發(fā)動(dòng)機(jī)原理第三章

發(fā)動(dòng)機(jī)原理第三章第1頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

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(tài)，汽油、（煤油：用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)）、輕柴油、重柴油氣態(tài)，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(jié)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，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

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?xì)浠衔锏幕旌衔?，通式可表達(dá)為CnHm，通常稱為烴。碳原子數(shù)對燃料性能的影響隨C原子數(shù)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(diǎn)↑→揮發(fā)性↓＋粘度↑→高溫穩(wěn)定性↓＋點(diǎn)燃性↓＋自燃性↑→用于壓燃式燃燒（柴油機(jī)）

第3頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒§3-1燃料組成及特征

碳原子數(shù)對燃料性能的影響C原子數(shù)沸點(diǎn)品種分子量理論物質(zhì)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(diǎn)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，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒§3-1燃料組成及特征分子結(jié)構(gòu)對燃料性能影響A烷屬烴CnH2n+2①直鏈（正己烷）呈飽和的開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，常溫下化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，在高溫下易氧化，C結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，滯燃期較短，是柴油燃料的良好成分。②支鏈（異辛烷）支鏈?zhǔn)?，結(jié)構(gòu)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?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，有一個(gè)二價(jià)鍵，它比烷烴難于自行發(fā)火，抗爆性好，但常溫下化學(xué)安定性差，在長期儲存中易于氧化生成膠質(zhì)（裂解法煉油中存在）。第5頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒§3-1燃料組成及特征分子結(jié)構(gòu)對燃料性能影響C、炔烴CnH2n-2非飽和開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，有一個(gè)三價(jià)鏈。炔烴不存在于原油中，系熱裂化生產(chǎn)的中間產(chǎn)物。由于氫不飽和，所以很不穩(wěn)定。在常溫下易分解，儲存中因氧化而結(jié)膠。含炔烴多的產(chǎn)品不宜作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料D、環(huán)烷烴CnH2n飽和的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)，不易分裂，熱穩(wěn)定性和自發(fā)火的溫度均比直鏈烷烴為高。環(huán)烷烴多的燃油適宜作為汽油機(jī)燃料，不適宜作柴油機(jī)燃料，環(huán)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(jié)構(gòu)堅(jiān)固，熱穩(wěn)定性比環(huán)烷烴高，在高溫下分子不易破裂，化學(xué)安定性較前者為高，是良好的防爆劑。石油煉制中常使產(chǎn)品的芳香烴增多。

α-甲基萘是十六烷值為0的標(biāo)準(zhǔn)燃料。第6頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

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(jī)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)主要是（蒸發(fā)性（餾程）和抗爆性（辛烷值）等。1、餾程：蒸發(fā)性餾程：用餾出某一百分比燃油質(zhì)量的溫度范圍來表示。為了評價(jià)燃料的揮發(fā)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(gè)有代表意義的點(diǎn)。（1）10％餾出溫度(<75℃)標(biāo)志著它的起動(dòng)性。T10↓→燃料容易冷車起動(dòng)。但T10過低，在管路中輸送時(shí)受發(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”，使發(fā)動(dòng)機(jī)斷火，影響它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。第7頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒

§3-2燃料的使用特性（2）餾出50％的溫度

(<145℃)標(biāo)志著汽油的平均蒸發(fā)性。T50↓→

（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）↓→暖車時(shí)間↓

+加速性改善+工作穩(wěn)定性提高。（3）餾出90％的溫度(<195℃)T90標(biāo)志著燃料中難揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量。當(dāng)T90↓→

重質(zhì)成分↓→易揮發(fā)，利于燃燒。當(dāng)T90過高→重質(zhì)成分↑→不易揮發(fā)燃燒而附著在氣缸壁上→形成積碳或流入油底殼→稀釋機(jī)油破壞潤滑。第8頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

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(biāo)。爆震：在汽油機(jī)燃燒中，在火焰前鋒面未傳播到的情況下由于缸內(nèi)溫度（或局部溫度）過高而引起的末端混合氣自燃（瞬間同時(shí)燃燒），從而引起缸內(nèi)溫度、壓力急劇上升并伴隨特定敲缸聲（壓力波在缸內(nèi)的不斷反射）的不正常燃燒狀態(tài)。輕微爆震時(shí)由于燃燒迅速定容性提高，熱效率提高、動(dòng)力性提高。爆震過強(qiáng)時(shí)缸內(nèi)溫度、壓力急劇上升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷增加，潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)破壞從而引起可預(yù)見的重大破壞。現(xiàn)代汽油機(jī)中增設(shè)爆震傳感器，使發(fā)動(dòng)機(jī)在臨界爆震狀態(tài)燃燒。第9頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒辛烷值測定方法：在特殊的單缸試驗(yàn)機(jī)（CFR）上按規(guī)定的條件進(jìn)行。利用兩種標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)燃料，（其辛烷值即為異辛烷的體積百分?jǐn)?shù)）。在特定工況下調(diào)整壓縮比使被測燃料發(fā)生臨界爆震。找出與被測燃油相同具有抗爆性的標(biāo)準(zhǔn)燃料，則標(biāo)準(zhǔn)燃料的辛烷值即為被測定汽油的辛烷值。實(shí)驗(yàn)方法不同：馬達(dá)法試驗(yàn)值（MON）n=900r/min、進(jìn)氣加熱（條件苛刻），研究法試驗(yàn)值（RON）n=600r/min、進(jìn)氣不加熱。MON<RON。燃料敏感度=研究法試驗(yàn)值-馬達(dá)法試驗(yàn)值，表征了燃料對工況的敏感度。

