn)鞑サ姆绞较蚓鶆虻幕旌蠚庹归_ 柴油機(jī)柴油蒸發(fā)性差，但粘性好，適宜用油泵油嘴向氣缸內(nèi)部噴油，靠調(diào)節(jié)供油量來調(diào)節(jié)負(fù)荷，吸入的空氣量基本不變，是質(zhì)調(diào)節(jié) 柴油化

14、學(xué)安定性差，易自燃，采用壓燃的方式 柴油噴射及與空氣的混合，既短暫又不均勻，常有隨噴隨燒的現(xiàn)象，燃燒時(shí)間延長 2022/7/24發(fā)動(dòng)機(jī)原理22 歸納（汽油、柴油性能差異對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響） 混合氣形成上的差異 著火上的差異 燃燒上的差異汽油機(jī)1、外部形成2、均勻混合氣3、 過量空氣系數(shù)比較小4、量調(diào)節(jié)（負(fù)荷）1、外源點(diǎn)火2、單火源發(fā)火1、以火焰?zhèn)鞑シ绞綖橹?、接近等容燃燒柴油機(jī)1、內(nèi)部形成2、非均勻混合氣3、過量空氣系數(shù)比較大4、質(zhì)調(diào)節(jié)（負(fù)荷）1、自行著火2、多火源著火1、以擴(kuò)散燃燒方式為主2、接近先等容后等壓燃燒2022/7/24發(fā)動(dòng)機(jī)原理23第三節(jié) 燃燒熱化學(xué) 內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的過程

15、，為了給車用發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)及調(diào)試提供依據(jù)，需要進(jìn)行燃燒熱化學(xué)的分析。燃料的燃燒，本質(zhì)上是燃料中的碳、氫元素與空氣中的氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)的放熱過程。對(duì)于已知的燃料，各元素的含量易于測(cè)得，而空氣中氧和氮的比例又是固定的，因此，按照完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)式，可以求出燃料燃燒的基本關(guān)系。一、燃料完全燃燒所需的理論空氣量 組成發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的主要元素是碳（C）、氫（H）、氧（O），其它元素含量很少，計(jì)算時(shí)可略去不計(jì)。 設(shè)1kg燃料中各元素的質(zhì)量組成為： gC+gH+gO=1 式中：gC、gH、gO分別為1kg燃料的C、H、O的質(zhì)量?？諝庵械闹饕厥茄酰∣）和氮（N）。按體積計(jì)（即按物質(zhì)的量計(jì)），O2約占21，N

16、2約占79；按質(zhì)量計(jì)，O2約占23，N2約占77。 燃油中的C、H完全燃燒，其化學(xué)反應(yīng)方程式分別是： 按照化學(xué)反應(yīng)的當(dāng)量關(guān)系，可求出1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量標(biāo)準(zhǔn)狀況下以體積表示的理論空氣量為：可得：汽油的理論空氣量為14.8（kg/kg）， 柴油的理論空氣量為14.5(kg/kg)。二、過量空氣系數(shù)a 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，燃燒1kg燃料實(shí)際提供的空氣量L與理論上所需空氣量L0之比，稱為過量空氣系數(shù)a。 a是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的一個(gè)重要參數(shù)。過量空氣系數(shù)a值的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)類型、混合氣形成的方法、燃料的種類、工況（負(fù)荷與轉(zhuǎn)速）、功率調(diào)節(jié)的方法等因素有關(guān)。對(duì)于進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)，由于燃燒時(shí)用的是

