第五章 发动机燃料与燃烧讲解

料
与 4） 热值：1kg燃料完全燃烧所释放的热量。柴油
燃 烧
hu=42700kJ/kg
章 燃

燃烧下限宽，稀燃优越，运转范围内可降低NOx。
料 气体燃料，低温起动及低温运转性能良好。
与
燃 天然气燃料的缺点：
烧 气体燃料，常温常压下储运性能差，能流密度低，一次充
气可行驶距离短。
储气压达20MP，燃料容器加重。
因气态吸入气缸，充气效率降低；单位体积的混合气热值 低，功率降低近10%
料 与
以两者混合气热值相近，保证发动机动力性能不降低
燃 醇的汽化潜热为汽油的三倍；燃料蒸发汽化可促使进气温
烧
度降低，增加充气量，但冷起动困难需要预热。
辛烷值高，抗爆性能好，可提高压缩比。
沸点低，产生气阻的倾向大。
甲醇对视神经有损伤作用，有毒性，储运及使用中注意安 全；甲醇对金属有一定腐蚀作用，需防腐蚀措施。
用于汽车的三种形式：
CNG—以20MPa压缩储存；
第
液化天然气 LNG — -162℃以下储存；
五 章
吸附天然气 ANG—吸附材料
燃
天然气汽车
料
与
燃
压缩天然气汽车
液化天然气汽车
吸附天然气汽车
烧
CNG
LNG
ANG
天然气专用汽车： 以压缩天然气为单
一燃料 以汽油机改进型 和柴油机改进型
两用燃料汽车： 两种燃料哪一种 多能行驶的汽车 天然气/汽油、LPG
双燃料汽车： 两种燃料混合使
用的汽车 天然气+柴油
混合动力汽车： 天然气发动机和 电机等组合的汽
车
2. 醇类燃料：主要指甲醇和乙醇
甲醇：从天然气、煤、生物质等原料中提取。
第 乙醇：从含淀粉和糖的农作物中制取。
五 章
特点：相对汽油
原料来源广泛，
可再生，有较好 的燃料特性
燃 热值低，但醇中含氧量大，所需理论空气量比汽油少，所
燃
烧 烟，经济性恶化。
一般，十六烷值：45~65，不要过大
过大：冒烟
过小：不易着火
燃料中不同成分对化学安全性的影响
第 五 章 燃 料 与 燃 烧
2）馏程：评价柴油的蒸发性。
第 用馏出某一百分比的温度范围表示。如：
五 章
馏出50%的温度T50：表示平均蒸发性；
燃 料
T50低，轻馏分多，蒸发快，有利于混合；
0.880
0.750
密度，g/mL
0.848
0.878
0.747
§5-2 传统燃料的使用特性
一、汽油
汽油性能的评价指标：
1）辛烷值：评价汽油的抗爆性
第 爆震现象：点火后，末端气体的自燃现象。
五
章 测定方法：专用试验台，压缩比可变
燃 料
标准燃料：正庚烷—易爆震，辛烷值为0%；
与
异辛烷—抗爆性好，辛烷值为100%