通用評價(jià)抗爆性的指標(biāo)：

ONI（抗爆指數(shù)）＝(MON+RON)/2。目前所用汽油的牌號即為該值。辛烷值高低順序?yàn)橥闊N＜烯烴＜（炔烴）＜環(huán)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(qiáng)，目前已經(jīng)停用。提高汽油中芳香烴的含量，裂化調(diào)制。加調(diào)和劑（醚、醇）第10頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒二、柴油的使用特性（燃燒機(jī)理復(fù)雜，影響因素多，性能要求多）1、自燃性（發(fā)火性）的指標(biāo)——十六烷值十六烷值，是在特殊的單缸試驗(yàn)機(jī)上按規(guī)定的條件進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)燃料。當(dāng)被測定柴油的自燃性=標(biāo)準(zhǔn)燃料的自燃性時(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。十六烷值與發(fā)動(dòng)機(jī)的粗暴性及起動(dòng)性均有密切關(guān)系。十六烷值↑→自燃性好↑→著火延遲時(shí)期↓著火后△P/△φ↓

→工作柔和。冷起動(dòng)性能亦隨之改善。十六烷值過高→燃料分子量↑→蒸發(fā)性↓

粘度↑→排氣冒煙及bi↑。因此，國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定在40～50之間。

第11頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒二、柴油的使用特性（燃燒機(jī)理復(fù)雜，影響因素多，性能要求多）2、蒸發(fā)性——餾程：50％餾出溫度表征平均蒸發(fā)性，低蒸發(fā)性好，說明輕餾分多、蒸發(fā)快，有利于混合氣形成。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△P/△φ↑↑

，柴油機(jī)工作粗暴。90％和95％餾出溫度標(biāo)志難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如果重餾分過多，不僅蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒不容易及時(shí)和完全（補(bǔ)燃期變長，效率下降）。十六烷值必須與蒸發(fā)性相匹配。蒸發(fā)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(fā)性高則預(yù)混合燃燒量過高，機(jī)械負(fù)荷增加。

3、霧化性（燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)）—用粘度評價(jià)它影響柴油的噴霧質(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（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(shí)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(yīng)具有一定的粘度。一般輕柴油的運(yùn)動(dòng)粘度在20°C時(shí)為（2.5～8）.10－6m2／s。第12頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒二、柴油的使用特性（燃燒機(jī)理復(fù)雜，影響因素多，性能要求多）4、流動(dòng)性——凝點(diǎn)：指柴油失去流動(dòng)性開始凝結(jié)的溫度。T↓

→柴油中高分子烷烴和水分析出結(jié)晶、混濁（濁點(diǎn)）→失去流動(dòng)性→凝結(jié)。凝點(diǎn)越低越不容易失去流動(dòng)性。我國生產(chǎn)的輕柴油規(guī)格，按凝點(diǎn)分為10#、0#、-10#、-20#、-35#五級。冷凝點(diǎn)，供油系統(tǒng)中每分鐘流出的燃油量小于等于20ml所對應(yīng)的溫度，比凝點(diǎn)高5-7°C。 按照當(dāng)?shù)禺?dāng)月10％風(fēng)險(xiǎn)率的最低氣溫選擇柴油。其它指標(biāo)：含S量、灰分、水分、閃點(diǎn)、膠質(zhì)等（見P46表3-3）

第13頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒§3-3燃燒熱化學(xué)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(shè)1kg燃料中C、H、O的質(zhì)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(xué)反應(yīng)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(jì)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，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒§3-3燃燒熱化學(xué)二、過量空氣系數(shù)：實(shí)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(shù)汽油機(jī)（α=0.8～1.2，起動(dòng)時(shí)過量空氣系數(shù)僅為0.2-0.4）柴油機(jī)負(fù)荷是靠質(zhì)調(diào)節(jié)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(jī)，α=1.2～1.6；增壓柴油機(jī)，α=1.8～2.2空燃比：A／F=汽油：α=1時(shí)，A/F=14.9；柴油：α=1時(shí)，A/F=14.3第15頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒§3-3燃燒熱化學(xué)三、α