17、預(yù)先混合好的均勻混合氣，過量空氣系數(shù)只在狹小的范圍內(nèi)變化（a0.81.2）。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，a略有變化。對(duì)于柴油機(jī)，其負(fù)荷是靠質(zhì)調(diào)節(jié)的（即混合氣濃度調(diào)節(jié)），a的變化范圍很大。由于混合氣形成不均勻，所以a總是大于1的。一般車用高速柴油機(jī)，a1.21.6；增壓柴油機(jī)，a1.82.2。 圖33 a隨負(fù)荷的變化關(guān)系除了用a表示混合氣的濃度以外，也可用燃燒時(shí)空氣量與燃料量的比例，即空燃比來表示的： 對(duì)于汽油，理論上完全燃燒時(shí)（a1）的空燃比=14.8。對(duì)于柴油機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，進(jìn)入缸內(nèi)的空氣量基本保持不變，空燃比的大小取決于供油量的多少（質(zhì)調(diào)節(jié)）。當(dāng)a = 1 ，即按理論空氣量燃燒時(shí)，該空燃比稱為理論空燃

18、比。汽油和柴油的理論空燃比分別為14.8和14.5 。混合氣的空燃比大于理論空燃比時(shí)為稀混合氣，小于理論空燃比時(shí)為濃混合氣。 三、 a1時(shí)完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量 考慮內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的復(fù)雜性，為保證燃油的充分燃燒，提高燃燒的熱效率，一般情況，供給氣缸的空氣量總是大于理論空氣量，因此，過量空氣系數(shù)a1。 1.燃燒前混合氣的數(shù)量 對(duì)于汽油機(jī)，燃燒前新鮮混合氣由空氣和燃料蒸氣組成，若燃料相對(duì)分子質(zhì)量為MrT,則1kg燃料形成的混合氣量（kmol/kg燃料）是： 對(duì)于柴油機(jī)是在壓縮終點(diǎn)向氣缸內(nèi)噴人液體狀態(tài)的燃料，體積不及空氣體積的1/10000，可忽略不計(jì)，認(rèn)為燃燒前的工質(zhì)是空氣M(kmol/kg燃料)2.

19、燃燒后燃燒產(chǎn)物的數(shù)量 在a1的情況下，完全燃燒的產(chǎn)物是由CO2、H2O、剩余的O2及未參與反應(yīng)的N2組成，即根據(jù)前面的化學(xué)反應(yīng)方程式，很方便地求出M2（kmol/kg燃料）四、燃燒熱值與混合氣熱值 1.燃燒熱值 燃料的熱值指1kg燃料完全燃燒所放出的熱量。 汽油的燃料低熱值為44000kJ/kg， 輕柴油的燃料低熱值為42500kJ/kg。（指未計(jì)入水的汽化潛熱 ）2. 混合氣熱值 當(dāng)氣缸工作容積和進(jìn)氣條件一定時(shí)，每循環(huán)加給工質(zhì)的熱量取決于單位體積可燃混合氣的熱值，而不是決定于燃料的熱值。可燃混合氣的熱值以kJ/kmol或kJ/m3（標(biāo)準(zhǔn)）計(jì)。1kg燃料形成可燃混合氣的數(shù)量為M1，它所產(chǎn)生的熱

20、量是燃料的低熱值hu。因此，單位數(shù)量可燃混合氣的熱值（kJ/kmol）是 M1隨過量空氣系數(shù)a而變化，當(dāng)a1時(shí)，燃料與空氣所形成的可燃混合氣熱值稱為理論混合氣熱值。汽油在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論混合氣熱值為3750kJ/m3，輕柴油在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論混合氣熱值也為3750kJ/m3 第四節(jié) 燃燒的基本知識(shí)燃燒過程的完善程度很大程度上決定于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能的優(yōu)劣。汽油與柴油都屬于多種碳?xì)浠衔铮N）的混合物，由于它們的相對(duì)分子質(zhì)量與分子結(jié)構(gòu)不一樣，在物理化學(xué)性質(zhì)上有差異，因而，在發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣形成、著火與燃燒等方面引起許多質(zhì)的不同。一、燃燒現(xiàn)象 燃燒是一種放熱的氧化反應(yīng)，一個(gè)完整的燃燒過程包括著火和燃燒兩

