发动机原理 第四章 燃料与燃烧

天然气燃料的缺点：
1）因为在常温、常压下是气体，储运性能比液 体燃料差。一次充气行驶距离短，长途汽车应用 有一定困难，但用于城市内车辆是可行的，其实 它比一次充电的电动机车的行驶距离要长得多。 2）由于储气压一般达20MPa高压，使燃料容器 加重。 3）由于呈气体状态吸入，使发动机体积效率降 低，与液体燃料相比（如汽油），单位体积的混 合气热值小，功率下降近10%。
柴油蒸发性差，但粘性好， 柴油化学安定 适宜用油泵油嘴向气缸内 柴油 性差，易自燃， 部喷油，靠调节供油量来 机 采用压燃的方 调节负荷，吸入的空气量 式 基本不变，是质调节
柴油喷射及与空气的 混合，既短暂又不均 匀，常有随喷随烧的 现象，燃烧时间延长
归纳（汽油、柴油性能差异对发动机的影响）
混合气形成上的差异 1、外部形成 2、均匀混合气 3、 α较小 4、量调节（负荷） 1、内部形成 2、非均匀混合气 3、 α较大 4、质调节（负荷）
石油气
轻
易
小
易
汽油
煤油 轻、重 柴油 渣油
一、汽油
汽油是多种烃类的混合物，没有一定的沸点， 它随着温度的上升，按照馏分由轻到重逐次 沸腾。汽油馏出温度的范围称为馏程 1、蒸发性：馏程曲线
（1）10%馏出温度：标志起动性；注意气阻 （2）50%馏出温度：标志平均蒸发性，它影响 着发动机的暖车时间、加速性以及工作稳定性 （3）90%馏出温度：标志着燃料中含有难于挥 发的重质成分的数量 （4）98%馏出温度：干点，
2、辛烷值
辛烷值表示汽油抗爆性。汽油的辛烷值高，则抗 爆震的能力强。国产汽油是以辛烷值（研究法） 来标号的 为了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加剂，它 是由四乙铅[Pb(C2H5)4]和溴化乙烷（C2H4Br2） 组成的混合物。在汽油中加入少量的乙基液可明 显地提高汽油的辛烷值。四乙铅有毒，常限制使 用。含有四乙铅的汽油都用加色标明，以引起使 用者的注意
着火上的差异
燃烧上的差异
汽油 机
1、外源点火 2、单火源发火
1、以火焰传播方式为主 2、接近等容燃烧
柴油 机
1、自行着火 2、多火源着火
1、以扩散燃烧方式为主 2、接近先等容后等压燃烧
四、醇类燃料
1）醇类燃料的热值低，但醇中含氧量大，所需的 理论空气量不到汽油的一半，所以两者的混合气热 值都差不多，从而保证发动机动力性能不致降低。 由于热值低，酒精汽油的燃油消耗率比普通汽油高， 不过热效率并不比普通汽油低，而且其混合气比汽 油混合气还稀。 2）醇的汽化潜热是汽油的三倍左右，混合燃料蒸 发汽化，可以促使进气温度进一步降低，增加了充 气量，提高了功率。但困难的是，在使用中需予以 强预热。 3）醇具有高的抗爆性能，加醇的混合汽油可提高 燃料的辛烷值，这对提高汽油机的压缩比极为有利。
理化性质的变化趋势 C原子 数 沸点 品种 相对分 子质量 质量 C1-C4 C5-C11 C11-C19 C16-C23 C23以 上 16-58 95-120 100180 180200 220280 重 难 大 差 易 难 挥发性 粘度 化学 安定性 好 自燃 性 难
点燃性
常温 50200℃ 180300℃ 250360℃ 360℃ 以上
二、柴油
按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20号、－35 号五级，其凝点分别不高于10℃、0℃、－10℃、20℃和-35℃ 1. 十六烷值
十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。十六烷值大，自 燃性好，着火延迟时期短，在着火落后时期内，气缸中形 成的混合气少，着火后压力升高速度低，工作柔和，冷起 动性能亦随之改善 测定柴油的十六烷值，是在特殊的单缸试验机上按规定的 条件进行。试验时采用由十六烷和α甲基萘混合制成的混 合液，十六烷容易自燃，规定它的十六烷值为100，a甲基 萘最不容易自燃，其十六烷值定为0。当被测定柴油的自 燃性与所配制的混合液的自燃性相同时，则混合液中十六 烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。 国产柴油的十六烷值规定在40-50之间
混合气形成上的差异 汽油挥发性强，可能在较 低温度下以较充裕的时间 在气缸外部进气管中形成 均匀的混合气，控制混合 气的数量便能调节汽油机 的功率，是量调节 着火上的差异 燃烧上的差异
汽油 机
汽油自燃温度 较高，适宜外 源点火
防止自燃，促使其有 规律的燃烧，混合气 均匀，着火后，以火 焰传播的方式向均匀 的混合气展开
M1随过量空气系数α而变，当α=1时，燃料与空气 所形成的可燃混合气热值称为理论混合气热值。
第四节 燃烧的基本知识
一、自然着火理论 1.着火热理论 2.连锁反应自然着火理论 3.点燃 二、内燃机的着火方式 1.预混合燃烧 2.扩散燃烧 3.稀薄混合气的均质低温压燃
2. 馏程: 表示柴油的蒸发性，与燃烧完善程度 及起动性能有密切关系
燃料馏出50%的温度低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发 快，有利于混合气形成。 90%和95%溜出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分 的数量。如果重馏分过多，在高速柴油机中来不及蒸 发和形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全。 车用高速柴油机使用轻馏分柴油，但馏分太轻也不好， 因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合 气，一旦着火压力猛增，将使柴油机工作粗暴。