oitmc a L0
Hu
Hu是燃料的低热值
和燃料的性质有关，因此需要研究燃料的有关结构和性质。
燃 一、石油中烃的分类及性质
料 与

传统燃料：汽油、柴油石油中提炼；
燃 烧

石油：碳氢化合物
主要成分：C，H；少量的S，O2，N2
分子式：CnHm——烃类
代用燃料：NG（LNG）LPG、醇类、 DME、 H2 和 生物柴油等
碳，氢原子数和排列位置对燃料性质影很大：
第 五
1）烷烃：分子式：CnH2n+2 ；
化学结构： -C-C-C-C-；
C 支链(热稳定) -C-C-C-C-
章wk.baidu.com
直链
燃 料
直链（正构物）特点：饱和开链式，含C越C高结构越不紧凑，
与
常温下化学性质稳定，但热稳定性差，
燃
烧
高温易分解，自燃性好—柴油的好成分；
支链（异构物）特点：常温下化学性质稳定，但热稳定性好， 抗爆性好的汽油成分
热裂法
含有较多的不饱和烃，储存 中易产生胶质，抗爆性比直 馏汽油好，其 MON 辛烷值 约为 58—68 范围内
催化裂化法
芳香烃的体积分数约 32%—40%，烷烃为 50%—60%， 环烷烃为 8%—10%，品质高， 抗爆性好，辛烷值可达 77—84，
在 50—70
RON 可达 90 以上
柴 含有 20%—30%的芳香烃具 含有大量不饱和烃，十六烷值较低， 性能较好，可作高品质柴油使
燃
烧
按不同比列混合而成。
实验n及混合气Tb马 达法>研究法
试验方法不同：研究法和马达法——n和温度Tb不同
定义：被测汽油的抗爆程度与标准燃料相同时，标准燃 料中异辛烷含量的体积百分数为被测汽油的辛烷值。
汽油辛烷值：取决于汽油组成、炼制方法、添加剂；
辛烷值的高低：烷烃<烯烃<环烷烃<芳烃
第 五
2）馏程：指汽油馏出的温度范围，评价蒸发性。
二、柴油
高速柴油机：轻柴油；中低速柴油机：重柴油
第 1. 柴油性能的评价指标：
五 1）十六烷值：评价柴油的自燃性。
章 燃
与发动机的粗暴性、起动性密切相关
料 十六烷值高：着火延迟期短，工作柔和，起动性好
与 燃
测定方法：单缸试验机，压缩比可调；
烧 标准燃料：十六烷与 -甲基萘不同比例制成的混
合液；
规定自燃性：十六烷：100%； -甲基萘：0%
烧 催化重整：使用催化剂进行裂解；
加氢精制：
将蒸馏后的重油等一些高 分子成分用不同手段裂解
为分子量较轻的成分。
表 4-3 不同炼制方法对油料性质的影响
油
第 五
料
章汽
燃
料油
与
燃
烧
直馏法
稳定性好，含 90%—95%的 烷烃与环烷烃，芳香烃不超 过 5%—9%，不含不饱和链 状烃，其 MON 辛烷值大致
与 主要影响暖机性能、加速性、工作稳定性。
燃
烧 馏出90%或95%温度T90或T95：表明柴油中难以
蒸发的重质成分含量；
主要影响燃烧完全经济性。
3）粘度：表示燃料分子间的内聚力抵抗分子间相
对运动的能力；评定柴油的稀稠度，影响燃料的
第
五 流动性和喷雾质量;
章
燃
温度高，粘度小，流动性强；反之相反。
2）烯烃： 分子式：CnH2n ； 化学结构：-C=C-; -C=C-C-C-
特点：非饱和开链式，自燃性差，抗爆性差汽油的成 分；
第
常温下化学稳定性差，易氧化胶质；不易储存
五
章 燃
3）炔烃：分子式：CnH2n-2 ；化学结构：—CC—
料 特点：非饱和开链，热裂化产物，不存在原油中；
与
燃
很不稳定，常温下易分解；不易作燃料。
C5—C11
50—200
汽油
95—120
与
燃 C11—C19 180—300 煤油 烧
100—180
C16—C23 250—360 轻柴油 180—200
理化性质变化趋势
化
轻 质
易粘 挥度 发增
学 稳 定
大性
变
好
易易 自点 燃燃
C23 以上 360 以上 重油 220—280
2. 分子的化学结构对性能的影响
1. 碳原子数的影响
由烃分子C原子数的不同，其分子量、沸点不同；
构成不同性质的燃料。
第 五
燃料根据不同沸点分馏依次得到：
章 燃
石油气汽油煤油柴油渣油
料 与
C1~C4：气态——石油气，相对分子质量16~58；
燃 C5~C23：液态，其中：
烧
C5~C11：50~200℃，汽油， 分子质量95~120；
烧
4）环烷烃：分子式：CnH2n; -C—C化学结构： -C—C-
环丁环
特点：饱和环状，不易分裂，热稳定性强，
汽油机的燃料，石油的重要组成部分。
5）芳香烃：CnH2n-6；
第
基本化合物是苯：C6H6;
五
石油中含量少，分子结构坚固；
章
燃
热稳定性高，
料
与
高温下不易破裂；
燃
烧
汽油的良好的抗爆剂；
石油炼制中产生。
LPG
甲醇
乙醇
汽油
0.818/0.1 0.375/0.125/0.5 0.522/0.130/0.34 0.855/0.14
82/
0
8
5
0.54
0.78
0.80
0.70—0.75
15.8
6.52
9.05
14.9
504
500
420
220—250
46390
20260
27000
44000
3490
3557
3660
其中，-甲基萘：C11H10， 其抗爆性认为100%
二、燃料的提炼方法及对燃料性能的影响
从石油原油中炼制燃料的典型工艺流程：
第 直馏法：将原油在炼油塔中进行加热蒸馏；
五 章
不同分馏温度得到不同成分的燃油
燃 料
这一部分燃料油约占原油的25%~40%
与 燃
裂解法：通过加温加压方法进行裂解；
C11~C19：180~300 ℃，煤油， 100~180；
C16~C23: 250~360， 轻、重柴油，180~200
C23以上：360 ℃以上，渣油，220~280
表5-1 烃分子中碳原子数对烃性质的影响
第 C 原子数 沸点℃ 品种 相对分子量
五 C1—C4 章
常温 石油气 16—58
燃 料
第五章 发动机燃料与燃烧
§5-1 发动机的燃料 §5-2 燃料的使用性能 §5-3 燃烧热化学 §5-4 燃烧的基本知识
§5-1 内燃机燃料及其提炼
燃料是内燃机产生动力的来源，直接影响内燃机的发展、
结构特点以及对环境的污染。
第 五 章
pme