21、部分。所謂著火，是指可燃混合氣在一定的壓力、溫度、濃度的條件下，氧化反應(yīng)自動(dòng)地加速，并產(chǎn)生溫升，以致引起火焰出現(xiàn)的現(xiàn)象。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的著火過程的解釋，目前有兩種理論：熱著火理論和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論。所謂燃燒，是指可燃混合氣中的燃料與空氣中的氧化劑進(jìn)行劇烈放熱的氧化反應(yīng)過程。燃燒實(shí)際上是火焰?zhèn)鞑ァU(kuò)散的混合過程，這一過程中往往伴有復(fù)雜的傳熱、流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。熱著火理論 熱著火理論認(rèn)為，燃料燃燒的原因在于熱量的積累。因此，具有適當(dāng)溫度、壓力的可燃混合氣，在沒有外部能量引入的情況下，依靠混合氣自身的反應(yīng)自動(dòng)加速，就能自發(fā)地引起火焰的過程。這也就是我們?cè)诓裼蜋C(jī)壓縮燃燒過程中的自燃現(xiàn)象。 熱著火理論從簡(jiǎn)單化

22、合物反應(yīng)中兩個(gè)活性分子相互碰撞的機(jī)理出發(fā)，導(dǎo)出反應(yīng)放出熱量的速度與溫度成指數(shù)關(guān)系，而系統(tǒng)向環(huán)境散熱的速度與溫度是一個(gè)線性關(guān)系。在著火過程中，只有當(dāng)放熱速率dq1/dt散熱速率dq2/dt的時(shí)候，有了熱量積累，才可能著火。如圖34所示，存在下列三種可能性：1）dq1/dtdq2/dt時(shí)，必然著火，如圖中散熱速率線明顯低于dq1/dt。2）dq1/dt與dq2/dt相切時(shí)，存在臨界著火條件，TC稱為臨界溫度，見圖中散熱速率線。3）dq1/dtdq2/dt時(shí)，不可能著火，見圖中散熱速率線。 因此，著火的臨界條件應(yīng)當(dāng)是，反應(yīng)放熱曲線與散熱曲線相切。反之，如果達(dá)不到這一條件，便不能著火。 影響燃料著火的

23、因素有： 1）著火溫度 著火溫度不僅與可燃混合氣的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、壓力、容器形狀及散熱情況等有關(guān)。即使同一種燃料，因條件不同，著火溫度也可能不同。 2）臨界壓力和溫度 如圖3-5所示，臨界壓力和溫度明顯地影響到著火區(qū)域。在低壓時(shí)，要求很高的著火溫度，反之也是一樣。 3）可燃混合物的濃度 如圖3-6所示，存在著一個(gè)有關(guān)可燃混合物著火的百分比濃度上限（富油極限）與下限（貧油極限）。隨著溫度、壓力升高，著火的濃度界限有所加寬；但溫度、壓力上升得再高，著火界限的加寬也是很有限的。另一方面，當(dāng)溫度、壓力過低（低于臨界值），則無論在什么濃度下均不能著火。2. 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論 熱著火理論是建

24、立在分子碰撞理論基礎(chǔ)上的，并不能解釋所有著火現(xiàn)象。試驗(yàn)表明烴燃料的著火區(qū)域在低溫、低壓區(qū)，表現(xiàn)出與高溫完全不同的著火規(guī)律性。鏈?zhǔn)街鹄碚撜J(rèn)為，高溫并不是引起著火的唯一原因，只要以某種方式（如輻射、電離）激發(fā)出活性中心，然后通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就能引起著火。 由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)燃料，大部分都是由單烴組成的混合物，因此，首先，對(duì)烴的氧化反應(yīng)來加以了解。 烴的氧化反應(yīng)，可以寫成 烴的氧化反應(yīng)進(jìn)行的非?？?，根據(jù)鏈鎖反應(yīng)的機(jī)理，它可以分為鏈引發(fā)、鏈傳播及鏈中斷等三個(gè)階段。所謂鏈引發(fā)，就是反應(yīng)物分子受到某種因素激發(fā)（如受熱裂解、受光輻射），分解成為自由原子或自由基，這種自由原子或自由基（如H、O、OH等等）具