源自文库
2. 混合气热值
当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工 质的热量取决于单位体积可燃混合气的热值，而不 是决定于燃料的热值。 可燃混合气的热值以kJ／kmol或kJ／m3（标准）计。 1kg燃料形成可燃混合气的数量为M1，它所产生的热 量是燃料的低热值hμ。因此，单位数量可燃混合气 的热值（kJ/kmol）是
4）醇的沸点低，产生气阻的倾向比汽油大， 要采取相应的措施。 5 5）在常温下醇难溶于汽油，混合不匀的燃 料使发动机运转不稳定。为此，需要加入适 量的助溶剂，以利于醇与汽油相互溶解。 6）甲醇对视神经有损伤作用，其混合燃料 有一定的毒性，在储运及使用中要注意安全。
五、气体燃料
气体燃料可分为天然气（NG）、液化石油 气（LPG）及工业生产中的气体燃料。 天然气是以自由状态或与石油共生于自然界 中的可燃气体，它的主要成分是甲烷。 液化石油气是在石油炼制过程中产生的石油 气，主要成分是丙烷、丙烯等。 天然气用于汽车一般有两种形式：
一种是压缩天然气（CNG）。通常以20MPa压缩储 存于高压气瓶中； 一种是液化天然气（LNG），将天然气以-162℃ 低温液化储存于隔热的液化气罐中。
天然气燃料的优点：
l）天然气的主要成分是甲烷，CO排放量少，未燃HC成分 引起的光化学反应低，燃料中几乎不含硫的成分，从全球 环保的角度看，比电动汽车的SO2排放量要低。 2）辛烷值高达130，可采用高压缩比，获得高的热效率。 3）燃烧下限宽，稀燃特性忧越，在广泛的运转范围内， 可降低NOx生成，进而也可提高热效率。 4）由于是气体燃料，低温起动性及低温运转性能良好， 进而在暖机过程中，不需要在使用液体燃料时所必要的额 外供油，不完全燃烧成分少。 5）天然气燃料运用性好，可采用油气双燃料供应方式， 也可采用电控混合气或电控天然气喷射方式工作。它适用 于轻型车，也适用于柴油车。 6）将天然气应用于柴油车，固体微粒的排放率几乎为0， （微粒排放是当今柴油车排放治理中突出的困难），从而 达到低公害车的标准。
第二节 传统燃料的现状及使用特性
一、柴油 1.十六烷值 2.馏程 3.黏度 3. 4.凝点 5.热值 二、汽油 1.抗爆性 2.馏程和蒸气压 三、汽油、柴油性能的差异对发动机性能的影响
第三节 燃烧热化学
不管燃烧过程多么复杂，在燃烧分析中 总需要提供有关燃料、空气及其产物的 一些基本数量关系 对于已知的燃料，各元素的含量是可以 测得的，而空气中氧化氮的比例又是一 定的，按照完全燃烧的化学当量关系， 很容易求出一些基本量，为发动机经验 设计及调试提供依据
第四章 燃料与燃烧
第一节 内燃机燃料及其提炼
发动机传统的燃料是汽油与柴油，它们是石油 的炼制品。石油的主要成分是碳、氢两种元素， 含量约占97%-98%，其它还有少量的硫、氧、 氮等等。石油产品是以多种碳氢化合物的混合 物的形式出现的，分子式为CnHm，通常称为烃。 利用沸点不同直接进行分馏，依次得到石油气汽油-煤油-轻、重柴油-渣油
常用α= 0.8-1.2，功率混合气α= 0.85-0.95，经济混合 气α= 1.05-1.15 α= 0.4，火焰传播上限（排气管放炮） α= 1.4，火焰传播下限（进气管回火）
三、燃料热值与混合气热值 1. 燃料热值
1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。 在高温的燃烧产物中，水以蒸气状态存在，水的汽 化潜热不能利用。在高温下的，则为低热值。 待温度降低以后，水的汽化潜热才能释放出来。因 此，水凝结以后计入水的汽化潜热的热值，称为高 热值； 内燃机排气温度较高，水的汽化潜热不能利用，因 此应用低热值。
一、空燃比（美、日、欧）（柴油机：燃空比）
理论空燃比：1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量
汽油：14.9（14.7） 轻柴油：14.5 NG：17.4 LPG：15.8 甲醇：6.52 乙醇：9.05
二、过量空气系数α（中、苏）
燃烧1kg燃料实际提供的空气量L与理论上所需空气 量L0之比，称为过量空气系数α
3. 凝点：指柴油失去流动性而开始凝结的温度， 与柴油储存、运送、使用有关 4. 粘度：是燃料流动性的尺度，是表示燃料内 部摩擦力的物理特性。与燃料喷射有密切关系
当其它条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直 径也越大．使燃油和空气混合不均匀，燃烧不及时或 不完全，燃油消耗率增加，排气带烟
三、汽油、柴油性能差异对发动机的影响
测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的。 测定时，用容易爆震的正庚烷（辛烷值定为0）和抗 爆性好的异辛烷（2、2、4三甲基戊烷）（其辛烷 值定为100）的混合液与被测定的汽油作比较。当 混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相 同时，则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被 测定汽油的辛烷值。 评定车用汽油的抗爆性，可采用两种试验工况，分 别称为马达法与研究法。马达法规定的试验转速及 进气温度比研究法高，所以用马达法测定的辛烷值 （MON）比研究法辛烷值（ROM）低。 美国认为用辛烷值指数[ONI，即（RON＋MON）／2] 来表征在各种道路行驶（工作情况）时的抗爆性能 更合理，并将汽油按ONI分为85、87、89、91、93、 95、97共七个等级。