>1時(shí)完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量1、1kg燃料燃燒前混合氣的數(shù)量M1汽油機(jī)：（kmol/kg燃料）式中：Mrt為燃料的分子質(zhì)量柴油機(jī)：液態(tài)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(chǎn)物的質(zhì)量M2：（由O2、N2、CO2、H2O構(gòu)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(shù)（表征做工能力的強(qiáng)弱，相當(dāng)于增加工質(zhì)的量，在不完全燃燒時(shí)理論分子變更系數(shù)更大，pme更大）汽油機(jī)：柴油機(jī)：第16頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒§3-3燃燒熱化學(xué)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(jié)后放出的汽化潛熱；低熱值：不包括水蒸汽凝結(jié)后放出的汽化潛熱。2、混合氣熱值：單位數(shù)量的可燃混合氣燃燒所產(chǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)中每循環(huán)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(shí)合理增加噴油量在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不變的情況下動(dòng)力性相差不大。作業(yè)：E10的理論混合氣熱值（10％乙醇、90％汽油），kJ/kg、kJ/m3、kJ/mol。

第17頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒§3.4燃燒初步

一切燃燒過程都分為兩個(gè)階段①著火自燃：自發(fā)燃燒點(diǎn)燃：強(qiáng)制點(diǎn)火油滴（膜）蒸發(fā)與噴霧燃燒②燃燒預(yù)混合燃燒中的火焰?zhèn)鞑ビ偷握舭l(fā)、噴霧燃燒（柴油機(jī)）均為不均勻混合氣，存在濃度梯度――>擴(kuò)散型燃燒造成碳煙的產(chǎn)生――>冒煙第18頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒§3.4燃燒初步

一切燃燒過程都分為兩個(gè)階段①著火自燃：自發(fā)燃燒點(diǎn)燃：強(qiáng)制點(diǎn)火油滴（膜）蒸發(fā)與噴霧燃燒②燃燒預(yù)混合燃燒中的火焰?zhèn)鞑ビ偷握舭l(fā)、噴霧燃燒（柴油機(jī)）均為不均勻混合氣，存在濃度梯度――>擴(kuò)散型燃燒造成碳煙的產(chǎn)生――>冒煙第19頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒一、著火階段（發(fā)生明顯光、火焰效應(yīng)前的準(zhǔn)備階段）自燃：目前有兩種理論：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（烴類的氧化反應(yīng)）組成：鏈引發(fā)、鏈傳播、鏈中斷鏈引發(fā)：烴類受激（電火花、高溫氣流）產(chǎn)生自由基（或原子）――>活性中心――>促進(jìn)新反應(yīng)進(jìn)行。鏈傳播：自由基與反應(yīng)物作用：進(jìn)一步反應(yīng) 產(chǎn)生新的自由基：1:1：直鏈反應(yīng)（不加速）

1:多：支鏈反應(yīng)（加速、爆炸）鏈中斷：自由基與環(huán)境碰撞失去活性 反應(yīng)物濃度急劇消失，自由基找不到促進(jìn)的對象，反映終止氧化反應(yīng)的特征存在形成、積累活性中心的誘導(dǎo)期，長度與反應(yīng)物特性、濃度、溫度、容器有關(guān)。第20頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒一、著火階段（發(fā)生明顯光、火焰效應(yīng)前的準(zhǔn)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(yīng)自動(dòng)加速、自發(fā)著火過程。著火條件：在整個(gè)著火過程中每一時(shí)刻的反應(yīng)放熱速度（與溫度呈指數(shù)關(guān)系）≥反應(yīng)物系統(tǒng)向環(huán)境的散熱速度（與溫度呈線性關(guān)系）。產(chǎn)生熱量積累從而著火。著火的臨界條件即為反應(yīng)放熱量曲線與散熱量直線相切。反應(yīng)放熱量為指數(shù)函數(shù)與反應(yīng)物濃度、性質(zhì)，當(dāng)?shù)豑、P，流動(dòng)等相關(guān)環(huán)境散熱為線性函數(shù)：

T2為反應(yīng)系統(tǒng)溫度、T0為環(huán)境溫度、K為散熱系數(shù)

a）臨界著火b)由于環(huán)境溫度過低而不著火

c)散熱系數(shù)過大而不著火d)反應(yīng)放熱速率低而不著火第21頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

燃料與燃燒一、著火階段（發(fā)生明顯光、火焰效應(yīng)前的準(zhǔn)備階段）實(shí)際的著火過程（著火半島）體現(xiàn)出了兩種理論的不同作用區(qū)域：低溫多階段著火具有鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點(diǎn)；高溫單階段著火充分表現(xiàn)出了熱力自燃理論的表現(xiàn)形式。

二、火焰?zhèn)鞑ミ^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(yīng)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