25、有很強(qiáng)的反應(yīng)能力，成為反應(yīng)中的活性中心，使新的化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行。所謂鏈傳播，就是指已生成的自由原子或自由基繼續(xù)與反應(yīng)物作用，一方面將反應(yīng)推進(jìn)一步，另一方面同時(shí)生成新的自由原子或自由基。 1）如果在每一步中間反應(yīng)中，都是由一個(gè)活性中心與反應(yīng)物作用產(chǎn)生一個(gè)新的活性中心，整個(gè)反應(yīng)以恒定速度進(jìn)行，這樣的反應(yīng)稱為直鏈反應(yīng)。 2）如果由一個(gè)活性中心引起的反應(yīng)，同時(shí)生成兩個(gè)以上的活性中心，這時(shí)，鏈就發(fā)生了分支，反應(yīng)速度將急劇地增長，這種反應(yīng)稱為支鏈反應(yīng)。 不少烴的氧化反應(yīng)是先通過直鏈反應(yīng)，生成一個(gè)新的活性中心和某種過氧化物或高級(jí)醛的中間產(chǎn)物，然后再由過氧化物或高級(jí)醛引起新的支鏈反應(yīng)。所謂鏈中斷，就是指在鏈鎖

26、反應(yīng)中，可能由于具有很大反應(yīng)能力的自由原子或自由基與容器壁面或惰性氣體分子碰撞，使反應(yīng)能力減小，不再引致反應(yīng)。每一次鏈的中斷都會(huì)引起總體反應(yīng)速度減慢，以及減少反應(yīng)繼續(xù)發(fā)展的可能性，在某些不利的場(chǎng)合下還可以使反應(yīng)完全停止。2022/7/24發(fā)動(dòng)機(jī)原理41例如：氫的燃燒化學(xué)方程：2H2+O22H2O實(shí)際過程是：鏈引發(fā)：H2 2H鏈傳播(鏈爆炸)：H+O2 OH+O O+H2OH+H 2OH+H2 2H2O+2H鏈中斷：H+H+M H2+M（M是惰性氣體分子） H+OH+M H2O+M H+O+M OH+M混合氣的著火往往不是單一機(jī)理進(jìn)行，二者機(jī)理同時(shí)存在相互促進(jìn)。一般說，在高溫下以熱爆炸為主，在低

27、溫下以鏈爆炸為主。 大量的試驗(yàn)研究表明，烴類燃料的氧化反應(yīng)過程中，存在著高溫和低溫條件下的不同的著火規(guī)律，如圖37所示。（1）低溫多階段著火 這種在低溫下特殊的著火規(guī)律，實(shí)際上就是退化支鏈反應(yīng)引起的一種現(xiàn)象，通常稱為“著火半島”。通過光譜分析發(fā)現(xiàn)，烴燃料低溫下著火需經(jīng)歷三個(gè)階段：冷焰誘導(dǎo)階段（1）、冷焰（2）、藍(lán)焰（3）（圖38）。圖38 烴燃料的低溫多階段著火過程 （2）高溫單階段著火 在較高溫度下，著火過程不經(jīng)過冷焰而直接進(jìn)入藍(lán)焰熱焰階段。由于這兩個(gè)階段很短，也很難區(qū)分，所以統(tǒng)稱為高溫單階段著火。 柴油機(jī)的壓縮著火和汽油機(jī)的爆燃具有低溫多階段著火的特點(diǎn)；而汽油機(jī)的火花點(diǎn)燃和柴油機(jī)著火后噴入