pmim

p0 H u RT0
1
a L0
itmc
定义：被测柴油的自燃性与标准燃料相同时，标准燃料
中十六烷的体积百分数为该柴油的十六烷值。
十六烷值：与燃料的分子结构有关；
第
可通过原油种类、炼制方法、添加剂来控制;
五 直链烷烃类、分子量、C数增加时十六烷值增加;
章
燃 所以，十六烷值高，便于起动，着火落后期缩短;
料
与 但，分子量增加，蒸发性变差，粘度增加，冒黑
要求。
为获得高品质燃料，常采用加氢精制或催化重整 工艺。
三、代用燃料及其特性
1、气体燃料
NG：自由态或与石油共存的天然气，主要成分是
第 五
甲烷,CH4; 成为第三大支柱能源。
章 汽车上的应用：
燃 料
压缩天然气(CNG)，20MPa 存于高压气瓶中；
与 燃
液化天然气(LNG)，-162℃低温液化储存；
燃
料 影响暖车、加速性，工作稳定性。
与 燃

90%馏出温度T90：评价难以挥发的重质成分数量
烧 影响燃烧完全程度、积碳等。
汽油的牌号：表示其辛烷值大小。
根据压缩比选用牌号
3）抗氧化安定性-保持性质不发生长久性变化的能力
4）清净性-在进气系统和喷油器上有胶质沉淀-汽油清净剂
§5-2 传统燃料的使用特性
3750
89—96
92
80
81—89
轻柴油 0.87/0.126/0.00
4 0.82—0.88
14.5 — 42500 3750 —
3. 生物柴油
由动物脂肪或植物油通过酯化反应得到的长链脂肪酸甲(乙)
第
酯组成的新型燃料。具有与柴油相近的性能。
五 章
特点：
光合作用自 然循环
燃 环保性优良。含S低，不含芳香烃，保持CO2平衡。
燃料 项目
天然气
gc /gH/ go 0.75/0.25/
第 液态密度
五 （kg/L）
章 燃
理论空气
料 量 Kg/kg
与 自燃温度
燃 （℃）
烧 燃料低热
值（kJ/kg）
0.42 17.4 632 50050
混合气热 3230
值 kJ/ m3
辛烷值 MON
120—130
表 4-4 常用液体和气体燃料的理化性质
料
与 十六烷值高，燃烧性能好，润滑性能好。
燃 烧
闪点高，可溶解，对土地和水的污染小，可大大减轻意外
泄漏时对环境的污染安全性好。
可再生。资源不会枯竭。
能与石油柴油以任何比例相溶，与柴油混烧或纯烧生物柴 油，可直接应用现有的柴油机及供油系统和加油站系统。
表 4-5 生物柴油与柴油、汽油主要性质参数的对比
烧
其密度为常态下气体密度的600倍；
行驶距离长；但成本高。
LPG: 天然石油气或石油炼制中产生的液化石油气 主要成分：丙烷/丙烯/丁烷/丁烯及其异构物。
天然气燃料的优点：
主要成分是甲烷，CO、HC排放少，燃料中不含硫的成分，
第 SO2排放量低于电动汽车。
五 辛烷值高达130，可提高压缩比热效率。
章 试验方法：
燃 料
加热器，量筒，
燃料蒸馏曲线 轻柴油
与 冷凝器，温度计
燃
煤油
烧 初馏点：第一滴
车用汽油
凝结的燃料流入 量筒时的温度。
航空汽油
10%馏出温度T10：评价低温蒸发性，影响起动性
T10低，低温蒸发性好，易于起动；
第 五
过低，易产生“气阻”现象
章 50%馏出温度T50：评价平均蒸发性，
性质
D2 柴油
生物柴油
汽油
第 五 分子式
C10—C21 随油类与脂类而异 C4—C9
章 燃
沸点，℃
188—343
182—238
266—222
料 与
十六烷值
40—55
>48
13—17
燃 烧
当量空燃比 kg/kg
15.0
13.8
14.5
低热值，MJ/kg
43.05
38.39
43.05
比重@15.6℃
0.86
油 有较高的十六烷值
一般用作中低速柴油机燃料
用，用于高速柴油机中
热裂解：工艺简单；
但燃油的稳定性差，辛烷值低。
第
五 催化重整：使正构烷烃或环烷烃异构物烃和
章 燃
芳香烃；
料 与
副产品氢气可作为加氢工艺的氢气来源。
燃 加氢精制：可使烯烃变成饱和烃，还可以脱碳， 烧 脱氮，脱氧以及脱金属等作用，满足油品的更高