28、氣缸內(nèi)的燃料著火具有高溫單階段著火的特性。 應(yīng)該指出的是，內(nèi)燃機(jī)的著火過程是非常復(fù)雜的，有的資料上提出“鏈?zhǔn)綗崃χ稹钡恼f法，即開始是鏈反應(yīng)，當(dāng)熱量積累到一定程度后，按熱著火過程進(jìn)行。 二、在預(yù)混氣體中的火花點(diǎn)燃與火焰?zhèn)鞑?汽油機(jī)中的可燃混合氣，在著火前經(jīng)過化油器（或進(jìn)氣道汽油噴射霧化）、進(jìn)氣管、缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)等環(huán)節(jié)，燃料蒸氣和空氣的濃度已達(dá)到十分均勻的程度，成為以一定比例預(yù)先混合好的預(yù)混氣體。它的點(diǎn)燃，是利用電火花在可燃混合氣中產(chǎn)生火焰核心并因而引起火焰?zhèn)鞑サ倪^程。火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮∪Q于預(yù)混合氣體的物理化學(xué)性質(zhì)、熱力狀態(tài)以及氣體的流動(dòng)狀況。1. 火花點(diǎn)燃 火花點(diǎn)燃過程是一極短的瞬間過程。在火

29、花點(diǎn)火以后，靠火花提供的能量，不僅使局部混合氣溫度進(jìn)一步升高，而且引起了火花附近的混合氣電離，形成活性中心，出現(xiàn)了明顯發(fā)熱、發(fā)光的小區(qū)域，這就是火焰核。 正因?yàn)榛鹧婧说男纬?，是局部混合氣吸收電火花能量后，?jīng)化學(xué)反應(yīng)過程的累積所致，所以這部分混合氣的組成和吸收火花能量情況的不同，以及氣流擾動(dòng)對(duì)火焰核的干擾，使火焰核形成所用的時(shí)間不同。造成在實(shí)際汽油機(jī)的同一氣缸中，連續(xù)諸循環(huán)的情況不可能完全一致，因而產(chǎn)生了燃燒的循環(huán)變動(dòng)。這種燃燒不穩(wěn)定的情況，在汽油機(jī)低負(fù)荷及在稀薄混合氣中尤為突出。2. 火焰?zhèn)鞑?火花點(diǎn)燃過程中形成的火焰核，順序點(diǎn)燃周圍的混合氣，火焰范圍逐漸擴(kuò)大，并伴隨著熱量的釋放，稱為燃燒現(xiàn)象

30、的火焰?zhèn)鞑?。根?jù)氣體流動(dòng)的狀況，火焰?zhèn)鞑シ绞娇煞譃閷恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ヅc湍流火焰?zhèn)鞑ァ?）層流火焰?zhèn)鞑?在預(yù)燃?xì)怏w靜止或流速很低的狀態(tài)下，用電火花點(diǎn)燃混合氣而局部著火后，火焰就會(huì)向四周傳播開來，形成一個(gè)球狀的火焰面，稱為火焰前鋒面。 p-預(yù)熱區(qū) c-化學(xué)反應(yīng)區(qū) 火焰面溫度與濃度的變化，在火焰面內(nèi)出現(xiàn)了一定的溫度梯度與濃度梯度，造成火焰在空間的移動(dòng)。 圖3-10 放大的火焰前鋒面的構(gòu)造 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葀L 很低，受到預(yù)混氣體理化性質(zhì)的影響，其中，a影響很大。試驗(yàn)表明（圖3-11），在過量空氣系數(shù) a0.80.9時(shí)，反應(yīng)溫度最高，vL最大；如果a1，vL下降10；a1.1，vL下降15；當(dāng)混合氣成分過稀

31、或過濃，則反應(yīng)溫度均過低，不能維持火焰?zhèn)鞑ァ?圖3-11 a對(duì)vL的影響 2）湍流火焰?zhèn)鞑?層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群艿?，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的要求。由于氣流的湍流運(yùn)動(dòng)可以大大加速火焰?zhèn)鞑ニ俣?，因此，?shí)際汽油機(jī)中的火焰?zhèn)鞑ナ且酝牧骰鹧娣绞竭M(jìn)行的，此時(shí)vT2070m/s。 所謂湍流，是粘性氣流由于壁面邊界的阻礙作用，或者外部擾動(dòng)，在傳播過程中進(jìn)行的無規(guī)則的脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 湍流的變化在空間上與時(shí)間上呈現(xiàn)出無秩序性，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是微元?dú)怏w變化的隨機(jī)性，二是整體上表現(xiàn)出符合力學(xué)規(guī)律的確定性。 湍流運(yùn)動(dòng)的變化常用以下參數(shù)決定：（1）湍流尺度 它可分為宏觀湍流與微觀湍流兩種，湍流的力學(xué)性質(zhì)主要由宏觀湍

32、流決定，湍流在粘性的影響下能量轉(zhuǎn)化為熱而消失則由微觀湍流決定。（2）湍流強(qiáng)度 它對(duì)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懞艽?，與湍流的能量有關(guān)，常用雷諾數(shù)（脈動(dòng)速度的均方根）來表示。 湍流運(yùn)動(dòng)能強(qiáng)化燃燒，加快火焰?zhèn)鞑?。原因如下?1）宏觀湍流使層流火焰前鋒變得彎曲，產(chǎn)生皺折，從而增大了燃燒的表面積。 2）微觀湍流加強(qiáng)了火焰的傳熱與傳質(zhì)，在通過預(yù)熱區(qū)與反應(yīng)區(qū)的熱量及活性分子增多的情況下，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌臁?3）雷諾數(shù)Re的增大，使湍流強(qiáng)度提高。當(dāng)Re2300時(shí)，火焰?zhèn)鞑ト詾閷恿骰鹧鎮(zhèn)鞑バ问?，火焰前鋒面薄且圓滑，速度vL較低。當(dāng)Re23006000時(shí)，變?yōu)橥牧骰鹧?，其前鋒面變厚且出現(xiàn)皺折，vT較vL有明顯增長。在R

33、e6000后，轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)湍流火焰，湍流強(qiáng)度得到很大提高，前鋒火焰表面皺折破裂，已燃與未燃?xì)怏w迅速混合，燃燒放熱率提高。圖3-12 Re對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?混合氣的湍流程度的提高，能有效地改善汽油機(jī)的燃燒過程。三、噴射燃料的霧化與擴(kuò)散燃燒 柴油的燃燒要經(jīng)歷高壓噴射、霧化、混合、壓縮著火以及擴(kuò)散燃燒幾個(gè)階段，噴霧狀態(tài)的好壞對(duì)燃燒過程有重要的影響。 1. 噴射燃料的霧化 由于柴油的蒸發(fā)性能比汽油差，因此，只能采用噴射與霧化的方法，將燃料在與空氣混合前先粉碎成許多細(xì)小油滴（這些霧狀油滴的集合體通常稱為噴霧），以擴(kuò)大燃料蒸發(fā)的表面積。 燃油霧化質(zhì)量主要受到油束射程（也稱貫穿距離），噴霧錐角和液滴平均直徑

34、等的影響。油束要有足夠的貫穿力，穿透火焰到達(dá)周圍的空氣區(qū)。貫穿率是常用參數(shù)之一。貫穿率是指油束的貫穿距離與噴孔至燃燒室壁面的距離的比值。對(duì)直噴式柴油機(jī)，貫穿率一般小于1，以避免燃油噴到壁面上；在強(qiáng)渦流時(shí)，貫穿率大于等于1，以確保噴射的油束能到達(dá)壁面附近。近年來出現(xiàn)的撞擊噴霧，貫穿率要大于1。噴霧錐角過大，油束射程會(huì)減小；而過小，霧化程度又會(huì)變差。液滴平均直徑越小，油粒與周圍空氣混合程度越好，可以加速燃料的吸熱和氣化，為燃燒過程的組織提供良好的前提條件。 2. 油滴的蒸發(fā)與燃燒 1）單個(gè)油滴的蒸發(fā)與燃燒 燃燒室內(nèi)的一顆靜止的油滴，在高溫高壓介質(zhì)作用下，經(jīng)歷如圖313所示的蒸發(fā)與燃燒過程。單個(gè)油滴

35、受到周圍高溫高壓空氣的加熱，油滴表面被蒸發(fā)氣化，與空氣混合形成可燃混合氣。單個(gè)油滴的蒸發(fā)與燃燒模型 r0-油滴半徑 rf-火焰半徑 T0-油滴表面溫度 Tf-火焰溫度 T-空氣溫度Co-氧含量 CFI-油蒸汽含量 -到油滴中心的距離著火首先在混合氣濃度適宜的位置發(fā)生，并在油滴周圍形成一層球狀的燃燒區(qū)，即火焰鋒面。此后，燃油蒸氣不斷自油滴表面向外擴(kuò)散，火焰面外的氧氣不斷從四周向火焰面擴(kuò)散，在火焰面上進(jìn)行混合燃燒，使燃油濃度Cf1和氧氣濃度Co均變?yōu)榱?，而溫度達(dá)到最高。高溫燃燒產(chǎn)物和熱量向火焰面兩側(cè)擴(kuò)散，油滴受到火焰面?zhèn)鱽淼臒崃?，加速進(jìn)行蒸發(fā)汽化。因此，油滴的擴(kuò)散燃燒速度，完全取決于燃油蒸氣和空氣

36、向火焰面的擴(kuò)散速度。 由于油滴和油蒸發(fā)區(qū)將火焰面形成的高溫氣體包圍起來，形成了高溫缺氧區(qū)域，易生成炭煙。 2）油束及油滴群的蒸發(fā)與燃燒實(shí)際的噴霧燃燒要比理想的單個(gè)油滴在無限氧空間中的蒸發(fā)與燃燒過程復(fù)雜得多。噴霧中的大小不等的油滴間相互存在著干擾，燃料的擴(kuò)散燃燒就成了油滴群的復(fù)雜燃燒現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)油滴粒徑在10m以下時(shí)，油滴在著火前均已完全蒸發(fā)，著火后可以觀察到的火焰面呈藍(lán)色的連續(xù)拋物面形狀，這同前述的預(yù)混合氣的火焰?zhèn)鞑ゾ哂邢嗤娜紵绞健．?dāng)油滴粒徑為2040m時(shí)，在連續(xù)的藍(lán)色火焰中可以看到白色與黃色的亮點(diǎn)，這表明每個(gè)油滴處獨(dú)立的擴(kuò)散燃燒和各油滴間的預(yù)混合燃燒同時(shí)存在。當(dāng)油滴粒徑在40m

37、以上時(shí)，火焰面已不連續(xù)了，各油滴獨(dú)立燃燒，以單油滴擴(kuò)散燃燒為主。實(shí)際的噴霧燃燒，是上述燃燒形式同時(shí)存在并且相互影響的。 油滴群的著火與在整個(gè)燃燒室內(nèi)油氣的宏觀空燃比例無關(guān)，因?yàn)橛偷稳涸诳臻g分布，形成了許許多多具有著火與燃燒條件的單個(gè)油滴，只要在油滴周圍存在著適合燃燒的空燃比區(qū)域，就能在一點(diǎn)或多點(diǎn)同時(shí)著火。它的穩(wěn)定燃燒范圍比預(yù)混合氣要廣泛得多。四、均質(zhì)充量壓縮著火燃燒 在往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中，除了傳統(tǒng)的火花點(diǎn)燃式（SI）燃燒和壓燃式（CI）燃燒外，還有第3種燃燒方式，即均質(zhì)充量壓縮著火(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)燃燒。在傳統(tǒng)的SI和CI

38、燃燒方式里，都存在著溫度分布和燃燒過程不均勻的特點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和低排放都是困難的。HCCI燃燒方式能降低氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)較高的熱效率。 均質(zhì)充量壓縮著火(HCCI)燃燒是一種全新的內(nèi)燃機(jī)燃燒概念，其基本特性是均質(zhì)混合氣的壓縮著火和低溫燃燒。HCCI方式綜合了傳統(tǒng)汽油機(jī)（均質(zhì)充量火花點(diǎn)燃）和柴油機(jī)（非均質(zhì)充量壓縮著火）燃燒方式的優(yōu)點(diǎn)：類似于傳統(tǒng)汽油機(jī)，使用均質(zhì)混合氣，因而避免了柴油機(jī)中濃的擴(kuò)散火焰，極大地降低了顆粒物排放；類似于柴油機(jī)，使用壓燃著火，缸內(nèi)均質(zhì)混合氣自燃，避免了汽油機(jī)中點(diǎn)火后產(chǎn)生的高溫火焰，降低了氮氧化物的排放。1. HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)

39、（1）超低的NOx和PM排放。 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷工況下的NOx排放相對(duì)于傳統(tǒng)柴油（汽油）機(jī)可降低95%98%。由于炭粒形成被抑制，PM排放非常低。（2）熱效率高。HCCI采用稀薄混合氣燃燒，在中、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)幾乎實(shí)現(xiàn)了等容燃燒，接近理想Otto循環(huán)，具有很高的放熱效率，此外，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)沒有局部高溫區(qū)，熱輻射損失減少，因此，HCCI部分負(fù)荷運(yùn)行具有比直噴柴油機(jī)更高的熱效率。（3）HCCI燃燒過程主要受燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制。其著火與燃料特性和缸內(nèi)熱氛圍條件密切相關(guān)。（4）HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍較窄。 其燃燒受到失火（混合氣過稀）和爆燃（混合氣過濃）的限制，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍變窄

40、。對(duì)于高十六烷值燃料，在高負(fù)荷工況下（混合氣濃度大）易發(fā)生爆燃。對(duì)于高辛烷值的燃料，由于HCCI燃燒為稀薄燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況下容易失火。 （5）HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)HC、CO排放偏高。導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之一是由于HCCI燃燒通常采用較稀的混合氣和較強(qiáng)的EGR，缸內(nèi)燃燒溫度較低；此外，在混合氣形成過程中，一部分燃料會(huì)進(jìn)入燃燒室縫隙中，最終導(dǎo)致HC和CO排放增加?？梢酝ㄟ^催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行后處理加以解決。2. HCCI的燃燒特點(diǎn) HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程是一種受化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的自燃過程，其特點(diǎn)是： （1）采用均質(zhì)混合氣?？諝夂腿加驮谶M(jìn)氣/或壓縮過程進(jìn)行預(yù)混合，在著火之前形成均質(zhì)的空氣/燃油混合氣。

41、 （2）采用壓縮點(diǎn)燃。在壓縮沖程中，混合氣溫度升高，達(dá)到自燃溫度而自燃，不需要任何點(diǎn)火系統(tǒng)。 （3）具有獨(dú)特的兩階段放熱特點(diǎn)。第一階段放熱是低溫化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，此時(shí)是冷焰、藍(lán)焰。在第一階段放熱與主放熱階段之間有一個(gè)很短的時(shí)間延遲。第二階段燃燒是多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行的，一旦開始著火，燃燒迅速且比較均勻，既沒有局部高溫區(qū)，也沒有明顯的火焰?zhèn)鞑?，因而NOx和炭粒的形成能夠被有效抑制。兩階段放熱現(xiàn)象的出現(xiàn)與燃料的辛烷值或十六烷值有關(guān)，使用低辛烷值或高十六烷值燃料很容易觀察到兩階段放熱過程。 （4）火焰?zhèn)鞑ゲ幻黠@。點(diǎn)燃式汽油機(jī)和壓燃式柴油機(jī)的燃燒都是擴(kuò)散燃燒過程，具有明顯的火焰?zhèn)鞑ミ^程，其中點(diǎn)燃式汽油機(jī)主要是利用熱擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，壓燃式柴油機(jī)的主要燃燒是依靠燃油蒸氣和氧氣的擴(kuò)散產(chǎn)生熱化學(xué)反應(yīng)